DE1526996A1

DE1526996A1 - Verfahren zum Betreiben eines Waermeaustauschers und Ausfuehrung desselben

Info

Publication number: DE1526996A1
Application number: DE19661526996
Authority: DE
Inventors: Sprague Theodore Smith
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1965-01-18
Filing date: 1966-01-15
Publication date: 1970-01-15
Also published as: US3385268A; NL6600647A; BE675283A; SE315601B; GB1090485A; FR1463672A

Description

Oberhausen, 12. Januar 1966 Lfd.-Nr. 1398 ZZ/Ew.

PATENTANMELDUNG

Verfahren zum Betreiben eines Wärmeaustauschers und Ausführung desselben

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines mit dem Primärkühlmedium eines Reaktors, insbesondere Druckwasserreaktor, beschickten Wärmeaustauschers, der bei niedrigem Massenfluß arbeitet, und auf eine Ausführung desselben.

Unter Massenfluß ist diejenige Mediummenge zu verstehen, die in einer gegebenen Zeit durch eine spezifische ebene Fläche strömt. Es wird allgemein angenommen, daß hohe Massenflußzahlen-bei im Zwangdurchlauf betriebenen Wärmeaustauschern erforderlich sind, um die Qualität, bei der die Bläschenverdampfung aufhört, zu vergrößern und um die Wärmeübergangszahl bei Filmverdampfung bei und oberhalb der Grenze der Bläschenverdampfung zu verbessern.

Die Grenze der Bläschenverdampfung in einem im Zwangdurchlauf betriebenen Wärmeaustauscher ist von besonderer Bedeutung, da

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sie eine scharfe Trennlinie zwischen den hohen Wärmeübergangszahlen zieht, die gewöhnlich bei der Bläschenverdanpfung vorkommen, und den verhältnismäßig niedrigen V/ärmeübergangszahlen, die sich bei der Filmverdampfung ergeben. Die Bläschenverdampfung ist durch die Bildung und Freigabe von Dampfbläschen auf der wärmeübertragenden Seite der Y/ärmeübergangsfläche gekennzeichnet, wobei die Flüssigkeit die Seite noch benetzt, während bei aer Filmverdampfung die wärmeübertragende Seite mit einem liampffilm belegt ist. Um rfärme von der übertragenden Seite auf die Flüssigkeit zu übertragen, ist ein Temperaturgefälle erforderlich. Bei gewissenBetriebszuständen hängt die Größe dieses Gefälles hauptsächlich davon ab, ob eine Bläschen- oder Filmverdampfung stattfindet.

Bei der Bläschenverdampfung lösen sich die auf der Wärmeübergangsfläche gebildeten Dampfbläschen schnell und bewegen sich mit der Flüssigkeit, wobei die sich daraus ergebende Beunruhigung des Gemisches eine ausgezeichnete Wärmeübergangszahl ergibt β Bei der Filmverdampfung bildet sich ein Dampffilm über der Wärmeübergangsfläche, so daß eine Dampferzeugung nicht an der Wärmeübergangsfläche stattfindet, sondern an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Dampf· Der Dampffilm führt dazu, daß die Flüssigkeit die Fläche nicht benetzen kann, und die sich daraus ergebenden Wärmeübergangszahlen niedrig sind. Der Dampffilm wirkt nämlich als eine Isolierschicht, welche die Geschwindigkeit verzögert, mit der Wärme von der wärmeaufnehmenden Fläche

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auf die Flüssigkeit übertrugen wird. Lie Temperatur der wärmeaufnehmenden Fläche ist deshalb höher als bei Jläschenverdampfung unter gleichen ..iassenfluiaverhältnissen, und der Punkt, bei dem die ■Bläscnenverdampfung in Filmverdämpfung übergeht, wird als Grenze der Bläschenverdumpfung bezeichnet. Es ist zu erkennen, daß, während eine örtliche Überhitzung in den Rohren oei Bläschenverdampfung in dem Viarmeuber^angsbereich nicht stattfindet, ein Problem der Rohrüberhitzung im Filmsiedebereich je nach V/ärmefluß und älassenfluß innerhalb des V/ärmeüoergangsbereiches gegeben ist.

Um einen maximalen Wirkungsgrad in einem V/ärmeau^tausc::er zu erzielen, ist es wichtig, die liläsohenverdampi'ung in einem möglichst '.veiten Bereich aufrechtzuerhalten. Bisher wurde allgemein die Lleinung vertreten, dai ein in Zwangdurchiuuf cetrieoener i/ärmeaus tauscher in einem verhältnismäßig hohen Massenr'lußbereich arbeiten.müsse. i)s schien, als od .-r.it iem dinken des Massenflusses auch die Biäachenverdampfun^sgrenze weiter sinken würde. Heuere Untersuchungen haben ^eaoch ergeben, das ein runkt besteht, bei den; aie Blä^chenverdampfungs-^ialität bei einem weiteren iiinken des lilast-enflusses zu steigen beginnt.

Die Konstruktion eines im Z'.vangdurohiauf betriebenen V/ärmeaustauschers hängt von einer Anzahl Faktoren ab, wie z. 3. Geschwindigkeit, iilassenfiuj, Wärmefluß, Druck und Aufbau des 3ehälters. Bisher wurde angenommen, daß hohe Lassenflüsse erforderlich sind,

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damit in diesem Wärmeaustauschern die notwendige hohe Bläschenverdampfungsgrenze aufrechterhalten und auch die maximale KühlwirKung der Wärmeaustauschflächen in den Filmverdampfungsbereich zur Vermeidung von örtlicher Überhitzung erzielt wird. Als es offensichtlich wurde, daß Zwangdurchlaufbetrieb in einem verhältnismäßig niedrigen !,iassenflußbereich möglich ist, wurde erkannt, daß solche niedrigen Massenflußverhältnisse vorteilhaft bei im Zwangdurchlauf betriebenen Wärmeaustauschern angewandt werden können, die in Verbindung mit Kernreaktoren, insbeondere Druckwasserreaktoren, aroeiten. Die Primärkühlmittelaustrittstemperaturen aus solji.en xieo.ktoren sind verhältnismäßig niedrig. Das Kühlmittel v.ird auf Druck gebracht, um ein Verdampfen im Heaktor zu vermeiden, und folglich wird es mit hohen Drücken, jedoch mit ziemlich niedrigen Temperaturen, umgewälzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, nachdem ein im Zwangdurchlauf betriebener Wärmeaustauscher unter Verwendung von niedrigen I.iassenflüssen im Bläschenverdampfungsbereich arbeiten kann, sowie einen Wärmeaustauscher zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen«

Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das zu verdampfende Medium bei Eintritt in den lYärme aus tauscher mit einem Teil des bereits verdampften Mediums gemischt wird, wobei das zu verdampfende Medium in einer FaIlkammer nach unten strömt und dabei bis Sättigungstemperatur

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erwärmt wird und anschließend in der Steigkammer mit unmittelbar einsetzender Verdampfung im Gegenstrom zum Primärmedium nach oben strömt bis zu vollständigen Verdampfung, wo der größte Teil des Dampfes über den Überhitzer zum Verbraucher abgeführt und der kleinere Teil wieder dem eintretenden Medium zugemischt wird» Hierdurch wird erreicht, daß der Wärmeaustauscher bei niedrigen Massenflüssen im Bläschenverdampfungsbereich arbeitet.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich im Zusammenhang mit der nachfolgenden Beschreibung» Die Zeichnung zeigt eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers. Es zeigt:
Hg. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung

Fig. 2 einen Schnitt entsprechend der linie I-I der Fig. 1 Figo 5 einen Schnitt entsprechend der Linie II-II.

Wie aus der Fig. 1 zu ersehen ist, besteht der Wärmeaustauscher 1 aus einem senkrecht stehenden zylindrischen Druckbehälter 2, der an seinen Enden mit den Deckeln 3 und 4 verschlossen ist. Im oberen Teil des Behälters 2 ist die Rohrplatte 5 angeordnet, welche in Verbindung mit dem Deckel 3 die Eintrittskammer 6 für das Primärkühlmedium bildet, während die im unteren Teil des Behälters 2 angeordnete Hohrplatte 7 in Verbindung mit dem Deckel 4 die Austrittskammer 6 a bildet. Senkrecht zwischen den Rohrplatten 5 und 7 erstreckt sich ein Bündel gerader Rohre 8.

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Diese Rohre 8 sind von einer jeweils in einem bestimmten Abstand von den .Rohrplatten 5 und 7 gehaltenen Umhüllung 9 umgeben, so daß eine Fallkammer 10 und eine Steigkammer 11 entsteht· Durch die Offnungen 12 sind diese beiden Kammern miteinander verbunden. Das obere Ende der Fallkammer 10 ist durch die Ringplatte 13 verschlossen» Innerhalb der Steigkammer 11 sind mehrere in gleichem Abstand zueinander angeordnete iiohrführungsplatten H angebracht·

Im oberen Teil der dteigkammer 11, d. h, oberhalb der Offnungen 12,

sind Lenkwände 15» 16 und 17 (vergl. Fig. 1, 2 und 3) angeordnet, um einen gewundenen Fluß des- Sekundärmediums über die itohre zu erzielen. Dieser Teil der Steigkammer dient als Überhitzer 18. Etwa in der Mitte des Überhitzers befinden sich die Dampfaustrittsstutzen 19 in der üruckbehälterwand.

Am oberen Ende der Fallkammer 10 sind die Eintritte 20 für das zu verdampfende Medium angeordnet, die sich durch die Wand des Behälters 2 bis zu dem Sammler 21 erstrecken. Der Sammler 21 besitzt eine Vielzahl von kleinen Öffnungen 22 in seinem unteren

Während des Betriebes strömt das beispielsweise von einem Druckwasserreaktor kommende Primärkühlmedium durch den Stutzen 25 in die Eintrittskammer 6. Von hier gelangt es durch die Rohre 8 zur Austrittskammer 6 a, aus welcher das Primärkühlmittel durch den Stutzen 24 den Dampferzeuger verläßt.

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Das zu verdampfende medium b^w. das oekundärmedium strömt durch die Eintritte 20 zu dem Sammler 21. Von diesem sammler aus verteilt sich das SekundärKühlmedium, aas eine Temperatur besitzt, die etwas unterhalb aer Sätti.^ungstemperatur entsprechend dem Betriebsdruck des Sekundärsystems liegt, gleichmäßig in den oberen Teil der Fallkammer 10. Gleichzeitig dringt Dampf aus der Steigkammer 11 durch die Öffnungen 12 in die Fallkammer. Der Dampf kondensiert infolge eines kleinen Druckabfalles, wodurch ein Sog entsteht, der Dampf aus dem Innern der Steigkaainer 11 in die Fallkammer 10 saugt, u'ährend des Abwärtsströmens ,gibt der Dampf seine latente Verdampfungswärme an das Sekundärnedium ab, so daß aas Gemisch im wesentlichen auf Süttigungstemperatur kommt. Von der Fallkammer 10 ütrömt das Sekunaärinedium in die oteigka:..n:er 11 und, da es im we sent liehen die Sätti.;ungstemyeratur aufweist, beginnt seine Verdampfung sofort. Das öekunaärmedium fliegt nach oben um die Kohre herum und es wird eine Bläschenverdainpfung beim Durchströmen im Gegenstrom und im indirekten 'närmeaustausch mit dem Primärmedium in den Rohren aufrechterhalten. Die geringe loenge und die Temperatur de3 Sekundärmediums, aas innerhalb der Fallkammer dtrömt, sind entsprechend bemessen, um einen natürlichen Umlauf des Sekundärmediums bei der Aufv.ärtsströmung um die Hohre herum zu gewährleisten.

Wenn das Sekundäraedium nach oben durch die Steigkammer 11 strömt, wird Dampf von Sattdampfqualität in dem Raum von der unteren Rohrplatte 7 bis zu den Öffnungen 12 der Umhüllung 9 der Steigkammer erzeugt. Von hier strömt der größte Teil des Dampfes in

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einem gewundenen Weg entsprechend den Lenkwänden 15» 16 und 17 über die ftohre, wobei er überhitzt wird. Der überhitzte Dampf¹ verläßt dann durch die Austrittsstutzen 19 den Wärmeaustauscher, Es ist also nur im Überhitzerteil 18 ein Kreuzgegenstrom mit großer Sekundärmedium-Geschwindigkeit vorhanden, während im größeren unteren Teil des Wärmeaustauschers ein reiner Gegenstrom mit niedriger dekundärmedium-Geschwindigkeit vorliegt. Neben einer niedrigen Pumpenleistung für das Sekundärmedium ergibt sich durch die Anordnung der Lenkwände eine wesentliche Verringerung der Wärmeaustauscherfläche infolge der Verwendung streckenweise doppelter Wärmeübergangszahlen.

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Claims

Oberhausen, 12. Januar 1966 lfd.-Nr. 1398 ZZ/Ew.

PATENTANSPRÜCHE

1V Verfahren zum Betreiben eines mit dem Primärkühlmedium eines Reaktors, insbesondere Liruckwasserreaktor, beschickten Wärmeaustauschers, der bei niedrigem Massenfluß arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß das zu verdampfende Medium bei Eintritt in den Wärmeaustauscher mit einem Teil des bereits verdampften Mediums gemischt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu verdampfende Medium in einer Fallkammer (10) nach unten strömt und dabei bis Sättigungstemperatur erwärmt wird und anschließend in der Steigkammer (11) mit unmittelbar einsetzender Verdampfung im Gegenstrom zum Primärmedium nach oben strömt bis zur vollständigen Verdampfung, wo der größte Teil des Dampfes über den Überhitzer (18) zum Verbraucher abgeführt und der kleinere Teil wieder dem eintretenden Medium zugemischt wird.
3. Wärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, daduroh gekennzeichnet, daß in der Umhüllung (9) der Steigkammer (11) in Höhe des Eintrittes (20) für das Sekundärmedium Öffnungen (12) vorgesehen sind.

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4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß im Uberhitzerteil (18) der Steigkammer (11) Lsnkwände (15» 16 und 17) für das öekundärmedium angeordnet sind.

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