DE2724605A1 - Waermetauscher - Google Patents

Description

der Firma Combustion Engineering, Inc., Windsor, Conn. o6o95/USA

betreffend: "Wärmetauscher"

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher.

Bei natriumgekühlten Kernreaktorkraftwerken ist es üblich, einen Zwischenwärmetauscher zwischen den Kernreaktor und den Dampferzeuger zu schalten. Ein solcher Wärmetauscher verv/endet normalerweise flüssiges Natrium für beide Wärmetransferfluide. Die Funktion des Zwischenwärmetauschers besteht darin, die Wärmeübertragung von dem Primärkühlmittel in Form flüssigen Natriums, das radioaktiv ist wegen der Tatsache, daß es durch das Reaktorcore zirkuliert, auf flüssiges Natrium des Sekundärkreislaufes zu bewirken, dessen Fluid relativ frei von Radioaktivität gehalten werden muß, da das letztere Fluid durch den Dampferzeuger der Anlage zirkuliert, wo die Wärme schließlich auf das zu verdampfende Wasser übertragen wird. Wegen der Tatsache, daß diese Wärmetauscher Temperaturänderungen unterworfen werden, die in beiden Flüssignatrium- und Wasserkreisläufen auftreten, treten bei ihnen häufig Temperaturgradienten und thermische Übergangserscheinungen hoeher Amplitude auf während der Perioden des normalen Anlagebetriebes. Diese nachteiligen Bedingungen sind umso schwer-

709883/0671

wiegender bei abnormalen oder ungewöhnlichen Vorkommnissen des Anlagebetriebes. Eines der ernstesten Probleme, das sich dem Konstrukteur der Anlagekomponenten stellt, besteht deshalb darin, die Wärmetauscher sicher gegen unzulässige Spannungen zu machen, die bei solchen Temperatursprüngen zufolge der unterschiedlichen Wärmedehnungen auftreten, die bei den Rohren und dem Gehäuse vorliegen. Ein erstes Mittel, um dieses Problem bei Wärmetauschern zu lösen, war die Verwendung eines Faltenbalges in dem Gehäuse, mit dem die beiden darin enthaltenen Rohrbödden miteinander verbunden wurden, so daß die Rohrböden im wesentlichen unabhängig von dem Gehäuse Bewegungen ausführen konnten. Diese Anordnung arbeitet verläßlich bei normalen Betriebsbedingungen, doch sind keine Sicherheitsvorkehrungen für den Fall getroffen, daß der Faltenbalg bei einer Katastrophe zerstört wird, etwa bei einem Erdbeben oder durch hohe Drücke infolge anderer Ursachen, etwa einer starken Natrium-Wasser-Reaktion im Dampferzeuger.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 zu schaffen, bei dem SicherheitsVorkehrungen für den Fall einer Beschädigung des Faltenbalges vorgesehen sind. Die Lösung dieser Aufgabe gemäß der Erfindung ist im Patentanspruch 1 definiert. Der Wärmetauscher weist gerade Rohre auf, die sich zwischen einem oberen und einem unteren Rohrboden erstrecken. Um die thermische Spannung zu verringern, ist ein Rohrboden an dem Gehäuse befestigt, und das andere wird abgedichtet mittels eines flexiblen Faltenbalges. Für den Fall, daß der Faltenbalg reißt, ist eine Art Kammer vorgesehen, unter Verwendung der Gleitabdichtpackung, die den Faltenbalg umschließt und abstützt. In Weiterbildung der Erfindung wird als profilaktische Maßnahme eine Art Keil- und Schlitzführung vorgeshehen, mittels der ReTativdrehung von Gehäuse und Rohrboden verhindert wird, die sonst auftreten könnte infolge von Belastungen durch angeschlossene

7O9883/0B71 _ _

Leitungen, weil eine solche Drehuna den Faltenbalg unter Zugbelastung setzen würde und damit zu seinem Versagen beitragen könnte.

Eine ins einzelne gehende Erläuterung einer Ausführungsform des Gegenstandes der Erfinduna folgt nachstehend.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Kernkraftanlage unter Verwendung eines Zwischenwärmetauschers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ist ein Schnitt durch den Dampferzeugerwärmetauscher aus Fig. 1,

Fig. 3 ist ein vergrößerter Schnitt eines Teiles

der Fig. 2 einschließlich des Faltenbalges, und

Fig. 4 ist ein Querschnitt nach Linie 4-4 der Fig.

Fig. 1 zeigt eine Kernkraftanlage mit einem Reaktor 10, in dem flüssiges Natrium durch das Reaktorcore aufgeheizt wird. Das erhüzte flüssige Natrium fließt einem Zwischenwärmetauscher 12 zu, wo ein anderes Fluid, beispielsweise flüssiges Natrium, indirekt die Wärme des Primärfluids absorbiert. Das primäre flüssige Natrium kehrt nach Abgabe seiner Wärme zum Reaktor 10 für Wiederaufheizung zurück. Das im Wärmetauscher 12 aufgeheizte flüssige Natrium fließt zu einem weiteren Dampferzeuger 14, wo Wasser in Dampf umgewandelt wird. Die Aufgabe des Zwischenwärmetauschers 12 besteht darin, Wärme von dem kontaminierten Primärkühlmittel auf das sekundäre flüssige Natrium zu übetrtragen, so daß das Sekundärkühlmittel im wesentlichen frei von Radioaktivität bleibt.

709883/0671

Fig. 2 zeigt die Einzelheiten des Dampferzeugers 14. Flüssiges Natrium tritt in das Gehäuse 20 durch Stutzen 22 ein und verläßt es durch Stutzen 24, von wo es zu dem Reaktor bzw. dem Zwischenwärmetauscher für weitere Aufheizung zurückkehrt. Zu verdampfendes Wasser gelangt in die untere Plenumkammer 26 durch den Bodenstutzen 28 und fließt in indirektem Wärmeaustausch mit dem als Heizfluid dienenden flüssigen Natrium durch ein 3ündel von Rohren 30, bevor es aus der Einheit durch das obere Plenum 32 und dem Austrittsstutzen 34 austritt.

Die unteren Enden der Rohre 30 sind verbunden mit einem unteren Rohrboden 36 und ihre oberen Enden sind verbunden mit dem oberen Rohrboden 38. Der untere Rohrboden 36 ist starr mit dem Gehäuse oder dem Kessel 20 in an sich bekannter Weise etwa durch Verschweißen verbunden. Der obere Rohrboden 38 ist relativbeweglich bezüglich des Gehäuses 20 und nirgends mit diesem starr verbunden. Der Rohrboden 38 kann deshalb durch thermische Dehnung hervorgerufene Bewegungen unabhängig vom Gehjrfäuse 20 ausführen. Der obere Rohrboden 38 weist ferner einen Dom 40 mit ihm verbunden auf, an dem der Austrittsstutzen 34 befestigt ist. Ein expandierbarer metallischer Faltenbalg 42 gestattet die Bewegung des Rohrbodens 38, verhindert jedoch den Austritt von flüssigem Natrium in die Atmosphäre.

Wie am besten in Fig. 3 erkennbar, ist an das als Domverlängerung ausgebildete Rohrstück 44 nahe seinem oberen Ende der expandierbare Faltenbalg 42 angeschweißt. Das untere Ende des Faltenbalges ist angeschweißt an den oberen Kopf des Gehäuses 20. Demgemäß ist der Bereich 50 direkt innerhalb des Faltenbalges mit den flüssigen Natrium gefüllt.

Der Faltenbalg kann doppelwandig ausgebildet sein, wobei der Raum zv/i sehen den zwei La<ren mit einem inerten Gas unter

709883/0671

BAD ORIGINAL

- ir -

(ο

irgendeinem Druck zwischen dem des flüssigen Natriums und dem Atmosphärendruck außerhalb des Faltenbalges gefüllt sein kann. Dieser Gasraum kann während des Betriebes überwacht werden, um ein Leck in einer der Lagen zu erfassen. Im Falle eines Lecks in einer der Wandungen wird die Druckbegrenzung immer noch sichergestellt durch die andere Wandung und der Dampferzeuger kann entweder in gesteuerter Weise heruntergefahren v/erden oder weiterbetrieben werden, bis zu einem Zeitpunkt, wo er normalerweise abgeschaltet würde, wenn also etwa die Wiederaufladung des Reaktors mit Brennstoff erfolgt oder eine Inspektion vorgenommen werden muß.

Für den Fall eines katastrophenartigen Versagens des Faltenbalges, gleichgültig ob dieser einwandig oder doppelwandig ausgebildet ist, zufolge etwa w eines Erdbebens oder einer anderen Ursache, ist eine Kammer vorgesehen, unter Verwendung einer gleitbeweglichen packungsartigen Abdichtung, welche vollständig die Faltenbalgbaugruppe umschließt, um zu vrerhindern, daß das flüssige Natrium in die Atmosphäre austritt, wo der Kontakt mit Sauerstoff schwerwiegende chemische Reaktionen unter Entfachung von Brand und Freisetzen von ätzenden Reaktionsprodukten aus der chemischen Reaktion verursachen würde. Das bodenseitige Ende der Schutzkammer ist verschraubt und durch Dichtungen abgedichtet mit dem oberen entsprechend geformten Kopf 2OA des Gehäuses. Das obere Ende der Schutzkammer 52A enthält einen Kompressionsring und eine packungsartige Gleitdichtung 52 zum Einschließen des Bereiches 52B innerhalb desr Kammer und außerhalb des Faltenbalges. Die Gleitdichtunasanordnuna bietet nur geringen Widerstand gegen Relativbewegung zwischen Kopf 20a und Rohrstück 44 und gestattet, ebenso v/ie der Faltenbalg, eine unabhängige Relativlage des oberen Rohrbodens bezüglich des Gehäuses. Die Kammer 5 2ß kann auf eine Anzahl von Arten benutzt werden. Vorzugsweise würde der Raun 523 mit einem

709833/0671 " ⁶ "

BAD ORIGINAL

- A ■

T- 272A605

Inertgas gefüllt mit einem Druck zwischen dem Natriumdruck und dem atmosphärischen Druck, der dauernd überwacht wird, um Lecks durch die Faltenbalgbaugruppe zu erfassen. Im Falle eines Lecks durch die Faltenbalgbaugruppe würde der Inertgasdruck im Raum 52B auf einen Druck angehoben werden, der gleich oder etwas größer ist als der Natriumdruck, um den Austritt von Natrium in den Gasraum 52B zu verhindern. Der Dampferzeuger kann dann in gesteuerter Weise stillgesetzt werden oder weitergefahren werden, bis zu einer normalerweise vorgesehenen Stillsetzung.

Die Schutzkammer 52A mit dem Faltenbalg 42 sind so konstruiert, daß eine beschädigte Fafcltenbalgbaugruppe oder schadhaft gewordene Schutzkammerteile einfach ausgetauscht werden können, indem man einen Anschlußkrümmer entfernt, der mit dem Rohrstück 44 verbunden ist.

Wie in Fig. 3 und 4 erkennbar, ist der Domfortsatz in Form des RohrStücks 44 mit einer Mehrzahl von Stegen oder Keilen 60 versehen, die zusammenwirken mit Schlitzen oder Keilnuten 62, um so eine Drehung des Rohrbodens 38 relativ zum Gehäuse 20 infolge Belastungen zu verhindern, die auf das Gehäuse oder den Rohrboden durch angeschlossene Armaturen wirken. Auf diese Weise wird eine Zugbelastung vom Faltenbalg 42 ferngehalten, die sonst sein \&:sagen hervorrufen könnte.

Die beschriebene Konstruktion ist anwendbar sowohl auf den Wärmetauscher 12 als auch auf den Wärmetauscher 14 nach Fig. 1.

709883/0671

Claims (2)

1. Patentansprüche

   Wärmetauscher für die indirekte Wärmeübertragung von einem Heizfluid auf ein aufzuheizendes Fluid mit einem, einen Druckkessel bildenden langgestreckten Gehäuse, das an einem Ende einen Auslaßstutzen für aufgeheiztes Fluid aufweist, mit einem Paar von im Axialabstand innerhalb des Gehäuses angeordneten Rohrböden, von denen der eine fest mit dem Gehäuse verbunden ist und der andere zusammen mit einem Dom einen zum Gehäuse relativbeweglichen, ein Auslaßplenum für das aufgeheizte Fluid begrenzenden Kopf bildet, mit einem Bündel im wesentlichen paralleler Rohre, deren Enden jeweils in den Rohrböden befestigt sind und die von dem aufzuheizenden Fluid durchströmt sind unter indirektem Wärmeaustausch mit dem Heizfluid, mit einem von dem Dom sich gleitbeweglich durch eine Öffnung des Gehäuses erstreckenden Rohrstück und mit einem Faltenbalg, dessen eines Ende mit dem Rohrstück und dessen anderes Ende mit dem Gehäuse verbunden ist, gekennzeichnet durch eine außerhalb des Faltenbalges (42) zwischen dem Rohrstück (44) und dem Gehäuse (12, 20a) angeordnete Gleit-Abdichtpackung (5 2) als relative Längsbewegungen zwischen dem Rohrstück und dem Gehäuse ermöglichende Sekundärsicherung gegen den Austritt von Fluid aus dem Gehäuse im Falle eines Bruchs des Faltenbalges.
2. 2) Wärmetauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von ineinandergreifenden Stegen (60) und Schlitzen (62), die an dem Rohrstück bzw. dem Gehäuse ausgebildet sind und relative Längsbewegungen zulassen, jedoch als Schutz gegen Bruch des Faltenbalges Relativdrehungen beider sperren.

   709883/0671

   ORIGINAL, JNSPEQTED :·Ο