JPH076754B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は、原子力で蒸気を発生させる容器のような熱交
換容器に関し、特に、熱交換管の外側回りの二次流体の
流れの制御と、熱交換器の管板上へのスラッジ付着の管
理とに関するものである。

先行技術の説明 典型的な原子力蒸気発生器は、垂直に配向された胴部又
は容器と、この胴部内に管束を形成するように配設され
た複数の逆Ｕ字形の熱交換管とを備える。各熱交換管
は、湾曲した中間部分と、それによって上端が互いに連
結された１対の長い垂直部分とを備えており、各熱交換
管の両垂直部分は、管束を通る中心管レーンもしくは通
路を跨いでいる。管板は、熱交換管の垂直部分の下端部
を支持する。或る蒸気発生器の容器においては、管板
は、中心部の支柱によって下方から支持され、この支柱
の上方の中心領域には熱交換管は設けられていない。管
板の上面のこの中心領域には、浅い深さの凹所を形成す
ることができる。

中心管レーンの一方の側の垂直部分は、管板の下方の一
次流体入口ヘッダーと連通しており、管束のホットレッ
グを形成し、中心管レーンの他方の側の垂直部分は、管
板の下方の一次流体出口ヘッダーと連通しており、管束
のコールドレッグを形成している。蒸気発生器は、管束
と胴部との間に配設された円筒状のラッパーも有し、こ
のラッパーは、胴部と協働して環状のダウンカマーもし
くは環状室を形成すると共に、管板よりも所定距離上方
で終端している。

原子炉の炉心を経て循環することによって加熱された一
次流体は、一次流体入口ヘッダーを経て蒸気発生器に入
り、管束を通って搬送された後、一次流体出口ヘッダー
から出る。同時に、二次流体即ち給水は、熱交換管の外
面との熱交換関係で管板の上方において熱交換管の回り
に循環されるので、給水の一部は蒸気に変えられ、この
蒸気は、標準に従った発電設備に循環される。より詳し
くは、給水は、ラッパーの外面に沿って環状室中を管板
まで流下し、次に管板に沿って半径方向内向きに、そし
てラッパー内の管の間を上方に流れる。

給水は、主に酸化鉄及び銅化合物の形態の粒子を他の少
量の金属と共に含有しており、これ等は、管板を横切る
横行流の流速が沈積を防止するのには不十分であるよう
な管板の領域において、給水から沈積しようとする。こ
の沈積は、管壁上の腐食原因物質の濃縮の場所を与える
スラッジの堆積を生成させ、それにより管が腐食を受け
るので、非常に有害である。

管板を横切る横行流即ち半径方向流の低流速領域が管束
中に形成されることは避けられない。これ等の低流速領
域においてスラッジ生成によって生ずる損害を最小にす
るには、管板の無管領域即ち中心管レーンの領域にスラ
ッジ生成領域を局在化することが望ましい。そのため、
これ等の無管領域において横行流即ち半径方向流の低流
速領域が生ずるように、二次流体の流れを制御すること
が望ましい。最適の設計は、低流速領域を最小とすると
同時に、低流速領域を管板の中心に位置させることであ
る。

二次流体の流れ模様もしくはパターンは、種々の要因に
よって影響される。給水が管ラッパーの下方から管束に
入る際に、管板に沿った半径方向内向きの流れは、熱交
換管によって妨げられる。中心管レーンに沿っては管が
存在しないため、中心管レーンに沿った流速は比較的高
速になり易い。中心管レーンに沿って互いに隔離された
個所に、中心管レーンの流速を低下させるための管レー
ンブロックを配設し、それによって管板の有管領域の流
速を増大させることも提案されている。しかし、この方
法によっては、管束の他の低流速領域の存在は除かれな
い。

管束のホットレッグにおける熱伝達率は、幾つかの管支
持板の最初のものと管板との間の垂直領域におけるコー
ルドレッグでの熱伝達率の約４〜５倍である。そのた
め、ホットレッグのこの領域において給水が沸騰し、蒸
気が発生する。蒸気に関係した浮力は、コールドレッグ
における給水をホットレッグに向かって引っ張ることが
できる。この現象は、熱サイホン（thermal siphon）と
して知られている。この熱サイホンは、管束のホットレ
ッグの中央部に二次流体の低流速領域を生じさせる。コ
ールドレッグ側よりもホットレッグ側において全給水の
うちの比較的大きな部分をダウンカマー中に放出させる
ことによる、「給水の偏り（feedwater offset）」と呼
ばれる技術によって、この熱サイホン効果を緩和するこ
とも試みられている。それによってダウンカマー全体
に、従ってラッパーの入口に、給水の比較的大きな冷却
が保たれるので、ホットレッグでの沸騰が著しく減少
し、熱サイホン効果が抑制される。しかし、この技術
は、ダウンカマー内に存在する渦流運動のため有効では
ない。

ラッパーの底部にある開口を経て給水が管束に入る際
に、半径方向の入口流れは、直ちに上向きに転向する傾
向を示す。それは、管と平行な垂直方向の流動抵抗が横
方向即ち半径方向の流動抵抗よりも相当に低いためであ
る。その結果、管板付近においては、管束内への半径方
向流の侵入程度が弱くなる。そのため、垂直方向の流速
を減少させることによって半径方向の流速を増大させる
手段が用いられている。このために、流れを分配する邪
魔板もしくはバッフル板を管板の上方の所定距離に配設
して、垂直の軸方向流に対する抵抗を増大させ、管束内
への横行流の侵入を増進させる。しかし、この技術も、
低流速領域又は停滞領域を管板の中央部にもって来るに
は十分ではなかった。

発明の概要 本発明の一般的な目的は、従来の制御装置の欠陥がない
上に、構造及び作用上の利点も備えるようにした、二次
流体の流れパターンを制御しスラッジの沈積を管理する
ための制御装置を提供することにある。

本発明の重要な特徴は、簡単で経済的な構造を備えた、
前記形式の制御装置を提供することにある。

本発明の別の特徴は、熱交換器の管板の中心に横行流の
低流速領域又は停滞領域をもって来るように有効に作用
する、前記形式の制御装置を提供することにある。

本発明の更に別の特徴は、中心領域の直ぐ外側の領域に
おいて管板に沿った横行流即ち半径方向流を強めるため
の、前記形式の制御装置を提供することにある。

本発明の更に別の特徴は、熱サイホン効果が防止される
ようにした、前記形式の制御装置を提供することにあ
る。

これ等の特徴との関連において、本発明の更に別の特徴
は、管板の中心部にスラッジの沈積を集中させるため
の、前記形式の制御装置を提供することにある。

本発明のこれ等の目的及び他の目的は、一端が管板によ
って閉ざされた圧力容器と、前記管板の円形の中心領域
の外側において該管板に延入する前記圧力容器内の複数
の熱交換管であって、該熱交換管を通って流れる一次流
体と、前記管板に沿つてほぼ半径方向内側に且つ該熱交
換管に沿って軸方向上方に延びる流路中を前記熱交換管
の回りに流れる二次流体との間の熱交換を行う前記熱交
換管と、前記管板の上方に該管板と実質的に平行に配設
された邪魔板とを備える熱交換器において、前記中心領
域と同軸的に配設された円形の筒状流速増大部材と、前
記邪魔板よりも下方且つ前記管板よりも所定距離上方に
おいて、該流速増大部材を支持する支持手段とを備え、
該流速増大部材は、二次流体が前記中心領域に入る前
に、前記管板に沿った該二次流体の半径方向流速を増大
させる、ように改良した熱交換器によって達成される。

本発明は、これから説明する添付図面に例示され、特許
請求の範囲に特に記載された、幾つかの新規な特徴と、
諸部分の組み合わせとからなり、細部の変更は、本発明
の精神から逸脱することなく、即ち本発明の利点のいず
れをも犠牲にすることなく可能であることを理解された
い。

好適な実施例の説明 第１図に総括的に符号10によって表した原子力蒸気発生
器（熱交換器）の容器（圧力容器）は、ほぼ円筒形の長
い側壁11を備えている。円形の管板12は、容器10の下端
部近傍において、容器10を横切って延び、これを閉じて
いる。容器10は、管板12の下方に延びると共に中心部の
ステイ14により管板12に結合されたほぼ半球状の下端部
13を有する。ほぼ円形の中心部の凹所15は、中心部のス
テイ14の直上において管板12の上面の中心領域に形成さ
れている。図示しない隔壁は、管板12と下端部13との間
の領域を、ノズル17（１個のみ示す）とマンウェイ18
（１個のみ示す）とを備えた２つのプレナム室即ちヘッ
ダー16に区画している。ノズル17は、図示しない配管系
によって原子炉に連結されている。マンウェイ18は、ヘ
ッダー16にアクセスするための着脱自在なカバーを備え
ている。管板12よりも少し上方の側壁11には、管板12の
上方の容器10の内部にアクセスするために着脱自在なカ
バー（図示しない）を備えたハンドホール19が設けられ
ている。

管板12の上方の容器10内には、複数の逆Ｕ字管（熱交換
管）21からなる管束20があり、各逆Ｕ字管21の脚部は、
少なくとも２つのハンドホール19の軸線と平行に、管板
12を直径方向に横切って延びている中心管レーン22（第
２図参照）を跨いでいる。各管21の２つの脚部は、管板
12中の図示しない開口を介してヘッダー16とそれぞれ連
通している。凹所15が形成された管板12の中心領域には
管21は設けられていない。円筒状のラッパー23は、側壁
11と同軸的に管束20を囲み、側壁11の内面から少し内方
に離隔され、この内面と協働してそれ等の間に環状のダ
ウンカマー通路を形成している。ラッパー23は、管板12
よりも所定距離上方で終端している。管板12の直上にブ
ローダウン管（図示せず）を、中心管レーン22に沿って
配設してもよい。

複数の垂直方向に隔てられた管支持板24（１枚のみ示
す）は、管21を支持し位置決めするために設けられてい
る。邪魔板25は、管板12よりも所定距離上方で且つ管支
持板24よりも下方の位置に設けられている。管支持板24
と邪魔板25とは、管板12の中心領域の凹所15と同軸的
に、円形の切欠き26、27をそれぞれ備えている。これ
は、逆Ｕ字管21がこの中心領域に設けられていないため
である。複数の矩形の管レーンブロック28は、中心管レ
ーン22に、その長手方向に間隔をおいて形成されてい
る。各管レーンブロック28は、管板12から垂直上方に突
出している。ブローダウン管を設ける場合には、これを
収納するための適宜の連孔を管レーンブロック28に設け
ることができる。また、支持棒29は、管支持板24及び邪
魔板25の支持を容易にするために設けられている。

次に作用について説明すると、原子炉の炉心からの一次
流体は、入口ヘッダー16から管束20を通って循環され、
次に出口ヘッダー16を出て炉心に戻される。入口ヘッダ
ー16と連通する管束20の垂直部分は、管束の「ホットレ
ッグ」と呼ばれ、出口ヘッダー16と連通する脚部は、
「コールドレッグ」と呼ばれている。二次流体の給水
は、管束20との熱交換関係において管板12の上方の容器
10の内部に循環される。より詳しくは、給水は、側壁11
とラッパー23との間の環状ダウンカマー通路を通って下
方に循環し、管板12に当たり、管板12に沿ってラッパー
23の下端の下方を半径方向内方に移動する。給水は次に
管束20を経て上方に循環される。これは全て既知のよう
に行なわれる。

管板12を横切る方向の半径方向又は横方向の給水の流速
は、管板12の種々の領域において異なっていることがあ
りうる。この流速は、もし十分に高ければ、給水からの
沈積物の付着による管板12表面へのスラッジの生成を阻
止することができる。そのため、管束20の領域において
横行流の速度を最大にするためには、管21のない中心部
の管レーン22において流速を最小にすることが望まし
い。このため、中心管レーン22に沿った給水の流れを禁
止するように、管レーンブロック28を利用することがで
きる。

一般に、給水は、管板12に衝突する際に、管板12から偏
流され、管束20を通って上動する傾向を示し、管束20を
通る垂直流の速度は、管板12に沿った半径方向の流速よ
りも大きくなる傾向を示す。それは、管21の存在のため
に半径方向流が抑制されるのに、垂直流に対する抵抗は
少ないためである。邪魔板25は、この垂直流の速度を減
少させることによって管板21に沿った半径方向内向きの
流速を増大させようとする。しかし、邪魔板25と管レー
ンブロック28とを使用したにも拘わらず、管束20中に
は、管板12に沿って停滞領域又は低流速領域が存在して
いる。一般に流れ抵抗は、側壁11からの距離の増大に伴
って増大するので、流速は、凹所15の無管領域に到達す
る前に最小値に減少する傾向を示す。

特に第１図〜第３図を参照すると、本発明の第１実施例
は、無管の凹所15の中心領域近傍において管板12に沿っ
た半径方向内向きの給水の流れを強めるようになってい
る。このために、円筒状の本体31を含む流速増大部材30
が設けられており、本体31は、使用時には、管板12と実
質的に同軸状に配置され、管21のない中心領域の凹所15
の直径よりも少し小さな直径を備えている。円筒状の本
体31には複数の穿孔32が貫通形成されている（第３図参
照）。円筒状の本体31と一体的に、その上部縁及び下部
縁に、半径方向内方に延びる上部及び下部の環状支持フ
ランジ33、34がそれぞれ形成されている。流速増大部材
30は、複数の直立支持棒（支持手段）35によって所定位
置に支持されており、各支持棒35の下端部は、管板12中
の関係する盲孔36中に係止されている。支持棒35（４本
としうる）は、支持フランジ33、34及び邪魔板25中の相
補的形状の開口を通って上方に延びており、円筒状の本
体31を支持棒35上に位置決めし支持するように、複数の
ナット37によって、所定位置にロックされている。好ま
しくは、流速増大部材30は、邪魔板25の直下に取り付け
られ、また、流速増大部材30の下端部は、管板12よりも
所定距離上方に隔てられている。

次に作用について説明すると、流速増大部材30は、邪魔
板25と管板12との間の半径方向の流路を狭くする。その
ため、流速増大部材30の領域においては、半径方向の給
水流の主要部は、管板12に近接して、流速増大部材30の
下方を通り、流速増大部材30の中心部を通って上方に流
れ、次に管支持板24及び邪魔板25の中心部の切欠き27、
26を通って流れるように強制される。そのため、管21の
ない凹所15の中心領域に非常に近い領域において管板12
と良好に接触して流れるように、流速増大部材30の下方
を通過する際の流速が増大する。流速増大部材30の穿孔
32は、半径方向の給水流の上部層が流速増大部材30に衝
突する際の局所的な流通の停滞と蒸気の生成とを最小に
するために設けられている。

流速増大部材30を使用した場合、管束20の低流速領域が
著しく減少すると共に、管板12の凹所15の無管の中心領
域に低流速領域又は停滞領域が局在化されることが確か
められている。最良の効果を得るためには、円筒状の本
体31の底部と管板12との間の距離が所定の最適範囲に含
まれるように、円筒状本体31の垂直方向の高さを選定す
る必要があることも確かめられている。その理由は、こ
の距離が大き過ぎたり小さ過ぎたりすると、横行流の流
速の大きな増大は得られないためである。特に、円筒状
本体31の垂直方向の高さは、管板12と邪魔板25との間の
垂直方向の距離の25−75％の範囲に、そして好ましく
は、この距離の約4/7とする必要のあることが確かめら
れている。即ち、流速増大部材30は、好ましくは、邪魔
板25の直下に取り付けられるので、流速増大部材30の底
部から管板12までの距離は、管板12と邪魔板25との間の
距離の約1/2である。円筒状の本体31の穿孔32は、円筒
状の本体31の全外表面積の約10％の全有孔率を与えるよ
うに配置され、また、大きさが定められている。

流速増大部材30を使用することの大きな利点は、管支持
板24のうちの１つに代わるように管板12の上方の比較的
高い個所に邪魔板25を配設しうることにある。従来は、
邪魔板25は、管板12の上方約50.8cm（20in）のところ
か、又は、管支持板24のうち最も下方のものと管板12と
の間の中間の位置に取り付けられていた。このように邪
魔板25を下方の位置に設けることは、多くの理由のため
に好ましくないことが従来から確かめられていた。その
理由の１つとして、管支持板24のほかに邪魔板25を配設
したことによって、管21との余分の交点が約10,000個も
形成され、これ等の各交点が、そこで給水が沸騰して乾
燥することによる割れ目腐食として知られる状態の潜在
的な場所になることが挙げられる。邪魔板25は、ほぼ最
下方の管支持板24のところまで上方に移動させることが
できた場合、その管支持板24の代わりに使用することが
できる。しかし、従来これは可能ではなかった。その理
由は、邪魔板25と管板12との間の距離をそのように増大
させた場合、横行流の全流通領域が対応して増大し、給
水の横行流の流速は、スラッジの生成が承認できない程
度まで減少するためである。

流速増大部材30を使用したことにより、管板12に沿った
給水の横行流の流速に不利に影響することなく、底部の
管支持板24に代わるように、邪魔板25を上方に移動させ
ることができる。これによって、邪魔板25に比較的大き
な管孔を形成し、管束30に沿った軸方向の管流量を増大
させることにより、割れ目腐食現象を更に減少すること
ができる。本発明以前において、これは、横行流の流速
に対する有害な影響によって管板12上の容認できないス
ラッジの形成が惹起されるため、可能ではなかった。ま
た、邪魔板25を上方に移動させうることによって、ラッ
パー23の下端部も上動するもで、ハンドホール19は塞が
れない。

流速増大部材30によって給水の流れ分布が改善されるこ
とが分かっているが、熱サイホン効果のため、横行流の
低流速領域が偏心して管束20のホットレッグ側に移動す
る傾向がなお存在している。この熱サイホン効果を消す
ために、本発明の第２実施例による装置45が設けられて
いる。第４図及び第５図を参照して、この装置45は、流
速増大部材30と同様の流速増大部材40を備えているほか
に、サイホン停止板（支持手段）50と、スラッジ貯留増
進板（支持手段）60とを備えている。特に、流速増大部
材40は円筒状の本体41を含み、この本体は、凹所15の無
管の中心領域に同軸的に配設してあり、複数の通孔42を
備えている。流速増大部材40の構造は、流速増大部材30
と実質的に同一の構造としてもよい。

サイホン停止板50は、例えば溶接によって管板12に固着
した中実の垂直板であり、中心管レーン22の長手方向軸
線と平行に、無管の凹所15の中心領域を直径方向に横切
って延びている。この実施例によれば、サイホン停止板
50は、最も内側の管レーンブロック28の間の距離に亘っ
て、中心管レーン22の長手方向軸線に沿って延びる。サ
イホン停止板50の底部縁53は、中心領域の凹所15に沿っ
て、管板12の外形に従い、底部縁53の全長に沿って凹所
15に密着している。サイホン停止板50は、水平頂部縁55
に終端している平行な垂直側部縁54を有し、頂部縁55に
は、流速増大部材40を受け入れてこれを支持するための
１対の離隔された切欠き56が形成されている。

スラッジ貯留増進板60は、サイホン停止板50とほぼ同一
のもので、凹所15の無管の中心領域を直径方向に横切る
ように、サイホン停止板50と直角に延びている。スラッ
ジ貯留増進板60は、好ましくは２つの部分61、62からな
り、これ等の部分は、サイホン停止板50の両側に各々配
置してあり、例えば溶接によってサイホン停止板50に固
着されている。スラッジ貯留増進板60は、中心領域の凹
所15に沿って管板12の外形に従う底部縁63を有し、この
底部縁の全長に沿って、凹所15と密着している。スラッ
ジ貯留増進板60は、水平頂部縁65に終端している垂直の
側部縁64を有し、この頂部縁には、流速増大部材40をそ
れに対する支持関係において受け入れるための２個の離
隔された切欠き66（第４図参照）が形成されている。流
速増大部材40は、サイホン停止板50とスラッジ貯留増進
板60とに、例えば溶接によって固着することができる。

次に作用について説明する。流速増大部材40の作用は、
前述した流速増大部材30と同様である。サイホン停止板
50は、熱サイホン効果が最大となる管板12の中心領域に
おいて、中心管レーン22を横切る熱サイホン流を有効に
停止させる。即ち、サイホン停止板50は、流速増大部材
40と協働して、管板12の凹所15の無管の中心領域に低流
速領域を定着させる。スラッジ貯留増進板60の主な機能
は、サイホン停止板50及び流速増大部材40と協働して４
つのスラッジ貯留領域（スラッジを沈積させるための、
水力学的にほぼ静止している、安定した領域）を形成す
ることにある。スラッジ貯留増進板60は、サイホン停止
板50を助けて流速増大部材40を支持する働きもしてい
る。

サイホン停止板50は、管板12の上方の邪魔板25の高さの
約2/3〜3/4の高さであるが、邪魔板25まで完全に延びて
いてもよく、それによって不利な影響は生じない。どち
らにしても、サイホン停止板50の頂部縁55は、流速増大
部材40の底部よりも上方に配置することが必要とされ
る。サイホン停止板50の幅は、好ましくは、流速増大部
材40の直径にほぼ等しくする。この実施例によれば、サ
イホン停止板50の幅は、流速増大部材30の直径よりも少
し大きくし、サイホン支持板50を最も内側の管レーンブ
ロック28の間の全距離に亘って延長させる。

以上の説明から分かるように、給水の横行流の低流速領
域を中心部にステイ14を備えた管板の無管の中心領域に
局在化するための環状の流速増大部材（単独か又は熱サ
イホン停止板及びスラッジ貯留増進板との組み合わせで
使用される）を備えた、熱交換器のスラッジ生成及び給
水の流れを制御するための改良された制御装置が提供さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例による制御装置を組み込
んだ原子力蒸気発生器の容器の下端部を示す部分的な垂
直断面図、第２図は、本発明の第１実施例による制御装
置を示し、大体において第１図の２−２線の方向に見た
部分的な平面図、第３図は第２図の３−３線に沿った部
分的な垂直断面図、第４図は、本発明の第２実施例によ
る制御装置を示す第２図と同様の部分的な平面図、第５
図は、第４図の５−５線に沿った垂直断面図である。 10…容器（圧力容器）、12…管板 21…熱交換管、25…邪魔板 30、40…流速増大部材、35…支持棒（支持手段） 50…サイホン停止板（支持手段） 60…スラッジ貯留増進板（支持手段）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一端が管板によって閉ざされた圧力容器
   と、前記管板の円形の中心領域の外側において該管板に
   延入する前記圧力容器内の複数の熱交換管であって、該
   熱交換管を通って流れる一次流体と、前記管板に沿つて
   ほぼ半径方向内側に且つ該熱交換管に沿って軸方向上方
   に延びる流路中を前記熱交換管の回りに流れる二次流体
   との間の熱交換を行う前記熱交換管と、前記管板の上方
   に該管板と実質的に平行に配設された邪魔板とを備える
   熱交換器において、前記中心領域と同軸的に配設された
   円形の筒状流速増大部材と、前記邪魔板よりも下方且つ
   前記管板よりも所定距離上方において、該流速増大部材
   を支持する支持手段とを備え、前記流速増大部材は、二
   次流体が前記中心領域に入る前に、前記管板に沿った該
   二次流体の半径方向流速を増大させる、ように改良した
   熱交換器。