DE4120800A1 - Waermetauscher - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher in einem Reaktor
druckbehälter eines flüssigkeitsgekühlten Kernreaktors, dessen
vom Sekundärmedium durchströmte Wärmeübertragungsflächen einen
unterhalb eines Flüssigkeitsspiegels des Primärmediums liegen
den Kühlerabschnitt und einen oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
liegenden Kondensationsabschnitt aufweisen.
Ein derartiger Wärmetauscher dient zur Übertragung von Wärme,
die in einem Kernreaktor oder nuklearen Heizreaktor erzeugt
und zur Versorgung von Fernheiznetzen oder als Prozeßwärme für
Industrieanlagen genutzt wird. Bei einem Kernreaktor dieser
Art sind in integrierter Bauweise in einem Reaktordruckbehäl
ter vorzugsweise zwölf Wärmetauscher am Umfang eines Reaktor
kerns gleichmäßig verteilt angeordnet. Die im Reaktorkern
erzeugte Wärme wird mit einem im Reaktordruckbehälter unter
Druck stehenden Primärmedium oder Kühlmittel, z. B. Wasser,
auf ein die Wärmeübertragungsflächen des Wärmetauschers durch
strömendes Sekundärmedium übertragen. Die Wärmeübertragung
erfolgt einerseits durch Konvektion an einem als Kühlerab
schnitt bezeichneten Teil und andererseits durch Kondensation
von Kühlmitteldampf an einem als Kondensationsabschnitt bezeich
neten Teil der Wärmeübertragungsflächen des Wärmetauschers.
Der durch Dichteunterschiede im Reaktor bedingte Naturumlauf
treibt die Strömung des Kühlmittels durch den Reaktorkern und
den Kühlerabschnitt an. Durch die teilweise Verdampfung des
Kühlmittels beim Durchströmen des Reaktorkerns wird zwar einer
seits der Naturumlauf verstärkt; andererseits wird aber auch
die Höhe des Flüssigkeitsspiegels des Kühlmittels beeinflußt.
Der erzeugte Kühlmitteldampf sammelt sich oberhalb des Flüssig
keitsspiegels, wobei die jeweils erzeugte Dampfmenge im Konden
sationsabschnitt der Wärmeübertragungsflächen des Wärmetau
schers wieder kondensiert werden muß. Dabei ist die Wärmeüber
tragungsfläche des Kondensationsabschnitts vom Flüssigkeits
spiegel des Kühlmittels abhängig, der sich bei Leistungsände
rungen oder beim An-und Abfahren des Heizreaktors ändert. Die
se Änderung der verfügbaren Kondensationsfläche hat eine Ände
rung der Kondensationsleistung und damit des Drucks im Reaktor
druckbehälter zur Folge und ist daher äußerst unerwünscht.
Bei einem aus der DE-OS 35 28 193 bekannten Wärmetauscher
werden derartige Schwankungen des Flüssigkeitsspiegels des
Kühlmittels dadurch weitgehend kompensiert, daß die als Rohr
bündel ausgebildeten Wärmeübertragungsflächen im Bereich des
Flüssigkeitsspiegels mit einer thermisch inaktiven Schicht
isoliert sind. Dabei sind die Wärmeleistungen des Kühlerab
schnitts und des Kondensationsabschnitts voneinander abhängig.
Aufgrund von Temperaturänderungen entstehende Wärmedehnungen
der Rohrbündel oder der Zu- und Ableitungsrohre für das Sekun
därmedium führen wegen der vorhandenen Dehnungsbehinderungen
zu unerwünschten Wärmespannungen. Außerdem ist für Wartungs
und Reparaturarbeiten an schwer zugänglichen Teilen ein Ausbau
des gesamten Wärmetauschers erforderlich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärme
tauscher der obengenannten Art derart weiterzubilden, daß die
Wärmeleistungen durch Kondensation und durch Konvektion sowohl
voneinander als auch vom Flüssigkeitsspiegel des Primärmediums
unabhängig sind. Dies soll mit einem hinsichtlich eines gerin
gen Wartungs- und Reparaturaufwandes besonders geeigneten
Gesamtaufbau erreicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
Kühlerabschnitt und der Kondensationsabschnitt durch eine
diese Abschnitte verbindende und das Sekundärmedium führende
Kammer voneinander getrennt sind. Dabei ist aufgrund der
kleinen Wärmeübertragungsfläche der Kammer die Wärmeübertragung
im Grenzbereich zwischen der flüssigen und der dampfförmigen
Phase des Kühlmittels auf das die Kammer durchströmende Sekun
därmedium äußerst gering. Dadurch ist unabhängig von Leistungs
änderungen die verfügbare Kondensationsfläche konstant. Außer
dem ist durch die Trennung des Kühlerabschnitts vom Kondensa
tionsabschnitt die Menge des den Kondensationsabschnitt durch
strömenden Sekundärmediums veränderbar und damit die Konden
sationsleistung separat einstellbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Wärmetauschers sind dessen Wärmeübertragungsflächen Rohrbündel,
deren Rohrböden die Kammer nach oben und nach unten begrenzen.
Dabei sind die Rohrbündel des Kühlerabschnitts und/oder des
Kondensationsabschnitts vorteilhafterweise U-förmig ausgebildet.
Die Rohrbündel des Kondensationsabschnitts sind zusammen mit
dem oberen Rohrboden besonders einfach demontierbar, so daß
auch der Kühlerabschnitt der Wärmeübertragungsflächen des Wärme
tauschers für Wartungs- und Inspektionsarbeiten besonders ein
fach zugänglich ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungs
gemäßen Wärmetauschers ist die Kammer durch eine vertikal an
geordnete Trennwand in zwei Teilkammern unterteilt. Eine der
Teilkammern ist zweckmäßigerweise mit einem horizontal ange
ordneten Deckel in einen Einlaßbereich und einen Auslaßbereich
für das Sekundärmedium unterteilt. Dabei dient die vertikal
angeordnete Trennwand zur Verbindung des Kühlerabschnitts und
des Kondensationsabschnitts für den Fall, daß vorzugsweise
zwei rohrseitige Wege für das Sekundärmedium vorgesehen sind.
Der den Einlaß- und Auslaßbereich für das Sekundärmedium
trennende Deckel ist zur Durchführung von Wartungs- und
Reparaturarbeiten abnehmbar.
Zur Regelung der Wärmeleistung des Kondensationsabschnitts
weist die Kammer vorteilhafterweise mindestens eine Bypass
öffnung auf, durch die eine einstellbare Menge des Sekundär
mediums abgeführt werden kann.
Der Kondensationsabschnitt der Wärmeübertragunsflächen kann
zweckmäßigerweise auch ein in einen weiteren Rohrboden münden
des langgestrecktes Rohrbündel und eine Umlenkkammer umfassen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Umlenkkammer
einen Auslaß auf, über den das Sekundärmedium abströmt.
Dadurch wird ein rohrseitiger Druckverlust aufgrund der gegen
über einem U-förmigen Rohrbündel kleineren Strömungsgeschwin
digkeit des Sekundärmediums verringert.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere
darin, daß einerseits durch eine Trennung des Kühlerabschnitts
und des Kondensationsabschnitts voneinander die Wärmeübertra
gung durch Konvektion und durch Kondensation unabhängig von
einander einstellbar sind. Andererseits wird durch eine diese
Abschnitte verbindende und das Sekundärmedium führende Kammer
eine dem Schwankungsbereich des Flüssigkeitsspiegels ent
sprechende thermisch inaktive Zone gebildet. Dabei ist die
wirksame Kondensationsfläche unbhängig vom Füllstand des Kühl
mittels im Reaktor.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden anhand einer
Zeichnung Ausführungsbeispiele beschrieben. Darin zeigen:
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Reaktordruckbehälter
mit einem Wärmetauscher in vereinfachter Darstellung,
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit getrenntem
Kühler- und Kondensationsabschnitt und dazwischen
liegender Kammer,
Fig. 3 im Ausschnitt eine weitere Ausführungsform des Konden
sationsabschnitts mit langgestreckten Rohrbündeln und
einer Umlenkkammer, und
Fig. 4 einen Wärmetauscher gemäß Fig. 3 mit einem Auslaß an
der Umlenkkammer.
Entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt den Reaktordruckbehälter 2 eines auch als nuklea
ren Heizreaktor bezeichneten flüssigkeitsgekühlten Kernreaktors.
Innerhalb des zylinderförmig ausgebildeten Reaktordruckbehäl
ters 2 ist ein Reaktorkern 4 angeordnet, der vom Primärmedium
oder Kühlmittel, z. B. Wasser, bis zu einem Flüssigkeitsspiegel
6 überdeckt ist. Im Reaktordruckbehälter 2 ist oberhalb des
Reaktorkerns 4 ein Wärmetauscher 8 angeordnet, der über einen
Teil seiner Länge unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 6 im
mit flüssigem Kühlmittel gefüllten Raum 10 liegt und oberhalb
des Flüssigkeitsspiegels 6 in den mit Kühlmitteldampf gefüll
ten Raum 12 ragt.
Im Bereich des Wärmetauschers 8 ist im zylindrischen Mantel 14
des Reaktordruckbehälters 2 eine Durchführung 16 vorgesehen,
über die das Sekundärmedium - durch einen vereinfacht als
Ganzes dargestellten Ein- und Austrittsstutzen 18 - in den
Wärmetauscher 8 eintritt und diesen in aufgewärmtem Zustand
wieder verläßt.
Beim Betrieb eines Heizreaktors dieser Art sind mehrere,
vorzugsweise zwölf, dieser Wärmetauscher 8 am Umfang des
Reaktorkerns 4 gleichmäßig verteilt und paarweise
zusammengefaßt angeordnet.
Wie in Fig. 2 dargestellt, sind die Wärmeübertragungsflächen
des Wärmetauschers 8 in einen Kühlerabschnitt C2 und in einen
Kondensationsabschnitt C1 unterteilt, die durch eine Kammer 20
voneinander getrennt sind. Dabei liegt der Kühlerabschnitt C2
unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 6 im mit flüssigem Kühl
mittel gefüllten Raum 10. Der Kondensationsabschnitt C1 liegt
oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 6 im mit Kühlmitteldampf
gefüllten Raum 12 des Reaktordruckbehälters 2. In den Fig.
2 bis 4 ist der maximale Flüssigkeitsspiegel 6 dargestellt.
Die Wärmeübertragungsfläche des Kühlerabschnitts C2 ist ein
U-förmig ausgebildetes Rohrbündel 22, das von einem Gehäuse 24
umgeben ist. Es können auch zwei oder mehrere Rohrbündel verwen
det werden. Auf der dem Reaktorkern 4 zugewandten Seite weist
das Gehäuse 24 eine Einlaßöffnung 26 und eine Auslaßöffnung 28
für das Primärmedium oder Kühlmittel auf. Das vom Reaktorkern
4 aufgeheizte Kühlmittel durchströmt den Kühlerabschnitt C2 in
Richtung der Pfeile 30 und gibt dabei seine Wärme an das durch
das Rohrbündel 22 strömende Sekundärmedium ab. Zur Führung des
Kühlmittels sind im Kühlerabschnitt C2 Umlenkbleche 21 vorge
sehen, die das Rohrbündel 22 zusätzlich gegen eine unerwünsch
te Schwingungsanregung schützen. Ein am Gehäuse 24 befestig
tes Blech 23 trennt außerdem den Ein- und Ausströmbereich des
Kühlmittels zwischen der Einlaßöffnung 26 und der Auslaßöff
nung 28.
Das Rohrbündel 22 mündet in einen Rohrboden 32, der die Kammer
20 nach unten begrenzt. Die Kammer 20 ist nach oben durch
einen zweiten Rohrboden 34 begrenzt, in den ein U-förmiges
Rohrbündel 36 mündet. Das Rohrbündel 36 ist die Wärmeübertra
gungsfläche des Kondensationsabschnitts C1.
Zur Trennung der Wege des Sekundärmediums innerhalb der Kammer
20 ist diese mit einer vertikal angeordneten Trennwand 44 in
zwei Teilkammern 20a und 20b unterteilt. Die Teilkammer 20b
ist außerdem mit einem horizontal angeordneten, für Reparatur-
oder Inspektionsarbeiten abnehmbaren Deckel 46 in einen Ein
laßbereich 48 und einen Auslaßbereich 50 unterteilt.
Im Betrieb tritt das Sekundärmedium in Richtung des Pfeils 40
über einen Eintrittsstutzen 18a in den Einlaßbereich 48 der
Teilkammer 20b ein und fällt von dort in den ersten Schenkel
22a des Rohrbündels 22. Im gekrümmten Bereich 22b des Rohr
bündels 22 wird das Sekundärmedium umgelenkt und strömt von
unten nach oben über den zweiten Schenkel 22c in die Teil
kammer 20a. Von dort strömt das Sekundärmedium über das Rohr
bündel 36, in dem es umgelenkt wird, in den Auslaßbereich
50 der Teilkammer 20b und verläßt die Kammer 20 über einen
Austrittsstutzen 18b in Richtung des Pfeils 42 auf einen
(nicht dargestellten) Verbraucher.
Im Kühlerabschnitt C2 wird die Wärme des Primärmediums durch
Konvektion auf das durch das Rohrbündel 22 strömende Sekundär
medium übertragen. Im Kondensationsabschnitt C1 erfolgt die
Wärmeübertragung auf das durch das Rohrbündel 36 strömende
Sekundärmedium durch Kondensation des Kühlmitteldampfes an den
Flächen des Rohrbündels 36.
Im Bereich der Kammer 20 ist die Wärmeübertragung vom Primär
medium auf das Sekundärmedium aufgrund der kleinen Übertragungs
fläche äußerst gering, so daß die Wärmeleistungen des Kühler
abschnitts C2 und des davon abgetrennten Kondensationsabschnitts
C1 voneinander unabhängig einstellbar sind. Mit anderen Worten:
Die Kühlleistung und die Kondensationsleistung sind unabhän
gig voneinander einstellbar. Dabei wirkt die die beiden Ab
schnitte C1 und C2 der Wärmeübertragungsflächen verbindende
und das Sekundärmedium führende Kammer 20 als thermische
Isolierschicht, so daß für Änderungen des Flüssigkeitsspiegels
6 bei Leistungsänderungen des Heizreaktors die gesamte Höhe
der Kammer 20 zur Verfügung steht, ohne daß sich dabei die
verfügbaren Wärmeübertragungsflächen des Kühlerabschnitts C2
und des Kondensationsabschnitts C1 ändern.
Zur Einstellung der Durchsatzmenge im Kondensationsabschnitt C1
der Wärmeübertragungsflächen und damit zur Regelung der Konden
sationsleistung kann eine einstellbare Teilmenge des Sekundär
mediums durch eine Bypassöffnung oder einen Bypass-Stutzen 52
aus der Kammer 20 in Richtung des Pfeils 54 am Kondensations
abschnitt C1 vorbei abgeführt werden.
Der obere Rohrboden 34 ist an einem Kammerflansch 56 lösbar
befestigt und kann für Reparatur- oder Inspektionsarbeiten zu
sammen mit dem Rohrbündel 36 abgenommen werden. Dazu ist an dem
Rohrboden 34 ein Zuganker 58 mit einer Tragöse 60 befestigt.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Wärmetauscher 8 weist der Kon
densationsabschnitt C1 der Wärmetauscherflächen zwei lang
gestreckte Rohrbündel 61 und 62 auf, die in einen gemeinsamen
Rohrboden 63 münden. Auf dem Rohrboden 63 ist ein Deckel 64
befestigt, der eine Umlenkkammer 65 für das Sekundärmedium
nach oben begrenzt. Die Umlenkung des Sekundärmediums ist
durch den Pfeil 66 angedeutet. Für Reparatur- und Inspektions
arbeiten kann entweder nur der Deckel 64, an dem eine Tragöse
67 befestigt ist, oder dieser zusammen mit den Rohrböden 63
und 34 abgehoben werden. Dazu sind die Rohrböden 63 und 34 mit
einem Zuganker 68 miteinander verbunden.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist der Kondensations
abschnitt C1 der Wärmeübertragungsflächen des Wärmetauscher 8
gegenüber den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 2 und 3
länger ausgebildet. Dabei weist der Kondensationsabschnitt C1
ein nur in einer Richtung durchströmtes Rohrbündel 70 auf, das
in einen Rohrboden 74 mündet. Auf dem Rohrboden 74 ist zur
Bildung einer Umlenk- oder Austrittskammer 75 ein Deckel 76
befestigt, der einen Auslaß 71 für das Sekundärmedium aufweist.
Im Gegensatz zu einer 180°-Umlenkung des Sekundärmediums so
wohl im U-förmigen Rohrbündel 36 (Fig. 2) als auch in der
Umlenkkammer 65 (Fig. 3) wird im Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 4 das den Kondensationsabschnitt C1 nur in einer Rich
tung durchströmende Sekundärmedium in der Umlenkkammer 75
gesammelt. Es verläßt den Wärmetauscher 8 durch den Auslaß 71
in Richtung des Pfeils 73.
Durch den Einsatz des langgestreckten Rohrbündels 70 (Fig. 4)
im Kondensationsabschnitt C1 wird insgesamt ein geringer
rohrseitiger Druckverlust aufgrund der geringen Strömungs
geschwindigkeit des Sekundärmediums in den geraden Rohren
erreicht. Dabei treten aufgrund der geringen Rohrlängen des
Kondensationsabschnitts C1 nur geringe Dehnungsbehinderungen
auf. Im Kühlerabschnitt C2 gemäß Fig. 4 und bei den Aus
führungen der Abschnitte C1 und C2 der Wärmeübertragungs
flächen gemäß den Fig. 2 und 3 treten Dehnungsbehinderun
gen nicht auf.
Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmetauscher 8 ist
unabhängig von Leistungsänderungen eine hohe Kühlmittel
überdeckung des Kühlerabschnitts C2 ohne Vergrößerung der
Bauhöhe des Wärmetauschers 8 gewährleistet. Außerdem ist
unabhängig vom Flüssigkeitsspiegel 6 die Kondensationsfläche
des Abschnitts C1 der Wärmeübertragungsflächen konstant.
Neben einem besonders guten Betriebsverhalten des erfindungs
gemäßen Wärmetauschers 8 sind Reparatur- und Inspektions
arbeiten aufgrund des einfachen Aufbaus und der geringen An
zahl von erforderlichen Befestigungs- und Dichtungsmitteln
besonders leicht durchführbar. Aufgrund der Trennung des Kon
densationsabschnitts C1 vom Kühlerabschnitt C2 wird eine
besonders einfache Regelung des Füllstands oder Flüssigkeits
spiegels 6 im Reaktordruckbehälter 2 ermöglicht, an die keine
besonderen Anforderungen mehr gestellt werden müssen.
Claims (9)
1. Wärmetauscher in einem Reaktordruckbehälter eines flüssig
keitsgekühlten Kernreaktors, dessen vom Sekundärmedium durch
strömte Wärmeübertragungsflächen einen unterhalb eines Flüssig
keitsspiegels (6) des Primärmediums liegenden Kühlerabschnitt
(C2) und einen oberhalb des Flüssigkeitsspiegels (6) liegenden
Kondensationsabschnitt (C1) aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Kühlerabschnitt (C2) und der Kondensationsabschnitt (C1) durch
eine diese Abschnitte (C1, C2) verbindende und das Sekundär
medium führende Kammer (20) voneinander getrennt sind.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme
übertragungsflächen Rohrbündel (22, 36) sind, deren Rohrböden
(32, 34) die Kammer (20) nach oben und nach unten begrenzen.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer
(20) durch eine vertikal angeordnete Trennwand (44) in zwei
Teilkammern (20a, 20b) unterteilt ist.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Teil
kammer (20b) mit einem horizontal angeordneten Deckel (46) in
einen Einlaßbereich (48) und einen Auslaßbereich (50) für das
Sekundärmedium unterteilt ist.
5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler
abschnitt (C2) der Wärmeübertragungsflächen ein U-förmig aus
gebildetes Rohrbündel (22) ist.
6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Konden
sationsabschnitt (C1) der Wärmeübertragungsflächen ein U-förmig
ausgebildetes Rohrbündel (36) ist.
7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer
(20) mindestens eine Bypassöffnung (52) aufweist.
8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Konden
sationsabschnitt (C1) der Wärmeübertragungsflächen mindestens
ein in einen weiteren Rohrboden (63, 74) mündendes Rohrbündel
(61, 62; 70) und eine Umlenkkammer (65, 75) umfaßt.
9. Wärmetauscher nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenk
kammer (75) einen Auslaß (71) für das Sekundärmedium aufweist.
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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DE4120800A1 true DE4120800A1 (de) | 1993-01-07 |
DE4120800C2 DE4120800C2 (de) | 1994-09-29 |
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ID=6434615
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4120800A Expired - Fee Related DE4120800C2 (de) | 1991-06-24 | 1991-06-24 | Wärmetauscher |
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DE (1) | DE4120800C2 (de) |
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1991
- 1991-06-24 DE DE4120800A patent/DE4120800C2/de not_active Expired - Fee Related
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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Owner name: STAEHLE, BERND, 91056 ERLANGEN, DE |
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