DE2536757B2

DE2536757B2 - Dampferzeuger mit beheizung durch fluessigmetall

Info

Publication number: DE2536757B2
Application number: DE19752536757
Authority: DE
Inventors: Tsukasa; Kawahara Masaru; Koguchi Isao; Shibato Eizo; Hitachi Yamazaki (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1974-08-19
Filing date: 1975-08-18
Publication date: 1977-12-15
Also published as: NL7509801A; JPS5844921B2; DE2536757C3; DE2536757A1; JPS5122901A; NL159807B

Description

Aus der US-PS 31 26 949 ist bereits ein Dampferzeuger mit Beheizung durch Flüssigmetall der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art bekannt. Derartige Dampferzeuger werden insbesondere in Verbindung mit natriumgekühlten schnellen Brütern verwendet.

Bei dem bekannten Dampferzeuger befinden sich zwischen dem Fallrohrabschnitt und dem Steigrohrabschnitt zylindrische Abgrenzungselemente. Oberhalb des Natriumspiegels im Fallrohrabschnitt und im Steigrohrabschnitt befindet sich je ein Druckgasraum, der mit inertem Gas gefüllt ist. Beide sind durch eine öffnung miteinander verbunden.

Weiter ist aus der US-PS 32 45 464 ein Dampferzeuger bekannt, bei dem zwischen dem Fallrohr- und dem Steigrohrabschnitt eine ein Abgrenzungselement bildende Leitung vorgesehen ist. Oberhalb des Flüssigkeitsspiegels im Fallrohr- und im Steigrohrabschnitt befindet sich ein Druckgasraum. Das obere Ende der Leitung ist mit öffnungen versehen, über die die beiden Druckgasräume miteinander in Verbindung stehen.

Bei den bekannten Anordnungen ist der im allgemeinen von einem inerten Gas beaufschlagte Druckgasraum notwendig, um die Anschlüsse der Heizflächenrohre an die Sammler vor Berührung mit dem Flüssigmetall zu schützen. Dabei werden aber die Heizflächenrohre im Fallrohrabschnitt durch das Flüssigmetall aufgeheizt, so daß es zu Instabilitäten der Wasserströmung in den Fallrohrabschnitten der Heizflächenrohre kommen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Dampferzeuger der angegebenen Art zu schaffen, bei dem es möglich ist, die Fallrohre vor Beheizung zu schützen, um so Strömungsinstabilitäten in den Fallrohren zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Druckgasraum im oberen Teil des Fallrohrraumes gegenüber dem Druckgasraum im Steigrohrraum abgedichtet ausgeführt und im Druckgasraum des Fallrohrraumes ein höherer Gasdruck als im Steigrohrraum einstellbar ist

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es möglich, das Flüssigmetall von den Fallrohrabschnitten der Heizflächenrohre fernzuhalten, so daß diese nicht aufgeheizt werden.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeich-

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W) nung näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt eines Dampferzeugers und Fig.2 im Längsschnitt einen Teil des Fallrohrabschnittes und angrenzender Bereiche eines ziveiten Ausführungsbeispiels des Dampferzeugers.

Der Dampferzeuger ! der F i g. 1 besteht im wesentlichen aus dem Kessel 3, mehreren Heizflächenrohren 8, einer Trennwand 13 und einem Druckgasraum 15 mit einer wärmeisolierenden Gasschicht. Der Kessel

3 besteht aus einer Haube 4 und einem Bodenteil 6. Jedes der den Kessel durchlaufenden Rohre 8 besteht aus einem Fallrohrabschnitt 10 und einem Steigrohrabschnitt 11- Die Haube 4 ist so auf dem Bodenteil 6 des Kessels 3 befestigt, daß sie im Bedarfsfall abnehmbar ist Das Abgrenzelement 13 ist zylindrisch ausgebildet und weist einen Kopfteil auf, der sich durch die Kesselhaube

4 hindurch aufwärts auswärts erstreckt. Das zylindrische Begrenzungselement 13 ist unten offen und oben gasdicht verschlossen. Am Kopf der Abgrenzelemente 13 ist ein Speisewasserzulauf 16 ausgebildet. Weiterhin ist im oberen Bereich des Begrenzungselementes 13 ein Gasstutzen 18 ausgebildet, der sich oberhalb der Kesselhaube 4 auswärts erstreckt.

Die Fallrohrabschnitte 10 der Rohre 8 sind alle innerhalb des Abgrenzelementes 13 zusammengefaßt und jeweils mit ihrem einen oberen, offenen Ende mit dem Speisewasserkopf 16 verbunden. Der untere Teil jedes der Fallrohrabschnitte 10 ist durch eine Halterung 19 am Abgrenzelement 13 befestigt. Durch die Halterung 19 wird die untere öffnung 21 im Fuß des Abgrenzelementes 13 nicht verschlossen. Der Fallrohrabschnitt 10 jedes der Wärmeaustauschrohre 8 läuft durch die öffnung 21 hindurch und erstreckt sich bis aus dem Abgrenzelement 13 hinaus. Der Fallrohrabschnitt

10 ist jeweils außerhalb des Abgrenzelementes 13 mit jeweils einem zugeordneten Steigrohrabschnitt 11 verbunden. Die Steigrohrabschnitte 11 sind in schraubenförmigen Windungen außen um das Abgrenzelement 13 herum aufwärts steigend geführt. Die das Abgrenzelement 13 umlaufenden Steigrohrabschnitte

11 erstrecken sich nach oben zu bis in die Kesselhaube 4 hinein und münden in eine Ringsammelleitung 22 für den Wasserdampf, die außen um die Kesselhaube herum läuft und an dieser befestigt ist.

Die Steigrohrabschnitte 11 sind in einer Lage zusammengefaßt, die das Abgrenzelement 13 umgibt. Als radial äußerer Abschluß der zu einer Gruppe zusammengefaßten Steigrohrabschnitte 11 ist ein zylindrisches Element 24 vorgesehen, das über eine in den Figuren nicht dargestellte Halterung am Abgrenzelement 13 befestigt ist. Diese Halterung trägt und stützt gleichzeitig die Steigrohrabschnitte 11. Die Rohre 8, das Abgrenzelement 13 und das zylindrische Element 24 sind in den Bodenteil 6 des Kessels eingesetzt.

Im Abgrenzelement 13 ist ein Fallrohrraum 26 ausgebildet, in den ein inertes Druckgas eingeschlossen ist, das in dem Druckraum 15 außerhalb der Rohre 8 eine wärmeisolierende Gasschicht bildet. Als Inertgas dienen vorzugsweise Argon oder Stickstoff. Zwischen der Trennwand 13 und dem zylindrischen Element 24 ist ein Steigrohrraum 28 abgegrenzt. Dieser steht mit dem Fallrohrraum 26 über die öffnung 21 in Verbindung. Zwischen der Innenwand des Kesselbodenteils 6 und dem zylindrischen Element 24 ist ein Ringraum 30 für den Druckausgleich freigelassen. Ein Druckausgleichstutzen 31 ist an der Kesselhaube 4 ausgebildet. Natriumverteilerrohre 35 sind mit jeweils einem Ende an eine Natriumaufgabe-Ringleitung 33 angeschlossen,

die ebenfalls außen auf der Kesselhaube 4 gehaltert ist. Die Verteilerrohre treten durch die Kesselhaube hindurch in das Kesselinnere ein und offnen sich auf der anderen Seite im Steigrohrraum 28. Am Boden des Bodenteils 6 ist ein Natriumauslaßstutzen 37 ausgebil-

Das im Sekundärkühlkreis umlaufende heiße Natrium wird über die Natriumringleitung 33 und die Natriumverteilerleitungen 35 in den oberen Bereich des Steigrohrraumes 28 aufgegeben. Das Natrium strömt durch den Steigrohrraum 28 abwärts und fließt am Natriumauslaßstutzen 37 in das Rohrleitungssystem des Sekundärkühlkreissystems zurück. Von dort gelangt es zu dem in den Figuren nicht dargestellten zwischengeschalteten Wärmeaustauscher. Gleichzeitig strömt das auf den Speisewasserkopf 16 gegebene Wasser durch die Fallrohrabschnitte 10 in die Steigrohrabschnitte 11, wo es durch das im Steigrohrraum 28 abwärts fließende heiße Natrium erhitzt und verdampft wird. Der dabei entstehende Wasserdampf wird in der Wasserdampf-Ringleitung 22 gesammelt und der in den Figuren nicht dargestellten Turbine zugeführt.

Zur Druckregelung und Druckeinstellung im Druckgasraum 15 mit dem Wärmeisolationsgas sind Mittel vorgesehen, die die Einstellung auf einen die Wärmeisolation in ausreichender Weise gewährleistenden Sollwert ermöglichen. Der Druckgasraum 15 mi« dem wärmeisolierenden Gas wird durch Zufuhr von Argon durch den Gaszuleitungsstutzen 18 aufgefüllt. Der Druck des Argons im Druckraum 15 läßt sich beispielsweise unter Verwendung eines in den Figuren nicht dargestellten Flüssigkeitsstandmessers als Fühler bewirken. Der Flüssigkeitsstandmesser ist im Abgrenzelement 13 angeordnet. Dieser Flüssigkeitsstandmesser oder Niveaufühler tastet das Niveau des flüssigen Natriumspiegels 39 im Abgrenzelement 13 ab. Die vom Fühler abgetasteten Pegel werden in ein elektrisches Signal umgewandelt, das einem in den Figuren nicht dargestellten Druckregler in der Gaszuleitung zugeführt wird. Der Regler und die Leitung beaufschlagen den Gaszuleitungsstutzen 18. Auf diese Weise wird der Argondruck im Druckraum 15 geregelt. Der Pegel des flüssigen Natriums im Bereich der öifnung 21 des Abgrenzelementes 13 kann dadurch konstant gehalten werden. Durch dieses System wird eine sehr gute Wärmeisolationswirkung erzielt. Das im Fallrohrabschnitt 10 abwärts fließende Speisewasser wird durch das im Steigrohrraum 28 fließende heiße Natrium nicht erwärmt. Dadurch kann jede Strömungsinstabilität der Speisewasserströmung im Dampferzeuger ausgeschaltet werden.

Das Argon kann auch unter Druck im Druckgasraum 15 so eingeschlossen werden, daß der Spiegel 39 des flüssigen Natriums auf einer vorgegebenen Höhe gehalten wird. Bei dieser Maßnahme kann zwar das zuvor beschriebene Druckreguliersystem für das Argon entfallen, jedoch muß ein Steigen und Fallen des Natriumspiegels 39 nach Maßgabe des Volumenstroms des Natriums in Kauf genommen werden. Vorzugsweise wird daher mit einem Druckreguliersystem gearbeitet. In beiden Fällen können jedoch die im Abgrenzelement 13 auftretenden Wärmespannungen durch die gasförmige Wärmeisoiationsschiehi innerhalb der zylindrischen Abgrenzelemente 13 wesentlich vermindert werden. Vor allem weist die Wärmeisolation im Gegensatz zu den entsprechenden Strukturen des Standes der Technik keine mit Argon gefüllten, hermetisch abgeschlossenen Räume zwischen einer Innenwand und einer Außenwand des Abgrenzelementes 13 auf. Bei einem bekannten Dampferzeuger ist der Wärmeisolationszylinder doppelwandig ausgebildet. Eine Außenwand des Zylinders steht mit dem Fallrohrraum 26 in ί Verbindung, während die Innenwand des Wärmeisolationszylinders mit dem Steigrohrraurn 28 in Verbindung steht. Der Zwischenraum zwischen beiden Wänden ist gasdicht ausgebildet, verschlossen und mit Argon gefüllt. Bei dieser Ausbildung der Wärmeisolation treten

in hohe Temperaturdifferenzen zwischen der Innenwand und der Außenwand der Isolation auf, was zu erheblichen Wärmespannungen in der bekannten Konstruktion führt.

Im Dampferzeuger der Erfindung wird die Wärme-

i". isolation durch das Abgrenzelement 13 und das wärmeisolierende Gas herbeigeführt. Die Temperaturdifferenz zwischen der äußeren Manteloberfläche des Abgrenzelementes 13, die dem Steigrohrraum 28 zugekehrt ist, und der inneren Manteloberfläche, die mit

_>o dem Fallrohrraum 26 in Berührung steht, ist nur sehr gering. Dadurch treten aber auch im Abgienzelement 13 kaum Wärmespannungen auf, so daß Wärmerisse und andere mechanische Beschädigungen im Abgrenzelement 13 nicht mehr auftreten können. Auch ist es nicht

_>■> mehr erforderlich, mehrere Wärmeisolationsschichten in konzentrischer Folge vorzusehen. Dadurch wiederum wird auch das Einsetzen des Abgrenzelementes 13 bzw. der Wärmeisolation in den Kessel erleichtert.

Der Spiegel 39 des flüssigen Natriums kann einfach in

in der Weise konstant gehalten werden, daß man die Druckdifferenz zwischen dem Druckgasraum 40 in der Kesselhaube 4 über dem Steigrohrraum 28 und dem Argon im Druckgasraum 15 konstant hält.

Der dem Druckausgleich dienende Ringraum 30 dient

Γ, dem Abblasen des Wasserstoffs, der durch die Reaktion zwischen dem Natrium und dem Wasser gebildet wird, falls eine der Rohrleitungen im unteren Bereich des Steigrohrraumes 28 leck werden oder brechen sollte. Der im unteren Kesselbereich unter diesen Umständen

M) gebildete Wasserstoff kann dann durch den Druckausgleichskanal 30 entweichen und braucht nicht durch den Steigrohrraum 28 aufzusteigen, in dem ihm ein erheblicher Strömungswiderstand entgegensteht. Der entstehende Wasserstoff wird dann durch den Stutzen

4i 31 und ein Überdruckventil abgeblasen. Dadurch wird ein überhöhter Druckanstieg im Kessel 3 vermieden.

Im Dampferzeuger nach dem Stand der Technik kreuzen die Fallrohrabschnitte die Halterungen für die Natriumverteilerleitungen und die Wärmeisolations-

■-,i) struktur. Dadurch müssen die Fallrohrabschnitte relativ ungeordnet geführt werden, was zu Schwierigkeiten beim Bau des Dampferzeugers führt. Im Dampferzeuger der Erfindung dagegen tritt ein Kreuzen der Fallrohrabschnitte 10 mit den Halterungen nicht ein, so daß die

γ, Fallrohrabschnitte 10 gleichmäßig und streng geordnet ausgerichtet werden können, was wiederum die Herstellung des Dampferzeugers vereinfacht. Auch weist der Druckausgleichskanal 30 des beschriebenen Ausführungsbeispiels der Erfindung einen kleineren

ho horizontalen Querschnitt auf als der zwischen dem Bodenteil des Kessels und der Wärmeisolationsstruktur im Dampferzeuger nach dem Stand der Technik definierte Raum. Im Gegensatz zum Dampferzeuger nach dem Stand der Technik sind beim Dampferzeuger

h^r, der Erfindung die Fallrohrabschnitte 10 nicht im Bereich des Druckausgleichskanals 30 angeordnet. Dadurch kann das gesamte Bauvolumen des Dampferzeugers gegenüber einem Dampferzeuger gleicher Kapazität

nach dem Stand der Technik spürbar verringert werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der F i g. 2 am Beispiel des Dampferzeugers 42 dargestellt. In der F i g. 2 sind die gleichen Bezugszeichen wie in der F i g. 2 gewählt. Die Steigrohrabschnitte U sind mit der Dampfsammelringleitung 22 verbunden. Die Steigrohrabschnitte 11 sind schraubenförmig um ein Innenschild 44 herumgeführt. Ein Zylinderelement 47 umgibt die Steigrohrabschnitte U von außen und grenzt unmittelbar an die äußerste Schicht der Steigrohrabschnitte. Am oberen Rand des Zylinderelementes 47 ist ein Halterungsring 49 befestigt, der mit der Innenwand der Kesselhaube 4 verbunden ist. Das Zylinderelement 47 und der Halterungsring 49 bilden gemeinsam ein Abgrenzelement 46. Das Abgrenzelement 46 und das Innenzylinderelement 44 definieren zwischen sich den Steigrohrraum 51, während das Abgrenzelement 46 und die Kesselwand 3 den Fallrohrraum 52 abgrenzen.

Die Fallrohrabschnitte 10, die mit den Steigrohrabschnitten 11 in Verbindung stehen, treten durch eine öffnung 53 in den Steigrohrraum 51 ein und erstrecken sich dann durch die Kesselhaube 4 hindurch aus dem Kessel 3 hinaus. Die Fallrohrabschnitte 10 sind mit einer Speisewasserringleitung 55 verbunden, die auf der Kesselaußenseite befestigt ist.

Der Fallrohrraum 52 ist am oberen Rand durch den Halterungsring 49 gasdicht verschlossen. Der Innenzylindermantel 44 ist durch ein in den Figuren nicht dargestelltes Halterungselement am Abgrenzelement 46 befestigt. Das Innere des Zylinderelementes 44 dient als Druckausgleichskanal. Unter Druck stehendes Argon wird im Fallrohrraum 52 unter Ausbildung einer wärmeisolierenden Gasschicht 57 eingeschlossen. Der Druck des Argons kann in der zuvor beschriebenen Weise geregelt werden, so daß der Spiegel 39 des flüssigen Natriums in der Fallrohrzone 52 im Bereich der öffnung 53 konstant gehalten werden kann.

Das in Fig.2 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die gleichen Vorteile wie das in der F i g. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel auf. Bei der in F i g. 2 gezeigten Ausbildung kann jedoch die Kesselhaube 4 etwas leichter und weniger fest als in dem in Beispiel 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein, da die Fallrohrabschnitte 10 die Steigrohrabschnitte 11 und die Natriumverteilerrohre 35 durch die Haube treten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Dampferzeuger mit Beheizung durch Flüssigmetall, mit in einem Dampferzeugerkessel angeordneten Heizflächenrohren, die von zu verdampfendem > Arbeitsmittel durchströmt werden und die einen Fallrohrabschnitt und einen Steigrohrabschnitt aufweisen, wobei die Fallrohrabschnitte aller Heizflächenrohre in einer unten offenen Fallrohrkammer angeordnet sind, und wobei über dem Flüssigmetall- κι stand ein Druckgasraum vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgasraum (40) im oberen Teil des Fallrohrraumes (26) gegenüber dem Druckgasraum im Steigrohrraum (28) abgediciitet ausgeführt ist, und daß im Druckgasraum des ι > Fallrohrraumes ein höherer Gasdruck als im Steigrohrraum einstellbar ist.