JP6487290B2 - 凝縮器および冷却システムと運転方法 - Google Patents

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Description

本発明は、伝熱管内に冷媒を流して伝熱管外表面で凝縮性ガスを凝縮させる凝縮器、それを用いた冷却システムおよびその運転方法に関する。
一般的な凝縮器は、必要な除熱量に対して伝熱管本数および長さが決められている。非凝縮性ガスを含む混合ガスの凝縮では、非凝縮性ガスの濃度が高いほど熱伝達率が低下するため、一定の除熱量に対し伝熱管本数および長さを増やす必要がある。一般的には、ある決まった非凝縮性ガス濃度に対して凝縮器は設計される。
熱交換器では、冷媒の流量により除熱量を調整することができる。
特許文献１に記載された技術では、複数種類の温度調整対象物の温度を適切に調整するために、熱交換器の前で冷媒が通る配管を分岐させ、分岐した一方の配管に配置された流量調整弁により、各熱交換器への冷媒の分配量を調整している。
特開２０１４−３４３０１号公報
ところで、冷却システムにおいて、除熱対象の非凝縮性ガス濃度が大きく変化した場合、除熱量も大きく変化する。ある特定の非凝縮性ガス濃度で設計した凝縮器では、非凝縮性ガス濃度が大きく低下した場合、除熱量が大きくなる。
一般に、凝縮器で除熱した熱は、外部に放出するための外部熱交換器に運ばれる。除熱量が大きくなると、凝縮器出口から外部熱交換器入口の間の冷媒温度が上昇する。この場合、冷却システムを高温対応の仕様にする必要があるとともに、外部熱交換器の伝熱面積を増加させるため外部熱交換器が大型化しコストが増加する。例えば、循環ポンプのシール部分等を高熱対応とする必要があり、冷却システム全体のコストアップとなる。
また、原子力プラントの過酷事故時の格納容器冷却に凝縮器を用いる場合、電源を利用しないで凝縮器で蒸気を凝縮させるのが望ましい。冷却システムに非凝縮性ガスを含む場合、凝縮器内部と外部のガス密度との差で駆動力が発生し混合ガスの自然循環が生じる。この駆動力を大きくすると、多くの混合ガスが凝縮器に流入し、除熱量を確保することができる。
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、凝縮器での除熱量を調整して熱交換器に流入する冷媒温度を規定温度以下に維持してコスト増大を抑制可能な冷却システム、自然循環による混合気流入流量を増大可能な凝縮器および冷却システムの運転方法を実現することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は次のように構成される。
冷却システムにおいて、熱交換器と、非凝縮性ガスを含む凝縮性ガスを凝縮させる凝縮器と、上記熱交換器の冷媒出口と上記凝縮器の冷媒入口とを接続する入口側配管と、上記凝縮器の冷媒出口と上記熱交換器の冷媒入口とを接続する出口側配管と、上記入口側配管から上記凝縮器の上記冷媒入口付近の上記入口側配管の分岐部から分岐するバイパス配管と、上記出口側配管と上記バイパス配管とに接続され、上記凝縮器の冷媒出口から流出した冷媒と上記バイパス配管から供給された冷媒とを混合し、上記出口側配管を介して上記熱交換器の冷媒入口に供給するミキサと、上記入口側配管から上記凝縮器の冷媒入口に流入する冷媒の流入量と上記バイパス配管への冷媒の流入量とを調整する流量調整機構とを備え、
上記流量調整機構は、上記凝縮器の冷媒入口と上記分岐部との間に配置される凝縮器入口側流量調整バルブと、上記バイパス配管に配置されるバイパス側流量調整バルブとを有し、上記出口側配管内に冷媒温度を計測する温度計を配置し、この温度計の計測した温度が目標温度よりも高い場合には、上記入口側流量調整バルブを絞り、上記バイパス配管の流量調整バルブを開き、上記温度計の計測した温度が目標温度よりも低い場合には、上記入口側流量調整バルブを開き、上記バイパス配管の上記流量調整バルブを絞るように制御する。
また、熱交換器と、非凝縮性ガスを含む凝縮性ガスを凝縮させる凝縮器と、上記熱交換器の冷媒出口と上記凝縮器の冷媒入口とを接続する入口側配管と、上記凝縮器の冷媒出口と上記熱交換器の冷媒入口とを接続する出口側配管と、上記入口側配管から上記凝縮器の上記冷媒入口付近の上記入口側配管の分岐部から分岐するバイパス配管と、上記出口側配管と上記バイパス配管とに接続され、上記凝縮器の冷媒出口から流出した冷媒と上記バイパス配管から供給された冷媒とを混合し、上記出口側配管を介して上記熱交換器の冷媒入口に供給するミキサと、上記入口側配管から上記凝縮器の冷媒入口に流入する冷媒の流入量と上記バイパス配管への冷媒の流入量とを調整する流量調整機構と、を備え、上記流量調整機構は、上記凝縮器の冷媒入口と上記分岐部との間に配置される凝縮器入口側流量調整バルブと、上記バイパス配管に配置されるバイパス側流量調整バルブとを有する冷却システムの運転方法において、上記冷却システムの上記出口側配管内に冷媒温度を計測する温度計を配置し、この温度計の計測した温度が目標温度よりも高い場合には、上記入口側流量調整バルブを絞り、上記バイパス配管の流量調整バルブを開き、上記温度計の計測した温度が目標温度よりも低い場合には、上記入口側流量調整バルブを開き、上記バイパス配管の上記流量調整バルブを絞るように制御する。
本発明によれば、凝縮器での除熱量を調整して熱交換器に流入する冷媒温度を規定温度以下に維持してコスト増大を抑制可能な冷却システム、自然循環による混合気流入流量を増大可能な凝縮器および冷却システムの運転方法を実現することができる。
本発明の第１実施例に係る冷却システムを沸騰水型原子力プラントに適用した場合の一構成例を表す概要図である。 凝縮器の伝熱管入口からミキサの出口までの冷却水の温度変化を示すグラフである。 本発明の第２実施例に係る冷却システムを沸騰水型原子力プラントに適用した場合の一構成例を表す概要図である。 本発明の第２実施例における凝縮器の伝熱管入口からミキサの出口までの冷却水の温度変化を示すグラフである。 本発明の第２実施例における凝縮器の伝熱管入口からミキサの出口までの冷却水のエンタルピの変化を示すグラフである。 本発明の第２実施例の変形例を示す図である。 本発明の第３実施例に係る冷却システムを沸騰水型原子力プラントに適用した場合の一構成例を表す概要図である。 本発明の第４実施例に係る冷却システムに適用する凝縮器の構成を示す概略図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
（第１実施例）
（構成）
図１は、本発明の第１実施例に係る冷却システムを沸騰水型原子力プラントに適用した場合の一構成例を表す概要図である。
図１に示すように、本発明の第１実施例に係る冷却システムは、原子炉格納容器５０内に設置される凝縮器１と、この凝縮器１で除熱された熱を外部に放出する外部熱交換器８とを有する。凝縮器１と外部熱交換器８は、熱交換器８の冷媒出口から凝縮器１の冷媒入口へ冷媒（冷却水）を運ぶ入口側配管２と凝縮器１の冷媒出口から流出した冷媒を外部熱交換器８の冷媒入口へ運ぶ出口側配管３とで接続されている。
入口側配管１および出口側配管３を通して冷媒を循環させる冷却水ポンプ７が出口側配管３に設置されている。また、入口側配管２は凝縮器１の手前で分岐されるバイパス配管１２が設けられている。バイパス配管１２は出口側配管３に設けられたミキサ（混合器）４に接続されている。入口側配管２の分岐部から凝縮器１の冷媒入口までの間には、凝縮器１への冷媒の流量を調整するための流量調整バルブ（凝縮器入口側流量調整バルブ）５が設置され、バイパス配管１２には、バイパス配管１２の冷媒の流量を調整するための流量調整バルブ（バイパス側流量調整バルブ）６が設置されている。
また、出口側配管３のミキサ４から外部熱交換器８までの間には、冷却水ポンプ７が設置され、この冷却水ポンプ７から外部熱交換器８までの間には出口側配管内の冷媒温度を計測する温度計２１が設置されている。
外部熱交換器８には、冷却水供給ポンプ９により冷媒として海水を引き込み、凝縮器１から運ばれた熱を海水に伝達して、最終的に除熱した熱を海に放出する。
（動作）
沸騰水型原子力プラントの原子炉格納容器５０は、通常運転時には窒素が充填されている。炉心から発生する崩壊熱を除去する機能が喪失するような事故が発生した場合には、崩壊熱で発生した蒸気が格納容器５０に移行する。格納容器５０からの除熱量よりも崩壊熱量が大きい場合は、格納容器５０の圧力は上昇していく。設計圧力を超えて圧力が上昇し格納容器５０が破損するのを回避するため、発生した蒸気を凝縮させるか、格納容器５０から蒸気をベントする手段が必要となる。
格納容器５０に蒸気が流入すると、充填されていた窒素との混合ガスとなる。格納容器５０内の圧力が上昇すると、逆止弁や真空破壊弁が作動して窒素を隔離する機能が働くため、凝縮器１は比較的広範囲の窒素濃度で運転される。
そして、格納容器５０の過圧を防止するため、凝縮器１は、想定される最も高い窒素濃度環境下で最も伝熱性能が劣化した条件で設計するのが合理的である。一般的に、凝縮器１の出口での冷媒（冷却水）温度が、外部熱交換器８の入口温度仕様を満たすように凝縮器１の伝熱管長さが決定される。
格納容器５０内の混合ガスの窒素濃度は、蒸気の流入・凝縮および窒素の隔離状況によって変化する。格納容器５０内の混合ガスの窒素濃度が低下すると、非凝縮性ガスによる伝熱阻害効果がなくなり凝縮熱伝達率が増加する。凝縮熱伝達率が増加すると凝縮器１の冷却水に伝達される熱量が多くなり、凝縮器１の出口での冷却水温度が上昇する。
凝縮器１の出口での冷却水温度が過度に上昇する場合、外部熱交換器８および冷却システム全体を高温仕様にする必要があり、冷却水システム全体のコスト増加の要因となる。この高温仕様によるコスト増加は、窒素濃度が低下したときに凝縮器１の除熱量が増加することが要因であるため、冷却水温度が過度に上昇しないようにすればよい。
本第１実施例では、凝縮器１の入口側配管２を分岐してバイパス配管１２を設置し、ミキサ４により、出口側配管３と接続している。入口側配管２には流量調整バルブ５が設置され、バイパス配管１２には流量調整バルブ６が設置されている。
本冷却システムの設計では、想定される最大の窒素濃度での除熱量に対し、外部熱交換器８の仕様温度となるように、次式（１）式で流量が決定される。
Ｑ０＝ｍ０ｃｐ（Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎ） ・・・（１）
上記式（１）において、Ｑ０は必要除熱量（Ｗ）、ｍ０は窒素濃度最大時の冷却水流量（ｋｇ/ｓ）、ｃｐは比熱（Ｊ/ｋｇＫ）、Ｔｏｕｔは冷却水出口温度（℃）、Ｔｉｎは冷却水入口温度（℃）である。凝縮器１の出口での冷却水出口温度は外部熱交換器８の仕様温度を超えないように決定される。
凝縮器１への流量を少なくすると、除熱量が低下するとともに、冷却水出口温度が上昇する。窒素濃度が低下し凝縮熱伝達率が上昇して除熱量が増加する場合には、入口側流量調整バルブ５の開度を絞って凝縮器１へ流入する冷却水の流量を少なくすることにより凝縮器１の除熱量を制御することができる。
例えば、格納容器５０内部が大気圧の蒸気で満たされている（窒素濃度０％）場合、窒素が含まれることを想定して十分な伝熱面積を有する凝縮器１では、冷却水温度は凝縮器１から排出される前に１００℃に到達し、１００℃到達後は温度差が生じないため除熱が行われず、有効な伝熱面積が減少する。
冷却水が沸騰しないとすると、除熱量は次式（２）となる。
Ｑ＝ｍｃｐ（１００−Ｔｉｎ） ・・・（２）
上記式（２）において、Ｑは除熱量（Ｗ）、ｍは冷却水流量（ｋｇ/ｓ）、ｃｐは比熱（Ｊ/ｋｇＫ）、Ｔｉｎは冷却水入口温度（℃）である。
上記式（２）から、冷却水入口温度が同じであれば、冷却水流量で除熱量が制御できることがわかる。凝縮器１へ流入する冷却水流量が少なくなると、凝縮器１の出口の冷却水温度は格納容器５０内の温度まで上昇する。温度が上昇した出口側配管３の冷却水は、バイパス配管１２を通ってきた低温の冷却水とミキサ４で混合し、冷却水が外部熱交換器８の仕様を満たす温度まで下げられる。
図２は、凝縮器１の伝熱管入口からミキサ４の出口までの冷却水の温度変化を示すグラフであり、縦軸は冷却水温度を示し、横軸は冷却水の位置を示す。また、図２において、実線は窒素濃度低下時の冷却水温度変化を示し、一点鎖線は窒素濃度最大時の冷却水温度変化を示す。
図２の一点鎖線で示すように、凝縮器１は、窒素濃度が最大となるときに外部熱交換器８の制限温度以下になるように設計されている。図２において、窒素濃度が低下すると熱伝達率が向上するため、冷却水の温度上昇速度が早くなる。本第１実施例の場合、冷却水温度が格納容器５０内の飽和温度である１００℃に到達すると温度差がなくなるため伝熱が行われなくなり、冷却水温度は１００℃で一定となる。１００℃まで上昇した冷却水は、ミキサ４でバイパス配管１２から供給される低温の冷却水と混合して外部熱交換器８の制限温度以下に低下する。
バイパス配管１２を設けないシステムで冷却水流量を減少させると、外部熱交換器８へ流入する冷却水温度を低下させる手段がなく、仕様を満たさなくなる可能性がある。
外部熱換器８の仕様温度以下に温度を低下させた冷却水は、外部熱交換器８で海水と熱交換を行い冷却されて再び凝縮器１へ供給される。冷却水から熱を伝達された海水は海に戻され、格納容器５０内の熱が海へ放出される。
本発明の第１実施例においては、温度計２１により、外部熱交換器８へ流入する冷却水の温度が計測される。温度計２１により計測された冷却水温度に応じて、流量調整バルブ５、６の開度が調整され、凝縮器１への冷却水の供給量と、バイパス配管１２からミキサ４に供給される冷却水の流量が調整される。流量調整バルブ５、６の開度調整は、例えば、コントロールセンタにおいて、温度計２１の計測温度をモニタし、モニタした温度に従って、コントロールセンタから作業者に流量調整パルブ５、６の開度調整を指示しても行ってもよいし、流量調整バルブ５、６の弁開度駆動機構を設け、コントロールセンタからの指令により弁開度駆動機構が動作するように構成し、行うことも可能である。
（効果）
本第１実施例によれば、格納容器５０内の窒素濃度が低下して凝縮器１での除熱量が増加する場合に、流量調整バルブ５により凝縮器１への冷却水量を調整して凝縮器１での除熱量を制御するとともに、バイパス配管１２から低温の冷却水をミキサ４に供給して、凝縮器１から流出した高温の冷却水とミキサ４で混合させて冷却水温度を外部熱交換器８の仕様温度以下に低下させるように構成される。
したがって、凝縮器１での除熱量を調整して熱交換器８に流入する冷媒温度を規定温度以下に維持してコスト増大を抑制可能な冷却システムおよび冷却システムの運転方法を実現することができる。
（第２実施例）
（構成）
図３は、本発明の第２実施例に係る冷却システムを沸騰水型原子力プラントに適用した場合の一構成例を表す概要図である。
第２実施例における第１実施例と異なる構成は、入口側配管２に冷却システム全体を加圧する加圧器（水タンク）１０を設置したことであり、他の構成は、第１実施例と同等となっている。
（動作）
過酷事故時には、格納容器５０は大気圧以上に加圧され、格納容器５０内の温度は１００℃超となると想定される。冷却水を大気圧で循環させた場合、１００℃超の蒸気による加熱で１００℃に到達した冷却水は沸騰する。
沸騰が始まると、上記式（２）に潜熱分が加わり除熱量が増加するため、さらに流量を減少させる必要がある。流量の調整により除熱量の制御は可能であるが、凝縮器１から流出した蒸気がミキサ４で低温の冷却水と混合すると、急激な凝縮によりウォーターハンマーが発生する可能性がある。
本第２実施例では、冷却システム全体を加圧する加圧器１０を設置し、加圧器１０の圧力（加圧器１０内の気体の圧力）を格納容器５０の設計圧力よりも高くしている。冷却水を格納容器５０の設計圧力よりも高く加圧することにより、冷却水の沸騰を防止することができる。
図４は、凝縮器１の伝熱管入口からミキサ４の出口までの冷却水の温度変化を示すグラフであり、縦軸は冷却水温度を示し、横軸は冷却水の位置を示す。また、図４において、実線は冷却水を加圧した場合の温度変化を示し、破線は冷却水を加圧しない場合の冷却水温度変化を示す。
格納容器５０内の窒素濃度が大きく低下して熱伝達率が増加すると、加圧器１０により加圧した場合は格納容器５０内の温度まで冷却水温度が上昇し、加圧しない場合は冷却水圧力の飽和温度まで冷却水温度が上昇する。その後、ミキサ４でバイパス配管１２から流入した低温の冷却水と混合して冷却水温度が外部熱交換器８の制限温度以下に低下するが、加圧しない場合は温度低下が小さく外部熱交換器８の制限温度を超える可能性がある。
図５は、凝縮器１の伝熱管入口からミキサ４の出口までの冷却水のエンタルピの変化を示すグラフであり、縦軸は冷却水のエンタルピを示し、横軸は冷却水の位置を示す。また、図５において、実線は冷却水を加圧した場合の温度変化を示し、破線は冷却水を加圧しない場合の冷却水温度変化を示す。
図５において、加圧しない場合は、冷却水温度が飽和温度に到達した後に冷却水の沸騰が発生し、冷却水温度が変化しなくても伝熱が行われるためエンタルピが上昇し続ける。このため、ミキサ４で低温の冷却水と混合させて、加圧した場合と同じだけエンタルピを下げても最終的なエンタルピは加圧した場合よりも高くなり、外部熱交換器８へ流入する冷却水温度が高くなり、条件によっては外部熱交換器８の制限温度を超える可能性がある。冷却水が沸騰すると、低温の冷却水と混合させても、まず凝縮潜熱で低温の冷却水が温められるため、温度低下幅が小さくなる。
図６は、図３に示した第２実施例の変形例を示す図である。図３に示した例は、加圧器１０として、水タンクを適用する場合の例であるが、図６に示すように出口側配管３におけるミキサ４と冷却水ポンプ７との間に圧力調整用バルブ１１を設置してもよい。圧力調整用バルブ１１のバルブ開度を絞ることによりバルブ１１での圧力損失が増大し、冷却水ポンプ（循環ポンプ）７からバルブ１１の手前までの範囲をバルブ１１での圧力損失分だけ高くすることができる。ただし、その圧力損失分を補える高揚程の循環ポンプが必要となる。
また、バルブ１１の弁開度を固定とすることが可能であれば、バルブでは無く、オリフィスをミキサ４と冷却水ポンプ７との間の出口側配管３に設置してもよい。
（効果）
本第２実施例によれば、第１実施例と同様な効果を得ることができる他、冷却水を格納容器５０内の圧力よりも高く加圧して冷却水の沸騰を抑制することにより、ミキサ４でのウォーターハンマー発生を防止することができるという効果が得られる。
（第３実施例）
（構成）
図７は、本発明の第３実施例に係る冷却システムを沸騰水型原子力プラントに適用した場合の一構成例を表す概要図である。
第３実施例における第２実施例と異なる構成は、第３実施例は、温度計２１の検出温度が入力される演算部２３と、流量調整バルブ５の弁開度を調整する弁駆動モータ５１と、流量調整バルブ６の弁開度を調整する弁駆動モータ６０とを備えることであり、他の構成は、第２実施例と同等となっている。
ただし、図７に示した例では、第２実施例と同様に、加圧器１０を設置しているが、この加圧器１０は、第３の実施例においては、省略可能である。
（動作）
格納容器５０内の窒素濃度の変化は、不均一な濃度分布が発生すると予測が難しく、上述したように、凝縮器１とバイパス配管１２の冷却水流量の調整は外部熱交換器８へ流入する冷却水の温度を監視しながら行うのが良い。格納容器５０内の窒素濃度が低下して、凝縮器１の除熱量が増加すると、出口側配管３内の冷却水温度が上昇し、温度計２１の指示値が高くなる。
温度計２１が検出した温度は、演算部２３に入力される。演算部２３は、温度計２１が検出した温度が外部熱交換器８の仕様温度（目標温度）を超えそうな場合（高い場合）には、信号ケーブル２２を介して入口側配管２の流量調整バルブ５の開度を調整する第１駆動モータ５１に開度調整信号を送るとともに、バイパス配管１２の流量調整バルブ６の開度を調整する第２駆動モータ６０に開度調整信号を送る。駆動モータ５１は、演算部２３から開度調整信号に従って、流量調整バルブ５の開度を絞り、駆動モータ６０は、演算部２３から開度調整信号に従って、バイパス配管１２の流量調整バルブ６の開度を大きくする。
凝縮器１へ流入する冷却水流量を減少させることにより凝縮器１の除熱量が低下するとともに、バイパス配管１２を通る低温の冷却水流量が増加して、ミキサ４で混合した冷却水温度が低下するので、外部熱交換器８の仕様温度以下に冷却水温度を制御することができる。
逆に、格納容器５０内の窒素濃度が上昇して除熱量が低下すると、温度計２１の温度指示値が下がる（仕様温度（目標温度）より低い場合）。この場合、演算部２３は、駆動モータ５１、６０に開度調整信号を送り、外部熱交換器８に流入する冷却水温度が仕様温度を超えない程度に入口側配管２の流量調整バルブ５の開度を大きくし、バイパス配管１２の流量調整バルブ６の開度を絞る。凝縮器１へ流入する冷却水流量を増加させることにより除熱量が増加し、必要な除熱量を確保することができる。
（効果）
本発明の第３実施例によれば、ミキサ４から外部熱交換器８までの間の出口側配管３に冷却水の温度を測定する温度計２１と、演算部２３と、温度計２１の計測値により流量調整バルブ５、６の開度を調整する信号を伝達する信号ケーブル２２と、流量調整バルブ５、６を駆動する駆動モータ５１、６０とで構成された制御系により、格納容器５０内の窒素濃度が変化しても、外部熱交換器８に流入する冷却水温度を外部熱交換器８の仕様温度以下に自動的に制御し、凝縮器１において必要な除熱量を確保することができる。
これにより、凝縮器１での除熱量を調整して熱交換器８に流入する冷媒温度を規定温度以下に維持してコスト増大を抑制可能な冷却システムを実現することができる。
（第４実施例）
（構成）
図８は、本発明の第４実施例に係る冷却システムに適用する凝縮器１の構成を示す概略図である。
図８において、凝縮器１は、水平方向および鉛直方向に配置された複数の伝熱管（冷媒が流入流出する管）３２と、これら伝熱管３２を囲み上下が開放されたケーシング３１を備え、ケーシング３１の下部には伝熱管３２が配置されていない空間（下部チムニ）４３が設けられている。
（動作）
過酷事故時に格納容器５０内に蒸気が流入すると、湿度が上昇しファン等の電動機器が使えなくなる可能性がある。また、蒸気を凝縮させて過圧を防止するため格納容器５０内にスプレイを散布する場合もあり、電動機器の動作を期待しない凝縮器設計が望ましい。この場合、格納容器５０内に設置される凝縮器１への混合ガスの流入は、自然循環力を利用することになる。
本第４実施例では、ケーシング３１の上下を開放して上面開口部４１と下面開口部４２を形成しており、ケーシング３１の下部には、冷却水が流れる伝熱管３２がない下部チムニ空間４３を設けている。窒素と蒸気では、窒素の方が、密度が大きく、窒素濃度が高いほど混合ガスの密度が大きくなる。
凝縮器１に混合ガスが流入すると蒸気だけが凝縮するので、ケーシング３１内部と外部とでは内部の方が混合ガスの密度が大きくなっている。この密度差を駆動力として、ケーシング３１内部の混合ガスが下方に流れようとする自然循環が発生する。
このとき、密度の高いケーシング３１内の混合ガスはスムーズにケーシング３１の外へ排出されるように、下面開口部４２が設けられ、ケーシング３１の下面が開放されている。混合ガスの排出に伴い、上面開口部４１から周囲の混合ガスが凝縮器１内へ流入する。このとき、ケーシング上面が開放されているため、周囲の混合ガスはスムーズに凝縮器１内に流入する。密度差により発生する駆動力は小さいため、上面および下面を開放したケーシング３１を用いることにより混合ガスの流入・排出に伴う圧力損失を最小限にしてより多くの混合ガスを凝縮器１内に流入させることができる。
また、駆動力Ｆは次式（３）に示すように、密度差△ρと、重力ｇと、下部チムニ高さｈとの積となる。伝熱管３２での凝縮に伴い、伝熱管３２群でも密度差が発生するが、ここでは保守的に駆動力を下部チムニ高さだけで評価する。
Ｆ＝△ρ・ｇ・ｈ ・・・（３）
したがって、駆動力を最大限増加させるには、設置場所の許容寸法に対してできるだけ下部チムニ空間４３の高さを大きくすればよい。駆動力が増加すると、より多くの混合ガスが凝縮器１に流入する。流入した混合ガスのうち蒸気だけが凝縮するため、凝縮器の下方ほど窒素濃度が高くなる。つまり、凝縮器内の下段の伝熱管ほど窒素の伝熱阻害効果により伝熱量が低下する。より多くの混合ガスを凝縮器１に流入させると、単位時間あたりに伝熱管を通過する蒸気量が増えるのに対し、凝縮量は大きく増えないため、下方向の窒素濃度の増加は抑制される。このため、下段の伝熱管で窒素濃度が低い状態で蒸気が凝縮できるため、除熱効果を向上させることができる。
（効果）
本発明の第４実施例によれば、ケーシング３１の上面および下面を開口部とすることにより、密度差によって発生する混合ガスの鉛直方向の流れを円滑にでき、下部チムニ空間４３を設置することにより、自然循環の駆動力を増加させ、より多くの混合ガスを凝縮器１内に流入させることができる。これにより、凝縮器１の除熱効果を向上することができる。
そして、本発明の第４実施例の凝縮器１を、本発明の第１〜第３の実施例に適用すれば、冷却効果を向上した冷却システムを実現することができる。
なお、本発明の第４実施例の凝縮器１は、本発明に係る冷却システムにも適用可能である。
また、上述した本発明の第１〜第３の実施例において、凝縮器１の入口側配管２に流量調整バルブ５を配置し、バイパス配管１２に流量調整用バルブ６を配置する構成としたが、流量調整バルブは、流量調整バルブ５または流量調整用バルブ６のいずれか一方のみとする構成も、本発明の他の実施例とすることができる。
流量調整バルブ５および６を配置する例と、流量調整バルブ５又は６のいずれか一方を配置する例とを含めて、凝縮器１への冷却水流量及びバイパスする流量調整機構と総称することとする。
また、本発明は、原子炉の圧力容器内の冷却のみならず、他の製造プラント等における容器内冷却システムにも適用可能である。
１・・・凝縮器、２・・・入口側配管、３・・・出口側配管、４・・・ミキサ（混合器）、５・・・凝縮器流量調整バルブ、６・・・バイパス流量調整バルブ、７・・・冷却水循環ポンプ、８・・・外部熱交換器、９・・・冷却水供給ポンプ、１０・・・加圧器、１１・・・圧力調整バルブ、１２・・・バイパス配管、２１・・・温度計、２２・・・信号ケーブル、２３・・・演算部、３１・・・ケーシング、３２・・・伝熱管、４１・・・上面開口部、４２・・・下面開口部、４３・・・下部チムニ空間、５０・・・原子炉格納容器、５１、６０・・・駆動モータ

Claims (8)

  1. 熱交換器と、
    非凝縮性ガスを含む凝縮性ガスを凝縮させる凝縮器と、
    上記熱交換器の冷媒出口と上記凝縮器の冷媒入口とを接続する入口側配管と、
    上記凝縮器の冷媒出口と上記熱交換器の冷媒入口とを接続する出口側配管と、
    上記入口側配管から上記凝縮器の上記冷媒入口付近の上記入口側配管の分岐部から分岐するバイパス配管と、
    上記出口側配管と上記バイパス配管とに接続され、上記凝縮器の冷媒出口から流出した冷媒と上記バイパス配管から供給された冷媒とを混合し、上記出口側配管を介して上記熱交換器の冷媒入口に供給するミキサと、
    上記入口側配管から上記凝縮器の冷媒入口に流入する冷媒の流入量と上記バイパス配管への冷媒の流入量とを調整する流量調整機構と、
    を備え、
    上記流量調整機構は、上記凝縮器の冷媒入口と上記分岐部との間に配置される凝縮器入口側流量調整バルブと、上記バイパス配管に配置されるバイパス側流量調整バルブとを有し、上記出口側配管内に冷媒温度を計測する温度計を配置し、この温度計の計測した温度が目標温度よりも高い場合には、上記入口側流量調整バルブを絞り、上記バイパス配管の流量調整バルブを開き、上記温度計の計測した温度が目標温度よりも低い場合には、上記入口側流量調整バルブを開き、上記バイパス配管の上記流量調整バルブを絞るように制御することを特徴とする冷却システム。
  2. 請求項１に記載の冷却システムにおいて、
    上記凝縮器は、原子力プラントの原子炉格納容器内に配置されることを特徴とする冷却システム。
  3. 請求項１に記載の冷却システムにおいて、
    上記入口側配管及び出口側配管内の冷媒圧力を加圧する加圧器を、さらに備えることを特徴とする冷却システム。
  4. 請求項３に記載の冷却システムにおいて、
    上記加圧器は、水タンクであることを特徴とする冷却システム。
  5. 請求項３に記載の冷却システムにおいて、
    上記加圧器は、上出口側配管に配置される圧力調整用バルブであることを特徴とする冷却システム。
  6. 請求項１に記載の冷却システムにおいて、
    上記出口側配管内の冷媒温度を計測する温度計と、この温度計が計測した冷媒温度に基づいて、上記凝縮器入口側流量調整バルブの弁開度及び上記バイパス側流量調整バルブの弁開度を演算する演算部と、この演算部からの開度調整信号に従って上記凝縮器入口側流量調整バルブの弁開度を調整する第１駆動モータと、上記演算部からの開度調整信号に従って上記バイパス側流量調整バルブの弁開度を調整する第２駆動モータとをさらに備えることを特徴とする冷却システム。
  7. 請求項１に記載の冷却システムにおいて、
    上記凝縮器は、上面および下面が開放されたケーシングと、上記ケーシング内の上部空間に配置され、冷媒が流入流出する複数の伝熱管とを備え、上記ケーシング内の下部空間に上記伝熱管が配置されていない下部チムニ空間が形成され、窒素濃度が変化する原子炉格納容器内に配置されることを特徴とする冷却システム。
  8. 熱交換器と、非凝縮性ガスを含む凝縮性ガスを凝縮させる凝縮器と、上記熱交換器の冷媒出口と上記凝縮器の冷媒入口とを接続する入口側配管と、上記凝縮器の冷媒出口と上記熱交換器の冷媒入口とを接続する出口側配管と、上記入口側配管から上記凝縮器の上記冷媒入口付近の上記入口側配管の分岐部から分岐するバイパス配管と、上記出口側配管と上記バイパス配管とに接続され、上記凝縮器の冷媒出口から流出した冷媒と上記バイパス配管から供給された冷媒とを混合し、上記出口側配管を介して上記熱交換器の冷媒入口に供給するミキサと、上記入口側配管から上記凝縮器の冷媒入口に流入する冷媒の流入量と上記バイパス配管への冷媒の流入量とを調整する流量調整機構と、を備え、上記流量調整機構は、上記凝縮器の冷媒入口と上記分岐部との間に配置される凝縮器入口側流量調整バルブと、上記バイパス配管に配置されるバイパス側流量調整バルブとを有する冷却システムの運転方法において、
    上記冷却システムの上記出口側配管内に冷媒温度を計測する温度計を配置し、この温度計の計測した温度が目標温度よりも高い場合には、上記入口側流量調整バルブを絞り、上記バイパス配管の流量調整バルブを開き、上記温度計の計測した温度が目標温度よりも低い場合には、上記入口側流量調整バルブを開き、上記バイパス配管の上記流量調整バルブを絞るように制御することを特徴とする冷却システムの運転方法。
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