DE2400882A1

DE2400882A1 - Mantel- und rohrwaermeaustauscher

Info

Publication number: DE2400882A1
Application number: DE2400882A
Authority: DE
Inventors: John Paul Petrek
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1973-02-26
Filing date: 1974-01-09
Publication date: 1974-08-29
Also published as: ES200895Y; ES200895U; US3868994A

Description

Beschreibung
zum Patentgesuch

der Firma Combustion Engineering, Inc., Windsor, Conn. o6o59/USA

betreffend:

"Mantel- und Rohrwärmeaustauscher"

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mantel- und Rohrwärmeaustauscher insbesondere zur Verwendung von flüssigem Metall als wärmeabgebendes Medium, wobei ein Rohrbündel in dem vorzugsweise langgestreckten und vertikal angeordneten Mantel an einem Ende geschlossene Mantelrohre mit koaxial innerhalb der Mantelrohre mit Abstand zu diesen angeordnete Kernrohre aufweist, mit Mitteln zum Leiten einer ersten Flüssigkeit durch das Kernrohr zum geschlossenen Ende des Mantelrohrs und von hier durch den zwischen beiden Rohren gebildeten Ringraum und Mitteln zum Umströmen des Rohrbündels mit einer zweiten Flüssigkeit.

Mantel- und Rohrwärmeaustauscher dieser Art sind bekannt und werden z.B. in mit flüssigem Metall betriebenen Kraftwerken verwendet. Sie dienen nicht nur dazu, thermische Energie von dem Wärmemedium auf die verdampfbare Flüssigkeit zu übertragen, um einen Dampf mit hohem Druck und hoher Temperatur zu erzeugen, sondern sie haben auch in dem Fall, wo Natrium als Wärmemedium verwendet wird, die Funktion, eine Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten zu bilden, die chemisch hochgradig

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reaktionsfähig sind. Aufgrund der chemischen Affinität zwischen Natrium und Wasser ist es für Wärmeaustauscher, die in diesen Anlagen verwendet werden, notwendigerweise erforderlich, eine extreme strukturelle Integrität aufzuweisen. Bisher wurde der Aufbau dieser Geräte durch ein Gleichgewicht zwischen Betrachtungen hinsichtlich der Wäremeübergangseffektivität und den vorgeschriebenen Sicherheits- und Zuverlässigkeitsbetrachtungen diktiert. Dementsprechend waren die bisher bekannten Wärmeaustauscher üblicherweise Mantel- .und Rohrwärmeaustauscher, in denen die verdampfbare Flüssigkeit, die zu erwärmen ist, durch die Rohre strömt, die ihrerseits in ein Volumen aus flüssigem Metall eingetaucht sind, das das Mantelinnere einnimmt.

Obwohl Geräte dieses Typs adäquat konstruiert wurden, weisen sie doch bestimmte unerwünschte Eigenschaften auf. Zunächst erfordern sie einen großen Natriumeinsatz. Zusätzlich zu den hohen Kosten des Materials selbst und der Ausrüstung, die in der Wärmeübertragungsschleife erforderlich ist, um es handzuhaben, ist die große Menge an Natrium nachteilig für die gewünschte Kraftwerkbetätigung, da sie das Ansprechen auf Betriebsänderungen in dem System, die durch Betriebssteuerungen vorgenommen werden, verzögert. Ein anderes Problem, das von der großen Menge an Natrium herrührt, das in diesen Einheiten verwendet wird, ist die Unmöglichkeit des Systems, die Reaktionsprodukte, die durch die Reaktion zwischen Natrium und Wasser im Falle eines Rohrbruchs erzeugt werden, schnell abzuführen, wodurch es erforderlich ist, daß der Mantel so ausgeführt werden muß, daß er größeren resultierenden Druckkräften widerstehen kann.

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Zusätzlich ergeben sich weitere Probleme in diesen bekannten Systemen aus der Tatsache, daß die darin befindlichen Rohre das Hochdruckmedium führen. Wenn in einem Rohr in derartigen Systemen ein Leck entsteht, erzeugt die Freigabe der darin enthaltenden Hochdruckflüssigkeit einen Strom mit hoher Geschweindigkeit, der, wenn er auf benachbarte Rohre trifft, schließlich den Bruch der letzteren durch Erosion bewirkt, wodurch sich die Wärmetauscherzerstörung ausbreitet. Da die Rohre die Hochdruckflüssigkeit enthalten, müssen auch komplexe, teure Hemmungseinrichtungen insbesondere bei Einheiten, die Mantelrohre mit innenliegenden Kernrohren verwenden, vorgesehen werden, um zu vermeiden, daß die Mantelrohre mit großer Kraft aus dem Rohrbündel im Falle eines vollständigen, über den ganzen Umfang verlaufenden Bruchs seiner Wand herausgeschleudert wird.

Wo Versuche in bekannten Einrichtungen gemacht wurden, um die zuletzt erwähnten Probleme durch Anordnung der Wärmeaustauscher zu verbessern, indem das Wärememedium mit dem niedrigen Druck durch die Rohre geführt wird und die zu erwärmende Hochdruckflüssigkeit um das Äußere der Rohre innerhalb des Mantels strömt, wurde die Wärmeübergangseffektivität ernstlich reduziert. Dies ergibt sich aus dem unangemessenen Wärmeaustauschverlust, der zwischen dem Mschen flüssigen Natrium mit hoher Temperatur, das in den Wärmeaustauscher eintritt, und dem verbrauchten Medium mit niedrigerer Temperatur auftritt, das üblicherweise in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem frischen Medium geführt wird.

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Wärmeaustauscher zu schaffen, der einen möglichst geringen Wärmeverlust aufweist, und der insbesondere einen verringerten Metalleinsatz erfordert, ein vergrößertes Ansprechvermögen auf von außen vorgegebene Betriebsänderungen des den Wärmeaustauscher aufweisenden Systems und die Fähigkeit besitzt, schnell Reaktionsprodukte zwischen dem flüssigen Metall und dem Wasser im Falle eines Rohrbruchs od. dgl. abzuziehen, und gegen Erosionsschäden an benachbarten Rohren im Falle eines Rohrbruchs geschützt ist.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Mantel- und Rohrwä&eaustauscher der eingangs genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, daß das Ke^irohr doppelwandig ausgebildet und der dadurch gebildete Ringraum an dem dem geschlossenen Ende des Mantelrohrs zugewandten Ende geschlossen und mit einer Inertgasquelle verbunden ist, während die wärmeabgebende Flüssigkeit durch das Rohrbündel strömt.

Weitere Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Als wärmeabgebendes Medium kommt Natrium als flüssiges Metall oder andere flüssige Metalle oder flüssige Metallsalze infrage.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

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Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Mantel- und Rohrewärmeaustauscher, der als Verdampfer verwendet wird,

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Rohranordnung bei dem Wärmeaustauscher nach Fig. 1,

Fig. 3 ist ein Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher, der zur Verwendung ine einer Art von Verdampfer-Überhitzer-Anordnung bestimmt ist,

Fig. 4 ist ein Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher in einer anderen Verdampfer-Überhitzer-Anordnung .

In den Abbildungen ist ein Mantel- und Rohrwärmeaustauscher 10 dargestellt, der für den indirekten Wärmeüber- · gang von einer wärmeabgebenden Flüssigkeit mit hoher Temperatur, etwa flüssiges Natrium, auf eine zu erwärmende
Flüssigkeit geeignet ist. Der Wärmeaustauscher 10 besitzt einen vertikal langgestreckten zylindrischen Mantel mit
einem oberen Teil 12, dessen oberes Ende durch eine einstückig damit verbundene, halbkugelförmige Verschlußkappe 14 verschlossen ist, die einen Dampfauslaßstutzen 15 aufweist, einen unteren Teil 16 und eine untere Endverschlußkappe 18, die insgesamt ein geschlossenes Gefäß bilden.
Wie dargestellt, sind ringförmige Flansche 20, 22, 24 und 26 an den gegenüberliegenden Enden der entsprechenden
Mantelteile angebracht, um abnehmbare Verbindungsteile
(nicht gezeigt) anzubringen, die den Zusammenbau und das
Zerlegen des Mantels erleichtern. Das Innere des Behälters enthält eine Hochdruckrohrplatte 28, die sich quer zur

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Gefäßachse erstreckt und deren äußerer Rand an der benach-. harten Wandfläche des Mantels angeschweißt oder in anderer Weise befestigt ist, um das Innere des Gefäßes in einen Hochdruckbereich 30 oberhalb der Rohrplatte und einen Niederdruckbereich 32 darunter zu teilen. Die beiden Bereiche sind deshalb so bezeichnet, weil der Bereich, der die verdampfbare Flüssigkeit enthält, inneren Drücken in

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der Größenordnung von 145 kg/cm ausgesetzt ist, während derjenige, der das flüssige Natrium enthält, Flüssigkeitsdrücken ausgesetzt sein wird, die gewöhnlich nicht größer

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als 0,6 kg/cm sind. Daher werden der obere Mantelabschnitt 12, die Hochdruckrohrplatte 28 und der Teil des unteren Mantelabschnitts 16, der oberhalb der Hochdruckrohrplatte angeordnet ist, mit einer größeren Wanddicke als der verbleibende Teil des unteren-Mantelabschnitts 16 und der Endkappe 18 versehen.

Der Niederdruckbereich 32 ist wiederum selbst in axial voneinander getrennte Räume, als Eintrittsraum 34 und Austrittsraum 36 bezeichnet, durch eine Niederdruckrohrplatte 38 getrennt, die quer durch das Innere des Niederdruckbereichs verläuft und abnehmbar auf einem ringförmigen Flansch 40 montiert sein kann, der an der Innenfläche des unteren Mantelteils 16 befestigt ist. Geeignete (nicht gezeigte) Dichtungsmittel können bei dieser Befestigungsanordnung eingeschlossen sein, um eine Flüssigkeitsdichtung zwischen den beiden Räumen zu ν erzeugen. Stutzen 42 und 44 an den Wänden des Mantelabschnitts 16 und der unteren Verschlußkappe 18 stehen mit den entsprechenden Räumen 34 und 36 in Verbindung, um es dem flüssigen Natrium zu ermöglichen, kontinuierlich zwischen dem Wärmeaustauscher

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10 und der Wärmequelle, etwa einem nicht gezeigten Kernreaktor, der flüssiges Natrium als Kühlungsmittel verwendet, zu strömen.

Wie in den Abbildungen dargestellt ist, muß das flüssige Natrium durch den Wärmeaustauscher 10 in einer solchen Menge fließen, daß ein Flüssigkeitsvolumen in jedem der Räume 34 bzw. 36 erzeugt wird, dessen freie Oberfläche in axialer Richtung sich mit Abstand bezüglich der benachbarten Rohrplatte befindet, so daß Gasräume 46 und 48 in diesen Räumen gebildet werden. Zuführleitungen 50 und 52 stehen mit den entsprechenden Gasräumen in Verbindung, um Inertgas, etwa Helium oder Argon, diesen zuzuführen, wobei es die Funktion des Inertgases ist, eine inerte Schutzschicht zu liefern, die das flüssige Natrium in den entsprechenden Räumen abdeckt. Dieses Gas dient auch dazu, das Abziehen von Reaktionsprodukten im Falle einer Störung ohne ein begleitendes Freisetzen des Natriums zu erleichtern. Die Gasräume dienen ferner dazu, eine Isolierungsschutzwand zwischen den entsprechenden Bereichen des Behälterinneren zu schaffen, um den Temperaturgradienten hier zwischen zu minimalisieren. Ebenfalls mit den Gasräumen 46 und 48 stehen Reaktionsproduktabzugsstutzen 54 und 56 in Verbindung, die Zerreißscheiben 57 enthalten, die dazu dienen, Druckkräfte in dem Mantel im Falle einer Störung, die eine reaktionsfähige Mischung von Natrium und Wasser ergibt, zu entlassen, wie nachfolgend näher erläutert wird.

Der Natriumeintrittsraum 34 enthält einen Stromverteiler 58, der die wärmeabgebende Flüssigkeit zu den Rohreinheiten verteilt und Ruhe an der freien Oberfläche des

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flüssigen Natriumvolumens in dem Eintrittsraum fördert, wodurch die Möglichkeit reduziert wird, dassGas ohne weiteres zu den Strömungsdurchgängen der Rohreinheiten zugeführt wird. Der Stromverteiler 58 besitzt eine undurchlässige untere Platte 60, die von einem ringförmigen Mantel 62 umgeben ist, der am Umfang verteilte öffnungen 64 aufweist, die mit Abstand zu einem ringförmigen Flnansch 66 angeordnet sind, der es ermöglicht, daß das Teil in üblicher Weise zwischen den Endflanschen 24 und 26 des unteren Mantelabschnitts 16 und der unteren Endkappe 18 befestigt werden kann.

Thermische Energie wird zwischen dem Niederdruckbereich 32 und dem Hochdruckbereich 30 durch vertikal angeordnete Rohreinheiten 68 übertragen, die in einem vertikalen Bündel angeordnet sind, das sich in Längsrichtung in den Hochdruckbereich erstreckt. Die Rohreinheiten 68, von denen eine im Detail in Fig. 2 gezeigt ist, weisen jeweils ein äußeres Mantelrohr 70 auf, das durch Anschweißen oder entsprechende andere mechanische Befestigung mit der Hochdruckrohrplatte 28 verbunden ist. Das untere Ende 72 des Mantelrohrs ist offen und steht mit dem Natriumaustrittsraum 36 in Verbindung, während sein oberes Ende geschlossen ist. Ein inneres Kernrohr 76 erstreckt sich koaxial in das Innere des Mantelrohrs 70. Es weist zwei konzentrische, mit Abstand zueinander angeordnete innere und äußere Wände 78 bzw. 80 auf, die einen inneren axialen Durchgang 82 und einen konzentrischen Ringraum 84 um den Durchgang 82 herum bilden. Die Außenwand 80 des Kernrohres 76 befindet sich konzentrisch mit Abstand zu der Innenfläche des Mantelrohres 70, wodurch ein konzentrischer ringförmiger Durchfluß 86 hier zwischen erzeugt wird, der an seinem oberen Ende mit dem axialen

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Durchgang 82 in Verbindung steht. Wie gezeigt ist, weist das Leitende 88 des Kernrohrs 76 eine damit ein Ganzes bildende ringförmige Verbindung auf, die die Wände 78 und 80 verbindet und hierdurch das obere Ende des Ringraums 84 verschließt.

Jedes Kernrohr 76 ist in dem Mantel durch Befestigung mit dem unteren Ende seiner Außenwand 80 an der Niederdruckrohrplatte 38 montiert. Dadurch steht der Ringraum 84 in Verbindung mit dem Gasraum 46," in dem Natriumeintrittsraum 34, so daß eine wirksame, langgestreckte thermische Barriere zwischen den Durchgängen 82 und 86 in der gesamten Rohreinheit geschaffen wird. Um flüssiges Natrium wirksam durch die Durchgänge 82 und 86 strömen zu lassen, während zur gleichen Zeit der Eintritt von Inertgas vermieden wird, sollten sich die unteren Enden des Mantelrohrs 70 und die Innenwände 78 des Kernrohrs 76, wie gezeigt, unter die freie Oberfläche des Flüssigkeitsvolumens in den entsprechenden Räumen erstrecken, um auf diese Weise die Durchgänge von den benachbarten Gasräumen abzudichten.

Flüssiges Natrium mit hoher Temperatur tritt beim Betrieb des Wärmeaustauschers in den Eintrittsraum 34 durch den Eintrittsstutzen 42 und strömt der Reihe nach durch die Durchgänge 82 und 86 in der Rohreinheit 68 und ergießt sich in den Austrittsraum 36 und tritt dann aus dem Wärmeaustauscher durch den Austrittsstutzen 44 aus. Während des Strömens durch die Rohreinheit 68 wird bewirkt, daß das flüssige Natrium einen Teil seiner Wärme an die verdampfbare Flüasigkeit abgibt, die längs einem der verschiedenen nachfolgend beschriebenen Strömungswege strömt.

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Wegen des Wärmeübergangs von dem flüssigen Natrium auf die verdampfbare Flüssigkeit nimmt die Höhe der Temperatur des Natriums in dem Maße ab, wie es abwärts längs des ringförmigen Durchgangs 86 durch die Rohreinheit 68 fließt. Ungeachtet dieser Tatsache wird jedoch der Wärmeübergang von der Wärmeflüssigkeit mit höherer Temperatur, die längs des axialen Durchgangs fließt, zur Flüssigkeit in dem Durchgang 86 durch die thermische Barriere minimalisiert, die durch das Vorhandensein von Gas" in dem Ringraum 84 zwischen den Durchgängen 82 und 86 gebildet wird.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist es vorgesehen, den Eintritt des axialen Durchgangs 82 in einer oder möglicherweise mehreren der Kernrohre 76 in einer größeren Höhe in dem Natriumeintrittsraum 34 als die Einlasse zu den verbleibenden Rohren anzuordnen, um das Entleeren des Natriums aus allen Rohreinheiten 68 im Falle Betriebseinschwingens zu vermeiden, das in einer Erniedrigung der freien Oberfläche des flüssigen Natriums in dem Eintrittsraum 34 resultiert. Durch Anordnung von einem oder mehreren der Eintrittsöffnungen zu den Durchgängen 82 in einer größeren Höhe in dem Eintrittsraum 34 als die verbleibenden Rohreinheiten 68 wird ein Mittel geliefert, um das Inertgas von dem Gasraum 46 in dem Eintrittsraum 34 freizugeben und es in den Gasraum 48 in dem Austrittsraum 36 zuführen, um auf diese Weise die freien Oberflächen des flüssigen Natriumvolumens am Zurückfließen auf eine ungewünschte Höhe zu hindern.

Um den Wärmeübergang in der Einheit noch günstiger zu gestalten, können die Rohreinheiten 68 von ümmantelungen

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90 umgeben sein, die konzentrisch mit Abstand von der äußeren Oberfläche jedes Mantelrohrs 70 angeordnet sind, um auf diese Weise einen ringförmigen Durchgang 92 zwischen den beiden Bauteilen zum Führen verdampfbarer Flüssigkeit in unmittelbarer Nähe zu der von den Rohren 70 dargestellten Heizfläche zu führen. Die Ummantelungen 90 werden von einer Trägerplatte 94 getragen, die im unteren Bereich des Hochdruckbereichs 30 und mit Abstand oberhalb der Hochdruckrohrplatte 28 angeordnet ist, um einen Eintrittsraum 96 für eine verdampfbare Flüssigkeit im unteren Bereich des Hochdruckbereichs 30 zu bilden. Öffnungen 98 sind in der Trägerplatte 94 vorgesehen, um den Eintritt der verfdampfbaren Flüssigkeit in die Durchgänge 92 zwischen den Ommantelungen 90. und den Mantelrohren 70 zu ermöglichen.

Ein derartiger Wärmetauscher ist ohne weiteres als Verdampfer in einer Verdampfer-Überhitzer-Tandemanordnung oder in einer integrierten Verdampfer-Überhitzer-Anordnung verwendbar. Bei dem Wärmeaustauscher 10 nach Fig. 1 ist der Hochdruckbereich 3O so angeordnet, daß die Einheit als Verdampfer verwendet werden kann. Ein Flüssigkeitseinlaßstutzen lOo steht mit dem Eintrittsraum 96 für die verdampfbare Flüssigkeit zwischen der Hochdruckrohrplatte 28 und der Trägerplatte 94 in Verbindung, i um zu erwärmende Flüssigkeit der Einheit zuzuführen. Diese Flüssigkeit fließt gezwungenermaßen von dem Eintrittsraum 96 durch die ringförmigen Durchgänge 92 zwischen den Mantelrohren 70, wo Wärme von dem hochtemperaturigen flüssigen Natrium, das durch das Innere der Rohreinheiten 68 strömt, Wärme

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entnommen wird, um einiges der zugeführten Flüssigkeit in Dampf zu verwandeln. Um die Durchgänge 92 zu isolieren, kann das Rohrbündel durch ein zylindrisches Gefäß 101 eingeschlossen sein,, das ein offenes oberes Ende besitzt und dessen unteres Ende an der Trägerplatte 94 befestigt ist. Während des Betriebs des Verdampfers wird das Gefäß 101 mit einem im wesentlichen stehenden Flüssigkeitsvolumen gefüllt, in das die Ummantelungen 90 eingetaucht sind, wodurch eine thermische Barriere gebildet wird.

Eine zylindürsche Haube 102 in Form eines umgekehrten ü umschließt das Rohrbündel konzentrisch mit Abstand hierzu zwischen dem Gefäß 101 und der inneren Oberfläche des oberen Mantelabschnitts 12, um ein Paar von konzentrischen ringförmigen Strömungsdurchgängen 104 und 106 zu bilden. Diese Strömungsdurchgänge dienen dazu, die verdampfbare Flüssigkeit vom Austrittsende der Durchgänge 92 zu einem Dampfsammei· raum 108 an dem oberen Ende des Gefäßinneren zu führen, von wo der Dampf durch den Dampfauslaßstutzen 15 austritt. Das untere Ende der Haube 102 befindet sich mit Abstand zu der Hochdruckrohrplatte 28, um die Durchgänge 104 und 106 miteinander zu verbinden und zu bewirken, daß die erzeugte Mischung aus Dampf und Flüssigkeit einer abrupten Strömungsrichtungsänderung durch die Durchgänge unterworfen wird, wobei ein großer Teil der mitgerissenen Flüssigkeit aus der Mischung abgetrennt wird. Ein Flüssigkeitsaustrittsstutzen 110 ist durch den unteren Bereich des oberen Mantelabschnitts 12 geführt, um abgetrennte Flüssigkeit aus dem Gefäßinneren zu entfernen. Diese Flüssigkeit wird üblicherweise in den Hochdruckbereich 30 der Einheit in Mischung mit f j|rscher zugeführter Flüssigkeit durch den Eintrittsstutzen 100 zurückgeführt. Eine endgültige Trennung der Feuchtigkeit aus dem Dampf wird durch Hindurchführen des in den Sammelraum

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eintretenden Dampfs durch ein Gitter oder eine andere Form eines mechanischen Trockners 112 vor dem Austritt aus dem Stutzen 15 bewirkt.

Ein derartiger Wärmeaustauscher weist daher verschiedene Vorteile auf, die mit flüssigem Metall betriebene Mantel- und Rohrwärmeaustauscher bekannter Bauart nicht besitzen. Da der Wärmeaustauscher so geschaffen ist, daß das flüssige Met'all durch das Innere der Rohreinheiten und nicht um das Äußere hiervon strömt, ist nur eine wesentlich verringerte Menge dieses teuren Materials zum wirksamen Arbeiten dieser Anlage notewendig. Zusätzlich zu dieser Materialkostenersparnis führt diese Metalleinsatzherabsetzung dazu, daß das Arbeiten der Anlage verbessert wird, da ein schnelleres Ansprechen auf Betriebsänderungen in dem System möglich werden, da eine geringere Menge an gespeicherter Wärme in dem Wärmemedium enthalten ist.

Die verringerten Mengen an flüssigem Metall, die durch das System strömen, führen ferner zu einer besseren Anlagensicherheitscharakteristik. Erstens begrenzt das kleinere Natriumvolumen in dem Rohr die verfügbare Menge für eine Reaktion mit Wasser im Falle einer Störung, die eine Mischung der beidenzJieaktionsfähigen Flüssigkeiten ergibt. Zweitens liefern die kleinen Natriummengen, die in den Eintritts- und Austrittsräumen enthalten sind, relativ kurze Wege, längs derer die Reaktionsprodukte fließen müssen, um in die Inertgasräume in den entsprechenden Räumen vor ihrem Abzug durch die Abzugsstutzen abzuströmen. Da die Reaktionsproduktmengen, die erzeugt werden können, begrenzt sind, sind drittens die Begleitkräfte auf die Druckteile des Geräts entsprechend reduziert, wodurch

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die Stärkeanforderungen an die entsprechenden Komponenten erniedrigt werden. Zusätzlich zur Verbesserung der Anlagensicherheitsbedingungen ergibt diese letzte Eigenschaft auch eine Reduzierung der Anlagenkosten, da die einzelnen Teile nur so ausgelegt werden müssen, daß sie einem niedrigeren Druck widerstehen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Tatsache, daß die Niederdruckflüssigkeit durch die rohrförmigen Elemente geführt wird, während das Hochdruckmedium in dem Bereich des Wärmeaustauschers enthalten ist, der die rohrförmigen Elemente umgibt. Der Bruch eines einzigen Rohres kann hierbei nicht zur Zerstörung der umgebenden Rohre durch Rohrwanderosion führen, die sonst durch den Aufprall von Flüssigkeitsströmen mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit bewirkt würde, die von dem gebrochenen Rohr ausgelöst würden. Zusätzlich werden die Rohrelemente keinen Zugkräften unterworfen, die innere Schwächen der Rohrwand verschlechtern könnten, da die Hochdruckflüssigkeit außerhalb der Rohre gehalten wird. Sogar im Falle eines vollständigen, über den gesamten Umfang des Rohrs verlaufenden Bruchs des Druckrohrs wird dieses keinen internen Kräften unterworfen, die es sehr schnell aus seiner Anordnung in dem Rohrbündel herausschießen ließen. Ferner läßt sich sehr schnell flüssiges Natrium aus einem funktionsgestörten Rohr entfernen, wenn sich das Hochdruckmedium außerhalb der Rohre befindet.

Fig. 3 und 4 zeigen andere dampferzeugende Einrichtungen, die erfindungsgemäße Wärmeaustauscher mit den vorgenannten Vorteilen benutzen. In Fig. 3 ist eine Anlage gezeigt, die zwei Wärmeaustauscher aufweist, die tandemartig verbunden sind und überhitzten Dampf erzeugen. Der mit 1Oa bezeichnete Wärmeaustauscher dient als Verdampfer, in dem Speiseflüssigkeit verdampft wird, während eine überhitzung in dem damit ver-

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bundenen Wärmeaustauscher lob stattfindet. Der Aufbau des Wärmeaustauschers 10a ist im wesentlichen der gleiche wie der des Wärmeaustauschers Io aus Fig. 1. Da jedoch keine Dampftrocknung vorgenommen wird, existiert keine zylindrische Haube 102. Die Druckteilanordnung in dem Hochdruckbereich 30 des Wärmeaustauschers 10b ist etwas geändert, um das Erwärmen des.von dem Verdampfer 10a kommenden Dampfs zu bwewirken. Der von dem Verdampfer 10a erzeugte Dampf, der durch den Dampfaustritt 15 austritt, wird von einer Leitung 114 zu einer Dampftrommel 116 üblicher Bauart geführt, in der die erzeugte Mischung getrennt wird, wobei die Flüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe 118 durch eine Leitung 120 zu dem Speiseflüssigkeitseintrittsstutzen 1OO des Verdampfers 10a zurückgeführt wird. Die Speiseflüssigkeit wird über eine Leitung 122 in die Dampftrommel 116 geführt, wo sie mit der zurückzuführenden Flüssigkeit vor dem Einführen derselben in den Eintrittsstutzen loo gemischt wirl. Der aus der Dampftrommel 116 austretende Dampf tritt über eine Leitung 123 und einen Dampfeinlaßstutzen 124 in den Hochdruckbereich 30 des Überhitzers lob ein und läuft in einen ringförmigen Durchgang 126, der durch eine zylindrische Haube 128 gebildet wird, die konzentrisch mit Abstand zwischen der Wand des oberen Mantelabschnitts 12 und dem Rohrbündel angeordnet ist. Das untere Ende der Haube 128 wird von der Trägerplatte·94 getragen und ist dort befestigt, die auch die Ummantelungen 90 aufnimmt. Eine Vielzahl von mit Abstand zueinander angeordneten Öffnungen 130 ist in der Trägerplatte 94 vorgesehen, um eine Verbindung zwischen dem Durchgang 126 und dem Eintrittsraum 96 zu bilden. Von dem Eintrittsraum 96 strömt der Dampf durch die ringförmigen Durchgänge 92 um die Mantelrohre 70, wodurch lift flüssigen Natrium Wärme zum Oberhitzen entnommen wird. Eine Leitungsverbindung 132 verbindet das obere Ende der Haube 128 mit

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dem Dampfeustrittsstutzen 15 um den überhitzten Dampf abzuführen .

Obwohl unabhängige Verbindungen zwischen den entsprechenden Wärmeaustauschern 10a und 10b und der Hochtemperaturquelle für flüssiges Natrium vorgesehen werden können, kann man mit weniger Leitungen auskommen, wenn die Niederdruckbereiche 32 der entsprechenden Wärmeaustauscher zum Durchströmen der Wärmeflüssigkeit hintereinander geschaltet sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel strömt frische Wärmeflüssigkeit mit hoher Temperatur durch den Natriumeinlaßstutzen 42 des Überhitzers lob und verläßt nach Durchströmen dieser Einheit jädiese den Ausgangsstutzen 44', der direkt über eine Leitung 134 mit dem Nalriumeintrittsstutzen 42 des Verdampfers 10a verbunden ist. Die Wärmeflüssigkeit, die von dem Natriumaustrittsstutzen 44 des Verdampfers 10a austritt, wird dann durch eine Leitung 136 zurück zur Wärmequelle geführt, um den Kreislauf zu schließen.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung, die dieselbe Wärmeaustauscherausführung verwendet, in der jedoch die verdampfbare Flüssigkeit im gleichen Gefäß verdampft als auch überhitzt werden kann. In dieser Anordnung weist der Hochdruckbereich 30 des mit 10c bezeichneten Wärmeaustauschers eine erste äußere zylindrische Haube 138 ähnlich der Haube Io2 von Fig. 1 auf, die konzentrisch mit Abstand zwischen der Mantelwand und dem Gefäß 101 angeordnet ist, um Strömungsdurchgänge 104 und Io6 für die verdampfbare Flüssigkeit zu bilden. Der obere Teil der Haube 138 ist offen und enthält eine Dampftrocknuhgseinheit 14o, durch die die gesättigte Flüssigkeit in eine abwärts gerichtete Bahn gerichtet wird.

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Eine quer verlaufende Unterteilungsplatte 142, die am Inneren der Haube 138 zwischen deren Enden angeordnet ist, teilt den darin enthaltenen Raum in einen unteren Verdampferraum 144 und einen oberen Überhitzerraum 146. Eine zweite zylindrische Haube 148 ist in dem Überhitζerraum 146 konzentrisch und mit Abstand zu der Haube 138 und dem oberen Teil des Rohrbündels angeordnet, um einen konzentrischen Strömungsdurchgang 15o zu bilden. Die Haube 148 ist an einer Rohrträgerplatte 152 an ihrem unteren Ende befestigt, wobei die Trägerplatte zusätzliche Ummantelungen 90 in diesem Bereich des Wärmeaustauschers aufweist. Eine verbindende Leitung 154 verläuft durch das obere Ende der Haube 148, um den überhitzten Dampf durch den Dampfaustrittsstutzen 15 austreten zu lassen.

Die durch den Sbtzen 100 in den Eintrittsraum 96 geführte Speiseflüssigkeit strömt durch den Durchgang 92 innerhalb der Ummantelungen 90, wobei sie Wärme von dem Teil der Rohreinheiten 68 entnimmt, der innerhalb des Verdampferraums 144 angeordnet ist. Die Mischung aus Dampf und Flüssigkeit, die aus dem Durchgang 92 austritt, schließt über die konzentrischen Strömungsdurchgänge Io4 und Io6 in den oberen Teil des Gefäßes, wo sie durch die Trockeneinrichtung 14o abwärts gerichtet wird. Die getrocknete Flüssigkeit wird längs des Durchgangs 15o in den Überhitzerraum 146 geführt, wo sie in entsprechende Durchgänge 92 in den Ummantelungen 9o eindringt. Beim Durchströmen der Durchgänge 92 wird von der durch den oberen Teil der Rohreinheiten 68 fließenden Wärmeflüssigkeit Wärme von dem Dampf entnommen, per überhitzte Dampf wird durch die Leitung 154 zu dem Austrittsstutzen 15 geführt und von dort entommen.

(Patentansprüche)

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Claims

Patentansprüche

I)/ Mantel- und Rohrwärmeaustauscher insbesondere zur Verwendung von flüssigem Metall als wärmeabgebendes Medium, wobei ein Rohrbündel in dem'vorzugsweise langgestreckten und vertikal angeordneten Mantel an einem Ende geschlossene Mantelrohre mit koaxial innerhalb der Mantelrohre mit Abstand zu diesen angeordneten Kernrohren aufweist, mit Mitteln zum Leiten einer ersten Flüssigkeit durch das Kernrohr zum geschlossenen Ende des Mantelrohrs und von hier durch den zwischen beiden Rohren gebildeten Ringraum und Mitteln zum Umströmen des Rohrbündels mit einer z\e.ten Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernrohr (76) doppelwandig ausgebildet und der dadurch gebildete Ringraum (84) an dem dem.geschlossenen Ende des Mantelrohrs (7o) zugewandten Ende geschlossen und mit einer Inertgasquelle verbunden ist, während die wärmeabgebende Flüssigkeit durch das Rohrbündel strömt.
2) Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Mantelrohrs (7o) wesentlich größer als die der Wände des Kernrohrs (76) ist.
3) Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsenden (88) der Wände des Kenrnrohrs (76) durch einen ein Ganzes damit bildenden Verschluß verbunden sind.
4) Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (12) einen Raum (34) aufweist, der mit dem axialen Durchgang (82) und dem Ringraum-(84) ^n dem Kernrohr (76) in Verbindung steht, und die wärmeabgebende Flüssigkeit enthält, über der sich ein Gasvolumen befindet, wobei sich der axiale Durchgang (82) bis in die wärmeabgebende Flüssigkeit erstreckt und der

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Ringraum (84) mit dem Gasvolumen In Verbindung steht.
5) Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (34) Mittel (54) zum Abziehen von Reaktionsprodukten aufweist.
6) Rohrwärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzugsmittel (54) eine Zerreißscheibe aufweisen.
7) Rohrwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere des Mantels (12) in axial voneinander getrennte Hoch- und Mifederdruckbereiche (3o, 32) für das Durchströmen von zu verdampfender Flüssigkeit bzw. von flüssigem Metall getrennt ist, wobei die Rohre (7o) vertikal bündelartig und zum Durchströmen mit flüssigem Metall aus dem Niederdruckbereich (32) angeordnet sind.
8) Wärmeaustauscher nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Mittel (38) zum Teilen des Niederdruckbereiches (32) in axial getrennte Räume (34, 36) und Mittel (42) zum Führen des flüssigen Metalls durch diese Räume, wobei der axiale Durchgang (82) im Kernrohr (76) mit einem dieser Räume und der Ringraum (86) mit dem anderen Raum in Verbindung steht.
9) Wärmeaustauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Räume (34, 36) einen Flüssigkeitsspiegel vorgegebener Höhe und ein darüber befindliches Gasvolumen (46, 48) aufweisen, wobei der Ringraum (86) mit dem Gasvolumen (46) in Verbindung steht.

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10) Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Hochdruckrohrplatte (28), die quer zur Achse des Mantels (12) verläuft und das Innere hiervon in einen oberen Hoch- und einen unteren Niederdruckbereich (3o, 32) teilt, eine weitere, im Niederdruckbereich (32) parallel zur Hauptplatte angeordnete Rohrplatte (38), die das Innere des Niederdruckbereichs (32) in einen unteren Eintrittsraum (34) und einen Austrittsraum (36) zwischen Eintrittsraum und Hochdruckbereich für das wärmeabgebende Material teilt, Mittel zum Befestigen der Rohre (7o) an der Rohrplatte (28) und der Rohre (76) an der weiteren Rohrplatte (38) , wobei die offenen Enden dieser Rohre mit dem Austrittsraum (36)bzw. dem Eintrittsraum (34) in Verbindung stehen.
11) Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 8 bis Io, dadurch gekennzeichnet, daß sich die innere Wand (78) des Kernrohres (76) bis unter die vorbestimmte Höhe des Flüssigkeitsspiegels des Eintrittsraums (34) erstreckt.
12) Wärmeaustauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wände (78) der Kernrohre (76) unterschiedlich tief in die wärmeabgebende Flüssigkeit erstrecken,
13) Wärmeaustauscher nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine axial mit Abstand zur Hochdruckrohrplatte (28) angeordnete und einen Eintrittsraum (96) für eine verdampfbare Flüssigkeit bildende Trägerplatte (94) für mit dem Eintrittsraum mit ihren unteren Enden in Verbindung stehende, die/Röhre (7o) umgebende Ummantelungen (9o) und Mitteln (loo) zum Einspeisen von verdampfbarer Flüssigkeit in den Eintrittsraum (96).

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14) Wärmeaustauscher nach Anspruch .13, gekennzeichnet durch ein ringförmiges Gefäß (lol) für das Rohrbündel mit einem darin ruhenden Flüssigkeitsvolumen.
15) Wärmeaustauscher nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch einen Sammelraum (Io8) benachbart dem oberen Ende des Hochdruckbereichs (3o) des Mantels (12), einen Dampfaustritt (15) von diesem Sammelraum (Io8) und einer Haube (Io2), die das Rohrbündel mit Abstand aufnimmt und konzentrisch zum Mantel (12) angeordnet ist und damit zusammenwirkt, um einen DampfStromdurchgang (Io4, Io6) zu bilden, in dem die Flüssigkeit einem abrupten Stromungsrichtungswechsel unterworfen wird, wenn sie von diesen ringförmigen Durchgängen zu dem Sammelraum fließt.
16) Wärmeaustauscher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich das untere Ende der Haube (Io2) bis fast zur Trägerplatte (94) erstreckt, um die Mantelwandung mit einer Flüssigkeit mit im wesentlichen gleichbleibender Temperatur zu bespülen.
17) Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch Mittel (142) zum Teilen des Hochdruckbereichs (3o) in dem Mantel (12) in einen Verdampfer- und einen überhitzerteil, die axial voneinander getrennt sind, wobei sich die Rohre (7o) durch beide Teile' erstreacken, Mittel (92, 144, Io6, 146) zum Führen der verdampfbaren Flüssigkeit aufeinanderfolgend durch den Verdampfer- und überhitzerteil und Mittel (15, 154) zum Entnehmen von überhitztem Dampf von dem überhitzerteil.

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18) Wärmeaustauscher nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch ein ringförmiges Gefäß (lol) um das Rohrbündel in dem Verdampferteil mit einem darin ruhenden Flüssigkeitsvolumen .
19) Wärmeaustauscher nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Verdampferteil zwischen dem Eintrittsraum (96) für die verdampfbare Flüssigkeit und dem überhitzerteil eine erste ringförmige Leitwand (138) das Rohrbündel konzentrisch und mit Abstand zum Hantel (12) umgibt, wobei die Enden der Leitwand kurz vor den unteren und oberen Enden des Hochdruckbereichs (3oj enden, um einen äußeren ringförmigen Durchgang (Io6) im wesentlichen den Hochdruckbereich umfassend bilden, daß eine zweite ringförmige Leitwand (148) konzentrisch mit Abstand von der ersten Leitwand (138) das Rohrbündel in dem Überhitzerteil umgebend angeordnet ist, um einen inneren Durchgang (92), der die Rohreinheiten (68) enthält, und einen zwischenliegenden Durchgang (15o) zwischen dem inneren und äußeren Durchgang zu bilden, und daß Mittel zum aufeinanderfolgenden Verbinden des äußeren Durchgangs (Io6), des mittleren Durchgangs (15o) und des inneren Durchgangs (92) und Mittel (154, 15) zum Abführen von überhitztem Dampf aus dem Inneren Durchgang (92) vorgesehen sind.
20) Wärmeaustauscher nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch Mittel (14o) zum Trennen von Dampf und Flüssigkeit in dem Durchgang zwischen dem Verdampfer- und dem überhitzerteil des Hochdruckbereichs.

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21) Wärmeaustauscher nach Anspruch 19 oder 20, gekennzeichnet durch eine ünterteilungsplatte (142) mit ihrem Rand dicht mit der Innenwand der ersten ringförmigen Leitwand (138) verbunden, wobei die ünterteilungsplatte (142) zwischen den Enden der ringförmigen Leitwand (138) angeordnet ist un-d den Verdampferteil von dem .Überhitzerteil trennt.
22) Einrichtung zum Verdampfen und Überhitzen von verdampfbarer Flüssigkeit durch indirekten Wärmeaustausch mit flüssigem Metall, gekennzeichnet durch ein Paar von strukturell ähnlichen Wärmeaustauschern (10a, 10b) als Verdampfer und Überhitzer nach einem der Ansprüche 1 bis 16 und Mitteln zum Zirkulieren verdampfbarer Flüssigkeit durch die Einrichtung mit Mitteln (122, 100) zum Einspeisen der flüssigen Flüssigkeit in den Hochdruckbereich des Verdampfers (10a), Mitteln (114, 123) zum überführen des Dampfes vom Verdampfer zum Überhitzer, die die Hochdruckbereiche der Wärmetauscher verbinden, Mitteln (15) zur Entnahme des überhitzten Dampfes und durch Mittel (42) zum Zirkulieren des flüssigen Metalls durch die Niederdruckbereiche der Wärmeaustauscher.
23) Einrichtung nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch Mittel (116) zum Trennen des Dampf-Flüssigkeits-Gemisches zwischen den beiden Wärmeaustauschern (10a, 10b) und Mittel (118, 120) zum überführen der Flüssigkeit von den Trennungsmitteln (116) zu dem Hochdruckbereich (30) des Verdapmpfers (10a) .
24) Einrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (42) Mittel (134) zum Verbinden der Niederdruckbereiche der Wärmeaustauscher (10a, lob) zum aufeinanderfolgenden Durchströmen des Überhitzers und darauf des Verdampfers aufweisen.

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~ 24 _
25) Einrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Überhitzer (lob) eine ringförmige Haube (128) aufweist, die das Röhrenbündel umgibt und konzentrisch und mit Abstand zu der Wand des Manteels (12) angeordnet ist, um einen äußeren ringförmigen Durchgang (126) und eine innere Aufstiegskammer zu bilden, wobei das untere Ende der ringförmigen Haube (128) an der
Trägerplatte (94) befestigt ist, daß Mittel (130) zum Verbinden des ringförmigen Durchgangs mit dem Hochdruckbereich des Verdampfers (1Oa) und Öffnungen (98) in der Trägerplatte (94) vorgesehen sind, die den ringförmigen Durchgang mit dem Flüssigkeitseintrittsraum (96) verbinden.

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