DE2360257A1

DE2360257A1 - Dreistoff-waermetauscher

Info

Publication number: DE2360257A1
Application number: DE2360257A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Berner; Kurt Dr Ing Vinzens
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1973-12-04
Filing date: 1973-12-04
Publication date: 1975-06-05
Also published as: FR2253198A1; GB1484596A; JPS5086746A; NL7415598A

Description

24.238.6

Go/Di 26.1 1.1973

interAtom 2360257

Internationale Atomreaktorbau GmbH 50,6 Bensberg

Dreistoff-Wärmetauscher

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dreistoff-Wärmetauscher, bei dem zwei Medien in getrennten Rohrsystemen geführt sind, und der Zwischenraum mit einem gut wärmeleitenden, aber mit den beiden Medien verträglichen Kontaktmedium gefüllt ist. Wärmetauscher dieser Art vermeiden die bei gefährlichen oder aggressiven Medien in einem gemeinsamen Behälter auftretenden Probleme, weil kleine Undichtigkeiten in den Rohrsystemen aufgrund des mit beiden Medien verträglichen Kontaktmediums nicht zu einer weiteren Schadensausbreitung führen. Diese Erfindung ist beispielsweise geeignet für Kernenergieanlagen, deren Primärkreis mit Natrium und deren Sekundärkreis mit Wasser bzw. Wasserdampf betrieben wird.

In der deutschen Offenlegungsschrift 15 51 024 wird ein Natrium-Wasser-Wärmetauscher mit einem flüssigen Metall, insbesondere Natrium, als Kontaktmedium vorgeschlagen. Die beiden Rohrsysteme für Natrium und Wasser können aus Sicherheitsgründen durch ein dünnes Schutzrohr getrennt sein. Das als Kontaktmedium dienende Natrium soll entweder in nicht näher beschriebener Weise durch den Behälter zirkulieren oder lediglich den Behälter füllen. Die beiden Rohrsysteme für Natrium und Wasser sind ineinander verschachtelt und lassen sich bei Inspektion oder Reparatur nur mit Mühe voneinander trennen.

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In der deutschen Offenlegungsschrift 15 51 463 wird alternativ ein strömendes Kontaktmedium, beispielsweise Quecksilber, oder ein nicht näher genannter fester Stoff angegeben. Quecksilber ist, wie auch andere nicht mit Wasser reagierende Flüssigmetalle, sehr teuer. Bei den vorgeschlagenen Feststoffen als Kontaktmedium ergeben sich Probleme durch Wärmespannungen zwischen dem Feststoff und den eingespannten Rohrleitungen. Außerdem ist in einem Schadensfall an einer Rohrleitung innerhalb des Feststoffes sowohl die Feststellung des Schadensortes als auch die Behebung eines solchen Schadens mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Dreistoff-Wärmetauscher, bei dem im Schadensfall die Feststellung des Schadensortes sowie die Reparatur erleichtert wird und bei dem die Kosten für ein geeignetes Kontaktmedium möglichst gering gehalten werden. Spezielle Aufgabe ist es, die unterschiedlichen Enthalpien zweier Medien durch geeignete Konstruktion auszugleichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die beiden getrennten Rohrsysteme in Form annähernd senkrechten konzentrisch-zylindrischen oder ebenen Rohrwänden mit geringen Abständen voneinander in einem mit stagnierendem Flüssigmetall gefüllten Behälter angeordnet sind. Aufgrund des stagnierenden Kontaktmediums können die Abstände zwischen den einzelnen Rohren sehr gering gehalten werden, was einerseits einen guten Wärmeübergang und andererseits ein geringes Volumen des Kontaktmediums ermöglicht. Die engen senkrechten Gassen zwischen den einzelnen Heizflächen sollen einerseits im Schadensfall die austretenden Medien nach oben abführen und andererseits gestatten sie, einzelne Heizflächen oder Pakete aus mehreren Heizflächen nach oben aus dem Behälter herauszuheben, ohne dabei andere Heizflächen zu entfernen oder zu beschädigen. Bei der Anordnung von konzentrisch-zylindrischen Heizflächen ist es besonders zweckmäßig, die einzelnen Rohre schraubenlinienartig zu wendeln.

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Dadurch ist einerseits eine einwandfreie Entleerung der Rohre nach unten gewährleistet und andererseits können parallel geschaltete konzentrische Heizflächen je nach ihrem Mittelpunktabstand unterschiedliche Steigungen aufweisen, so daß trotz unterschiedlicher Radien dennoch annähernd gleich große Rohrlängen und damit gleich große Druckverluste und gleich hohe Austrittstemperaturen entstehen. Die Rohrsysteme sind einzeln nach außen geführt und werden außerhalb des Behälters mit Sammlern bzw. Verteilern verbunden, so daß im Schadensfall die Rohre von außen mittels Gas geprüft und einzeln verschlossen werden können.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung, wobei die zwei Medien erheblich unterschiedliche Enthalpien aufweisen wird vorgeschlagen, daß jeweils zwei das eine Medium führende Rohrwände eine das andere Medium führende Rohrwand umgeben und diese drei Rohrwände gemeinsam auswechselbar gestaltet sind« Aufgrund der unterschiedlichen Enthalpien beispielsweise von Natrium und Wasser ist es wünschenswert, wenn die Natrium führenden Rohrleitungen im ganzen einen größeren Querschnitt aufweisen als die Wasser führenden Rohrleitungen. Wenn man diese drei Rohrwände mit gleicher Steigung wickelt, können sie sogar mit versetzten Rohrmitten ineinander gewickelt werden. Es liegt im Rahmen dieser Erfindung, wenn beispielsweise auch drei Rohrwände des einen Mediums mit zwei Rohrwänden des anderen Mediums kombiniert werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß in senkrechter Richtung jeweils zwei das eine Medium führende Rohre und ein das andere Medium führendes Rohr abwechselnd angeordnet sind. Auch durch diese Anordnung kann der Enthalpie-Unterschied ausgeglichen werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Rohrwände aus miteinander verschweißten Rohren oder Flossenrohren bestehen. Diese bei mit Rauchgas beheizten

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Wärmetauschern bewährte Konstruktion ist insbesondere bei den konzentrisch-zylindrischen Rohrwänden sehr stabil und vermeidet die sonst in senkrechter Richtung notwendigen Abstandshalter zwischen den einzelnen Rohren. Bei diesen dicht verschweißten Rohrwänden wird die Ortung eines Lecks vereinfacht und in erwünschter Weise das freie Volumen für das Kontaktmedium zwischen den Rohren erheblich verringert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die das eine Medium führenden Rohre einen größeren lichten Querschnitt aufweisen als die das andere Medium führenden Rohre. Auch diese Anordnung dient dem erwünschten Ausgleich der Enthalpie-Unterschiede. In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn jeweils eine Rohrwand aus beispielsweise Wasser führenden Rohren von geringem Querschnitt und eine Rohrwand aus beispielsweise Natrium führenden Rohren von großem Querschnitt abwechselnd angeordnet sind.

In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Rohrwände zumindestens teilweise aus Vierkant-Profilrohren bestehen. Diese an sich bekannten Vierkant-Rohre mit quadratischem oder sogar rechteckigem Querschnitt verringern die zwischen runden Rohren vorhandenen Zwickel zwischen den einzelnen Rohren und damit ebenfalls das freie Volumen des teuren Kontaktmediums. Bei den im Dampferzeugerbau möglichen sehr hohen Drücken wird es allerdings oft zweckmäßig sein, die Wasser bzw. Dampf führenden Rohre rund auszuführen und nur die Natrium führenden Rohre, die ja einen geringeren Innendruck aufweisen, als Vierkantrohre auszuführen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß als Kontaktmedium ein Blei-Wismut-Eutektikum verwendet wird. Dieses an sich teure Metall mit einem bekanntermaßen sehr niedrigen Schmelzpunkt ist im Zusammenhang mit den weiter oben beschriebenen Konstruktionen besonders geeignet für Natrium-Wasser-Wärmeaustauscher auch bei hohen Temperaturen,

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weil bei einem Kontakt mit Natrium oder Wasser keine wesentlichen Wärmemengen frei werden. Die bei der Inbetriebnahme einer Flüssigmetallanlage notwendige Beheizung kann also in einfacher Weise mit dem vorhandenen oder auch einem gesonderten Dampfsystem erfolgen.

Die Figuren 1 bis 4 zeigen mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung an je einem senkrechten Schnitt durch die Wandung eines Wärmetauscherbehälters und durch einen Teil der Heizflächen, die entweder als konzentrisch-zylindrische Heizflächen gewickelt sind oder aus ebenen Heizflächen bestehen.

Figur 1 zeigt eine Anordnung von jeweils drei ineinander geschachtelten Heizflächen, die aus Flossenrohren zusammengeschweißt sind. Dabei können jeweils die beiden äußeren Heizflächen eines solchen Paketes beispielsweise aus Natrium führenden Rohrleitungen 1 bestehen, während die innere Heizfläche 2 aus Wasser führenden Rohren besteht. Selbstverständlich ist bei dieser Ausführung auch möglich, in senkrechter Richtung abwechselnd Natrium und Wasser führende Rohre anzuordnen. Zwischen je zwei von solchen Paketen aus drei Heizflächen befindet sich ein etwas größerer Spalt, der einen Abstandshalter 3 enthält, so daß die einzelnen Pakete getrennt ausgewechselt werden können. Die Außenwand 4 kann ebenfalls mit geringem Abstand von den Heizflächen angeordnet sein.

Figur 2 zeigt eine Anordnung von beispielsweise Natrium und Wasser führenden Rohren, bei der in senkrechter Richtung abwechselnd zwei Natrium führende Rohre 5 und ein Wasser führendes Rohr 6 angeordnet sind. In benachbarten Rohrwänden sind die Wasser führenden Rohre 6 gegeneinander um eine Rohrteilung versetzt.

Figur 3 zeigt eine Anordnung, bei der jeweils abwechselnd eine Rohrwand aus großen beispielsweise Natrium führenden Rohren 7 und kleinen beispielsweise Wasser führenden Rohren 8 angeordnet sind. Die Rohrmitten der Natrium und Wasser führenden Roh-

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re sind um eine halbe Rohrteilung gegeneinander versetzt. Zwischen zwei oder auch mehreren ineinander gewickelten Heizflächen befindet sich wie in Figur 1 ein etwas größerer Spalt mit einem Abstandshalter 3, so daß diese Pakete ebenfalls getrennt ausgewechselt werden können. Obereinanderliegende Rohre sind durch Stege 9 bzw. 10 miteinander verschweißt. Die kleineren.Rohre 8 tragen halbringförmige Abstandshalter 11 als Distanzierung zu den größeren Rohren

Figur 4 zeigt eine Anordnung von großen beispielsweise Natrium führenden Vierkantrohren 12 bzw. 14 und kleinen Wasser führenden Kreisrohren 13. Bei dieser Anordnung kann nahezu jedes beliebige Verhältnis der Querschnitte von Natrium zu Wasser führenden Rohren ausgeführt werden. Die Rohre 12 sind auf zwei Seiten konkav entsprechend dem benachbarten Rohr ausgeführt. Die Rohre 14 können auch nur einseitig konkav ausgeführt sein. Auf den Rohren 13 sind, ähnlich wie in Figur 3 ringförmige Abstandshalter 15 angeordnet.

- 7 -§09823/0190

Claims

- 7 - 24.238.6 Go/Di 26.11.1973 Schutzansprüche 2 36 0257

1. iDreistoff-Wärmetauscher, bei dem zwei Medien in getrenn-V /ten Rohrsystemen geführt sind, und der Zwischenraum mit

einem gut wärmeleitenden aber mit den beiden Medien verträglichen Kontaktmedium gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet,

daß die beiden getrennten Rohrsysteme in Form von annähernd senkrechten konzentrisch-zylindrischen oder ebenen Rohrwänden mit geringen Abständen voneinander in einem mit stagnierendem Flüssigmetall gefüllten Behälter angeordnet sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1„ wobei die zwei Medien erheblich unterschiedliche Enthalpien aufweisen, dadurch gekennzeichnet,

daß jeweils zwei das eine Medium führende Rohrwände eine das andere Medium führende Rohrwand umgeben.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß diese drei Rohrwände gemeinsam auswechselbar gestaltet sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die zwei Medien erheblich unterschiedliche Enthalpien aufweisen, dadurch gekennzeichnet,

daß in senkrechter Richtung jeweils zwei das eine Medium führende Rohre und ein das andere Medium führendes Rohr abwechselnd angeordnet sind.

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5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwände aus miteinander verschweißten Rohren oder Flossenrohren bestehen.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die zwei Medien erheblich unterschiedliche Enthalpien aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die das eine Medium führenden Rohre einen größeren lichten Querschnitt aufweisen als die das andere Medium führenden Rohre.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwände zumindestens teilweise aus Vierkantprofi lrohren bestehen.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Medium in Rohren von kreisrundem Querschnitt und das andere Medium in benachbarten Rohren von im Bereich der benachbarten kreisrunden Rohre konkaven Vierkantprofilrohren geführt ist.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die beiden Medien Natrium und Wasser sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Kontaktmedium ein Blei-Wismut-Eutektikum verwendet wird.

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