DE3030436A1

DE3030436A1 - Kraftwerkkessel

Info

Publication number: DE3030436A1
Application number: DE19803030436
Authority: DE
Inventors: John William Edmund Maidenhead Berkshire Campbell
Original assignee: Babcock Power Ltd
Current assignee: Altrad Babcock Ltd
Priority date: 1979-08-16
Filing date: 1980-08-12
Publication date: 1981-03-26
Also published as: FR2463358A1; FR2463358B1; US4387577A; NL8004639A

Description

BLUMBACK - VVEScR · BERGEN · KRAMER ZWIRNER - HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN ^ U O U 4 J

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsull

BABCOCK POWER LTD.
GB-London SE1 1LB

Kraftwerkkessel

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraftwerkicessei für geschlossenen Kreislauf für Speisewasser und Entspannungswasser.

Es ist manchesmal wünschenswert, daß Kraftwerkice ε sei mit geschlossenem Kreislauf für einen zwangsläufigen Umlauf der Arbeitsflüssigkeit durch die dampferzeugenden Rohre mit einem Dampf und Wasser trennenden Gefäß oder Trommel ausgerüstet sind und ein kontinuierlicher Abzug bei normaler Last*

oder des gesamten abgetrennten Wassers aus der Trommel vorgesehen ist, um dieses durch eine Entmineralisierungseinrichtung zu leiten und Partikel und gelöste feste Bestandteile daraus zu entfernen. Es ist bekannt, ein Großteil der Wärme dieses Entspannungswassers wieder zu gewinnen, wenn dieses Entspannungswasser durch einen Wärmetauscher geleitet wird, der durch Kessel-Speisewasser gekühlt wird, *eines Teils

München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Pliys. Dr, rur. nat. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Prof. Dr. jur.Dipl.-lng, Pat.-Ass, Pat.-Anw. bis 1979 · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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welches von dem Kondensor zu dem Speisewasservorwärmer geleitet wird.

Die Erfindung geht von der Beobachtung aus, daß die beschriebene Art der Wiedergewinnung von Wärme aus dem Entspannungswasser eine Verschwendung von Wärme ohne den Gewinn einer entsprechenden Erhaltung von latenter Wärme in dem Gesamtzyklus beinhaltet, wie dies bei Speisewassererhitzung durch Ausbeutung der Kondensation von teilweise entspanntem Dampf erzielt wird, wie dieser für diesen Zweck von einer oder mehreren Stufen des primären Motors, d.h., den Turbinen, abgezweigt wird.

Aufgabe der
Die/Erfindung wird aufgrund der Maßnahmen des Anspruchs 1

gelöst.

Obzwar in vielen Kraftwerken die Zwischenerhitzer von dem Wärmeträger erhitzt werden, der in dem Kessel die notwendige Wasseraufheizungj Dampferzeugung und Dampfüberhitzung be~ wirkt, kann es in anderen Kraftwerken und insbesondere in Reaktorkraftwerken notwendig oder aus verschiedenen Gründen wünschenswert sein, andere Wärmeträger für Zwischenerhitzungszwecke vorzusehen. Beispielsweise kann ein Teil des Wärmeträgers für einen Zwischenerhitzer von einem Dampfstrom abgezweigt sein, der von der Dampfhauptleitung stammt, also den überhitzten Dampf enthält und in eine Rohrbank des

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Zwischenerhitzers eintritt, während ein anderer Teil des Wärmeträgers für diesen Zwischenerhitzer ein Dampfstrom sein kann, der von dem primären Motor in einer frühen Stufe abgezweigt wird, die vor der Stufe liegt, dessen Dampf zu erhitzen ist. Der hochwertige Dampf wird also zu Heizungszwecken verwendet, wobei er sich abkühlt und Kondensat abgibt. Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine derartige Zwischenerhitzung durch Dampfströme wenigstens teilweise oder gänzlich zu ersetzen. Wie durch die Erfindung angegeben, kann der Dampf in dem Zwischenerhitzer durch Entspannungswasser erhitzt werden und dadurch teilweise oder gänzlich die Verwendung von lebendem Dampf ersetzen. Es bleibt dann mehr Dampf für die eigentliche Funktion des Antriebs des primären Motors.

Das den Zwischenerhitzer verlassende Entspannungswasser enthält im allgemeinen noch genügend Wärme, daß es durch das Speisewasser weiter gekühlt werden kann.

Das Entspannungswasser wird in dem Zwischenerhitzer gekühlt, jedoch sollte der Ausfall an gelösten Bestandteilen geringer als in den Dampfbildungszonen des Kessels sein und wird sicherlich pro Flächeneinheit geringer sein als im Falle wenn ein Speisewassererhitzer zur Kühlung von Entspannungswasser dienen würde, welches direkt von der Dampf-Wasser-Abtrennungstrommel kommt. Die Entmineralisierung des Entspannungswassers vor der Eingabe in das Speisewasser ist somit vor-

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teilhaft.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, und zwar sind in der Zeichnung skizzenmäßig die hauptsächlichsten Bauteile eines Kernkraftwerkes dargestellt.

Ein Wärmekraftwerk-Kessel 1 mit erzwungenem Durchlauf dient zum Antrieb eines Hauptmotors 2, der wiederum einen elektrischen Generator 3 antreibt. Der Kessel 1 bezieht seine Wärmeenergie von einer primären Heizquelle 4, die in dem Ausführungsbeispiel einen schnellen Kernreaktor 5, einen Primär-Kühlkreislauf 6 für flüssiges Natrium, eine Pumpe zum Antrieb der Kühlflüssigkeit durch den Kern 8 des Reak~ tors und einen Wärmetauscher 9 mit indirektem Kontakt sowie einen Sekundär-Kühlkreislauf 10, ebenfalls für flüssiges Natrium aufweist. Eine Pumpe 11 treibt das flüssige Natrium des Sekundär-Kühlkreises 10 durch den Wärmetauscher 9» wo die Wärmeenergie aufgenommen wird, und dann durch Wärmetauscher 12 und 13 mit indirektem Kontakt, die zur Aufheizung von Wasser und Erzeugung sowie Überhitzung von Dampf in dem Kessel 1 aufgrund der abgegebenen Wärmeenergie des sekundären Kühlkreises dienen.

Der Wärmetauscher 12 ist als Druckgefäß mit einem Durchflußweg im Inneren für das flüssige Natrium des sekundären

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Kühlkreises konstruiert und die Wärmetauscher-Oberfläche, die in der Zeichnung schematisch angedeutet ist, liegt in der Form von Rohrbündel vor, die als Uberhitzungsrohre des Kessels dienen. Auch der Wärmetauscher 13 ist als Druckgefäß mit einem Durchströmungsweg im Inneren konstruiert, wobei die in üblicher Weise dargestellten Wärmetauscherflächen in Form von Rohrbündeln vorliegen, die zur Aufheizung des Wassers und Erzeugung von Dampf in dem Kessel 1 dienen.'

Der primäre Motor weist eine Hochdruck-Dampfturbine 14, eine Mitteldruck-Dampfturbine 15 und zwei zu einem Paar zusammengefügte Niederdruck-Dampfturbinen 16 auf. Eine Dampfhauptleitung 21 dient zur Zuführung von überhitztem Dampf des Wärmetauschers 12 zu dem Einlaßende der Hochdruck-Dampfturbine 14, welche den Dampf nach einer gewissen Entspannung in die Dampfleitung 22 entläßt, welche den Dampf dem Einlaß der Mitteldruckturbine 15 zuführt. Am Auslaß der Turbine 15 führt eine Dampfleitung 23 den Dampf zu einem Zwischenerhitzer 24 und eine Dampfleitung 25 den zwischen^erhitzten Dampf zum Einlaß der Niederdruckturbinen 16. Der Dampf entspannt sich fortschreitend beim Antrieb der Turbinen und nach Verlassen der Turbinen 16 ist er auf einem sehr niedrigen Druck, wonach er in einem Kondensor 26 verflüssigt wird. Das erhaltene Kondensat wird über Zwischenstationen dem Wärmetauscher 13 zugeführt und hierzu dient eine Wasserleitung 27, eine darin angeordnete Speisev.-asser-

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pumpe 28, ein geschlossener Speisewassererhitzer 29, ein Entlüftungs-Speisewassererhitzer 30, eine Kesselspeisewasserpumpe 31, ein geschlossener Speisewassererhitzer 32 und ein weiterer geschlossener Speisewassererhitzer 33. Ein Teil des Speisewassers wird an den Erhitzern 32,33 vorbeigeführt und wird stattdessen in einem Wasserentspannungskühler 34 erhitzt. Der Nebenweg weist eine Zuführleitung 35 und eine Abfuhrleitung 36 des Kühlers 34 auf. Die Speisewassererhitzer 29,30,32 und 33 sind regenerativer Art, d.h., der Erhitzer 33 wird mit Dampf gespeist, der von der Mitteldruckturbine 15 abgezapft ist (angedeutete Leitung mit einfachem, weißem Keilkopf), der Erhitzer 32 wird mit Dampf gespeist, der von einer unteren Stufe der Mitteldruckturbine 15 abgezweigt ist (angedeutet durch den Doppelpfeil), der Erhitzer 30 wird mit Dampf der Leitung 32 gespeist (wie durch Dreikopfpfeile angedeutet) und der Erhitzer 29 wird

mit Dampf gespeist, der an unteren Stufen der Miederdruckturbinen 16 abgezweigt wird. Es sind ferner nicht dargestellte Kondensatleitungen vom Erhitzer 33 zum Erhitzer 32 sowie von diesem zum Erhitzer 30 und von diesem wiederum zum Erhi-tzer 29 und in den Kondenser 26 vorgesehen.

Der Kessel weist eine Trommel 41 zur Trennung von Dampf und Wasser auf und' ist am Auslaß des dampferzeugenden Rohrbündels des Wärmetauschers 13 angeordnet. Eine Dampfleitung 42 führt den Dampf den Überhitzerrohrbündel des Wärmetauschers

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ORIGINAL INSPECTED

12 zu, während sich das in der Trommel 41 angesammelte Wasser über eine Wasserentspannungsleitung 43 kontinuierlich abgeführt wird. Es ist ferner eine Umwälzpumpe 44 vorgesehen, um ggf. Wasser aus der Trommel 41 abzusailen und in die Speisewasserleitung 27 vor Erreichen der Rohrbündel des Wärmetauschers 13 einzubringen.

Der Zwischenerhitzer 24 kann als längliches Druckgefäß ausgebildet sein, welches dem zu erhitzenden Dampf einen Strömungsweg von einem zum anderen Ende des Gefässes ermöglicht. In diesem Strömungsweg ist erstens ein Wasser- oder Feuchtigkeitsseparator 45 zur Entfernung von Wassertropfen aus dem feuchtem Dampf vorgesehen, und zwar über ein Abzuganschluß 46 für das abgeschiedene Wasser, dann eine Rohrbank 47 zur Aufnahme von Dampf, welche die erste Turbine 14 bei 22 verlassen hat und über eine Leitung 48 zugeführt sowie über eine Leitung 49 als Kondensat abgeführt wird. In der Leitung 49 ist ein Steuerventil 50 vorgesehen, um das Kondensat dem Speisewassererhitzer 33 zuzuführen. Der zwischenzu_verhitzende Dampf fließt dann über eine zweite Rohrbank 51t die von dem in der Entspannungsleitung 43 fließenden Wasser durchflossen wird. Es kann auch eine dritte Rohrbank 52 innerhalb des Zwischenerhitzers vorgesehen sein, um weitere Wärme an den zwischen^zu^erhitzenden Dampf abzugeben, und zwar kann diese Rohrbank 52 über eine Leitung 53 unmittelbar von der Dampfhauptleitung 21 gespeist sein» Die abgezweigte Dampfmenge wird über ein Steuerventil 54 ge-

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steuert, das in einer Abfuhrleitung 55 angeordnet ist und den zugeführten Dampf als Kondensat von der Rohrbank 52 ableitet und dem Speisewassererhitzer 33 zuführt.

Nachdem das sich entspannende Wasser die Rohrbank 51 in dem Zwischenerhitzer 24 durchquert hat, gelangt es zu einer Strömungssteuereinrichtung 61, die aus einem Steuerventil und einem dieses steuernde Durchflußmesser besteht, dann durch eine Druckreduziereinrichtung 62 und tritt in den be-

reits erwälinteii Kühler 34 des sich entspannenden Wassers. Der Kühler 34 wird vorzugsweise, wie bereits angedeutet, im Gegenstromprinzip von beiden Strömungen durchflossen. Der Strom des durchden Kühler 34 geförderten Speisewassers zur Kühlung de$ sich entspannenden Wassers im Bypaß der Speisewassererhitzer 32,33 steht unter der Steuerung eines Ventils 63 in der Speisewassereinlaßleitung 35 und wird

i
sowohl durch die Temperatur des in den Kühler 34 eintretenden Entspannun

gswassers als auch von der Temperatur des

Speisewassers in der Rückflußleitung 36 in der Weise gesteuert, daß diese Temperatur mit vorbestimmter Teinperaturdifferenz unter der ersteren Temperatur gehalten wird.

Das von dem Kühler 34 kommende unqsich entspannende Wasser gelangt durch eine zweite Druckreduziereinrichtung 64 und eine Entspannungsschleife 65 mit einem zweiten Wasserentspannungskühl er 66., einer dritten Druckreclusiereinrichtung

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67 und einer Demineralisiereinrichtung 68 bekainter Art in den Entlüftungsspeisewassererhitzer 30, in welchem es sich mit dem Speisewasserstrom der Leitung 27 vereinigt. In der Demineralisiereinrichtung 68 werden Partikel und feste aufgelöste Stoffe aus dem Wasser entfernt. Die Kühlflüssigkeit des zweiten Wasserentspannungskühlers 66 wird hinsichtlich ihrer Durchflußmenge durch ein Steuerventil gesteuert, welches seinerseits durch die Temperatur des Entspannungswassers aus dem Kühler 66 in solcher Weise beinflußt wird, daß diese Temperatur auf konstantem Wert gehalten wird, wie diese für eine gute Entmineralisierung benötigt wird.

Am Beginn derWasserentspannungsschleife 65 ist ein Wärmetauscher 70 angeordnet, um Wärme des in die Schleife eintretenden Entspannungswassers an das die Schleife verlassende Entspannungswasser abzugeben. Das in dem Wärmetauscher 70 gekühlte Wasser gelangt in nachfolgenden Schritten durch den zweiten Wasserentspannungskühler 66, die dritte Durckreduziereinrichtung 67 und die Entraineralisiereinrichtung 68, bevor es in den Wärmetauscher 70 eintritt, um dort erneut aufgeheizt zu v/erden.

Im Betrieb des Kraftwerks liefert die Kesselspeisepumpe 31 Speisewasser mit geeignetem Druck und geeigneter Menge in den Kessel 1, wobei sich ein geeigneter Wasserstand in der Trommel 41 einstellt und der Kessel seine Funktion bei der

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Umwandlung von in dem Reaktorkern gelieferter Wärme ausführt« Bei Normallast und in einem oberen Lastbereich wird die Umwälzpumpe 44 nicht betätigt und das sich in der Trommel 41 abscheidende Wasser (stammend aus dem Auslaß der Rohrbündel des Wärmetauschers 13) wird über die Leitung 43 aus der Trommel 41 abgeführt. Der Strom an Entspannungswasser kann typischerweise in der Größenordnung von 10 % des von der Speisepumpe 31 gelieferten Wasserstromes bei normaler Last des Kessels sein.

Wie bereits beschrieben, fließt das Entspannungswasser durch die Rohre der Rohrbank 51 und gibt Wärme an den Dampf ab, der sich bereits teilweise in den Hochdruck- und Mitteldruckturbinen 14,15 entspannt und abgekühlt hat, wonach dieser Dampf des Zwischenerhitzers 24 in den Niederdruckturbinen 16 endgültig entspannt und gekühlt wird. Die Wärme, welche das Entspannungswasser so verliert, indem es an zwischen— zu^erhitzenden Dampf vorbeigeführt wird, ist weniger herabgesetzt als in dem Fall, wenn es in zu erhitzendes Speisewasser geleitet werden würde.

Im Hinblick auf die Zwischenerhitzungsleistung der Rohrbank 51 wird die benötigte Größe der dritten Rohrbank 52 (welche mit. dem lebenden Dampf verbunden ist) reduziert, d.h., wenn diese dritte Rohrbank 52 überhaupt vorgesehen ist, dann kann sie für eine kleinere Leistung ausgelegt sein. Der Ver-

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lust an Wirkungsgrad infolge der Verwendung von lebendem Dampf (Dampf der höchsten Spannungsstufe) zum Zwecke der Dampfzwischenerhitzung und nicht zum Antrieb des primären Motors kann deshalb verringert oder ganz vermieden v/erden.

Da die Steuereinrichtung 61 in dem Wasserentspannungsstrom hinter dem Zwischenüberhitzer 24 angeordnet ist, tastet das Stromabtastelement der Einrichtung 61 Wasser ab, welches unterhalb der Sättigungstemperatur liegt, so daß die Strommessung wesentlich genauer ist, als wenn das Wasser noch Dampfblasen führen würde.

Das Entspannungswasser wird dann weiter in dem Kühler 34 runter gekühlt und heizt durch indirekten Kontakt das Speisewasser in dem Nebenschlußweg zu den regenerativen Speisewassererhitzer 32 und 33 auf. Der Vorteil der Rückkühlung des Entspannungswassers in dem Kühler 34 liegt auch darin, daß die Wärmetauscheroberflächen auf beiden Seiten von Was~ ser in flüssiger Form umspült werden, es sich also nicht um einen regenerativen Speisewassererhitzer handelt, ferner findet keine Vermischung des Entspannungswassers mit Anzapfdampf-Kondensat statt, bevor es in die Entmineralisiereinrichtung 68 eintritt. Wenn demgegenüber das Entspannungswasser zur Kühlung in den regenerativen Speisewassererhitzer 33 geleitet v/erden würde, bevor es durch die Entmineralisiereinrichtung verarbeitet v/erden würde, würden die Wärme-

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taus eher ob erf lachen ineffektiv arbeiten, weil das Entspannungswasser im Erhitzer starke Dampfblasen abgeben würde und weil ferner das Kondensat des Abzweigdampfes zu der Menge des Entspannungswassers hinzutreten würde, um in der Einrichtung 68 verarbeitet zu werden. Die Druckreduziereinrichtungen 62,64,67 in dem Strömungsweg des Entspannungswassers vermindern progressiv den Druck des Entspannungswassers und ermöglichen die Auslegung der Rohre und Gefässe für das Entspannungswasser an die entsprechend herabgesetzten Drücke anzupassen.

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Claims

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Patentansprüche

1,) Kraftwerkkessel für geschlossenen Kreislauf mit Speisewas-■>—'

serzufuhr und Jüntspannungswasser,

dadurch gekennzeichnet, daß das Entspannungsv;asser so geführt (51) ist, daß es Wärme an teilweise expandierten Dampf abgibt, der durch einen DampfZwischenerhitzer (24) strömt, welcher zwischen zwei Stufen (14,15) des primären Motors (2) angeordnet ist.
2. Kessel nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenerhitzer (24) für einen Dampfstrom ausgelegt ist, der über eine Rohrbank (47) zu erhitzen ist, welche mit einem Dampfstrom höherer Temperatur als der zu erhitzende Strom durchflossen wird und von einer Stufe (14) des primären Motors (2) abgezweigt ist, daß die Rohrbank (47) in einen regenerativen Speisewassererhitzer (33) des Kessels (1) einmündet, und daß der in dem Zwischenüberhitzer aufzuheizende Dampf dann übereine Rohr-

MUndion: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Oipl.-Ptiys. Dr. rer. nal. · L. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Prof. Dr. jur. Dipl.-Ing., F'ai.-Ai:,., Pal.-Ariw.bis 1979 · G. Zwirnor Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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bank (51) gelangt, durch welche das Entspannungswasser fließt.
3. Kessel nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromregler (61) des EntspaH-nungswassers ein Steuerventil und einen Strommesser aufweist, der in dem Entspannungswasserweg nachfolgend der Rohrbank in dem Zwischenerhitzer (24) angeordnet ist, durch welchen das Entspannungswasser fließt.
4. Kessel nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckreduziereinrichtung (62) in dem Entspannungswasser-weg nachfolgend dem Stromregler (61) angeordnet ist.
5. Kessel nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß das Entspannungswasser, nachdem es Wärme an teilweise entspannten Dampf in dem Zwischenerhitzer (24) abgegeben hat, durch einen Entspannungswasserkühler (34) geleitet wird, der durch Kesselspeisev/asser gekühlt wird.
6. Kessel nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß das Kesselspeisewasser zur Kühlung des Entspannungswasserkühlers (34) in einem Nebenschlußweg zu regenerativen Speisewassererhitzungseinrichtun-

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gen (32,33) fließt.
7. Kessel nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß der Speisewasserstrom in dem. Nebenschlußweg von einem Steuerventil (63) steuerbar ist, welches sowohl von der Temperatur des in den Entspannungswasserkühler (34) eintretenden Entspannungswassers als auch von der Temperatur des den Entspannungswasserkühler verlassenden Speisewassers gesteuert wird.
8. Kessel nach einem der Ansprüche 5 bis 7*

dadurch gekennzeichnet, daß der Entspannungswasserkühler im Sinne des Gegenstromprinzips für die beiden durchtretenden Ströme ausgebildet ist.
9. Kessel nach einem der Ansprüche 5 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckreduziereinrichtung (64) in dem Entspannungswasserweg unmittelbar nachfolgend dem Entspannungswasserkühler( 34) angeordnet ist.
10. Kessel nach einem der Ansprüche 5 bis 9,

. dadurch gekennzeichnet, daß das Entspannungswasser nach Kühlung in dem Entspannungswasserkühler (34) durch eine Entspannungswassorschleife (65) fließt, die einen weiteren Entspannungswasserkühler (66) und eine Entmineralisierungseinrichtung (68) aufweist, die zur Entfernung von Partikel und gelösten Feststoffen aus dem Wasser dient, daß am Ein-

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tritt der Schleife (65) ein Wärmetauscher (70) angeordnet ist, um Wärme des in die Schleife eintretenden Entspannungswassers an das die Schleife verlassende Entspannungswasser zu übertragen. <
11. Kessel nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckreduziereinrichtung (67) in der Entspannungswasserschleife (65) nachfolgend dem weiteren Entspannungswasserkühler (66) angeordnet ist.
12. Kessel nach Anspruch 10 oder 11,

dadurch gekennzeichnet, daß das Entspannungswasser nach Passieren der Entspannungswasserschleife (65) in den Strom des Speisewassers des Kessels an einem Speisewassererhitzer (2>0) vor der Speisewasserpumpe (31) einmündet.

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