DE4120800C2 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher in einem Reaktor­ druckbehälter eines flüssigkeitsgekühlten Kernreaktors, dessen von einem Sekundärmedium durchströmte Wärmeübertragungsflächen einen unterhalb des Flüssigkeitsspiegels eines Primärmediums liegen­ den Kühlerabschnitt und einen oberhalb des Flüssigkeitsspiegels liegenden Kondensationsabschnitt aufweisen.

Ein derartiger Wärmetauscher ist z. B. aus der DE 35 28 193 A1 bekannt und 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 dem aus der DE 35 28 193 A1 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 Wärmeübertragungsflächen 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 zeigt

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 von einem Sekundärmedium durch­ strömte Wärmeübertragungsflächen einen unterhalb des Flüssig­ keitsspiegels (6) eines 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.