DE2431478A1 - Waermetauscher zum einbau in eine atomreaktor-anlage - Google Patents

Waermetauscher zum einbau in eine atomreaktor-anlage

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Description

Friedrich Uhde GmbH, Dortmund <j / ο Λ Ι Π Q
Eig. Zeichen: IOOI8 £ *t O 1 4W ü
Wärmetauscher zum Einbau in eine Atomreaktor-Anlage
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Einbau in eine Atomreaktor-Anlage in Kavernenbauweise, wobei der Wärmetauscher in einer Kaverne mit dichter Stahlauskleidung, dem Liner, angeordnet ist und wobei der Wärmetauscher eine Vielzahl von Reaktionsrohren aufweist, die mit Spaltkatalysator gefüllt sind und durch die das zu spaltende Medium, vorzugsweise Kohlenwasserstoffe, strömt und wobei die Reaktionsrohre mit heißem Kreislaufgas der Reaktoranlage beheizt werden.
Wärmetauscher der genannten Art dienen der Nutzung der Abwärme eines Atom-Reaktors zur Durchführung chemischer Prozesse.
Bei derartigen Wärmetauschern ist es erforderlich, dass der besonderen Fahrweise der katalytischen Hochtemperatur-Reaktion Rechnung getragen wird und dabei den Sicherheitsanforderungen für Anlagen mit Hochtemperatur-Atom-Reaktoren entsprochen wird.
Bekanntlich werden die Brennelemente eines Atomreaktors mit einem Medium, z.B. Helium, gekühlt. Dabei nimmt das Kühlmedium eine Temperatur im Bereich von 95O0C an. Dieses Kühlmedium, von nun an als Kreislaufgas bezeichnet, wird aus dem Atomreaktorkern herausgeführt, außerhalb auf eine Temperatur von ca. 200 bis 300 C durch Wärmeabgabe an ein oder mehrere andere Medien abgekühlt und anschließend wieder zur Neuaufheizung dem Atomreaktorkern zugeführt.
Da es sich nicht vermeiden läßt, dass das Kreislaufgas einen bestimmten Gehalt an radioaktiven Stoffen aufweist, muß dafür Sorge getragen werden, dass die Vorrichtungen, in denen dieses Kreislaufgas geführt wird, doppelt abgesichert sind gegen irgendwelche Abströmungen nach außen hin.
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Bekanntlich werden diese Vorrichtungen, die die Abwärme des Atomreaktors übertragen, sogenannte Wärmetauscher, sternförmig in Kavernen innerhalb des Spannbetonbehälters, der den Atomreaktorkern umgibt, angeordnet. Die Kavernen erhalten eine Stahlauskleidung, den Liner, die oben und unten mit mindestens einem Abschlußdeckel versehen ist. Soll die Abwärme des Atomreaktors für die Durchführung chemischer Prozesse dienen, werden entsprechende Reaktionsrohre durch den Wärmetauscher geführt. Die Reaktionsrohre für die endotherme katalytische Hochtemperatur-Reaktion, z.B. für die Methanspaltung, sind mit stückigem Katalysator gefüllt. Die Reaktionsrohre werden von dem zu spaltenden Gas von oben nach unten durchströmt und gleichzeitig beheizt mit dem heißen Kreislaufgas, um den Ablauf der endothermen Reaktion aufrechtzuerhalten.
Dabei läßt es sich nicht vermeiden, dass infolge von Ungleichmäßigkeiten in der Katalysatorfüllung und infolge damit verbundener verschiedener Reaktions- und GasStrömungsgeschwindigkeiten in den Rohren unterschiedliche Wärmeübergangs- bzw. Wärmedurchgangswerte an den Rohren auftreten.
Dies hat zur Folge, dass die Temperaturbelastung der Reaktionsrohre unterschiedlich ist und es stellenweise zu Überhitzungen und Zerstörungen eines Rohres kommen kann. Aufgrund der spezifisch hohen Belastung dieser Reaktionsrohre und der Werkstoffbeschaffenheit können sie nicht für eine exakte gleichmäßige Lebensdauer ausgelegt werden, was heißt, dass einzelne Rohre früher als andere defekt werden.
Da in einem Wärmetauscher in einer Kaverne in der Spannbetonbehälterwand eines Hochtemperaturreaktors eine Vielzahl von Reaktionsrohren untergebracht sind, ist es von besonderer Bedeutung, die Zu- und Ableitungen der Reaktionsrohre einzeln oder wenigstens sektionsweise absperren zu können, um bei Schaden an einzelnen Rohren die Stillegung nur eines Rohres oder einer Sektion von außen vornehmen zu können. Eine zwischenzeitliche Reparatur ist mit größten Schwierigkeiten verbunden und würde zu teuren Ausfallzeiten
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Darüber hinaus ist es erforderlich, gegen den Kreislaufgasstrom eine zweifache Abdichtung nach außen hin vorzusehen. Bekanntlich wird dies bisher dadurch erreicht, dass die Stahlauskleidung zwei übereinander angeordnete Deckelverschlüsse erhält. Zu- und Ableitungen müssen dann durch diese Deckel oder durch seitliche Durchtritte durch den Spannbetonbehälter geführt werden, wobei die letztere Lösung aus vielerlei Gründen unerwünscht ist.
Erschwerend kommt hinzu, dass bei den großen Temperaturdifferenzen zwischen Montagezustand und Betriebszustand beträchtliche Wärmedehnungen der Verbindungsleitungen auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher für eine Atomreaktor-Anlage in der Art zu gestalten, dass der Einbau in die Anlage einfach ist, dass er hohe Betriebssicherheit aufweist und dass die beschriebenen Probleme nicht auftreten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Reaktionsrohre innerhalb eines doppelwandigen Gefäßes in der Stahlauskleidung angeordnet sind, die katalysatorfreien Zuleitungs- und Ableitungsrohre der Reaktionsrohr die Gefäßdeckel bzw. Böden einzeln oder in Gruppen durchdringen, wobei die Ableitungsrohre im wassergefüllten unteren doppelwandigen Gefäßraum als Wärmetauscher wirken, das doppelwandige Gefäß auf einer Ringkonsole im unteren Teil der Stahlauskleidung ruht, der Ringraum zwischen Stahlauskleidung und Gefäß doppelt abgedichtet wird, oben durch den Doppelflansch, die ringförmige Haube und den Membranring, unten durch den Doppelflansch, zwei ringförmige Elemente und dass der Ringraum gegenüber den Kreislaufgasleitungsstutzen mittels einer Packung abgedichtet ist.
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Die erfindungswesentlichen Merkmale und Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der Wärmetauscher mit den Reaktionsrohren doppelwandig ausgeführt ist und somit eine doppelte Abschirmung nach außen hin gegen die heißen Gase erzielt wird. Die innere Wand des Wärmetauschers wird hinreichend gekühlt. Der Wassermantel erfüllt somit eine Doppelfunktion, einmal als Kühlmittel und zum anderen als zusätzliches Sicherheitsorgan. Weiterhin ist wesentlich, dass der Wärmetauscher auf der Ringkonsole der Stahlauskleidung ruht und er damit eine feste Positionierung zu der Stahlauskleidung hat. Da die Reaktionsrohre einzeln oder in einer Vielzahl von Gruppen durch den Deckel geführt sind, können sie bei einem Schaden einzeln oder sektionsweise abgesperrt werden und nehmen somit nicht mehr am Wärmetausch teil. Ein zwischenzeitlicher Ausbau ist nicht erforderlich. Die Gesamtanlage kann weiterhin in Betrieb bleiben. Die besondere Konstruktion der Durchführungen durch Boden und Deckel gewährleistet ein Minimum an Wärmespannungen. Die erfindungsgemäße Gestaltung der doppelten Abdichtung durch die ringförmigen Elemente und die dazugehörigen Dichtelemente ermöglichen es, dass die Zu- und Abführungsleitungen für das Reaktionsgas zu dem Wärmetauscher mit den Reaktionsrohren flexibel gestaltet werden können und eine Längendehnung des Wärmetauschers ohne Einfluß bleibt auf die Abdichtung der Zu- und Abführungsleitungen.
Durch die erfindungsgemäße Verlegung der Dichtstellen zwischen Wärmetauscher und Stahlauskleidung in den oberen und unteren Bereich der Kaverne kann jeweils die Dichtheit überprüft werden und es ist nicht erforderlich, eine Sonderkonstruktion für die Zu- und Abführungsleitungen zwischen Atomreaktor und Wärmetauscher vorzusehen.
Da in der Regel zu einer chemischen Prozeßanlage mit endothermer, katalytischer Hochtemperaturreaktion auch noch Dampferzeugungsanlagen gehören, ist es erfindungswesentlich, dass in dem Wärmetauscher mit den Reaktionsrohren gleichzeitig noch Dampf erzeugt wird und dabei das Speisewasser mit seinen Ableitungen dient.
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Das Speisewasser wird einerseits aufgeheizt durch die Abkühlung des Reaktionsmediums, welches durch die Abführungsrohre im unteren Teil des doppelwandigen Wärmetauschers fließt und andererseits durch das Kreislaufgas, das durch das Innere des Wärmetauschers strömt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben:
Der Spannbetonbehälter 1 einer Atom-Reaktoranlage enthält mehrere Kavernen 2, die sternförmig und in der Regel symmetrisch um den Reaktorkern angeordnet sind, von denen aber nur eine beispielhaft in Pig. I dargestellt ist.
Die Stahlauskleidung 3, auch Liner genannt, der Kaverne ist für die Aufnahme des Wärmetauschers vorgesehen und muß aus sicherheitstechnischen Gründen dicht verschlossen werden können. Erfindungsgemäß weist die Stahlauskleidung daher eine Ringkonsole 4 zur Abstützung des doppelwandigen Gefäßes 5 auf und die beiden Stirnseiten der Stahlauskleidung sind mit jeweils zwei Planschen, den äußeren 6, 6' und den inneren 7 und ?' versehen. Im doppelwandigen Gefäß 5 mit der äußeren Wand 8 und der inneren Wand sind vertikal die katalysatorgefüllten Reaktionsrohre 10 angeordnet. Die katalysatorfreien Zuführungs- und Ableitungsrohre und 12 der Reaktionsrohre durchdringen die oberen und unteren Böden des Gefäßes einzeln oder in Gruppen, wobei die unteren Böden des doppelwandigen Gefäßes soweit voneinander entfernt sind, dass die sie durchlaufenden Rohre als Wärmetauscher wirksam werden können. Der Zwischenraum zwischen innerer und äußerer Wand des doppelwandigen Gefäßes 5 ist mit Speisewasser gefüllt und wirkt daher gleichzeitig als Dampferzeuger. Die konstruktive Ausgestaltung der Durchführungen der Zuführungs- und Ableitungsrohre durch Deckel und Böden ist nicht Bestandteil dieser Anmeldung.
Das heiße Kreislaufgas mit einer Temperatur im Bereich von 95O°C aus dem Kern des Hochtemperatur-Atomreaktors, der nicht dargestellt ist, tritt über das Heißgasrohr 13 im Spannbetonbehälter 1 und die Durchführung 14 des Gefäßes 5 in den mit Reaktionsrohren ausgefüllten Gefäßinnenraum.
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Mittels bekannter Gasführungsvorrichtungen 15, wird das Heißgas um die Reaktionsrohre geleitet und erfährt durch Wärmeabfluß an das Reaktionsmedium in den Reaktionsrohren eine Temperaturerniedrigung auf ca. 700 C. Über die Durchführung 16 im Gefäß verläßt das Kreislaufgas den Wärmetauscher und strömt über das Kaltgasrohr 17 weiter in einen anderen Wärmetauscher, z.B. einen Dampferzeuger, wo das Gas auf ca. 25O°C abgekühlt und dann zurück zum Hochtemperatur-Reaktor geführt wird, um hier von neuem aufgeheizt zu werden.
Das Heißgasrohr 13 als auch das Kaltgasrohr 17 haben keine starre Verbindung mit den entsprechenden Durchführungen und 16. Im freien Ringraum 18, der zwischen der Stahlauskleidung, dem Liner, und der äußeren Gefäßwand verbleibt, wird lediglich im Bereich des oder der Kaltgasrohre, je nach Größe der Anlage können mehrere erforderlich sein, eine Packung 19 eingebaut. Diese Packung soll einen Gaskurzschluß vom Heißgasrohr 13 in das Kaltgasrohr 17 verhindern, d.h. sie ist so dimensioniert, dass sie den Druckunterschied zwischen Heißgas und Kaltgas aufnehmen kann. Da der Ringraum 8 mit Gas gefüllt ist, das nirgendwohin abströmen kann, wirkt dieser Stauraum als Wärmeisolation gegenüber dem heißen Kreislaufgasstrom aus dem Heißgasrohr 13. Auf eine Spezialabdichtung bzw. Verbindung der Rohre 13 und 14 und der Rohre 16 und 17 kann verzichtet werden. Die Packung 19 kann auf einfache Weise derart ausgestaltet werden, dass Längenänderungen des doppelwandigen Gefäßes infolge der hohen Betriebstemperatur ohne Einfluß auf ihre Funktionsfähigkeit bleiben.
Es ist auch möglich, den zylindrischen Teil des doppelwandigen Gefäßes 5 durch eine zylindrische Flossenrohrwand zu ersetzen, die aus dem Dampfkesselbau bekannt ist.
Um den freien Ringraum 18, der mit Gas gefüllt ist, sicher gegen die freie Atmosphäre und gut zugänglich abdichten zu können, wird erfindungsgemäß seine Abdichtung in die Deckel- und Bodenzone der Kaverne verlegt.
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Der obere innere Plansch 7' der Stahlauskleidung wird über die ringförmige Haube 20 dicht verbunden mit dem Membranring 21 j der seinerseits an die äußere Wand 8 angeschweißt ist. Mittels des Deckels 22 auf dem Plansch 6' wird die doppelte Abdichtung des freien Ringraumes erreicht. Die untere doppelte Abdichtung zwischen der dichten Stahlauskleidung, dem Liner, und dem doppelwandigen Gefäß wird erreicht durch Einbau der beiden ringförmigen Elemente 23 und 24 mit den entsprechenden Planschen. Die Abdichtung an den einzelnen Verbindungsstellen erfolgt mit bekannten und funktionsgerechten Mitteln. Um zu gewährleisten, dass kein Kreislaufgas, selbst in der Temperatur abgesunkenes, nach außen abströmen kann, wird reines Gas als Sperrgas in den Sperrgasraum 25 und 26 eingeleitet. Der Gasdruck in diesen Räumen wird so bemessen, dass er über demjenigen des Heißgases liegt, wodurch bei einer eventuellen Leckage an den Planschen auf jeden Fall eine Abströmung des reinen Gases in den Ringraum stattfindet.
Je nach den wärmetechnischen Erfordernissen kann das dopp'elwandige Gefäß auf der Innenseite noch mit einer nicht dargestellten wärmedämmenden Schicht versehen werden. In diesem Falle wird sich selbstverständlich nur eine geringere Dampferzeugung mittels des speisewassergefüllten doppelwandigen Gefäßes erzielen lassen.
Die konstruktive Gestaltung der beiden ringförmigen Elemente 23 und 24 kann je nach den Erfordernissen verschiedenartig erfolgen. Sie muß nur eine sichere Abdichtung bei den auftretenden Betriebstemperaturen gewährleisten.
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Claims (1)

  1. J' - 10
    Patentanspruch
    Wärmetauscher zum Einbau in eine Atom-Reaktoranlage in Kavernenbauweise wobei der Wärmetauscher in einer Kaverne mit dichter Stahlauskleidung, dem Liner, angeordnet ist und wobei der Wärmetauscher eine Vielzahl von Reaktionsrohren aufweist, die mit Spaltgaskatalysator gefüllt sind und durch die das zu spaltende Medium, vorzugsweise Kohlenwasserstoffe, strömt und wobei die Reaktionsrohre mit heißem Kreislaufgas der Reaktoranlage beheizt werden und die dichte Stahlauskleidung Kreislaufgaszuleitungs- und Ableitungsstutzen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsrohre (10) innerhalb eines doppelwandigen Gefäßes (5) in der Stahlauskleidung (3) angeordnet sind, die katalysatorfreien Zuleitungs- und Ableitungsrohre (11) und (12) der Reaktionsrohre die Gefäßdeckel bzw. -boden einzeln oder in Gruppen durchdringen, wobei die Ableitungsrohre im wassergefüllten unteren doppelwandigen Gefäßraum als Wärmetauscher wirken, dass doppelwandige Gefäß (5) auf einer Ringkonsole (4) der Stahlauskleidung (3) ruht, der Ringraum (18) zwischen Stahlauskleidung und Gefäß doppelt abgedichtet wird, oben durch den Doppelflansch (6!), (7') die ringförmige Haube (20) und den Membranring (21), unten durch den Doppelflansch (6), (7) und die beiden ringförmigen Elemente (23) und (21O und dass der Ringraum gegenüber den Kreislaufleitungsstutzen (13) und (17) mittels der· Packung (19) abgedichtet ist.
    509884/00
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