DE2136511A1

DE2136511A1 - Waermeaustauscher fuer fluessige metalle

Info

Publication number: DE2136511A1
Application number: DE19712136511
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Fabregue; Jean Tillequin
Original assignee: Babcock Atlantique SA
Current assignee: Babcock Atlantique SA
Priority date: 1970-07-22
Filing date: 1971-07-21
Publication date: 1973-02-15
Also published as: FR2096970B1; FR2096970A1; GB1328440A

Description

Patentanwalt Dipl.-Ing. Franz Klingseisen 213651 PA. Dlpl.-Ing. Kllng«el»on ■ 8 München 8O ■ Luclla-Grahn-Slraße 38 _ MÜNCHEN SO

Lucile-Grahn-Straße 38 Telefon: 44 5321 Telegramm: Kllpat München

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B 1286 Kl/hs

BABCOCK-ATLANTIQUE S.A., Paris, Frankreich

Wärmeaustauscher für flüssige Metalle

Die Erfindung betrifft Wärmeaustauscher für die Wärmeübertragung zwischen zwei flüssigen Metallen wie Natrium, die sich insbesondere durch eine hervorragende thermische Leitfähigkeit und eine relativ geringe spezifische Wärme auszeichnen.

Solche Wärmeaustauscher werden vor allem in Wärmekraftwerken zur Erzeugung von Energie verwendet, deren Wärmequelle ein mit flüssigem Metall wie Natrium oder einem anderen ähnlichen Metall gekühlter Kernreaktor ist. Bei solchen Wärmekraftwerken wird zur Vermeidung einer radioaktiven Verseuchung

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die Wärme dieses primären Natriumkreislaufs nicht direkt auf einen Wasser-Dampfkreislauf übertragen, sondern über einen zweiten Natriumkreislauf, im folgenden als sekundäres Natrium bezeichnet. Es müssen deshalb einerseits zwischengeschaltete Wärmeaustauscher vorgesehen werden, in denen die Wärme des durch den Kernbrennstoff erwärmten primären Natriumkreislaufs auf den nicht radioaktiven sekundären Natriumkreislauf übertragen wird, sowie andererseits Dampfgeneratoren,in denen die durch den sekundären Natriumkreislauf transportierte Wärme auf einen Wasser-Dampfkreislauf übertragen wird, wobei der dabei erzeugte Dampf in einem Turbogenerator zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet wird.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vielzahl von zwischengeschalteten Wärmeaustauschern dieser Art, die in einem Gehäuse des durch ein flüssiges Metall gekühlten Kernreaktors eingebaut sind.

Bisher wurde für solche Wärmeaustauscher vorgeschlagen, ein Bündel aus geraden, mit beiden Enden an Rohrboden angeschweißten Rohren vorzusehen, das im Innern einer langgestreckten Umhüllung angeordnet ist, wobei eines der beiden Fluide in den Rohren und das andere außerhalb dieser Rohre von einem Ende der durch die Umhüllung begrenzten Kammer zum anderen Ende zirkuliert. Die erforderlichen Rohrboden sind dick und gegenüber heftigen Thermoschocks wenig widerstandsfähig, die bei flüssigen Metallen aufgrund deren guter Leitfähigkeit häufig auftreten. Außerdem werden im Falle unsymmetrischer Versorgung bzw. Wärmebeaufschlagung die geraden Rohre zwischen den beiden starren Rohrboden in starkem Maße eingespannt oder verspannt, wobei sie erheblichen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt werden können.

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B_ei den bekannten Wärmeaustauschern haben die verwendeten Rohre immer einen sehr geringen Durchmesser und eine sehr geringe Dicke, so daß aus Gründen der Wärmeübertragung die Länge der Rohre annähernd proportional ihrem Durchmesser ist und diese Längsabmessung zwangsläufig unter der Gesamthöhe des Wärmeaustauschers liegt. Rohre mit solchen Abmessungen,sind deshalb bruchgefährdet und sie müssen sehr sorgfältig ausgeführt werden.

Zum Feststellen eines undichten Rohres und für dessen Instandsetzung muß der Wärmeaustauscher aus dem Gehäuse herausgenommen werden. Hierbei müssen im Hinblick auf die radioaktive Verseuchung der Umgebung erhebliche Schutzvorkehrungen getroffen werden, die langwierig, kostspielig und schwierig durchzuführen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher der beschriebenen Art so auszubilden, daß diese schwerwiegenden Nachteile nicht mehr auftreten.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung mit einem Wärmeaustauscher für die Wärmeübertragung zwischen zwei flüssigen Metallen, der mit einer eine langgestreckte Zirkulationskammer für das eine Metall bildenden Umhüllung und einem in dieser angeordneten Rohrbündel versehen ist, in dem das andere Metall zirkuliert, dadurch erreicht, daß dieses Rohrbündel aus in schraubenlinienförmigen Windungen gelegten Rohren besteht, die mit geradlinigen Eintritts- und Austrittabschnitten versehen sind, welche in der Achse dieser Kammer gruppiert sind.

Durch eine solche Anordnung kann die Länge des einzelnen Rohres sehr beträchtlich erhöht werden, wobei man eine geringe Anzahl von Rohren mit großem Durchmesser erhält, deren Gruppierung in der Mitte der Wärmeaustauschkammer zu Rohrboden mit einer relativ stark verkleinerten Fläche führt. Die Rohre sind somit sehr

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robust und aufgrund ihrer Spiralenform in der Lage, die in bekannter Weise aufgrund thermischer Beanspruchungen auftretenden Deformationen zu absorbieren. Die Verringerung der Oberfläche führt bei den Rohrboden zu einer Verringerung der Dickenabmessung und sie sind damit weniger empfindlich gegenüber Thermoschocks, die praktisch unvermeidbar sind, wenn man flüssige Metalle als Wärmeträger verwendet.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die geradlinigen ' Eintritts- und Austrittsabschnitte der Rohre von ein und derselben Seite aus in die Wärmeaustauschkammer geführt, wobei die Rohrabschnitte, die sich an die schraubenlinienförmigen Rohre auf der der Einführungsseite gegenüberliegenden Seite anschließen, von Anfang bis Ende der Kammer ein Rohrbündel in der Form eines Zylinders bilden, das in der Achse des Wärmeaustauschers liegt, während die Rohrabschnitte, die sich auf der Einführungsseite an die schraubenlinienförmigen Rohre anschließen, ein Rohrbündel in der Form eines Ringes um das zylindrische Rohrbündel bilden.

Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, da die beiden Enden jedes Rohres von ein und derselben Seite des Wärmeaustauschers aus zugänglich sind, wodurch Instandsetzungsarbeiten sehr erleichtert werden. Andererseits liegt bei einem Wärmeaustauscher mit vertikaler Achse, wie es meistens der Fall ist, die Seite, auf der die Rohre eingeführt werden, vorteilhafterweise oben, wodurch die Rohrboden für die Eintritts- .und Austrittsabschnitte der Rohre in einer . Inert.gasatmosphäre angeordnet und nur einem einzigen der beiden zirkulierenden, flüssigen Metall ausgesetzt werden können.

Die Gruppierung der Eintritts- und Austrittsabschnitte der Rohre in zwei getrennten Rohrbündeln, von denen das eine innerhalb des anderen liegt, ermöglicht weiterhin, auf der Einführungsseite

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der Wärmeaustauschkammer einen freien Raum vorzusehen, der als Vorkammer für die Zuführung des Fluids dient, in dem das Rohrbündel mit schraubenlinienförmigen Rohren eingetaucht ist,und eine homogene Verteilung dieses Fluids über die gesamte Ausdehnung des Rohrbündels gewährleistet.

Vorteilhafterweise ist das innenliegende, in der Form eines Zylinders ausgebildete Rohrbündel aus geraden Rohren von einer Hülse umgeben, die um dieses Rohrbündel eine.Zone bildet, in der das flüssige Metall still steht,und die verhindert, daß es mit dem in die Kammer einströmenden Fluid direkt in Kontakt kommt, wodurch die Ausbildung einer strikt planmäßigen Zirkulation über die gesamte wirksame bzw. ausnutzbare Strömungsbahn der beiden Wärmeaustauschfluide erleichtert wird.

Eine beispielsweise Ausführungsform nach der Erfindung wird im ' folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein Wärmeaustauscher in einem Längsschnitt dargestellt ist.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eines Wärmeaustauschers mit senkrechter Achse bildet dieser einen Teil einer Gruppe von gleichen Wärmeaustauschern, die in einem Kernkraftwerk zur Energieerzeugung in einem Reaktorgehäuse eingebaut sind. Diese Wärmeaustauscher übertragen die Wärme von dem primären Natriumkreislauf, der zur Kühlung des Reaktorcore dient, auf den sekundären Natriumkreislauf, der die Wärmequelle für einen Dampferzeuger bildet.

Nach der einzigen Figur ist in einem nicht dargestellten Gehäuse des Reaktors eine zylindrische Umhüllung 1 mit senkrechter Achse angeordnet, die am unteren Abschnitt offen und am oberen Ende durch eine gewölbte Haube 2 verschlossen ist, die teilweise aus einem Rohrboden 3 in der Form einer ringförmigen Platte gebildet ist. Der durch den Innenrand 4 des Rohrbodens 3 begrenzte

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freie Raum ist von einer das Fluid zuführenden Leitung 5 durchsdzt, die in einem Rohrboden 6 endigt bzw. diesen aufnimmt. Eine an diesem plattenförmigen Rohrboden 6 starr befestigte Hülse 7 bildet eine nach unten ragende Verlängerung des Rohr-

körpers 5 und sie reicht bis nahe an den unteren Rand der Umhüllung 1. Auf dem Umfang der zylindrischen Umhüllung sind am oberen Abschnitt Einlaßöffnungen 14 für das Fluid ausgebildet.

An der Stelle, an der die Leitung 5 die obere Haube der Umhüllung 1 durchquert, ist die Leitung 5 von einer isolierenden . Umkleidung 10 umgeben, die mit dem Rohrboden 3 längs dessen Innenrand 4 dicht verbunden ist. Nach einer nicht dargestellten, abgeänderten Ausführungsform ist diese isolierende Umkleidung wenigstens über einen Teil der Längsabmessung der Hülse 7 verlängert.

Die Umhüllung 1 enthält ein Bündel aus in spiralen- bzw. schraubenlinienförmigen Windungen gelegten Rohren 9, die durch strichpunktierte Linien längs ihrer Achsen schematisch dargestellt sind. Diese auf der vertikalen Achse X der Umhüllung ausgebildeten Schraubenlinien umgeben die Hülse 7 und sie haben fortschreitend größer werdende Durchmesser, damit die einen innerhalb der anderen angeordnet werden können und der durch die Hülse 7 und die Umhüllung 1 begrenzte Raum gleichmäßig ausgefüllt werden kann. Die gegenseitig ineinandergeschobenen schraubenlinienförmigen Windungen sind durch gestrichelte Linien 19 angedeutet. Die nicht bezeichneten unteren und oberen Enden des aus den schraubenlinienförmigen Rohren bestehenden Bündels liegen jeweils etwa auf den Höhen H1 und H2.

Die schraubenlinienförmigen Rohre 9 sind mit ihren unteren Enden über in horizontaler Richtung abgebogene Abschnitte 11 und in senkrechter Richtung verlaufende geradlinige Abschnitte 12 an den Rohrboden 6 angeschlossen. Die geradlinigen Rohrabschnitte 12 bilden dabei im Innern der Hülse 7 ein dicht ge-

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packtes Bündel von zylindrischer Form. Die oberen Enden der schraubenlinienförmigen Rohre 9 sind mit dem Rohrboden 3 über gerade Rohrabschnitte 13 verbunden, die um die Hülse 7 ein aus dicht stehenden Rohren bestehendes ringförmiges Bündel bilden, wobei gegenüber den Einlaßöffnungen 14 ein freier Raum

15 zwischen diesen Rohrabschnitten 13 und der Umhüllung 1 ausgebildet ist. Die Umkleidung 10 bildet mit einer weiteren Umhüllung 20 einen ringförmigen Kanal 18, der die Leitung 5 umgibt und in den die Rohrabschnitte 13 münden.

Das Reaktorgehäuse enthält primäres Natrium zur Kühlung des Reaktorcore. Die in dieses Gehäuse eingesetzte Umhüllung 1 ist durch eine horizontal liegende Trennwand 16 geführt, wobei an dieser Durchtrittsstelle zwischen der Trennwand 16 und der Außenseite der Umhüllung 1 eine ringförmige Dichtung 17 ausgebildet ist.

Im folgenden wird im wesentlichen die Funktionsweise eines solchen Wärmeaustauschers beschrieben, wobei der Eintritt und Austritt der beiden Wärmeaustauschfluide durch Pfeile mit den Bezugszeichen Na1 oder Na2 angegeben ist, je nach dem, ob es sich um primäres oder sekundäres Natrium handelt.

Das primäre Natrium, das nach der Wärmeaufnahme das Core des Kernreaktors verläßt, kommt in dem Gehäuse über der Trennwand

16 an und strömt durch die Einlaßöffnungen 14 in die Wärmeaustauschkammer, in der es aufgrund der Schwerkraft von oben nach unten fließt. Am Auslaß dieser Kammer wird es mittels nicht dargestellter Einrichtungen aufgefangen, die es zum Core des Reaktors zurückleiten, worauf von diesem aus der Kreislauf für den Wärmetransport von neuem beginnt.

Das sekundäre Natrium wird durch die Leitung 5 zugeführt, strömt durch den Rohrboden 6 und von oben nach unten in die geraden Rohrabschnitte 12, hierauf in die horizontal gebogenen

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Abschnitte 11 und schließlich von unten nach oben in die schraubenlinienförmigen Rohre 9 und die senkrechten, geraden Abschnitte 13, worauf es durch den Rohrboden 3 in den ringförmigen Kanal 18 austritt, der es einem Dampferzeuger zuführt.

Wegen der Hülse 7, die eine Zirkulation des primären Natriums längs der geraden Rohrabschnitte 12 verhindert, erfolgt die Wärmeübertragung vom primären zum sekundären Natrium praktisch nur an den Rohren 9 und 13, in denen das sekundäre Natrium vori unten nach oben strömt, während das primäre Natrium, in das diese Rohre eingetaucht sind, von oben nach unten zirkuliert. Auf diese Weise erhält man eine exakt planmäßige Zirkulation und man kann für eine gegebene Wärmeaustauschfläche die Differenz zwischen der Temperatur am Eintritt des erwärmenden Fluids Na1 und der Temperatur am Austritt des erwärmten Fluids Na2 auf ein Minimum reduzieren.

Durch den freien Raum 15 und die relativ geringe Anzahl der senkrechten Rohr ab schnitte 13 kann über den Rohren 9 des Wärmeaustauschers eine Vorkammer ausgebildet werden, die durch das ankommende, erwärmende Fluid gleichmäßig ausgefüllt werden kann, was dazu beiträgt, die Wärmeübertragung in den verschiedenen Rohren einheitlich bzw. gleichmäßig zu gestalten. Die dargestellte Anordnung trägt somit dazu bei, daß eine gleichmäßige Versorgung bzw. gleichförmige Wärmebeaufschlagung des gesamten Rohrbündels auf der Seite des sekundären Natriums gewährleistet ist.

Die Länge der abgewickelten Rohre 9 ist erheblich größer als die wirksame, durch die Ebenen H1 und H2 begrenzte Höhe der Wärmeaustauschkammer und man erhält auf diese Weise eine geringere Anzahl von Rohren als man sie bei einem Wärmeaustauscher vorsehen muß, wenn die Wärmeübergangsfläche durch gerade Rohre ausgebildet wird. Die Höhe der Anlage ist damit

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nicht mehr kritisch, wodurch außerdem die Ausbildung einer für die Verteilung vorgesehenen Vorkammer 15 mit ausreichenden Abmessungen erleichtert wird. Die wenigen am Eintritt und am Austritt gruppierten Rohre benötigen Rohrboden mit nur kleiner Oberfläche und geringer Dicke, so daß diese durch Thermoschocks relativ wenig beeinflußt werden.

Die Rohrboden sind an einer hochliegenden Stelle der Anlage angeordnet, so daß sie relativ leicht über dem Niveau des primären Natriums in dem Gehäuse des Reaktors angeordnet werden können und auf ihren Unterseiten eine neutrale Atmosphäre, z.B. Argon oder dergleichen, aufrechterhalten werden kann.

Da die beiden Rohrboden von oben leicht zugänglich sind, kann man jedes ausfallende oder undichte Rohr bequem dadurch aus dem Kreislauf ausschalten, daß man in einem Abstand an den beiden Enden dieses Rohres Pfropfen anbringt, ohne daß der Wärmeaustauscher ausgebaut oder demontiert werden muß.

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Claims

Patentansprüche

[ 1. JWärmeaust aus eher für die Wärmeübertragung zwischen zwei ^-^ flüssigen Metallen, mit einer eine langgestreckte Zirkulationskammer für das eine Metall bildenden Umhüllung und einem in dieser angeordneten Rohrbündel, das über Rohrboden mit Zufluß- und Abflußleitungen für das zweite Metall verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß dieses Rohrbündel in schraubenlinienförmige: .Windungen gelegte Rohre (9) umfaßt, die mit den Rohrboden (3» 6) über geradlinige Eintritts- und Austrittsabschnitte (12, 13) verbunden sind und parallel zur Achse der Kammer sowie in deren Mitte angeordnet sind,
2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintritts- und Austrittsabschnitte (12, 13) von ein- und derselben Seite aus in die Kammer geführt sind, wobei die Rohrabschnitte (12), die sich an die schraubenlinienförmigen Rohre (9) auf der der Einführungsseite gegenüberliegenden Seite anschließen, von Anfang bis Ende dieser Kammer ein gerades Rohrbündel von zylindrischer Form bilden, das in der Achse (X) des Wärmeaustauschers liegt, während die Rohrabschnitte (13)» die sich auf der Einführungsseite an die schraubenlinienförmigen Rohre

(9) anschließen, um dieses zylindrische Rohrbündel ein relativ kurzes gerades Rohrbündel in Ringform bilden.
3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem ringförmigen Rohrbündel verbundene Rohrboden (3) aus einem ringförmigen Element besteht, das in der Haube (2) bzw. im Boden der Umhüllung (1) auf der Seite der Einführung der Rohre eingebaut ist.

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4. Wärmeaustausch nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Rohrbündel von einer Hülse (7) umgeben ist, welche um dieses Rohrbündel eine Zone mit stillstehendem flüssigen Metall bildet.
5. Wärmeaustauscher nach einem Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem geraden ringförmigen Rohrbündel und der Innenseite der Umhüllung (1) ein freier ringförmiger Raum (15) ausgebildet ist.
6. Wärmeaustausch nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand der Umhüllung (1) an der Stelle des freien Raumes (15) Einlaßöffnungen (14) für flüssiges Metall ausgebildet sind.
7. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem Gehäuse eines durch ein flüssiges Metall gekühlten Kernreaktors eingebaut ist.
8. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er senkrecht in einem Gehäuse eines durch ein flüssiges Metall gekühlten Kernreaktors angeordnet ist, wobei die beiden Rohrböden (3> 6), die jeweils mit den Eintritts- und Austrittsabschnitten (12, 13) verbunden sind, über dem Niveau des flüssigen Metalls in diesem Gehäuse angeordnet sind.

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