DE1501544B2 - Heat exchanger system for the exchange media liquid metal / water - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmetauscheranlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a heat exchanger system according to the preamble of claim 1.

Eine derartige Anlage ist Gegenstand des Patents 01 542. Bei der durch dieses Patent geschützten Anlage besteht das Problem, die bei Lecks oder Rohrbrüchen entstehenden Reaktionsprodukte, die außerordentlich hohe Drücke und Geschwindigkeiten annehmen, und die dadurch hochgespannten und beschleunigten Flüssigkeits- und Gasmengen so abzuführen, daß die Anlage nicht zerstört oder beschädigt und die Sicherheit der Anlage nicht beeinträchtigt wird.Such a system is the subject of patent 01 542. In the system protected by this patent there is the problem that the reaction products formed in the event of leaks or burst pipes, which are extraordinary accept high pressures and speeds, and the resulting high tension and acceleration Discharge amounts of liquid and gas in such a way that the system is not destroyed or damaged, and safety the system is not impaired.

Hierzu wird vorgesehen, daß die Entlastungsräume jeweils am Ende einer längeren Verteil- bzw. Sammelleitung angeordnet sind, die zahlreiche Wärmetauschereinheiten miteinander verbinden. Bei einem Schadensfall an einer Wärmetauschereinheit muß erst das gesamte in dieser Verteil- bzw. Sammelleitung bis zum Entlastungsraum vorhandene Flüssigmetall beschleunigt werden, bevor eine merkliche Druckentlastung in der betroffenen Wärmetauschereinheit und der angrenzenden Rohrleitung entsteht. Da die zu beschleunigende Flüssigmetallmasse bei einem schnellen Druckanstieg fast wie ein fester Körper wirkt, treten im Schadensfall in den Wärmetauschereinheiten und in den angrenzenden Rohrleitungen kurzzeitig sehr hohe Drükke auf, die zu einer erheblichen Überdimensionierung der Wandstärken zwingen.For this purpose, it is provided that the relief spaces are each at the end of a longer distribution or collecting line are arranged that connect numerous heat exchanger units together. In the event of damage on a heat exchanger unit must first have the entire in this distribution or collecting line up to Any liquid metal present in the relief space can be accelerated before a noticeable pressure relief is achieved the affected heat exchanger unit and the adjacent pipeline. Because the to be accelerated Liquid metal mass acts almost like a solid body in the event of a rapid increase in pressure, occur in the event of damage Briefly very high pressures in the heat exchanger units and in the adjacent pipelines which force a considerable oversizing of the wall thickness.

Ausgehend von einer Wärmetauscheranlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Strömungsweg zum nächsten, mit einer Berstscheibe verschlossenen Entlastungsraum möglichst kurz und entsprechend die im Schadensfall zu beschleunigende Flüssigmetallmenge möglichst klein zu halten.Starting from a heat exchanger system according to the preamble of claim 1, it is therefore an object of the present invention, the flow path to the next, closed with a rupture disc relief space As short as possible and accordingly the amount of liquid metal to be accelerated in the event of damage to keep it as small as possible.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß direkt an Verteilleitung und Sammelleitung jeweils mindestens ein Entlastungsbehälter mittels mehrerer kurzer, durch Berstscheiben abgeschlossener Verbindungsleitungen angeschlossen ist.To solve this problem it is proposed that directly on the distribution line and collecting line in each case at least one relief container by means of several short connecting lines closed by rupture discs connected.

Bei dieser Anordnung können das unter hohem Druck stehende Flüssigmetall-Wasser-Gemisch und die in diesem enthaltenen Reaktionsprodukte unmittelbar nach Durchstoßen der Berstscheiben in den oder die Entlastungsbehälter gelangen und damit die Entspannung der hohen Drücke bewirken. Das Volumen der Entlastungsbehälter ist so bemessen, daß die in den zugehörigen Wärmetauscherelementen enthaltene Menge an Flüssigmetall aufgenommen werden kann. Der unmittelbare Anschluß an die das Flüssigmetall zu- oder abführende Verteil- oder Sammelleitung führt daher auf kürzestem Wege zu einer wirksamen Entlastung der betroffenen Wärmetauschereinheit, so daß weder die benachbarten Wärmetauschereinheiten gefährdet sind, noch die weiterführenden Leitungen für extrem hohe Drücke ausgelegt werden müssen.With this arrangement, the liquid metal-water mixture under high pressure and the reaction products contained in this immediately after the bursting disc has been pierced into the or the Relief vessels arrive and thus cause the high pressures to relax. The volume of the Relief tank is dimensioned so that the amount contained in the associated heat exchanger elements can be absorbed in liquid metal. The direct connection to which the liquid metal is or discharge distribution or collecting line therefore leads to effective relief in the shortest possible way the affected heat exchanger unit, so that neither the neighboring heat exchanger units are endangered are, nor the continuing lines have to be designed for extremely high pressures.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Entlastungsbehälter als zylindrische, liegend angeordnete Druckkessel ausgebildet sind, deren mit einem oder mehreren Abscheidern in Verbindung stehende Abführungsleitungen jeweils vom oberen Teil des Entlastungsbehälters ausgehen. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß sich im unteren Teil des Druckkessels ein Flüssiginetallspiegel bildet, während die dampf- oder gasförmigen Medien im oberen Teil des Kessels sich ansammeln und zusammen mit den darin enthaltenen Flüssigmetallanteilen durch die Abführungsleitungen zu den Flüssigmetallabscheidern entweichen können.In a further embodiment of the invention it is proposed that the relief container as a cylindrical, horizontally arranged pressure vessels are formed, whose with one or more separators in connection standing discharge lines each start from the upper part of the relief container. Through this Measure is achieved that a liquid metal level forms in the lower part of the pressure vessel while the vapor or gaseous media collect in the upper part of the boiler and together with the liquid metal content contained therein through the discharge lines to the liquid metal separators can escape.

In Ausgestaltung der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, daß die Entlastungsbehälter, die Abführungsleitungen und die Abscheider mit Inertgas gefüllt sind. Damit wird eine zusätzliche Reaktion des Flüssigmetalls mit dem z. B. in einer Füllung mit Umgebungsluft enthaltenen Wasserdampf vermieden.In an embodiment of the invention it is also proposed that the relief container, the discharge lines and the separators are filled with inert gas. So that an additional reaction of the liquid metal with the z. B. in a filling with ambient air contained water vapor avoided.

Durch die USA-Patentschrift 30 90 433 ist ein Behälterwärmetauscher für Flüssigmetall/Wasser bekannt, der zahlreiche wasser- bzw. dampfführende Doppelrohre enthält, die an Rohrboden befestigt sind und in den mit strömendem Flüssigmetall gefüllten Behälter hineintauchen. Der obere Bereich dieses Flüssigmetallbehälters ist mit Schutzgas unter Druck gefüllt und trägt seitlich einen Rohrstutzen, der mit einer Berstscheibe verschlossen ist. Über die an diese Berstscheibe anschließende Entlastungsleitung sowie über die in den Behälter hinein- und herausführenden Flüssigmetall-Leitungen ist nichts gesagt. Die im Schadensfall durch eine Natrium-Wasser-Reaktion in einem solchen Behälter auftretenden Druckstöße werden durch die Flüssigmetall-Leitungen ungehindert an die angrenzenden Rohrleitungen und Aggregate weitergegeben, da diese Druckstößc sehr schnell einen hohen Wert annehmen und die zur Entlastung vorgesehene Berstscheibe erst später aufreißen kann, wenn nämlich das Schutzgas oberhalb des Flüssigmetalls zu einem Teil komprimiert wurde.By the USA patent specification 30 90 433 a tank heat exchanger is known for liquid metal / water, which contains numerous water or steam-carrying double pipes which are attached to the tube sheet and immerse it in the container filled with flowing liquid metal. The top of this liquid metal container is filled with protective gas under pressure and has a pipe socket on the side, which is connected to a Rupture disc is closed. Via the relief line connected to this rupture disc and via nothing is said about the liquid metal lines leading into and out of the container. The in case of damage due to a sodium-water reaction in such a container, pressure surges are caused by the liquid metal lines are passed on unhindered to the adjacent pipelines and units, since these pressure surges very quickly take on a high value and the bursting disc provided for relief can only tear open later, namely when the protective gas above the liquid metal becomes part of it has been compressed.

In der USA-Patentschrift 29 71 746 wird eine Wärmetauscheranlage beschrieben, bestehend aus einem Reaktor als Wärmecuelle, einer Pumpe und einem Na-In the USA patent specification 29 71 746 a heat exchanger system described, consisting of a reactor as a heat source, a pump and a Na-

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trium-Wasser-Wärmetauscher. In der Rohrleitung vom Wärmetauscher zum Reaktor ist ein Druckhalter angeschlossen. Wärmetauscher und Druckhalter sind beide durch je ein Sicherheitsventil oder eine Berstscheibe gegen Überdruck geschützt. Als wesentlich hervorgehoben wird eine besondere Leitung von der Berstscheibe des Wärmetauschers zur Entlastungsleitung des Druckhalters, und zwar zu einem Punkt zwischen dem Gasraum und der Berstscheibe dieses Druckhalters. Dieser Druckhalter oder auch Expansionstank hat eine von Druckwasserreaktoren her bekannte Funktion, nämlich bei Normalbetrieb den Druck im Hauptkreislauf konstant zu halten. Damit nun bei einem Schadensfall am Natrium-Wasser-Wärmetauscher nicht der Hauptkreislauf über die aufgerissene Berstscheibe entleert wird, ist die besondere Leitung von der Berstscheibe des Wärmetauschers zum Druckhalter notwendig. Dadurch werden aber im Schadensfall Reaktionsprodukte über den Druckhalter in den Hauptkreislauf befördert.trium water heat exchanger. A pressurizer is connected in the pipeline from the heat exchanger to the reactor. The heat exchanger and pressurizer are both each provided with a safety valve or a bursting disc protected against overpressure. A special line from the rupture disc is emphasized as essential of the heat exchanger to the relief line of the pressurizer, namely to a point between the Gas space and the rupture disc of this pressure holder. This pressurizer or expansion tank has one function known from pressurized water reactors, namely the pressure in the main circuit during normal operation to keep constant. So now in the event of damage to the sodium-water heat exchanger, not the Main circuit is emptied via the ruptured rupture disc, is the special line from the rupture disc of the heat exchanger to the pressurizer is necessary. In the event of damage, however, this results in reaction products conveyed into the main circuit via the pressurizer.

Die F i g. 1 und 2 zeigen schematisiert zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung.The F i g. 1 and 2 schematically show two exemplary embodiments the invention.

In beiden Figuren tritt das in einer nicht näher dargestellten Wärmequelle aufgeheizte Heizmedium, beispielsweise Natrium von etwa 560⁰C, durch die Einlaßleitung 1 in die Anlage ein. Mit der Schnellschlußarmatur 2 kann die Anlage im Schadensfall an dieser Stelle abgesperrt werden. Die Leitung la führt über ein Drosselorgan 39 in einen Pufferbehälter 41. Das Drosselorgan 39, beispielsweise in Form einer Düse, bewirkt bei Strömungsrichtungsumkehr einen erheblichen Druckabfall in Richtung auf den vorgeschalteten, nicht gezeigten Zwischenwärmetauscher. Der Pufferbehälter 41 ist als zylindrisches, senkrecht stehendes Druckgefäß ausgebildet, welches von unten nach oben durchströmt wird. Der Pufferbehälter 41 sorgt dafür, daß im Schadensfall zunächst nur Flüssigmetall zurückströmt, während das Drosselorgan 39 den Druckanstieg in der Leitung 1 begrenzt, bis das Schnellschlußorgan 2 geschlossen ist. Vom oberen Ende des Pufferbehälters 41 strömt das Flüssigmetall durch die Verteilleitung 3 und durch die einzelnen Stichleitungen 7 a zu den parallelgeschalteten Wärmecauschereinheiten 8, von dort durch die dünnen Stichleitungen 9a und durch die Sammelleitung 11 zu einem zweiten Pufferbehälter 47, der an seinem unteren Ende ein Drosselorgan 49, in diesem Fall in Gestalt einer Blende, trägt und an die Auslaßleitung 30 angeschlossen ist. Sowohl an der Verteilleitung 3 als auch an der Sammelleitung 11 ist über kurze Verbindungsleitungen 44 bzw. 50, die im Normalfall durch Berstscheiben 46 bzw. 51 verschlossen sind, je ein Entlastungsbehälter 45 bzw. 52 angeschlossen, der jeweils an seiner Oberseite eine Abführungsleitung 54 bzw. 56 aufweist, die zu einem Abscheider 24 bzw. 53 führt. In diesen Abscheidern werden das Flüssigmetall und die festen Reaktionsprodukte gesammelt und können über ein Ablaßventil am unteren Ende entfernt werden, während die gasförmigen Reaktionsprodukte durch je ein Rohr 25 am oberen Ende abgeführt werden können. Jeweils zwischen dem Pufferbehälter 41 und der Schnellschlußarmatur 2 wie auch zwischen dem Pufferbehälter 47 und der zweiten Schnellschlußarmatur 29 ist eine Leitung 36a bzw. 36 vorgesehen, die im Normalfall durch eine Berstscheibe 37a bzw. 37 verschlossen ist und im Schadensfall, insbesondere wenn die Schnellschlußarmaturen 2 bzw. 29 geschlossen sind, die hochgespannten Reaktionsprodukte zum Abscheider 24 bzw. 53 ableitet. Stattdessen führen in der Ausführung nach F i g. 2 direkt von den Pufferbehältern 41 bzw. 47 Leitungen 57a bzw. 55a, die mit Berstscheiben 42 bzw. 56 verschlossen sind, zu den Abscheidern 24 bzw. 53. An der Auslaßleitung 30 ist mittels einer kurzen Abzweigleitung 31 ein Ausgleichsbehälter 32 vorgesehen, der zum Teil mit einem inerten Schutzgas gefüllt ist und der Druckstöße von der anschließenden Rohrleitung 30 fernhalten soll.In both figures, a the heated in a non-illustrated heat source heating medium, for example sodium of about 560 ⁰ C enters through the inlet conduit 1 into the plant. In the event of damage, the system can be shut off at this point with the quick-action fitting 2. The line la leads via a throttle element 39 into a buffer container 41. The throttle element 39, for example in the form of a nozzle, causes a considerable pressure drop in the direction of the upstream intermediate heat exchanger (not shown) when the direction of flow is reversed. The buffer container 41 is designed as a cylindrical, vertically standing pressure vessel through which the flow passes from bottom to top. The buffer container 41 ensures that, in the event of damage, initially only liquid metal flows back, while the throttle element 39 limits the increase in pressure in the line 1 until the quick-action closing element 2 is closed. From the upper end of the buffer tank 41, the liquid metal flows through the distribution line 3 and through the individual stub lines 7a to the parallel-connected heat exchanger units 8, from there through the thin stub lines 9a and through the collecting line 11 to a second buffer tank 47, which at its lower end Throttle element 49, in this case in the form of a diaphragm, carries and is connected to the outlet line 30. Both the distribution line 3 and the collecting line 11 are connected via short connecting lines 44 and 50, which are normally closed by rupture disks 46 and 51, respectively, a discharge container 45 or 52, each of which has a discharge line 54 or on its upper side 56, which leads to a separator 24 and 53, respectively. The liquid metal and the solid reaction products are collected in these separators and can be removed via a drain valve at the lower end, while the gaseous reaction products can be discharged through a pipe 25 at the upper end. Between the buffer container 41 and the quick-action fitting 2 as well as between the buffer container 47 and the second quick-action fitting 29, a line 36a or 36 is provided, which is normally closed by a bursting disc 37a or 37 and in the event of damage, especially if the quick-action fitting 2 and 29 are closed, which diverts the highly stressed reaction products to separators 24 and 53, respectively. Instead, in the embodiment according to FIG. 2 directly from the buffer tanks 41 and 47 lines 57a and 55a, which are closed with rupture disks 42 and 56, to the separators 24 and 53, respectively Part is filled with an inert protective gas and is intended to keep the pressure surges away from the adjoining pipeline 30.

Das kalte Speisewasser tritt bei 12 in die Anlage ein, und verläßt sie aufgeheizt bei 18. Mit je einer Schnellschlußarmatur 13 bzw. 18 kann die Anlage auch in bezug auf das Speisewasser abgesperrt werden. Die Speisewasserleitung 14 verteilt das Speisewasser über die Stichleitungen 15 auf die einzelnen Wärmetauschereinheiten 8, während die Stichleitungen 16 zur Speisewasser-Sammelleitung 17 führen.The cold feed water enters the system at 12, and leaves it heated up at 18. With a quick-release fitting 13 or 18, the system can also be used in relation to to be shut off to the feed water. The feed water line 14 distributes the feed water over the Branch lines 15 to the individual heat exchanger units 8, while the branch lines 16 to the feed water collecting line 17 lead.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims (3)

15 Ol 544 Patentansprüche:15 Ol 544 claims: 1. Wärmetauscheranlage für die Austauschmedien Flüssigmetall und Wasser, bestehend aus mehreren parallelgeschalteten Wärmetauschereinheiten, die jeweils an ihren FIüssigmetall-Ein- und -Austritten durch Verteil- bzw. Sammelleitungen an Ein- und Auslaßleitungen für das Flüssigmetall angeschlossen sind, mit Entlastungsräumen zur Aufnahme von im Falle von Brüchen der Wärmetauschrohre auftretenden hochgespannten Flüssigmetall-, Wasser_: und 'Reaktionsproduktmengen, wobei die Entlastungsräume für den Normalbetrieb durch Berstscheiben gegenüber den Flüssigmetall führenden Leitungen abgeschlossen sind, d a durch gekennzeichnet, daß direkt an Verteilleitung (3) und Sammelleitung (11) jeweils mindestens ein Entlastungsbehälter (45, 52) mittels mehrerer kurzer, durch Berstscheiben (46, 51) abgeschlossener Verbindungsleitungen (44, 50) angeschlossen ist.1. Heat exchanger system for the exchange media liquid metal and water, consisting of several parallel-connected heat exchanger units, which are each connected to their liquid metal inlets and outlets through distribution or collecting lines to inlet and outlet lines for the liquid metal, with relief spaces for receiving im In the event of ruptures in the heat exchange _{pipes, high-tension liquid metal, water:} and 'reaction product quantities, the relief spaces for normal operation being closed off by bursting disks opposite the lines carrying the liquid metal, as characterized in that directly on the distribution line (3) and collecting line (11) in each case at least a relief container (45, 52) is connected by means of several short connecting lines (44, 50) closed by bursting disks (46, 51). 2. Wärmetauscheranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungsbehälter (45, 52) als zylindrische, liegend angeordnete Druckkessel ausgebildet sind, deren mit einem oder mehreren Abscheidern (24, 53) in Verbindung stehende Abführungsleitungen (56, 54) jeweils vom oberen Teil des Entlastungsbehälters (45,52) ausgehen.2. Heat exchanger system according to claim 1, characterized in that the relief container (45, 52) are designed as cylindrical, horizontally arranged pressure vessels, with one or more Separators (24, 53) connected discharge lines (56, 54) each from the upper Go out of part of the relief reservoir (45,52). 3. Wärmetauscheranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungsbehälter (45, 52), die Abführungsleitungen (56, 54) und die Abscheider (24,53) mit Inertgas gefüllt sind.3. Heat exchanger system according to claim 2, characterized in that the relief container (45, 52), the discharge lines (56, 54) and the separators (24, 53) are filled with inert gas.