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Mit dem Kühlgas eines Kernreaktors
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beheizter Dampferzeuger Die vorliegende Erfindung betrifft einen
mit dem Kühlgas eines Kernreaktors beheizten Dampferzeuger, der in einer mit einem
Liner ausgekleideten Kaverne eines Druckbehälters installiert ist und dessen Heizfläche
Vorwärmer-, Verdampfer-, überhitzer-und Zwischenüberhitzerabschnitte aufweist, wobei
Vorwärmer, Verdampfer und mindestens eine erste Uberhitzerzone als Helixbündel ausgebildet
sind und eine weitere Überhitzerzone (Endüberhitzer) von einem Geradrohrbündel gebildet
wird, und in den eine seitlich einmündende Künlgaszuführungsleitung eintritt.
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Ein solcher Dampf erzeuger ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
26 44 196 bekannt. Er besteht aus einem Hochtemperaturabschnitt, einem Niedertemperaturabschnitt
sowie einem Nach- oder Zwischenüberhitzer und ist für eine Kernreaktoranlage bestimmt.
Der Hochtemperaturabschnitt umfaßt eine große Zahl von parallel zueinander ausgerichteten
Geradrohren, die zu einem langgestreckten Bündel zusammengefügt sind. Der Niedertemperaturabschnitt
besteht aus im wesentlichen spiralförmigen Rohren, die ein ringförmiges Rohrbündel
bilden. Dieses ist koaxial zu dem Geradrohrbündel des Hochtemperaturabschnitts angeordnet.
Der Zwischenüberhitzer in Form eines Geradrohrbündels ist achsenparallel zu dem
Hochtemperaturabschnitt neben dessen unterem Ende aufgestellt. Das Heizgas wird
zunächst quer über die Rohre des Nacherhitzers geleitet,
bevor es
an den Rohren des Hochtemperaturabschnitts entlang nach oben strömt. Dort wird der
Gasstrom umgelenkt und an den Rohren des Niedertemperaturabschnitts entlang nach
unten geführt.
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In der Offenlegungsschrift 25 39 440 wird ein weiterer Wärmetauscher
beschrieben, der mindestens ein Rohrbündel aus geraden Rohren und ein oder mehrere
Rohrbündel aus gewickelten Rohren umfaßt. Die Rohrbündel sind in Ringräumen installiert,
die ineinanderliegen und von mindestens zwei koaxialen zylindrischen Mänteln gebildet
werden.
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Zum Stand der Technik wird ferner noch die Auslegeschrift 24 59 472
genannt. Der dort beschriebene Dampf erzeuger weist einen Zwischenüberhitzer auf,
der als U-Rohrbündel ausgebildet und unterhalb der übrigen Heizflächenelemente angeordnet
ist. Das Heizgas wird dem in einem Kasten befindlichen Zwischenüberhitzer durch
zwei einander gegenüberliegende Eintrittsöffnungen zugeleitet, nachdem es durch
eine Gasführung seitlich in die Kaverne eingetreten ist. Es füllt den ganzen unteren
Teil der Kaverne aus, die sich nur schwer abdichten läßt. Bei Versagen der vorgesehenen
Isolierung ist auch die Tragstruktur des Helixbündels (das Vorwärmer, Verdampfer
und Vorüberhitzer umfaßt) von unten dem heißen Kühlgas ausgesetzt.
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Der Zwischenüberhitzer weist eine komplizierte Struktur auf, die besonders
empfindlich gegen eine ungleichmäßige Temperaturverteilung ist, wie sie sich bei
der hier vorliegenden Anströmung des Zwischenüberhitzers einstellt. Die Kompensation
von Wärmedehnungen erscheint besonders bei den inneren U-Rohren sehr problematisch.
Zudem können sich auf der Kühlgasseite leicht interne Bypässe herausbilden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dampferzeuger der
eingangs beschriebenen Bauart zu schaffen, bei dem die Anströmung und Durchströmung
des Zwischenüberhitzers auf der Kühlgasseite wesentlich verbessert sind und das
Entstehen von Wärmespannungen weitgehend vermieden wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der als Geradrohrbündel
ausgebildete Zwischenüberhitzer einen ringförmigen Querschnitt aufweist und konzentrisch
um den unterhalb des Helixbündels im Zentrum des Dampferzeugers installierten Endüberhitzer
angeordnet ist, wobei sein oberer Teil sich in gleicher Höhe mit der Kühlgaseintrittsstelle
befindet, daß der Zwischenüberhitzer von einem inneren und einem äußeren zylindrischen
Leitmantel umgeben ist, wobei der äußere Leitmantel mit dem Liner der Kaverne einen
Ringraum begrenzt, der unterhalb der Kühlgaseintrittsstelle durch eine ringartige
Zwischenwand und eine um den ganzen Liner-Umfang verlaufende Spaltdichtung abgedichtet
ist, daß oberhalb der Kühlgaseintrittsstelle eine zweite, den Ringraum nach oben
abdichtende Spaltdichtung vorgesehen ist, die zwischen einer oberhalb des Zwischenüberhitzers
befindlichen Umlenkvorrichtung für das eintretende Kühlgas und dem Liner angeordnet
ist, und daß innerhalb des Zwischenüberhitzers ein sich an das untere Ende seines
äußeren Leitmantels anschließender gewölbter Boden zur Leitung des Kühlgases in
den Endüberhitzer vorgesehen ist.
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Der Eintritt des Kühlgases in den Ringraum erfolgt in radialer Richtung.
Darauf verteilt sich das Kühlgas in dem Ringraum und strömt radial an der Umlenkvorrichtung
entlang, worauf der Zwischenüberhitzer rotationssymmetrisch angeströmt wird. Sodann
strömt das Kühlgas geradlinig von oben nach unten durch das Geradrohrbündel des
Zwischenüberhitzers. An dessen unterem
Ende wird der Kühlgasstrom
an dem gewölbten Boden um 900 umgelenkt und tritt darauf radial in das untere Ende
des Endüberhitzer-Geradrohrbündel ein. In dem Endüberhitzer strömt das Kühlgas geradlinig
nach oben und wird zu dem Helixbündel geleitet.
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Durch die rotationssymmetrische Anströmung und Durchströmung des Zwischenüberhitzers
lassen sich verschiedene Probleme wie Wärmedehnungsausgleich, Strukturfestigkeit
und -stabilität des Geradrohrbündels besser lösen. Da seine Struktur rotationssymmetrisch
ausgebildet ist und sich im wesentlichen aus schalenförmigen Bauteilen zusammensetzt,
ist der Zwischenüberhitzer grundsätzlich unempfindlich gegenüber ungleichmäßiger
Temperaturverteilung.
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Die Einzelelemente des Zwischenüberhitzers können sich unabhängig
voneinander frei ausdehnen. Sie können beispielsweise aus mehreren aufwärts und
abwärts führenden Heizflächenrohren, die in einer im Grundriß leicht trapezförmigen
Rohrteilung angeordnet sind, und aus Einrichtungen zur Strömungsumkehrung bestehen,
mit denen die Heizflächenrohre verbunden sind. Das Rohrfeld weist dabei im Grundriß
keine Lücken zwischen den einzelnen Elementen auf. In jedem Einzelelement herrschen
Gleichstrom und Gegenstrom. Als Alternative hierzu kann für den Zwischenüberhitzer
auch die Boxenbauweise angewendet werden. Das Kühlgas strömt dann durch an beiden
Enden offene Leitmäntel, die jeweils eine Box umgeben. Diese wird von einem Rohrbündel
und den beiden zugehörigen Rohrböden gebildet. Alle Boxen sind im Grundriß im Sechseckgitter
angeordnet.
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Vorteilhafterweise ist die Umlenkvorrichtung für das eintretende Kühlgas
als Halbtorusschale ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine besonders günstige Gestaltung
des Strömungsverlaufs. Der innere Rand der Halbtorusschale ist fest mit dem oberen
Ende
des inneren Zwischenüberhitzer-Leitmantels verbunden. Die
den Ringraum nach oben abdichtende Spaltdichtung befindet sich zwischen dem äußeren
Rand der Halbtorusschale und dem Liner der Kaverne.
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In dem unteren Bereich des Endüberhitzers kann zwischen diesem und
dem Zwischenüberhitzer ein Verstärkungsring vorgesehen sein, der die Aufgabe hat,
den Dampferzeuger beispielsweise im Falle eines Erdbebens horizontal abzustützen.
Die auftretenden Kräfte werden von dem äußeren Leitmantel des Zwischenüberhitzers
über die Abdichtstelle in den Liner der Kaverne eingeleitet.
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Zweckmäßigerweise ist das Geradrohrbündel des Zwischenüberhitzers
auf einem außerhalb des Gasströmungsraumes angeordneten Tragrost aufgestellt, so
daß die Tragstruktur nicht den hohen Temperaturen des von dem Kernreaktor kommenden
Kühlgases ausgesetzt ist. Der Tragrost ruht auf mehreren Stützfüßen, die an dem
Boden der Kaverne befestigt sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist das
Helixbündel, das den Vorwärmer, den Verdampfer und mindestens eine Uberhitzerzone
umfaßt, aus zwei im Grundriß ringförmigen Teilbündeln zusammengesetzt, die untereinander
angeordnet sind. Dies erleichtert die Fertigung und den Transport des erfindungsgemäßen
Dampferzeugers, da kleinere Gewichte besser zu handhaben sind. Das eine Helix-Teilbündel
wird beispielsweise von der genannten Uberhitzerzone, dem Verdampfer und einem Abschnitt
des Vorwärmers gebildet. Ein weiterer Abschnitt des Vorwärmers bildet das zweite
Helix-Teilbündel. Dieses ist über dem erstgenannten Helix-Teilbündel installiert;
d. h. das heiße Ende des Helixbündels ist unten angeordnet,
und
es findet eine Abwärtsverdampfung statt. Dadurch ist eine bessere Ausgangslage-für
die Durchführung von Wiederholungsprüfungen gegeben.
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Durch die Aufteilung des Helixbündels in zwei Teilbundel besteht die
Möglichkeit, die beiden Teilbündel aus verschiedenen Materialien herzustellen. So
kann das obere, den einen Vorwärmer-Abschnitt umfassende Teilbündel ausschließlich
aus ferritischem Werkstoff hergestellt sein, während das untere Teilbündel aus Ferrit
und Incoloy 800 gefertigt ist. Das reine Ferritbündel braucht nicht unter den gleichen
Reinheitsbedingungen hergestellt zu sein wie das andere Bündel. Ferner ist es möglich,
verschiedenartige Halterungskonstruktionen für die beiden Helix-Teilbündel zu verwenden
oder auch die Tragstruktur für die beiden Teilbündel gesondert auszuführen (was
vor allem bei verschiedenen Temperaturniveaus von großem Vorteil sein kann).
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Es ist zweckmäßig, die beiden Helix-Teilbündel an einem Tragrost aufzuhängen,
der sich oberhalb der Heizfläche befindet.
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Er ist damit eindeutig im Bereich des kalten Kühlgases (mit Temperaturen
unterhalb 400 OC) angeordnet. Es können daher Feinkornbaustähle mit hohen Festigkeitswerten
für den Tragrost verwendet werden, was zu geringeren Wanddicken und einer kleineren
Transientenempfindlichkeit führt. Durch die Installation des Tragrostes im Bereich
des kalten Kühlgases läßt es sich vermeiden, daß der Durchmesser der Kaverne, in
der der Dampferzeuger untergebracht ist, in deren unterem Bereich vergrößert werden
muß, wie es bei Anordnung des Tragrostes in diesem Bereich der Fall wäre. Es kann
zudem eine aufgelöste Konstruktion für den Tragrost gewählt werden. Die beiden Helix-Teilbündel
sind gelenkig an dem Tragrost aufgehängt,
um einen Ausgleich von
radialen Dehnungsdifferenzen zu ermöglichen.
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Vorzugsweise wird die gelenkige Aufhängung der Helix-Teilbündel mittels
dreier an dem Tragrost angebrachter Laschen realisiert, die um 1200 zueinander versetzt
angeordnet sind und Wärmehewegungen zulassen.
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Zweckmäßigerweise ist das untere Helix-Teilbündel mit dem oberen Helix-Teilbündel
ebenfalls gelenkig verbunden. Beispielsweise kann ein Gelenkgestänge zwischen den
beiden Teilbündeln vorgesehen sein. Es können aber auch hier als Verbindungsglieder
drei Gelenklaschen zwischen den beiden Teilbündeln angeordnet sein, die um 1200
zueinander versetzt sind.
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Die beiden Helix-Teilbündel sind vorteilhafterweise von einem inneren
und einem äußeren zylindrischen Leitmantel umgeben, wobei der äuBere Leitmantel
über eine ringförmige Bodenplatte mit einem den Endüberhitzer umgebenden zylindrischen
Leitmantel verbunden ist. Der Raum unterhalb der ringförmigen Bodenplatte ist mit
kaltem Kühlgas höheren Druckes beaufschlagt, das dem Kühlgaskreislauf hinter den
Gebläsen entnommen wird. Diese gezielte Einspeisung von Kühlgas in den Raum unterhalb
des Helixbündels verhindert Leckagen des heißen Kühlgases und die Herausbildung
von BypaB-Strömungen.
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Das kalte Kühlgas wird durch kleine Rohre in den genannten Raum eingeleitet,
die an dem äußeren Helixbündel-Leitmantel derart angebracht sind, daß Wärmedehnungsdifferenzen
sich ausgleichen können.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Dampferzeugers schematisch dargestellt, der zu den Primärkreislaufkomponenten eines
mit Helium gekühlten Hochtemperaturreaktors gehört. Die Figuren zeigen im einzelnen:
Fig. 1 a den oberen Teil des Dampferzeugers nach der Erfindung im Längsschnitt,
Fig. 1 b den unteren Teil des Dampferzeugers nach der Erfindung im Längsschnitt,
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie A-A der Fig. 1a, Fig. 3 einen Schnitt nach der
Linie B-B der Fig. 1b, Fig. 4 einen Querschnitt durch die unteren Zuführungen zu
dem Dampferzeuger.
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Die Figuren lassen einen Dampferzeuger erkennen, der innerhalb einer
Kaverne 1 in einem (nicht dargestellten) Druckbehälter untergebracht ist. Die Kaverne
1 ist mit einem Liner 2 ausgekleidet, der mit einer thermischen Isolierung (3) versehen
ist. In die Kaverne 1 mündet in deren unterem Bereich seitlich eine Zuführungsleitung
4 für das von dem Hochtemperaturreaktor kommende heiße Helium. Am oberen Ende der
Kaverne 1 tritt seitlich eine Gasleitung 5 aus, durch die das abgekühlte Helium
nach Austritt aus dem oberhalb des Dampferzeugers befindlichen Gebläse (nicht dargestellt)
die Kaverne 1 wieder verläßt.
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Die Heizfläche des Dampferzeugers ist teils als Helixbündel 6, teils
als Geradrohrbündel 7 ausgeführt. Das Helixbündel 6 weist einen ringförmigen Querschnitt
auf und ist von einem inneren Leitmantel 8 und einem äußeren Leitmantel 9 umgeben.
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Es ist aus zwei Teilbündeln 6a und 6b zusammengesetzt, die
übereinander
angeordnet sind. Das obere Teilbündel 6a stellt einen Abschnitt 10 des Vorwärmers
dar, während das untere Teilbündel 6b die Heizfl.ächen eines zweiten Vorwärmer-Abschnitts
11, des Verdampfers 12 und einer ersten Uberhitzzone 13 umfaßt.
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Die beiden Teilbündel 6a und 6b werden von oben nach unten von dem
Helium durchströmt; d. h. es findet eine Abwärtsverdampfung statt. Sie sind aus
verschiedenem Material hergestellt.
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Das obere Teilbündel 6a besteht ausschließlich aus ferritischem Werkstoff;
das unter Teilbündel 6b ist aus Ferrit und Incoloy 800 gefertigt.
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Das Geradrohrbündel 7 bildet die zweite Uberhitzerzone 14, im folgenden
Endüberhitzer genannt. Der Endüberhitzer 14 ist unterhalb des Helixbündels 6 im
Zentrum des Dampferzeugers angeordnet. Er ist von einem zylindrischen Leitmantel
15 umgeben, der sich oben über eine ringförmige gewölbte Bodenplatte 16 an den äußeren
Leitmantel 9 des Helixbündels 6 anschließt. Der innere Leitmantel 8 des Heiixbündels
6 ist unten mit einer halbkugeligen Schale 17 verbunden, die den von dem Helixbündel
6 begrenzten freien Innenraum 18 nach unten abschließt.
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Wie aus der Fig. 2 erkennbar, sind die Rohre der beiden Helix-Teilbündel
6a und 6b durch Rohrhalterungen 19 und 20 in ihrer Lage gehalten.
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Oberhalb des Helixbündels 6 befindet sich ein Tragrost 21, der sich
auf einem Flansch 22 abstützt, welcher über ein Thermosleeve 23 fest mit dem Liner
2 der Kaverne 1 verbunden ist. An
dem Tragrost 21 ist das obere
Helix-Teilbündel 6a mittels dreier Laschen 24 aufgehängt, die um 1200 zueinander
versetzt sind (in Fig. 1a in die Schnittebene gelegt) und radiale Wärmebewegungen
zulassen. Mittels in gleicher Weise angeordneter Laschen 25 ist das untere Teilbündel
6b an dem oberen Teilbündel 6a aufgehängt.
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Das Speisewasser wird dem Helixbündel 6 durch Rohrleitungen 26 zugeführt,
die oben in den Dampferzeuger eintreten. Der erzeugte und überhitzte Dampf wird
unten aus dem Dampferzeuger herausgeführt, wie in der Fig. Ib zu erkennen ist. Der
unterhalb der ringförmigen Bodenplatte 16 befindliche Raum 27 ist mit kaltem Helium
höheren Drucks beaufschlagt, das dem Gaskreislauf hinter den Gebläsen entnommen
wird. Die Einspeisung des Heliums in den Raum 27 erfolgt durch kleine Rohre, die
an dem äußeren Leitmantel 9 des Helixbündels 6 angebracht sind (nicht dargestellt}.
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Um den Geradrohr-Endüberhitzer 14 ist konzentrisch ein Zwischenüberhitzer
28 angeordnet, der ebenfalls als Geradrohrbündel ausgebildet ist und einen ringförmigen
Querschnitt aufweist.
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Sein oberer Teil befindet sich etwa in gleicher Höhe mit der Kühlgas-zufuh-rungsleitung
4. Der Zwischenuberhitzer 28 ist auf einem Tragrost 29 aufgestellt, der außerhalb
des Helium-Strömungsraumes installiert ist. Auf diesem Tragrost ruht auch der Endüberhitzer
14. ffber StützfüBe 30, die auf dem Boden 31 der Kaverne 1 befestigt sind, wird
der Tragrost 29 auf dem genannten Karvenenboden 31 abgestützt.
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Der Zwischenüberhitzer 28 ist von einem inneren zylindrischen Leitmantel
32 und einem ebenso gestalteten äußeren Leitmantel 33
umgeben.
Zwischen dem äußeren Leitmantel 33 und dem Liner 2 der Kaverne 1 befindet sich ein
Ringraum 34, der oberhalb und unterhalb der Kühlgas-Zuführungsleitung 4 auf seinem
ganzen Umfang abgedichtet ist. Die untere Abdichtstelle besteht aus einer ringartigen
Zwischenwand 35, die auf der einen Seite mit dem äußeren Zwischenüberhitzer-Leitmantel
33 und auf der anderen Seite mit einer Spaltdichtung 36 verbunden ist, die um den
ganzen Liner-Umfang herumläuft. An der oberen Abdichtstelle ist ebenfalls eine Spaltdichtung
37 vorgesehen, die zwischen dem Liner 2 und einer als Halbtorusschale ausgebildeten
Umlenkvorrichtung 38 angeordnet ist; d. h. sie steht mit dem äußeren Rand 39 der
Halbtorusschale 38 in Verbindung.
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Der innere Rand 40 der Halbtorusschale 38 ist fest mit dem oberen
Ende des inneren Zwischenüberhitzer-Leitmantels 32 verbunden.
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An dem unteren Ende des äußeren Zwischenüberhitzer-Leitmantels 38
ist ein gewölbter Boden 41 angebracht , der den Zwischen-Uberhitzer 28 nach unten
abschließt, aber seitlich nach innen einen Durchtritt für das Helium frei läßt.
Er lenkt das unten aus dem Zwischenüberhitzer-Geradrohrbündel austretende Helium
in radialer Richtung zu dem Endüberhitzer 14.
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Das vom Reaktor kommende heiße Helium gelangt durch die Zuführungsleitung
4 in den Ringraum 34, in dem es sich um den äußeren Zwischenüberhitzer-Leitmantel
33 verteilt. In radialer Richtung wird das Helium sodann durch die Umlenkvorrichtung
38 oben dem Zwischenüberhitzer 28 zugeleitet, den es rotationssymmetrisch anströmt.
Die Durchströmung des Zwischenüberhitzers 28 von oben nach unten erfolgt ebenfalls
rotationssymmetrisch, so daß die Temperaturbelastungen auf ein Minimum gehalten
werden
können. An dem gewölbten Boden 41 wird das Helium um 900 umgelenkt und tritt unten
in den Endüberhitzer 14 ein, den es geradlinig von unten nach oben durchströmt.
Darauf wird es an der gewölbten Bodenplatte 16 entlang zu dem Helixbündel 6 geführt
und tritt schließlich durch die Gasleitung 5 wieder aus dem Dampferzeuger aus.
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Die Zuführungsleitungen 42 und Abführungsleitungen 43 für den Dampf
des Zwischenüberhitzers 28 sind nach unten aus dem Dampferzeuger heraus verlegt.
Wie aus der Fig. 4 erkennbar, sind die Leitungen für den Frischdampf in drei Lochplatten
44 zusammengefaßt, die um 1200 versetzt auf einem Teilkreis um die Dampferzeuger-Längsachse
angeordnet sind. Auf einem zweiten Teilkreis mit größerem Durchmesser befinden sich
- ebenfalls um 1200 zueinander versetzt - drei Lochplatten 45 für die Zuführungsleitungen
42 und Abführungsleitungen 43 des Zwischenüberhitzers 28.
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Das Geradrohrbündel des Zwischenüberhitzers 28 ist aus einer Vielzahl
von Einzelelementen 46 zusammengesetzt, die jeweils mehrere aufwärts und abwärts
führende Heizflächenrohre 48 umfassen. Die Einzelelemente 46 sind auf konzentrischen
Kreisen angeordnet. Zur Umkehrung der Strömungsrichtung des Dampfes am oberen Ende
des Geradrohrbündels sind U-förmige gebogene Rohrleitungen 47 vorgesehen. Es liegt
also in jedem Einzelelement 46 Gleichstrom und Gegenstrom vor. Die Heizflächenrohre
48 sind in einer lückenlosen Dreiecks-Rohrteilung angeordnet, wie aus der Fig. 3
hervorgeht.
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In dem unteren Bereich des Endüberhitzers 14 ist zwischen dessen Leitmantel
15 und dem inneren Leitmantel 32 des Zwischen-Uberhitzers 28 ein Verstärkungsring
49 vorgesehen, der die
horizontale Abstützung des Dampferzeugers
beispielsweise im Falle eines Erdbebens übernimmt. Die auftretenden Kräfte werden
von der Zwischenüberhitzer-Struktur auf den äußeren Leitmantel 33 übertragen und
über die untere Abdichtstelle (ringartige Zwischenwand 35, Spaltdichtung 36) in
den Liner 2 der Kaverne 1 eingeleitet. Die untere Abdichtstelle ist also gleichzeitig
Abstützstelle für den Dampferzeuger.
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