DE2208397A1 - Dampfgenerator - Google Patents

Description

ALEXANDER R. HERZFELD 6 fran kfurt a. M. w 13

RECHTSANWALT SO P H . EN STRAS S E 5 2 BEI DEM LANDGERICHT F RAN KFURTAM MMN

Anmelderin: United States Atomic Energy Commission Washington D. 0., USA

Dampfgenerator

Die Erfindung betrifft Dampfgeneratoren mit flüssigem Metall als Wärmeaustauschmittel, die besonders zum Anschluss an Brutreaktoren geeignet sind.

Beim Wärmeaustausch von flüssigem Metall, z. B. flüssigem Natrium, mit Wasser bestehen sehr gegensätzliche, das System stark belastende Verhältnisse. So entstehen wegen der grossen Wärmedichte des flüssigen Metalls sehr hohe Wärmegefälle. Änderungen der Strömungsrichtung und -geschwindigkeit des flüssigen Metalls erzeugen Vibrationen und andere mechanische Belastungen. Spannungen und Belastungen entstehen auch durch das Zusammenwirken eines das flüssige Metall enthaltenden Niederdruckbereichs mit dem Hochdruckbereich für den Dampfkreis.

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Aufgabe der Erfindung ist ein Dampfgenerator, in dem diese Belastungen geringer sind.

Die Aufgabe wird durch den Dampfgenerator der Erfindung dadurch gelöst, dass das Verdampfersystem Rohranordnungen mit konzentrischen Innen- und Aussenrohren enthält, die vom Hochdruckbereich durch die Rohrplatte in das Wärmeaustauschmittel im Niederdruckbereich ragen, über ihre Innenrohre Speisewasser in den Niederdruckbereich fördern und Sattdampf durch die Ringräume zwischen Innen- und Aussenrohren in den Hochdruckbereich fördern, und das Überhitzersystem Rohranordnungen mit konzentrischen Innen- und Aussenrohren enthält, die in das Wärmeaus&ischmittel ragen, den Sattdampf durch die Ringräume zwischen Innen- und Aussenrohren in den Niederdruckbereich und als überhitzten Dampf durch die Innenrohre wieder zurück und zu einer im Hochdruckbereich angeordneten oberen Rohrplatte fördern.

Dies hat z. B. den Vorteil, dass die Rohrplatte den hohen Temperaturen des einlaufenden flüssigen Netalls und des austretenden überhitzten Dampfs nicht unmittelbar ausgesetzt ist.

Der Dampfgenerator kann mit einmaligem Durchlauf oder auch im Rücklauf betrieben werden.

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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung anhand der Zeichnungen, in denen zeigen:

die Figur 1 eine günstige Ausbildung des erfindungsgemässen Dampfgenerators im Längsschnitt;

die Figur 2 den Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 der Figur 1; und

die Figur 3 eine günstige Ausbildung des Verdampfer- und Überhitzersystems des erfindungsgemässen Dampfgenerators.

Der Dampfgenerator 10 besteht aus dem zylindrischen Druckgefäss 12, das sich seinerseits zusammensetzt aus einem unteren Abschnitt 14 mit einem halbkugelförmigen Boden 15, einem mittleren Abschnitt 16 und einem oberen Abschnitt 18 mit halbkugelförmigem Dach. Der mittlere Abschnitt 16 trägt eine das Gefäss 12 in einen Hochdruckbereich und einen Niederdruckbereich unterteilende Rohrplatte 22, im folgenden als untere Rohrplatte bezeichnet. Im Abschnitt 16 befindet sich auch über der Rohrplatte 22 eine Dampfauslassdüse 23.

Im unteren Abschnitt 14 befindet sich eine Einlassdüse 24 für das flüssige Metall und eine Auslassdüse 26 ebenfalls für flüssiges Metall. Im mittleren Abschnitt 16 ist unterhalb

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der Rohrplatte 22 aber über dem Metallspiegel 32 eine Düse 28 für den Ablass von Umsetzungsprodukten von Metall/Wasser vorgesehen.

Ein zylindrisches Bündel von Bajonettrohren 34 erstreckt sich von der Rohrplatte 22 nach unten. Es ist in das Überhitzerbündel 36 und das von diesem durch die Platte 42 getrennte Verdampferbündel 38 unterteilt. Durch Träger 43a 43h werden die Rohre im gegenseitigen Abstand gehalten. Die Platte 42 ist unten mit der Metalleinlassdüse verbunden und trennt die durch die Pfeile A angedeutete Auf- und Abwärtsströmung des flüssigen Metalls. Die Platte endet am oberen Ende 44 und wird von der Rohrplatte 22 vermittels mehrerer Tragstangen 45 gehalten. Ein dicht über dem Einlass 24 zwischen der Wand des unteren Abschnitts 12 und der Platte 42 angeordnete trichterförmige Abdichtung 46 trennt die ein- und ausströmenden Metallströme. Zwischen der Platte 12 und der Gefässwand befindet sich ein zylindrischer Wärmeschild 47.

Das Verdampferrohrbündel ist durch die Rohrplatte 22 geführt und endet in einer Ringkammer 48 für das Speisewasser. Das überhitzerrohrbündel dagegen endet in einer oberen Rohrplatte 52. Diese ist in einer zylindrischen Hülse 54 mit dem halbkugelförmigen Kopf 56 abgestützt und trennt eine untere

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Kammer 55a in der Hülse 54- von einer oberen Kammer 55b im Kopf 56. Die das über die Einlassdüse 57 eingeführte Speisewasser aufnehmende Ringkammer 48 umgibt die Hülse 54· und ist an dieser befestigt. Unter der Rohrplatte 52 oberhalb von der Kammer 48 sind in der Hülse 54- in ringförmiger Anordnung die öffnungen 58 vorgesehen. Eine über der Kammer 48 angeordnete Ringdichtung teilt den die Hülse 54- umgebenden Raum in einen oberen und einen unteren Bereich. An dem Kopf 56 ist ein Überhitzerauslassrohr 62 sowie eine normalerweise geschlossene Auslassöffnung angebracht· Ferner sind eine Einlassdüse 64 für gesättigten Dampf sowie eine Bedienungsöffnung 66 vorgesehen.

Zur Verdeutlichung der Verdampfer- und Überhitzerrohrbündel 38, 36 zeigt die Figur 3 je eine einzelne Rohranordnung. Die Verdampferrohranordnung 78 besteht aus einem an die Speisewasserkammer 48 angeschlossene, das Speisewasser führenden und nach unten durch die Rohrplatte 22 geführten Rohr 82· Diese reicht mit seinem unteren Ende in ein unten geschlossenes bis zum Boden der Platte 42 gehendes Rohr 77· Die Rohre 77 und 82 sind in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet, so dass durch den entstehenden Ringraum das durch die Pfeile 0 angedeutete Speisewasser nach Durchlauf durch das Rohr 82 in umgekehrter Richtung in das Rohr 77 eintritt und durch den Ringkanal in den unterhalb von der Abdichtung 59

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die Hülse 54 umgebenden Raum entleert wird. Beim Durchgang durch den Ringkanal entsteht gesättigter Dampf, der den Dampf generator 10 durch die Düse 23 verlässt. Anschliessend fliesst er entweder durch eine Umgehungsleitung 83 oder eine Dampf- oder Abscheidertrommel S wieder in die Einlassdüse'64. Die Ventile Vl, V2 und V3 steuern den Dampf strom programmgemäss. Von der Einlassdüse 23 flieset der Dampf durch die Offnungen 58 in der Hülse 54 wieder in die untere Überhitzerkammer 55a.

Der durch die Pfeile B angedeutete gesättigte Dampf fliesst in die Rohranordnung 76 über einen vom Bohr 74 und der Rohrplatte 22 gebildeten Ringkanal sowie den sich anschliessenden Ringkanal zwischen dem Aussenrohr 72 und dem Innenrohr 74, und unter Umkehrung seiner Strömungsrichtung nach oben durch das Innenrohr 74, das durch die Rohrplatte 22 bis zur Überhitzerdampfkammer 55b führt. Hier vereinigen sich die überhitzten Dampfströme aller entsprechenden Rohranordnungen des Überhitzerbündels 36 und treten durch die in der Figur gezeigte Auslassdüse 62 aus dem Dampfgenerator aus. Die geschilderte Rohranordnung mit einem Innenrohr und einem Aussenrohr zum Durchlauf unter Umkehrung der Strömungsrichtung wird als Bajonettrohr bezeichnet.

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Zur Abstützung des Druckgefässes 12 dient ein Zylinderflansch 86 und eine anschliessende Tragplatte 88 am Übergang des unteren halbkugelförmigen Bodens 15 und dem zylindrischen unteren Abschnitt 14.

In der gezeigten Ausführung sind die Wände der Rohre 74, 76, 78 und 82 durchgehend ausgebildet; stattdessen können sie aber auch doppelwandig mit dazwischenliegenden ringförmigen Toträumen sein. Die Toträume beispielsweise der Verdampferrohranordnung 78 wirken dann als Isolator zur Verringerung einer Erwärmung des herabfliessenden Speisewassers. Ähnlich ausgebildete können auch die Bajonettrohre des ■Überhitzerbündels 56, die Speisewasserkammer 48 und die Dampfkammer 55b sein.

Beim Betrieb des Dampfgenerators 10 fliesst das von einer getrennten Wärmequelle, z. B. einem Kernreaktor direkt oder indirekt erhitzte flüssige Metall nach Eintritt über die Einlassdüse 24 in Richtung der Pfeile A nach oben in die Zwischenräume zwischen den Überhitzerrohrbündeln 36, über die Kante 44 der Platte 42 und nach unten durch den Ringkanal zwischen der Platte 42 und dem Wärmeschild 47, durch die Zwischenräume zwischen den Verdampferrohren, und durch die Auslassdüse 26 wieder nach aussen.

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Das Speisewasser fliesst in den Dampfgenerator durch das Einlassrohr 57 in die Speisewasserkammer 48, strömt von dort in die Rohre 82, und fliesst nach unten in den Ringraum zwischen der Platte 42 und dem Wärmeschild 47* An dessen unterem Ende ändert es seine Strömungsrichtung und fliesst nach oben durch die Ringkanäle zwischen den Rohren 77 und 82. Hierbei wird es durch den zweiten Durchlauf des flüssigen Metalls bis zur Sattdampfphase erhitzt. Die Strömung ist durch die Pfeile C angedeutet. Der Sattdampf veriässt den Generator durch die Auelassdüse 23, fliesst aber bei normalem Betrieb und bei offenem Ventil V3 aber geschlossenen Ventilen Vl und V2 über die Leitung 83 wieder in die Einlassdüse 64 und in den Dampfgenerator zurück. Soll im Umlauf gearbeitet werden, so wird das Ventil V3 geschlossen, während die Ventile Vl und V2 geöffnet werden. Der Sattdampf strömt nun durch die Dampf- bzw. Abscheidertrommel S. Nach Wasserabscheidung wird der Trockendampf wieder in den Überhitzerteil des Dampfgenerators geleitet.

Beim Rücklauf gelangt der Dampf nach Eintritt über die Düse 64 durch die Offnungen 58 in die Überhitzerkammer 55a, tritt in die Rohre 72 und wird beim Abwärtsströmen durch den ersten Durchlauf des flüssigen Metalls überhitzt. Sodann flieset der so überhitzte Dampf nach oben durch die Rohre 74 unmittelbar in die Dampfkammer 55b und verlässt den Generator durch die Auslassdüse 62.

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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemässen Dampfgenerators ist die Erzeugung von überhitztem Dampf unter isothermischer Arbeitsweise bei Sattdampftemperatur (unter normalen Betriebsbedingungen bei Vollbelastung) für die Rohrplatte 22 und das gesamte Hochdruckdampf-, Wassereinlass- und Auslaßsystem in der Hülse 54. Die genannten System- bzw. Bauteile werden also nicht den überhitzten Dampftemperaturen ausgesetzt. Dadurch werden extreme Wärmegefälle vermieden und die Lebensdauer sowie Störungsanfälligkeit entsprechend verlängert und verbessert. Ferner ergibt die getrennte Anordnung von Überhitzer- und Verdampferrohrbündeln eine weitaus stärkere mechanische Festigkeit und Stabilität. Die Vorrichtung kann sowohl mit einmaligem Durchlauf als auch im Umlauf arbeiten. Die Ergänzung durch einen Wiedererhitzungskreislauf ist in einfacher Weise zu bewerkstelligen· Gans besonders vorteilhaft ist die Verwendung im Anschluss an flüssig metallgekühlte Kernreaktoren, insbesondere mit flüssigem Natrium gekühlte Brutreaktoren.

Zur Ableitung etwaiger Umsetzungsprodukte von Wasser und flüssigem Metall, z. B. flüssigem Natrium dient der Expansionsraum über dem Metallspiegel 32 sowie die Ableitdüse 28.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   Dampfgenerator mit flüssigem Metall als Wärmeaustauschmittel, dessen Druckgefäss durch eine untere Rohrplatte in einen Niederdruckbereich für den flüssigen Metallumlauf und einen Hochdruckbereich für die Einspeisung des Frischwassere geteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfersystem (38) Rohranordnungen (78) mit konzentrischen Innen- und Aussenrohren (77t 82) enthält, die vom Hochdruckbereich durch die Rohrplatte in das Wärmeaustauschmittel im Niederdruckbereich ragen, über ihre Innenrohre Speisewasser in den Niederdruckbereich fördern und Sattdampf durch die Ringräume zwischen Innen- und Aussenrohren in den Hochdruckbereich fordern, und das Überhitzersystem (36) Rohranordnungen (76) mit konzentrischen Innen- und Aussenrohren (72, 74) enthält, die in das Wärmeaustauschmittel ragen, den Sattdampf durch die Ringräume zwischen Innen- und Aussenrohren in den Niederdruckbereich und als überhitzten Dampf durch die Innenrohre wieder zurück und zu einer im Hochdruckbereich angeordneten oberen Rohrplatte (52) fördern.
2. 2. Dampfgenerator gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Metall zweimal durch den Niederdruckbereich fliesst, das Verdampfersystem in den zweiten und das Überhitzersystem in den ersten Druckbereich ragt.

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3. 3. Dampf generator gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Umsetzungsprodukte von flüssigem Metall und Wasser über eine im Niederdruckbereich liegende Düse (28) abgelassen werden.
4. 4. Dampf generator gemäss Anspruch 2, dadurch, gekennzeichnet, dass eine auf der oberen Rohrplatte angeordnete obere Kammer (55b) den überhitzten Dampf, eine unter derselben angeordnete untere Kammer (55a) den Sattdampf und eine die untere Kammer umgebende Ringkammer (48) das eingeleitete Speisewasser aufnimmt.
5. 5. Dampf generator gemäss Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet, dass der Sattdampf nach. Durchlauf durch, einen an den Generator angeschlossenen Aussenkreis (83) wieder in den Generator zurückfliesst und durch. Öffnungen (58) oder andere geeignete Mittel in die untere Kammer (55a) geleitet wird.

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