DE2208397A1

DE2208397A1 - Steam generator

Info

Publication number: DE2208397A1
Application number: DE19722208397
Authority: DE
Inventors: Ronald Boyd Chattanooga Tenn.; Gardner Karl Albert Northridge Calif.; Creek (V.StA.)
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1971-03-02
Filing date: 1972-02-23
Publication date: 1972-09-14
Also published as: US3662718A; BE779846A; AU3952372A; IT949777B; GB1313636A; AU446056B2; CA933057A; FR2127845A5

Description

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

RECHTSANWALT SO P H . EN STRAS S E 5 2LAWYER SO P H. EN STRAS S E 5 2 BEI DEM LANDGERICHT F RAN KFURTAM MMNAT THE LAND COURT F RAN KFURTAM MMN

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

DampfgeneratorSteam generator

Die Erfindung betrifft Dampfgeneratoren mit flüssigem Metall als Wärmeaustauschmittel, die besonders zum Anschluss an Brutreaktoren geeignet sind.The invention relates to steam generators with liquid metal as a heat exchange medium, which are particularly suitable for connection to Breeder reactors are suitable.

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. When exchanging heat from liquid metal, e.g. B. liquid sodium, with water exist very opposite, the system heavily stressful conditions. Because of the high heat density of the liquid metal, very high heat gradients arise. Changes in the direction and speed of flow of the liquid metal create vibrations and other mechanical ones Charges. Tensions and loads also arise from the interaction of a metal containing the liquid Low pressure area with the high pressure area for the steam circuit.

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Aufgabe der Erfindung ist ein Dampfgenerator, in dem diese Belastungen geringer sind.The object of the invention is a steam generator in which this Loads are lower.

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.The object is thereby achieved by the steam generator of the invention solved that the evaporator system with pipe arrangements Contains concentric inner and outer tubes leading from the high pressure area through the tube plate into the heat exchange medium protrude in the low pressure area, convey feed water into the low pressure area via their inner pipes and saturated steam through promote the annular spaces between the inner and outer pipes in the high pressure area, and the superheater system pipe arrangements with concentric inner and outer pipes, which protrude into the heat exhaust, the saturated steam through the Annular spaces between inner and outer pipes in the low pressure area and as superheated steam through the inner pipes back again and convey to an upper tube plate arranged in the high pressure area.

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.This has z. B. the advantage that the tube plate can withstand the high temperatures of the incoming liquid Netall and the exiting is not directly exposed to superheated steam.

Der Dampfgenerator kann mit einmaligem Durchlauf oder auch im Rücklauf betrieben werden.The steam generator can be operated with a single pass or with a return.

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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung anhand der Zeichnungen, in denen zeigen:Further advantages emerge from the description with reference to of the drawings in which show:

die Figur 1 eine günstige Ausbildung des erfindungsgemässen Dampfgenerators im Längsschnitt;FIG. 1 shows a favorable embodiment of the inventive Steam generator in longitudinal section;

die Figur 2 den Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 der Figur 1; undFIG. 2 shows the section along the section line 2-2 of FIG. 1; and

die Figur 3 eine günstige Ausbildung des Verdampfer- und Überhitzersystems des erfindungsgemässen Dampfgenerators.FIG. 3 shows a favorable design of the evaporator and superheater system of the steam generator according to the invention.

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.The steam generator 10 consists of the cylindrical pressure vessel 12, which in turn is composed of a lower section 14 with a hemispherical bottom 15, a middle section 16 and an upper section 18 with a hemispherical roof. The middle section 16 carries a das Vessel 12 into a high pressure area and a low pressure area dividing tube plate 22, hereinafter referred to as the lower tube plate. Section 16 is also about of the tube plate 22, a steam outlet nozzle 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 unterhalbIn the lower section 14 there is an inlet nozzle 24 for the liquid metal and an outlet nozzle 26 as well for liquid metal. In the middle section 16 is below

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der Rohrplatte 22 aber über dem Metallspiegel 32 eine Düse 28 für den Ablass von Umsetzungsprodukten von Metall/Wasser vorgesehen.the tube plate 22 but above the metal mirror 32 a nozzle 28 intended for the discharge of reaction products of metal / water.

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.A cylindrical bundle of bayonet tubes 34 extends from the tube plate 22 downwards. It is in the superheater bundle 36 and separated from it by the plate 42 Evaporator bundle 38 divided. By carrier 43a 43h the pipes are kept at a mutual distance. The plate 42 is connected at the bottom to the metal inlet nozzle and separates the upward and downward flow of the liquid metal indicated by the arrows A. The plate ends at the top End 44 and is held by the tube plate 22 by means of a plurality of support rods 45. One just above the inlet 24 between the wall of the lower section 12 and the plate 42 arranged funnel-shaped seal 46 separates the and outflowing metal streams. A cylindrical heat shield is located between the plate 12 and the vessel wall 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 untereThe evaporator tube bundle is guided through the tube plate 22 and ends in an annular chamber 48 for the feed water. That Superheater tube bundle, however, ends in an upper tube plate 52. This is in a cylindrical sleeve 54 with the hemispherical head 56 is supported and separates a lower one

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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. Chamber 55a in the sleeve 54- from an upper chamber 55b in the Head 56. The annular chamber 48 which receives the feed water introduced via the inlet nozzle 57 surrounds the sleeve 54 and is attached to this. Under the tube plate 52 above of the chamber 48 are in the sleeve 54- in an annular arrangement the openings 58 are provided. One arranged above the chamber 48 The ring seal divides the space surrounding the sleeve 54- an upper and a lower area. At the head 56 is a superheater outlet pipe 62 and a normally closed outlet port are attached. An inlet nozzle is also provided 64 for saturated steam and a service opening 66 are provided.

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 59To illustrate the evaporator and superheater tube bundles 38, 36, FIG. 3 each shows an individual tube arrangement. the Evaporator tube assembly 78 consists of one attached to the feed water chamber 48 connected pipe 82 carrying the feed water and guided downwards through the pipe plate 22 This extends with its lower end into a tube 77, which is closed at the bottom and extends to the bottom of the plate 42. The tubes 77 and 82 are arranged at a certain distance from each other, so that the feed water indicated by the arrows 0 after passing through the Pipe 82 enters the pipe 77 in the opposite direction and through the annular channel into the one below the seal 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.the space surrounding the sleeve 54 is emptied. When passing through The annular channel produces saturated steam which leaves the steam generator 10 through the nozzle 23. Afterward it flows either through a bypass line 83 or a Steam or separator drum S back into the inlet nozzle '64. The valves V1, V2 and V3 control the steam flow according to the program. From the inlet nozzle 23 the steam flows through the openings 58 in the sleeve 54 again into the lower superheater chamber 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.The saturated steam indicated by the arrows B flows into the pipe arrangement 76 via one of the bore 74 and the pipe plate 22 formed annular channel as well as the adjoining Annular channel between the outer tube 72 and the inner tube 74, and reversing its direction of flow upwards through the inner tube 74, which leads through the tube plate 22 to the superheater steam chamber 55b. Here they unite superheated steam flows of all corresponding pipe arrangements of the superheater bundle 36 and exit the steam generator through the outlet nozzle 62 shown in the figure. The one described Pipe arrangement with an inner pipe and an outer pipe for passage with reversal of the direction of flow is called a bayonet tube.

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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.A cylinder flange serves to support the pressure vessel 12 86 and a subsequent support plate 88 at the transition between the lower hemispherical bottom 15 and the cylindrical lower section 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.In the embodiment shown, the walls of the tubes 74, 76, 78 and 82 are continuous; instead you can but also double-walled with ring-shaped ones in between Be dead dreaming. The dead spaces, for example of the evaporator tube arrangement 78, then act as an insulator for reduction a heating of the downflowing feed water. The bayonet tubes of the superheater bundle can also be designed in a similar manner 56, the feed water chamber 48 and the steam chamber Be 55b.

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.When the steam generator 10 is in operation, this flows from a separate heat source, e.g. B. a nuclear reactor directly or indirectly heated liquid metal after entering via the inlet nozzle 24 in the direction of arrows A upwards into the spaces between the superheater tube bundles 36, over which Edge 44 of the plate 42 and down through the annular channel between the plate 42 and the heat shield 47, through the Gaps between the evaporator tubes, and through the outlet nozzle 26 to the outside again.

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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.The feed water flows into the steam generator through the inlet pipe 57 into the feed water chamber 48, flows from there into the tubes 82, and flows down into the annular space between the plate 42 and the heat shield 47 * At its lower end, it changes its direction of flow and continues to flow up through the annular channels between the tubes 77 and 82. Here it is through the second pass of the liquid Metal heated up to the saturated steam phase. The flow is indicated by the arrows C. The saturated steam leaves the generator through the Auelassdüse 23, but flows during normal operation and when valve V3 is open but valves V1 and V1 are closed V2 via line 83 back into the inlet nozzle 64 and back into the steam generator. If you want to work in circulation, so the valve V3 is closed, while the valves Vl and V2 can be opened. The saturated steam now flows through the steam or separator drum S. After the water has been separated the dry steam is fed back into the superheater part of the steam generator.

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.During the return, the steam, after entering via the nozzle 64, passes through the openings 58 into the superheater chamber 55a into tubes 72 and when flowing down through the first Overheated liquid metal run. The steam superheated in this way then flows upward through the pipes 74 directly into the steam chamber 55b and leaves the generator through the outlet nozzle 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.A particular advantage of the steam generator according to the invention is the generation of superheated steam under isothermal operation at saturated steam temperature (under normal Operating conditions at full load) for tubesheet 22 and all of the high pressure steam, water inlet and outlet systems in the sleeve 54. The mentioned system or components So will not deal with the overheated steam temperatures exposed. This avoids extreme heat gradients and increases the service life and susceptibility to failure accordingly extended and improved. Furthermore, the separate arrangement of superheater and evaporator tube bundles results in a great deal stronger mechanical strength and stability. The device can be used both with a single pass and in circulation work. The addition of a reheating cycle is easy to accomplish. Gans is particularly advantageous is the use following liquid metal-cooled nuclear reactors, especially those cooled with liquid sodium Breeder reactors.

Zur Ableitung etwaiger Umsetzungsprodukte von Wasser und flüssigem Metall, z. B. flüssigem Natrium dient der Expansionsraum über dem Metallspiegel 32 sowie die Ableitdüse 28. For the derivation of any reaction products of water and liquid Metal, e.g. B. liquid sodium serves the expansion space above the metal mirror 32 and the discharge nozzle 28.

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Claims

Steam generator with liquid metal as a heat exchange medium, the pressure vessel of which is in a low-pressure area for the liquid metal circulation and a high-pressure area for the supply of fresh water is divided, characterized in that the evaporator system (38) pipe arrangements (78) with concentric inner and Contains outer tubes (77t 82) which run from the high pressure area through the tube plate into the heat exchange medium in the low pressure area protrude, convey feed water into the low-pressure area via their inner pipes and saturated steam through the annular spaces between Demand inner and outer pipes in the high pressure area, and the superheater system (36) pipe arrangements (76) with concentric Contains inner and outer tubes (72, 74) that are inserted into the Heat exchange media protrude, the saturated steam through the annular spaces between the inner and outer pipes in the low pressure area and as superheated steam back through the inner tubes and to an upper tube plate arranged in the high pressure area (52) promote.

2. Steam generator according to claim 1, characterized in that that the liquid metal flows twice through the low pressure area, the evaporator system in the second and the superheater system protrudes into the first pressure area.

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3. Steam generator according to claim 2, characterized in that that reaction products of liquid metal and water are drained off via a nozzle (28) located in the low pressure range.

4. Steam generator according to claim 2, characterized in that that an upper chamber (55b) arranged on the upper tube plate, the superheated steam, one arranged below the same lower chamber (55a) the saturated steam and an annular chamber (48) surrounding the lower chamber the introduced feed water records.

5. Steam generator according to claim 4, characterized in that that the saturated steam after. Run through, one to the generator connected external circuit (83) flows back into the generator and through. Openings (58) or other suitable ones Agent is passed into the lower chamber (55a).

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