JPS62245095A

JPS62245095A - 熱交換器

Info

Publication number: JPS62245095A
Application number: JP62091076A
Authority: JP
Inventors: ミン−シュング・フー; グレン・ウェブスター・ホプキンス
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1986-04-16
Filing date: 1987-04-15
Publication date: 1987-10-26
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: FR2597577B1; FR2597577A1; JPH076754B2; US4704994A

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】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ｊＪＪ（久脱朋− 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。成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、浅ぃ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
次流体入ロヘツ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ロヘツ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−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、−次流体入口へラ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、−次流体出ロヘッダー
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、次に管仮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層の粒子を他の少
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（Ｌｈｅｒ＋ｍａｌ　５ｉｐｈ
ｏｎ）として知られている。この熱サイホンは、管束の
ホラ１−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（ｆｅｅｄｗａｔ
ｅｒ　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
流の侵入程度か弱くなる。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。

１吐へ」１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、前記管板に沿っ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、該中心領域
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。

・ｔ　　　の舌日第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、はぼ円筒形の
長い側壁１１を備えている０円形の管板１２は、容器１
０の下端部近情において、容器１０を横切つて延び、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。

は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０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１フ（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Ｚ１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（至）してそれ等の間に環
状のタウンカマ−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１
２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Ｚ８は、中心管シーン２
２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通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−１６から管束２０を通って循環さ
れ、次に出口ヘッダ−１６を出て炉心に戻される。入口
ヘッダ−１６と連通ずる管束ＺＯの垂直部分は、管束の
「ホットレッグ」と呼ばれ、出口ヘッダ−１６と連通ず
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の稚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１ｚ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１２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
使用したにし拘わらず、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１、熱管の凹所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室され、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０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、その上部縁及び上部縁に、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
のナツト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ど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ｆｉ：！＆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の無骨
の中心領域に低流速領域又は停滞領域が局在１ヒされる
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１＆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ｌ
＝ｔけられるので、流速増大部材３０の底部から管板１
２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０円筒状の本体３１の穿孔３２は、円筒
状の本体３１の全外表面績の約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の上方的５０．８ｃａ
（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ど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ｔｏ、ｏｏｏ個も形成され、こ
れ笠の各交点が、そこで給水が沸騰して乾燥することに
よる割れ０１８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、はぼ最下方の管
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ど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ろこ
とによって、ラッパー２３の下端部も上動するので、ハ
ンドホール１９は塞がれない。

流速増大部ｔ″ｔ３０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２ｏのホットレッグ側
に移動する傾向がなお存在している。

この熱ザ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
９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の無骨の中心
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４ｏ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ｗ、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、無骨の凹所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
間の距順に亘って、中心管し−ン２２の長平方向軸線に
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を受は入れてこれを支持するための１対の雛隔さ
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の無骨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６
１．６２からなり、これ等の部分は、サイホン停止板５
０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
関係において受は入れるための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４
゜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４ｏ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の無骨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ｉ能は、サイホン停止板５
０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Ｔ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を備えた管板の無骨の中心領域
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６ｉｉｉ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
か提供される。

【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な示す部分的な垂
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。

Claims

【特許請求の範囲】

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、前記管板に沿ってほぼ半径方向内
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。