ITRM20110014A1 - Sottoassieme modulare msu per la realizzazione di scambiatori di calore di processo e generatori di vapore e relativi accessori - Google Patents

Description

1.3 DESCRIZIONE

Premesso che la tecnologia degli elementi scaldanti o scaldati (in seguito definiti come EEU, ovvero "unità elementari di scambio”) non è oggetto del presente brevetto, è tuttavia necessario, ai fini della comprensione dell’invenzione, inquadrarli nel loro ambito di impiego. Una singola EEU costituisce una unità di scambio termico autonoma, di forma cilindrica (solitamente con un rapporto altezza/diametro molto elevato), in cui le penetrazioni (ingresso e uscita) del fluido secondario e di eventuali sensori sono alloggiate ad un'estremità dell’elemento stesso (quella superiore, la stessa per cui l'elemento viene appeso). Tali elementi, in numero anche di molte migliaia, sono immersi nel fluido primario che viene raffreddato (o scaldato) dal flusso termico che attraversa la superficie esterna degli elementi stessi. Il vantaggio nel loro uso scaturisce dalla modularità del concetto che garantisce elevate economie di scala anche in presenza di requisiti di sicurezza estremamente stringenti. La tipologia di scambiatore che viene realizzata con tali elementi, in genere indicata come una soluzione di tipo "pool'', prevede dunque un vasto recipiente (“tanca”) in cui viene fatto circolare il fluido primario, e una “selva" di elementi scambianti, appesi al coperchio (o struttura consimile) e immersi per la gran parte nel fluido primario. I circuiti idraulici degli elementi scambianti, percorsi dal fluido secondario, sono collegati in parallelo mediante un adeguato numero di collettori. Il concetto di questo tipo di scambiatori è riportato nella Tavola 1. Uno scambiatore di tipo “pool”, specie se realizzato con molti elementi di scambio termico, è tuttavia caratterizzato da un'ampia indeterminazione sulla tipologia e distribuzione dei flussi del fluido primario. In sostanza, a meno di non adottare un complesso schema di setti (“baffles”) che parzialmente vanifica il vantaggio economico della modularità, non è possibile ottenere che le EEU siano investite dalla stessa portata di fluido primario, né che le modalità di scambio (es. “parallel-flow”, “mixed-flow", “cross-flow”) siano le medesime per ognuna di esse. Ciò penalizza la prestazione dello scambiatore in regime stazionario, e introduce un forte elemento di instabilità durante i transitori. Dal punto di vista meccanico (assemblaggio, manutenzione, smantellamento) vi è poi il problema della integrazione delle singole EEU all'interno dello scambiatore. Come già detto, questi elementi possono essere alcune migliaia, e il loro montaggio, cioè il collegamento alla struttura di supporto comune, ma soprattutto ai collettori idraulici del fluido secondario, può costituire un compito difficile (poco spazio dovuto alla presenza dei collegamenti degli elementi contigui), costoso, e di difficile controllabilità (l’esecuzione delle saldature di collegamento richiedere analisi con liquidi penetranti, ultrasuoni, o raggi X). Scopo della presente invenzione è superare i suddetti problemi mediante l’introduzione di unità modulari le cui caratteristiche salienti sono così riassunte:

• raggruppano un ugual numero di elementi scambianti (EEU),

• implementano un sistema di distribuzione e canalizzazione del fluido primario,

• implementano dei collettori locali per il fluido secondario, in modo da ridurre a due (ingresso e uscita) i tubi di collegamento con il-resto del sistema,

• nello specifico caso di impiego di elementi di tipo “CANDLE”, implementano anche i sistemi di supporto a recupero di dilatazione termica, e il sistema di limitazione della propagazione dei fuochi di sodio (vedi dopo).

L’invenzione è stata sviluppata in ambito nucleare, e specificamente durante l’elaborazione di un concetto di generatore di vapore in cui il fluido primario scaldante è sodio liquido, che non deve assolutamente entrare in contatto (ovviamente a seguito di rotture nel generatore) con il fluido secondario (acqua in pressione), pena lo sviluppo di reazioni sodio-acqua, pericolose perché fortemente esoenergetiche. Nella fattispecie, è stata proposta una soluzione di scambiatore di tipo “pool”, con elementi scambianti di tipo “CANDLE” (oggetto di un precedente brevetto), dei quali è, per il momento, sufficiente dire che realizzano un concetto di “doppia parete” di separazione del sodio dall'acqua. Congiuntamente alla ideazione dell’unità modulare (di per sé applicabile in un ambito molto più vasto di quello in cui l’idea è nata), sono stati sviluppati due concetti, anch’essi oggetto del presente brevetto, specifici dell'integrazione delle CANDLE nella MSU, che riguardano la limitazione della propagazione dei fuochi di sodio eventualmente sviluppati dalla rottura di una CANDLE, e il sistema di supporto meccanico con recupero dell’espansione termica, dei tubi del fluido secondario (interni alla CANDLE). La descrizione è articolata in tre sezioni, afferenti i tre concetti oggetto di rivendicazione, che sono:

<•>MSU

• Sistema di compensazione delle dilatazioni termiche differenziali

• Sistema di limitazione della propagazione dei “fuochi di sodio”

1.3.1 Descrizione della MSU

Il sottoassieme di seguito descritto (MSU) è destinato alla realizzazione di scambiatori di calore o generatori di vapore di tipo “Pool” (vedi Tavola 1), in cui si impiegano molteplici EEU, sui genere di quelle illustrate nella Tavola 2. Un esempio di MSU (lèttera A) è riportato nella Tavola 3. I componenti essenziali della MSU sono i seguenti:

• cassetta di distribuzione del fluido primario (lettera B),

• foderi (lettera C).

Il sistema è dunque costituito da un due fasci di EEU alloggiate all’interno dei rispettivi foderi (C), e da una cassetta superiore di distribuzione del fluido primario (B). La presenza di un doppio fodero, e quindi del doppio fascio di EEU, è funzionale alle esigenza di ampliare l'area di competenza del sottoassieme, e verrà illustrata più avanti. Lo scopo della cassetta di distribuzione è illustrato nella Tavola 4. Nell'immagine superiore (lettera D) è schematicamente rappresentato il deflusso del fluido primario che, penetrando attraverso il foro laterale (lettera G), percorre il meato fra fodero (lettera H) e cassetta (lettera I), e penetra nei due foderi attraverso le apposite aperture (lettera F). La posizione e la disposizione simmetrica di tali aperture assicura una sostanziale eguaglianza delle perdite di carico fra l’ingresso nel sottoassieme (lettera G) e gli ingressi nei due foderi (lettera F), e quindi una equipartizione delle portate di fluido primario fra i due fasci di EEU. La funzione dei foderi è illustrata nella tavola 5. Come anticipato nella introduzione, uno degli inconvenienti della disposizione “Pool" scaturisce dalla indeterminazione dei deflussi di fluido primario, ma, con l'adozione di sottoassiemi dotati di foderi, dopo una limitata zona di transizione (lettera J), il deflusso dovrà necessariamente stabilizzarsi in direzione verticale (lettera K). Si darà ora ragione della scelta del sistema a doppio fodero (quindi a due fasci di EEU). Uno scambiatore di calore o del generatore di vapore di tipo “Pool”, che impieghi le MSU a doppio fodero consente di predisporre gli ingressi del fluido primario sulla periferia della tanca, lasciando spazio, nella zona centrale, alla raccorderia del fluido secondario. Nelle figure della Tavola 6 è illustrato il concetto, così come è stato implementato nel progetto di un generatore di vapore che impiega sodio liquido come fluido primario. Il generatore (prospetto e sezione) è visibile alla lettera (L). Dalla vista superiore (lettera M) e dallo schema óorrispondehte (lettera N) si comprende come siano state disposte le MSU, e come gli ingressi del sodio primario siano in posizione periferica, come confermato dalla vista (lettera O) del sistema di tubazione di adduzione (anello inferiore) del sodio. Per completezza va detto che nella applicazione appena citata è stato necessario introdurre anche quattro MSU speciali, ad un solo fodero (quelle ai quattro angoli della figura N), per "riempire” meglio lo spazio a disposizione nella tanca, che è, ovviamente, circolare.

1.3.2 Descrizione del sistema di recupero delle dilatazioni termiche differenziali

Con riferimento al caso in cui il tipo di EEU impiegato nella MSU sia di tipo “CANDLE” (vedi Tavola 2), è stato ideato un dispositivo, concettualmente integrabile nella MSU, che consente di sostenere il peso di ciascuno dei tubi ad “U”, consentendo, al tempo stesso, la dilatazione termica differenziale della “gamba calda” (ramo ascendente) rispetto alla gamba fredda (ramo discendente), nonché la dilatazione termica di modo comune (derivante dal fatto che la temperatura media di esercizio del tubo ad “U” è solitamente molto diversa da quella al montaggio). Nella gamba fredda il fluido secondario (tipicamente acqua) discende e si preriscalda, mentre nel tratto ascendente vaporizza e si surriscalda. Le temperature medie dei due rami sono dunque differenti, e la loro differenza, moltiplicata per il coeffidente di dilatazione termica del materiale del tubo, e per lo sviluppo verticale del tubo stesso (molti metri), determina una dilatazione differenziale che può raggiungere il valore di alcuni centimetri. Vincolando le due estremità del tubo ad "U” alla sommità della CANDLE (adottando, insomma, una sorta di tappo forato), succederebbe quanto illustrato nella illustrazione alla lettera P della Tavola 7, cioè la distorsione e il contatto del tubo ad “U” con la parete interna della contenimento esterno dalla CAN-DLE, con tutto quanto consegue in termini di sollecitazioni meccaniche dell'Intero sistema. La soluzione ideata prevede invece che non vi sia un collegamento meccanico fra estremità del tubo ad "LT e tappo della CANDLE (è necessario anzi lasciare un gap per consentire lo scorrimento, come illustrato alla lettera Q), e che il supporto del tubo sia delegato ad una leva di compensazione (lettera R) di primo genere. Il sistema descritto consente di "assorbire” sia le dilatazioni termiche differenziali fra gamba calda e fredda (riportate nella parte superiore dell'immagine alla lettera Q), sia la dilatazione termica di modo comune (riportate nella parte inferiore dell'immagine alla lettera Q). L’implementazione del sistema è possibile a livello di singolo tubo, ma, in termini pratici, considerando che i tubi delle CAN-DLE di una MSU lavorano in condizioni termiche simili, è possibile, e molto più semplice, applicarlo ai collettori a cui i tubi stessi si connettono. Nella tavola 8 è illustrato (lettera S) uno dei fasci che costituiscono la MSU, nonché un “rango’’ di EEU (lettera T) che condividono un singolo collettore di mandata ed uno di ritorno. Nelle figure alla lettera U è illustrata l’applicazione del sistema di recupero in cui la leva (o un sistema di leve in parallelo) sostiene i due collettori (quello con la sezione minore per l'alimentazione delle gambe fredde, quello con la sezione maggiore per la raccolta del vapore prodotto nelle gambe calde), anziché i singoli tubi. Va poi sottolineato che, pur avendo, per ragioni di chiarezza espositiva, sempre illustrato casi di tubi o collettori sospesi (per esempio mediante tiranti) alla leva di compensazione, lo stesso identico principio si applica al caso di tubi o collettori sostenuti dal basso, secondo lo schema riportato alla lettera V. Vi è, infine, una considerazione sui bracci della leva di compensazione: con il fulcro in posizione centrale l'escursione verticale della gamba calda e fredda sono, almeno teoricamente, uguali ed opposte, mentre spostando la posizione del fulcro è possibile variare tali escursioni privilegiando Cuna o l’altra (si vedano gli schemi alla lettera W) in funzione della flessibilità attesa delle linee di collegamento ai collettori.

1.3.3 Descrizione del sistema di limitazione della propagazione dei “fuochi di sodio” Sempre con riferimento al caso in cui il tipo di EEU impiegato nella MSU sia di tipo "CANDLE” (vedi Tavola 2), è stato ideato un sistema di sicurezza che si integra nel tappo della CANDLE medesima, con le seguenti funzionalità:

■ consentire il libero scorrimento verticale dei tubi ad "U” (secondo quanto esposto nella precedente sezione “Descrizione del sistema di recupero delle dilatazioni termiche differenziali”), .· realizzare una parziale barriera per prevenire o limitare la propagazione dei "fuochi di sodio”, • consentire l'accesso al volume interno dèlia CANDLE per scopi che vanno dal riempimento, rabbocco, o svuotamento del sodio, alle operazioni ISI (“In Service Inspection”).

Il sistema consta di:

■ tenuta a labirinto (tavola 9, lettera X), che permette lo scorrimento del tubo rispetto al tappo, e che, pur non realizzando una tenuta assoluta, introduce una “via di difficile accesso” (forte perdita di carico) ai gas che fossero indotti a penetrarvi

• disco di rottura (tavola 9, lettera Y), con funzione di limitazione della pressione massima raggiungibile all'interno della CANDLE. Il disco è rimovibile (è fissato con una ghiera filettata) per consentire rabbocchi/svuotamenti o operazioni ISI.

Come già accennato nella introduzione, il concetto di CANDLE prevede che il fluido primario (sodio liquido) lambisca la parete esterna della CANDLE che, scaldandosi, trasferisce calore alla massa di sodio stagnante contenuta all'interno. È questo sodio stagnante, fisicamente separato da quello primario, a scaldare i tubi ad “U” (solitamente in numero di 3) in esso immersi (si vedano le tavole 2 e 9), in cui avviene la generazione di vapore. L'eventuale rottura di un tubo ad “U" produrrebbe, si, l'innesco di violente reazioni sodio (stagnante) - acqua, ma queste rimarrebbero confinate nel volume interno alla CANDLE, delimitato dall'involucro (lettera AB) e dal tappo della CANDLE (lettera AA) (che è progettato per resistere a tale evento), senza interessare il sodio primario. Per prevenirne un'eccessiva pressurizzazione, la miscela di acqua, idrogeno, sodio, idrossidi prodotta dalle reazioni deve però essere lasciata "sfogare” nel plenum (volume superiore, debolmente pressurizzato con Argon, del generatore di vapore) che sovrasta tutte le CANDLE. È, a questo punto, prioritario impedire che l'acqua (che continua ad uscire, in forma di miscela bifase, dal tubo rotto) entri in diretto contatto con il sodio primario (ma a ciò è preposto un altro sistema di isolamento qui non descritto), o con il sodio stagnante presente nelle altre CANDLE. Questa funzióne è espletata dal sistema di tenuta a labirinto (lettera X) e dal disco di rottura (lettera Y) assicurato nella corretta posizione da una apposita ghiera filettata (lettera Z). In seguito alla pressurizzazione della CANDLE la miscela dei prodotti di reazione in parte sfogherà attraverso la tenuta a labirinto che però (a causa della elevata perdita di carico che realizza) potrebbe non bloccare la crescita della pressione interna, che verrebbe comunque limitata dalla rottura del disco, di rottura appunto, preposto allo scopo. La miscela incendiaria invaderà a questo punto il plenum, diluendosi, raffreddandosi, e perdendo pressione, ma non troverà facile strada verso il sodio stagnante contenuto nelle altre CANDLE, perché per farlo dovrebbe ripercorrere all’indietro le tenute a labirinto. Il poco vapore d'acqua che dovesse penetrare, reagendo con il sodio stagnante in una CANDLE non danneggiata, produrrebbe un minimo di prodotti di reazione (il quantitativo è legato al solo vapore entrante, perché si sta parlando di una CANDLE sana, che non rilascia acqua al suo interno) che pressurizzerebbero la CANDLE stessa, inibendo ulteriore rientri di vapore.

Claims (2)

1. RIVENDICAZIONI Il Sottoassieme Modulare (MSU) che aggrega più Unità Elementari di Scambio (EEU), costituito dalla cassetta di distribuzione del fluido e dai due foderi verticali, che consente la realizzazione di scambiatori di calore di processo e generatori di vapore a flusso primario definito, con rilevante semplificazione delle operazioni di montaggio, manutenzione, smantellamento.
2. 2. Il sistema di recupero delle dilatazioni termiche differenziali, specificamente applicabile al caso in cui le EEU da integrare nella MSU siano di tipo “CANDLE”, che consente la libera dilatazione dei tubi ad “U”, prevenendo le deformazioni e le sollecitazioni derivanti dalle differenze delle temperature medie della gamba calda e della gamba fredda. Il sistema di limitazione della propagazione dei “fuochi di sodio”, anch’esso specificamente applicabile al caso in cui le EEU da integrare nella MSU siano di tipo “CANDLE”, che consente lo scorrimento verticale dei tubi ad “U” (implementazione pratica di un requisito funzionale di cui al precedente punto 2), la limitazione della pressione interna alla “CANDLE” in caso di incidente di rottura del tubo ad “U”, la limitazione dei rientri di vapore nelle CANDLE non danneggiate.