JPH03110394A - ２重管を有する熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は２重管を有する熱交換器に係り、とくに高速増
殖炉に使用される２重管を有する蒸気発生器に好適な２
重管を有する蒸気発生器に関する。

〔従来の技術〕

従来の２重管構造は、たとえば第３図（ａ）、　（ｂ）
にそれぞれ横断面および縦断面を示すように、２重管１
は互いに同一軸心上で嵌挿する内管２と外管３とから構
成され、かつ外管３の内周接触面の円周方向等間隔に４
個の溝４を該２重管１の軸方向に形成されたものが実施
されている。

そして上記のように構成された２重管１は、高速増殖炉
の蒸気発生器（以下ＳＧという）の伝熱管に用いられて
おり、内管２内には高圧の水・蒸気が、外管３の周囲に
は高温低圧のナトリウムがそれぞれ存在する。

つぎに上記２重管１を用いたＳＧの構成はたとえば第４
図に示すように、胴５の上部には、該胴５と、上部胴６
と、上部管板７とによって構成され、ナトリウム入口ノ
ズル２０を有するナトリウム人口８と、上部胴６と上部
管板７と蒸気出口管板８によって構成される上部中間室
９と、上記蒸気出口管板８および上部管板１ｏとによっ
て構成され、蒸気出口ノズル２５を有する蒸気出口室１
１が設けられている。また胴５の下部には、該胴５と下
部胴１２と下部管板１３とによって構成されるナトリウ
ム出口室１６と、上記下部胴Ｉ２と上記下部管板Ｉ３と
給水入口管板１４とによって構成されナトリウム出口ノ
ズル２３を有する下部中間室１７と、上記給水入口管板
１４および下部鏡板１５とによって構成され水蒸気入口
ノズル２４を有する給水蒸気入口室１８が設けられてい
る。さらに胴５内には、複数の２重管１（図では１個の
み示している。）と該胴５の長平方向に間隔をおいて複
数配置する管束とじゃま板１９とが設けられている。上
記２重管１の上端部と。

上部中間室９を構成する上部管板７および蒸気出口管板
８との接合状況は第５図（ａ）に示すように２重管１の
内管２が蒸気出口管板８と接合され、外管３が上部管板
７と接合され、外管３の内周面の溝４の上方部は上部中
間室９内に接続している。

また上記２重管１の下端部と下部中間室１７を構成する
下部管板１３および給水入口管板１４との接合状況は第
５図（ｂ）に示すように、２重管１の内管２が給水入口
管板１４と接合され、外管３が下部管板１３に接合され
、溝４の下方部は下部中間室１７に接続している。した
がって、上部中間室９と下部中間室１３は８＃４を介し
て連通している。

加熱媒体である高温液体金属ナトリウムはナトリウム入
口ノズル２０よりナトリウム入口室８へ流入し、上部ナ
トリウム整流装置２１を通って胴５の上部に分配される
。分配されたナトリウムは２重管１により構成される管
束部および胴５とじゃま板１９の間隙を通りながら流下
し、２重管１の内管２内の水・蒸気と熱交換し、低温と
なって胴５の下部に設けられた下部ナトリウム整流装置
２２によりナトリウム出口室１６を経てナトリウム出口
ノズル２３から流出する。

一方、給水・蒸気は、胴５の下部の給水蒸気入口ノズル
２４より給水・蒸気入口室１８へ流入し、２重管１の内
管２内部領域を上昇する。このとき、低温で流入した給
水は外管３の外側を流れる高温ナトリウムと熱交換して
予熱沸騰、過熱され、高温、高圧の過熱蒸気となって蒸
気出口管板８に集められ、蒸気出口ノズル２５よリター
ビン（図示せず）に送られる。

また、２重管１の内管２と外管３の間隙および溝４と上
部中間室９、下部中間室１７には、水蒸気よりも低圧で
かつナトリウムよりも高圧のヘリウムガスが存在してい
る。

そのため、万一、内管２が破損した場合には、水蒸気が
内管２と外管３の間隙に流入し、溝４を介して上部中間
室９と、下部中間室１７のヘリウム圧力は上昇し、かっ
湿分が増加する。

また、外管３が破損した場合には、ヘリウムガスが外管
３の外側のナトリウム中に流入してヘリウムガスの圧力
は低下する。

したがって、上部中間室９と、下部中間室１７のヘリウ
ムガスの圧力および湿分を監視することにより内管２お
よび外管３の破損を検知することができる。

この種の装置として関連するものには、たとえば１９８
１年１０月発行のＮＵＣＬＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　
Ｖｏｌ、５５゜第６０頁乃至第８７頁（７）　ｒＥＸＰ
ＥＲＩＥＮＣＥ　ＷＩＴＨＬＩＱＵＩＤ−ＭＥ丁ＡＬ　
　ＦＡＳＴ　　ＢＲＥＥＤＥＲＩ’１ＥＡＣＴＯＲＳＴ
ＥＡＭ　　ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ５−Ｕ、Ｓ、　ＤＥＳＩ
ＧＮＪが挙げられる。

〔発明が解決しようとする課屈〕

上記従来技術は、前記第３図（ｂ）に示すように、２重
管１の軸向に溝４が設けられることから、内圧により発
生する管壁の周方向荷重は、外管３の断面の溝４を除い
た部分で支持する必要がある。

すなわち、第６図（ａ）、　（ｂ）に示すように、外管
３の内周面に２重管の軸方向と平行に溝４を設けた場合
、外管３の厚さｔが溝４の深さに相当する部分だけ減少
し、内圧により発生する管壁の周方向荷重を溝４を除い
た第６図（ｂ）に示すハツチング部分、の領域で支持す
る必要がある。云いかえれば、外管３の周方向荷重を考
えた場合、その荷重に寄与しない溝４の深さ相当部分は
、無駄な肉厚を付与していることになる。

そのため、２重管１の管壁が厚肉化するとともに、伝熱
性能の低下をもたらし、伝熱面積などのＳＧ形状が大き
くなる原因となっていた。

また、上記従来技術のように内管２と外管３との間隙に
ヘリウムガスが存在する場合、ヘリウムガスの通気性は
２重管１の破損検出に係り１通気性の良いもの程破損検
出性に優れていると云える。

ただし、内管と外管との間隙量が増加すると熱抵抗が大
きくなるので１間隙量は数μｍ以内にする必要がある。

そこで間隙量を数μｍ以内にしたとした場合、ヘリウム
ガスの通気性の良否の大きな要因は、内管２と外管３と
の接触部であり、溝４部におけるヘリウムの流動抵抗は
内管２と外管３との接触部に比べると無視できる程度の
ものである。そのため、今、第６図（ａ）に示すように
、外管３内周面の２個の溝４間中央部に欠陥２ｂが発生
した場合、欠陥２６から溝４までの距！ａ／２はできる
だけ小さい方が、溝４内のヘリウムガスの圧力および湿
分を早期に検出することができ、通気性が良いことにな
る。

しかるに、従来技術においては、この点につぃて配慮さ
れておらず、欠陥２６から溝２ｂまでの距離ａ／２が大
きいため、早期に欠陥２６を検出することができないと
いう問題があった。

本発明の目的は、２重管の肉厚を少なくして伝熱性能を
向上させ、これにより形状を小形化して経済性の向上を
可能とし、かつ欠陥を早期に検出して信頼性の向上を可
能とする２重管を有する熱交換器を提供することにある
。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明の２重管を有するＳ
Ｇにおいては、外管の内周面もしくは内管の外周面のい
ずれか一方に軸方向に対して所定の角度をもってスパイ
ラル状に溝を備え、軸方向断面における溝の面積を減少
させるとともに外管もしくは内管のいずれか一方に発生
した欠陥と溝との距離を小さくさせるように構成された
ものである。

また、上記溝から欠陥までの距離を最小にするため、該
溝の角度を約６０度に構成したものである。

〔作　用〕

本発明は第２図（ａ）に示すように、２重管の外管３′
の内周面に軸方向に対して所定の角度θをもってスパイ
ラル状に溝４′を形成した場合、第２図（ｂ）に示すよ
うに、軸方向断面における溝４′は略半円状となり、従
来技術に比較してその面積は減少する。

そのため、内圧により周方向荷重を支持する外管３′の
断面積は、従来技術を示す第６図（ｂ）に比較して増加
し、応力の低減が可能となり、管壁の薄肉化が図れる。

一方、内圧により生じる軸方向荷重を支持する横断面積
は、溝４′の傾きを有することにより逆に進歩する。

ただし、一般に薄肉円筒に内圧Ｐがかかった場合の軸方
向応力σａおよび周方向応力σ。は、ｐ ｐ σａ： なお、ｒは外管４′の内周半径、ｔは外管４′の厚さで
ある。

で表わされ、周方向応力σ。が支配的であることから、
溝４′に傾きを有することにより周方向応力σ。を低減
して管壁の薄肉化を図ることができる。

また、溝４′間の距離を第６図に示す従来技術と同一の
ａとし５溝４′の間の中央部に欠陥２６が発生した場合
、溝４′から欠陥２６までの距離はａ／２Ｃｏｓθとな
り、第６図（ａ）に示す従来技術のａ／２に比較してノ
Ｊｓさくなる。しかも、溝４′から欠陥２６までの距離
は、溝４′の傾斜角度θが大きくなるほど欠陥２６から
溝４′までの距離は小さくなり、内管２′と外管３′と
の間隙における通気性が向上する。

ただし、上記傾斜角度Ｏを大きくすると、溝４′の長さ
が長くなって欠陥２６の検出性を損うこともあるが、こ
の場合には溝４′のヘリウムガスを外部から圧送するこ
とにより対応することができる。

したがって、本発明によれば、２重管の肉厚を小さくし
て伝熱性能を向上させることができ、これによって熱交
換器を小形化することができる。

また、万一内管もしくは外管に欠陥が生じた場合、欠陥
から溝までの距離を小さくして早朝に検出することがで
き、これによって熱交換器の信頼性を向上させることが
できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例である第１図により説明する。

第１図に示すように本実施例における２重管１′は、互
いに同一軸心上で嵌挿する内管２′と外管３′とから構
成され、かつ外管３′の内周面には２重管１′の軸方向
に対して所定の角度をもってスパイラル状に４個の溝４
′を設けている。該４個の溝４′のそれぞれの角度は前
記内圧により生ずる軸方向応力と周方向応力との比が１
／２となるから、角度もこれに対応させて２重管１′の
軸方向に対して９０°−ｔａｎ””　１／２＝約６０°
に設定している。

なお、上記２重管１′のＳＧへの取付構成は前記第５図
に示す従来技術と同一である。

本実施例においては上記のように構成されているから、
加熱媒体である高温液体ナトリウムと給水・蒸気との熱
交換作用は従来と同一である。

つぎに本実施例における内管２′と外管３′との間の溝
４′の通気性および万一内管２′もしくは外管３′に欠
陥２６が発生した場合の検出性などについて、内周面に
溝４′を設けた外管３′をその内周面からみた第２図（
ａ）、　（ｂ）により説明する。

第２図（ａ＞に示すように、本実施例においては、前記
のように外管３′の内周面に設けた溝４′は、その軸方
向に対して傾斜角θでスパイラル状に形成されているか
ら、金満４′間隙を第６図（ａ）に示す従来技術と同様
にａとした場合、これら溝４′間の中央に生じた欠陥２
６と溝４′との距離はａ／２ｃｏｓθとなり、従来技術
のａ／２と比較して小さくなるので、従来技術と比較し
て内管２′と外管３′との間の欠陥２６と溝４′との通
気性は向上し、早期に欠陥２６を検出することができる
。

また、本実施例における溝４′の縦断面におけるピッチ
はａ／ｌａｎθとなることから、該ピッチと肉厚ｔにて
求められる縦断面にて比較すると、従来技術と本実施例
の荷重を支持する断面積はつぎのように表わされる。

従来技術の場合：ａｔ／ｌａｎθ−ｒａ／ｌａｎθ　・
（１）ここで、上記各式（１）、　（２）に具体的数値
として外管３，３′の内径を１５ｍｍとし、溝４，４′
の半径を０．４ｍｍで４本設け、さらに外管３，３′の
肉厚を２１１ＩＩ１１とし、溝４′の傾斜角度を４５°
とした場合、上記各式（１）、　（２）における荷重を
支持する断面積の値はつぎのとおりである。

従来技術の場合：　１８．８ｍｍ２ 本実施例の場合：　２３．２ｍｍ２ そのため、本実施例における荷重を受ける断面特は＃来
技術のそれと比較して２０％以上大きくなす、２重管１
′の強度上の支配要因である周方向荷重による応力を低
減することができる。

また、上記のように周方向荷重による応力を低減可能な
分だけ外管３′の肉厚を薄くすることができるので、２
重管１′の熱抵抗を小さく抑えて伝熱性能の向上を図る
ことができ、これにより、伝熱面積を抑えたコンパクト
な２重管を有する熱交換器を構成することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、２重管の溝を有する内管もしくは外管
の縦断面積を従来技術に比較して大きくすることができ
るから、強度上支配的な内圧により生ずる周方向応力を
低減することができ、かつ内管もしくは外管の肉厚を小
さくすることができるので、２重管の伝熱性能を向上す
ることができ、これによって、ＳＧは小形化し、経済性
を向上することができる。

また、内管もしくは外管に欠陥が生じた場合、該欠陥か
ら溝までの距離を小さくすることができるので、早期に
欠陥を検出することができ、こ、れによってＳＧは信頼
性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す２重管の断面図にして
、その（ａ）は横断面図、その（ｂ）は縦断面図、第２
図（ａ）は外管をその内周面側からみた斜視図、その（
ｂ）は外管の縦断面図、第３図は従来技術の２重管の断
面図にして、その（ａ）は横断面図、その（ｂ）は縦断
面図、第４図は本発明が適用される蒸気発生器の縦断面
図、第５図は第４図の２重管取付部拡大断面図にして、
その（ａ）は２重管の上方取付部を示す拡大断面図、そ
の（ｂ）は２（Ｏ、ン 重管の下方取付部を示す拡大断面図、第６へは従来技術
の外管をその内周面からみた斜視図、その（ｂ）は縦断
面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、同一軸心上に互いに嵌挿する内管および外管と、該
   内管と外管との間に軸方向に形成された溝とからなる２
   重管を有し、該２重管の外管の外周、溝内および内管の
   内周に互いに異なる流体を供給して熱交換する２重管を
   有する熱交換器において、上記溝を上記２重管の軸方向
   に対して所定の角度で傾斜するスパイラル状にし、溝を
   有する内管もしくは外管の軸方向断面における溝の面積
   を減少させるとともに外管もしくは内管のいずれか一方
   に発生した欠陥と溝との距離を小さくさせるように構成
   した２重管を有する熱交換器。 ２、前記溝は、その傾斜角度を約６０度に構成された請
   求項１記載の２重管を有する熱交換器。