DE2812766C2

DE2812766C2 - Wärmeaustauscher für flüssige Metalle

Info

Publication number: DE2812766C2
Application number: DE19782812766
Authority: DE
Inventors: Johannus J. Breskens Broodman
Original assignee: SCHELDE NL
Current assignee: SCHELDE NL
Priority date: 1977-11-25
Filing date: 1978-03-23
Publication date: 1986-01-23
Also published as: NL170459B; NL170459C; NL7713021A; FR2410240B1; GB1597450A; FR2410240A1; DE2812766A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher für flüssige Metalle, wie Natrium, bei dem das sekundäre flüssige Natrium durch parallele Rohre eines oder mehrerer Rohrbündel fließt, bei dem die Rohre zwischen Rohrplatten oder Halteteilen angeordnet sind und bei dem das primäre flüssige Metall längs der Rohre an deren Außenseite fließt, oder umgekehrt.

Wärmeaustauscher der genannten Art sind beispielsweise aus der FR-PS 2! 32 8!7 bekannt. Solche Wärmeaustauscher, wie sie vorzugsweise in Schnellen Brütern verwendet werden, dienen zur Übertragung von Wärme von einem primären Natriumsystem zu einem sekundären Natriumsystem. Das primäre System kühlt den Reaktor und das sekundäre System überträgt die Wärme auf die Dampfgeneratoren, die mittels Turbinen und Generatoren Strom erzeugen. Das Medium im primären und sekundären System besteht zwar meist aus Natrium, jedoch sind auch andere flüssige Metalle, wie Natrium-Kalium, anwendbar. Wärmeaustauscher dieser Bauart, die auch Zwischen-Wärmeaustauscher genannt werden, sind in getrennten Behältern oder in einem gemeinsamen Bassin oder Behälter angeordnet, bei dem die Trennung zwischen primärem und sekundärem Metall durch eine große Zahl paralleler Rohre erfolgt. Das Rohrsystem kann in der verschiedensten Form ausgeführt sein,

z. B. in der Form gerader Rohre, Rohre mit örtlichen Vorkehrungen zur Expansion, U-förmiger oder schlangenförmig gev'^rckelter Rohre.

Bei allen bekannten Ausführungen für den genannten Anwendungsfall bestehen die Rohrbündel, die Rohrplatten oder die anderen Haiteteile sowie die anderen Bauteile des Wärmeaustauschers aus einer Konstruktion aus nichtrostendem Stab*.

Die Wahl dieses Materials erfolgt aufgrund der Korrosionsbeständigkeit, der Festigkeits- und Kriecheigenschaften auch bei langer Betriebsdauer, z. B. 300000 Betriebsstunden, der Stabilität der Legierung in der entsprechenden Umgebung unter den vorgesehenen Betriebsbedingungen usw. Die Erfahrung mit nichtrostendem Stahl wurde in lOjähriger Forschung in Testanlagen gewonnen, die in verschiedenen Ländern erstellt worden sind,

Die bekannten experimentellen Bauarten von Reaktoren der schnellen Brüter haben immer noch eine begrenzte Leistung und verwenden Wärmeaustauscher mit einer Leistung von etwa 100 MW; das bedeutet, daß für ein großtechnisches Kraftwerk der Bauart, wie es in Kaikar errichtet wird, neun Wärmeaustauscher mit je 85 MW erforderlich sind.

Es steht zu erwarten, daß für zukünftige Kraftwerke mit einem Leistungsbereich von 1200 bis 2000 MW die Leistung der Wärmeaustauscher erhöht wird, weil Anlagen mit einer sehr großen Zahl von Anlagenteilen, z. B. 60 Wärmeaustauschern und/oder 120 Dampfgeneratoren aus wirtschaftlichen Gründen und aus betrieblichen Gründen außer Frage stehen. Obgleich eine Leistungserhöhung solcher Anlagenteile offensichtlich erscheint, entstehen bereits schwerwiegende Probleme bei einer Hochstufung von 300 auf 1000 MW, besonders für Flüssigmetall-Wärmeaustauscher. Die Probleme liegen im speziellen Verhalten dieser Reaktorbauart, bei der

so schnelle Temperaturwachsel schneller auf die Anlagenteile übertragen werden, als das in der normalen Technologie üblich ist, und es können erhebliche Wärmestöße auftreten.

Es läßt sich nicht vermeiden, daß die Dimensionen von Wärmeaustauschern herkömmlicher Bauart aus nichtrostendem Stahl mit der Leistung größer werden. Wegen der relativ schlechten Wärmeleitung von nichtrostendem Stahl im Vergleich zum Wärmeübergang zwischen dem flüssigen Metall und der Rohrwand kann die Fläche, die für eine bestimmte Leistung und unter bestimmten Betriebsbedingungen eingebaut werden muß,

durch konstruktive Änderungen kaum beeinflußt werden, beispielsweise durch Änderung des Querschnitts der eingesetzten Rohre oder durch eine Erhöhung der Natriumdurchflußgeschwindigkeiten in den Rohren und/ oder um die Rohre herum.

In der Praxis werden bei Wärmeaustauschern mit sehr großer Leistung die Rohrlänge und der Rohrdurchmesser vergrößert und die Zahl der Rohre verringert, da die Gesamtkosten der Wärmeaustauscher mit der Vergrößerung des Durchmessers steigen. Der Grund dafür sind die hohen Kosten von Schmiedestücken, beispielsweise Rohrplatten erheblicher Dicke mit einem großen Durchmesser. Wärmeaustauscher mit einer Leistung von 300 MW haben Bündel mit einer Länge von 10 bis 12 m und mit einem Querschnitt bis zu 3 m. Die Gesamtlänge von Wärmeaustauschern dieser Bauart einschließlich des Oberteils und des Bodens überschreitet 20 bis 25 m.

Größere Längen sind wirtschaftlich nicht mehr vertretbar. Es werden Lösungen in Erwägung gezogen, bei denen mehrere Bündel in einem Bassin aufgenommen werden. Bauarten dieser Art haben einen Durchmesser von 6 bis 7 m, und die Herstellung ist nur für begrenzte Drücke wirtschaftlich. Auch ist die Verfügbarkeit von Materialten für solche Abmessungen relativ begrenzt.

Der Erfindung liegt mitfiin die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher der eingangs gena nnten Art, der insbesondere für hohe Leistungen speziell über 300 MW ausgelegt ist, zu verkleinem.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens die Rohre der Rohrbündel aus Molybdän, Tantal oder Niob oder Grundlegierungen von diesen bestehen und daß die Rohre einen Außendurchmesser von 6 bis 16 mm haben. Der Durchmesser der Rohre liegt vorzugsweise zwischen 8 und 12 mm und der Abstand zwischen den Außenwänden der Rohre zwischen 2 und 5,5 mm.

In der Zeitschrift »Metall«, 31. Jahrgang, Heft 7,1977, Aufsatz Prof. Dr. G. Jangg u. a., sind Einsatzgebiete für die Metalle Niob, Tantal und Vanadin angegeben. Bezüglich Tantal wird in diesem Aufsatz auf einige Grenzgebiete hingewiesen, wo die Kosten von Tantal nicht wesentlich ins Gewicht fallen. Dabei wird unter anderem auch beschrieben, daß sich Tantal im Hinblick auf seine hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Festigkeit auch zur Herstellung von Wärmeaustauschern eignet. Dabei handelt es sich aber um herkömmliche Anwendungsgebiete von Wärmeaustauschern in der chemischen Industrie, nicht aber um Wärmeaustauscher für flüssige Alkalimetalle, wie sie insbesondere bei Kernreaktoren Anwendung finden. Molybdän wird in dem Aufsatz nicht erwähnt. Niob wird in Verbindung mit anderen Anwendungsgebieten beschrieben. Beispielsweise wird auf den geringen Neutroneneinfangquerschnitt hingewiesen und somit seine Anwendbarkeit in der Kerntechnik als besonders vorteilhaft herausgestellt. Femer ist es aus der DE-OS 1601196 bekannt, bei flüssigen Alkalimetallkühlsystemen bestimmte Strukturteile aus Niob herzustellen, um Korrosionsprobleme zu beherrschen.

Mit den sehr gut wärmeleitenden Materialien wie Molybdän, Tantal und Niob werden bemerkenswerte und unerwartete Ergebnisse erzielt. Ausgehend von den bekannten Wärmeaustauschern mit dem gleichen Rohrdurchmesser und der gleichen Wanddicke kann durch die Verwendung dieser Materialien aufgrund ihrer besseren Wärmeleitfähigkeit, die warmeausiäuscherfläche auf 60 bis 70% verringert werden. Eine selche Verkleinerung erlaubt jedoch noch nicht die wirtschaftliche Verwendung der Materialien. Erst durch die Verringerung des Rohrdurchmessers kann der Wärmeaustauscher so stark verkleinert werden, daß der Einsatz der teuren Materialien vorteilhaft ist. So läßt sich die Fläche bei gleichem übertragenem Wärmestrom durch Verringerung des Rohrdurchmessers von 20 oder 25 mm auf 10 oder 12 mm auf 25 bis 30% der Fläche eines herkömmlichen Wärmeaustauschers verkleinem; bei gleichem Teilkreis-Durchmesserverhältnis der Rohre.

Das bedeutet, daß der Durchmesser des Rohrbündels quadratisch verkleinert werden kann. Durch die erhebliche Verkleinerung des Wärmeaustauschers verringern sich die Herstellungskosten trotz der Verwendung eines sehr teuren Werkstoffes. Auch könnsn Anlagenteile für einen Leistungsbereich von 530 bis 1000 MW hergestellt werden, ohne daß die erwähnten Probleme bei der Verwendung von Wärmeaustauschern aus nichtrostendem Stahl auftreten.

Wegen ihrer geringen Abmessungen können die Anlagenteile auch für wesentlich höhere Drücke ausgelegt werden, ohne daß eine nennenswerte Kostenerhöhung eintritt. Wärmeaustauscher sind so dimensioniert, daß sich ein Optimum zwischen Druckverlust und Wärmeübergang ergibt. Verringert man den Rohrdurchmesser und will dieses Optimum bewahren, so muß bei Verwendung von nicht rostendem Stahl als Rohrmaterial die Bündeliage bei gleicher P»ohrzah! fast proportional verringert werden. Demgegenüber hat sich herausgestellt, daß bei Verwendung von gutleitenden Materialien wie Molybdän, Tantal oder Niob die Bündellänge fast quadratisch zum Rohrdurchmesser verringert werden kann.

Weiterhin ist zu berücksichtigen, daß der Gesamtdruckverlust bei einem Wärmeaustauscher nur zum Teil durch den Druckverlust am Bündel bestimmt wird und die übrigen Verluste beim Ein- und Ausströmen des Mediums vom Bündel hervorgerufen werden. Da die B6udelabmessungen erheblich verkleinert werden, können bei einem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher die Abmessungen der Vorkehrungen für den Zufluß zum Abfluß vom Bündel großzügig bemessen sein und dennoch kann ein vergleichsweise kleinen Apparat hergestellt werden. Durch Verringerung der Zufluß- und Abfluß-Strömungsverluste kann der Druckveriust des Rohrbündels erheblich höher als bei gängigen Wärmeaustauschern sein, und die genannten Strömungsgeschwindigkeiten können noch weiter vergrößert werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß der Gesamtdruckverlust der Vorrichtung überhöht wird. Durch diese Vorkehrung wird der Wirkungsgrad und der Betrieb des Wärmeaustauschers noch weiter verbessert. Die Auswahl des Rohrdurchmessers wird einmal durch den Druckveriust und zum anderen durch die Schwierigkeiten bei der Herstellung bestimmt. Der Außendurchmesser der Rohre im Wärmeaustauscher nach der Erfindung liegt zwischen ca. 6 und 16 mm. Unter 6 mm wird die homogene Strömungsverteilung über die Rohre des Bündels beeinträchtigt, was zu ineffektiven Rohroberflächen führt, über 16 mm ist die Wärmeaustauscherfische nicht klein genug, um die hohen Kosten des Materials und der Konstruktion zu rechtfertigen.

Der Abstand zwischen den Rohren von Außenwand zu Außenwand liegt allgemein zwischen 2 und 5,5 mm; die Wanddicke der Rohre liegt zwischen 0,5 und 1 mm.

Aufgrund der höheren Korrosionsbeständigkeit des Materials kann die Dicke der Rohrwand, die vom Druck und von der Korrosion abhängt, bei Verwendung kleiner Rohrdurchmesser verringert werden. In der Reihenfolge der Präferenz werden die folgenden Materialien, die gute Wärmeübergangseigenschaften zwischen dem nüssigen Metall und dem Rohrmaterial haben, in Betracht gezogen; Molyt Jan, Tantal, Niob und Legierungen daraus.

In der nachfolgenden Beschreibung wird anhand der Tabelle und der Zeichnungen ein Ausfuhrungsbeispie! der Erfindung beschrieben. Es zeigt

Tabelle Konstruktive Daten von Wärmeaustauschern bei einer Wärmeaustauschleistung von 450 MW,

Fig. 1 einen Wärmeaustauscher in schematischer Darstellung, und

Fig.2 einen Schnitt durch den in Fig. 1 dargestellten Wärmeaustauscher ;n größerem Maßstab.

Die Tabelle gibt konstruktive Daten für einige Ausführungsbeispiele im Vergleich zu einem herkömmlichen Wärmeaustauscher nut schlecht leitendem Material an. Es wird darin von der gleichen Leistung von 450 MW auseeeaneen und der Druckverlust in den Rohren auf etwa dem gleichen Wert gehalten.

IO

15

20

25

30

35

40

50

55

60

In der Tabelle bezeichnet a„ den äußeren WärmeübergangskoefTizienten vom Medium zur Trennwand, a, den inneren Wärmeübergangskoeffi/Jenten von der Trennwand zum Medium in den Rohren und a„ den Wärmeleit-

koeffizienten der Trennwand K berechnet sich zu

I/o; + I/o,,+ I la.

Das linke Beispiel in der Tabelle bezieht sich auf einen herkömmlichen Wärmeaustauscher unter Verwendung von nichtrostendem Stahl, die rechten Spalten beziehen sich auf Wärmeaustauscher unter Verwendung von Molybdän, Tantal und Niob als gut leitende Werkstoffe.

Die Gegenüberstellung zeigt deutlich, daß die Wärmeaustauscherfläche bei den Wärmeaustauschern mit den Rohrwerkstoffen nach der Erfindung wesentlich kleiner ist als bei den gängigen Wärmeaustauschern, bei Molybdän beträgt sie ca. 30% der Wärmeaustauscherfläche unter Verwendung von nichtrostendem Stahl. Die Strömungsgeschwindigkeit liegt um ca. '/3 bei Wärmeaustauschern mit Rohrwerkstoffen nach der Erfindung höher.

Die Tabelle zeigt insbesondere die starke Verringerung der effektiven Rohrlänge unter Verwendung der Rohrwerkstoffe nach der Erfindung gegenüber nichtrostendem Stahl. Die Bündelquerschnittsfläche ist ebenfalls etwas geringer als bei Rohrbündeln aus nichtrostendem Stahl.

Fig. 1 zeigt einen Wärmeaustauscher, der mit Rohren und Rohrplatten aus Molybdän versehen ist. Die anderen Teile des Wärmeaustauschers bestehen hauptsächlich aus nichtrostendem Stahl.

Wenn das Bündel 5 eine effektive Rohrlänge von 3,02 m hat, beträgt die Gesamthöhe dieses Wärmeaus-

jtiUVIJ IIUI 1 M 111« VtOJ ** t,JUgt,l aiJ UtW t laittl· UWI l^lllgV Ut.l ΙΙΚΙ IVV/IIIKIKVIIWII S^MWUi 4. XiiiW** · * *·*..**■·-**^·—— «-.·-. -

ist. Der Gesamtdurchmesser des Wärmeaustauschers beträgt 2,15 m, und die äußere Wanddicke beträgt 27 mm. Im Bereich des Bündels ist der Durchmesser lediglich 1,77 m bei einer Wanddicke von 22 mm. Die angeschlossene Wärmeaustauscherfläche beträgt hier 513 m², d. h. etwa 'Λ der korrigierten Wärmeaustauscherfläche von 2099 m² eines herkömmlichen Wärmeaustauschers. Das Gewicht des Wärmeaustauschers beträgt ca. 30 Tonnen.

Fig.2 ist ein Schnitt durch den Wärmeaustauscher nach F ig. 1 im größeren Maßstab. Die Abmessungen sind in mm angegeben. Der primäre Natriumstrom gelangt bei 1 in das Primärsystem, geht nach unten weiter und passiert eine Öffnung 6, die im Bündel 5 vorgesehen ist, und zwar unmittelbar unter einer Rohrplatte 11, fließt um die Rohre des Bündels 5 herum und verläßt das Bündel 5 durt Leine Öffnung 7, die über einer Rohrplatte 12 vorgesehen ist. Der primäre Natriumstrom verläßt den Wärmeaustauscher durch den Primärauslaß 2, der unten am Wäremaustauscher vorgesehen ist.

Der Sekundärnatriumstrom fließt in das Sekundärsystem bei 3 und strömt durch ein weiteres Zuflußrohr 8 nach unten. Die Richtung des Natriumstroms wird unten am Boden 9 des Sekundärkreisei umgelenkt, und die Flüssigkeit fließt nach oben durch die Rohre des Bündels 5 und verläßt den Wärmeaustauscher am Auslaß 4.

Der Primäreinlaß 1 sitzt über der oberen Endpartie des Rohrbündels 5, und der Primärauslaß 2 befindet sich in einem niedrigen Bereich, d. h. unter dem unteren Ende des Rohrbündels 5. Der Strom des Primärnatriums um die Rohre herum wird damit wesentlich gefördert und hat den Vorteil eines mittigen Abflusses. Darüber hinaus kann die Pumpleistung verringert werden.

Die Volumenzunahme des unteren Teils unter der Rohrplatte 12 in Kombination mit dem vergleichsweise großen Anteil des Bündels am Gesamtdruckverlust machen zusätzliche Vorkehrungen am Boden für eine gleichmäßige Verteilung des Natriumstroms über die Einlaßöffnung in der Rohrplatte überflüssig.

Um das flüssige Natrium aus dem Wärmeaustauscher zu pumpen, ist ein Auslaßrohr 13 vorgesehen. Tabelle

Leistung Rohrgröße Teilung

Durchschnittliche Primär-Strömungsgeschwindigkeit

Durchschnittliche Sekundär-Strömungsgeschwindigkeit

Anzahl der Rohre Wärmeübergangskoeffizient a„ Wärmeübergangskoeffizient α,,

bezogen auf Rohrdurchmesser Bündelquerschnittsfläche Rohrmaterial

MW

mm mm m/sec

m/sec

W/m* K W/m² K

Wärmeleitkoeffizient

⁶⁵ Wärmeieitkoeffizient 1

K = Ma₁ + l/<r„ + Ma.

W/m* K

W/m² K

450

24 x 1,5 30 3,5

2 162 53 455 30 194

1,69 Nichtrostender Stahl

12 981

7 760

Molybdän

114 267

25 149

450 12 x 1 15 4,2

4,0

7 151 90 882 49 980

1,39 Tantal

53 020

20 051

Niob

50 277

19 646

Fortsetzung

Wärmeaustauscherfläche Effektive Rohrlänge Druckverlust in den Rohren

	28	12 766	550,6	690,5	704,8
		1 784	2,25	2,85	2,88
m		12,04	0,38	0,46	0,47
bar		0,43

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmeaustauscher für flüssige Metalle, wie Natrium, bei dem das sekundäre flüssige Natrium durch parallele Rohre eines oder mehrerer Rohrbündel fließt, bei dem die Rohre zwischen Rohrplatten oder Halteteilen angeordnet sind und bei dem das primäre flüssige Metall längs der Rohre an deren Außenseite fließt, oder umgekehrt, dadurchgekennzeichnet, daß mindestens die Rohre der Rohrbündel (5) aus Molybdän, Tantal oder Niob oder Grundlegierungen von diesen bestehen und daß die Rohre einen Außendurchmesser von 6 bis 16 mm haben.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der RoLre zwisehen 8 und 12 mm liegt.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Außenwänden der Rohre zwischen 2 und 5,5 mm liegt