DE6604247U

DE6604247U - Waermetauscher.

Info

Publication number: DE6604247U
Application number: DE19676604247
Authority: DE
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1966-05-12
Filing date: 1967-05-12
Publication date: 1970-01-15
Also published as: ES340407A1; BE697780A; LU53641A1; CH476275A; GB1138940A; FR1502656A

Description

Patentanwälte
DipUng. R. Beetz u.
Dipl.-Ing. Lamprecht

-r (5)

4.O.1₉6₉

C 16 1Q2/I7f Gbm

Wärmetauscher

Die Neuerung hat einen Wärmetauscher zum Gegenstand, der zur Ermöglichung eines Wärmeaustausches zwischen zwsl in Gefahr bringender Weise miteinander reagierenden Flüssigkeiten gedacht und insbesondere zur Verdampfung von Wasser durch Wärmeaustausch mit einem flüssigen Metall, wie beispielsweise Natrium, bestimmt ist.

Bei Kernkraftwerken wird im allgemeinen und insbesondere dann, wenn der Reaktor zu den mit schnellen Neutronen arbeitenden Typen gehört, der Dampferzeuger mit flüssigem Natrium beheizt, welches das sekundäre Kühlmittel des Reaktors darstellt. Bekanntlich wirft jedoch der Wärmeaustausch zwischen flüssigem Natrium und Wasser komplizierte Sicherheitsprobleme auf, praktisch ist es erforderlich, jeglichen Kontakt zwischen den beiden Flüssigkeiten auszuschalten, da sie mit Heftigkeit miteinander reagieren würden.

Zur Herstellung von solchen Dampferzeugern benutzt man mitunter doppelwandige Austauscherrohre, gegebenenfalls mit einem Umlauf eines zwischengeschalteten Strömungsmediums, das die Erkennung von Rohrbrüchen gestattet. Derartige komplizierte Anlagen sind jedoch äußerst kostspielig, daher zieht man heute einwandige Wärmeaustauscher wegen ihrer größeren Wirtschaftlichkeit vor, die aus in das flüssige Natrium eintauchenden Umlaufrohren für das Wasser bestehen,

jedoch ist es dann erforderlich, die Qualität der verwendeten Rohre und der Schweißverbindungen zwischen den Rohren in geeigneter Weise zu überprüfen.

Außerdem muß man, falle ungeachtet dieser Vorsichtsmaßregeln ein Bruch aufgetreten ist, das fehlerhafte Rohr isolieren k.oririori, um uxo Aul ago sChiioilotSnS rfisciSZ" in Bs— trieb nehmen zu können, da ihre Stillegung insbesondere bei Kernenergieanlagen sehr kostspielig wird. Außerdem muß man, da die Infolge des Bruches auftretende Reaktion in manchen Fällen benachbarte Rohre boschUdigt haben kann, einen leichten Zugang zu diesen haben, um sie zu reparioren oder zu ersetzen.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diese verschiedenen Forderungen besser als die bisher bekannten Einrichtungen zu erfüllen. Sie ist vor allem zur Erleichterung des Ausbaus eines Bündels von Wärmetauscherrohren gedacht.

Der neuerungsgemäße Wärmetauscher ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß er eine Mehrzahl von zu in parallelen Ebenen liegenden Schlangen abgebogenen Umlaufrohren für ein erstes am Wärmeaustausch beteiligtes Strömungsmedium und eine längsgestreckte Hülle von rechteckigem Querschnitt besitzt, welch«? die Umlauf rohre umgibt und sich ihrerseits in einem zylindrischen Behälter befindet, in dem beiderseits einer den Behälter und die Hülle miteinander verbindenden im wesentlichen abgedichteten Querwand Zu- und Abführungsleitungen für ein zweites am Wärmeaustausch beteiligtes Strömungsmedium einmünden, welcher Behälter an seinem oberen Ende mit einem auswechselbar angeschweißten Deckel verschlossen ist, den die Umlaufrohre

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mit Ihren beiden Enden durchsetzen, die außerhalb des Dekkels in einen Eingangs- bzw. in einen Ausgangssammler für das erste am Wärmeaustausch beteiligte Strömungsmedium einmünden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines solchen Wärmetauschers ist er mit Mitteln zur Aufhängung jedes der zu ebenen Schlangen gebogenen Umlaufrohre an dem Deckel versehen und sind die Eingangs- und die Ausgangssammler für das erste am Wärmeaustausch beteiligte Strömungsmedium gleichfalls fest mit dem Deckel verbunden.

Eine solche Anordming gestattet es, nach Trennung des Deckels von dom Behälter die Gesamtheit der zu ebenen Schlangen gebogenen Rohre aus der rechteckigen Hülle herauszuzlohon, wobei diese Rohre fest mit dem Deckel verbunden bleiben. Vor dieser Maßnahme ist es erforderlich, das zweite Strömungsmedium, das im allgemeinen aus Natrium besteht, aus dem Behälter abzulassen. Außerdem stehen die Sammler iür das erste Strömungsmedium nicht unter c.em Druck des zweiten Strömungsmediums.

Der gesamte mit Natrium beheizte Dampferzeuger besteht mit Vorteil aus einer bestimmten Anzahl von einzelnen neuerungsgemäßen Wärmetauschern, die in Serie oder parallel zusammengeschaltet sind. Diese einzelnen Wärmetauscher, deren Anzahl mit der Gesamtleistung des Dampferzeugers variiert, können gegebenenfalls zu ihrer Reparatur isoliert werden.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Fig. 1 und 2 eine besondere Ausführungsform für einen neuerungsgemäßen Wärmetauscher beschrieben. Diese Beschrei-

bung ist jedoch lediglich als Beispiel zu verstehen und hat keinerlei einschränkende Wirkung für den Bereich der Neuerung.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen neuerungsgemäßen Wärmetauscher; und

Fig. 2 ist ein Querschnitt entsprechend der Schnittlinie A-A in Fig, I.

Der beschriebene und gezeichnete einzelne Wärmetauscher bildet einen Teil eines Dampferzeugers, der als Heizflüssigkeit flüssiges Natrium verwendet, welches das sekundäre Kühlmittel eines mit schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktors darstellt. Dieses sekundäre Kühlmittel seinerseits wird durch Wärmeaustausch mit dem Hauptkühlmittel des Reaktors aufgeheizt, das ebenfalls aus flüssigem Natrium besteht. Der Dampferzeuger wird mit Wasser gespeist, das nacheinander durch Wärmeaustausch mit dem flüssigen Natrium, das im Gegenstrom zu dem Wasser oder dem Dampf umläuft, vorgewärmt, verdampft und schließlich überhitzt wird.

Der Dampferzeuger besteht aus einer bestimmten Anzahl von einzelnen Wärmetauschern, die sämtlich dem im folgenden beschriebenen ähneln. Jeder dieser einzelnen Wärmetauscher besitzt die gesamten Armaturen, die notwendig sind, um ihn sowohl auf der Seite des Natriums als auch auf der Seite aes Wassers zu isolieren. Außerdem bildet jeder einzelne Wärmetauscher entweder einen Vorwärmer und Verdampfer oder einen Überhitzer. Auf diese Weise wird es möglich, für die beiden Typen von Wärmetauschern verschiedene Materialien zu benutzen, wobei man das edlere

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Material den Überhitzern vorbehält, in denen sich das Natrium auf einer höheren Temperatur befindet als in den Vorwärmern und Verdampfern. Der komplette Dampferzeuger kann außerdem einen oder mehrere Zwischenüberhitzer aufweisen, die in gleicher Weise aus einzelnen, den zuvor beschriebenen Wärmetauschern analogen Wärmetauschern, aufgebaut sind.

Wie dies die folgende Beschreibung erkennen läßt- ist ein einzelner, in den Fig. 1 und 2 dargestellter Wärmetauscher in solcher Weise gebaut, daß

sich unterschiedliche Ausdehnungen frei vollziehen können,

jedes Austauscherrohr an seinen Enden frei zugänglich ist,

der Einsatz von Rohrplatten vermieden bleibt, deren dichte Verbindung mit den Rohren schwierig wäre,

die Vorrichtung, mindestens was das Natrium anlangt, entleerbar ist.

Vor allem ist der Wärmetauscher jedoch so aufgebaut, daß er sich für den Fall eines Unfalles leicht ausbauen läßt, oder daß man, wenn die Folgen des Unfalls lokal begrenzt geblieben sind, bestimmte Austauscherrohre isolieren kann.

Dieser Wärmetauscher besteht aus einem Behälter 1, der darin umlaufendes Natrium enthält, in das die Rohre 2 eintauchen, die Wasser in flüssiger oder in Dampfform ent-

kalten. Die Rohre 2 sind in einer großen Anzahl von vertikalen TaTeIn angeordnet, innerhalb deren jedes Rohr zu einer ebenen Schlange abgebogen ist. In dem besonderen beschriebenen und gezeichneten FaJLl weist jede Tafel zwei Rohre 2 auf, deren Schlangen ineinander eingeschachtelt sind. Es gibt jedoch selbstverständlich zahlreiche Abwandlungen. Insbesondere kann jedes Rohr mit einem zweiten, dazu parallelen Rohr hinterlegt sein, so daß jede Tafel daim ?lgr Seiilangen aufweist, Ebenso können die Rohre von einer Tafel zur anderen gegeneinander versetzt sein oder nicht.

Die Gesamtheit der Tafeln bildet einen Block mit quadratischem Querschnitt (oder im allgemeinen Fall mit rechteckigem Querschnitt), der sich in eine vertikale Hülle h gleicher Form einfügt. Diese Hülle h mit quadratischem Querschnitt ist einem zylindrischen Behälter 1 eingeschrieben, der einen Kranz 6 aufweist, über den er sich entlang seines gesamten Umfanges auf einen Tragring 7 abstützt, der fest mit dem Behälter 1 verbunden isto In gleicher Weise wird die Hülle k am unteren Ende des Behälters 1 zentriert gehalten.

Außen ist der zylindrische Behälter 1 mit Winkelblechen 8 versehen, über die er sich auf ein geeignetes Gerüst abstützen kann, das alle £en Dampferzeuger bildenden einzelnen Wärmetauscher aufnimmt. Außerdem besitzt der zylindrische Behälter 1 Linlaß- und Auslaßöfιnungon für flüssiges Natrium. Zwei einander diametral gegenüberliegende Einlaßöffnungen 10 liegen auf einem um ein Geringes oberhalb des Stützringes 6 gelegenen Niveau, und die Auslaßöffnung 11 befindet sich am Boden des Behälters 1.

An seinem oberen Teil wird der Behälter 1 durch einen

glockenförmigen Deckel 12 abgeschlossen. Der Deckel 12 weist einen .unteren zylindrischen Teil auf, der mit dem Behälter 1 über Flansche 13 verbunden ist, die miteinander verschweißbare Lippen aufweisen und durch einen Kranz von Bolzen zusammengehalten werden. An seinem oberen Ende ist der Deckel 12 mit eii*er Berstscheibe Ik versehen, welche die Sicherheit für den Fall eines plötzlichen Überdruckes in dem Wärmetauscher gewährleistet. Außerdem enthält der Deckel alle einzelnen Zu- und Ableitungen 15 für das Wasser oder den Dampf.

Die Gesamtheit der Rohre 2 ruht auf einer Vorrichtung, die eine freie Ausdehnung sowohl der Gesartheit der Rohre gegenüber dem Behälter 1 als auch der einzelnen Tafeln gegeneinander zuläßte Diese Vorrichtung gestattet in gleicher Weise tiie Ausschaltung eventueller Schwingungen unter der Einwirkung des Durchflusses der Strömungsmedien. Diese Vorrichtung weist zivei Gruppen von vertikalen Zugstäben 16 auf, deren gegenseitiger Abstand durch gleichmäßig verteilte Abstandsstücke aufrechterhalten wird, auf die sich die verschiedenen Schleifen aus den schlangenförmigen Rohren 2 abstützen. Über die Zugstäbe 16 hängt die Gesamtheit der Rohre 2 an zwei Querbalken 18, deren Enden auf Konsolen 19 ruhen, die fest mit dom Deckel 12 (siehe Fig. 2) verbunden sind.

Jedes der schlangenförmigen Rohre 2 setzt sich an beiden Enden in vertikalen geradlinigen Rohren 20 oder bis zu den Zuleitungen 15 in dem Deckel 12 fort. Die geradlinigen Rohre 21, die im Innern der Hülle k bis zum unteren Ende der schlangenförmigen Rohre 2 durchlaufen, sind außen mit konzentrischen metallischen Hüllen 22 versehen, die einen störenden Wärmeaustausch zwischen der Heizflüssigkeit und der beheizten Flüssigkeit verhindern*

Verbindungsrohre Zh mit geringem Durchmesser liegen außerhalb dos Deckels 12 den Leitungen 15 radial in bezug auf den zylindrischen Teil des Deckels 12 gegenüber und verbinden die Leitungen 15 mit Sammlern 25 bzw. 26 für die Einspeisung des ¥assers bzw. die Ableitung des Dampfes. Diese Sammler sind ringförmig und verlaufen übereinander rund um den Deckel 12. Sie sind mit Hilfe eines Gerüstes 28 an dem Deckel abgestützt« Außerdem ist jeder Sammler üb^r in der Fig. 2 eingezeichnete öffnungen an ein Verteilernetz angeschlossen«

Die Flußrichtung der Strömuxigsmedien in dem beschriebenen Wärmetauscher ist so festgelegt, daß man einen geregelten Wärmeaustausch erhält. Das flüssige Natrium tritt durch die beiden einander diametral gegenüberliegenden Öffnungen 10 in den Behälter 1 ein, überwindet die von dem oberen Ende der quadratischen Hülle h gebildete Ablaufschwelle, durchfließt das Bündel der Rohre 2 von oben nach unten, sammelt sich dann am Boden des Wärmetauschers an und wird über die untere zentrale Bohrung 11 abgeführt. Durch die Ausrichtung des Kranzes 6 an der quadratischen Hülle h auf den inneren Tragring 7 in dem Behälter Ί wird eine angenähertes Abdichtung erzielt, und diese genügt, um einen unmittelbaren Umlauf des flüssigen Metalls in dem Raum zwischen der Hülle h und dem Behälter 1 zu verhindern und demzufolge ein Bespülen der Rohre 2 zu erzwingen.

Das f3.üssdge Natrium füllt den Innenraum des Wärmetauschers nicht vollständig aus, im Gegenteil stellt sich unterhalb der oben erwähnten Ablaufschwelle eine freie Flüssigkeitsoberfläche ein. Der Raum oberhalb dieser freien Flüssigkeitsoberfläche wird von einem Gas eingenommen,

das sich gegenüber dem flüssigen Natrium che-ilsch noutral verhält, z. B. von Argon, Eine solche Anordnung bietet den Vorteil, daß das in der Vorrichtung in Betrieb befindliche Volumen an flüssigem Metall begrenzt wird und daß eine Benetzung der Eintritts- und Austrittsöffnungen für das Wasser und für den Dampf mit dem flüssigen Metall vermieden bleibt. Außerdem liegt die freie Fiüssigkeitsoberi'läche unterhalb der Trennfuge zwischen dem Deckel 12 und dem Behälter 1. Diese Trennfuge liegt also in einer inerten Gasatmosphäre und taucht niemals In flüssiges Natrium ein. Ebenso verhält es sich mit der Berstscheibe 14.

Das aufgeheizte Strömungsmedium, das aus Wasser oder aus Dampf besteht, wird durch einen ringförmigen Sammler 25 auf die verschiedenen Rohre 2 verteilt. Es fließt durch ;! die geradlinigen und umhüllten Rohre 21 bis in den unte

ren Teil des Austauscherrohrbündels nach abwärts und steigt anschließend in den Rohrschlangen 2 nach oben, wobei es sich erhitzt. Das heiße Strömungsmedium verläßt das Austauscherbündel über die geradlinigen Rohre 20, die mit den oberen Verbindungsrohren 2k verbunden sindo Auf diese Weise durchquert es den Deckel 12 des Behälters 1 und findet in dem ringförmigen Sammler 26 Aufnahme.

Der individuelle Austritt der Verbindungsrohre 24 aus dem Behälter 1 oder genauer aus dem Deckel 12 gestattet es, ohne weiteres irgendein beliebiges der Rohre 2 zu isolieren, wenn ein örtlicher Bruch aufgetreten ist. Außerdem läßt sich die gesamte Vorrichtung leicht ausbauen, um einen Zugang zu den Austauscherrohren 2 selbst zu erhalten, wenn dies beispielsweise zur Ersetzung einer oder mehrerer Tafeln notwendig sein solltet, Dazu genügt es, die Verbindung zwischen dem Behälter 1 und dem Deckel 12

aufzuschweißen und die Gesamtheit der Rohre 2 aus der Hülle h herauszuziehen, wobei man gleichzeitig die Sammler für das Wasser und den Dampf mit dem Deckel 12 mitnimmt.

Selbstverständlich ist die Neuerung in keiner Weise auf die oben lediglich beispielshalber beschriebene Ausführungsform Beschränkt, sie erstreckt sich im Gegenteil auch auf alle Abwandlungen, die im Rahmen mechanischer Äquivalente vorbleiben.

Claims

Schutzansprüche

1. ¥ärmetauscher, insbesondere Tür den Wärmeaustausch, zwischen zwei in Gefahr bringender ¥_eise miteinander reagierenden Flüssigkeiten, wie flüssiges Natrium und Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Mehrzahl von zu in parallelen Ebenen liegenden Schlangen abgebogenen Umlaufrohren (20) für ein erstes an Wärmeaustausch beteiligtes Strömungsmedium und eine längsgestreckte Hülle (k) von rechteckigem Querschnitt besitzt, welche die Umlaufrohre (20) umgibt und sich ihrerseits in einem zylindrischen Behälter (i) befindet, in dem beiderseits einer den Behälter (i) und die Hülle (4) miteinander - srbindenden, im wesentlichen abgedichteten Querwand (6, 7) Zu- una Abführungsleitungen für ein zweites am Wärmeaustausch beteiligtes Strömungsmedium einmünden, welcher Behälter (i) an seinem oberen Ende mit einem auswechselbar angeschweißten Deckel (12) verschlossen ist-, den die Umlaufrohre (20) mit ihren beiden Enden durchsetzen, die außerhalb des Deckels (l2) in einen Eingangssammler bzw. in einen Ausgangssammler für das erste am Wärmeaustausch beteiligte Strömungsmedium einmünden.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Mitteln zum Aufhängen jedes der £u ebenen Schlangen gebogenen Umlaufrohre (20) an dem Deckel (12) versehen ist und daß die Eingangs- unu die Ausgangssammler für das erste am Wärmeaustausch beteiligte Strömungsmedium gleichfalls fest mit dem Deckel verbunden sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite am Wärmeaustausch beteiligte

Strömungsmedium im Betrieb eine freie Oberfläche aufweist, die im Innsni des zylindrischen Behälters unterhalb der Schweißnaht zwischen Behälter und Deckel liegt und oberhalb der eine inerte Gasatmosphäre herrscht.