DE2419781C3 - Druckbehälter für alkalische Metalle hoher Temperatur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Druckbehälter für alkalische Metalle hoher Temperatur, insbesondere stehende Rauchrohr-Kalium-Dampferzeuger, mit einen äußeren Druckbehälter und einem Innenbehälter zur Aufnahme -r, des Alkalimetalls, wobei der Raum zwischen den beiden Behältern mit Gas beaufschlagt ist, dessen Druck dem im Innenbehälter herrschenden Druck annähernd gleich ist.

Es ist ein mit flüssigem Metall beheizter, aus einem stehenden Druckbehälter und einem darin angeordneten stehenden, den Druckbehälter im wesentlichen nicht berührenden Innenbehälter aufgebauter Wärmetauscher durch die DE-AS 11 60 453 bekanntgeworden, bei dem im oben offenen Innenbehälter vom beheizten γ, Mittel durchströmt eine Rohrschlange oder ein Rohrbündel angeordnet ist, der Innenbehälter unten mit dem Auslaß des Heizmittels verbunden ist und oben einen Zufluß für das Heizmittel aufweist und der Zwischenraum zwischen Druckbehälter einerseits und ho Innenbehälter und Heizmitteloberfläche andererseits mit inertem flas gefüllt ist. Um an !eurem korrosionsfestem Material /u sparen, besieht bei diesem Wärmetauscher nur der Innenbehälter aus einer korrosionsfesten Stahllegierung, wahrend der Druckbehälter aus Fluß- bi stahl hergestellt ist. Da die Festigkeit üblicher hochwarmfester Werkstoffe bei den hier auftretenden Temperaturen sehr gering ist. kann ein solcher Wärmetauscher pur mil einem Bohfilior zur Aufnahme des flüssigen Metalls kleinen Durchmessers und kleiner Höhe ausgeführt werden. Einen Fortschritt bedeutet die Maßnahme, den Dniekmantel gemäß CH-PS 5 |5 J23 doppelwandig auszuführen, wobei /wischen den beiden Wänden eine wärmedämmende Schicht, z. B. eine Anzahl von Strahlerblechen, angeordnet und der Raum zwischen den beiden Wänden mit Gas, vorzugsweise mit inertem Gas, gleichen Drucks wie im System beaufschlagt wird. Dadurch kann die äußere der beiden Wände auf niedriger Temperatur gehalten werden und wegen der dann höheren Festigkeit ohne weiteres dem Systemdruck widerstehen, während die innere Wand zwar hohe Temperatur aufweist, aber nur kleine Druckdifferenzen, in erster Linie verursacht durch die staiischc Höhe der Flüssigkeit, ertragen muß. Um die bei einer solchen Konstruktion auftretenden Wärmespannungen auf Grund der unterschiedlichen Temperaturen an beiden Wänden zu beherrschen, müssen einerseits Dehnmöglichkeiten, κ. B. in Balgenform zumindest in einer der beiden Wände vorhanden sein und andererseits eine in Richtung der Zylinderachse sich erstreckende, vorwiegend außerhalb des eigentlichen Kesselbereiches liegende Abkühlzone für den inneren Mantel vorgesehen werden, so daß die radialen Differenzdehnungen über eine konusartige Verformung des Inncnmantels aufgenommen werden.

Besondere Schwierigkeiten treten jedoch dann auf, wenn der statische Druck des flüssigen Metalls große Wandstärken für den Innenmantel erfordert. Große Wandstärken sind jedoch vor allem im Hinblick auf das Thermoschockvcrhahen der Konstruktion bzw. die im An- und Abfahrzustand auftretenden Wärmespannungen oft unzulässig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde. Druckbehälter für Alkalimetalle hoher Temperatur, insbesondere stehende Rauchrohr-Kalium-Dampfcrzeugcr, zu schaffen, die thermoschockresistent sind. Dies fordert die Anwendung von dünnen Wandstärken. Die Erfindung folgt dem Grundgedanken, daß diese geringen Wandstärken erzielt werden können, wenn der Systemdruck, /.. B. der Dampfdruck im Kaliumkesscl, von einem kühl gehaltenen Außcnmantcl aufgenommen und die hydrostatische Gesamthöhe unterteilt wird und ist dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Druckbehälter doppelwandig ausgeführt ist. wobei zwischen den beiden Wänden des äußeren Druckbehälters eine wärmedämmende Schicht angeordnet ist und der Raum /wischen den beiden Wänden mit dem Gasraum in Verbindung steht und dadurch, daß zwischen der Innenwand des Druckbehälters und dem Innenbehälter durch Zwischenwände gebildete konzentrisch zum Innenbehälter angeordnete Ringräume vorgesehen sind, die Alkalimetall enthalten, wobei der Flüssigmctallspiegel im jeweils inneren Ringraum höher als im dancbcnliegenden äußeren Ringraum gehalten ist.

Zur Aufrechterhaltung des Flüssigmetallspiegels in den Ringräumen können die die Ringräume bildenden zylindrischen Wände Überlauföffnungen aufweisen, deren Höhenlage von Wand zu Wand nach innen fortschreitend zunimmt. Steht der äußerste Ringraum miiiels einer Überlauföffnung in der Behälterwand oder einer Ablauföffnung im Boden oder einem Standrohr sowie über eine Speisepumpe mit dem Behällcrinnercn in Verbindung, so muß der Raum /wischen den beiden Wunden des äußeren Druckbehälter keine Einbauten und die innere der beiden Wunde keine Durchbrechungen aufweisen.

In der Zeichnung ist der Gegenstand tier Krfindung in einer beispielsweisen Ausfühningsforni scheniiiliseh dargestellt. Sie zeigt einen schematischen Schnitt durch einen stehenden Rauehrohr-Kaliunidampferzeiiger,

Per Dampferzeuger weist einen allgemein mit I bezeichneten Doppelnvantel mit einer inneren Wund 2 und einer äußeren Wand 3 auf, die bei 4 und 5 miteinander verbunden sind. Der Zwischenraum 6 ist mit einer Isolation versehen, die z. B. aus Strahlerblechen bestehen kann. Der Dampferzeuger weist ferner Bodenbleche 7,8 uuf, in die Rauchrohre 9 eingeschweißt sind. Das heiße Rauchgas strömt vom unteren Raum IO durch die Rohre 9 in den oberen Raum 11, von dem es in geeigneter Weise abgeleitet wird.

Im Dampferzeuger sind ferner Zwischenwände 13 und 14 vorgesehen, die konzentrisch zur Innenwand 2 angeordnet und mit dem Ket.selboden 7 verschweißt sind und den Innenbehälter 12 umgeben. Die Ringwände sind gleichmäßig von innen nach außen abnehmend gestuft. Die von den zylindrischen Wänden 12 bis 14 und der inneren Behälterwand 2 gebildeten Ringräume 16, 17. 18 enthalten Kalium. Die zylindrischen Wände 12 bis 14 sind je mit mindestens einer Überlauföffnung 19, 20, 21 versehen, deren Höhenlage von Wand zu Wand nach innen fortschreitend gestuft zunimmt. Auch die Behälterwand 2 weist eine Überlauföffnung 22 auf, die über eine nicht dargestellte Rohrleitung und eine Speisepumpe mit dem Behälterinncren in Verbindung steht. Statt der Überlauföffnung 22 kann auch ein Standrohr vorgesehen sein. Durch diese leerlaufregelung können die Flüssigkeitsspiegel in den einzelnen Ringräumen 16 bis 18 und auch der Kaliumspiegcl im Kesselinncren konstant gehalten werden.

Der Rücklauf des Kaliums wird so eingestellt, daß stets ein Überfließen von Kalium aus dem Innenbehälter 12 stufenweise in die Ringräume 16, 17 und 18 erfolgt. Von dort wird das überschüssige Kalium wieder dem Rücklauf zugeführt.

Im Raum 6 zwischen den Wänden des Doppelmantels I wird inertes Gas eingeführt und auf einem Druck gehalten, der dem Dampferzcugcrdruck entspricht. Dadurch sind die beiden auf die Innenwand 2 wirkenden Drücke ausgeglichen. Würden die Ringwände 12, 13, 14 nicht vorhanden sein, so wäre die Innenwand 2 dem statischen Druck des Kaliums ausgesetzt. In den meisten Fällen ist die Dampfcrzeugcrhöhe beträchtlich und daher der größte statische Druck, der ^;m Bereich des Bodens 7 auftritt, zu groß, um von der Innenwand 2 aufgenommen werden zu können. Werden jedoch die erwähnten Ringwände 12 bis 14 vorgesehen, und die Zwischenräume 16 bis IK ganz oder teilweise mit Kalium gefüllt, so sinkt die Beanspruchung der Innenwand 2 >m dargestellte:! Beispiel auf ein Vierlel des vollen statischen Drucks des Kaliums. Auch die Wände 12, 13, 14 werden nur in der gleichen Höhe statisch belastet. Anstelle der Überlauföffnungen 20 und 21 kann auch der obere Rand der Zylinderwand 13, 14 zur Niveauregelung des Kaliumspiegcls in den zugehörigen Ringräumen bonui/i werden. Die Stufimg des Kaliunispiegels in den Ringnuiniep wird vorzugsweise gleichmäßig vorgenommen, doch können uueh andere Gesichtspunkte eine Rolle spielen und eine ungleichmäßige Slufiing vorgesehen werden. Der äußerste Ringraum 18 kann auch sehr niedrig gehalten werden. Anstelle der Überlauföffnung 22 tritt sodann eine Ablauföffnung im Boden 7. die in der oben beschriebenen Weise über eine Speisepumpe mit dem Dampferin zeugerinneren in Verbindung sieht. Diese Ausfiihriingsform hat den Vorteil, daß die Innenwand 2 keinerlei Durchbrechungen und der Zwischenraum 6 keine Einbauten aufweisen muß.
LIm Wärmedehnungen und Schrumpfungen der

is Innenwand 2 gegenüber der kühleren Außenwand 3 gefahrlos zu ermöglichen, ist die Innenwand 2 über die Behälterboden 7, 8 hinaus verlängert und der Rand dieser Verlängerungen ist mit der Behälterwand 3 verbunden. Es ist zweckmäßig, hierbei einer der Verlängerungen eine solche von der Zylinderform abweichende Gestalt zu geben, daß sir Längedehnungen aufnehmen kann. Die auch in radialer Richtung auftretenden Längedehnungen werden von diesen Verlängerungen der Innenwand 2 ausgeglichen, indene sie sich etwas kegelig verformt.

Die Abstufung des vom Alkalimetall im Behällcrinneren hervorgerufenen statischen Drucks kann auch dann Anwendung finden, wenn die Abstützung der Innenwand 2 in anderer als in der gezeigten und

jo beschriebenen Weise im Verhältnis zum Systemdruck erfolgt. So ist es z. B. denkbar, daß der Behälter, der Alkalimetall enthält, in einem allseits geschlossenen Überbehälter untergebracht ist. so daß auf der Innenwand 2 innen und außen der gleiche Systemdruck

r, lastet.

Beispiel

Bei einem stehenden Kaliumdampferzeuger mit /.. B. drei Meter Durchmesser, in dem das Kalium fünf McMcr

4n hoch steht, wird der statische Druck, den der Kalium umhüllende Mantel unabhängig vom Dampfdruck aufnehmen muß p=ij ■ g ■ H. Bei einer spezifischen Dichte von Kalium bei 900° C von etwa 630 kg/m'ergibt das einen Wert von: p = 630 ■ 9,81 - 5 = 30 901.5 N/m-'.

Mit einer Festigkeit von etwa 2,0 N/mm² der hochwarmfesten Austcnite bei 900⁰C wird die erforderliche Manteldicke:

30 901,5 IQ"⁴-300
2-200"

= 2,3 cm.

Wird der statische Flüssigkeitsdruck erfindungsgemäß in z. B. vier Druckstufen aufgeteilt, beträgt der Differenzdruck, den die einzelnen konzentrischen Ringinäntei aufzunehmen haben, ein Viertel des gesamten Flüssigkeitsdruckes. Die Einzclwi'ndslärke wird daher nur mehr'/>. d. h. 5.8 mm betragen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Druckbehälter für Alkalimetalle hoher Temperatur, insbesondere stehender Rauchrohr-Kalium- ϊ Dampferzeuger, mit einem äußeren Druckbehälter und einem Innenbehälter zur Aufnahme des Alkalimetalls, wobei der Raum zwischen den beiden Behältern mit Gas beaufschlagt ist, dessen Druck dem im Innenbehälter herrschenden Druck annä- ι ο hemd gleich ist, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Druckbehälter doppelwandig ausgeführt ist, wobei zwischen den beiden Wänden (2; 3) des äußeren Druckbehälters eine wärmedämmende Schicht (6) angeordnet ist und der Raum zwischen den beiden Wänden mit dem Gasraum in Verbindung steht und dadurch, daß zwischen der Innenwand (2) des Druckbehälters und dem Innenbehälter (12) durch Zwischenwände (13, 14) gebildete konzentrisch zum Innenbehälter (12) angeordnete ß;ngräume(16,17,18) vorgesehen sind, die Alkalimetall enthalten, wobei der Flüssigmetallspicgel im jeweils inneren Ringraum höher als im danebenliegenden äußeren Ringraum gehalten ist.

2. Druckbehälter für Alkalimetalle nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, dsß zur Aufrecbterhaitung des Flüssigmetallspiegels in den Ringräumen die die Ringräume bildenden zylindrischen Wände Oberlauföffnungen (20, 21, 22) aufweisen, deren Höhenlage von Wand zu Wand nach innen jo fortschreitend zunimmt.

3. Druckbehälter für Alkalimetalle nach Anspruch

2. dadurch gekennzeichnet, daß der äußerste Ringraum mittels einer Überlauföffnung (22) in der Behälterwand oder einer Ablauföffnung im Boden y, oder einem Standrohr sowie über e ie Speisepumpe mit dem Behälterinneren in Verbindung steht.