JPS5823525B2 - 蒸気発生器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、蒸気発生器に係り、特に、水平に保持され成
る間隙を保った複数の平板よりなる対流防止構造を有す
る蒸気発生器に関するものである。

以下従来技術および本発明をナトリウム冷却型高速増殖
炉に適用されるナトリウム加熱型の蒸気発生器を例にと
って述べる。

ナ） ＩＪウムを加熱媒体とする前述した蒸気発生器で
は、高圧の水に多数配置された伝熱管内を流れ、高温の
ナトリウムがシェル（胴体）側を流れる型の熱交換器と
なるのが一般的である。

ここで伝熱管およびナトリウムを内蔵する胴体は、蒸気
発生器の熱出力が大となれば直径のかなり大きなものが
必要となる。

従って、強度上の要求から胴体の肉厚は厚くなる。

また胴体破損によるナトリウムの外部・＼の流出という
重大事故を起さないようにしなければならない。

従って、胴体に接触するナトリウムはできるだけ温度を
下げ、胴体における熱応力の発生を抑える必要がある。

またナトリウム温度変化による胴体への熱衝撃を抑える
ような構造上の考慮が必要である。

伝熱管における熱吸収の割合即ち熱貫流率は水の沸騰現
象が生じる上昇管部が最も高くなるが、下降管部での熱
吸収量を少な（することは結果的に上昇管部でのナトリ
ウム温度を高めることになる。

これは、また上昇管の伝熱面積が小さくとも効果的に所
要の伝熱を行ない得ることを示す。

第１図に、高速増殖炉に適用される従来の代表的な一つ
の蒸気発生器を示す。

蒸気発生器２０は、上部胴体２および下部胴体３からな
る胴体１、下降管部５および上昇管部６から成る伝熱管
４、円筒状の熱遮蔽板Ｉおよび内部シュラウド８によっ
て構成されている。

下降管部５は上部胴体２に設けられた給水ヘッダ９の管
板１０に接続され、上昇管部６・は上部胴体２に設けら
れた蒸気ヘッダ１１の管板１２に接続されている。

上昇管部６は、内部シュラウド８の周囲を螺旋状に取巻
いて配置される。

内部シュラウド８は胴体１内に配置され、熱遮蔽板Ｉは
内部シュラウド８と同心状に配置される。

熱遮蔽板Ｉと内部シュラウド８とは上部胴体２に取付け
られている。

一方、上部胴体２にはナトリウム入口ノズル１３が取付
けられ、それはさらにナトリウムリングヘッダ１４に接
続される。

ナトリウムリングヘッダ１４にはナトリウム分配管１５
が接続され、その他端は熱遮蔽板７と内部シュラウド８
との間に形成される領域、すなわち、上昇管部領域１８
に達する。

上昇管部領域１８には、上昇管部６が配置されている。

ナトリウム出口ノズル１６が、下部胴体３の下部に設け
られる。

熱遮蔽板７と胴体１との間に形成される環状領域を下降
管部領域１９と称する。

下降管部領域１９には下降管部５が配置される。

筒状の熱遮蔽板７は、胴体１内を上昇管部領域１８と下
降管部領域１９とに分割する。

加熱媒体である高温のナトリウムは、ナトリウム入口ノ
ズル１３、ナトリウムリングヘッダ１４およびナトリウ
ム分配管１５を介して、上昇管部領域１８に供給される
。

更にこの上昇管部領域１８を下降し、ナトリウム出口ノ
ズル１６より胴体１外へ流出し、中間熱交換器（図示せ
ず）に送られる。

一方、水は給水へラダ９および下降管部５を介して上昇
管部６に達する。

この水は、上昇管部領域１８を下降するナトリウムによ
って加熱され、上昇管部６内において蒸気となる。

この蒸気は、蒸気ヘッダ１１を介してタービン（図示せ
ず）に送られる。

胴体１内の上方にはアルゴンガスが封入されたカバーガ
ス領域１７が存在する。

アルゴンガスの圧力はあまり高くない。

また、この蒸気発生器２０の運転条件は、たと゛えば一
実施例においては、ナトリウム入口ノズル１３における
ナトリウム入口温度は４７０℃（１，Ｏｋｇ／ｃｒｒＬ
”、！？）、ナトリウム出ロノスルニオけるナトリウム
出口温度は３３０℃である。

１方、給水ヘッダ９における給水入口温度２４０℃（１
５４ｋｇ／ｃｒｎ２ｇ）、蒸気ヘッダ１２における蒸気
出口温度は３７０℃である。

このような蒸気発生器においては、熱遮蔽板７の熱遮蔽
効果によって下降管部領域１９のナトリウム温度は、下
降管部領域１９でナトリウムの対流が々いとした場合、
その上部では約２５０°Ｃ１下部では約３５０℃となる
（前記運転条件の場合）。

この温度差により下降管部領域１９において対流が生じ
、この結果下降管部領域１９の上部の温度が２５０℃以
上に上昇する。

下降管部領域１９に対流により熱が伝達されることは、
（ａ）下降管部５の熱吸収現象を生ずる結果、下降管部
５の温度上昇を避けることができなくなり、下降管部５
内で水の沸騰による脈動現象を生じる可能性があると共
に、（ｂ）胴体１の熱応力の増加、（ｃ）上昇管部領域
１８での伝熱効率の低下をもたらすことになる。

下降管部領域１９におけるす） ＩＪウムの対流を防止
するため、第２図に示す構造が提案されている。

（第１図と同一構成部分は同一符号で示す。）第２図に
おいては、胴体１と熱遮蔽板７との間に円筒状のライナ
２１が設置されている。

これは胴体１内部で伝熱管４の破損によって起こるナト
リウム−水反応事故時に高温のジェットが胴体１の内壁
を直接損傷させないように胴体１を保護している。

ライナ２１は下部胴体３に取付けられ、下部胴体３の内
面を被っている。

対流抑制板２２には下降管部５が貫通するための穴が設
けられる。

対流抑制板２２はリング状であり、熱遮蔽板７の外周面
に取りつけられる。

下降管部領域１９の上部と下部の温度差により起るナト
リウムの対流は、対流抑制板２２により抑制され、下降
管部領域１９は停滞ナトリウム領域とすることができる
。

また対流抑制板２２の設置場所は、できるだけ熱遮蔽板
７の下方つまりは下降管部領域１９の下方に設置した方
が効果的であるのはいうまでもない。

しかしながら本提案にも下記のような欠点があり、下降
管部領域１９におけるナトリウムの対流防止効果を満足
することはできない。

すなわち、対流抑制板２２とライナ２１との間の環状間
隙２３および対流抑制板２２に設けられた穴とその中に
挿入された下降管部５との間に形成された間隙２４より
高温のナトリウムが矢印の如（進入して対流抑制板２２
の上方および下方にまたがった下降管部領域１９で対流
を生ずる。

特に、ライナ２１は複数の板を軸方向および円周方向に
溶接して筒状に製造された製缶品であり、真円にはなっ
ていない。

間隙２３の幅が太き（なり、間隙２３の部分の面積は、
すべての伝熱管の周囲に存在する間隙２４の部分の面積
よりも大きい。

従って、対流にて間隙２３を通過する流量は、すべての
間隙２４を通過する流量よりも多い。

これは、ライナ２１を設けず、対流抑制板２２の外周端
面を胴体に対向させても同じである。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、胴
体と平板との間の対流による伝熱を防止することにある
。

本発明の他の目的は、伝熱管と平板との間の対流による
伝熱および平板の熱伝導による伝熱を防止することにあ
る。

本発明の第１の特徴は、伝熱管が貫通する第１の平板を
、下降管部領域内に配置するとともに熱遮蔽体に取付け
、伝熱管が貫通しない第２の平板を、第１平板より下方
で第１平板との間で水平に成る間隙を保って下降管部領
域内に配置するとともに胴体に取付け、その間隙の寸法
がその間隙を代表寸法とするグラスホフ数とその間隙内
の液体金属のプラントル数の横が１７００を超えない範
囲で決定することにある。

この第１の特徴によれば、平板と胴体との間の間隙を通
しての対流による伝熱を防止できるので、下降管部領域
の下層部から下降管部領域の上層部に向けて伝えられる
熱量を著しく減少できる。

従って、下降管部内を流れる液体の沸騰を防止でき、下
降管部内の流体の脈動を防止できる。

本発明の第２の特徴は、複数の第１平板を水平で互いに
成る間隙を保って配置し、伝熱管が貫通する第１平板に
設けられた穴と伝熱管に内外周面が接するリングを伝熱
管の周囲に配置し、複数の第２平板を水平で互いに成る
間隙を保って配置し、これらの間隙の寸法を前述のグラ
スホフ数とプラントル数の積が１７００を超えない範囲
にしたことにある。

本発明の第２の特徴によれば、前述した第１の特徴によ
る効果を得ることができ、しかも伝熱管と平板との間の
対流による伝熱および平板を通しての熱伝導による伝熱
を防止できるので、下降管部領域下層部からその上層部
への熱の移動をほとんど防止できる。

従って、下降管部に吸収される熱量は一段と減少し、上
昇管部での伝熱効率がより上昇する。

さて、第３図に示すごとく上部平板３２および下部平板
３３とが、間隙４３（寸法Ｓ）を保って水平に配置され
、かつ上部平板３２の温度が０２で下部平板３３の温度
が０１であり、温度θ１が温度θ２よりも高い場合、下
記の（１）式のように定義された間隙４３におけるグラ
スホフ数（Ｇｒｓ）が、下記の（２）式の条件を満足す
ると、上部平板３２と下部平板３３との間では流体対流
が生じないことが知られている（「伝熱概論Ｊ、Ｐ１７
２゜養賢堂、１９７２年発行）。

Ｓ３・ｇ・β・（θ１−０２） Ｇｒｓ ＝□・・・・川・・（１） ν２ ここで、ｇは重力加速度、βは平板間の流体の膨張係数
およびνは平板間の流体の動粘性係数である。

Ｇｒｓ−Ｐｒ ≦１７００・・・・・・・・・ （２）
ところで、Ｐｒは間隙４３における流体のプラントル数
である。

本発明は、上記の原理を適用することによって前記従来
技術のもつ欠点を排除し、下降管部領域での液体金属の
対流を阻止しようとするものである。

本発明の好適な一実施例を第４図に基づいて以下に説明
する。

第２図に示すものと同一構成は同一符号で示す。

第４図は蒸気発生器３４の下降管」部領域１９の下部の
部分を示している。

下部胴体３の内側にはライナ２１が固定される。

このライナ２１ば、ナトリウム液面以下の内部胴体３の
内壁を被うように取付けられ、ナトリウム−水反応事故
時に発生するジェットから内部胴体３を保護。

している。

ライナ２１と円筒状の熱遮蔽板Ｔとの間に、環状の下降
管部領域１９が形成される。

下降管部領域１９の下部で、下降管部領域１９に突出サ
セてリング状のバッフル板２９が、熱遮蔽板７の外周面
に固定される。

バッフル板２９には貫シ通孔３０が設けられ、この貫通
孔３０内を下降管部５が通抜けている。

バッフル板２９に設けられる貫通孔３０の数と下降管部
５の数は等しい。

貫通孔３０内にはリング２５が挿入されている。

下降管部５は詳細に説明すると、このリング２５内シを
貫通する。

リング２５は下降管部５に密接しており、リング２５は
バッフル板２９に取付けられる。

リング２５の外周面と貫通孔３０の内面との間には間隙
が存在しない。

バッフル板２９の外径はライナ２１の内径よりも小さい
ので、バッフル。

板２９とライナ２１との間には間隙３１が形成される。

バッフル板２９の下方には、リング状のバッフル板２７
が存在する。

バッフル板２７はライナ２１に取付けられる。

ライナ２１は下部胴体３に固定されているので、バッフ
ル板２７は下部胴。

体３に固定されているとも言える。

ライナ２１が存在しない場合は、バッフル板２７は直接
下部胴体３に一固定される。

バッフル板２７も下降管部領域１９内に突出している。

バッフル板２１の内径はバッフル板２９の外径よりも小
さく、バッフル板２７の一部はバッフル板２９と重なっ
た状態にある。

バッフル板２７とバッフル板２９との間に、上下方向に
間隙２８が形成される。

下降管部領域１９にはナトリウムが存在する。

前述した運転条件にて蒸気発生器を運転すると、バック
ル板２７の下部における温度は約３５０℃、バッフル板
２９の上部においては約２５０℃となる。

間隙２８にもナトリウムが充填されている。以下に詳細
に述べるように、間隙２８の高さを約５．５ｍｍ以下に
することによって下降管部領域１９の下部、間隙２８お
よび３１および下降管部領域１９の上部というナトリウ
ムの対流を防止することができる。

しかし、バッフル板２７および２９の熱伝導によって、
バッフル板２９よシ上方の下降管部領域１９の上部に存
在するナトリウムにその下方より熱が伝えられる。

また、厳密には、熱遮蔽体７を通して上昇管部領域１８
からもいくらかの熱が伝えられる。

逆に、下降管部領域１９の上部に存在するナトリウムの
熱量のい（らかは、下降管部５内を流れる水に伝えられ
、また胴体１を取囲む保温材を通して胴体１外部に放散
される。

このような下降管部領域１９の上部における熱バランス
によって、下降管部領域１９のナトリウム液面付近の温
度が約２６０℃、バッフル板２９の上部の温度が約２５
０℃となる。

本実施例では、バッフル板２７の下部の温度が約３５０
℃（＝０１）であり、バッフル板２９の上部の温度が約
２５０℃（二０２）であるので、ナトリウムの対流が生
じない限界のバッフル板２７とバッフル板２９との間隔
（＝Ｓ）を、（１）式および（２）式に基づいて求める
と、Ｓは最大で約５、５ ｍｍとなる。

すなわち、間隙２８内のナトリウムの平均温度が約３０
０℃であるので、βは２．７ｘ１０’／’Ｃ１νは３．
９２Ｘ １０−７ｍ”／ｓとなる。

また、Ｐｒは５．８７ Ｘ ｌ □−３である。

Ｐｒの値を（２）式に代入してＧｒｓを求める。

ＧｒｓＯ値は２．９×１０５以下となる。

このＧｒｓＯ値および上記のβ。シ、θ１およびθ２の
値を（１）式に代入することによってＳが求まる。

間隙２８の高さを約５．５ ｍｍ以下にすることにより
、間隙２８におけるナトリウムの対流は防止できる。

すなわち、間隙２８の高さを約５．５ ｍｍ以下にする
ことによってバッフル板２７とバッフル板２９の間では
、前述の「伝熱概論ｊｐ１７２に示されているように、
間隙２８内で上方に向かおうとするナトリウムの流れが
ナトリウムの粘性と熱伝導で抑制される。

なお、間隙２８内の水平方向の温度分布は約３００℃で
一様である。

このため、バッフル板２７より下方に存在する高温のナ
トリウムが、対流によってパンフル板２９より上方の下
降管部領域１９に達するのを、パンフル板２７、リング
２５が設けり”ｆｙクンフル板２９および間隙２８とか
ら成る対流防止機構３５によって阻止することができる
。

す力わち、バッフル板２７の下方に存在するナトリウム
の熱が、間隙２８および３１を通るナトリウムの対流に
よってバッフル板２９より上方の下降管部領域１９内に
存在するナトリウムに伝達されるのを阻止できる。

間隙２８内の対流が発生すると、必ず間隙２８内では水
平方向のナトリウム流が発生し、これにより下降管部領
域１９の下部、間隙２８および３１および下降管部領域
１９の上部にわたるナトリウムの対流が誘発される。

本実施例の効果を、第２図に示す対流抑制板２２の効果
と比較して以下に述べる。

第５図は、蒸気発生器における給水流量と下降管部の吸
熱量との関係を示したものである。

ここで曲線３６は第２図に示す対流抑制板２２による効
果を示し、曲線３６は対流防止機構３５を設けた本実施
例における効果を示す。

第５図から明らかなごとく対流防止機構３５を設けると
、下降管部５に吸収される熱量が著しく減少している。

これは、対流防止機構３５によって対流による熱の移動
が阻止されていることを示す。

下降管部５に吸収される熱量が多いと、下降管部５内に
おいて水が沸騰し、水が脈動して流れる危険性が太き（
なり、伝熱管４の破損にもつながりやすい。

本実施例においては、このような危険性も減少する。

前述した従来例の欠点も、解消される。

上昇管部領域１８における伝熱効率を高めることができ
、結果的に蒸気発生器の伝熱面積を小さくできる。

第２図においても、対流抑制両板２２の外周面とライナ
２１の内周面との間の間隙２３０幅を小さくすることに
よって、間隙２３を通してのナトリウムの対流を抑制で
きる。

これは前述の内外周面が真円であるという前提に立って
の話しであり、実際にはライナ２１は前述したように製
缶品であるため真円にはなっていなく、間隙２３の幅は
円周方向で大きくばらついており、対流を防止できるよ
うに一様に間隙２３の幅を狭くすることはできない。

しかし、本実施例では、水平方向の間隙２８により対流
を防止できるので、間隙３１の幅が円周方向にば′らつ
いていても一同に差支えない。

３５に設けられたリング２５を取除いても、第２図に示
す間隙２３よりナトリウムの対流によって伝達される熱
の移動は阻止され、対流抑制板２２を設けた場合に比べ
て下降管部５に吸収される熱量は減少する。

しかし、貫通孔３０と下降管部５との間に第２図に示す
ような間隙２４が形成されるので、この間隙を通して対
流によって伝達される熱の移動を阻止できないので、第
４図に示す実施例よりも、下降管部５に吸収される熱量
が幾分増大する。

本発明の他の実施例を第６図に示す。

第４図に示す実施例と同一構成は同一符号で示し、異な
る部分についてのみ説明する。

本実施例の蒸気発生器３８は、蒸気発生器３４の対流防
止機構３５にバッフル板３９および４０を付加したもの
である。

バッフル板３９ば、バッフル板２７と同様にライナ２１
の内壁に取付けられる。

バッフル板３９はバッフル板２７の下方に位置し、バッ
フル板２７とバッフル板３９との間に間隙４１が形成さ
れる。

一方、バッフル板４０は、バッフル板２９より上方でバ
ッフル板２９と同様に熱遮蔽板７の外周面に取付けられ
る。

バッフル板４０にも貫通孔が設けられ、その中にリング
２５が挿入されている。

バッフル板２７，２９，３９および４０、間隙２８．４
１および４２によって対流防止機構４３が構成される。

下降管部５はリング２５を貫通する。

バッフル板２９とバッフル板４０との間には間隙４２が
形成される。

間隙４１および４２の高さも、（１）式および（２）式
を満足するように決定する。

これにより、第４図に示した実施例よりも熱伝導の効果
が小さくなる。

すなわち、対流防止機構３５の熱伝導により伝熱量より
も対流防止機構４３のそれが小さくなり、対流防止機構
４３の下方のナトリウムより、対流防止機構４３の上方
の下降管部領域１９のナトリウムに伝えられる熱量が減
少する。

この結果、対流防止機構４３上方の下降管部領域１９内
のナトリウムの対流を効果的に防止できる。

一段と下降管部５に吸収される熱量は減少する。

対流防止機構３５および４３ば、下降管部領域１９の下
部に配置すると最も効果的である。

また、伝熱管４等の保守点検を考慮すると、バッフル板
２７は、バッフル板２９の下方に位置させるとよい。

なぜならば、伝熱管４の保守点検時には、伝熱管４、熱
遮蔽板７および内部シュラウド８を下部用体３より引抜
く必要があり、バッフル板２７および２９の配置を逆に
すると引抜きが不可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は蒸気発生器の概略構造を示す縦断面図第２図は
第１図に示す蒸気発生器の下降管部領域に設けられた対
流防止機構の一提案を示す説明図、第３図は対流防止機
構の原理を示す説明図、第４図は好適な対流防止機構が
設けられた本発明の好適な一実施例である蒸気発生器の
下降管部領域下部付近の詳細縦断面図、第５図は給水流
量と下降管部吸熱量との関係を示す特性図、第６図は第
４図に示す対流防止機構の他の実施例の詳細縦断面図で
ある。 １・・・・・・胴体、４・・・・・・伝熱管、５・・・
・・・下降管部、６・・・・・・上昇管部、７・・・・
・・熱遮蔽板、１８・・・・・・上昇管部領域、１９・
・・・・・下降管部領域、２７ 、２９ 。 ３９ 、４０・・・・・・バッフル板、２８，４１．４
２・・・・・・間隙、３４．３８・・・・・・蒸気発生
器、３５，４３・・・・・・対流防止機構。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内部に液体金属が存在する胴体と、前記胴体内に配
   置されて下降管部および上昇管部からなる複数の伝熱管
   と、前記下降管部が存在する前記胴体内の下降管部領域
   と前記上昇管部が存在する前記胴体内の上昇管部領域と
   の間に配置された熱遮蔽体と、前記上昇管部領域に高温
   の液体金属を供給する手段とを有し、前記下降管部領域
   と前記上昇管部領域とが下部で連通していを蒸気発生器
   において、前記伝熱管が貫通する第１の平板を、前記下
   降管部領域内に配置するとともに前記熱遮蔽体に取付け
   、前記伝熱管が貫通しない第２の平板を、前記第１平板
   より下方で前記第１平板との間で水平に成る間隙を保っ
   て前記下降管部領域内に配置するとともに前記胴体に取
   付け、前記間隙の寸法を、その間隙を代表寸法とするグ
   ラスホフ数とその間隙内の液体金属のプラントル数の積
   が１７００を超えない範囲にしたことを特徴とする蒸気
   発生器。 ２ 内部に液体金属が存在する胴体と、前記胴体内に配
   置されて下降管部および上昇管部からなる複数の伝熱管
   と、前記下降管部が存在する前記胴体内の下降管部領域
   と前記上昇管部が存在する前記胴体内の上昇管部領域と
   の間に配置された熱遮蔽体と、前記上昇管部領域に高温
   の液体金属を供給する手段とを有し、前記下降管部領域
   と前記上昇管部領域とが下部で連通している蒸気発生器
   において、前記伝熱管が貫通する複数の第１の平板を、
   水平で互いに成る第１の間隙を保って前記下降管部領域
   内に配置するとともに前記熱遮蔽体に取付け、前ｉ痔：
   管通する前記第１平板に設けられた大 管に内
   外周面が接するリングを前記伝熱管の周囲に配置し、前
   記伝熱管が貫通しない複数の第２の平板を、水平で互い
   に成る第２の間隙を保ちしかも前記第１平板より下方で
   前記下降管部領域内に配置するとともに前記胴体に取付
   け、最上位に位置する前記第２平板を、最下位に位置す
   る第１平板との間に水平な成る第３の間隙を介在させて
   配置し、前記第１、第２および第３間隙の各々の寸法を
   、該当する前記間隙を代表寸法とするグラスホフ数とそ
   の間隙内の液体金属のプラントル数の積が１７００を超
   えない範囲にしたことを特徴とする蒸気発生器。