DE2333024A1

DE2333024A1 - Dampferzeuger

Info

Publication number: DE2333024A1
Application number: DE19732333024
Authority: DE
Inventors: Robert R Bennett; Wilbur M Byerley
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1972-07-24
Filing date: 1973-06-28
Publication date: 1974-02-14
Also published as: DE2333024C3; JPS4945203A; CH564727A5; ES417163A1; GB1413231A; FR2194293A5; CA982429A; DE2333024B2; IT991315B; US3896770A

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Dampferzeuger, insbesondere für Druckwasserreaktoren, mit einem in einem Rohrboden gefaßten U-Rohrbündel, dessen kaltem Schenkel ein Vorwärmer zugeordnet ist.

In einem Dampferzeuger, der einen erhitzten Wärmeträger zur Produktion von Dampf benutzt, ist der Druck des Dampfes eine Punktion der logarithisch mittleren Temperaturdifferenz (LMTD) der beiden Medien. Man kann also durch eine Vergrößerung der LMTD den Druck des Dampfes erhöhen.

Ein einleuchtender Weg zur Erhöhung der LMTD ist eine Anhebung der Temperatur des Primärmediums. Bei nuklearen Dampferzeugungssystemen ist jedoch die Temperatur des Primärmediums der die Grenzen bestimmende Auslegungsfaktor des Systems. Die Temperatur wird also schon normalerweise auf den höchsten zulässigen sicheren Wert festgesetzt.

Eine Erhöhung der LMTD kann aber auch dadurch erhalten werden, daß im Dampferzeuger ein Vorwärmer vorgesehen wird, indem Speisewasser auf Temperaturen unterhalb des Siedepunktes erhitzt wird. Be ι "«-in.em Vorwärmer ergibt sich jedoch das Problem der Führung^-dejS kalten Speisewassers, das, wenn es auf den Rohrboden trifft, Wärmespannungen verursacht, und zwar am Rohrboden und im,unteren Gehäusebereich.

Erfindungsgemäß ist der Vorwärmer durch eine Trennwand unterteilt, die einen Teil des in den Vorwärmer gelangenden Speisewassera gegen den Rohrboden lenkt. Dieser Teil kann so bemessen werden, daß das Speisewasser vor dem Auftreffen auf den Rohrboden erwärmt ist, denn es kommt nur darauf an, daß am

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Rohrboden kein Sieden erfolgt und keine Korrosion eintritt. Üblicherweise umfaßt die gegen den Rohrboden gerichtete Strömung weniger als die Hälfte des Speisewassers, vorzugsweise etwa 30%. .·..·... . ■-._;:,..--,- _Λ ,

Der Dampferzeuger umfaßt ein Gehäuse, einen Rohrboden, in dem die Enden der Rohre befestigt sind, einen mit dem Rohrboden verbundenen Kugelboden, einen Kühlmitteleinlaß für das Speisewasser und einen Vorwärmer im Dampferzeugergehäuse. Der Vorwärmer ist einem Teil des kalten Schenkels zugeordnet und steht mit dem Speisewassereinlaß in Verbindung. Er ist mit Wänden und Prallplatten so versehen, daß das Speisewasser in zwei Teilströme aufgeteilt wird. Der eine fließt im wesentlichen nach oben, während der andere nach unten verläuft. Dieser nach unten gerichtete Strom durchquert das Rohrbündel mehrfach und verhindert damit, daß völlig kaltes Speisewasser mit dem Rohrboden in Berührung kommt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit de.n beiliegenden Zeichnungen ersichtlich. Von diesen ist:

Pig. 1 ein Vertikalschnitt durch einen Dampferzeuger mit einem Vorwärmer gemäß der Erfindung.

Pig. 2 ist ein vergrößerter Teilschnitt, der den Vorwärmer mit seinen Einzelheiten zeigt.

Fig. 3 ist ein Schnitt durch einen anderen Dampferzeuger, bei dem ebenfalls ein Vorwärmer gemäß der Erfindung vorgesehen iet.

Fig. 4 ist ein Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 3· Pig. 5 ist ein Schnitt nach der Linie V-V der Pig. 3.

Pig. 6 ist ein Schnitt durch einen anderen Dampferzeuger mit ■ einem Vorwärmer gemäß der Erfindung.

Pig. 7 ist ein Schnitt nach der Linie VII-VII der Fig. 6.

Fig. 8 ist ein Schnitt nach der Linie VIII-VIII der Pig. 6.

Pig. Q ist ein Schaubild, das die Temperatur an verschiedenen Stellen im Bereich der Rohre des Dampferzeugers zeigt.

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In Pig. 1 ist ein Dampferzeuger 1 dargestellt, der ein U-förmiges Bündel von Rohren 3 aufweist. Mit diesen ist die erforderliche Wärmeübergangsfläche gegeben, die dazu dient, Wärme von einem ersten Kühlmittel zum Verdampfen eines zweiten Mediums, des Speisewassers, zu übertragen. Der Dampferzeuger besitzt ein Gehäuse 5 mit einem vertikal verlaufenden Rohrmantel 7 und einem Deckel 9» der das eine Ende des Rohres, und zwar oben, abschließt. Am unteren Ende des Gehäuses ist ein Kugelboden 11 vorgesehen. Ein Rohrboden 13 ist mit dem Kugelboden dicht verbunden. Er besitzt eine Vielzahl von Bohrungen 14, in denen die einzelnen Enden der U-förmigen Rohre 3 aufgenommen werden. Eine Verteilerplatte 15 ist im Kugelboden 11 in der Mitte angeordnet. Sie teilt den Innenraum in zwei Kammern 17 und 19, die als Verteiler für die Rohre 3 wirken. Die Kammer auf der linken Seite der Pig. I ist der Einlaß 17 mit einem Einlaßstutzen 21. Die Kammer auf der rechten Seite ist der Auslaß 19 mit einem nicht dargestellten Auslaßstutzen. Daher strömt das Primärmedium durch die Rohre, so daß ein heißer Schenkel 23 entsteht. Dies ist der in der Zeichnung links gelegene Teil. Rechts entsteht ein kalter Schenkel 25. Im unteren Teil des Rohrmantels 7 ist ein Speisewassereinlaß 27 vorgesehen, der mit einem Wärmemantel versehen ist.

Im Rohrmantel 7 ist ein Vorwärmer 31 angeordnet, und zwar in der Nähe des Rohrbodens 13. Der Vorwärmer 31 hat Wände 33 und 35, sowie Prallbleche 37 und 29· Die Wände sind einem Teil des kalten Schenkels 25 des Rohrbündels 3 zugeordnet. Sie werden mit dem Speisewassereinlaß 27 in Verbindung gebracht, damit das einströmende Speisewasser aufgeteilt wird, wenn es in den Vorwärmer gelangt, und zwei gegensinnige Strömungspfade durch den Vorwärmer bildet. Auf dem einen Pfad verläuft die Strömung im wesentlichen nach unten und im Gleich- oder Parallelstrom mit dem Primärmedium. Wenn das Speisewasser aus dem Vorwärmer mit der nach unten gerichteten Strömung austritt, bespült es den Rohrboden 13 und strömt dann nach oben über die Außenflächen desjenigen Teils des Rohrbündels, das nicht, zum Vorwärmer gehört.

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Die Wände des Vorwärmers 31 werden von einer Platte 33 und dem unteren Teil des Hemdes 41 gebildet, das das Rohrbündel umgibt. Das Hemd 41 schafft damit einen ringförmigen Zwischenraum 43 gegenüber dem äußeren Gehäuse, durch den Wärmeschocks in der Gehäusewand verringert werden.

Die Prallbleche 37 sind im oberen Teil des Vorwärmers so angeordnet, daß ein größerer Massenfluß als im unteren Teil des Vorwärmers vorliegt. In der Zeichnung ist dargestellt, daß die Prallbleche 37 mit größeren Abstand als die Prallbleche 39 angeordnet sind. Dies führt dazu, daß annähernd 70$ des Speisewassers im wesentlichen nach oben strömen und im Gegenstrom zur Strömung des Primärmediums.

Der Wärmemantel 29 im Speisewassereinlaß 27 schafft einen Ringraum zwischen den konzentrischen Rohrteilen 27 und 29» um große Temperaturgradienten zu vermeiden, die Wärmeschocks und Wärmespannungen hervorrufen. Der Mantel 29 ist ferner mit dem Hemd 41 verschweißt und mit der Düse 27, damit das relativ kalte einströmende Speisewasser nicht das Gehäuse oder den Rohrboden berühren kann, bevor es durch den Vorwärmer gelangt ist.

In der Nähe des Mantels ist im Vorwärmer eine Platte 45 vertikal angeordnet, die verhindert, daß das mit hoher Geschwindigkeit einströmende Speisewasser unmittelbar auf die Rohre 3 einwirkt. Der Dampferzeuger besitzt ferner Abscheider zum Trocknen von Wasser aus dem Dampf im oberen Teil des Gehäuses, das mit einem vergrößerten Querschnitt ausgeführt ist. Der Ringraum 43 zwischen dem Hemd 41 und dem Gehäuse 7 schafft einen Umlaufraum für Wasser, das von den Abscheidern im oberen Teil des Gehäuses 5 abgeschieden wurde. Dieses Wasser strömt um den Wärmemantel 29 und vermeidet damit unzulässige Wärmespannungen im Bereich des Speisewassereinlasses 27. Das Umlaufwasser mischt sich ferner mit der Strömung aus dem unteren Teil des Vorwärmers, und die Mischtemperatur dieser beiden Strömungen ist ausreichend unterkühlt,

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um ein Sieden unterhalb des Vorwärmers zu. vermeiden. Andererseits ist die Mischtemperatur hoch genug, damit das Sieden einsetzt, s~obald der kombinierte Strom die Richtung nach oben nimmt, wodurch die Geschwindigkeit verringert wird. Das Mischen des Wassers aus ien Abscheidern und aus dem unteren Teil des Vorwärmers ergibt eine um den Umfang von 360° verteilte Strömung, die nicht nur ein Sieden unter dem Vorwärmer vermeidet, sondern auch hohe Querströmungsgeschwindigkeiten ergibt. Mit diesen hohen Querströmungsgeschwindigkeiten wird der Rohrboden so umströmt, daß chemische Ablagerung und die Bildung von Dampftaschen in der Nähe des Rohrbodens 13 vermieden werden.

Der Dampferzeuger 1' in Fig. 3 umfaßt die gleichen U-Rohre 3, den Kugelboden -11 und den Rohrboden 13. Als zweiter Auslaß ist jedoch der Stutzen 51 gezeichnet. Der Rohrmantel 7^? besitzt den gleichen Durchmesser über seine gesamte Länge. Er umfaßt eine Trennplatte 53, die sich vom Rohrboden 13 nach oben erstreckt und mit dem Hemd 41' eine Dampfkammer 54 bildet. Die Dampfkammer dient als Uberhitzerbereich am heißen Schenkel 23 des Rohrbündels. Der Wärmemantel 29 ist mit Prallblechen 55 zusammengefügt, um das einströmende Speisewasser im Vorwärmer so aufzuteilen, daß wiederum zwei Strömungspfade entstehen. Der nach unten strömende Teil des Speisewassers bespült den Rohrboden 13 und kehrt sich dann nach oben um. Er strömt im Ringraum 43' zwischen dem Hemd 41' und dem Gehäuse 7' nach oben und mischt sich mit dem Speisewasser, das aus dem oberen Teil des Vorwärmers kommt. Dann strömt das Speisewasser über den verbleibenden Teil des kalten Schenkels 25, wobei das Speisewasser verdampft wird. Wenn das Sekundärmedium das obere Ende des kalten Schenkels 25 erreicht, ist es gesättigter Dampf. Der gesättigte Dampf strömt dann durch den Überhitzerteil 54 nach unten und wird dadurch zum überhitzten Dampf, bevor der Dampferzeuger durch den Auslaß 59 verlassen wird·

Wie in den Pig. 3, 4 und 5 gezeichnet ist, sind Prallbleche

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57 und S3 im überhitzerteil vorgesehen, damit der Dampf einem hin- und hergehenden Pfad folgt, wenn er durch den Überhitzer zum Auslaß 59 strömt.

Der Dampferzeuger nach Fig. 6 ist ähnlich wie der in Pig« 3. Unterschiedlich ist nur, daß die Trennplatte 61 im heißen Schenkel 23 des Rohrbündels vorgesehen ist, und daß ferner Rohre in der Nähe des Speisewassereinlasses 27 und des Auslasses 59 weggelassen sind, damit ein Strömungsweg für das Sekundärmedium vorgegeben ist. Die weggelassenen Rohre bieten ferner einen Raum, in dem das einströmende Speisewasser expandieren und seine Geschwindigkeit verringern kann, bevordie Rohre 3 beaufschlagt werden. Die Trennplatte 61 hat einen bogenförmigen Teil 63 am oberen Ende.

Das Hemd 4-1" hat im wesentlichen dieselbe Form wie das Rohrbündel und umfaßt zwei gebogene Platten 65, die mit parallelen flachen Platten 67 und 69 und einem kugelförmigen Kopfteil dicht verschweißt sind.

Wie in den Fig. 6, 7 und 8 gezeigt ist, ist der Vorwärmer 31" mit einem Hemd 41" verschlossen, das die gebogene Platte. 65 und einen unteren Teil der flachen Platte 69 umfaßt. Die Platte 69 verstärkt sich nach außen und ist mit dem Gehäuse 7^W in der Nähe des Vorwärmers 31" dicht verschweißt. Die Querbleche 37" und 39" sorgen dafür, daß das einströmende Spei-_; sewasser in einen nach oben gerichteten Gegenstrom in bezug auf das Primärmedium und einen nach unten gerichteten Gleichstrom durch den Vorwärmer aufgeteilt wird. Ein oberer¹ Auslaß 71 leitet das Speisewasser aus dem Vorwärmer in einen ,: Ringraum 72 zwischen der Platte 69 und dem Gehäuse 7"* Von dort strömt das Speisewasser nach unten, wo es sich .mit demnach unten strömenden Teil aus dem Vorwärmer vereinigt. Dieser vereinigte Fluß bespült den Rohrboden und steigt -dann ■·'■ nach oben, wobei durch Sieden gesättigter Dampf erzeugt wird, der in. den vom Hemd 41" und der Trennplatte 61 abgetrennten Bereich gelangt. Das Sekundärmedium erhöht seine Temperatur, so daß aus dem AuslaS 59 überhitzter Dampf austritt.

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Fig. 9 zeigt den thermischen Wirkungsgrad eines Dampferzeugers, wie er vorstehend beschrieben wurde, im Vergleich mit einem Dampferzeuger ohne Vorwärmer. Die strichpunktierten Linien und 102 zeigen den Dampferzeuger ohne Vorwärmer, die durchgezogenen Linien 103 und 104 gelten für einen Dampferzeuger mit Vorwärmer, aber ohne Überhitzer, die gestrichelten Linien 105 und 106 repräsentieren einen Dampferzeuger mit Vorwärmer und Überhitzer.

Die beschriebenen Vorwärmer sorgen vorteilhaft für einen Querstrom über einen Teil des kalten Schenkels mit ausreichender Geschwindigkeit, um ein Sieden im Vorwärmer 31 zu verhindern und die Stabilität des Dampferzeugers zu gewährleisten. Wird die Geschwindigkeit des Speisewassers jedoch verringert, und zwar dort, wo das Speisewasser in den restlichen Bereich des Dampferzeugers eintritt, erfolgt praktisch sofort das Sieden. Das Sieden tritt zwar in einer kleineren Fläche auf. Die Vergrößerung der Speisewassertemperatur und die LMTD machen jedoch den Druckverlust im Vorwärmer 31 mehr als wett. Ebenso gleichen sie Verluste aus, die in der für das Sieden zur Verfügung stehenden Wärmeübergangszone in Kauf genommen werden müssen. Dies ist ein Ergebnis der hohen LMTD im Vorwärmer, das eine wirksamere Anwendung der Wärmeübergangsflächen im Rohrbündel ermöglicht.

Der Druckverlust im Vorwärmer begrenzt den Effekt von Druckschwankungen und sorgt daher für zusätzliche Stabilität, während das Aufteilen einen Kompromiß zwischen dem maximalen Wärmeübergang und der maximalen Betriebssicherheit darstellt. Eine Gegenströmung des Speisewassers zum Primärmedium optimiert den Wärmegang im Vorwärmer. Allerdings kann bei dieser Anordnung ein geringer Teil des kalten Speisewassers unmittelbar mit den Rohren und dem Rohrboden in Berührung kommen und dort Wärmespannungen verursachen, die zu einem Versagen im Bereich des Rohrbodens führen.

5 Patentansprüche
9 Figuren

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Claims

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Patentansprüche:

Dampferzeuger, insbesondere für Druckwässerreaktoren, mit einem in einem Rohrboden gefaßten U-Rohrbündel, dessen kaltem Schenkel ein Vorwärmer zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärmer (31) durch eine Trennwand (45) unterteilt ist, die einen.Teil des in den Vorwärmer gelangenden Speisewassers gegen den Rohrboden (13) lenkt.
2. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die gegen den Rohrboden (13) gerichtete Strömung weniger als die Hälfte des Speisewassers umfaßt.
3. Dampferzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gegen den Rohrboden (13) gerichtete Strömung etwa 30% des Speisewassers umfaßt.
4. Dampferzeuger .nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Speisewasser mit Hilfe eines Rohres (29) von einem Anschlußstutzen (27) unmittelbar in den Vorwärmer (31) geführt wird.
5. Dampferzeuger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (29) in ein das U-Rohrbündel (3) umgebendes Hemd (41) führt.

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