DE2338683A1 - Siedewasserverdampfer - Google Patents

Description

Patentanwalt 31. Juli 1973

DipUng. G. W. Schmidt

8 München 5 Mein Z.: Gilbert Case RB-2

Buttermelcherstraße 19

Riley - Beaird, Inc., Shreveport, Louisiana (V.St.A.) Siedewasserverdampfer

Die Erfindung betrifft einen Siedewasserverdampfer mit einem die zu verdampfende Flüssigkeit aufnehmenden Behälter und einem darinllegenden Heizorgan, das in die Flüssigkeit eintaucht.

In der Verdampfer- oder Destillationstechnik ist grundsätzlich zu unterscheiden zwischen Entspannungsverdampfern und Siedewasserverdampfern. Jede Art hat spezifische Vorteile und Grenzen.

Entspannungsverdampfer müssen große Wassermengen pro kg erzeugten Dampfes bewegen, und die anzusetzenden Wärmeübergangszahlen liegen in der Größenordnung von 1220 bis 1490 kcal/m h, während die erzielbare Dampfleistung bei

74 ⁰C etwa 1,4 bis 1,75 kg/cm²h beträgt. Herkömmliche Sie-

ο dewasserverdampfer weisen mit 1220 bis 1290 kcal/m h etwa

- 2 -409808/0854

gleiche Wärmeübergangszahlen auf, wohingegen ihre Dampfleistung bei 74 ⁰C in der Größenordnung von 1,05 bis

ο
1,4 kg/cm h liegt. Damit haben sie bekanntermaßen eine kleinere Dampfleistung als Entspannungsverdampfer. Auch sind Siedewasserverdampfer der Gefahr eines Schäumens unterworfen, so daß Zusätze gewöhnlich fortlaufend zugeführt werden müssen, um dies zu verhindern. Schließlich unterliegt ihre Verdampfungsflache Kesselsteinbildung und Schmutzansatz, was zu einer Leistungsverringerung bzw. höheren Wartungskosten und -zeiten führt.

Erhebliche Forschungsarbeit ebenso wie Zeit und Geld wurde bereits darauf verwandt, um bei Siedewasserverdampfern vergrößerte Wärmeübergangsflächen zu erzielen. Dabei hat man Nuten oder dergl. angebracht im Bestreben, die erreichbare Wärmeübergangszahl zu verdoppeln. Tatsächlich wurden damit

Wärmeübergangszahlen in der Größenordnung von 4100 kcal/m h erreicht, jedoch unter Erhöhung der Kosten für die Wärmeübergangsfläche auf das 2- bis 3fache, und wenn man bereits bei der Auslegung den zu erwartenden Schmutzansatz in Rechnung stellt, wird der Vorteil der höheren Wärmeübergangszahlen durch die erhöhten Kosten der Wärmeübertragungsfläche vollkommen wett/gemacht.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Siedewasserverdampfer die Wärmeübergangszahlen auf einfache und billige Weise zu erhöhen und dazu noch die Dampfleistung zu vergrößern, um damit Siedewasserverdampfer in jeder Hinsicht konkurrenzfähiger mit Entspannungsverdampfern zu machen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Heizorgan aus einem nur teilweise in die Flüssigkeit eintauchenden Rohrbündel besteht, daß dieses von einer strömungsleitenden Ummantelung umgeben ist, in welche die Flüssigkeit

409808/0854

über Dosiermittel Zutritt findet und die in einer Düsenanordnung mündet, und daß gegenüber der Mündung der Düsenanordnung Ablenkmittel für das dort austretende Dampf-Flüssigkeits-Gemisch angeordnet sind, welche die Flüssigkeitskomponente in den Flüssigkeitsvorrat des Behälters zurückleiten, während der Dampfabzug aus dem Bereich der Düsenanordnung und der Ablenkmittel erfolgt.

Damit läßt sich innerhalb der Ummantelung eine Dampf-Flüssigkeit s-Strömung hoher Geschwindigkeit erzielen, die eines Kesselstein- und/oder Schmutzansatz an der Wärmeübergangsfläche der Rohre entgegenwirkt. Genauer gesagt liegt der Flüssigkeitsspiegel zu Beginn des Betriebes innerhalb der Ummantelung genauso hoch wie außerhalb in dem Behälter. In diesem Zustand kann der überwiegende Teil, jedoch nicht die Gesamtheit des Rohrbündels in der Flüssigkeit liegen. Dieser Teil erhitzt die damit in Berührung stehende Flüssigkeit, wodurch ein Dampfstrom entsteht, der durch den nicht eingetauchten Teil des Rohrbündels aufsteigt, durch die Düsenanordnung austritt, sodann von den Ablenkmitteln abgelenkt wird und schließlich, beispielsweise durch einen Kondensator, abgezogen wird. Die weitere Erhitzung führt zu einem kräftigen Sieden der innerhalb der Ummantelung befindlichen Flüssigkeit, und wegen des Umstandes, daß die Ummantelung das Rohrbündel eng umschließt, sowie der anschliessenden Düsenanordnung bildet sich nun ein Zwei-Phasen-Strom aus Dampf und Flüssigkeit aus, der mit hoher Geschwindigkeit durch den freiliegenden Teil des Rohrbündels aufsteigt, wobei er sich weiter erhitzt. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit und das kräftige Sieden bewirken, daß der Strom einen hohen Flüssigkeitsanteil aufweist. Dieser Strom wird durch die Ummantelung um all die freiliegenden Rohre geleitet, um diese ausgiebig zu befeuchten und hierdurch einer Kessel-

409808/0854

Steinbildung entgegen/zu wirken. Unterdessen fällt der Flüssigkeitsspiegel innerhalb der Ummantelung bis zu einem bestimmten Niveau, welches jedenfalls niedriger liegt als dasjenige in dem Behälter außerhalb der Ummantelung. Von dort strömt die Flüssigkeit lediglich über die erwähnten Dosiermittel, im Normalfall einfache Öffnungen im Boden der Ummantelung, nach, wobei sich ein stabiler Niveauunterschied einstellt. Durch das anfängliche Absinken des Flüssigkeitsspiegels in der Ummantelung kommen mehr Rohre mit dem Zwei-Phasen-Strom in Berührung, wodurch sich eine hohe Wärmeübergangszahl für das Rohrbündel ergibt.

Die quergerichtete, schnelle Strömung, die nach ihrem Austritt aus der Düsenanordnung abgelenkt wird, führt zu einer ersten Trennung von Dampf und Flüssigkeit, womit insgesamt ein verbesserter Trenneffekt erreicht wird. Die aus dem Strom ausgeschiedene Flüssigkeit kehrt zu derjenigen in dem Behälter zurück, und die hydrostatische Druckdifferenz zwischen der außerhalb und der innerhalb der Ummantelung auftretenden Flüssigkeitsmenge ergibt die Triebkraft für eine beständige Flüssigkeitsnachführung aus dem Behälter in die Ummantelung. Damit sind Pumpen entbehrlich.

Auf die beschriebene Weise ist die Dampfleistung und damit auch die Destillierleistung des erfindungsgemäßen Verdampfers außerordentlich hoch, gemessen an der Wärmeübertragungsfläche und der Heizleistung. Dieser Vorteil tritt hinzu zu demjenigen, daß Kesselsteinbildung und Schmutzansatz an den Rohren praktisch ausgeschaltet sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben.

409808/0854

Die Figuren 1 und 2 zeigen in schematisierter Darstellung eine erste Fora des erfindungsgemäßen SiedewasserVerdampfers la Quer- bzw. Längsschnitt,

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung gegenüber der Ausführung nach den Figuren 1 und 2, und

Fig. 4 gibt eine Ausführungsform der Erfindung wieder, die besonders geeignet ist zur Behandlung radioaktiver Flüssigkeiten.

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Ausführung, die beispielsweise Teil eines Seewasserdestillators sein kann. Der hier dargestellte Behälter 10 hat neben einer Decke 12, einem Boden 13, Vorder- bzw. Rückwänden 14 und 15 sowie Seitenwänden 16 und 17 einen Schirm 19, der an dem Boden 13 und den Wänden 14 und 15 befestigt ist, um in dem Behälter einen geeigneten Flüssigkeitsspiegel aufrechtzuerhalten. Durch den unteren Teil des Behälters 10 verläuft in Längsrichtung ein Bündel Heizrohre 22. Wie in Fig. 2 ersichtlich, sind die Rohre 22 U-förmig gebogen, und ihre offenen Enden sind in einem zylindrischen Wandabschnitt 23 gefaßt. Von dort kann ein geeignetes Heizmittel durch die Rohre hindurchgeleitet werden.

Im übrigen sind die Rohre 22 eng von einer zylindrischen Ummantelung 25 umgeben, die an ihrem rückwärtigen Ende geschlossen und dicht an den Wandabschnitt 23 angeschweißt ist. In ihrem Boden weist die Ummantelung 25 eine Anzahl Öffnungen 27 auf, welche die Dosiermittel bilden, durch welche das zu verdampfende Wasser in die Ummantelung 25 eintreten kann. In der Mitte der Decke der Ummantelung 25 befindet sich eine längliche Öffnung 28, die in Umfangsrichtung über einen Winkel von etwa 60° bis 120° hinwegreicht. An die Längsränder

409808/0854

dieser Öffnung sind Bleche 30 und 32 angeschweißt, die gegeneinander geneigt sind, um damit eine Düsenanordnung 33 zu bilden. Die Enden der Bleche 30 und 32 sind mit Endblechen 34 und 35 verschweißt, deren untere Ränder wiederum mit der Ummantelung 25 verbunden sind.

Unmittelbar über der Düsenanordnung 33 ist als Ablenkmittel eine Haube 38 vorgesehen, die aus einem abgewinkelten Blech besteht. In der Decke 12 des Behälters 10 über der Haube 38 befindet sich ein Maschendraht-Entfeuchter 40. Von diesem kann der Dampf gewünschtenfalls in einen Kondensator 41 abströmen.

Das zu verdampfende Seewasser oder dergl. tritt zunächst durch eine Eintrittsöffnung 42 in die Ummantelung 25 ein, während das konzentriertere Wasser durch eine Austrittsöffnung 43 aus dem Behälter 10 austritt. Im Betrieb wird das Wasser durch die Öffnung 42 mit einer bestimmten Geschwindigkeit zugeführt, wobei es den Behälter 10 bis zu einem durch den Schirm 19 festgelegten Niveau füllt. Durch die Heizrohre 22 wird ein geeignetes Heizmittel, wie z.B. Dampf, hindurchgeleitet, um das umgebende Wasser bis zum Siedepunkt zu erhitzen. Zu Beginn ist der Wasserspiegel innerhalb der Ummantelung 25 der gleiche wie außerhalb, jedoch sinkt er ab, sobald der Betriebszustand erreicht wird.

Wenn das Wasser in Berührung mit den Rohren 22 seine Siedetemperatur erreicht hat, steigt Dampf durch das Rohrbündel hindurch auf und tritt aus der Ummantelung durch die Öffnung 28 und die anschließende Düsenanordnung 33 aus. Nach Umströmen der Haube 38 wird er durch den Entfeuchter 40 abgezogen, an den sich, wie gesagt, ein Kondensator 41 anschliessen kann.

409808/0854

Die Heizleistung und die Wärmeübergangszahl der Heizrohre 22 werden so gewählt, daß es bei fortdauernder Beheizung zu einem heftigen Sieden kommt und der an dem Rohrbündel vorbeistreichende Dampf eine hohe Geschwindigkeit erreicht, wodurch er eine für einen Siedewasserverdampfer ungewöhnlich große Menge Flüssigkeit mitreißt. Das kräftige Sieden bewirkt, daß der Wasserspiegel innerhalb der Ummantelung 25 absinkt auf ein Niveau, wie es beispielsweise in Fig. 1 angegeben ist, wonach das Wasser nur etwa 1/4 bis 1/3 der Höhe der Ummantelung einnimmt. Damit taucht nur noch ein geringerer Teil der Rohre 22 in das Wasser ein. In dem Maße, wie das Wasser innerhalb der Ummantelung 25 verdampft bzw. durch den Zwei-Phasen-Strom nach oben abgeführt wird, fließt Wasser aus dem Behälter 10 durch die Öffnungen 27 in die Ummantelung 25 nach, so daß ein stabiler Niveauunterschied gemäß Fig. 1 erhalten wird. Dabei findet eine fortwährende Zirkulation des Wassers statt, im Verlauf derer das Wasser mit dem Zwei-Phasen-Strom durch das Rohrbündel hindurch nach oben steigt, dann von der Haurbe 38 nach außen zu dem Wasservorrat außerhalb der Ummantelung 25 abgeleitet wird und schließlich durch die Öffnungen wieder in die Ummantelung 25 eintritt.

Es wurde festgestellt, daß mit dem erfindungsgemäßen Verdampfer in dem aufsteigenden Zwei-Phasen-Strom wesentlich mehr Flüssigkeit durch das Heizrohrbündel hindurchgeleitet werden kann als bei herkömmlichen Siedewasserverdaapfern, bei denen ein Dampfstrom durch das innere von Wärmeaustauschrohren hindurch aufsteigt. Bekanntlich ist bei solchen Siedewasserverdampfern die Innenfläche dieser Rohre einer Kesselsteinbildung unterworfen.

Der Gesamtquerschnitt der Öffnungen 27 im Boden der Ummantelung 25 ist so bemessen im Verhältnis zu dem Innen-

40 9 8 08/0854

raum der Ummantelung, der Einspeisungsgeschwindigkeit, des Durchsatzes des Zwei-Phasen-Stromes und des hydrostatischen Druckes der Flüssigkeitssäule in dem Behälter 10, das sich die gewünschte Höhe des Flüssigkeitsspiegels innerhalb der Ummantelung einstellt.

Zumindest zwei bedeutsame und voneinander abhängige Ergebnisse werden auf die angegebene Weise erzielt: Als erstes wird durch die Tatsache, daß die Ummantelung 25 das Rohrbündel eng umschließt und einen Zwei-Phasen-Strom hoher Geschwindigkeit durch das Rohrbündel hindurchleitet, sowie diejenige, daß eine ungewöhnlich große Menge Flüssigkeit in dem Strom auftritt, eine fortlaufende und reichliche Befeuchtung der Rohraußenfläche erreicht. Diese Wirkung verhindert praktisch Kesselsteinbildung und Schmutzansatz an den Rohren, wodurch wiederum ein bestmöglicher Wärmeübergang und eine Verringerung der Wartungszeit für die Reinigung der Wärmeübergangsflächen erhalten wird. Als zweites bleibt durch die Tatsache, daß der Flüssigkeitsspiegel innerhalb der Ummantelung 25 auf 1/4 bis 1/3 der Höhe des Rohrbündels fällt, der überwiegende Teil dieses RohrbundeIs uneingetaucht, so daß der daran vorbeistreichende Zwei-Phasen-Strom einen günstigen Wärmeübergang herbeiführen kann ohne den üblichen Verlust auf Grund hydrostatischen Druckabfalls, wie er bei herkömmlichen Siedewasserverdampfern zu beobachten ist. Diese Wirkung äußert sich in einer erhöhten Wärmeübergangszahl, die wiederum ursächlich ist für das Entstehen des Zwei-Phasen-Stromes hoher Geschwindigkeit.

Das Dampf-Flüssigkeits-Gemisch dieses Stromes tritt durch die Düsenanordnung 33 hindurch und schlägt auf die undurchlässige Haube 38 auf. Dabei wird es strahlartig nach außen und unten abgelenkt durch die Öffnungen, die sich

£09808/085^

zwischen den Bändern der Bleche 30 und 32 sowie der Haube 38 ergeben, wodurch es zu einer ersten Trennung beider Phasen kommt. Die hier abgeschiedene Flüssigkeit gelangt gegen die Seitenwände des Behälters 10 und auf den Flüssigkeitsvorrat außerhalb der Ummantelung 25. Eine weitere Trennung erfolgt an den Entfeuchter 40, zu dem die nach umströmen der Haube 38 in dem Strom noch enthaltene Flüssigkeit Bit dem Dampf aufsteigt.

Genauer gesagt führt der vergrößerte Heizeffekt zusammen mit der primären Trennung aus dem Zwei-Phasen-Strom beim Verlassen der Düsenanordnung 33 zu einer Dampfleistung, die etwa das Zwei- bis Dreifache derjenigen herkömmlicher Siedewasserverdampfer mit voll eingetauchter Heizfläche oder auch Sprühfilmverdampfer beträgt. Beispielsweise wurde mit erfindungsgemäßen Siedewasserverdampfern eine Oberflächen-Dampfgeschwindigkeit (superficial vapor velocity) im Austrittsquerschnitt der Düsenanordnung 33 zwischen etwa 21 und 40 m/s erreicht. Der Durchsatz des Zwei-Phasen-Stromes aus Dampf und Flüssigkeit betrug schätzungsweise etwa 90000 bis 140000 kg/h für 450 kg/h Dampf.

Die Triebkraft für die Aufrechterhaltung der thermischen Flüssigkeitszirkulation und des schnellen Zwei-Phasen-Stromes durch das ummantelte Rohrbündel ist die Differenz zwischen den hydrostatischen Drücken der Flüssigkeit außerhalb bzw. innerhalb der Ummantelung 25. Nach dieser Kraft werden Anzahl und Größe der Öffnungen 27 für eine gewünschte Zirkulationsgeschwindigkeit gewählt. Es versteht sich, daß die Öffnungen 27 auch durch einen Schlitz oder dergl. mit entsprechendem Durchtrittsquerschnitt ersetzt sein könnten.

Infolge der Selbsterhaltung der thermischen Flüssigkeitszirkulation sind keine Pumpen erforderlich. Es hat sich

- 10 -

409806/0854

sogar gezeigt, daß die Zirkulationsgeschwindigkeit in dem vorausgehend beschriebenen Verdampfer etwa das Dreifache derjenigen betrug, die mit einer gewöhnlichen Pumpe zu erhalten wäre.

Für die Auslegung und Anbringung der Düsenanordnung 33 in Verbindung mit der Haube 38 kann die folgende empirisch gewonnene Gleichung als Anhalt dienen:

2y - l,25x

Darin bedeutet χ die Breite der Mündung der Düsenanordnung 33 und yden minimalen Abstand der Oberkante der beiden Bleche 30 und 32 von der Haube 38. In einem typischen Fall schließen die beiden Flanken der Haube 38 einen Winkel von etwa 140° ein.

In manchen Fällen kann es erwünscht sein, den Zwei-Phasen-Strom aus der Düsenanordnung 33 nur nach einer Seite zu entlassen anstatt nach zwei Seiten gemäß Fig. 1. Eine entsprechende Anordnung ist in Fig. 3 gezeigt, worin eine Haube 38* einfach eine abgewinkelte Fortsetzung des Bleches 32 bildet. In diesem Fall tritt der Zwei-Phasen-Strom nur nach rechts hin aus zwischen der Oberkante des Bleches 30 und der Haube 38^f. Dabei kann für die Wahl der vorausgehend erläuterten Werte χ und y die folgende empirisch gefundene Gleichung verwendet werden:

l,25x

Wie erwähnt, kann der vorausgehend beschriebene Verdampfer in einem SeewasserdestiIlator Verwendung finden, und dieser kann ein- oder mehrstufig sein, wobei im letzteren Fall die aufeinanderfolgenden Stufen mit fortlaufend niedrigeren Tem-

- 11 -

peraturen und Drücken arbeiten. Bei einer solchen Anwendung wird durch die Eintrittsöffnung 42 jeweils das Abwasser der vorausgehenden Stufe höherer Temperatur oder aber das vorgewärmte Seewasser eingespeist, während die Austrittsöffnung 43 mit der Eintrittsöffnung der nächstfolgenden Stufe niedrigerer Temperatur in Verbindung steht. Der in einer Stufe erzeugte Dampf wird durch das Rohrbündel der nächsten Stufe geleitet, um dort als Heizmittel zu dienen. Falls erforderlich, kann der Anordnung auch eine chemische Aufbereitungsanlage angeschlossen sein. Auch kann der vorausgehend beschriebene Verdampfer eine Stufe eines mehrstufigen Destillators darstellen, in dem das Destillat aus dem Kondensator 41 einer jeden Stufe der Eintrittsöffnung 42 einer nachfolgenden, ebensolchen Stufe zugeführt wird. Da der erfindungsgemäße Verdampfer praktisch in jedes bekannte mehrstufige Verdampfungs- oder Destillationssystem eingegliedert werden kann, dürften sich weitere Ausführungen hierzu erübrigen.

Indessen kann die Erfindung auch auf eine Verdampfungsr Konzentrationsanlage zur Erzeugung eines Kondensats bzw. Destillats Anwendung finden, das als flüssiger Moderator stets aufs neue einem Druckwasser-Kernreaktor zugeführt wird, oder auch zur Konzentrierung des Abwassers aus einer Kernreaktoranlage. Eine entsprechende Anordnung ist in Fig. gezeigt. Hiernach sind alle wesentlichen Teile des Verdampfungs-Konzentrat ionssy st ems in einem einzigen zylindrischen Tank 50 aus Metall untergebracht. Durch den vorderen und mittleren Teil des Tanks 50 verläuft ein langgestreckter, oben offener Trog, der im Betrieb mit dem Flüssigkeitsvorrat gefüllt ist und noch vor der rückseitigen Stirnwand des Tanks 50 mit einer Endplatte 54 abschließt. Der Trog 52 wird von einer oder mehreren vertikalen Stützplatten 55 getragen. Der Tank 50 bildet nicht nur das Gehäuse der Anordnung sondern auch einen Vorratsbehälter, der in seinem unteren Teil auf der

- 12 -

4Q9808/Ü8B4

ganzen Länge ein Volumen 57 der zu konzentrierenden Flüssigkeit aufnimmt. Innerhalb des Troges 52 befindet sich wiederum das von einer Ummantelung 25 umgeben e Heizrohrbündel 22, wie vorher beschrieben. Demgemäß finden auch die gleichen Bezugszahlen Verwendung. Indessen besitzt die Haube 38a nach Fig. 4 die Fora einer im Grundriß langgestreckten, abgestumpften Pyramide.

Vor Beginn des Betriebes wird ein Quantum der zu konzentrierenden Flüssigkeit durch die Eintrittsöffnung 42 nahe deren vorderem Ende in die Ummantelung 25 eingelassen. Diese Flüssigkeit tritt zum Teil durch die Öffnungen 27 und 27a im Boden der Ummantelung 25 hindurch und füllt den Trog 52 bis zum Überlauf. Die überschüssige Flüssigkeit sammelt sich im unteren Teil des Tanks 50. Ein kleiner Anteil der Flüssigkeit aus dem Trog gelangt auch durch eine kleine Öffnung 56 im Boden des Troges in den unteren Teil des Tanks. Die Öffnung 56 ist so bemessen, daß die während des Betriebes hindurchtretende Flüssigkeitsmenge beträchtlich kleiner ist als diejenige, welche durch die Eintrittsöffnung 42 zugeführt wird.

Indessen wird Flüssigkeit aus dem unteren Teil des Tanks 50 fortlaufend von einer Pumpe 59 in den Trog 52 gepumpt, um sicherzustellen, daß dieser stets bis zum Überlauf gefüllt ist, und um eine ständige Durchmischung der Flüssigkeit zu erhalten. Die konzentrierte Flüssigkeit kann aus dem Tank 50 durch eine Austrittsöffnung 43a abgezogen werden.

Die vorausgehend erwähnte Endplatte 54 schließt oben mit einer geraden Kante 54a d> und ist unmittelbar darunter beidseitig an den Tank 50 angeschweißt, An den schmäleren Mittelteil 54b der Platte 54 sind die beiden Bleche 30 und

- 13 -

40 9 8 08/0854

32 angeschweißt, welche die Düsenanordnung 33 bilden, sowie die darüberliegende Haube 38a. Eine darunterliegende Erweiterung 54c der Platte 54 bildet die Stirnwand des Troges 52 wie auch der Ummantelung 25. Ein schmaler Unterteil 54d der Platte 54 ist mit dem Boden des Tanks 50 verschweißt und dient als Abstützung der Platte.

Auf der Vorderseite kann eine entsprechende Endplatte mit Teilen 54b, 54c und 54d vorgesehen sein.

Von der Rückseite des Teils 54b der Endplatte 54 wird ein Entfeuchter 58 getragen, der wiederum dazu dient, den Dampf von davon mitgeführten Flüssigkeitströpfchen zu trennen. Der Entfeuch'ter 58 kann einen Trennwäscher enthalten, wie er in der US-amerikanischen Patentanmeldung Nr. 123 von Picek und anderen beschrieben ist. Bei einem solchen Gerät findet im wesentlichen reines Wasser-Destillat im Bücklauf dafür Verwendung, um aus einem aufsteigenden Dampfstrom einen Bo rdampfanteil aufzulösen. Der aufgelöste Bo ranteil wird mit Überflußflüssigkeit weitergegeben, während der Wasserdampfanteil weiter aufsteigt, um in dem Kondensator des Systems niedergeschlagen zu werden. Die Überflußflüssigkeit kann in den unteren Teil des Tanks 50 zurückgeleitet werden.

Über der Haube 38a ist ein Kondensatorrohrbündel 60 mit einer Ummantelung 62 angeordnet. Das rückwärtige Ende der Ummantelung 62 ist gleichfalls mit der Endplatte 54 verschweißt. Zwei geneigte Bleche 63 und 64 in Verbindung mit einer Kopfplatte 65 und dem oberen Teil der Endplatte 54 bilden einen Dampfeintrittskanal 62a am rückwärtigen Teil der Ummantelung 62, um den Dampf aus dem Entfeuchter 58 aufzunehmen. Die Platte 65 liegt etwas vor der Platte 54 und ist oben mit dem Tank 50 sowie dem oberen Teil der Ummantelung

- 14 -

409808/0854

62 verschweißt, ebenso wie mit den geneigten Blechen 63 und 64. Somit mündet der Dampfeintrittskanal 62a in den oberen, rückwärtigen Teil der Ummantelung 62 und erstreckt sich zwischen den Platten 54 und 65.

Der in die Ummantelung 62 eintretende Dampf kommt in Berührung mit dem Kondensatorrohrbündel 60, woran er sich niederschlägt. Das Kondensat sammelt sich auf dem Boden der Ummantelung 62, von wo es auf herkömmliche Weise abgezogen oder aber als Waschmittel in den vorerwähnten Trennwäscher innerhalb des Entfeuchters 58 eingeführt werden kann.

Zu Beginn des Betriebes der in Fig. 4 dargestellten Anordnung wird die zu konzentrierende Flüssigkeit, die, wie gesagt, aus dem Abwasser eines Kernreaktors bestehen oder aber die Moderatorflüssigkeit eines solchen, wie etwa eine Bo. rsäurelösung, sein kann, durch die Eintrittsöffnung 42 in die Ummantelung 25 eingeführt. Diese Einführung kann fortlaufend oder einmalig in Form einer Füllung geschahen. Ein Teil der eingeführten Flüssigkeit tritt durch die Öffnungen 27 und 27a im Boden der Ummantelung 25 in den Trog 52 über, so daß sich dieser füllt und schließlich in den unteren Teil des Tanks 50 überfließt. Darauf wird nun die kleine Pumpe 59 betätigt, um die Flüssigkeit zwischen dem unteren Teil des Tanks 50 und dem Trog 52 auszutauschen und auf diese Weise eine fortwährende Mischung zu erreichen. Es versteht sich, daß bei kontinuierlicher Flüssigkeitszuführung durch die Eintrittsöffnung 42 die Zuführgeschwindigkeit, die in diesem Fall dem Dampf- und Konzentratanfall entspricht, zusammen mit der Zirkulationsgeschwindigkeit auf Grund der Pumpe 59 dafür maßgeblich ist, die gewünschten Niveaus innerhalb der Anordnung herzustellen, um eine bestimmte Verdampfungsgeschwindigkeit zu erhalten. Bei Verwendung einer einmaligen

- 15 -

409808/0854

Füllung findet entsprechend kein kontinuierlicher Konzentratabzug statt. Damit entspricht der Durchsatz durch die Eintrittsöffnung 42 im Mittel allein der Verdampfungsgeschwindigkeit, während die Pumpe 59 für die gewünschte Zirkulationsgeschwindigkeit zwischen dem Volumen 57 im Tank 50 und dem Trog 52 maßgebend ist. Bei einer ausgeführten Anlage gemäß Fig. 4 betrug der Durchsatz der durch die Eintrittsöffnung 42 eingeführten Flüssigkeit 87 l/min, der Durchsatz durch die öffnungen 27 und 27a 17000 l/min und derjenige der Pumpe 59 379 l/min.

Während des Anlaufs des Betriebes ist der Flüssigkeitsspiegel innerhalb und außerhalb der Ummantelung 25 noch der gleiche. Erreicht die mit den Rohren 22 in Berührung stehende Flüssigkeit jedoch ihren Siedepunkt, so beginnt der in Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschriebene Prozess, wobei innerhalb der Ummantelung 25 ein Zwei-Phasen-Strom hoher Geschwindigkeit aus Dampf und Flüssigkeit entsteht, der durch die Düsenanordnung 33 strahlartig austritt und durch die Haube 38a abgelenkt wird. Bei dieser Ablenkung kommt es zu einer ersten Trennung zwischen Dampf und Flüssigkeit, wobei der überwiegende Teil der in dem Strahl enthaltenen Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit auf den Flüssigkeitsvorrat in dem Trog 52 auftrifft.

Bei Erreichen stabiler Arbeitsbedingungen liegt der Flüssigkeitsspiegel innerhalb der Ummantelung 25, wie vorher beschrieben, nur noch etwa bei einem Viertel bis einem Drittel der Höhe des Rohrbündels, so daß eine hydrostatische Druckdifferenz entsteht, die für die selbständige thermische Zirkulation der Flüssigkeit zwischen Trog 52 und Ummantelung 25 maßgebend ist.

Der Dampfanteil des durch die Haube 38a seitwärts abge-

- 16 -

A09808/08b4

lenkten Stromes gelangt mit dem verbliebenen Flüssigkeitsanteil um die Seitenränder des Teils 54b der Platte 54 herum in den rückwärtigen Teil des Tanks 50 und strömt dort aufwärts durch den Entfeuchter 58 hindurch, wobei auch der restliche Flüssigkeitsanteil ausgeschieden wird. Der verbleibende Dampf strömt über die Oberkante 54a der Endplatte 54 hinweg und durch den Dampfeintrittskanal 62a in den Kondensator ein. Das dort anfallende Kondensat wird entweder für einen vorgesehenen Verwendungszweck gesammelt oder aber abgeführt.

Die Öffnung 56 im Boden des Troges 52 ist klein genug, um sich nicht merklich auf den so weit beschriebenen Betrieb auszuwirken. Sie dient lediglich dazu, wenn sich der Verdampfer außer Betrieb befindet, sämtliche Flüssigkeit in den unteren Teil des Tanks 50 abströmen zu lassen, um auf diese Weise den Sicherheitsbestimmungen für den Umgang mit radioaktiven Substanzen zu entsprechen.

Die fortwährende Förderung der Flüssigkeit aus dem unteren Teil des Tanks 50 in den Trog 52 vermittels der Pumpe 59 im Verein mitdem Überlauf der Flüssigkeit aus dem Trog bewirkt eine praktisch gleichmäßige Konzentration der Flüssigkeit in der gesamten Anordnung. Freilich ändert sich diese Konzentration im Verlauf des Betriebes, insbesondere wenn dieser mit einer einmaligen Füllung erfolgt.

Steuermittel für die Aufrechterhaltung eines stabilen Betriebes der beschridjenen Anordnung wurden hier nicht erwähnt, da solche nach Art und Verwendung wohl/bekannt sind und folglich nicht zum Gegenstand der Erfindung gehören.

Beispielsweise betrug bei einer ausgeführten Anlage gemäß Fig. 4 der Durchsatz durch die Eintrittsöffnung 42

- 17 -

409808/08S4

etwa 57 l/min, derjenige der Pumpe 59 etwa 379 l/min und derjenige durch die Öffnungen 27 und 27a etwa 17000 l/min. Das Heizrohrbündel war etwa 180 cm lang und umfaßte
145 U-förmige Rohre, die eine Gesamtheiz fläche von etwa 26 m aufwiesen. In diese Rohre trat Dampf mit einer Geschwindigkeit von etwa 1000 m/s ein. Innerhalb des Zwei-Phasen-Stromes, der in dem ummantelten Rohrbündel erzeugt wurde und aus der Düsenanordnung 33 austrat, wurden etwa 5220 kg/h Dampf erzeugt, wobei die Zirkulationsgeschwindigkeit der Flüssigkeit innerhalb des Zwei-Phasen-Stromes bei 1,05 . 10⁶ kg/h lag.

- Patentansprüche -

409808/0854

- 18 -

Claims (11)

31. JwIi 1973 Hein Z.: Gilbert Case RB-2 Patentansprüche

1. Siedewasserverdampfer mit einem die zu verdampfende Flüssigkeit aufnehmenden Behälter und einem darinliegenden Heizorgan, das in die Flüssigkeit eintaucht, dadurch gekennzeichnet , daß das Heizorgan aus einem nur teilweise in die Flüssigkeit eintauchenden Rohrbündel (22) besteht, daß dieses von einer strömungsleitenden Ummantelung (25) umgeben ist, in welche die Flüssigkeit über Dosiermittel (27) Zutritt findet und die in einer Düsenanordnung (33) mündet, und daß gegenüber der Hündung der Düsenanordnung Ablenkmittel (38, 38a) für das dort austretende Dampf-Flüssigkeits-Gemisch angeordnet sind, welche die Flüssigkeitskomponente in den Flüssigkeitsvorrat des Behälters (10, 52) zurückleiten, während der Dampfabzug aus dem Bereich der Düsenanordnung und der Ablenkmittel erfolgt.

2. Siedewasserverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Behälter (10, 52) langgestreckt und liegend und das Rohrbündel (22) längs darin angeordnet ist.

3. Siedewasserverdampfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiermittel aus mindestens einer Öffnung (27, 27a) im Boden der Ummantelung (25) bestehen.

4. Siedewasserverdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Dosieraittel (27, 27a) entsprechend bemessen sind, um das Rohrbündel (22) nur zu einem geringeren Teil in die Flüssigkeit eintauchen zu lassen.

5. Siedewasserverdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Ablenk-

- 19 -

40 9803/0854

mittel (38, 38*, 38a) als die Hündung der Düsenanordnung (33) überdeckende Haube ausgebildet sind, die das dort austretende Daapf-Flüssigkeits-Gemisch seitwärts ablenkt.

6. Siedewasserverdaapfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung (25) entsprechend ausgebildet ist, um das in ihr gebildete Dampf-Flüssigkeits-Gemisch im wesentlichen vertikal durch das Rohrbündel (22) hindurchzuleiten.

7. Siedewasserverdaapfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Heizleistung des Rohrbündels (22) sowie die Durchflußcharakteristik der Uaaantelung (25), der Düsenanordnung (33) und der Dosiermittel (27, 27a) so aufeinander und auf die Eigenschaften der Flüssigkeit abgestimmt sind, daß diese innerhalb der Ummantelung (25) kräftig zum Sieden kommt und dort unter dem sich einstellenden Dampfdruck ein wesentlich niedrigeres Niveau annimmt als außerhalb der Ummantelung.

8. Siedewasserverdaapfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß er einen Vorratstank (50) für die zu verdampfende Flüssigkeit und eine Einrichtung (59) zur Zuführung dieser Flüssigkeit zu dem Behälter (52) aufweist.

9. Siedewasserverdaapfer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Vorratstank (50) den Behälter (52), das Rohrbündel (22) mitsamt seiner Ummantelung (25) und der Düsenanordnung (33), die Ablenkmittel (38a) und die Daapfabzugsmittel (58; 60, 62) umschließt und den Flüssigkeitsvorrat (Volumen 57) lediglich in seinem darunterliegenden Teil aufnimmt.

- 20 -

40980 8/08 6 4

10. Siedewasserverdampfer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Behälter ein über dem Flüssigkeitsvorrat (57) angeordneter Trog (52) ist, der sich im wesentlichen mit der von den Ablenkmitteln (38a) zurückgeleiteten Flüssigkeit füllt.

11. Siedewasserverdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Rohrbündel (22) in Verbindung mit seiner Ummantelung (25) dafür ausgelegt ist, ein Dampf-Flüssigkeits-Gemisch mit etwa 200 bis 300 kg Flüssigkeit pro kg erzeugten Dampfes hervorzubringen, und daß die Düsenanordnung (33) entsprechend bemessen ist, dieses Gemisch mit einer Oberflächen-Dampfgeschwindigkeit zwischen etwa 21 bis 40 m/s austreten zu lassen.

808/0854