DE2448832C2

DE2448832C2 - Flüssigmetall/Wasser-Wärmetauscher mit auswechselbaren Rohrbündeln

Info

Publication number: DE2448832C2
Application number: DE19742448832
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. 5060 Bergisch Gladbach Jansing; Kurt Dr.-Ing. 5063 Overath Vinzens
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1974-10-14
Filing date: 1974-10-14
Publication date: 1985-03-07
Also published as: DE2448832A1; JPS5164104A; GB1514831A; FR2288285B1; FR2288285A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Flüssigmetall/ Wasser-Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Dieser Wärmetauscher ist besonders geeignet als Zwangdurchlaufdampferzeuger für Kernenergieanlagen.

Bei Wärmetauschern dieser Art muß auch bei sorgfältiger Fertigung und Betriebsführung mit kleinen Undichtigkeiten gerechnet werden, die infolge der oft heftigen exothermen Reaktion zwischen dem heißen Flüssigmetall und Wasser zu größeren Schaden führen, wenn sie nicht schnellstens festgestellt und die betreffenden Rohrleitungen verschlossen werden.

Bisher wurde, wenn am Austritt eines Flüssigmetall/ Wasser-Wärmetauschers Hydride oder Oxide des betreffenden Flüssigmetalls festgestellt wurden, der ganze Wärmetauscher abgestellt, entleert, geöffnet und mit sehr langwierigen und mühseligen Verfahren das schadhafte Rohr lokalisiert und verschlossen. Dieses Vorgehen ist noch nicht befriedigend. Schäden an einem Rohr führen oft später zu weiteren Schaden an benachbarten Rohren oder sogar an der Behälterwand. Wenn nach längerer Betriebszeit zahlreiche Rohre ausgefallen sind, die, wie beschrieben, nur provisorisch verschlossen wurden, muß der Dampferzeuger im ganzen ausgewechselt oder repariert werden. Diese Reparaturen verursachen längere Betriebsunterbrechungen. Der Dampferzeuger muß abgekühlt, entleert und gereinigt werden. Die schadhaften und verschlossenen Rohre sind teilweise mit Flüssigmetall und teilweise mit dessen Reaktionsprodukten gefüllt, was bei der Reinigung besondere Schwierigkeiten verursacht.

In der FR 13 99 180 wird ein Flüssigmetall/Wasser-Wärmetauscher mit auswechselbaren Rohrbündeln in Mantelrohren vorgeschlagen, die aber in einem dünnwandigen inneren Behälter befestigt sind, der von einem dickwandigen Behälter umgeben ist, dessen großer Dekkel zunächst entfernt werden muß, wenn die Rohrbündel ausgewechselt werden sollen.

Die FR 21 83 091 zeigt einen Flüssigmetall/Wasser-Wärmetauscher in einem Behälter, dessen Rohrbündel aufgrund einer besonderen Verriegelung schnell gelöst und nach oben ausgebaut werden kann. Das Rohrbündel ist nur auf einem Teil seiner Höhe von einem Strömungsführungsrohr (Teil 50) umgeben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Flüssigmetall/Wasser-Wärmetauscher, mit mehreren Rohrbündeln zu schaffen, bei dem die zur Beseitigung eines Schadenfalles an einem Rohrbündel benötigte Betriebsunterbrechung möglichst kurz ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale vorgeschlagen.

Diese Anordnung setzt voraus, daß der Behälter in üblicher Weise an seinem oberen bzw. seinem unteren Ende einen Zu- bzw. Abfluß für Flüssigmetall aufweist. Da die einzelnen Rohrbündel zur Strömungsführung jeweils von einem oben und unten offenen Mantel umgeben sind und dieser Mantel zur Behälterinnenwand hin zumindestens annähernd abgedichtet ist, fließt das Flüssigmetall zwangsläufig und ohne wesentliche Nebenströme im Gegenstrom durch das Dampf bzw. Wasser führende Rohrbündel. Die einzelnen auswechselbaren Rohrbündel sind jeweils nur an ihrem oberen Ende mit einem Flansch auf einem entsprechenden Flansch im Behälterdeckel befestigt und können sich in senkrechter Richtung nach unten frei ausdehnen. Im Schadensfall werden nur die Dampf bzw. Wasser enthaltenden Rohrleitungen oberhalb des Rohrbündels unterbrochen, die Flanschverbindung wird gelöst und das ganze Rohrbündel nach oben aus dem Behälter herausgehoben. Zweckmäßigerweise wird das ganze Rohrbündel in eine besondere Wechselvorrichtung hineingezogen, die während dieser Handhabung dicht auf dem Behälterdeckel befestigt ist. Wenn in dem Behälter am oberen Ende ein Schutzgasraum vorgesehen ist, kann die Flanschverbindung zwischen dem oberen Ende des Behälters und dem Wärmetauscherbündel in konventioneller Weise abgedichtet sein. Ein Ablassen des Flüssigmetalls oder gar die Unterbrechung von Flüssigmetall enthaltenden Rohrleitungen ist vor oder während der Auswechselung eines Rohrbündels nicht notwendig.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Mantel mit dem Rohrbündel zusammen auswechselbar gestaltet ist. Bei dieser Anordnung kann das Rohrbündel wesentlich schneller ausgewechselt werden, weil es durch diesen Mantel gegen Beschädigen beim Auswechseln geschützt ist. Außerdem kann der Abstand zwischen den äußeren Rohren des Rohrbündels und der Innenwand dieses Mantels wesentlich geringer sein, so daß der nicht am Wärmeaustausch teilnehmende Nebenstrom des Flüssigmetalls innerhalb des Mantels geringer wird. Weiterhin kann nicht ausgeschlossen werden, daß bei einem Schaden an einem äußeren Rohr des Rohrbündels auch dieser Mantel beschädigt wird. Daher sollte eine Inspektion dieses Mantels bei jedem Wechsel des Rohrbündels durchgeführt werden können.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Mantel des Rohrbündels am unteren Ende trichterförmig gestaltet ist. Diese trichterförmige Verengung, die selbstverständlich auch mit einem abgerundeten Übergang zum eigentlichen Mantel versehen sein kann, erleichtert nicht nur die Montage beim Ein-

setzen des Rohrbündels in den Behälter, sondern führt auch das aus dem Rohrbündel austretende Flüssigmetall zusammen, so daß an dieser Stelle eine geeignete Sonde zum Nachweis von Undichtigkeiten am Ronfbündel angeordnet werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß im Inneren der Rohrbündel jeweils ein Zentralrohr vorhanden ist, das an seinem unteren Ende verschlossen ist und ein oder mehrere Fallrohre für das kalte Speise wasser enthält Ein solches Zentralrohr ist nicht nur sehr zweckmäßig als Kern bei wendeiförmigen Rohrbündeln, sondern es schützt auch die kalten Speisewasserrohre vor dem direkten Kontakt mit dem heißen Flüssigmetall. Da diese Fallrohre oft einen wesentlich größeren Durchmesser haben als die eigentlichen Wärmetauscherrohre, würde bei Führung im Flüssigmetall ein Leck an einem solchen Fallrohr einen wesentlich größeren Schaden verursachen, als ein Leck an einem Wärmetauscherrohr. Die kalten Faürohre werden an ihrem oberen Ende zweckmäßigerweise nur gleitend gegen das Zentralrohr abgestützt um Wärmespannungen zwischen den kalten Fallrohren und dem warmen Zentralrohr zu vermeiden. Der Zwischenraum zwischen den Fallrohren und dem Zentralrohr kann in üblicher Weise mit einem Inertgas gefüllt sein oder sogar mit der Außenluft in Verbindung stehen. Außerdem können die Zentralrohre benutzt werden zur Anordnung von Leck- oder Schwingungsdetektionssystemen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der mit Flüssigmetall gefüllte Behälter aus mehreren Behältern besteht, die jeweils an ihren oberen bzw. unteren Enden mit einem gemeinsamen Zu- bzw. Abfluß für Flüssigmetall verbunden sind. Auf diese Weise werden die Wandstärken des Behälters sowie das Flüssigmetallvolumen im Behälter erheblich verringert. Die Anordnung mehrerer Behälter kann beispielsweise auf einem Kreis mit einem zentralen Zu- bzw. Abfluß oder aber auch in einer Reihe mit einem an dieser Reihe entlanglaufenden Zu- bzw. Abfluß für das Flüssigmetall erfolgen.

Die F i g. 1 bis 4 zeigen mögliche Beispiele der Erfindung.

Fig. 1 zeigt in schematisierter Form einen senkrechten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher. Dabei wird in der linken Hälfte ein Schnitt durch ein Wendelrohrbündel und in der rechten Hälfte ein Schnitt durch ein Gradrohrbündel mit Rohrboden gezeigt.

F i g. 2 zeigt einen waagerechten Querschnitt durch F i g. I, wobei in diesem Fall sieben Rohrbündel in einem zylindrischen Behälter angeordnet sind.

F i g. 3 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher, der aus mehreren parallelen Behältern besteht.

F i g. 4 zeigt einen waagerechten Schnitt durch F i g. 3, wobei in diesem Fall acht Behälter vorhanden sind, die jeweils mit einem zentralen Zu- bzw. Abfluß für Flüssigmetall verbunden sind.

In den F i g. 1 und 2 enthält der Behälter 1 sieben oben und unten offene Mantelrohre 2, die in diesem Fall jeweils an ihrem oberen Ende mit dem Behälterdeckel 3 verschweißt sind und jeweils entweder ein Wendelrohrbündel 4 oder ein Gradrohrbündel 5 enthalten. Der Behälter 1 hat an seinem oberen Ende mindestens einen Zuflußstutzen 25 für heißes Natrium und aus Sicherheitsgründen mindestens einen weiteren Stutzen 6, der mit einer Berstscheibe 7 verschlossen ist und zu einem nicht näher beschriebenen Abscheider und Sammelraum fuhrt An seinem unteren Ende enthält der Behälter 1 mindestens einen Abflußstutzen 8 für das abgekühlte Natrium und jeweils unter den Mantelrohren 2 einen Stutzen 9 in denen nicht näher beschriebene Überwachungssonden für das aus den Mantelrohren 2 austretende Natrium angeordnet sein können. Die am oberen Deckel 3 des Behälters 1 fest eingespannten Mantelrohre 2 sind über mehrere waagerechte Zwischenboden 10 gegeneinander und gegen die Innenwand des Behälters 1 abgestützt Die Abstützung zwischen den Mantelrohren 2 und den waagerechten Boden 10 erfolgt in an sich bekannter Weise gleitend mit geringem Abstand, so daß sich die Mantelrohre 2 frei nach unten ausdehnen können und kein wesentlicher Nebenstrom des heißen Natriums zwischen den Mantelrohren 2 und der Innenwand des Behälters 1 hindurchfließen kann. Wie weiter oben bereits beschrieben, können die Mantelrohre 2 auch auswechselbar gestaltet sein. In dem Fall sind die Mantelrohre 2 von weiteren in der Zeichnung der Einfachheit halber nicht dargestellten Stutzen umgeben, die jeweils in den Behälterdeckel 3 eingeschweißt sind. In jedem Fall schützen die Mantelrohre die Behälterwand vor weiteren Schäden durch Natrium-Wasser-Reaktionen, wenn im Rohrbündel ein Loch entsteht In der Mitte der Rohrbündel 4 bzw. 5 ist jeweils ein Zentralrohr 11 bzw. 12 enthalten und darin wiederum ein oder mehrere kalte Speisewasserrohre 13 bzw. 14. Diese Zentralrohre 11 bzw. 12 sollen die kalten Speisewasserrohre 13 bzw. 14 vor dem direkten Kontakt mit dem heißen Natrium schützen. Im Falle des in der linken Hälfte der Fig. 1 dargestellten Wendelrohrbündels 4 dient dieses Zentralrohr JI gleichzeitig als Kern für das aus mehreren parallelen Rohrschlangen gewickelte Rohrbündel 4. Außerdem können in diesen Zentralrohren 11 bzw. 12 in nicht näher gezeigter Weise Sonden für den Nachweis von Lecks oder Schwingungen angeordnet werden. Unter diesen Umständen kann auf die Anordnung der schon beschriebenen Stutzen 9 am Boden des Behälters 1 verzichtet werden. Am oberen Ende der Rohrbündel 4 bzw. 5 ist jeweils ein Speisewasserstutzen 15 bzw. 16 und ein Dampfstutzen 17 bzw. 18 vorgesehen. Der in der linken Hälfte der Fig. 1 gezeigte Speisewasserstutzen 15 ist an seinem unteren Ende 13 in an sich bekannter Weise verschlossen und über Wärmespannungen ausgleichende Rohrbogen durch das Zentralrohr 11 hindurch mit dem Rohrbündel 4 verbunden. Beim Austritt aus dem Rohrbündel 4 werden die Wendelrohre in ebenfalls an sich bekannter Weise durch einen Deckel 19 zu einem Sammler 20 geführt, der mit dem Dampfstutzen 17 verbunden ist. In der rechten Hälfte der Fig. 1 wird das untere Ende 14 des Speisewasserrohres 16 in einen Ringraum 22 geführt, dessen Oberseite einen Rohrboden darstellt für das aus geraden Rohren bestehende Rohrbündel 5. Am oberen Ende dieses Rohrbündel 5 ist wiederum in üblicher Weise ein Rohrboden vorgesehen, der durch die Haube 23 verschlossen und mit dem Dampfstulzen 18 verbunden ist.

In den Fig. 3 und 4 sind die Behälter 30 jeweils an ihren oberen und unteren Enden über sternförmige

M) Rohrleitungen 31 bzw. 32 mit einem Zufluß 33 bzw. Abfluß 34 für das Flüssigmetall verbunden. In den Behältern 30 sind wie in F i g. 1 auf der iinken Seite aber in nicht näher gezeigter Weise Wendelrohrbündel enthalten, uie ebenfalls einen Speisewasserstutzen 35. einen

b5 Sammler 36 und einen Dampfstutzeii 37 aufweisen. An der Unterseite der Behälter 30 sind jeweils im tiefsten Punkt Stutzen 38 vorgesehen, die wie in F i g. 1 zur Anordnung von Sonden aber auch als Ablaßöffnung be-

nutzt werden können. Aus dem Vergleich der Fig. I und 2 einerseits mit den Fig. 3 und 4 andererseits ist ersichtlich, daß die in den F i g. 3 und 4 gezeigte Anordnung wesentlich weniger Natriumvolumen benötigt. Die in den F i g. 3 und 4 dargestellte Anordnung mehrerer miteinander verbundener Behälter kann anstatt auf einem Kreis auch in einer oder in mehreren parallelen Reihen erfolgen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

20

25

30

35

40

45

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Flüssigmetall/Wasser-Wärmetauscher in einem Behälter mit senkrechten nach oben auswechselbaren Rohrbündeln in Mantelrohren, die innerhalb des Behälters am oberen und am unteren Ende Öffnungen für den Durchtritt des Flüssigmetalls haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelrohre (2) das obere Ende (3) des Behälters (1) durchdringen und jeweils mit einem, das Rohrbündel (4 oder 5) tragenden Deckel (19 oder 23) verschlossen sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (2) mit dem Rohrbündel (4 oder 5) zusammen auswechselbar gestaltet ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (2) am unteren Ende trichterförmig gestaltet ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der Rohrbündel (4 oder 5) jeweils ein Zentralrohr (11 oder 12) vorhanden ist, das an seinem unteren Ende verschlossen ist und das ein oder mehrere Fallrohre (13 oder 14) für das Speisewasser enthält.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter aus mehreren parallelen Behältern (30) besteht, die jeweils an ihren oberen bzw. unteren Enden mit einem gemeinsamen Zu- bzw. Abfluß für Flüssigmetall verbunden sind.