DE2842039A1

DE2842039A1 - Dampferzeuger

Info

Publication number: DE2842039A1
Application number: DE19782842039
Authority: DE
Inventors: Jean Forestier; Bernard Leblanc; Marcel Monteil; Pierre Monteil
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1977-09-28
Filing date: 1978-09-27
Publication date: 1979-04-05
Also published as: GB2004987A; FR2404799B1; JPS5458101A; SE7810141L; CH625029A5; FR2404799A1; IT7869225A0; US4198929A; SE427690B; GB2004987B; ES473745A1

Description

COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE Paris, Frankreich

Dampferzeuger

Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger, bei dem ein Primärfluid, das durch Schwerwasser oder Druck-Leichtwasser gebildet ist, ein Rohrbündel durchströmt unter Wärmetausch bzw. Abgabe von Wärmemengen an ein Sekundärfluid, das ebenfalls durch Wasser gebildet ist, um dieses in gesättigten oder überhitzten Dampf umzuformen. Vorzugsweise ist ein derartiger Dampferzeuger so ausgebildet, daß er einer Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie durch in Turbinen stattfindender Dampfentspannung zugeordnet ist, wobei das Primärfluid vom Kühlkreis eines Kernreaktors kommt. Vorteilhaft ist das das Sekundärfluid bildende Wasser zumindest teilweise von einer Versorgungsstelle oder einem Versorgungs-Vorratsbehälter zugeführt und zum anderen Teil von einem Abzweig- oder Abzapfkreis des Erzeugers selbst, wobei das abgezweigte Wasser auf der Verdampfungstemperatur insbesondere zum Wiederüberhitzen

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oder Wiedererhitzen des Dampfes zwischen dem Hochdruckteil und dem Tiefdruckteil der Turbinen verwendet wird.

Es gibt bereits zahlreiche Dampferzeuger dieser Art (vgl. franz. Patentanmeldung 77-14 888 vom 16.05-77 der Anmelderin, betreffend einen Dampferzeuger mit Zwangsumwälzung), wobei ein solcher Dampferzeuger im wesentlichen eine äußere Hülle und einen koaxialen inneren Mantel besitzt, die zwei getrennten horizontalen Rohrplatten oder Rohrböden zugeordnet sind, deren einer mittig ist und deren anderer ringförmig ist, wobei ein Bündel aus U-Rohren vorgesehen ist zur Umwälzung des Primärfluids und wobei die Rohre jeweils mit dem einen und dem anderen der beiden Rohrböden in der Hülle verbunden sind, wobei deren gekrümmter Teil unter dem Ende des Mantels hindurchtritt.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, den Aufbau eines Dampferzeugers der genannten Art so auszubilden, daß die Verwendung als sowohl Erzeuger von überhitztem Dampf als auch als Erzeuger von gesättigtem Dampf möglich ist.

Zu diesem Zweck zeichnet sich der erfindungsgemäße Erzeuger dadurch aus, daß er in Kombination aufweist: eine äußere Hülle, die aus einer inneren und einer äußeren zylindrischen Hülse gebildet ist mit gemeinsamer Vertikalachse, die an ihren entgegengesetzten Enden durch Böden verschlossen sind und die ineinander eingesetzt bzw. eingepaßt sind, wobei die Hülsen unterschiedliche Durchmesser besitzen, eine horizontale ringförmige Rohrplatte bzw. einen Rohrboden, die bzw. der zwischen dem Oberende der inneren Hülse und der äußeren Hülse angeordnet ist, wobei diese Rohrplatte mit den Hülsen und einer parallelen

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Trennwand einen ringförmigen Sammler zur Zufuhr des Primärwassers unter Druck begrenzen, eine mittige Rohrplatte, die in der inneren Hülse nahe deren Boden am Unterende befestigt ist und mit diesem einen Sammler zur Abfuhr des Primärwassers bildet, ein Bündel aus im größte Teil ihrer Länge parallelen Rohren, die vom Primärwasser durchströmt sind, wobei die Rohre sich vertikal erstrecken, ausgehend von der mittigen Rohrplatte, und wobei sie am Ende einen gekrümmten gabelförmigen Teil besitzen mit einer nach unten zeigenden Krümmung oder Konkavität zu deren Befestigung oder Verbindung mit der ringförmigen Rohrplatte, wobei die Rohre gleichmäßig über die gesamte ringförmige Rohrplatte angeschlossen sind, Eintrittsleitungen in die Hülle für zu verdampfendes Sekundärwasser, die in der inneren Hülse nahe der mittigen Rohrplatte vorgesehen sind, und Austrittsleitungen des erzeugten Dampfes, die in der äußeren Hülse oder in deren Boden vorgesehen sind.

Infolge der besonderen Anordnung der Rohre des Rohrbündels und der Rohrplatten gegenüber den Zuführ- und Abführsammlern einerseits und den Eintrittsleitungen und Austrittsleitungen des Sekundärwassers andererseits strömen das Primärwasser und das Sekundärwasser im Gegenstrom über praktisch die gesamte Länge der Rohre.

Vorteilhaft weist der Erzeuger oder Generator zumindest eine Abzweig- oder Abzapfleitung für das Sekundärwasser auf der Verdampfungstemperatur auf, die zum überhitzen oder Erhitzen des zwischen dem Hochdruckteil und dem Niederdruckteil der Turbinen erzeugten Dampfes verwendet wird, wobei der Durchsatz bzw. die Durchflußmenge des abgezweigten Wassers anschließend in den Erzeuger zurückgeführt wird auf

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einer Temperatur, die noch höher ist als die des zugeführten Versorgungs-Sekundärwassers.

Weiter sind vorzugsweise die Eintrittsleitungen des Sekundärwassers in die Innenhülse der Hülle oder des Mantels

über den Umfang in der Hülse befestigten ■Verteilungsgliedern zugeordnet, die die Verteilung der Durchflußmenge in dieser ermöglichen. Gemäß einer weiteren Ausbildung sind die Rohre des Bündels verstrebt oder versteift durch Gitter, die mit von den Rohren durchsetzten durchgehenden Löchern versehen sind.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch im Axialschnitt einen Dampferzeuger gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Erzeugung gesättigten Dampfes;

Fig. 2 vergrößert im Vertikalschnitt und ausschnittsweise ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Erzeugers, und zwar dessen Oberteil zur Erzeugung von erhitztem bzw. überhitztem Dampf.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein erfindungsgemäßer Dampferzeuger 1 oder Generator vorgesehen, der im wesentlichen aus zwei zylindrischen Hülsen 2, mit gemeinsamer Vertikalachse gebildet ist, wobei die Hülse im folgenden als innere Hülse und die Hülse 3 im folgenden als äußere Hülse bezeichnet werden. Die beiden Hülsen 2, 3

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sind miteinander über einen Sammler 4 verbunden, der als torusförmiger Kasten mit Rechteckquerschnitt ausgebildet ist, und sind jeweils an ihren entgegengesetzten Enden durch halbkugelförmige Böden 5 bzw. 6 verschlossen. Die obere Wand des Kastens oder Sammlers 4 ist durch einen horizontalen Rohrboden bzw. eine horizontale Rohrplatte 7 gebildet, die ringförmig ist, wobei deren vertikale Innen- bzw. Außenwände einstückig mit den Hülsen 2, 3 ausgebildet sind,in bezug auf die sie Verlängerungen bilden und wobei die untere Wand eine ringförmige ebene Platte 8 ist. Eine Leitung 10 mündet durch die äußere Wand bzw. die äußere Hülse 3 des Sammlers 4 und ermöglicht die Zufuhr von Primärwasser unter Druck in diesem, das von einem Kernreaktor stammt.

Am Unterende der inneren Hülse 2 ist im übrigen eine mittige Rohrplatte 11 vorgesehen, die ebenfalls horizontal ist und die mit dem diese Hülse 2 verschließenden Boden 6 einen weiteren Sammler 12 bzw. einen Abführsammler des Primärwassers bildet, wobei sich dessen Durchflußmenge in dem Sammler 12 sammelt, bevor es aus der Vorrichtung bzw. aus dem Erzeuger 1 über Leitungen 13, 14 abgezogen wird.

Die Durchströmung des Dampfgenerators 1 mit Primärwasser erfolgt gemäß der Erfindung durch ein Rohrbündel 15, von dem einige Rohre in der Zeichnung dargestellt sind und wobei jedes der Rohre über desssi größten Teil der Länge einen Vertikalabschnitt oder Vertikalfuß 16 besitzt, dessen Unterende mit der mittigen Rohrplatte 11 verbunden ist. Am entgegengesetzten Ende, jenseits des oben offenen Teils der Hülse 2, ist jedes Rohr des Bündels 15 um einen gekrümmten Teil in Form einer Gabel verlängert, dessen Krümmung nach unten gerichtet ist, wodurch die Rohre in der ringförmigen Rohr-

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platte 7 eingesetzt werden können, die den Zuführsammler 4 begrenzt. Aufgrund dieser Anordnung durchströmt das Primärwasser unter Druck,das über die Leitung 10 in den Sammler 4 eingeführt wird, die Gesamtheit der Rohre des Bündels 15 und wird im Abführsammler 12 gesammelt vor der Abfuhr nach außerhalb des Erzeugers über die Leitungen 13₃ 14. Vorzugsweise sind die Rohre des Bündels Vo miteinander verstrebt oder versteift mittels mehrerer Gitter 18, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind, wobei die Gitter 18 bei ihrer Durchsetzung durch die Rohre und insbesondere deren Vertikalfüßen 16 (nicht dargestellte) heftende oder anhaftende Löcher (trous broches) aufweisen, die das geeignete Halten der Rohre sicherstellen, ohne Stören oder Behindern der Umwälzung des Sekundärwassers im-Gegenstrom zum Primärwasser außerhalb der Rohre.

Die Erzeugung von gesättigtem Dampf wird durch die Zufuhr von Sekundärwasser über eine seitliche Leitung 19 erreicht, die in die Innenhülse 12 nahe deren Unterende oberhalb der mittigen Rohrplatte 11 mündet, wobei dieser Leitung 19 im Inneren der Hülse 2 ein zylindrischer Deflektor 20 zugeordnet ist, durch den es möglich ist, eine gute Verteilung der Durchflußmenge sicherzustellen. Weiter ist an der entgegengesetzten Wand der inneren Hülse 2 eine weitere Zuführleitung 21 vorgesehen, die ebenfalls einem Deflektor 22 zugeordnet ist, wobei das in die innere Hülse 2 über diese Leitung 21 eingeführte Sekundärwasser, wie weiter unten näher erläutert werden wird, einem Rückströmungswasser entspricht, das vom Generator bzw. vom Erzeuger selbst abgezweigt worden ist, um das Wiedererwärmen des Dampfes zwischen dem Hochdruckteil und dem Niederdruckteil von (nicht dargestellten) der Einrichtung zugeordneten Turbinen sicher-

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zustellen, wobei das in die innere Hülse 2 rückgeführte Wasser auf einer Temperatur ist, die im wesentlichen höher als die des über die Leitung 19 zugeführten Versorgungswassers ist und die folglich dazu bestimmt ist, ein wirksames Spülen sicherzustellen sowie bessere thermische Bedingungen in bezug auf die Rohrplatte 11.

In der Innenhülse 2 und in Berührung mit dem Rohrbündel 15 erwärmt sich das Sekundärwasser fortschreitend, bis es verdampft und in Form einer Mischung aus Wassertröpfchen und Dampf oberhalb des Rohrbündels 15 vorhanden ist. Die Mischung durchsetzt nun Seperatoren oder Trennglieder 23, an denen eine Dampfanreicherung stattfindet, sowie Trockner 24, wobei der in einem Sammler 25, der unter dem oberen Boden 5 der äußeren Hülle 3 gebildet ist, gesammelte Dampf ein quasi- bzw. trockener Dampf ist und schließlich aus der Vorrichtung über Leitungen 26, 27 abgeführt wird. Unter den Trenngliedern 23 ist vorteilhaft eine Leitung 28 mit einem zylindrischen Deflektor 29 oder Ablenkglied vorgesehen, wodurch es wie erwähnt möglich ist, einen Teil des Sekundärwassers auf der Verdampfungstemperatur abzuführen bzw. abzuzweigen zur Verwendung in einem äußeren Kreis vor dessen Rückführung in die Vorrichtung über die Leitung 21. Diese Anordnung besitzt den zusätzlichen Vorteil, die Wirkungsweise der Trennglieder 23 zu begünstigen.

Auf diese Weise wird ein Dampfgenerator oder -erzeuger für gesättigten Dampf geschaffen, der besondere Vorteile besitzt, und zwar sowohl in bezug auf die Leistung als auch in bezug auf den Betrieb gegenüber herkömmlichen Dampferzeugern mit U-Rohren. In bezug auf die Leistung wird dadurch, daß ein Dampferzeuger geschaffen ist, der planmäßige Umwäl-

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zung mit guter Homogenität und hoher Geschwindigkeit des Sekundärfluids besitzt, eine Erhöhung des Wärmetauschers in sehr wesentlicher Weise ermöglicht. Daraus ergibt sich, daß der Druck im Dampferzeuger erhöht werden kann, woraus sich eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Einrichtung insgesamt ergibt, insbesondere wenn vorzugsweise ein Erhitzungsoder Überhitzungssystem zwischen Hochdruckteil bzw. -teilen und Tiefdruckteil bzw. -teilen der Turbinen verwendet wird durch Abzweigen von Sekundärwasser im Erzeuger selbst.

In bezug auf den Betrieb ist außer hoher Stabilität der Erzeuger vollständig angepaßt, um allen Laständerungen zu folgen, wobei die hervorragende Kopplung vorgegeben ist, die wesentlich zwischen dem Dampferzeuger und dem Kernreaktor besteht, der das Primärwasser unter Druck abgibt. Darüber hinaus ermöglichen die Trennung der Rohrplatten und die sich daraus ergebende Form der Rohre eine erhebliche Verringerung der Wärmespannungen in diesen Platten. Andererseits behalten die Umwälzrohre infolge ihrer Gabelform eine ausreichende Nachgiebigkeit bei, um differentiellen Dehnungen widerstehen zu können.

Schließlich vermögen die Rückhalteeinrichtungen Stagnationszonen des Sekundärwassers zu vermeiden, wo sich nachteilige hydrodynamische Sonderheiten ergeben.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 2 dargestellt ist, sind im wesentlichen die gleichen Bauteile und Anordnungen wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 vorgesehen, wobei dieser Generator oder Dampferzeuger zur Erzeugung von erhitztem bzw. überhitztem Dampf

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vorgesehen ist. Insbesondere ist auch.hier der torusförmige Zuführsammler 4 mit seiner ringförmigen Rohrplatte 7 vorgesehen, der die innere Hülse 2 mit der äußeren Hülse 3 verbindet, sowie das Rohrbündel 15 mit dessen Vertikalfüßen 16

17 und dessen gabelförmig gekrümmten Texlen 'und schließlich auch das Oberteil der äußeren Hülse 3, an dem der Boden 5 letztere verschließt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel weist jedoch der im Inneren der äußeren Hülse 3 oberhalb des Endes des Rohrbündels 15 gelegene Bereich 31 einen quergerichteten Deflektor 30 auf, derart, daß der erhitzte oder überhitzte Dampf im Bereich 31 geeignet den Oberteil der Rohre überstreicht, bevor er sich oberhalb des Deflektors 30 in einem Sammler 32 sammelt, von dem er über Leitungen 33, 3^ abgeführt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Abzweigung des Wassers auf der Verdampfungstemperatur vorteilhaft über eine seitliche Leitung 35, der ein innerer zylindrischer Deflektor 36 zugeordnet ist, wobei diese seitliche Leitung in einer Zone vorgesehen ist, die dem Beginn der Verdampfung des Sekundärwassers in Berührung mit den von Primärwasser durchströmten Rohren entspricht. Wie beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel wird das abgezweigte Sekundärwasser nach Erwärmen oder überhitzen des Dampfes zwischen dem Hochdruckteil und dem Niederdruckteil der Turbinen der Basis des Generators bzw. Dampferzeugers zugeführt zur Mischung mit dem Zuführ-Wasser nach überstreichen der Rohrplatte 11.

Der Dampfgenerator für erhitzten oder überhitzten Dampf, der so ausgebildet ist, besitzt Wirkungen und Betriebseigenschaften, die eine erhebliche Verbesserung gegenüber Dampf-

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erzeugern mit geraden Rohren erreichen, die üblicherweise zur Erzeugung von erhitztem oder überhitztem Dampf verwendet werden. Darüber hinaus sind, unter Berücksichtung des Aufbaus des Dampferzeugers, die Rohre gleichmäßig in der inneren Hülse 2 und auf der ringförmigen Rohrplatte 7 verteilt. Folglich wird in äußerstem Maße die Erzeugung thermischer Gradienten in einer Ebene senkrecht zur Achse des Generators oder Dampferzeugers 1 vermieden.

Selbstverständlich sind noch weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung möglich.

In der beigefügten Tafel sind Beispiele thermodynamischer Daten der erfindungsgemäßen Dampferzeuger zusammengefaßt, und zwar in bezug auf die beiden dargestellten Ausführungsbeispiele, wobei das Primärwasser von einem Leichtwasser-Druckreaktor stammt.

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Gesättigter Dampf (Fig. l)

Thermische Leistung 1387 MW Elektrische Leistung 512 MW

Innendurchmesser 2,80/4,50 m

Höhe 19 m

Rohr-Anzahl 12 000

Rohr-Außendurchmesser 16 mm

Wärmetauschfläche 7 500 m²

Überhitzter Dampf (Fig. 2)

Thermische Leistung Elektrische Leistung Innendurchmesser

Höhe

Rohr-Anzahl

Rohr-Auß endurchmes ser Wärmetauschfläche

1387 MW 511 MW 2,80/4,50 m 20 m 12 000 16 mm 10 200 m²

Primärfluid

Eintrittstemperatur Austrittstemperatur Durchsatz

330 °C 292 ⁰C 5900 kg/s

Primärfluid

Eintrittstemperatur Austrittstemperatur Durchsatz

329 ⁰C 293 ⁰C 6238 kg/s

Sekundärfluid

a) Versorgungswasser

Eintrittstemp.
Durchsatz

243,3 ⁰C 746 kg/s Sekundärfluid
a) Versorgungswasser

Eintrittstemp.
Durchsatz

232.5 ⁰C

686.6 kg/s

Dampf

Generatoraustritt Dampf

Generatoraustritt

Druck	79b	Druck	74b
Temperatur	294 ⁰C	Temperatur	310 ⁰C
Durchsatz	746 kg/s	Durchsatz	686,6 kg/s
Turbinen-Einlaß		Turbinen-Einlaß
Druck	75b	Druck	75b
Temperatur	291 ⁰C	Temperatur	308 ⁰C
Durchsatz	746 kg/s	Durchsatz	686,6 kg/s

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b) Erhitzungs-Wasser

b) Wiedererhitzungs-Wasser

Eintrittstemp.	260	⁰C	Eintrittstemp.	250,	6 ⁰C
Austrittstemp.	295	⁰C	Austrittstemp.	290	⁰C
Durchsatz	622	kg/s	Durchsatz	536,	5 kg/s
Sekundärwasser- Gesamtdurchsatz	1368	kg/s	Sekundärwasser- Gesamtdurchsatz	1 222	kg/s
Mittlere Wasser geschwindigkeit im Vorwärmer-Teil ungefähr	0,82	m/s	Mittlere Wasser geschwindigkeit im Vorwärmer-Teil ungefähr	0,71	m/s

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Claims

Ansprüche

J Dampferzeuger für Druckwasser-Kraftwerk, dadurch gekennzeichnet, daß in Kombination vorgesehen sind:

eine aus zwei zylindrischen Hülsen (2, 3) gebildete Hülle, nämlich einer unteren inneren Hülse (2) und einer oberen äußeren Hülse (3) mit gemeinsamer vertikaler Achse, die an ihren entgegengesetzten Enden durch Böden (5, 6) verschlossen sind und die über eine Einsetzlänge parallel zur gegebenen Achse ineinander eingesetzt sind, wobei die Hülsen (2, 3) unterschiedliche Durchmesser besitzen,

eine horizontale ringförmige Rohrplatte (7) zwischen dem Oberende der inneren Hülse (2) und der äußeren Hülse (3)j wobei die Ringplatte (3) mit den Hülsen (2, 3) und einer parallelen Abdeckung (8) einen ringförmigen Sammler (4) bildet zur Zufuhr von Primärwasser unter Druck, wobei dessen Höhe gleich der Einsetzlänge ist,

eine mittige Rohrplatte (11), die in der inneren Hülse (2) nahe deren Boden (6) an deren Unterende befestigt ist und mit diesem einen Sammler (12) zur Abfuhr des Primärwassers bildet,

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ORIGINAL INSPECTED

ein Rohrbündel (15) aus über größtenteils parallelen Rohren, die von dem Primärwasser durchströmt sind, wobei sich die Rohre vertikal, ausgehend von der mittigen Rohrplatte (11) erstrecken und am Ende einen gabelförmigen gekrümmten Abschnitt (17) besitzen mit einer nach unten gerichteten Krümmung zu deren Verbindung mit der ringförmigen Rohrplatte (7), wobei die Rohre gleichmäßig über der gesamten ringförmigen Rohrplatte (7) angeschlossen sind,

Eintrittsleitungen (19j 21) in die Hülle für zu verdampfendes Sekundärwasser, die in der inneren Hülse (2) nahe der mittigen Rohrplatte (11) vorgesehen sind, und

Austrittsleitungen (26, 27, 33, 3*0 für den erzeugten Dampf, die in der äußeren Hülse (3) oder deren Boden (5) vorgesehen sind.
2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Abzweigleitung (28, 35) für das Sekundärwasser auf der Verdampfungstemperatur vorgesehen ist, das zum Erhitzen oder Wiedererhitzen des Dampfes vorgesehen ist, das zwischen Hochdruckteilen und Niederdruckteilen der Turbinen erzeugt wird, wobei die Durchflußmenge des abgezweigten Wassers anschließend in den Dampferzeuger (1) auf einer Temperatur zurückgeführt wird, die noch höher ist als die des Versorgungs-Sekundärwassers.
3. Dampferzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsleitungen (19, 21) des Sekundärwassers in die innere Hülse (2) der Hülle über den

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Umfang verteilten Verteilungsgliedern (Deflektoren 20, 22) zugeordnet sind, die in der inneren Hülse (2) befestigt sind und die Verteilung der Durchflußmenge in dieser ermöglichen.
4. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3_S dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre des Rohrbündels (15) geeignet verstrebt oder versteift sind mittels Gittern (18), die mit von den Rohren durchsetzten heftenden Löchern versehen sind.

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