DE2550329A1 - Dreistoff-waermetauscher - Google Patents

Description

We/Ui 7.11.1975

INTERATOM

Internationale Atomreaktorbau GmbH 506 Bensberg

Dreistoff-Wärmetauscher

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dreistoff-Wärmetauscher mit einem in einem ersten Rohrsystem geführten Heizmedium, einem in einem zweiten Rohrsystem geführten Arbeitsmedium und einem den Zwischenraum zwischen erstem und zweitem Rohrsystem ausfüllenden und mit Heiz- wie Arbeitsmedium verträglichen Kontaktmedium, insbesondere wie er in einer natriumgekühlten Kernenergieanlage vorteilhaft dazu verwendet werden kann, um die im Kernreaktor erzeugte Wärme vom radioaktiven Natrium auf das als Arbeitsmedium verwendete und mit dem Natrium unverträgliche Wasser zu übertragen. Die Anmelderin hat bereits in der DT-OS 2 3 60 25 7 einen Dreistoff-Wärmetauscher vorgeschlagen, der insbesondere durch die Form und Anordnung der Rohrsysteme gekennzeichnet ist. Dort sind die beiden Rohrsysteme in einem Behälter angeordnet, der mit stagnierendem Flüssigmetall gefüllt ist. Für die Verwendung als Kontaktmedium wird insbesondere ein Blei-Wismut-Eutektikum vorgeschlagen.

Die vorliegende Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, den genannten Dfeistoff-Wärmetauscher.durch Verwendung eines anderen Kontaktmediums zu verbessern.

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In der DT-OS 15 51 463 hatte die Anmelderin vorgeschlagen, einen im Betriebszustand festen Stoff als Kontaktmedium zu verwenden, jedoch ohne nähere Ausführungen über dessen Beschaffenheit. Dabei handelte es sich um einen massiven Metallblock mit darin eingegossenen Rohrsystemen. Dieser Gedanke wurde in der DT-PS 20 46 548 dahingehend abgewandelt, daß die miteinander unverträglichen Medien Natrium und Wasser die Außen- bzw. Innenseite eines sogenannten Dreilagen.-Rohres benetzten, das aus zwei zueinander konzentrischen Stahlrohren und einer dazwischen angeordneten Kupferschicht gebildet wurde, wobei das Kupfer die Funktion des Kontaktmediums übernahm. Ein Wärmetauscher dieser Art ist jedoch nur dann sicher zu betreiben, wenn ein Undichtwerden eines der beiden Rohrsysteme rechtzeitig bemerkt wird, indem das in das Kontaktmedium austretende Arbeits- bzw. Heizmedium vermittels geeigneter Geräte zur Anzeige gebracht wird. Voraussetzung hierfür ist, daß das aus einem schadhaften Rohrsystem austretende Medium auch an diese Nachweisgeräte gelangen kann. Bei dem eben genannten Üreilagen-Rohr weist zu diesem Zweck die Kupferschicht beidseitig Riefen oder Kanäle auf, durch die die Leckflüssigkeit abgeführt wird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Herstellung des Dreilagen-Rohres durch Übereinanderziehen der einzelnen Lagen sehr aufwendig ist.

Der oben erwähnte Dreistoff-Wärmetauscher mit einem Blei-Wismut-Eutektikum als Kontaktmedium erscheint deshalb als verbesserungsbedürftig, weil dieses Kontaktmedium recht kostspielig ist und auch aus den folgenden technischen Gründen. Bei einem Leck in einem der beiden Rohrsysteme soll die Leckflüssigkeit infolge ihrer geringeren Wichte an die Oberfläche des Kontakt-

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mediums gelangen und dort nachgewiesen werden. Dies ist zumindest bei sehr kleinen Leckagen auf der Natriumseite problematisch. Es erscheint vielmehr möglich, daß sich kleine Natriummengen mit dem Blei-Wismut-Eutektikum zu einer homogenen Legierung verbinden. Ähnliches gilt umgekehrt dann, wenn z.B. infolge des Abreißens eines natriumführenden Rohres bei dem von einem Blei-Wismut-Eutektikum .in einem größeren Wärmetauscher ausgeübten beträchtlichen hydrostatischen Druck größere Mengen des Kontaktmediums in den Natriumkreislauf gelangen, aus dem sie praktisch nur durch Erneuerung der Natriumfüllung wieder zu entfernen sind, wobei Folgeschäden infolge von Reaktivitätsänderungen, Reaktionsenthalpien, Ablagerungen und dergleichen noch unberücksichtigt sind. Ein abgerissenes Wärmetauscherrohr, gleich ob natrium- oder wasserführend, kann darüberhinaus im Augenblick des Abreißens durch die Rückstoßwirkung des ausströmenden Mediums so verformt und bewegt werden, daß benachbarte Wärmetauscherrohre und damit beide Sicherheitshüllen oder die Wandung des Behälters in Mitleidenschaft gezogen werden.

Diese Nachteile lassen sich vermeiden und damit die oben gestellte Aufgabe lösen, wenn das Kontaktmedium erfindungsgemäß in Form einer porösen Schüttung eines Metallgranulates vorliegt. Durch die Poren der Schüttung gelangen Leckmengen sicher zu den Anzeigegeräten, abgerissene Rohrleitungen werden sicher gehalten, sowie auch die poröse Schüttung besser geeignet ist als eine Flüssigkeit, plötzliche Druckstösse und von den Rohrleitungen ausgehende Impulse abzubauen. Etwa in eines der beiden Rohrsysteme gelangende Körner des Kontaktmediums "können an geeigneter Stelle durch Siebe abgefangen werden, ehe sie in irgendwelche schadensanfällige oder schwer zugängliche Anlageteile gelangen. Bei Reparaturen und Wartungen am Wärmetauscher wird ein Entfernen des Granulates kaum schwieriger sein als das einer Flüssigkeit.

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uie einzelnen Körner des Granulates können beispielsweise kugelförmig sein. Dabei kann das Granulat gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung aus Einzelkörnern verschiedener Größe bestellen. Durch eine solche Mischkörnung läßt sich eine besonders dichte Füllung des Wärmetauschers und damit ein verbesserter Wärmeübergang vom einen Rohrsystem auf das andere erzielen.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung besteht das Metallgranulat aus Kupfer. Kupfer besitzt nicht nur eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, sondern ist auch über den gesamten hier interessierenden Temperaturbereich fest und weist darüberhinaus die zum Abbau der Bewegungsenergie von abgerissenen Rohrleitungen oder zur Dämpfung von Vibrationen erwünschte Duktilität auf. Mit den hier als Inhalt der Rohrsysteme angenommenen Stoffen Natrium und Wasser, sowie mit vielen anderen reagiert Kupfer in keinem nennenswerten Ausmaße. Eine Füllung mit Kupfergranulat ist darüberhinaus billiger als diejenige mit einem Blei-Wismut-Eutektikum und hat trotz der Porosität einen besseren Wärmeübergang zwischen den Rohrsystemen, da die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer etwa 24-jnal größer ist als diejenige von Blei-Wismut.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das Granulat von einem inerten Fluid durchströmt, in dem Heiz- wie Arbeitsmedium gut löslich oder suspensibel sind. Werden hierfür Gase, insbesondere Stickstoff oder ein Edelgas verwendet, oder aber andere, mit Heiz- wie Arbeitsmedium verträgliche Stoffe, so werden Spuren von Reaktionsprodukten oder einer Leckflüssigkeit in Form eines Aerosols sehr schnell zu den Nachweisgeräten gelangen, so daß Maßnahmen zum Eindämmen oder Unschädlichmachen der Leckage umgehend getroffen werden können. Ein etwa notwendig werdender Nachweis der Dichtigkeit des Wärmetauscher-

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behälters selbst läßt sich durch die Kontrolle dieses Trägerfluids auf Beimengungen der jeweiligen Umgebungsatmosphäre, Wie Stickstoff oder Luft führen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt

Figur 1 einen vereinfachten schematischen Längsschnitt durch einen Dampferzeuger und ·

Figur 2 in vergrößertem Maßstab einen Querschnitt entsprechend der Linie A-B der Figur 1.

Der dargestellte Üreistoff-Wärmetauscher besteht aus einem Gehäuse 1, in dem ein erstes Rohrsystem untergebracht ist, das beispielsweise das in einem Kernreaktor erhitzte Natrium führt, und das aus einer Zuleitung 2 besteht, die in einem Verteiler 3 mündet, von dem aus eine Vielzahl von Wärmetauscherrohren 4 ausgehen, die in einem Sammler 5 enden, von wo aus das Natrium durch eine weitere Leitung 6 zurückgeleitet wird. Das Gehäuse 1 enthält ein zweites Rohrsystem, in dem Wasser verdampft und gegebenenfalls überhitzt wird und das eine hier nicht gezeigte Verbrauchsstelle, beispielsweise eine Dampfturbine einschließt. Auch dieses System besteht aus einer weiteren Zuleitung 7, einem weiteren Verteiler 8, weiteren Wärmetauscherrohren 9, einem weiteren Sammler 10 und einer weiteren Rückleitung 11. Von den Wärmetauscherrohren 4, 9 ist der besseren Übersichtlichkeit halber nur je eines gezeigt. Die Wärmetauscherrohre 4 bzw. 9.der beiden Systeme sind miteinander abwechselnd in der in der Figur 2 deutlicher gezeigten Weise angeordnet. Der Zwischenraum zwischen den Wärmetauscherrohren 4 und 9 ist mit einer Schüttung aus einem Kupfergranulat 12 ausgefüllt, wobei das Granulat aus einzelnen Körnern unterschiedlicher Größe und vorzugsweise sphärischer Form bestehen kann. Der Behälter 1 kann auch an einen Trägergaskreislauf angeschlossen werden, beispielsweise für Helium,

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das durch eine weitere Zuleitung 13 in den Behälter 1 eintritt und diesen über eine weitere Ableitung 14 verläßt, und über Nachweisgeräte 15 für Natrium-Aerosole bzw. Wasserdampf geführt werden. Der Lecknachweis kann auch durch Evakuierung des gasförmigen Inhalts des Behälters 1 über die Rückleitung 14 erfolgen, worauf das Gas den Nachweisgeräten 15 zugeführt wird, d.h. ohne ein besonderes Trägergas. Als Nachweisgerate kommen sowohl für Natrium als auch für Wasser Massenspektrometer oder Restgasanalysatoren in Frage. Für den Fall, daß ein Wasser bzw. Dampf führendes Wärmetauscherrohr 9 undicht wird, ist der Behälter 1 mit einem Druckentlastungsventil, beispielsweise in Form einer Berstscheibe 17 versehen. Eine hinter dem Druckentlastungsventil 17 angeordnete Leitung 18 kann in den Containmentbereich der Reaktoranlage geführt werden. Damit steht eine zusätzliche Sicherung für den zwar sehr unwahrscheinlichen, aber immerhin zu berücksichtigenden Fall zur Verfügung, daß annähernd gleichzeitig sowohl ein Natrium führendes Wärmetauscherrohr 4 als auch ein Wasser-/Üampf führendes Wärmetauscherrohr 9 undicht werden und es zu einer heftigen Natrium-Wasser-Reaktion kommt.

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Claims (4)

We/Üi 7.11.1975 24.315.0 SCHUTZANSPRÜCHE

1. Dreistoff-Wärmetauscher mit einem in einem ersten - Rohrsystem geführten Heizmedium, einem in einem zweiten Rohrsystem geführten Arbeitsmedium und einem den Zwischenraum zwischen erstem und zweitem Rohrsystem ausfüllenden und mit Heiz- wie Arbeitsmedium verträglichen Kontaktmedium, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktmedium in Form einer porösen Schüttung eines Metallgranulates (12) vorliegt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Granulat (12) aus Einzelkörnern verschiedener Größe besteht.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Granulat (12) aus Kupfer besteht.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Granulat (12) von einem inerten Fluid durchströmt ist, in dem Heiz- wie Arbeitsmedium gut löslich oder suspensibel sind.

ORiGlNAL INSPECTED

7n'9fl2ü/noaa.