DE1241838B - Gasbeheizter Dampferzeuger - Google Patents

Gasbeheizter Dampferzeuger

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DE1241838B
DE1241838B DE1962S0079267 DES0079267A DE1241838B DE 1241838 B DE1241838 B DE 1241838B DE 1962S0079267 DE1962S0079267 DE 1962S0079267 DE S0079267 A DES0079267 A DE S0079267A DE 1241838 B DE1241838 B DE 1241838B
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Germany
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gas
steam generator
boiler
square
pressure
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DE1962S0079267
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English (en)
Inventor
Werner Bohmann
Guenter Meinhardt
Dipl-Ing Franz Jos Quirrenbach
Herbert Stanisch
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22STEAM GENERATION
    • F22BMETHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/18Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
    • F22B1/1823Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines for gas-cooled nuclear reactors

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  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Description

  • Gasbeheizter Dampferzeuger Die Entwicklung gasgekühlter Kernreaktoranlagen in den letzten Jahren hat gezeigt, daß das spezifische Volumen der zugehörigen Dampferzeuger, also der Raumbedarf pro Leistungseinheit, immer geringer geworden ist. Dies wurde unter anderem durch Erhöhung des Gasdruckes erreicht, der sich heute bereits in der Gegend von 60 ata bewegt. Diese Entwicklung hat vielfach dazu geführt, die Dampferzeuger nach dem Zwangdurchlaufprinzip, z. B. nach Art der Benson-Kessel., aufzubauen, wodurch sich bei diesen sogenannten »once through«-Systemen eine große Anzahl von Rohrdurchführungen durch die Kesselwandung, an die normalerweise bei Umlaufsystemen Sammler angeschlossen sind, ersparen lassen. Es ist bekannt, die Rohrschlangen bei derartigen gasbeheizten Dampferzeugern, wie sie selbstverständlich auch für nicht kerntechnische Anlagen, z. B. Abhitzekessel, Verwendung finden können, innerhalb eines Druckkessels in Gestalt eines Bündels mit quadratischem Querschnitt anzuordnen, wodurch gleichmäßige Rohrlängen für das gesamte Bündel erreicht werden. Zur Führung des Heizgases kann dabei ein das Rohrschlangenbündel umfassender viereckiger Schacht vorhanden sein. Wegen der bei modernen Kernenergieanlagen hohen Leistungsdichte im Reaktor ist der Anteil der aufzuwendenden Gebläse- bzw. Pumpenarbeit in Abhängigkeit von den zu überwindenden Druckverlusten größer als bei bisherigen Anlagen. Aus diesem Grund und infolge der angestrebten kompakten Bauweise der Apparate kann in solchen Dampferzeugern der Druckabfall entlang des Rohrschlangensystems unter Umständen erheblich größer als bei bisher gebauten oder geplanten Anlagen ähnlicher Art sein, so daß der Gasführungsschacht druckfest gebaut werden muß. Dies bedingt andererseits aber einen konstruktiven Aufwand, wie er in vielen Fällen nicht mehr tragbar ist, so daß die Parallelschaltung mehrerer Wärinetauscheranlagen ins Auge gefaßt werden muß.
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und die Erstellung großer Leistungseinheiten auf kleinstem Raum zu ermöglichen.
  • Die Erfindung betrifft demnach einen gasbeheizten Dampferzeuger, insbesondere für gasgekühlte Kernreaktoranlagen mit einem Zwangdurchlaufsystem und einer im Querschnitt quadratischen Anordnung der Rohrschlangen, wobei alle Rohrschlangen parallel geschaltet sind und die gleiche Länge aufweisen, sowie wärmetechnisch zur Strömungsrichtung des Heizgases nach dem Kreuzgegenstromprinzip angeordnet sind und die abgekühlten Gase entgegen der Einströmrichtung zwischen der umschlossenen Heizfläche und dem äußeren Kesselmantel dem Gasaustritt zugeführt werden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem quadratischen Gasführungskanal und der Kesselwand ein den Differenzdruck zwischen zu- und abströmendem Gas aufnehmender zylindrischer Mantel angeordnet ist, wobei die dabei entstehenden segmentartigen Räume zwischen dem zylindrischen Mantel und dem Gasführungskanal nur druckausgleichend mit diesem in Verbindung stehen.
  • Zweckmäßigerweise sind die zwischen dem Schacht und dem Gasführungsmantel befindlichen segmentförmigen Räume dabei durch mehrere Querwände in gegeneinander möglichst gasdichte Schotten aufgeteilt. Zur Verhinderung einer Konvektionsströmung sind diese wenigstens teilweise mit zusätzlich eingebauten Wänden z. B. aus Metallfolien versehen.
  • Dieser Aufbau hat unter anderem den besonderen Vorteil, daß das Rohrsystem als Ganzes am Einsatzort nach einem einfachen Abtrennen der Wasserzuführungs- und Dampfaustrittsleitungen ausgewechselt werden kann. Besonders attraktiv ist daher die Anwendung dieser Konstruktion für Dampferzeuger mit geteiltem Kessel, der an der Trennstelle mit an sich bekannten druckfesten Dichtungen versehen ist.
  • Wie bereits erwähnt, erfolgt die Druckentlastung des quadratischen Halterungs- und Gasführungsschachtes von den bei gasgekühlten Kernreaktoranlagen in Anbetracht der hohen Betriebsdrücke auftretenden hohen Differenzdrücke zwischen Gasein-und -auslaß durch einen diesen umgebenden zylindrischen Mantel, wobei die sich zwischen diesem und dem Schacht ergebenden segmentförmigen Räume durch mehrere Querwände in gegeneinander möglichst gasdichte Schotten unterteilt sind. Durch diese Maßnahme ergibt sich außerdem eine Wärmeisolation des quadratischen Gasführungsschachtes gegenüber dem in dem Zwischenraum zwischen Wärmetauscherk-essel und dem genannten zylindrischen Mantel zurückfließenden abgekühlten Heizgas. Diese Wärmeisolation kann insbesondere auf der Eingangsseite des Heizgases noch durch Einbringung paralleler Zwischenwände, z. B. aus folienartigem Material, die die Konvektion des Gases in den Schotten verhindern, erhöht werden.
  • Bisherige Wärmetauscher mußten vielfach für Kontroll- und Reparaturzwecke in ihrem Inneren begehbar sein. Dies ist in vorliegendem Fall nicht mehr nötig, da durch entsprechende konstruktive Maßnahmen am Verdampferkessel der gesamte Rohrschlangeneinsatz einschließlich Druckentlastungszylinder nach einfacher Abtrennung der Zu-und Abführungsleitungen herausgenommen bzw. gegen einen neuen Einsatz ausgewechselt werden kann. Dadurch vereinfacht und verbilligt sich also auch die Herstellung des Kessels.
  • Die F i g. 1 bis 4 zeigen das Ausführungsbeispiel eines solchen erfindungsgemäßen Dampferzeugers. In F i g. 1 ist ein derartiger Dampferzeuger im Längsschnitt dargestellt, F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch denselben in Höhe der Linie 11-11; die F i g. 3 und 4 zeigen konstruktive Einzelheiten der Durchführung des Rohrbündels durch die beiden Enden des Kessels-Der Kessel des Dampferzeugers besteht in dem Beispiel nach F i g. 1 aus zwei Teilen 2 und 3, die etwa gleich hoch sind und über ihre Flanschringe 31 und 21 druckfest und gasdicht miteinander verschraubt sind. Im Inneren dieses Kessels ist in der dargestellten Weise das Rohrschlangenbündel 4 untergebracht, das im wesentlichen vom Heizgas quer angeströmt wird. Der Führung des Heizgasstromes dient der die Rohrschlangen umhüllende quadratische Schacht 8, der aus einem Profileisengerüst mit einer inneren Blechverkleidung besteht. An seinem unteren Ende ist es über ein Reduzierstück 82 und dem daran befindlichen Flanschring 83 mit dem Gaszuführungsstutzen 10, der den Dampferzeuger an seinem unteren Ende durchbricht, verbunden.
  • Wie auch aus F i g. 2 ersichtlich, befindet sich der genannte Gasführungsschacht innerhalb eines zylindrischen Mantels 9, der zur Aufnahme des Differenzdruckes zwischen dem zuströmenden heißen und dem abströmenden kalten Gas bestimmt und bemessen ist. Dieser zylindrische Mantel ist mit dem Gasführungsschacht oben und unten dicht verbunden und bildet mit diesem vier segmentartige Räume 93. Diese sind durch horizontal angeordnete Bleche 81 in mehrere schottenartige Räume 94 unterteilt. Diese Schotten stehen mit dem Innenraum des Schachtes im Druckausgleich, sind gegeneinander jedoch möglichst dicht abgeschlossen. Zweckmäßigerweise sind die Querwände mit den horizontalen Profileisen des Gasführungsschachtes verbunden und liegen z. B. über eine temperaturfeste Dichtung, wie z. B. eine Asbestschnur oder eine Metallamellendichtung, am zylindrischen Mantel 9 an. Dadurch wird der Gasführungssehacht 8 von dem genannten Differenzdruck entlastet und wärmemäßig von dem im Raum zwischen dem Zylinder 8 und der Kesselwandung 2 und 3 zurückströmenden kalten Gas isoliert. In Zonen groUter Temperaturdifferenz, d.' h. in den Zonen höchster Heißgastemperatur, ist es dabei zweckmäßig, die benachbarten Schotten noch durch eingebaute zusätzliche Wände 91, die einer Konvektionsbewegung des eingeschlossenen Gases entgegenwirken, zu isolieren. Damit wird erreicht, daß das zurückströmende Gas nicht wieder um einen gewissen Betrag aufgeheizt wird, was einer Energieentwertung gleichkäme. Der Austritt des kalten Gases erfolgt über den gestrichelt angedeuteten Auslaßstutzen 12. Das Rohrschlangenpaket durchsetzt die beiden Enden des Druckkessels in je einem speziellen Deckeleinsatz 5 und 6. Die einzelnen Rohre sind mit diesem Deckel über eine Wärmefalle, z. B. nach F i g. 4, dicht verbunden. Diese Wärmefalle besteht aus einem Rohrstutzen 41, der den Deckel 5 durchsetzt, mit diesem dicht verschweißt ist und außerdem in einer Höhe von etwa 15 cm über dem Deckel unter Zwischenschaltung eines kurzen Verbindungsringes 42 mit dem Rohr 40 des Rohrbündels 4 verschweißt ist. Durch diese Konstruktion, die im Vergleich zu einer direkten Einschweißung der Rohre in den Deckel eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzt, wird eine übermäßige Erwärmung des Deckels selbst und damit eine eventuelle Gefährdung des Verschlusses vermieden. Dieser Deckel sitzt auf der Innenseite des Kessels auf einem mit diesem fest verschweißten Flanschring 22 bzw. 32 auf und ist mit demselben unter Zwischenschaltung einer Schweißlippendichtung 53, etwa nach F i g. 3, verschraubt. Die Rohrschlangen münden außerhalb dieses Deckels in je eine Sammelleitung 71 bzw. 72 ein, wobei aus der oberen Sammelleitung 72 dem Dampferzeuger Wasser zugeführt und über die untere Sammelleitung nur Dampf abgeführt wird. Das Speisewasser wird also gegen den thermischen Auftrieb dem Verdampfer von oben zugeführt. Das Heizgas wird dem Schacht 8 von unten zugeführt, so daß also die Wärmeübertragung nach dem Gegenstromprinzip und infolge der größtenteils querverlaufenden Rohrschlangen im Kreuz-Gegenstrom-Prinzip erfolgt-Dementsprechend läßt sich auch das gesamte Rohrschlangenbündel in eine Vorwärmungs-, Verdampfungs- und überhitzungszone einteilen.
  • Als Beispiel für die möglichen äußeren Abmessungen eines solchen Gerätes sei genannt-. Höhe etwa 18, Durchmesser etwa 2,7 m bei einer Leistung von etwa 35 MWe.
  • Diese besondere Konstruktion der gleichseitigen Ein- und Ausführung des Heizgases wurde gewählt, damit der Außenmantel des Dampferzeugerkessels durch den ausströmenden kalten Gasstrom auf niedriger Temperatur gehalten wird. Dies hat den Vorteil, daß das Material festigkeitsmäßig nicht überbeansprucht wird bzw. die Wandstärken nicht überdimensioniert werden müssen. Außerdem ergibt sich aber aus einer solchen Konstruktion noch folgender besonders wertvolle Vorteil: Das Rohrpaket kann als Ganzes auf einfache Art und Weise herausgenommen und repariert bzw. gegen ein neues ausgetauscht werden, so daß dadurch nur verhältnismäßig kurzzeitige Betriebsunterbrechungen der Energieerzeugungsanlage, z. B. eines Atomreaktors notwendig sind. Der Austausch bzw. die Demontage des Rohrbündels geht dabei etwa folgendermaßen vor sich: Das Mannloch wird geöffnet und die im Inneren des Kessels am Einlaßstutzen 10 befindliche Flanschverbindung mit dem Gasführungsschacht von Hand gelöst. Sodann werden die Sammelleitungen 71 und 72 aufgetrennt und die Deckelverbindungen mit den Flanschringen 22 und 32 von außen gelöst. Nach öffnung der Flanschverbindung 21 und 31 des Dampferzeugerkessels wird der obere Teil 3 desselben nach oben über die aufgetrennte Speisewasserleitung 72 mit Hilfe eines Krans abgehoben. Nunmehr ragen die Einbauten mitsamt den Rohrschlangen aus der stehengebliebenen unteren Hälfte des Verdampferkessels heraus und können als Ganzes ebenfalls z. B. mit Hilfe eines Krans aus diesem Kesselteil herausgehoben werden. Anschließend ist es möglich, ein neues Rohrschlangenbündel mit den Deckelteilen 5 und 6 einzusetzen, die Flanschverbindung 82 wieder von innen über das Mannloch von Hand herzustellen, den Kessel zu schließen, die Deckelverbindungen 5/22 sowie 6/32 von außen abzudichten und die an dem Ansatzteil befindlichen Stutzen der Sammelleitung 72 und 71 mit den aufgetrennten Leitungen der Anlage, z. B. durch Schweißung, zu verbinden.
  • Selbstverständlich ist es auch möglich, an diesen Trennungsstellen ebenfalls eine Flanschverbindung oder eine andere lösbare Verbindung anzubringen. Diese geschilderte leichte Auswechselbarkeit des Dampferzeugereinsatzes rechtfertigt den sehr gedrängten Aufbau des Rohrschlangenbündels, der im Gegensatz zu anderen bekannten Anlagen zu Reparaturzwecken nicht begehbar ist und, wie aus dem Gesagten hervorgeht, auch nicht begehbar zu sein braucht.
  • Es wird bei derartigen Anlagen immer zweckmäßig sein, einen kompletten Kesseleinsatz einschließlich der Deckel und der Sammelleitungsstutzen 72 und 71 in Bereitschaft zu halten, da es auf diese Weise am einfachsten und sichersten möglich ist, eine durch Dampferzeugerschaden verursachte Betriebsunterbrechung rasch wieder zu beheben. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß es selbstverständlich möglich ist, einzelne beschädigte Rohre, die ja ohne Abzweigungen durch den ganzen Dampferzeuger hindurchgehen, außerhalb des Dampferzeugers abzuschneiden oder abzuschalten. Bei der Vielzahl der Dampferzeugerrohre wird daher ein Ausbau des gesamten Einsatzes erst nach Ausfall einer größeren Anzahl von Dampferzeugerrohren in Frage kommen. Daraus geht hervor, daß Dampferzeuger, die nach diesem Erfindungsprinzip aufgebaut sind, für hohe Gastemperaturen, wie z. B. etwa 700' C, brauchbar sind, ein besonders hohes Maß an Betriebssicherheit bieten und außerdem im Falle einer größeren Reparatur sehr kurze Stillstandszeiten ermöglichen.

Claims (3)

  1. Patentansprüche: 1. Gasbeheizter Dampferzeuger, insbesondere für gasgekühlte Kernreaktoranlagen mit einem Zwangdurchlaufsystem und einer im Querschnitt quadratischen Anordnung der Rohrschlangen innerhalb des quadratischen Gasführungskanals, wobei alle Rohrschlangen parallel geschaltet sind und die gleiche Länge aufweisen sowie wärinetechnisch zur Strömungsrichtung des Heizgases nach dem Kreuzgegenstromprinzip angeordnet sind und die abgekühlten Gase entgegen der Einströmrichtung zwischen der umschlossenen Heizfläche und dem äußeren Kesselmantel dem Gasaustritt zugeführt werden, d a d u r c h g e k e n n - zeichnet, daß zwischen dem quadratischen Gasführungskanal (8) und der Kesselwand (2 und 3) ein den Differenzdruck zwischen zu- und abströmendem Gas aufnehmender zylindrischer Mantel (9) angeordnet ist, wobei die dabei entstehenden segmentartigen Räume zwischen dem zylindrischen Mantel (9) und dem Gasführungskanal (8) nur druckausgleichend mit diesem in Verbindung stehen.
  2. 2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen dem Schacht (8) und dem Gasführungsmantel (9) befindlichen segmentförnügen Räume (93) durch mehrere Querwände (81) in gegeneinander möglichst gasdichte Schotten (94) aufgeteilt sind und die Schotten wemistens teilweise zur Verhinderung einer Konvektionsströmung mit zusätzlich eingebauten Wänden (91) z. B. aus Metallfolien versehen sind. 3. Anwendung der in den Ansprüchen 1 und 2 gekennzeichneten Dampferzeugerkonstruktion für Dampferzeuger mit für die Herausnahme des geschlossenen Rohrbündelpaketes geteiltem Druckkessel.
  3. In Betracht gezogene Druckschriften: C Deutsche Patentschrift Nr. 612 595; französische Patentschrift Nr. 1294 954; USA.-Patentschrift Nr. 2 547 589.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE612595C (de) * 1932-10-19 1935-04-29 Schmidt Sche Heissdampf Ges M Heizrohrbuendel fuer Waermeaustauscher, insbesondere Zwischenueberhitzer
US2547589A (en) * 1947-07-02 1951-04-03 Comb Eng Superheater Inc Apparatus for extracting heat from gases under pressure
FR1294954A (fr) * 1961-04-22 1962-06-01 Fives Penhoet échangeur de chaleur

Patent Citations (3)

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