DE2935889A1

DE2935889A1 - Dampferzeuger

Info

Publication number: DE2935889A1
Application number: DE19792935889
Authority: DE
Inventors: Arthur Marshall Harris
Original assignee: General Atomics Corp
Current assignee: General Atomics Corp
Priority date: 1978-09-05
Filing date: 1979-09-05
Publication date: 1980-03-13
Also published as: FR2435667A1; JPS5538496A; US4284134A

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Spiralrohrwärmeaustauscher, und zwar insbesondere auf solche Wärmeaustauscher, die zwei oder mehr spiralförmig gewickelte Rohrbündel aufweisen, welche in Reihe miteinander angeordnet sind. Insbesondere wird mit der vorliegenden Erfindung ein Rohrwärmeaustauscher der Art vorgeschlagen, wie er in einem Dampferzeuger in Verbindung mit einem Kernreaktor angewandt werden kann.

Die Entwicklung von Leistungs- bzw. Kraftwerkskernreaktoren ermöglicht die leistungsfähige und wirtschaftliche Erzeugung von Elektrizität aus Wärmeenergie, die in dem Reaktor entwickelt wird. Auf diesem Gebiet ist es erforderlich, die Reaktoren mit Temperaturen zu betreiben, die genügend hoch sind, damit eine direkte Erzeugung von Dampf bei Temperaturen und Drücken ermöglicht wird, welche für einen Betrieb von Dampfturbinen mit hohem Wirkungsgrad geeignet sind. Aus diesem Grunde wurden Hochtemperatur-Kernreaktoren entwickelt, die, wenn sie in Verbindung mit einem geeigneten Dampfturbinensystem angewandt werden, die Möglichkeit bieten, große Mengen an elektrischer Leistung mit hohem Wirkungsgrad bzw. in leistungsfähiger Welse zu erzeugen.

Die Hochtemperatur-Reaktoren sind allgemein in einem Druckbehälter eingeschlossen, durch den ein Kühlströmungsmittel, wie beispielsweise gasförmiges Helium oder gasförmiges Kohlendioxid, umgewälzt wird, um die von dem Reaktor entwickelte Wärmeenergie abzuführen. Der Dampf für den Betrieb der Turbinen wird dadurch erzielt, daß man die Wärme von dem Kühlmittel auf das Strömungsmittel eines Wasser-Dampf-Systems überträgt. Eine solche Wärmeübertragung wird konventionellerweise in einem Dampferzeuger durchgeführt, indem Wärmeenergie in Form von überhitztem Dampf aus dem Reaktor

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abgeführt wird.

Beim Entwurf von Dampferzeugern für gasgekühlte Reaktoren let es wichtig, den Widerstand gegen den Wärmefluß vom Gas zum Dampf-Wasser in der Gesamteinheit zu minimalisieren und gleichseitig Aufbaumaßnahmen in individuellen Abschnitten des Dampferzeugers anzuwenden, durch die ein Betrieb innerhalb von vernünftigen Grenzen der Temperatur, der Materialbeanspruchung und anderer Phänomene sichergestellt wird. Es ist jedoch außerdem wichtig, daß die Gasströmung durch den Dampferzeuger nur eine so geringe Beschränkung wie möglich erfährt,damit die Arbeit, die zum Fördern des Gases aufgewendet wird, minimalisiert ist.

Im allgemeinen ist innerhalb des gleichen Einschließungsbehälters, in dem sich der Kernreaktor selbst befindet, eine Anzahl von Dampferzeugern angeordnet. Demgemäß ist es wichtig, daß jeder Dampferzeuger in seinen Abmessungen sehr kompakt ist. Jedoch ist es zur leistungsfähigen Umwandlung von Wasser in Dampf innerhalb des Dampferzeugers und zum Erhöhen der Temperatur und des Drucks dieses Dampf auf zufriedenstellende überhitzungsbedingungen erforderlich, eine Anzahl von Wärmeaustauscherabschnitten innerhalb jedes Dampferzeugers vorzusehen. Diese verschiedenen Abschnitte werden allgemein als unterschiedliche Rohrbündel ausgebildet, durch die ein zu erhitzendes und zu verdampfendes Strömungsmittel, im allgemeinen Wasser, in Reihe hindurchströmt, während das primäre Kühlmittel vom Reaktor um die Rohrbündel herum umgewälzt wird.

Typischerweise kann ein Dampferzeuger eine Reihe von Rohrbündeln aufweisen, wobei unterschiedliche Rohrbündel oder unterschiedliche Teile der Rohrbündel als Vorwärmerabschnitt zum anfänglichen Erhitzen des Wassers, als Verdampferabschnitt zum Umwandeln des Wassers in Dampf und als eine Reihe von tlberhitzerabschnitten arbeiten. Die überhitzerab-

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schnitte umfassen im allgemeinen einen Anfangsüberhitzerabschnitt, eine Mehrzahl von Zwischenüberhitzerabschnitten und einen Endüberhitzerabschnitt, durch die der Dampf auf die gewünschten Tempefaturniveaus erhitzt wird.

Diese verschiedenen Abschnitte innerhalb eines Dampferzeugers unterliegen oft sehr unterschiedlichen Erfordernissen, die durch den Aufbau des Dampferzeugers erfüllt werden müssen. Beispielsweise muß der relative Betrag an Wärmefluß für jeden Abschnitt des Dampferzeugers sorgfältig ausgewählt werden, damit die gewünschte Wirkung innerhalb dieses Abschnitts und innerhalb des Dampferzeugers als Ganzes erzielt wird.

Unter unterschiedlichen Bedingungen ist es erforderlich, die Stelle längs einer Reihenanordnung von Rohrbündeln zu verändern, an der eine Verdampfung tatsächlich stattfindet. Dadurch wird natürlich der Betrag an Wärmeübertragung, der innerhalb jedes der Rohrbündel und innerhalb unterschiedlicher Teile jedes Rohrbündels erzielt werden muß, beein- flußt. Gleichzeitig ist es wünschenswert, die verschiedenen Rohrbündel so zu gestalten, daß die Wärmeübertragungsund Druckabfallcharakteristika, die sich innerhalb jedes einzelnen Bündels entwickeln, nicht durch die Geometrie eines anderen Rohrbündels innerhalb des Dampferzeugers zwangsweise bestimmt werden.

Probleme, wie diejenigen, die vorstehend dargelegt wurden, zusammen mit dem Erfordernis, eine sehr kompakte Konfiguration in dem Dampferzeuger aufrecht zu erhalten, können Druckabfallnachteile oder eine erhöhte Kompliziertheit im Aufbau der Dampferzeuger bewirken. Das wird in der folgenden Beschreibung näher dargelegt, die sich auf einen Dampferzeuger bezieht, bei dem eine weitere Forderung darin besteht, daß er einen allgemein konstanten Durchmesser längs seiner Länge haben soll. Das ist jedoch keine wesentliche

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und auch keine notwendige Beschränkung der vorliegenden Erfindung.

Um diese komplizierten Forderungen gemäß dem Stand der Technik zu erfüllen, war es allgemeine Praxis, es zuzulassen, daß die Geometrie eines Rohrbündels zwangsweise diejenige eines anderen bestimmt, beispielsweise den Querabstand der Rohre, der in beiden Bündeln der gleiche ist, oder die Anzahl von Rohren, die in verschiedenen Rohrbündeln verändert wird, welche in Reihe angeordnet sind, damit man die erforderlichen Betriebscharakteristika des Dampferzeugers erzielt. Im ersteren Falle können sich wesentliche Nachteile in der Abmessung des Dampferzeugers, im Druckabfall des primären Kühlmittels oder in der Rohrwandtemperatur und der Wärmebeanspruchung ergeben. Im letzteren Fall müssen extra Verteiler- bzw. Sammelstücke oder Rohrplatten vorgesehen sein, in denen die in Frage stehenden Rohre münden, damit eine Änderung der Anzahl der Rohre ermöglicht wird.

Demgemäß wurde gefunden, daß ein Bedürfnis für einen Aufbau von Spiralrohrwärmeaustauschern besteht, in denen Rohrbündel, die in Reihe angeordnet sind, einfach und leistungsfähig gestaltet sind, so daß sich eine maximale Leistungsfähigkeit sowohl der einzelnen Rohrbündel als auch des gesamten Dampferzeugers ergibt. Dieses Problem ist besonders kritisch bei Dampferzeugern, die in Verbindung mit Kernreaktoren gemäß der vorstehenden Erörterung angewandt werden. Jedoch können ähnliche Probleme in anderen Anwendungsfällen bei verschiedensten Dampferzeugern auftreten. Demgemäß bezieht sich die vorliegende Erfindung auf jeden Dampferzeuger, bei dem Aufbauprobleme der vorstehend dargelegten Art auftreten.

Mit der vorliegenden Erfindung soll infolgedessen ein verbesserter Spiralrohrwärmeaustauscher der Art zur Verfügung gestellt werden, der zwei oder mehr in Reihe angeordnete

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Rohrbündel hat. Mit der vorliegenden Erfindung wird insbesondere ein Dampferzeuger mit einer Reihenanordnung von Rohrbündeln zur Verfügung gestellt, der notwendigerweise die gleiche Anzahl von Rohren in jedem Rohrbündel hat, wobei die Rohre in den in Reihe angeordneten Rohrbündeln bzw. in den reihenbezogenen Rohrbündeln relative Querabstandswerte haben, die als Verhältnis von ganzen Zahlen gewählt sind.

Weiterhin wird mit der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Dampferzeuger der vorstehenden Art in Verbindung mit einem Kernreaktor als Wärmeenergiequelle zur Verfügung gestellt.

Die vorstehenden sowie weitere ..Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand eines in den Fig. 1 bis 3 der Zeichnung im Prinzip dargestellten, besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Längsansicht eines Spiralrohrwärmeaustauschers gemäß der vorliegenden Erfindung, der als Dampferzeuger in einer Umschließungskammer eines Kernreaktors vorgesehen ist, wobei diese Ansicht teilweise eine Schnittansicht ist;

Fig. 2 eine Ansicht längs den Schnittlinien II-II in Fig, 1; und

Fig. 3 eine teilweise Ansicht eines beschränkten Teils der Ubergangsstufe, und zwar längs den Schnittlinien III-III der Fig. 2.

Unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung, und zwar insbesondere auf Fig. 1, sei die vorliegende Erfindung nunmehr anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, das einen Dampferzeuger zur Verwendung in einem Kernreaktor, vorzugsweise in einem gasgekühlten Kernreaktor,

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umfaßt. Allgemein wird eine Mehrzahl von Dampferzeugern in nerhalb des Einschließungsbehälters für einen einzigen Kernreaktor angeordnet. Ein solcher Dampferzeuger ist in Fig. 1 allgemein bei 1 ο dargestellt. Der Einschließungsbehälter für den Kernreaktor und die Mehrzahl von Dampferzeugern ist allgemein ein vorgespannter Betonreaktorbehälter, von dem ein Teil bei 12 angedeutet ist und der eine langgestreckte zylindrische Kammer 14 zum Aufnehmen des Dampferzeugers 1o begrenzt. Alternativ kann jeder Dampferzeuger in einem zylindrischen Stahl- oder Betondruckbehälter untergebracht sein.

Der Kernreaktor, mit dem der Dampferzeuger 1o verbunden ist, ist im übrigen nicht dargestellt. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist es ausreichend, wenn man weiß, daß ein primäres Strömungsmittel, beispielsweise Helium, zwischen dem Kernreaktor und dem Dampferzeuger umgewälzt wird.

Innerhalb des im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Aufbaus wird heißes, primäres Strömungsmittel von dem Reaktor durch einen axial angeordneten Kanal 16 in den Boden der Kammer 14 eingeführt. Das primäre Strömungsmittel wird durch den Dampferzeuger oder Wärmeaustauscher in einer Art und Weise umgewälzt, die weiter unten in näheren Einzelheiten beschrieben ist, und es tritt durch einen Auslaßkanal oder -durchgang 18 aus, durch den es zum Kernreaktor oder zu irgendeiner anderen geeigneten Wärmequelle zurückgeführt wird.

Es können auch andere geometrische Anordnungen zum Führen des primären Kühlmittels in den Dampferzeuger und aus letzerem hinaus verwendet werden. Beispielsweise kann das heiße primäre Kühlmittel am oberen Ende in die Rohrbündel eintreten, wobei das primäre Kühlmittel am unteren Ende austritt, sofern es sich um Dampferzeuger vom Aufwärtskochendaufbau handelt; oder das heiße primäre Kühlmittel kann am unteren Ende direkt in die Rohrbündel eintreten und am oberen Ende

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austreten, sofern es sich um Dampferzeuger vom Abwärtskochendaufbau handelt.

Es sei nun speziell auf den Dampferzeuger 1o Bezug genommen, dessen Funktion natürlich darin besteht, einen fortlaufenden Wärmeaustausch zwischen dem primären Strömungsmittel, das vom Kernreaktor her umgewälzt wird, und einem sekundären Strömungsmittel, üblicherweise Wasser, das in den Dampferzeuger eingeführt und als überhitzter Dampf entnommen wird, der beispielsweise dazu geeignet ist, eine Turbine zu betreiben (nicht dargestellt), durchzuführen. Die Kammer 14 ist mit einem zylindrischen Stahlmantel 2o ausgekleidet, der sich von dem Einlaßkanal 16 nach aufwärts erstreckt. Die Rohrbündel und die Struktur des Dampferzeugers sind in einer zylindrischen Stahlummantelung oder einem zylindrischen Stahlgehäuse 21 eingeschlossen. Im unteren Ende der Dampferzeugerummantelung 21 ist eine Öffnung 22 ausgebildet, die zur Verbindung mit dem Auslaßkanal 18 dient. Ein Einlaßkanal 24, der einen kleineren Durchmesser als die Ummantelung 21 hat, erstreckt sich vom Einlaßkanal 16 nach aufwärts, und zwar im wesentlichen über die gesamte Länge der Kammer 14. Die Ummantelung oder das Gehäuse 21 und der Einlaßkanal 24 begrenzen einen ringförmigen Bereich 26, innerhalb dessen eine Mehrzahl von Rohrbündeln angeordnet ist, die dazu dienen, den Wärmeaustausch zwischen dem primären und dem sekundären Strömungsmittel durchzuführen.

Durch einen Einlaßkanal 28 wird dem Dampferzeuger Wasser zugeführt. Das Speisewasser von dem Kanal 28 wird durch eine Rohrplatte 3o in eine Mehrzahl von Rohren 32 geleitet, die das Speisewasser zum unteren Ende des ringförmigen Bereichs 26 führen. Ein Auslaßkanal 34, der überhitzten Dampf vom Dampferzeuger aufnimmt, ist ebenfalls am oberen Ende des Behälters 12 angeordnet. Der überhitzte Dampf wird dem Auslaßkanal 34 von einer Reihe von Dampfrohren 36 durch eine Rohrplatte 38 zugeführt. Alternativ kann der Einlaßkanal

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am Boden bzw. am unteren Ende der Kammer 14 angeordnet sein.

Die Mehrzahl von dargestellten Rohrbündeln, die innerhalb des ringförmigen Bereichs 26 angeordnet sind, ist so ausgebildet, daß sich ein nach abwärts gerichteter Fluß des primären Strömungsmittels um dieselben herum ergibt. Am unteren Ende der Rohre wird Wasser eingeführt, und es wird von den oberen Enden als überhitzter Dampf abgeführt. Um allgemein gleichförmige Temperaturen in verschiedenen Teilen der unteren Rohrbündel aufrechtzuerhalten, ist bei 4o längs des unteren Teils des Einlaßkanals 24 eine Isolierung angeordnet. Durch eine Abdichtungsanordnung 42 am unteren Ende des Einlaßkanals 24 wird sichergestellt, daß primäres Hochtemperatur-Strömungsmittel von dem Einlaßkanal 16 nach aufwärts durch den Einlaßkanal 24 strömt, ohne daß es in das untere Ende des ringförmigen Bereichs 26 entweichen kann.

Eine Mehrzahl von Leitflächenplatten 44 ist am oberen Ende des Einlaßkanals 24 angeordnet, so daß dadurch primäres Strömungsmittel, das aus dem Kanal 24 austritt, in seiner Strömungsrichtung gewendet und dazu gebracht wird, nach abwärts durch den ringförmigen Bereich 26 zu strömen. Die Leitflächen 44 dienen außerdem dazu, das primäre Hochtemperatur-Strömung smittel von den Rohrplatten 3o und 38 für den Wassereinlaßkanal 28 und den Dampfauslaßkanal 34 weg abzulenken. Jedoch sind die Rohrplatten 3o und 38 trotz der Tatsache, daß die Leitflächenplatten 44 vorgesehen sind, in einem Bereich sehr hoher Temperatur des Dampferzeugers angeordnet. Demgegemäß sind sie aus speziellen Metallegierungen ausgebildet, die so ausgewählt sind, daß sie der Hochtemperaturumgebung des Dampferzeugers widerstehen und über lange Zeitdauern hinweg einen fortgesetzten Betrieb gestatten, ohne daß eine merkliche Leckage auftritt.

Wie bereits oben erwähnt, verlaufen die Rohre 32, die Speisewasser führen, vom Einlaß 28 um den Umfang der Ummantelung

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oder des Gehäuses 21 herum nach abwärts zum unteren Ende des ringförmigen Bereichs 26. Die Rohre 32 sind mittels einer Mehrzahl von Leitungen 46 am unteren Ende des ringförmigen Bereichs 26 mit einer Mehrzahl von Wärmeaustauschrohren 48 verbunden.

Die Wärmeaustauschrohre 48 verlaufen durch den ringförmigen Bereich 26 in einer spiralförmigen Konfiguration nach aufwärts, so daß sie ein erstes oder unteres Rohrbündel 5o bilden. Innerhalb des unteren Rohrbündels 5o sind die Wärmeaustauschrohre 48 in zylindrischen Schalen oder Lagen angeordnet, die allgemein bei 52 angedeutet sind. Innerhalb jeder der zylindrischen Schalen von kleinerem Radius, die dem Einlaßkanal 24 mehr benachbart sind, ist eine geringere Anzahl von Rohren enthalten, während innerhalb jeder der zylindrischen Schalen 52 größeren Durchmessers, die der Ummantelung oder dem Gehäuse 21 mehr benachbart sind, eine größere Anzahl von Rohren enthalten ist. Allgemein ist die Anzahl von Rohren pro zylindrischer Schale ungefähr proportional dem Radius der zylindrischen Schale.

Am oberen Ende des ersten Rohrbündels 5o geht jedes der Rohre 48 weiter integral durch eine Übergangszone 54 in ein zweites oder oberes Rohrbündel 56 über. Innerhalb des zweiten Rohrbündels 56 .sind die Rohre 48 ebenfalls in zylindrischen Schalen 58 angeordnet. Jedoch wird der Abstand der Rohre quer zur Achse des Dampferzeugers und die Anzahl von zylindrischen Lagen, die dadurch festgesetzt wird, gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen den beiden Rohrbündeln 5o und 56 verändert. Darüber hinaus ist der Dampferzeuger Io so ausgebildet, daß die Wärmeaustauschrohre in den beiden Rohrbündeln 5o und 56 gegensinnig gewickelt sind. Demgemäß sind benachbarte zylindrische Schalen von Rohren mit entgegengesetzten spiralförmigen Mustern oder Richtungen ausgebildet. Die Erfindung ist natürlich auch auf Anordnungen anwendbar, in denen die Wicklungs- bzw. Windungsrichtung von Rohren in

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benachbarten zylindrischen Schalen die gleiche ist.

Wie oben erwähnt, ist die Erfindung zur Anwendung in einem Dampferzeuger vorgesehen, der zwei oder mehr Rohrbündel aufweist, die in Reihe miteinander verbunden sind. Darüber hinaus ist die Erfindung nicht auf die spezielle Konfiguration von Rohrbündeln beschränkt, wie sie bei 5o und 56 dargestellt sind. Beispielsweise können die Rohrbündel, die nach der Darstellung in Reihe miteinander verbunden sind, nebeneinander längs der Länge des Wärmeaustauschers angeordnet sein, oder sie könnten sogar in gesonderten zylindrischen oder ringförmigen Bereichen angeordnet sein, von denen einer innerhalb des anderen angeordnet ist. Es ist auch möglich, die vorliegende Erfindung auf eine Reihenanordnung von Rohrbündeln anzuwenden, deren Achsen unter rechten Winkeln zueinander verlaufen, wenn das durch die Aufbauerfordernisse für den Dampferzeuger ermöglicht oder erzwungen wird.

In dem Dampferzeuger 1o bildet das untere Rohrbündel 5o längs seiner Länge Vorwärmer-, Verdampfer- und Anfangsüberhitzungsbereiche. Gemäß der konventionellen Praxis wird das Speisewasser in dem Vorwärmerabschnitt anfänglich erhitzt und innerhalb des Verdampferabschnitts in Dampf umgewandelt. Die überhitzung beginnt innerhalb des Anfangsüberhitzungsbereichs. Das obere Rohrbündel 56 umfaßt längs der Länge seiner Rohre einen ersten und zweiten Zwischenüberhitzungsbereich, auf den ein Endüberhitzungsbereich folgt.

Auf diese Weise tritt der überhitzte Dampf aus dem oberen Ende der Rohre 48 in die Dampfrohre 36 und strömt nach auswärts durch die Rohrplatte 38 in den Dampfauslaßkanal 34, von wo er einer Turbine oder einer anderen Einrichtung zugeführt wird, die mit Dampf betrieben wird.

Wie oben erwähnt, ist die Erfindung speziell auf den Aufbau und die Konfiguration aus einer Mehrzahl von Rohrbündeln,

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wie es beispielsweise das obere und untere Rohrbündel 5o und 56 sind, gerichtet. Die Erfindung ist außerdem auf solche Rohrbündel beschränkt, die eine spiralförmige Konfiguration der Rohre haben und in denen alle Wärmeaustauschrohre kontinuierlich durch jedes einer Reihe von Rohrbündeln hindurchgehen. Demgemäß enthält jedes der Rohrbündel 5o und 56 die gleiche Anzahl von Wärmeaustauschrohren 48.

Die Konfiguration der Rohre 48 benachbart der Übergangszone 54 läßt sich beispielsweise am besten aus Fig. 2 ersehen, worin der Rohrquerabstand in dem unteren Bündel der Anordnung nach Fig. 1 in der rechten Hälfte der Darstellung veranschaulicht ist, während der entsprechende Abstand für das obere Bündel auf der linken Seite gezeigt ist. Eine Mehrzahl von sich radial erstreckenden Rohrhaltern 6o und eine Mehrzahl von diese miteinander verbindenden Halteplatten 62 bilden eine Halterung für die verschiedenen Rohre 48. Die Platten 6o stützen die Rohre 48 ab, während die Halteplatten 62 die Funktion haben, das obere Rohrbündel von den Platten 6o des unteren Rohrbündels zu führen oder abzustützen. Die Rohrhalter 6o und die Halteplatten 62 sind so angeordnet bzw. ausgebildet, daß sie die Strömung des primären Strömungsmittels, das um die Rohre 48 verläuft/ nur minimal stören. Zusätzlich bildet die Übergangszone 54 außerdem eine Ausdehnungsverbindung, so daß sie eine Wärmeausdehnung der Rohre 48 aufnimmt. Die Halteplatten 62 sind so ausgebildet, daß sie sich ein wenig biegen können, um Unterschiede, die in der Wärmeausdehnung zwischen dem oberen und unteren Rohrbündel auftreten, aufzunehmen, während die Rohre 48 in der Ubergangszone mit Biegungen versehen sind, so daß sie in ähnlicher Weise eine unterschiedliche Ausdehnung ermöglichen. Obwohl die Halteplatten 6o in spezieller Weise dargestellt sind, können auch andere Formen von Rohrhaltern verwendet werden, wie beispielsweise "Leiter"-Halter.

Durch die vorliegende Erfindung ergibt sich in dem Bündel,

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das den größeren Querabstand der Rohre aufweist, mehr Raum zwischen den Rohrzylindern für die Rohrhalteeinrichtung oder für Rohrabnutzungs-Schutzeinrichtungen. Das kann ein wichtiger Faktor in Hochtemperatur-Uberhitzern sein, in denen die zulässigen Beanspruchungen in den Haltestrukturen niedrig sind.

Die wichtige Abstandseinstufung gemäß der Erfindung besteht darin, daß derjenige Abstand gemeint ist, der quer zur primären Kühlmittelströmung verläuft, so daß dieser Abstand demgemäß durch den Abstand zwischen den Mittellinien der Rohre in benachbarten zylindrischen Schalen definiert ist. Auf diese Weise ist das Verhältnis des Querabstands für benachbarte Rohrbündel umgekehrt proportional der Anzahl von zylindrischen Schalen in den jeweiligen Rohrbündeln. So ist beispielsweise, wie man aus Fig. 1 ersieht, der Querabstand der Rohre in dem oberen Rohrbündel gleich dem Zweifachen des Querabstands der Rohre in dem unteren Rohrbündel. Es sei darauf hingewiesen, daß das untere Rohrbündel 28 Rohrzylinder oder zylindrische Schalen besitzt, während das obere Rohrbündel vierzehn Rohrzylinder oder zylindrische Schalen aufweist.

Bei einem Abstand quer zur Richtung der primären Kühlmittelströmung, wie er oben zusammengefaßt definiert worden ist, kann der Abstand zwischen den Rohren jedes Rohrbündels parallel zur Richtung der primären Kühlmittelströmung auch so gewählt werden, daß verschiedene Aufbauerfordernisse erfüllt werden.

Die Steigungswinkel können unabhängig von den meisten anderen Überlegungen gewählt werden, und zwar nahezu nur auf der Basis der Überlegung, daß die Einheit um so kürzer wird, je kleiner die Steigungswinkel sind, solange die Festigkeitserfordernisse erfüllt werden. Der Steigungswinkel allein definiert nicht den Längsabstand. Die Beziehung zwischen dem

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Steigungswinkel und dem Längsabstand wird für einen gegebenen Rohrzylinder durch die Gleichung 2ST r tan d=np erfüllt, worin d der Steigungswinkel, r der Zylinderradius, ρ der Längsabstand und η die Anzahl von Rohren in dem in Frage stehenden Zylinder bedeuten.

Während der Wärmefluß primär durch den "Quer"-Abstand bestimmt ist, wird durch den Längsabstand notwendigerweise die Höhe jedes Rohrzylinders 52 und 58 bestimmt. Der Steigungswinkel muß im oberen Rohrbündel relativ zum unteren Rohrbündel wesentlich erhöht sein, damit die größere Anzahl von Rohren in jedem Rohrzylinder des oberen Rohrbündels relativ zu dem unteren Rohrbündel aufgenommen werden kann.

Der gewünschte Abstand bildet eine primäre Beschränkung für die Herstellung einer kompakten Konfiguration in dem Wärmeaustauscher der Fig. 1, und zwar wegen des Aufbauerfordernisses, daß der Wärmeaustauscher 1o und demgemäß die beiden Rohrbündel 5o und 56 einen konstanten bzw. gleichbleibenden Durchmesser haben sollen. Wenn jedoch die Rohrbündel 5o und 56 unterschiedliche Durchmesser haben können, braucht der Querabstand für die Rohre in den jeweiligen Rohrbündeln nicht die oben beschriebene Beziehung zu erfüllen. Ein Dampferzeuger, der Rohrbündel von unterschiedlichen Durchmessern hat, kann natürlich auch nach der vorliegenden Erfindung ausgebildet sein. Die Erfindung bezieht sich auch auf Dampferzeuger mit oder ohne Wiedererhitzerabschnitte.

Auch ist gemäß der vorliegenden Erfindung der relative "Quer"-Abstand für die Rohre in den beiden Rohrbündeln nicht auf das spezielle Verhältnis, das oben angegeben wurde, beschränkt. In Abhängigkeit von den vorgesehenen Betriebscharakteristika des Wärmeaustauschers kann das Verhältnis des "Quer"-Abstands für irgendwelche von zwei Reihe von miteinander verbundenen Rohrbündeln einen Minimalwert haben, beispielswei-

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se von etwa 4:3, und eine maximale Variation oder ein maximales Verhältnis von etwa 5:1. Der Abstand kann entweder im ersten oder zweiten Rohrbündel größer sein. Demgemäß kann das maximale Abstandsverhältnis 5 : 1 oder 1 : 5 sein, und das minimale Abstandsverhältnis kann 4 : 3 oder 3 : 4 betragen.

Durch die vorliegende Erfindung wird verhindert, daß die Wärmeübertragungs- und Druckabfallcharakteristika für jedes Rohrbündel, die sehr stark von dem Querabstand der Rohrleitungen abhängen, durch den Rohrquerabstand in einem anderen Rohrbündel zwangsweise bestimmt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es daher möglich, beispielsweise einen überhitzer mit niedrigem Wärmefluß, der relativ kühle Rohre hat, in einem Wärmeerzeuger mit einem konstanten bzw. gleichbleibenden Durchmesser zu verwenden, in dem hohe Wärmeflüsse in den Vorwärmer- und/oder Verdampferbündeln oder -bereichen angewandt werden. Das ist in dem Dampferzeuger 1o, der in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, tatsächlich der Fall,

Demgemäß wird, wie die vorstehende Beschreibung zeigt, mit der Erfindung ein Hochtemperatur-Dampferzeuger vorgeschlagen, der zwei oder mehr spiralförmig gewickelte Rohrbündel aufweist, wobei der "Quer"-Abstand der Rohre in den Rohrbündeln gleich einem Verhältnis von zwei ganzen Zahlen ist und jedes Rohr in einem Rohrbündel notwendigerweise ununterbrochen in das andere Rohrbündel oder die anderen Rohrbündel übergeht. Es sind auch andere Variationen und Abwandlungen zusätzlich zu den oben beschriebenen und vorgeschlagenen Variationen und Abwandlungen ohne weiteres möglich, insbesondere in Verbindung mit der vorstehenden Beschreibung. Die Erfindung ist infolgedessen im Rahmen des Gegenstandes der Erfindung, wie er in den Ansprüchen zum Ausdruck kommt, sowie im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens in vielfältiger Weise mit Erfolg abwandelbar.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Whc km\n>i, Dh^.-Phys. Pr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

dr.ing.h.liska 2935889

SOOO MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

SPBR

Case: 36673

GENERAL ATOMIC COMPANY 10955 John Jay Hopkins Drive San Diego, Calif. / V.St.A.

Dampferzeuger

Patentansprüche

I1/ Dampfgenerator mit einem Gehäuse, einer Einrichtung zum Umwälzen eines primären Strömungsmittels durch das Gehäuse, einer Mehrzahl von spiralförmigen Rohrbündeln, die längs eines Strömungswegs des primären Strömungsmittels innerhalb des Gehäuses angeordnet sind, wobei die spiralförmig gewikkelten Rohrbündel in Reihe miteinander und mit einer Einlaß- und Auslaßeinrichtung zum Umwälzen eines sekundären Strömungsmittels durch die Rohre verbunden sind, dadurch gekennzeichnet , daß jedes der Rohrbündel (5o, 56) innerhalb des Gehäuses (21) so angeordnet ist, daß das primäre Strömungsmittel allgemein parallel zur Achse jedes Rohrbündels (5o, 56) strömt, wobei die beiden Rohrbündel (5o, 56)

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die gleiche Anzahl von Wärmeaustauschrohren (48) haben, während die Abstandswerte für die Rohre (48) in den jeweiligen Rohrbündeln (5o, 56) quer zum Weg der Strömung des primären Kühlmittels als Verhältnis von zwei ganzen Zahlen gewählt sind, so daß der Aufbau und der leistungsfähige Betrieb der jeweiligen Rohrbündel (5o, 56) in dem Dampferzeuger (1o) erleichtert wird.
2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Dampferzeuger (1o) mit einem Kernreaktor verbunden ist, wobei das Gehäuse (21) eine Einlaß- und Auslaßeinrichtung (16, 18) zum Umwälzen von Kühlmittel durch den Reaktor hat.
3. Dampferzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Rohre (48) in jedem Rohrbündel (5o, 56) in Sätzen von zylindrischen Schalen (52, 58) angeordnet sind, wobei jede zylindrische Schale (52, 58) eine Anzahl von Rohren (48) umfaßt, die allgemein proportional dem relativen Durchmesser der jeweiligen zylindrischen Schale (52, 58) ist.
4. Dampferzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Rohre (48) in benachbarten zylindrischen Schaleil (52, 58) jedes Rohrbündels (5o, 56) unter entgegengesetzten Steigungswinkeln angeordnet sind, so daß eine Gegenwicklungskonfiguration bzw. eine gegensinnige Wicklungskonfiguration innerhalb jedes der Rohrbündel (5o, 56) ausgebildet ist.
5. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Dampferzeugergehäuse (21) zylindrisch ist; daß die beiden Rohrbündel (5o) 56) in Reihe miteinander und koaxial zum Dampferzeugergehäuse (21) angeordnet sind; daß die beiden Rohrbündel (5o, 56) eine zylindrische Öffnung längs der Achse des Dampferzeugergehäuses

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(21) bilden und ein zylindrischer Kanal bzw. ein zylindrisches Rohr (24) längs der zylindrischen Öffnung angeordnet ist; wobei das primäre Kühlmittel zwischen dem zylindrischen Gehäuse (21) und dem mittig angeordneten Rohr (24) strömt, so daß es einen innigen Wärmeaustauschkontakt mit den Rohren (48) in den beiden Rohrbündeln (5o, 56) hat.
6. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Rohrbündel (5o, 56) längs einer gemeinsamen Achse angeordnet sind? daß das Rohrbündel (56), das einen größeren Abstand quer zum Weg der Strömung des primären Kühlmittels hat, auch entsprechend weniger Zylinder (58) aus Rohren (48) hat, so daß die beiden Rohrbündel (5o, 56) allgemein gleiche Außendurchmesser haben und dadurch ein kompakter Aufbau des Dampferzeugers (1o) erleichtert wird.
7. Dampferzeuger, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, für einen Kernreaktor, gekennzeichnet durch

ein langgestrecktes zylindrisches Gehäuse (21); einen zylindrischen Kanal bzw. ein zylindrisches Rohr (24), der bzw. das längs der Achse des Gehäuses (21) angeordnet ist, so daß ein ringförmiger Bereich zwischen dem Rohr (24) und dem Gehäuse (21) gebildet wird;

wobei das Gehäuse (21) eine Einlaß- und Auslaßeinrichtung (16, 18) aufweist, die so angeordnet sind, daß eine Strömung des primären Wärmeaustauschströmungsmittels zwischen dem Gehäuse (21) und dem Kernreaktor stattfinden kann und das primäre Strömungsmittel durch den ringförmigen Bereich zwischen dem mittigen Rohr (24) und dem Gehäuse (21) strömt; ein erstes und zweites* spiralförmig gewickeltes Rohrbündel (5o, 56), die in dem ringförmigen Raum zwischen dem mittigen Rohr (24) und dem Gehäuse (21) angeordnet sind, wobei das erste und zweite Rohrbündel (5o, 56) eine gemeinsame Anzahl von Wärmeaustauschrohren (48) haben, die miteinander in Reihe

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mit einer Einlaß- und Auslaßeinrichtung (28, 34) verbunden sind, so daß sekundäres Strömungsmittel durch die Rohre (48) in den beiden Rohrbündeln (5o, 56) strömt/ wobei außerdem die Rohre (48) in jedem der Rohrbündel (5o, 56) mit einem gleichförmigen Abstand quer zur Richtung der Strömung des primären Kühlmittels versehen sind bzw. einen solchen gleichförmigen Abstand voneinander haben, wobei weiter der Abstandswert für die jeweiligen Rohre (48) in den beiden Rohrbündeln (5o, 56) im wesentlichen als Verhältnis von zwei ganzen Zahlen gewählt ist, so daß der Aufbau erleichtert und ein leistungsfähiger Betrieb der beiden Rohrbündel (5o, 56) und des Dampferzeugers (1o) ermöglicht wird.
8. Dampferzeuger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Rohrbündel (56), das einen größeren Abstand quer zum Weg der Strömung des primären Kühlmittels hat bzw. in dem die Rohre einen größeren Abstand quer zum Weg der Strömung des primären Kühlmittels haben, auch entsprechend weniger Zylinder (58) aus Rohren (48) hat, so daß die beiden Rohrbündel (5o, 56) allgemein gleiche Außendurchmesser besitzen, um eine kompakte Konfiguration des Dampferzeugergehäuses (21) zu ermöglichen.
9. Dampferzeuger nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Rohre (48) in jedem Rohrbündel (5o, 56) in Sätzen von zylindrischen Schalen (52, 58) angeordnet sind, wobei jede zylindrische Schale (52, 58) in jedem Rohrbündel (5o, 56) eine Anzahl von Rohren (48) umfaßt, die allgemein umgekehrt proportional dem relativen Durchmesser der jeweiligen zylindrischen Schale (52, 58) ist.
10. Dampferzeuger nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Rohre (48) in benachbarten zylindrischen Schalen (52, 58) jedes Rohrbündels (5o, 56) unter entgegengesetzten Steigungswinkeln angeordnet sind, so daß eine gegensinnig gewickelte Konfiguration innerhalb je-

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CRiGiNAL INSPECTED

des Rohrbündels (5o, 56) ausgebildet ist.
11. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 7 bis 1ο, dadurch gekennzeichnet , daß entweder die Einlaß- oder die Auslaßeinrichtung (16, 18) für das primäre Kühlmittel in Verbindung mit einem Ende des mittigen Kanals bzw. Rohrs (24) angeordnet ist, während die andere dieser beiden Einrichtungen (16, 18) von einem Umfangsteil des Gehäuses (21) in der Nähe des einen Endes bzw. des gleichen Endes des mittigen Kanals bzw. Rohrs (24) ausgebildet ist, wobei Wendeleitflächen (44) in der Nähe des entgegengesetzten Endes des mittigen Kanals bzw. Rohrs (24) angeordnet sind, so daß die Strömung des primären Kuhlstromungsmittels durch die beiden Rohrbündel (5o, 56) und den mittigen Kanal (24) gefördert bzw. geleitet wird.

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