DE4402841A1 - Dampferzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dampferzeuger, z. B. für einen Kernreaktor, insbesondere einen Druckwasserreaktor, mit mindestens einem von einem Behältermantel umgebenen vertika­ len Rohrbündel zum Wärmetausch zwischen einem Primärmedium und einem Sekundärmedium.

Ein derartiger Dampferzeuger ist z. B. beschrieben in "Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau", 1981, 14. Auflage, auf den Seiten 600 und 601. Dabei wird unterschieden zwischen einem U-Rohr-Naturumlauf-Dampferzeuger und einem Geradrohr- Zwangdurchlauf-Dampferzeuger. Beim U-Rohr-Naturumlauf-Dampf­ erzeuger strömt das unter hohem Druck stehende Primärwasser durch U-förmige Wärmetauscherrohre und kühlt sich dabei ab. Auf der Sekundärseite wird Sattdampf im Naturumlauf erzeugt. Das Sekundärwasser wird im unteren Bereich des Dampferzeugers in Vorwärmkammern eingespeist und dort bis nahe an die Sätti­ gungstemperatur vorgewärmt, wobei das Primärwasser möglichst weit abgekühlt wird. Das auf der Sekundärseite entstehende Dampf/Wasser-Gemisch wird in Zyklonen getrennt. Das umlau­ fende Sekundärwasser strömt durch einen Spalt zwischen dem Behältermantel und einer die Wärmetauscherrohre umgebenden Umlaufschürze nach unten und vermischt sich mit dem vorge­ wärmten Sekundärwasser. Dadurch werden eine gute Spülung ei­ nes unteren Rohrbodens, in den die Wärmetauscherrohre einge­ walzt sind, erreicht und eine Korrosion des Rohrbodens ver­ hindert. Der sekundärseitig abgeschiedene und getrocknete Dampf strömt durch einen Frischdampfstutzen zu einer Dampf­ turbine. Da aufgrund der U-förmigen Gestalt der Wärme­ tauscherrohre das Primärwasser sowohl im Gleichstrom als auch im Gegenstrom zum Sekundärwasser geführt ist, ist die Satt­ dampf- oder Frischdampftemperatur und damit der thermische Wirkungsgrad dieses U-Rohr-Dampferzeugers nur begrenzt.

Bei dem Geradrohr-Zwangdurchlauf-Dampferzeuger wird das Se­ kundärwasser im reinen Gegenstrom zum Primärwasser geführt. Dieser im Vergleich zum U-Rohr-Dampferzeuger längere aber schmalere Dampferzeuger umfaßt eine große Anzahl von in einen oberen und in einen unteren Rohrboden eingefaßten Wärme­ tauscherrohren, die vom Primärwasser durchströmt werden. Um Spannungen zwischen den geraden Wärmetauscherrohren und dem Behältermantel auszugleichen, wird der auf der Sekundärseite erzeugte Frischdampf in aufwendiger Weise in einem Ringraum zwischen dem Behältermantel und einem die Wärmetauscherrohre umgebenden Leitmantel zunächst noch einmal über einen großen Teil der Wärmetauscherrohrlänge geführt, bevor er über einen im unteren Bereich des Dampferzeugers vorgesehenen Austritts­ stutzen diesen verläßt. Auch bei diesem Dampferzeuger mit ge­ raden Wärmetauscherrohren ist die Frischdampftemperatur nur begrenzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Dampf­ erzeuger anzugeben, mit dem in einfacher Weise und unter Be­ herrschung von unterschiedlichen Temperaturen in den Bautei­ len ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Dampferzeuger der eingangs ge­ nannten Art dadurch gelöst, daß die Wärmetauscherrohre des Rohrbündels schwanenhalsförmig ausgebildet und in zwei Ebenen in Rohrböden angeordnet sind. Dabei sind zweckmäßigerweise das Primärmedium und das Sekundärmedium im Gegenstrom zuein­ ander geführt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der obere Rohrbo­ den über ein Einströmrohr mit einem oberen Behälterboden ver­ bunden und Teil einer Anströmkammer für das Primärmedium. Da­ bei sind das Einströmrohr, über welches das Primärmedium in den Dampferzeuger einströmt, und der obere Rohrboden sowie die Anströmkammer als Baueinheit ausgeführt. Dadurch kann diese Baueinheit, z. B. zu Revisionszwecken, als Ganzes aus dem Dampferzeuger ausgebaut werden.

Der untere Rohrboden bildet zweckmäßigerweise mit einem unte­ ren Behälterboden eine Ausströmkammer für das Primärmedium.

Die Eintrittsstutzen für das Sekundärmedium sind zweckmäßi­ gerweise oberhalb des unteren Rohrbodens vorgesehen. Diese vorteilhafterweise in der Nähe des unteren Rohrbodens vorge­ sehenen Eintrittsstutzen sind auf der Innenseite des Behäl­ termantels zweckmäßigerweise mit Führungsplatten derart abge­ deckt, daß das Sekundärmedium zunächst zur Spülung des unte­ ren Rohrbodens zu diesem hingeführt und dort umgelenkt wird, bevor es an den Wärmetauscherrohren entlang aufwärts strömt. Der Austrittsstutzen für das Sekundärmedium ist vorteilhaf­ terweise oberhalb des oberen Rohrbodens angeordnet, zu des­ sen Oberseite die schwanenhalsförmigen Wärmetauscherrohre des Rohrbündels geführt sind.

Um besonders günstige Strömungsverhältnisse für das Primärme­ dium zu erreichen, sind der untere Behälterboden und die An­ strömkammer halbkugelförmig ausgebildet. Zu dem gleichen Zweck ist für das Sekundärmedium der obere Behälterboden halbkugelförmig ausgebildet.

Um eine symmetrische Strömungsführung innerhalb der Anström­ kammer zu ermöglichen, sind an deren Boden Mittel zur Strö­ mungsführung für das Primärmedium vorgesehen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß durch die schwanenhalsförmige Gestalt der Wärmetauscherrohre und durch einen dadurch bedingten großvo­ lumigen Dampfraum eine frühe Tröpfchenabscheidung erreicht wird. Aufgrund der nahezu gleichen Temperaturen der strömen­ den Medien wird eine geringe Temperaturdifferenzbelastung an den Rohrböden erreicht. Die geringen Temperaturdifferenzen führen darüber hinaus dazu, daß die Neigung zu Ablagerungen am Rohrboden besonders gering ist. Außerdem ist die Belastung aus der geringen Temperaturdifferenz zwischen den Medien für die Wärmetauscherrohre aufgrund der Schwanenhalsform beson­ ders niedrig. Des weiteren führt die Schwanenhalsform der Wärmetauscherrohre einerseits zu einer thermischen Symmetrie an allen Bauteilen des Dampferzeugers und andererseits zu be­ sonders günstigen Variationsmöglichkeiten für die Anordnung der Anschlußstutzen für die Medien. Ferner ermöglicht die Schwanenhalsform der Wärmetauscherrohre die Verwendung des Dampferzeugers für den Naturumlauf für Sattdampfturbinen. Da­ bei ist aufgrund einer guten Einstellbarkeit des Überhit­ zungsgrades des sekundärseitig erzeugten Frischdampfes der Einsatz für hochüberhitzten Dampf möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur einen Dampf­ erzeuger mit schwanenhalsförmigen Wärmetauscherrohren.

Der Dampferzeuger 1 umfaßt einen Behältermantel 2, in dessen oberen Behälterboden 4 ein Einströmrohr 6 für das Primärwas­ ser P eingesetzt ist. Im unteren Behälterboden 8 des Behäl­ termantels 2 sind an dessen Fußpunkt ein erster Austritts­ stutzen 10 für das Primärwasser P sowie ein zweiter, ver­ schlossener Stutzen 12 vorgesehen.

Innerhalb des Wärmetauschermantels 2 des Dampferzeugers 1 ist ein Rohrbündel 14 mit einer Anzahl von schwanenhalsförmig ausgestalteten Wärmetauscherrohren 16 vorgesehen. Die Wärme­ tauscherrohre 16 sind mit ihren unteren Rohrenden in einen unteren Rohrboden 18 eingebracht und dort beispielsweise ver­ schweißt. Die oberen Rohrenden des schwanenhalsförmig ausge­ bildeten Teils der Wärmetauscherrohre 16 sind in einen oberen Rohrboden 19 - von dessen Oberseite 20 her - in diesen einge­ paßt und dort z. B. ebenfalls verschweißt.

Das Einströmrohr 6 ist ausgehend von dem oberen Behälterboden 4 des Behältermantels 2 - ebenfalls von der Oberseite 20 des oberen Rohrbodens 19 her - zentrisch in diesen eingeführt und dort mit diesem verbunden. Auf der Unterseite des oberen Rohrbodens 19 ist eine Trennwand 21 zur Bildung einer unter­ halb des oberen Rohrbodens 19 liegenden Anströmkammer 22 für das Primärmedium P vorgesehen. Die Trennwand 21 dient zum Trennen des über das Einströmrohr 6 und die Anströmkammer 22 sowie durch die Wärmetauscherrohre 16 in eine unterhalb des unteren Rohrbodens 18 vorgesehene Ausströmkammer 24 strömen­ den Primärmediums P und des zwischen dem Behältermantel 2 und den Wärmetauscherrohren 16 in Richtung der Pfeile 26, 28 nach oben strömenden Sekundärmediums S. Das an der Außenseite des Rohrbündels 14 aufwärts strömende Sekundärmedium S ist somit im Gegenstrom zu dem durch die Wärmetauscherrohre 16 abwärts strömende Primärmedium P geführt. Das Primärmedium P verläßt den Dampferzeuger 1 über den Austrittsstutzen 10.

Das Sekundärmedium S strömt über oberhalb des unteren Rohrbo­ dens 18 angeordnete Eintrittsstutzen 30 in den Dampferzeuger 1 ein. Es wird dort zunächst mittels auf der Innenseite des Behältermantels 2 vorgesehene Führungsplatten 32 nach unten auf die untere Rohrplatte 18 gelenkt, um diese zu spülen. Da­ durch wird eine Korrosion des unteren Rohrbodens 18 verhin­ dert. Anschließend wird das Sekundärmedium S in Richtung der Pfeile 28 nach oben umgelenkt. Es verläßt den Dampferzeuger 1 über ein oberhalb des oberen Rohrbodens 19 liegenden Aus­ trittsstutzen 33.

Innerhalb der Anströmkammer 22 ist an deren Boden 34 ein Füh­ rungsblech 36 zur Strömungsführung für das Primärmedium P vorgesehen. Dadurch wird das Primärmedium P in Richtung der Pfeile 38 geführt, so daß die Unterseite des oberen Rohrbo­ dens 19 symmetrisch vom Primärmedium P angeströmt und auf die dort entspringenden Wärmetauscherrohre 16 verteilt wird.

Die Höhe H des Dampferzeugers 1 beträgt etwa 20 m. Die Höhe A des Rohrbündels 14 beträgt etwa 17,3 m. Der Abstand B zwi­ schen der Oberseite der unteren Rohrplatte 18 und einem un­ terhalb der Anströmkammer 22 liegenden Wasserspiegel 40 be­ trägt etwa 15 m. Der Durchmesser d₁ des Dampferzeugers 1 be­ trägt unterhalb eines Übergangsbereichs 42 etwa 2,5 m und der Durchmesser d₂ des Dampferzeugers 1 oberhalb dieses Über­ gangsbereichs 42 beträgt etwa 3,6 m. Innerhalb des Übergangs­ bereichs 42 sind die Wärmetauscherrohre 16 von der Mittel­ achse M in Richtung auf den Behältermantel 2 nach außen gebo­ gen. Sie verlaufen im sich dem Übergangsbereich 42 anschlie­ ßenden Dampfraum 44 parallel zur Mittelachse M bis oberhalb der Ebene, in der der obere Rohrboden 19 liegt. Oberhalb die­ ser Ebene sind die Wärmetauscherrohre 16 zur Mittelachse M und auf den oberen Rohrboden 19 hin schwanenhalsförmig gebo­ gen. Die vertikale Ausdehnung des Dampfraums 44 beträgt etwa ein Drittel der Gesamtlänge, d. h. der Höhe H, des Dampferzeu­ gers 1. Der Dampfraum 44 beginnt oberhalb des Wasserspiegels 40 und liegt - entsprechend dem Abstand B - etwa 15 m ober­ halb der Ebene, in der der untere Rohrboden 18 liegt.

Claims (10)

1. Dampferzeuger, insbesondere für einen Kernreaktor, mit min­ destens einem von einem Behältermantel (2) umgebenen vertika­ len Rohrbündel (14) zum Wärmetausch zwischen einem Primärme­ dium (P) und einem Sekundärmedium (S), dadurch gekennzeichnet, daß die Wär­ metauscherrohre (16) des Rohrbündels (14) schwanenhalsförmig ausgebildet und in zwei Ebenen in Rohrböden (18, 19) angeord­ net sind.

2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pri­ märmedium (P) und das Sekundärmedium (S) im Gegenstrom zuein­ ander geführt sind.

3. Dampferzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Rohrboden (18) über ein Einströmrohr (6) mit einem oberen Behälterboden (4) verbunden und Teil einer Anströmkammer (22) für das Primärmedium (P) ist.

4. Dampferzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ein­ strömrohr (6) und der obere Rohrboden (19) als Baueinheit ausgebildet sind.

5. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der un­ tere Rohrboden (18) mit einem unteren Behälterboden (8) eine Ausströmkammer (24) für das Primärmedium (P) bildet.

6. Dampferzeuger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ strömkammer (24) mindestens einen Austrittsstutzen (10) für das Primärmedium (P) aufweist.

7. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Be­ hältermantel (2) oberhalb des unteren Rohrbodens (18) minde­ stens einen Eintrittsstutzen (30) und oberhalb des oberen Rohrbodens (19) einen Austrittsstutzen (33) für das Sekundär­ medium (S) aufweist.

8. Dampferzeuger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite des Behältermantels (2) im Bereich des oder jedes Eintrittsstutzens (30) eine Führungsplatte (32) vorgesehen ist.

9. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ hälterböden (4, 8) halbkugelförmig ausgebildet sind.

10. Dampferzeuger nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ strömkammer (22) halbkugelförmig ausgebildet ist.