PL222997B1 - Korpus kotła do upłynniania i nagrzewania upłynnionego metalu w układach grzewczych, szczególnie reaktorów chemicznych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest korpus kotła układu grzewczego, w szczególności do grzania przeponowego reaktorów chemicznych, w których nośnikiem ciepła pomiędzy kotłem a grzejnikiem jest ciekły metal.

W literaturze naukowej i patentowej ciekły metal jako nośnik ciepła występuje praktycznie wyłącznie jako roboczy czynnik pośredniczący w wymianie ciepła pomiędzy reaktorem atomowym na neutrony prędkie a układem parowym turbiny produkującej energię elektryczną oraz od niedawna przy chłodzeniu procesorów. W układach energetycznych reaktor atomowy pełni rolę kotła grzewczego a wytwornica pary rolę odbiornika ciepła. W literaturze patentowej znajdują się dziesiątki opisów różnych rozwiązań konstrukcyjnych takich układów przeniesienia ciepła jak dla przykładu US 4515109, US 6904754, US 2865827, US 3033538, US 4324617.

Jednakże w układach grzewczych reaktorów chemicznych istnieje potrzeba technologiczna ich okresowego włączania i wyłączania, co rodzi zupełnie odmienne problemy związane z przejściem fazowym nośnika ciepła od stanu stałego do ciekłego i odwrotnie. Problem techniczny związany ze zmianami naprężeń w punktach mocowań rur wymienników w dnach sitowych jest zatem dla kotła grzewczego układu reaktora chemicznego problemem mało rozpoznanym. Nieliczne publikacje jak np. US 3336974 w pewnym zakresie o tym wspominają.

Proces dostarczania dużych ilości ciepła przy stosunkowo niewielkim gradiencie temperatur pomiędzy cieczą roboczą a mieszaniną reakcyjną oraz przy wysokiej temperaturze procesu wykluczającej jako nośniki ciepła jakiekolwiek ciecze organiczne, wymaga zastosowania ciekłych soli lub ciekłego metalu jak np. w patencie PL 205 686. Stopy eutektyczne mające możliwie niską temperaturę topnienia są do tego celu najbardziej przydatne, jeżeli konstrukcja kotła zapewnia wytrzymałość na naprężenia bimetaliczne oraz intensywne przekazywania ciepła ze spalin do metalicznego nośnika w całej jego objętości przepływającej przez korpus kotła. Istotne jest także realizowanie procesu grzania z wykorzystaniem jak najmniejszej ilości nośnika ciepła w obiegu z uwagi na jego wysoką cenę.

Na podstawie badań przemysłowych układu grzewczego reaktora chemicznego do prowadzenia procesu depolimeryzacji odpadowych tworzyw sztucznych opracowano i wykonano konstrukcję kotła do grzania ciekłego metalu będącą przedmiotem zgłaszanego wynalazku.

Korpus kotła do nagrzewania ciekłego metalu w układach grzewczych, szczególnie reaktorów chemicznych, zbudowany jest z wiązki par rur typu „rura w rurze” i posiada przynajmniej dwie komory ciekłego metalu utworzone pomiędzy dnami sitowymi połączonymi tą wiązką par rur, przy czym przynajmniej jedna z komór ciekłego metalu posiada kompensator wydłużeń a komory podparte są w taki sposób, aby mogły swobodnie i niezależnie przesuwać się po łożach podpór, a cały korpus kotła na rolkach pod stopami podpór. Ponadto kompensator komory ciekłego metalu charakteryzuje się tym, że musi mieć przestrzeń pracującą na rozciąganie wypełnioną upłynnianym metalem. Płaszcz kotła oddzielający jeden z czynników grzewczych od otoczenia jest zbudowany z wielu oddzielnych powierzchni. Korpus kotła posiada komorę magazynową, połączoną swobodnie z obiegiem grzewczym kotła, której pojemność jest większa od pojemności obiegu grzewczego poza kotłem. Ciekły metal przemieszczany jest pomiędzy komorami połączonymi wiązką par rur typu „rura w rurze” w przestrzeniach pomiędzy rurami spalinowymi a rurami płaszcza.

Korpus kotła posiada przynajmniej dwie komory z ciekłym metalem połączone ze sobą wiązką par rur w układzie „rura w rurze”, gdzie każda z rur zewnętrznych jest osobnym płaszczem kotła oddzielającym jeden z czynników roboczych od otoczenia, co tworzy z sumy zewnętrznych powierzchni rur tej wiązki wielopowierzchniowy płaszcz kotła. Komory te są zamknięte parzystą ilością den sitowych i powierzchniami prostopadłymi do nich z wbudowanymi w niektóre elementami kompensacyjnymi spełniającymi tę funkcję także w trakcie nagrzewania i przemiany fazowej czynnika metalicznego ze stanu stałego w ciekły. Zewnętrzne dna sitowe komór ciekłego metalu połączone są rurami spalinowymi przechodzącymi korzystnie wewnątrz rur wiązki. Metal pomiędzy komorami z ciekłym metalem przepływa korzystnie obszarami o przekroju pierścieniowym lub zbliżonym do pierścieniowego pomiędzy rurami płaszcza a rurami spalinowymi. Komory zaopatrzone są także w króćce wypływu i powrotu metalu z obiegu grzewczego do kotła. Całość kotła spoczywa luźno na łożach podpór a podpory posadowione są na rolkach, umożliwiających toczne przesuwanie. Korpus kotła posiada także komorę magazynową umożliwiającą zgromadzenie całego obiegowego metalu w kotle przy wyłączaniu instalacji, króciec podłączenia atmosfery ochronnej oraz króciec przelewowy krótkiego obiegu rozruchowego kotła.

PL 222 997 B1

Konstrukcja według wynalazku zapewnia bardzo dobre warunki wnikania ciepła od spalin do ciekłego metalu a jednocześnie eliminuje wszystkie naprężenia mogące zniszczyć strukturę kotła, szczególnie w trakcie rozruchu i wyłączenia kotła. Cechy te uzupełnia dodatkowo bardzo mała pojemność części wymiennikowej kotła, przez którą przetłaczany jest ciekły metal, co umożliwia zwiększenie krotności obiegu ciekłego metalu i jego większą prędkość liniową, a więc także daje dużo większy strumień energii cieplnej dostarczanej do grzejników.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono na przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój podłużny, a fig. 2 przekrój poprzeczny najbardziej typowego rozwiązania konstrukcji kotła.

Korpus kotła posiada cztery dna sitowe 1, 2, 3 i 4, z których zewnętrzne 1 i 4 połączone są ze sobą rurami spalinowymi 6 a dna sitowe wewnętrzne 2 i 3 rurami o większej średnicy, które stanowią wielopowierzchniowy płaszcz kotła 8. Dna sitowe zamknięte są parami, powierzchniami walcowymi 16, przy czym pomiędzy dnami 1 i 2 wbudowany jest dodatkowo wypukły okrężny kompensator 7 stale wypełniony metalem. W powierzchni walcowej łączącej dna sitowe 1 i 2 wspawana jest zaopatrzona w zawór rurka 15 odpowietrzenia tej komory ciekłego metalu, uruchamiana przy pierwszym wypełnianiu obiegu grzewczego roztopionym metalem. W połowie długości rur płaszczowych 8 znajduje się sito podporowe 5 zapobiegające odkształceniom gorących rur w trakcie długotrwałej pracy kotła. Komora ciekłego metalu utworzona pomiędzy sitami 1 i 2 posiada także króciec przyłączeniowy 10 doprowadzający ciekły metal z obiegu do kotła, a komora pomiędzy sitami 3 i 4 posiada króciec 9, do którego podłączana jest pompa obiegu ciekłego metalu.

Nad komorą ciekłego metalu pomiędzy sitami 3 i 4 nadbudowana jest komora magazynowa 11 o pojemności koniecznej do zmagazynowania metalu dla całego konkretnego obiegu grzewczego. Komora ta posiada króciec przelewowy 12 krótkiego obiegu ciekłego metalu uruchamianego w czasie rozruchu kotła oraz króciec 14 podłączenia atmosfery ochronnej chroniącej ciekły metal przed utlenianiem. Komora 11 ta ma także otwór załadowczy zamykany pokrywą 13. Ruchomy kołnierz 17 łączy korpus kotła z komorą palnikową. Korpus kotła spoczywa luźno na łożach 19 podpór 18 a podpory te pod powierzchniami 20 mają zamontowane rolki ułatwiające przesuw całej konstrukcji. Przy większych masach kotła przewiduje się także rolki ułatwiające przesuw w łożach 19.

Po włączeniu palnika z dobraną niewielką mocą, spaliny nagrzewają w pierwszym rzędzie dna sitowe 4 oraz rury 6 i dno sitowe 1. Po uzyskaniu na nagrzewanych powierzchniach wymienionych elementów kotła temperatury wyższej o 10-15°C od temperatury topnienia stosowanego eutektycznego stopu metali, topi się jego bardzo cienka warstwa, co likwiduje naprężenia bimetaliczne wynikające z różnic w rozszerzalności liniowej eutektyku i materiału konstrukcyjnego kotła. Do tego momentu naprężenia oraz odkształcenia sprężyste przejmują cieńsze dna sitowe 1 i 4 oraz kompensator 7. Po stopieniu całego metalu w kotle następuje zwiększanie mocy palników i podnoszona jest temperatura ciekłego metalu. Z uwagi na różnice w długości rur 6 i 8 wydłużają się one niejednakowo, co przejmuje kompensator 7. Wydłużanie się rur 6 i 8 powoduje, że komory ciekłego metalu zawarte p omiędzy dnami sitowymi 1 i 2 oraz 3 i 4 odsuwają się od siebie. Aby nie powstały z tego powodu n aprężenia w konstrukcji kotła, obie te komory mają swobodę przemieszczania na łożach 19 podpór 18. Pełną niezależność ruchów całego kotła zapewniają rolki pod stopami 20 podpór 18. Korpus kotła łączony jest z rurą spalinową za pomocą standardowego kompensatora wzdłużnego pracującego na ściskanie. Komory ciekłego metalu kotła mają po jednym króćcu służącym do podłączenia z obsługiwaną instalacją grzewczą. Dolny króciec 9 połączony jest z pompą ciekłego metalu a króciec 10 to wlot ciekłego metalu powracającego z układu grzewczego. Nad jedną z komór ciekłego metalu zabudowana jest komora magazynowa 11, której objętość umożliwia zgromadzenie ciekłego metalu koniecznego do wypełnienia całego obiegu grzewczego. W przypadku odstawiania instalacji umożliwia to wycofanie prawie całego ciekłego metalu z grzejników do kotła, co radykalnie ułatwia ponowny rozruch. W zależności od potrzeb takie komory magazynowe można zainstalować w ilości większej niż jedna.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Korpus kotła do upłynniania i nagrzewania upłynnionego metalu w układach grzewczych, szczególnie reaktorów chemicznych, znamienny tym, że korpus kotła zbudowany jest z wiązki par rur typu „rura w rurze” 8 i 6, posiada przynajmniej dwie komory upłynnianego metalu stale wypełnione, utworzone pomiędzy dnami sitowymi 1 i 2 oraz 3 i 4 połączonymi tą wiązką par rur, przy czym przynajmniej jedna z komór ciekłego metalu posiada wyłącznie wypukły kompensator wydłużeń stale w ypełniony metalem 7, a komory podparte są w taki sposób aby mogły swobodnie i niezależnie przesuwać się po łożach 19 podpór 18, a cały korpus koła na rolkach pod stopami podpór 20.
2. 2. Korpus kotła według zastrz. 1, znamienny tym, że przynajmniej w jedną komorę ciekłego metalu wbudowany jest wypukły kompensator 7 wydłużeń cieplnych stale wypełniony metalem i pracujący na rozciąganie.
3. 3. Korpus kotła według zastrz. 1, znamienny tym, że płaszcz 8 oddzielający jeden z czynników grzewczych od otoczenia jest zbudowany z wielu oddzielnych powierzchni.
4. 4. Korpus kotła według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada komorę magazynową czynnika metalicznego 11, połączoną swobodnie z obiegiem grzewczym kotła, której pojemność jest większa od pojemności obiegu grzewczego poza kotłem.