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Senkrecht stehender Hilfswärmetauscher
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für einen gasgekühlten Kernreaktor Die Erfindung betrifft einen senkrecht
stehenden Hilfswärmetauscher kreisförmigen Querschnitts für einen in einem Druckbehälter
untergebrachten gasgekühlten Kernreaktor, bestehend aus einem Kühler und einem oberhalb
des Kühlers angeordneten Gebläse mit Antriebsmotor, wobei Kühler, Gebläse und Antriebsmotor
innerhalb eines in dem Druckbehälter befindlichen und mit einem Liner ausgekleideten
Pods installiert sind und der Kühler eine Vielzahl von in einem äußeren Leitmantel
angeordneten Rohrsträngen aufweist. Ferner sind für den Hilfswärmetauscher eine
seitlich unterhalb des Kühlers in den Pod einmündende Gaseintrittsleitung und eine
in Höhe des Gebläse von dem Pod abzweigende Gasaustrittsleitung vorgesehen.
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Aus der Offenlegungsschrift 15 51 510 ist ein Wärmetauscher zum Einbau
innerhalb des Betonmantels eines integrierten Kernkraftwerkes bekannt, der aus einer
Vielzahl von Geradrohren besteht, die einzeln in einen Rohrboden eingesetzt sind.
Der Rohrboden dient gleichzeitig als Abschluß der den Wärmetauscher enthaltenden
Kaverne. Die Hauptsammler und -verteiler für das in den Rohren strömende Wärmetauschermedium
(Wasser oder Dampf) sind außerhalb des Betonmantels vorgesehen.
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Die Offenlegungsschriften 14 01 666 und 21 20 544 zeigen einen Wärmetauscher,
der in einem Mantel eine Anzahl von Rohrbündeln enthält, die sich aus einer Vielzahl
von an ihren Enden mit Rohrböden verbundenen Rohren zusammensetzen. Jeder Rohrboden
ist über ein Rohr größeren Querschnitts mit einem Hauptsammler verbunden, der seinerseits
mit einer aus dem Mantel herausführenden bzw. einer zuführenden Leitung für ein
Wärmetauschermedium in Verbindung steht. Der Mantel weist ferner einen Einlaß und
einen Auslaß für das zweite Wärmetauschermedium auf.
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In der Offenlegungsschrift 25 17 693 wird ein als Längsgegenstromapparat
ausgebildeter Rohrbündelwärmetauscher beschrieben, bei dem die Rückführung des in
den Rohren strömenden Mediums in Leitungen erfolgt, die innerhalb eines im Zentrum
des Wärmetauschers angeordneten Leitmantels verlegt sind. Jede dieser Leitungen
ist mit einem der an jedem Rohrbündel angesetzten Rohrböden durch eine U-förmig
gebogene Leitung verbunden. Die Eintrittsleitung für das zweite Wärmetauschermedium
befindet sich oberhalb und die Austrittsleitung unterhalb der Rohrbündel.
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Bei einem in der Offenlegungsschrift 24 59 189 dargestellten Wärmetauscher
mit im Querschnitt ringförmig gestalteten Rohrbündeln und Einzelsammlern erfolgt
die Zuführung des in den Rohren strömenden Mediums zu den Einzelsammlern über Verbindungsrohre,
die in einen Kugelboden eingesetzt sind. Die Rückführung des Mediums wird mittels
Rohrleitungen vorgenommen, die am Umfang des Wärmetauschers als Kompensationsschleifen
nach oben geführt sind. Oberhalb des Kugelbodens treten sie in einen ringartigen
Endsammler ein. Dieser Wärmetauscher wird vornehmlich als Rekuperator im Kühlgaskreislauf
eines Hochtemperaturreaktors mit Heliumturbine eingesetzt.
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Von diesem bekannten Stand der Technik wird bei der vorliegenden Erfindung
ausgegangen, wobei ihr die Aufgabe zugrunde liegt, einen Hilfswärmetauscher der
eingangs beschriebenen Bauart (also mit unter dem Gebläse angeordnetem Kühler) anzugeben,
bei dem eine gute Zugänglichkeit der Rohrstränge des Kühlers für Wiederholungsprüfungen
und für das Abblinden von Rohrsträngen sichergestellt ist und die Durchführung von
Wiederholungsprüfungen sowie die Absperrung der Rohrstränge im Stand-By-Betrieb
vorgenommen werden kann.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der oben
mit einem Deckel abgeschlossene Liner über die Oberkante des Druckbehälters hinaus
verlängert ist und in dem Mantel des verlängerten Teiles gleichmäßig über den Umfang
verteilt eine Anzahl von Hauptverteilern für die dem Kühler zuzuleitende Kühlflüssigkeit
und Hauptsammlern für die aus dem Kühler abzuführende Kühlflüssigkeit angeordnet
sind, wobei die zu den Rohrsträngen des Kühler hin- bzw. rückführenden Rohre in
die Rohrböden der Hauptverteiler bzw. Hauptsammler eingeschweißt und die Rohrböden
jeweils mittels eines Thermosleeves mit dem Liner verbunden sind, und daß sich an
jedem Hauptverteiler bzw.
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Haupt sammler nach außen ein leicht demontierbares, um 900 gekrümmtes
Rohrstück als Zu- bzw. Abführungsleitung für die Kühlflüssigkeit anschließt.
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Die Anordnung der Hauptverteiler und Hauptsammler in der angegegebenen
Weise bietet einen sehr guten Zugang für das Einbringen von Sonden bei der Durchführung
von Wiederholungsprüfungen und erlaubt das Abblinden nur weniger Wärmetauscherrohre,
so daß bei eventuellen Rohrbrüchen der Einbruch von Kühlflüssigkeit in den Pod wesentlich
eingeschränkt und der Heizflächenverlust gering gehalten werden kann; durch Absperren
einzelner Zuführungsrohre kann er auf ca. 1,2% der gesamten Wärmetauscherfläche
reduziert werden.
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Das Abblinden von Rohren sowie die Durchführung von Wiederholungsprüfungen
läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Hilfswärmetauscher auch während des Stand-By-Betriebes
vornehmen, da die notwendigen Arbeiten durchgeführt werden können, ohne daß der
Linerabschluß demoniert zu werden braucht. Es ist daher nicht erforderlich, den
Kernreaktor drucklos zu machen.
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Thermische Dehnungsdifferenzen zwischen dem Liner und den einzelnen
Hauptverteilern und Hauptsammlern werden durch die Verwendung von Thermosleeves
als Verbindungselemente weitestgehend vermieden.
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Von Vorteil ist auch die geringe Baugröße der erfindungsgemäß ausgebildeten
Hauptverteiler und Haup'Ssammler, so daß sich eine kompakte Bauweise für den Hilfswärmetauscher
ergibt. Bei der vorgesehenen Verwendung des Hilfswärmetauschers in einer integrierten
Kernreaktoranlage spielt dieser Gesichtspunkt keine geringe Rolle. Zudem gewährt
er ein ausreichendes Platzangebot für die Versorgungsleitungen des Gebläses.
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Vorteilhafterweise sind die von den Hauptverteilern zu den Rohrsträngen
führenden Rohre und die von den Rohrsträngen zu den Hauptsammlern zurückführenden
Rohre auf einem großen Teil ihrer Länge am Umfang des Hilfswärmetauschers senkrecht
verlegt und weisen oberhalb sowie unterhalb des Gebläses mit Antriebsmotor je einen
Kompensationsbereich auf, in dem die Rohre wendelartig am Umfang des Hilfswärmetauschers
verlegt sind.
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In jedem Kompensationsbereich wird von den hin- und von den rückführenden
Rohren etwa ein halber Wendelgang ausgeführt.
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Da die Rohre auf ihrem größten Teil senkrecht geführt sind und nur
in den beiden Kompensationsbereichen Abweichungen von der Senkrechten aufweisen,
können Wiederholungsprüfungen an den Rohren leicht vorgenommen werden. In den zwei
Kompensationsbereichen,
in denen sich Wärmedehnungen ausgleichen
können, besitzen die Rohrwendeln eine hinreichende Steigung, und es sind große Einlauf-
und Auslaufradien vorgesehen.
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Der Hilfswärmetauscher gemäß der Erfindung kann dadurch gekennzeichnet
sein,daß die Rohrstränge des Kühlers aus parallel zur Mittelachse des Hilfswärmetauschers
verlaufenden Geradrohren bestehen, die bündelweise in Einzelsammler und -verteiler
eingesetzt sind, wobei die Einzel sammler und -verteiler im Grundriß im Sechseckgitter
angeordnet sind und jeweils mit einem der Hauptsammler bzw. Hauptverteiler in Verbindung
stehen. Als Verbindungsleitungen dienen die bereits erwähnten hin- und rückführenden
Rohre, die in die Rohrböden der Hauptverteiler bzw. Hauptsammler eingeschweißt sind.
Die Bestückung des Kühlers mit Geradrohren macht die Durchführung von Wiederholungsprüfungen
besonders einfach.
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0 Zweckmäßigerweise ist das um 90 gekrümmte Rohrstück an seinem dem
jeweiligen Hauptverteiler oder -sammler abgekehrten Ende mit einem Vorschweißflansch
versehen, in dem Verbindungsleitungen zu den erforderlichen Armaturen wie Ventilen
und Rückschlagklappen installiert sind.
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Die Hauptverteiler und -sammler können je drei aneinandergeschweißte
Vorschweißflansche aufweisen, von denen der innere mit dem Thermosleeve und der
äußere mit dem gekrümmten Rohrstück durch Schweißnaht verbunden ist. Der äußere
Flansch besitzt eine nach innen vorspringende Stirnfläche, die den inneren Durchmesser
des Hauptverteilers oder -sammlers reduziert und ihn dem inneren Durchmesser des
gekrümmten Rohrstückes angleicht. Nach dem Lösen der Flanschverbindungen ist es
möglich, das gekrümmte Rohrstück zu entfernen. Dadurch ist eine gute Zugänglichkeit
zu den in dem Rohrboden eingeschweißten
Rohren gegeben.
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Es ist zweckmäßig, an der nach innen vorspringenSen Stirnfläche des
äußeren Vorschweißflansches eine innen konusartig geformte Hülse anzubringen, deren
größter Innendurchmesser an ihrem dem Rohrboden zugekehrten Ende mit dem Innendurchmesser
des Thermosleeves und deren kleinster Innendurchmesser an ihrem anderen Ende mit
dem Innendurchmesser des gekrümmten Rohrstückes übereinstimmt. Die Hülse dient als
innerer Leitmantel für die in das gekrümmte Rohrstück eintretende Kühlflüssigkeit.
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Es kann auch vorteilhaft sein, die Hauptverteiler und -sammler je
mit einem kurzen geraden Rohrstück zu versehen, das auf der einen Seite mit dem
Thermosleeve und auf der anderen Seite mit einem Vorschweißflansch durch Schweißnaht
verbunden ist. An den Vorschweißflansch ist leicht lösbar ein Blind-0 flansch angesetzt.
Das um 90 gekrümmte Rohrstück ist bei dieser Ausführungsvariante in den Mantel des
kurzen geraden Rohrstückes eingeschweißt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Hilfswärmetauschers schematisch dargestellt. Die Figuren zeigen im einzelnen: Fig.
1 den gesamten Hilfswärmetauscher im Längsschnitt, Fig. 2 einen Querschnitt nach
der Linie A-A der Fig. 1, Fig. 3 die Draufsicht auf den Hilfswärmetauscher,
Fig.
4 eine mit "X" bezeichnete Einzelheit aus der Fig. 1, Fig. 5 eine Ausführungsvariante
eines Hauptverteilers oder -sammlers im Längsschnitt, Fig. 6 den Rohrboden des Hauptverteilers
oder -sammlers der Fig. 5 in der Draufsicht, Fig. 7 die Draufsicht auf den Hauptverteiler
oder -sammler der Fig. 5, Fig. 8 das Fließbild des Hilfswärmetauschers.
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Die Figuren zeigen einen Hilfswärmetauscher in stehender Anordnung,
der zum Primärkreislauf eines mit Helium gekühlten Hochtemperaturreaktors gehört
und wie alle anderen Komponenten des Kreislaufs in einem vertikalen Pod 1 innerhalb
eines Spannbetondruckbehälters 2 untergebracht ist. Der Pod 1 ist
mit
einem Liner 3 aus Stahl ausgekleidet, der mit einer thermischen Isolierung 4 versehen
ist und über die Oberkante 21 des Spannbetondruckbehälters 2 hinausgeht. Der Liner
3 weist oben einen Abschlußdeckel 21 auf.
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Der Hilfswärmetauscher besteht im wesentlichen aus einem Kühler 5,
einem Gebläse 6 und dem zu diesem gehörigen Antriebsmotor 7. Antriebsmotor, Gebläse
und Kühler sind in dieser Reihenfolge untereinander in dem Pod 1 montiert. Unterhalb
des Kühlers 5 mündet eine Gaseintrittsleitung 8 in den Pod 1, und in Höhe des Gebläses
6 ist eine seitlich abzweigende Gasaustrittsleitung 9 vorgesehen.
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Der Kühler 5 umfaßt einen Leitmantel 10, der sich bis über die Einmündungsstelle
der Gaseintrittsleitung 8 erstreckt, sowie eine Vielzahl von innerhalb des äußeren
Leitmantels 10 angeordneten, zu 352 Rohrbündeln 11 zusammengefaßten Geradrohren.
Mit ihren beiden Enden sind die Geradrohre bündelweise in Einzelsammler bzw. Einzelverteiler
12 eingesetzt, die im Grundriß in einem Sechseckgitter angeordnet sind. Alle Einzelsammler
und -verteiler 12 befinden sich am oberen Ende des Kühlers 5, wobei sie auf mehreren
horizontalen Ebenen liegen.
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Je zwei benachbarte Rohrbündel 11 sind zu einer Einheit zusammengefaßt,
zu der ein Einzelverteiler, ein Einzelsammler und 14 Geradrohre gehören. Die Umkehrung
der Strömungsrichtung der Kühl flüssigkeit am unteren Ende des Kühlers 5 erfolgt
in U-förmig gebogenen Rohrleitungen 13. Die Geradrohre sind in Dreiecksteilung angeordnet,
wie aus der Figur 2 zu erkennen ist. Am ganzen Umfang des Kühlers 5 sind zwischen
den Rohrbündeln 11 und dem Leitmantel 10 Füllkörper 14 vorgesehen, die nur teilweise
in der Fig. 2 gezeigt sind.
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Die Last der Rohrbündel 11 wird auf einen wagenradartigen Tragrost
15 abgesetzt, dessen Last wiederum über einen Tragflansch 16 und über ein Thermosleeve
17 auf den Liner 3 übertragen wird. In der Ebene des Antriebsmotors 7 befindet sich
ein weiterer Tragflansch 18, der das Gewicht des Antriebsmotors 7 und des Gebläses
6 trägt und sich über ein Thermosleeve 18 ebenfalls auf dem Liner 3 abstützt.
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Oberhalb des Antriebsmotors 7 ist ein Verteiler- und Sammlersystem
22 für die Kühlflüssigkeit vorgesehen, das aus drei Hauptverteilern 22a und drei
Hauptsammlern 22b besteht. Diese sind in den über den Spannbetondruckbehälter 2
hinausgehenden Teil des Liners 3 eingesetzt, wobei sie sich zum Teil je in einer
in der Spannbetonbehälteroberfläche 20 vorhandenen Aussparung 33 befinden. Die Sammler
und Verteiler sind gleichmäßig über den Mantel des Liners 3 verteilt, wie aus der
Fig.
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3 zu erkennen ist. Hauptsammler 22b und Hauptverteiler 22a wechseln
einander ab, in Umfangsrichtung gesehen. Jeder Hauptsammler 22a und Hauptverteiler
22b weist einen Rohrboden 23 auf, der mittels eines Thermosleeves mit dem Liner
3 verbunden ist. In die Rohrböden 23 sind jeweils 30 Rohre 25 eingeschweißt, die
zu den Einzelverteilern und -sammlern 12 der Rohrbündel 11 führen.
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Die Rohre 25 sind auf einem großen Teil ihrer Länge am Umfang des
Hilfswärmetauschers senkrecht nach unten verlegt. Oberhalb des Antriebsmotors 7
und unterhalb des Gebläses 6 weisen sie je einen Kompensationsbereich I-II und III-IV
auf, in denen sie wendelartig am Umfang des Hilfswärmetauschers entlanggeführt sind;
jeder Kompensationsbereich umfaßt dabei einen halben Wendelgang. In der Fig. 8 ist
das Fließbild des Hilfswärmetauschers mit den Rohren 25 und ihren beiden Kompensationsbereichen
dargestellt. Die Radien R sind groß genug gewählt,
um das Einbringen
von Sonden durch einen Hauptverteiler bzw. Hauptsammler zu ermöglichen.
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An jeden Hauptverteiler 22a und Hauptsammler 22b schließt sich nach
außen ein um 900 gekrümmtes Rohrstück 26 an, durch das die Kühlflüssigkeit dem Hilfswärmetauscher
zugeführt bzw. aus diesem abgeführt wird. Jedes dieser Rohrstücke ist an seinem
dem jeweiligen Hauptverteiler 22a bzw. Hauptsammler 22b abgekehrten Ende mit einem
Vorschweißflansch 27 versehen. In den Vorschweißflanschen 27 befinden sich Verbindungsleitungen
zu den erforderlichen Armaturen wie Ventilen und Rückschlagklappen (nicht gezeigt).
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In der Fig. 4 ist einer der Hauptverteiler 22a im Längsschnitt vergrößert
dargestellt. Neben dem Rohrboden 23 und dem Thermosleeve 24 weist der Hauptverteiler
22a noch drei aneinandergeschweißte Vorschweißflansche 28,29 und 30 auf. Der innere
Flansch 28 ist mit dem Thermosleeve 24 durch Schweißnaht verbunden, und der äußere
Flansch 20 ist an das gekrümmte Rohrstück 26 angeschweißt. Dieser Vorschweißflansch
ist so ausgebildet, daß seine dem Rohrboden 23 zugekehrte Stirnfläche 31 nach innen
vorspringt und den inneren Durchmesser des Hauptverteilers 22a auf den inneren Durchmesser
des gekrümmten Rohrstückes 26 reduziert.
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An der Stirnfläche 31 des Vorschweißflansches 30 ist eine Hülse 32
angeschweißt, die innen konusartig geformt ist. Ihr Ende mit dem größten Innendurchmesser
ist dem Rohrboden 23 zugekehrt und stimmt mit dem Innendurchmesser des Hauptverteilers
22a überein. Das andere Hülsenende weist einen Innendurchmesser auf, der dem Innendurchmesser
des gekrümmten Rohrstükkes 26 entspricht. Die Hülse stellt somit einen Leitmantel
für die Kühlflüssigkeit dar. Sie ist noch mit den Vorschweißflanschen 28 und 29
durch Schweißnaht verbunden.
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Die Figuren 6 und 7 zeigen eine Ausführungsvariante der Hauptverteiler
und -sammler 22, und zwar ist hier ein Hauptsammler 22b dargestellt. Er besteht
aus dem Rohrboden 23, in dem die Rohre 25 eingesetzt sind, einem kurzen geraden
Rohrstück 34 und einem an diesem angeschweißten Vorschweißflansch 35. Das Rohrstück
34 ist durch einen, beispielsweise mittels Schrauben, an dem Vorschweißflansch 35
lösbar befestigten Blindflansch 36 abgeschlossen. Auf seiner anderen Seite ist das
Rohrstück 34 mit dem Thermosleeve 24 verschweißt. Dieser verbindet den Rohrboden
mit dem Liner 3 des Pods 1, in dem der Hilfswärmetauscher installiert ist.
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0 Das um 90 gekrümmte Rohrstück 26 ist in dem Mantel des kurzen geraden
Rohrstückes 34 eingesetzt und mit diesem durch Schweißnaht verbunden. An seinem
dem Hauptsammler 22b abgewandten Ende weist das gekrümmte Rohrstück 26 einen Vorschweißflansch
auf, in dem die Verbindungsleitungen zu den erforderlichen Armaturen vorgesehen
sind (nicht dargestellt).