DE1751669A1

DE1751669A1 - Process for heat transfer at different pressure levels

Info

Publication number: DE1751669A1
Application number: DE19681751669
Authority: DE
Inventors: Franz-Rudolf Dipl-Phys Block; Hermann Prof Dr-Ing Schenck; Werner Prof Dr-Ing Wenzel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1968-07-08
Filing date: 1968-07-08
Publication date: 1971-08-05
Also published as: GB1279864A

Description

Prof. Dr.-Ing. Dres.h.c. Hermann Schenck Aachen, den 21.6.68 Prof. Dr.-Ing. Werner WenzelProf. Dr.-Ing. Dres.h.c. Hermann Schenck Aachen, June 21, 1968 Prof. Dr.-Ing. Werner Wenzel

Patent application Method of heat transfer at different Pressure level

(Verfahren zur Wärmeübertragung von einem unter hohem Druck stehenden fluiden iiJedium an einen Wärmeverbraucher.)(Process for heat transfer from a fluid medium under high pressure to a heat consumer.)

Die im folgenden beschriebene Erfindung löst in einfacher Weise die schwierige Aufgabe, Wärme von einem unter hohem Druck stehen- λ den fluiden Medium an einen wärmeverbrauchenden Prozeß, der sich auf einer niedrigeren Druckstufe abspielt, zu übertragen, i'iese Aufgabe stellt sich beispielsweise bei der Übertragung der thermischen Energie eines Kernreaktors an einen Reduktionsprozeß. Insbesondere werden durch die vorliegende Erfindung die Schwierigkeiten der Wärmeausnutzung von heliumgekühlten Hochtemperaturreaktoren überraschend einfach beseitigt.The invention described below solves in a simple manner the difficult task of heat from a high pressure stand- λ the fluid medium to a heat consuming process that takes place at a lower pressure level to be transmitted, i'iese object, for example, in the Transfer of the thermal energy of a nuclear reactor to a reduction process. In particular, the present invention surprisingly simply eliminates the difficulties of utilizing the heat of helium-cooled high-temperature reactors.

Der heliumgekühlte Hochtemperaturreaktor läßt dank der guten Eigenschaften des Graphites Temperaturen zu, die beträchtlich höher liegen als bei den konventionellen Kernreaktoren üblicher Bauart. Der Hochtemperaturreaktor hat die Möglichkeit, Heliumgas mitThanks to the good properties of graphite, the helium-cooled high-temperature reactor allows temperatures that are considerably higher than with conventional nuclear reactors of the usual type. The high temperature reactor has the option of using helium gas

einer Temperatur von ca. 1200⁰C und einem Druck von 40 atü zu lie fern. Der Wärmeverbraucher ist im fall der Reduktion von Eisenerzen mit Kohle' der Umsatz der Kohlensäure mit Kohlenstoff, die sogenannte Boudouard-Reaktion» Sie ist, da sie mit einer Volumenverdopplung abläuft, stark druckabhängig, derart, daß sie unter günstigen Bedingungen unter etwa normalem Druck ablaufen sollte.a temperature of about 1200 ⁰ C and a pressure of 40 atmospheres. In the case of the reduction of iron ores with coal, the heat consumer is the conversion of the carbonic acid with carbon, the so-called Boudouard reaction. Since it takes place with a doubling of volume, it is highly pressure-dependent, such that under favorable conditions it takes place under approximately normal pressure should.

Der zunächst sich anbietende Weg der Wärmeübertragung ist ein geschlossener Zwischenkreislauf mit Helium zwischen dem Primärkreislauf und dem Wärmeverbraucher. Dieser Zwischenkreislauf würde seine Wärme über ein Rohrsystem aus dem Primärgas aufnehmen und auchThe first available way of heat transfer is a closed one Intermediate circuit with helium between the primary circuit and the heat consumer. This intermediate circuit would absorb its heat from the primary gas via a pipe system and also

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wieder über Rohre an den Reduktionsprozeß übertragen· Sie Rohre müßten die hohe Druckdifferenz von 40 atü aufnehmen, chemisch gegen CO und CO₂ beständig sein und dürften mechanisch nicht verschleißen. Für den Fall eines Leckes müßten Schnellverschlußventile verhindern} daß das kostbare Helium unwiederbringlich verlorengeht· again transferred to the reduction process via pipes · The pipes must absorb the high pressure difference of 40 atmospheres, be chemically resistant to CO and CO ₂ and should not mechanically wear out. In the event of a leak, quick-release valves should prevent the precious helium from being irretrievably lost.

Die vorgenannten Forderungen sind - wenn überhaupt - nur mit einem solchen Kostenaufwand zu erfüllen, daß das ganze Verfahren unwirtschaftlich wird.The aforementioned requirements are - if at all - only with one to meet such a cost that the whole process becomes uneconomical.

ErfindungBgemäß lassen sich jedoch die wesentlichen Schwierigkeiten des vorliegenden Problems in überraschend einfacher Weise lösen, wenn man als Zwischenaedium ein spezifisch schweres fluides Medium - wie z.B. - Blei verwendet und wenn man zugleich den Wärmetauscher, in dem die Wärme vom Reaktorkühlmittel Helium an das spezifisch schwere fluide iledium übertragen wird, so tief legt, daß der hydrostatisohe Druck des Zwischenmediums etwa gleich dem Druck des Primärgaseβ ist·In accordance with the invention, however, the main difficulties can be solved solve the problem at hand in a surprisingly simple manner if a specifically heavy fluid is used as the intermediate medium Medium - such as - lead used and if you use the heat exchanger at the same time, in which the heat from the reactor coolant helium to the specifically heavy fluid iledium is transferred so deeply that the hydrostatic pressure of the intermediate medium is approximately equal to that Pressure of the primary gasβ is

In den Bildern 1a und 1b ist eine spezielle Aueführungsform dargestellt! A special embodiment is shown in Figures 1a and 1b!

Der Wärmetauscher liegt so tief, daß der hydrostatische Druck des Übertragungsmediums - hier als Beispiel Blei - größer als der Druck des Heliums ist. Die wärmeaustauschenden Rohre werden bei dieser Anordnung nur minimal auf Zug oder Druck beansprucht, je nachdem ob das Blei innerhalb oder außerhalb der Rohre strömt· Als Wandmaterial empfiehlt sich hierbei Graphit, der mit ρyrolytischein Graphit in bekannter Weise abgediohtet werden kann· Steig- und Fallrohre für das Helium wie auch für das Blei lassen sich durch einen Mehrsohiohtenaufbau der Wandungen leicht so aufbauen, daß sie allen thermischen und mechanischen Anforderungen genügen· Sie erfüllen dann die gleichen Sicherheitsansprüche wie da· Core des Reaktors· Falls der hochliegende Bleivorrat hinreichend groß ist» verhindert der überdruok im Blei, daß Helium entweicht, falls ein Rohr dt· The heat exchanger is so low that the hydrostatic pressure of the transmission medium - here lead as an example - is greater than the pressure of the helium. With this arrangement, the heat-exchanging pipes are only subjected to minimal tensile or compressive stress, depending on whether the lead flows inside or outside the pipes.Graphite is recommended as wall material, which can be sealed off in a known manner with pyrolytic in graphite the helium as well as the lead can be easily set up by a Mehrsohiohtenaufbau the walls so that they · meet all the thermal and mechanical requirements then you meet the same safety requirements as there · Core is the reactor · If the high-lying lead stock large enough "to prevent the excess pressure in the lead so that helium escapes if a pipe dt

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Wärmeaustauschers leck wird. Das flüssige Blei dringt in diesem Fall in den unteren Teil des Heliumkreislaufes ein und dichtet ihn automatisch ab. Die erfindungsgemäße Anlage hat also nicht nur den Vorteil der geringen Festigkeitsbeanspruchung der wärmeaustauschenden Flächen} sie bietet vielmehr zugleich einen einfachen, sicheren und zuverlässigen Schnellschluß.Heat exchanger is leaking. The liquid lead penetrates into this Fall into the lower part of the helium cycle and automatically seal it. The system according to the invention not only has the advantage of the low strength stress on the heat-exchanging surfaces} it rather offers a simple, safe one at the same time and reliable quick action.

In den Bildern 2a und 2b sind die Wärmetauscher so ausgebildet, daß bei einem Leck nicht der ganze Wärmetauscher, sondern nur das einzelne undichte Rohr gesperrt wird. So dringt bei der Anordnung nach Bild 2a bei einem Leck das Blei in das heliumdurchflossene Rohr ein und dichtet es ab.In Figures 2a and 2b, the heat exchangers are designed so that in the event of a leak, not the entire heat exchanger but only the individual leaky pipe is blocked. So penetrate the arrangement Fig. 2a in the event of a leak, the lead enters the pipe through which helium flows and seals it.

Auch bei der Anordnung nach ^iId 2b, bei der sich das Blei innerhalb der Rohre befindet, bleibt die Anlage bei dem Bruch einzelner Rohre funktionstüchtig, und es :-kann kein Helium austreten.Even with the arrangement according to ^ iId 2b, in which the lead is within the pipes are located, the system remains functional if individual pipes break, and: -no helium can escape.

ileist wird der Wärmeübergang Flüssigkeit - Wand besser sein als der Wärmeübergang Helium - Viand. · Dann ist die Anordnung 2b vorzuziehen, bei der das Helium die große Außenfläche der Rohre umströmt.At least the heat transfer fluid - wall will be better than the heat transfer helium - viand. · Then the arrangement is 2b preferable, where the helium flows around the large outer surface of the tubes.

Das schwere fluide üedium kann entweder umgepumpt werden oder dank des thermischen Umtriebes infolge der Temperaturabhängigkeit der Dichte zirkulieren.The heavy fluid medium can either be pumped around or thanks of the thermal circulation due to the temperature dependence of the density.

Der Kreislauf kann geschlossen oder auch offen sein. Damit zusammenhängend kann die Wärmeabgabe verschieden erfolgen. Einige Beispiele seien genanntιThe cycle can be closed or open. In connection the heat can be given off in different ways. Some examples are mentioned

1) Die Wärme kann in einem Rohrsystem, durch Strahlung und/oder Konvektion und/oder Konduktion an den Reduktionsprozeß übertragen werden.1) The heat can be transferred to the reduction process in a pipe system, by radiation and / or convection and / or conduction will.

2) Das fluide Medium kann über das Reaktionegut rieseln und dabei seine Wärme übertragen·2) The fluid medium can trickle over the reaction well and thereby transfer its heat

3) Das Reaktionsgut kann auf dem fluiden Medium schwimmen und somit von unten beheizt werden.3) The reaction material can float on the fluid medium and thus be heated from below.

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Besondere Aufmerksamkeit wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf die Abdichtung des Systems gerichtet. Eine wichtige Maßnahme besteht darin, daß die für Undichtigkeit anfälligen Stellen des Wärmeaustauschers in den Druckbereich verlegt werden, wo der Druckunterschied zwischen dem Helium und dem Blei möglichst gering ist. Solche Stellen sind insbesondere die Halterungen der durchströmten Graphitrohre in dem Verteilerkasten. Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß die Dichtstellen dieses Verteilerkastens alle sich etwa auf der Niveauhöhe befinden, bei der etwa Druckgleichheit zwischen den beiden fluiden Median besteht· Ebenso ist es zweckmäßig und vorgesehen, daß die ^ichtstellen des Sammelkastens für die Rohre sich auf der gleichen Niveauhöhe befinden. Dies läßt sich erreichen, indem die Strömungswiderstände geeignet gewählt werden oder indem die eigentlichen Wärmeauetauschrohre u-förmig ausgebildet sind und zwischen den horizontal und parallel zueinander verlaufenden Kästen sich abwärts erstrecken·Particular attention is paid in the context of the present invention to the sealing of the system. An important measure is that the areas prone to leakage of the heat exchanger in the pressure area, where the pressure difference between the helium and the lead is as low as possible is. Such points are, in particular, the holders for the graphite tubes through which the gas flows in the distribution box. An advantageous one Embodiment is that the sealing points of this distribution box are all located approximately at the level at which there is approximately equal pressure between the two fluid medians It is also expedient and provided that the directives of the The collecting tank for the pipes is at the same level. This can be achieved by increasing the flow resistances be selected appropriately or by the actual heat exchange tubes being U-shaped and extending downwards between the boxes that run horizontally and parallel to one another.

Diese Ausführungsform ermöglicht auch als wichtige erfindungsgemäße Maßnahme, daß der Heliumdruck etwas höher, beispielsweise um 100 mm Wassersäule höher, gehalten wird, als der Bleidruck. Durch möglicherweise nicht zu vermeidende Leckstellen in den Rohranschlußquerschnitten kann so eine geringe Heliummenge in das Blei übertreten, ohne hier Schaden zu verursachen. Es wird aber verhindert, daß Blei in das Helium übertritt, was für die nachgeschalteten Gasturbinen und für den Kernreaktor ungünstig wäre.This embodiment also makes it possible, as an important measure according to the invention, that the helium pressure is somewhat higher, for example by 100 mm water column higher than the lead pressure. By possibly unavoidable leaks in the pipe connection cross-sections, a small amount of helium can get into the lead trespass without causing damage here. However, it is prevented that lead passes into the helium, which would be unfavorable for the downstream gas turbines and for the nuclear reactor.

Die Leckheliummenge, die sich oberhalb der ^leisäule sammelt, wird einer Reinigungsanlage zugeführt, dort von schädlichen Bestandteilen gereinigt und danach wieder in den Heliumkreislauf eingebracht·The amount of leaked helium that collects above the column becomes fed to a cleaning system, cleaned of harmful components and then returned to the helium cycle

Es kann auch zweckmäßig sein, mehrere Dichtungen hintereinander zu setzen und zwischen zwei mittleren Dichtungen kontinuierlich etwae iieliumgas abzupumpen, zu reinigen und an geeigneter Stelle wieder einzupumpen.It can also be useful to close several seals one behind the other set and continuously pump off any iielium gas between two central seals, clean it and put it back in a suitable place pump in.

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Claims

Prof. Dr.-Ing. Dres.h.c. Hermann Seeck, June 21, 68 Prof. Dr.-Ing. Werner Y / enzel patent claims method for V7äraeüberrafflinft at different pressure levels

1.) Process for heat transfer from one to a higher Fluid Heizniedium or fluid reaction system located at the pressure level to a heat-absorbing medium or heating system at a lower pressure level characterized in that the Heizmediuu in an indirect Heat exchangers transfer their heat to a liquid heat transfer medium releases through walls, the pressure on both sides of the heat transfer walls being equal or approximate is kept the same level, in that the heat transfer fluid is passed through risers in which such a high

Liquid level is set that the weight of the ^ 'liquid column the desired pressure on the heat exchanger walls results}

further characterized in that both the extraction point for the heated heat transfer fluid and the point the re-supply of the recirculated, cooled heat transfer fluid at the level of the fluid level of the Riser pipe}

finally characterized in that with the heat transfer fluid a heat-absorbing medium or heating system at the pressure level of the liquid level of the riser pipe directly or indirectly heated.

2 · The method according to claim 1, characterized in that the coolant an atomic nuclear reactor gives off its heat to liquid lead and an endothermic process is heated with this.

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OFUQlNAL INSPECTEDOFUQlNAL INSPECTED

3. Process according to claims 1 and 2, characterized in that the nuclear reactor is cooled with helium at bridges of about 40 atü and that with the liquid lead the reduction of iron ores heated by means of solid, liquid or gaseous reducing agents will.

4 · Device according to claims 1 to 3 characterized by a Helium-cooled atomic nuclear reactor operating at around 40 atmospheric coolant pressure works, with an outlet opening, for the heated. helium and an inlet opening for the cooled outside of the nuclear reactor ^ Helium,

durcäa a heat exchanger whose exchange surfaces consist of a Resistant to liquid lead and helium-proof material, such as pyrolytic graphite, with inlet openings for hot Helium and with outlet openings for helium cooled in the heat exchanger, with riser pipes for the liquid lead, the liquid level of which is about 37 »5 ω above the upper outlet of the same from the heat exchanger and with lead discharge openings from the riser pipe or pipes at the height of the riser pipe level and lead supply openings into the riser pipe (s) also at the level of the lead level, for example through a reaction vessel for the reduction of iron ores with solid carbon in the form of a shaft filled with the reaction mixture ore and coca, with a feed opening for hot liquid lead in the shaft above the charging surface and at the same time at the level of the lead level in the riser pipe or in the riser pipes, and with a lead discharge opening for cooled lead at the bottom of the reduction shaft, by connecting pipeline for helium between the nuclear reactor and the heat exchanger with a helium pump in the cold part of the connecting pipelines and with connecting pipelines for liquid Lead between the upper end of the riser pipes of the heat exchanger and the reaction shaft with a lead pump in the cold part of this Connecting pipeline

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5 · Device according to claim 1 to 4, characterized in that the Sealing points are attached between the heat transfer pipes and their holder at the same level as the liquid lead, when there is approximately the same pressure between helium and lead and that optionally between the sealing points connected in series a small amount of helium is continuously withdrawn.