DE2448466A1

DE2448466A1 - Kessel mit aus schweissbarem werkstoff bestehender wandung

Info

Publication number: DE2448466A1
Application number: DE19742448466
Authority: DE
Inventors: Egon Haese
Original assignee: Dr C Otto and Co GmbH
Current assignee: Dr C Otto and Co GmbH
Priority date: 1974-10-11
Filing date: 1974-10-11
Publication date: 1976-04-22
Also published as: JPS5164103A; BE833290A; GB1512259A; US4029055A; FR2287669A1; IN144187B; NL7511004A; FR2287669B1

Description

Dr. W. P. Radt
DipL-Ing. E E. Finkener _{Dr# c}. _{Otto & Gomp#}

^D l Gesellschaft mit beschränkter

463 Bochum Haftung

Heinrich-König-Straße 12

Fernsprecher 415 SO, 4 23 27 4-630 B O C fa. U Hl

Telegrammadresse: Radipatent Bochum

25/74-WPR/IK

Kessel mit aus schweißbarem Werkstoff "bestehender Wandung

Die Erfindung betrifft einen Kessel mit innerhalb einer aus schweißbarem Werkstoff bestehenden äußeren Wandung angeordnetem Innenraum, in dem ein Wärmeaustausch gasförmiger Medien bei Temperaturen stattfindet, die höher sind als die zulässige Temperatur der äußeren Wandung.

Derartige Kessel werden benötigt bei der Zuführung von Wärmeenergie an ein gasförmiges Medium, wobei die vornehmlich aus Kernenergie stammende Wärme von einem Edelgas geliefert wird. Die Temperaturen, auf die das Medium aufzuheizen ist, liegen dabei über denjenigen Temperaturen, die dem schweißbaren Werkstoff der Wandung zugemutet werden können.

Kessel, durch die die heißen Kühlgase eines Kernreaktors strömen, sind üblicherweise als Doppelmantelaggregate ausgebildet. Das Kühlgas umströmt den im inneren Kessel liegenden Wärmeaustauscher oder Reaktor und anschließend einen Kühler, in dem z.B. Dampf erzeugt wird, von unten nach oben; während die Eintrittstemperatur des Kühlgases oberhalb 95O⁰O liegt, ist sie nach Passieren des Kühlers unter 400⁰C, z.B. auf 250⁰O, gesunken. Der innere Kessel ist oben offen, und das abgekühlte Edelgas kann in dem Ringraum, der durch den inneren und den äußeren Kessel gebildet wird, nach unten strömen. Hier ist ein Gebläse angeordnet.

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Auf diese Weise kann der äußere Mantel des Kessels für eine niedrige Edelgastemperatur von z.B. 250⁰O ausgelegt werden. Die üblichen Betriebsdrücke für solche Apparaturen liegen bei 50 bar.

Ein besonderes Problem bietet bei derartigen Anlagen die Durchführung der zum Innenraum führenden Leitungen, mittels deren die im Innenraum des Kessels aufzuwärmenden gasförmigen Medien zugeführt und abgezogen werden, durch die aus schweißbarem Werkstoff bestehende Außenwandung des Kessels.

Ein direktes Einschweißen der Rohre der Durchführungen in die Kesselwandung ist nicht möglich, weil sie bei Vergrößerung der Wanddicke des Kessels an dieser Stelle infolge der Wärmeleitung die erforderliche Festigkeit nicht erreichen kann.

Man hat schon die Durchführungsrohre als Doppelmantelrohre ausgebildet und den Ringraum zwischen den Rohren mit einer wärmeisolierenden Masse ausgefüllt. Wegen der großen Unterschiede zwischen der Temperatur der zu- und abzuführenden gasförmigen Medien und der dem Werkstoff der Wandung noch zuzumutenden Temperatur, muß die Dicke der Isolierschicht ziemlich groß sein. Das bedingt einen großen Durchmesser des äußeren Rohres und in den meisten Fällen zusätzlich eine Verstärkung der Wandung des Kessels« Bei den Wärmeaustauschern oder Reaktoren, die von Kühlgasen eines Kernreaktors durchströmt werden, liegen aber sehr viele Rohrdurchführungen in einer Umfangsebene des Kessels, so daß die durch die Kesselwand durchzuführenden Stutzen beschriebener Bauart sich selbst bei versetzter Anordnung berühren wurden.

Das Ziel der Erfindung ist eine Ausbildung der genannten Durchführungen, bei der diese einschließlich der erfor-

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de.rliehen "Wärmeisolation einen kleinen Durchmesser haben und daher in größerer Anzahl in einer Umf angsebene des Kessels anzuordnen sind und eine Verstärkung der Kesselwandung an dieser Stelle nicht erforderlich ist.

Gemäß der Erfindung sind "bei Kesseln, "bei denen der Innenraum von einem von kälteren Medien durchflossenen Ringraum umgeben ist, die Durchführungen der zum Innenraum führenden Zu- und Ableitungen der heißen Gase durch die Außenwandung als Rohre ausgebildet, die von nach dem Ringraum des Kessels offenen, in die Kesselwandung eingeschweißten Mänteln begrenzten Ringräumen umgeben sind, wobei an diese Ringräume Anschlüsse zum Einleiten eines Kühlgases vorgesehen sind, dessen Zugabe zu den im Ringraum des Kessels strömenden Gase die im Kessel sich abspielenden Vorgänge nicht stört. Insbesondere können die Ringräume der Durchführungen an die Abzugsleitung der aus dem Ringraum des Kühlers abziehenden, mittels eines Verdichters auf etwas erhöhten Druck gebrachten Gase angeschlossen sein. Im letzten Fall wird also ein kleiner Teilstrom der aus dem Kessel abziehenden Gase über die Durchführungen im Kreis geführt.

Bei besonders langen Durchführungen, wie sie bei in Betonhüllen eingebauten Kesseln in Frage kommen, können in die Ringräume der Durchführungen koaxiale zylindrische Wände so eingebaut sein, daß die durch die Ringräume geleiteten Gase parallel zur Achse mehrfach hin- und herströmen.

Auf den anliegenden Zeichnungen ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dargestellt, und zwar zeigt:

Figur 1 einen als Wärmeaustauscher arbeitenden Kessel mit der Zuleitung und Ableitung des Kühlgases,

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Figur 2 gibt eine Einzelheit aus Figur 1 in größerem Maßstab wieder,

Figur 3 ist die Darstellung einer anderen Ausführungsform einer Durchführung in noch größerem Maßstab.

In dem in Figur 1 dargestellten Kessel wird die in einem Kernreaktor gewonnene fühlbare Wärme eines Edelgases dazu ausgenutzt, ein Spaltgas aufzuwärmen und Dampf zu erzeugen.

Durch das innere Rohr 1 der mit dem Kernreaktor verbundenen Koaxialleitung strömt das etwa 1000⁰C heiße Edelgas mit einem Druck von 40 bar in den inneren Kessel 2 des Druckapparates. Es gibt einen Teil seiner Wärme über den Wärmeaustauscher J an das Spaltgas ab, das aus der Ringleitung 9 über die Durchführungen 10 mit 6^0 0 zugeführt und über die Durchführungen 11 mittels der Ringleitung 12 mit einer Temperatur von etwa 870⁰C abgezogen wird. Der Druck des Spaltgases beträgt ebenfalls 40* bar.

In dem Kühler 4-, der als Dampferzeuger arbeitet, wird das Edelgas auf etwa 25O°C abgekühlt. Es durchströmt alsdann den Ringraum 29 zwischen dem inneren Kessel 2 und dem äußeren Kessel 5 nach unten und gelangt über den durch die Schürze 6 gebildeten Innenraum zu dem Verdichter 7· Hier wird das Edelgas soweit verdichtet, daß sein Druck 1 bis 2 bar höher liegt als der Druck, der im Ringraum 29 herrscht.

Durch den Ringraum 30, der durch die Rohre 1 und 8 der Koaxialleitung gebildet wird, strömt das Edelgas wieder dem Kernreaktor zu.

Die Wandung des Kessels 5 und des Rohres 8 besteht aus

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einem Werkstoff, dessen Anwendung "bei wirtschaftlich tragbaren Wandstärken und höheren Drucken in der Temperatur "begrenzt ist. Das Problem, das die Erfindung löst, liegt darin, die Durchführungen 10 für die Einführung des Spaltgases, dessen Temperatur höher liegt, und die Durchführungen 11 für dessen Abzug so zu gestalten, daß die Mantelflächen mit der Wandung 5 durch Schweißung verbunden werden können.

Figur 2 zeigt eine vereinfachte Form einer solchen Ausführung der Durchführungen 10 bzw. 11, wie sie sowohl an die Zuführungsringleitung 9 als auch an die Sammelringleitung 12 angeschlossen werden kann.

Die hindurchgeführte Rohrleitung 13 ist von dem Mantelrohr 14 umgeben, das auf der einen Seite unmittelbar mit der Kesselwandung 5> auf der anderen Seite mit dem Rohr 13 verschweißt ist. Das Rohr 13 ist mit den Pigtails des Wärmetauschers 3 verbunden, und es besteht ein freier Durchgang zu den Ringleitungen 9 bzw. 12. Ein weiteres Mantelrohr 15 ist mit dem Mantelrohr 14 verbunden. Der Ringraum zwischen den Rohren 14 und 15 ist mit einer isolierenden Masse ausgefüllt.

Die Erfindung macht sich nun die Tatsache zunutze, daß durch den Verdichter 7 in dem Ringraum 30 der Koaxialleitung 1, 8 gegenüber dem Ringraum 29, der durch den äußeren Kessel 5 und den inneren Kessel 2 gebildet wird, ein Druckgefälle von 1 bis 2 bar erzeugt wird.

Gemäß der Erfindung wird ein kleiner Teilstrom des abgekühlten Edelgases dem Ringraum 30 der Koaxialleitung entnommen und über die Leitungen 16 und 17 den Stutzen 18 zugeführt.

Das Gas strömt durch die Ringräume 28, die durch die Rohre 13 und das Mantelrohr 14 gebildet werden, und expan-

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diert in den Kessel 5· Die Spülgasmenge kann so groß gewählt werden, daß die Temperatur des Mantelrohres 14 nur wenig über der des Kesselmantels 5 liegt. Damit ist eine normale Stutzengestaltung an der Anschlußstelle möglich gemacht.

Die beschriebene einfache Ausführung der Durchführungen ist geeignet für kleinere Stutzenlängen und Rohrtemperaturen, die 750 C nicht überschreiten. Bei größeren Stutzenlängen, wie sie sich insbesondere bei dem aus Sicherheitsgründen erfolgenden Einschluß der den Wärmeaustauscher enthaltenden Kessel in einen Betonmantel ergeben, und bei höheren Temperaturen ist gemäß der weiteren Erfindung eine Mehrwegeströmung des Edelgases in dem Ringraum der Durchführung vorgesehen. Eine solche ist in Figur 3 dargestellt. Durch den hier vorhandenen Betonmantel 27, in den der Kessel eingehüllt ist, ergibt sich eine Länge des Stutzens der Durchführung von 1,5 m und darüber. Das Mantelrohr 14 ist wieder mit dem Mantel des Kessels und dem innenliegenden Rohr I3 durch Schweißung verbunden. In dem entstandenen Ringraum sind die als koaxiale Zylinder ausgebildet en. Umlenkrohre 19 und 20 so angebracht, daß das durch den Stutzen 18 einströmende Spülgas die entstandenen Räume 21, 22 und 23 durchlaufen muß. Die Strömungsgeschwindigkeit wird so gewählt, daß sich am Ende des Raumes 21 eine Temperatur einstellt, die eine normale Stutzenausführung an der Einschweißstelle des Mantelrohres 14 in den Kessel 5 zuläßt.

Durch das nachfolgende Zahlenbeispiel soll gezeigt werden, mit wie geringen Spülgasmengen eine befriedigende Herab-⁾ Setzung der Temperatur am Umfang der Mantelrohre zu erzielen ist:

Ein Wärmeaustauscher zur Überhitzung von Spaltgas mit einem äußeren Kesseldurchmesser von 35ΟΟ mm wird von

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— ι —

1.145.000 Nm^/h Helium durchströmt. Der Druck im Ringraum des Wärmetauschers beträgt 39 "bar und im Ringraum der Koaxialleitung nach der Verdichtung 40,2 bar. Das Helium hat eine Temperatur von 250⁰C. Der Wärmeaustauscher ist an der Ein- und Austrittsseite über Pigtails mit je 48 Durchführungsvorrichtungen nach Figur 3 verbunden. An der Austrittsseite beträgt die Temperatur des aufgeheizten Mediums im Rohr 87O⁰C. Der Durchmesser des Mantelrohres 14 ist.200 mm, das Rohr 13 hat einen Durchmesser von 108 mm. Der entstandene Ringraum ist durch die Umlenkrohre 19 und 20 in gleiche Ringquerschnitte aufgeteilt. Es wird die Forderung gestellt, daß der gesamte Heliumstrom durch die umlaufende Spülgasmenge keine größere Temperaturerhöhung als 2 C erfährt. Die Spülgasmenge wurde variiert und die Temperaturen an den Punkten 24, 25 und 26 und die Erwärmung des Gesamt-Heliumstromes durch die Zumischung von erwärmtem Spülgas festgestellt.

Spülgasmenge ^

pro Durchführung NmVh 17 34 68

Spülgasmenge ,.

für 48 Durchführungen NmVh 816 1632 3264

Spülgasmenge in %

vom gesamten Heliumstrom 0,07 0,14 0,28

Temperatur am Punkt 24 Temperatur am Punkt 25 Temperatur am Punkt 26

Temperaturdifferenz des Gesamtheliumstroms durch Spülgaszuführung in C

43O 465 755

0,36

291 35O 639

0,55

263 300 525

0,78

Pat ent ansprüche

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Claims

- 8 Patentansprüche

iy Kessel mit innerhalb einer aus schweißbarem Werkstoff bestehenden äußeren Wandung angeordnetem Innenraum, in dem ein Wärmeaustausch gasförmiger Medien bei Temperaturen stattfindet, die höher sind als die zulässige Temperatur der äußeren Kesselwandung, und wobei der Innenraum und dessen Zuleitung von einem von kälteren Medien durchflossenen Ringraum umgeben sind, dadurch gekennzeichnet , daß die Durchführungen (10, 11) der zum Innenraum (3) führenden Zu- und Ableitungen der heißen Gase durch die Außenwandung (5) als Rohre (13) ausgebildet sind, die nach dem Ringraum (29) des Kessels (5) offen und von in die Kesselwandung (5) eingeschweißten Mänteln (14) begrenzten Ringräumen (28) umgeben sind, wobei an den Ringräumen (28) Anschlüsse (17) zur Einleitung von Gasen vorgesehen sind, deren Abführung in die Ringräume (29) des Kessels (5) die im Kessel sich abspielenden Vorgänge nicht stört.
2. Kessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Mänteln (14) und den Rohren (13) liegenden Ringräume (28) an die Abzugsleitung der aus dem Ringraum (29) cLes Kessels (5) abziehenden, mittels eines Verdichters (7) leicht erhöhten Druck gebrachten Gase über Leitungen (16, 17) angeschlossen sind.

3· Kessel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Ringräume (28) der Durchführungen (10, 11) koaxiale Zylinderwände (19, 20) so eingebaut sind, daß die durch die Ringräume (28) geleiteten Gase parallel zur Achse der Rohre (13) mehrfach hin- und herströmen.

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