-
Dampferzeuger Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger und :überhitzer,
insbesondere einen solchen mit flüssigem Metall, z. B. Natrium, als Heizmittel.
-
Dampferzeuger mit Flüssigmetall als Heizmittel sind im allgemeinen
so gebaut, daß Wasser hohen Druckes, welches vom Flüssigmetall im Wärmetausch erhitzt
wird, durch eine große Anzahl von einander parallelen Wärmeaustauschrohren hindurchfließt
und daß das
Flüssigmetall innerhalb eines diese Wärmeaustauschrohre
umschließenden Kessels fließt. In dieser Art von Dampferzeugern sind die Wärmeaustauschrohre
am Auslaß und am Einlaß mit einer Rohrplatte verbunden, durch die Wasser in die
Wärmetauscherrohre eingeführt und der durch den Wärmetausch erzeugte Dampf aus den
Wärmetauscherrohren abgeführt wird.
-
Eine Rohrplatte ist darin mit einer großen Anzahl von- dicht r.ebeneinander
angeordneten Öffnungen versehen, und die Wärmetauscherrohre sind mit ihr durch Schweißung
verbunden. Daher sollte die Roht -platte beträchtlich dick sein, um genügend stark
zu sein; und sie sollte, um dem Druck sfandhalten zu können, so gebaut sein, daß
sie nicht dem Wärmeeinfall ausgesetzt ist. Zu diesem Zweck pflegt man beim Entwurf
von Dampferzeugern dieser Art Rohrplatten nicht innerhalb des Flüssigmetalls, in
welchem die Rohrplatten dem Wärmeeinfall ausgesetzt sein würden, sondern in Gas-Umgebung
oberhalb des Flüssigmetall-Spiegels anzuordnen.
-
Im allgemeinen sind die Rohrplatten des Dampferzeugers sowohl am
Wassereintritt als auch am Wasseraustritt oberhalb des Spiegels des Flüssigmetalls
angeordnet, und jedes Wärmeaustauschrohr hat die Form eines U, dessen abwärts und
dessen aufwärts durchströmter Rohrschenkel sich innerhalb des Flüssigmetalls erstrecken.
Das innerhalb des Mantels befindliche Flüssigmetall ist durch eine zum Mantel konzentrische
Trennwand in eine die abwärts durchströmten Rohrschenkel umgebende und eine die
aufwärts durchströmten Rohrschenkel umgebende Teilmenge geteilt. Damit der Wasserumlauf
verbessert und Druckschwankung,
welche durch Schwankung des Wasserstroms
entstehen konnte, vermieden wird, ist es erwünscht, daß die in den abwärts.
-
durchströmten Rohrschenkeln übertragene Wärmemenge etwas kleiner sei;
daher pflegt man üblicherweise das Flüssigmetall für die abwärts durchströmten Rohrteile
ruhend zu halten.
-
Dampferzeuger für praktische Verwendung haben sehr große Wasser-
und Flüssigmetail-Umlaufmengen. Zum Beispiel wird ein 13ampferzeuger ,-~bei dem.
der Wärmetausch zwischen flüssigem Natrium und Wasser erfolgt und derals Ieistungs-Dampferzeuger
für ein Kraftwerk von 1000 MW geeignet ist, einen Wasserumlauf von 4000 t/Std und
einen Natrium-Umlauf von ebenfalls 4000 t/Std erfordern; das ist ein sehr großer
Dampferzeuger.
-
Wenn die in den Wärmeaustauschrohren übertragene Wärmemenge nicht
in allen Wärmeaustauschrohren gleichmäßig ist, dann ist eine Veränderung der Temperatur
des erzeugten Dampfes die Folge. Denn in Rohren, in denen die Temperatur des erzeugten
Dampfes niedriger ist, wird das Wasser schneller fließen, so daß die Wasserbewegung
in den Wärmeaustauschrohren ihr Gleichgewicht verliert und einen Abfall m der Dampferzeugungseigenschaft
des Dampferzeugers verursachen kann. Auch kann dies eine Überprüfung der Rohrplatten-Festigkèit
hinsichtlich der Wär m ebeanspr uchungen erforderlich machen.
-
Daher ist es beim Entwurf eines Dampferzeugers großer Art wesentlich,
eine Einrichtung zu schaffen, die den beiden Flüssigkeiten Strom in passendem Mengenverhältnis
aufzwingen kann und die zugleich
die übertragene Wärmemenge in allen
Wärmeaustauschrohren gleichmäßig macht. Bei herkömmlichen Kesseln pflegt man die
Aufgabe, gleichmäßigen Wasserumlauf durch die Wärmeaustauschrohre zu erzielen, dadurch
zu lösen, daß man in allen Wärmeaustauschrohren Drosseldüsen anordnet, um in diesen
Drosseldüsen großen Druckabfall zu erzeugen und durch diesen Druckabfall die Strommenge
in den Wärmeaustauschrohren gleichmäßig zu machen. Diese Steuerung-Einrichtung hat
bei Dampferzeugern mit Flüssigmetall als Wärmezubringer gewisse Nachteile, und zwar:
1. Der Druckabfall im Wasser ist groß, so daß eine das Wasser in den Dampferzeuger
einspeisende Pumpe höher belastet wird 2. es ist schwierig, das Wasser, wenn das
Zusammenwirken des Flüssigmetalls mit dem Wasser gestört wird, schnell abzulassen
4 3. die Anordnung von Drosseldüsen in allen Wärmeaustauschrohren erschwert und
verteuert die Herstellung; 4. die ausgetauschten Wärmemengen in allen Wärmeaustauschrohren
lediglich dadurch gleichmäßig zu machen, daß man den Wärmeaustauschrohren gleiches
Wasservolumen zuführt, ist unmöglich.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Dampferzeuger mit Flüssigmetall
als Heizmittel zu schaffen, in welchem die Wasser-und die Flüssigmetall-Strommengen
in ihrem Verhältnis zueinander auf Bestwert eingestellt und der Wärmeaustausch in
allen Wärmeaustauschrohren
gleichmäßig gemacht werden können, so
daß der Dampferzeuger beste Wärmeaustausch-Eigenschaften hat und der Wasser- und
der Flüssigmetall-Strom höchst stabil ist.
-
Eine weitere Erfindungsaufgabe ist, einen Dampferzeuger mit Flüssigmetall
als Heizmittel zu schaffen, in welchem gleichmäßiger Wärmeaustausch in allen Wärmeaustauschrohren
dadurch erzeugt werden kann, daß gleichmäßiget Wasserstrom durch die Wärmeaustauschrohre
ohne Anordnung von Drosseldüsen in den Wärmeaustauschrohren erreicht werden kann,
so daß der Dampferzeuger beste Wärmeaustausch-Eigenschaften hat.
-
Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß in einem Dampferzeuger,
in welchem Wärmeaustauschrohre für Durchlaß einer Flüssigkeit von niedriger Temperatur
die Form eines U haben und eine Trennwand zwischen den abwärts durchströmten und
den aufwärts durchströmten Teilen der U-förmigen Wärmeaustauschrohre angeordnet
ist, eine Flüssigkeit hoher Temperatur, die als Heizmittel dient, eine Temperatursenkung
zeigt, wenn sie nahe der Innenwand strömt. Das hervorragende Merkmal der Erfindung
ist, daß die Strommenge für die Flüssigkeit hoher Temperatur in den aufwärts durchströmten
Teilen der der Trennwand nahen Wärmeaustauschrohre größeren lichten Querschnitt
haben als die Strommenge der Flüssigkeit hoher Temperatur in den aufwärts durchströmten
Teilen der von der Trennwand entfernten Wärmeaustauschrohre; hierdurch wird gleicher
Wärmeaustausch in allen Wärmeaustauschrohren bewirkt.
-
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen schematischen
Längsschnitt durch einer: Dampferzeuger mit Flüssigmetall als Heizmittel in einer
ersten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 ein Diagramm der Temperaturänderung,
die ein Flüssigmetall auf dem Wege von einem randnahen Teil zur Mitte des Dampferzeugers
längs einer Querschnittsfläche des Dampferzeugers zeigt; Fig. 3 ein Diagramm der
Beziehung zwischen dem Volumen des durch die Wärmeaustauschrohre strömenden Wassers
einerseits und dem Abfall des Druckes und der Temperatur des Dampfes andererseits
sowohl in einem mittleren Bereich als auch in einem Randbereich des Dampferzeugers;
Fig. 4 einen Teil-Querschnitt durch den Dampferzeuger der Fig. 1, der im einzelnen
die Anordnung der Wärmeaustauschrohre zeigt; Fig. 5 einen- Teil-Querschnitt durch
eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dampferzeugers, der im einzelnen
die Anordnung der Wärmeaustauschrohre zeigt; Fig. 6 einen Teil-Querschnitt durch
eine noch andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dampferzeugers, der im
einzelnen die Anordnung der Wärmeaustauschrohre zeigt.
-
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Dampferzeuger sind ein zylindrischer
Mantel 1 und ein Deckel 2 mittels Flanschen 3 zu einem zylindrischen Kessel verbunden.
In diesem sind U-förmige Wärmeaustauschrohre, jedes aus einem abwärts durchströmten~Teil
.13 und einem aufwärts durchströmten Teil 14 bestehend, und eine zylindrische Trennwand
10, welche die abwärts durchströmten Rohrteile 13 von den aufwärts durchströmten
Rohrteilen 14 trennt, angeordnet.
-
In der Mitte des Kessels ist senkrecht ein Innenzylinder 9 kleineren
Durchmessers angebracht.
-
Natrium 18 von hoher Temperatur, ~das als Heizmittel des Dampferzeugers
dient, wird ins Innere des Kessels 1 durch ein Natriumeinlaßrohr 6, das durch den
obersten Teil des Deckels 2 abwärts hindurchgeht, und durch Natriumv erteilerrohre
7, die vom Natriumeinlaßrohr-. 6 abzweigen, eingeführt. Das Natrium wird durch die
Verteilerrohre 7 gleichmäßig auf Natriumkanäle, die zwischen dem Innenzylinder 9
und der-Trennwand 10 gebildet sind, verteilt und fließt abwärts um die aufwärts
durchströmten Rohrteile 14 herum, wobei es Wärme- an eine durch die- Wärmeäustauschrohre
strömende Flüssigkeit niedriger Temperatur abgibt. - Schließlich wird das Natrium
durch eine am Boden des Kesselmantels 1 angebrachte Natriumauslaßleitung 8 abgeführt.
-
Die dem Wärmetausch mit dem heißen Natrium ausgesetzte Flüssigkeit.
niedriger Temperatur - das Wasser - wird einem Wasserzufuhrstutzen 4 zugeführt,
in dem eine Wasserrohrplatte 11 für Anschluß an eine große Anzahl von Wärmeaustauschrohren
angeordnet
ist, so daß das zugeführte Wasser auf die-Wärmeaustauschrohre
im Kessel 1 verteilt wird Das Wasser fließt zunächst abwärts durch die außerhalb
der Trennwand 10 im ruhenden Natrium angeordneten, abwärts gerichteten Rohrteile
13 der Wärmeaustauschrohre, bis es den unteren Rand der Trennwand im unteren Teil
des Kessels 1 erreicht.
-
Das Wasser strömt sodann vom unteren Ende der Trennwand durch die
aufwärts gerichteten Rohrteile 14 der spiralig um den Innenzylinder 9 angeordneten
Wärmeaustausr:hrohre 14 aufwärts. Dabei wird es vom heißen Natrium durch Wärmetausch
erhitzt und in Dampf verwandelt. Der erzeugte Dampf wird in einem im Deckel 2 angeordneten
Dampfstutzen 5, in dem sich eine Dampfrohrplatte 12 befindet, an die die aufwärts
gerichteten Teile 14 der Wärmeaustauschrohre angeschlossen sind, gesammelt und aus
diesem Stutzen 5 abgeführt.
-
Der Wasserzufuhrstutzen 4 und der Dampfstutzen 5 sind beide in einem
Raum angeordnet, der oberhalb des Spiegels des Natriums 18 im Kessel 1 gebildet
und mit Argon gefüllt ist. Dank dieser Anordnung entstehen im Wasserzufuhrstutzen
4 und Dampfstutzen 5 auch dann, wenn die Kessellast sich ändert, keine großen thermischen
Beanspruchungen.
-
Die aufwärts gerichteten, spiralig gewundenen Teile der Wärmeaustauschrohre
sind, wie Fig. 4 zeigt, so angeordnet, daß sie sowohl in Richtung der Kesselachse
als auch in Richtung des Kesselradius gleich weit voneinander entfernt sind, und
infolgedessen fließt das
Heizmittel - das Natrium - zwischen den
aufwärts durchströmten Rohrteilen 14 abwärts mit gleichmäßiger Geschwindigkeit.
Die aufwärts durchströmten Rohrteile 14 sind im gleichen Steigungswinkel gewunden,
so daß alle aufwärts durchströmten Rohrteile einander gleich lang sind.
-
Nun seien die bei dieser Erfindung sehr wichtige Anordnung der aufwärts
durchströmten Rohrteile und deren Lagen beschrieben. Fig. 2 zeigt die Temperaturverteilung
des Natriums in einen Dampferzeuger vom achsmittigen Teil des Kessels bis zu seinem
randnahen Teil längs eines Querschnittes durch den Kessel. Die Trennwand 10, die
zwischen demjenigen Natrium, das um die aufwärts durchstmmten Teile 14 der Wärmeaustauschrohre
fließt, und demjenigen Natrium angeordnet ist, das die ebenfalls durchströmten Rohrteile
13 umgibt, soll Wärmeübergang von dem innerhalb der Trennwand abwärts fließenden
heißen Natrium zu dem außerhalb der Trennwand befindlichen Natrium verhindern, so
daß der Wasserstrom dur ch die abwärtsgerichteten Teile 13 der Wärmeaustauschrohre
stabilisiert wird. Jedoch ist ein geringer Wärmeübergang von einem Teil des Kessels,
in dem sich die aufwärts durchströmten Rohrteile 14 befinde, zu einem Teil des Kessels,
in welchem die abwärts durchströmten Rohrteile 13 angeordnet sind, unvermeidlich,
weil Natrium hohe- Wärmeleitfähigkeit besitzt und die Fähigkeit der Trennwand, Wärmeübergang
zu verhindern, begrenzt ist.
-
Dieser Wärmeübergang verursacht den oben genannten Abfall der Temperatur
des Natriums, welches- entlang den nahe der Innenfläche
der Trennwand
befindlichen aufwärts durchströmten Rohrteilen fließt, unter die Temperatur des
Natriums, das entlang den von der Innenfläche der Trennwand entfernten aufwärts
durchströmten Rohrteilen fließt.
-
Daher kommt die in Fig. 2 gezeigte Temperaturverteilung. Der der Innenfläche
der Trennwand nahe Teil, wo das Natrium einen Temperaturabfall zeigt, soll im folgenden
als Randbereich bezeichnet und der von der Innenfläche der Trennwand entfernte Teil,
wo das Natrium keinen Temperaturabfall zeigt, soll als Mittelbereich bezeichnet
werden.
-
Bekanntlich ist, wie die Druckabfall-Kurven in Fig. 3 zeigern, die
Beziehung zwischen der Strom menge einer in den Verdampfunysrohren eines Dampferzeugers
o. ä. strömenden Flüssigkeit und dem Druckabfall streng nicht-linear. Diese Erscheinung
gilt als eine Ursache dafür, daß der Flüssigkeitsstrom im Verdampfungsrohr-System
unstabil wird. Andererseits ist, je größer die Flüssigkeits-Strommenge, desto niedriger
die Temperatur des erzeugten Dampfes. Diese Beziehung ist durch die Dampftemperatur-Kurven
in Fig. 3 dargestellt.
-
Ein Vergleich des aufwärts durchströmten Rohrteiles 14 im Randbereich
des Dampferzeugers mit den Rohrteilen im Mittelbereich desselben zeigt, daß die
Temperatur des darin erzeugten Dampfes im Randteil natürlicherweise niedriger als
die Temperatur des erzeugten Dampfes im Mittelbereich ist, weil die Temperatur des
Natriums im Randbereich niedriger als die Temperatur des Natriums im Mittelbereich
ist. Da ein Abfall der Temperatur der erzeugten Wärme einen Abfall der durchschnittlichen
Menge der in den Rohren strömenden Flüssigkeit zur Folge hat, ist der Druckverlust
im Randbereich niedriger als im
Mittelbereich. Daher sind der Druckverlust
im Mittelbereich und der Druckverlust im Randbereich voneinander verschieden, -wie
in Fig. 3 durch eine volle Linie und eine gestrichelte Linie dargestellt Wenn man
den Unterschied der Druckverluste in den beiden Bereichen betrachtet, findet man,
daß die Temperatur des erzeugten Dampfes im Mittelbereich so wie in der Zeichnung
beim Punkt A und im Randbereich so wie in der Zeichnung beim Punkt B ist. Dies zeigt,
daß es zwischen den beiden Bereichen große Unterschiede in der Temperatur des erzeugten
Dampfes und in der Menge der strömenden Flüssigkeit gibt.
-
Solche Ungleichheit der strömenden Flüssigkeitsmenge und der Temperatur
der erzeugten Wärme zwischen den beiden Bereichen des Dampferzeugers droht, den
Betriebswirkungsgrad sehr zu verschlechtern, die Wärmeübertragungs-Fähigkeit des
Dampferzeugers zu mindern und den Flüssigkeitsstrom unstabil zu machen. Auch stellt
sie ein der Lösung harrendes Problem beim Entwurf der Dampferzeuger-Bauart, weil
ungleichmäßige-Wärmedehnung der Wärmeaustauschrohre und zusätzliche Wärmebeanspruchungen
in den Rohrplatten die Folge sind.
-
Um die oben genannten Nachteile der früheren Bauart zu beheben, ist
gemäß der Erfindung eine Einrichtung vorgesehen, welche gleichmäßigen Wärmeaustausch
und Flüssigkeitsstrom im Mittelbereich und im Randbereich ermöglicht. In einer in
Fig. 4 gezeigten A usführungsform sind die aufwärts durchströmten Rohrteile 14 in-
zwei Gruppen geteilt, nämlich in eine Mittelbereichs-Gruppe 15 und eine Randbereichs
-Gruppe
16, und zwischen den aufwärts gerichteten Rohrteilen 14 der Randbereichs-Gruppe
16 sind unwirksame aufwärtsgehende Rohrteile 17 verteilt, durch die kein Wasser
strömt. Diese unwirksamen aufwärtsgehenden Rohrteile 17 sind von gleicher Form wie
die aufwärts durchströmten Rohrteile 14, aber mit dem Unterschied, daß die Rohrteile
17 an ihrem oberen und ihrem unteren Ende geschlossen sind und daß sie mit Argon-Gas
passenden Druckes gefüllt, also am Wärmetausch nicht beteiligt sind.
-
Indem man diese unwirksamen aufwärtsgehenden Rohrteile 17 anstelle
einiger der aufwärts durchströmten Rohrteile 14 in Randbereich setzt, kann man das
Verhältnis der Natrium-Strommenge zur Wasser-Strom menge im Randbereich größer als
das entsprechende Verhältnis im Mittelbereich machen. So wird die Wärmemenge; die
von dem innerhalb der Trennwand befindlichen Natrium durch die Trennwand hindurch
an das außerhalb der Trennwand befindliche Natrium übergeht, durch die im Natrium
des Randbereiches enthaltene Wärmemenge, die von den unwirksamen aufwärtsgehenden
Rohrteilen 17 nicht aufgenommen wird, ausgeglichen.
-
Die Erfindung wirkt also dahin, Absinken der Temperatur des Natriums
im Randbereich des Dampferzeugers unter die in seinem Mittelbereich herrschende
Temperatur zu verhindern. Dies bewirkt größeres - Wärmeaustauschvermögen der Wärmeaustauschrohre
und größere Stabilität des Wasserstromes in ihnen.
-
Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der die
Bauart des Kessels ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 4,
aber
die Anordnung der aufwärtsgehenden Rohrteile-Gruppen verschieden ist. Bei dieser
Ausführungsform sind die aufwärtsgehenden Rohrteile 14 der Wärmeaustauschrohre spiralig
um den Innenzylinder 9 auf konzentrischen zylindrischen Flächen gewunden, wobei
die Windungen der Rohrteile 14 in Längsrichtung des Innenzylinders 9 wesentlich
einander gleichen Abstand haben, aber in radialer Richtung vom Innenzylinder 9 aus
solche Lage haben, daß ihr Abstand voneinander im Randbereich des Dampferzeugers
größer als in seinem Mittenbereich ist. Anders gesagt: Die aufwärtsgehenden Rohrteile
14 sind so gewunden, daß ihre Anzahl in einer gegebenen Querschnittsfläche des Dampferzeugers
im Mittenbereich größer als im Randbereich ist.
-
Dementsprechend ist die Natrium-Strommenge im Randbereich vermehrt
und das Verhältnis der Natrium-Strommenge zur Wasser-Strommenge im Randbereich größer
als im Mittenbereich.- Dies bewirkt, daß Abfall der Natrium-Temperatur im Randbereich
verhindert ist und somit das Wärmeaustauschvermögen der Wärmeaustauschrohre und
die Stabilität des Wasserstroms durch die Wärmeaustauschrohre vergrößert werden
kann.
-
Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der die Bauart des
Dampferzeugers ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 4, aber die Anordnung
der aufwärtsgehenden Rohrteile-Gruppen verschieden ist.
-
Bei dieser Ausführungsform- sind die aufwärtsgehenden Rohrteile 14
der Wärmeaustauschrohre ebenfalls spiralig um den Innenzylinder 9 gewunden; aber
die Windungen der aufwärtsgehenden Rohrteile 14 haben in radialer Richtung vom Innenzylinder
9 einander gleichen Abstand und in Längsrichtung des Innenzylinders 9 solche Lage,
daß ihr Abstand voneinander
im Randbereich größer als im Mittenbereich
ist. Auch bei dieser Ausführungsform ist die Anzahl der aufwärtsgehenden Rohrteile
14 auf einer gegebenen Querschnittsfläche des Kessels im Mittenbereich größer als
im Randbereich. Daher ist das Verhältnis der Natrium-Strommenge zur Wasser-Strommenge
im Randbereich größer als im Mittelbereich, und daher kann das Wärmeaustauschvermögen
der Wärmeaustauschrohre und die Stabilität des Wasserstroms in den Wärmeaustauschrohren
erhöht werden.
-
Die Erfindung ist hier dargestellt und beschrieben worden anhand
von Ausführungsbeispielen, in denen die Erfindung in einem Dampferzeuger verkörpert
ist, bei dem die aufwärts durchströmten Rohrteile 14 der Wärmeaustauschrohre spiralig
um den Innenzylinder 9 gewunden sind. Wenn gewundene Wärmeaustauschrohre verwendet
werden, ist der Natrium-Strom im wesentlichen rechtwinklig zu den aufwärtsgerichteten
Rohrteilen 14, so daß die Menge des Wärmeaustausches vom Natrium ans Wasser vergrößert
werden kann. Die Wärmeaustauschmenge kann auch an den Umlenkbiegestellen der Wärmeaustauschrohre
vergrößert werden. So hat der Dampferzeuger der Bauart mit spiralig gewundenen aufwärts
durchströmten Rohrteilen ein hervorragendes Wärmeaustauschvermögen. Zusätzlich hat
der Dampferzeuger dieser Art einen Vorteil insofern, als bei seiner Bauart die Wärmedehnung
der Wärmeaustauschrohre leicht aufgenommen werden kann.
-
Hier ist die Erfindung in Anwendung auf einen Dampferzeuger be schrieben
worden, bei dem aufwärts durchströmte Rohrteile von Wärmeaustauschrohren spiralig
gewunden sind. Aber natürlich ist die Erfindung
nicht auf die
besondere Ausführungsform beschränkt; es ist vielmehr beabsiclltigt, die Erfindung
auch bei Dampferzeugern anzuwenden, welche Wärmeaustauschrohre beliebiger Art einschließlich
gerader Rohre, schlangenförmiger Rohre u. a. haben.