JP3407722B2 - 組合せ型熱交換器 - Google Patents
組合せ型熱交換器Info
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- heat
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D7/0066—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
- F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
- F28D2021/0054—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for nuclear applications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
- F28F2265/16—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for preventing leakage
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、互いに接触するこ
とを避けなければならない２つの異なる流体間で熱交換
する熱交換器に関し、特に水と液体ナトリウムの熱交換
を行う液体金属冷却高速増殖炉の蒸気発生器に関する。
とを避けなければならない２つの異なる流体間で熱交換
する熱交換器に関し、特に水と液体ナトリウムの熱交換
を行う液体金属冷却高速増殖炉の蒸気発生器に関する。
【０００２】
【従来の技術】ナトリウムを用いた液体金属冷却高速増
殖炉の蒸気発生器では、一重の伝熱管を用いると伝熱管
が損傷を受けたときに直ちにナトリウムと水が接触して
ナトリウム水反応が生じるので、損傷が生じても直ちに
不具合に繋がらないような信頼性の高い熱交換器が求め
られている。
殖炉の蒸気発生器では、一重の伝熱管を用いると伝熱管
が損傷を受けたときに直ちにナトリウムと水が接触して
ナトリウム水反応が生じるので、損傷が生じても直ちに
不具合に繋がらないような信頼性の高い熱交換器が求め
られている。
【０００３】このため従来、液体金属冷却高速増殖炉用
蒸気発生器として、内管と外管に分割して独立させた二
重管蒸気発生器や、ナトリウム側伝熱管と水・水蒸気側
伝熱管を分離した分離管型蒸気発生器などが考えられて
きた。二重管式熱交換器の二重伝熱管には、密着二重管
や組網線入り二重管、あるいは有間隙二重管などがあ
る。たとえば特開平６−３２３７７７号公報には、組網
線入り二重管式熱交換器が開示されている。これらはい
ずれも内管と外管の間隙が数ミクロンから数ミリメート
ル程度であって、大きな力が加わった場合には内管と外
管が同時に損傷を受ける可能性があった。内管と外管の
間隔を大きくして同時破損の可能性を小さくしようとす
ると、二重管の内外管間隙部の熱抵抗が増大し伝熱性能
が低下する。
蒸気発生器として、内管と外管に分割して独立させた二
重管蒸気発生器や、ナトリウム側伝熱管と水・水蒸気側
伝熱管を分離した分離管型蒸気発生器などが考えられて
きた。二重管式熱交換器の二重伝熱管には、密着二重管
や組網線入り二重管、あるいは有間隙二重管などがあ
る。たとえば特開平６−３２３７７７号公報には、組網
線入り二重管式熱交換器が開示されている。これらはい
ずれも内管と外管の間隙が数ミクロンから数ミリメート
ル程度であって、大きな力が加わった場合には内管と外
管が同時に損傷を受ける可能性があった。内管と外管の
間隔を大きくして同時破損の可能性を小さくしようとす
ると、二重管の内外管間隙部の熱抵抗が増大し伝熱性能
が低下する。
【０００４】一方、分離型蒸気発生器では、ナトリウム
側伝熱管と水・蒸気側伝熱管は位置的に独立しており、
単一の原因で両方の伝熱管が同時に破損事故を起こす可
能性が小さくなる。しかし、分離管型蒸気発生器はたと
えば、２つの流体を通す伝熱管の間に金属ブロックやビ
スマス、スズ、インジュウムなどの熱伝導性の優れた液
体金属を配して熱伝導により熱交換させるもので、熱交
換器内に配置する中間熱媒体が膨大な量になり、また、
構造が複雑で大型化するため経済上の課題があった。
側伝熱管と水・蒸気側伝熱管は位置的に独立しており、
単一の原因で両方の伝熱管が同時に破損事故を起こす可
能性が小さくなる。しかし、分離管型蒸気発生器はたと
えば、２つの流体を通す伝熱管の間に金属ブロックやビ
スマス、スズ、インジュウムなどの熱伝導性の優れた液
体金属を配して熱伝導により熱交換させるもので、熱交
換器内に配置する中間熱媒体が膨大な量になり、また、
構造が複雑で大型化するため経済上の課題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明が解決
しようとする課題は、伝熱管が破損した場合にも互いに
接触することを避けなければならない２つの異なる流体
が混ざる可能性を減少させた小型軽量の熱交換器を提供
することであり、特に液体金属冷却高速増殖炉の蒸気発
生器に適した設計の自由度の高い熱交換器を提供するこ
とである。
しようとする課題は、伝熱管が破損した場合にも互いに
接触することを避けなければならない２つの異なる流体
が混ざる可能性を減少させた小型軽量の熱交換器を提供
することであり、特に液体金属冷却高速増殖炉の蒸気発
生器に適した設計の自由度の高い熱交換器を提供するこ
とである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の組合せ型熱交換器は、胴内にヘリカルコイル伝熱管
からなる層を同心状に多数設け、ヘリカルコイル伝熱管
層の間に多数の直管伝熱管を配置した層を設けて、ヘリ
カルコイル伝熱管に第１の流体を通し、直管伝熱管に第
２の流体を通し、直管伝熱管とヘリカルコイル伝熱管の
間に中間熱媒体を充填して、中間熱媒体の自然対流を介
して第１の流体と第２の流体の熱交換をするようにした
ことを特徴とする。
明の組合せ型熱交換器は、胴内にヘリカルコイル伝熱管
からなる層を同心状に多数設け、ヘリカルコイル伝熱管
層の間に多数の直管伝熱管を配置した層を設けて、ヘリ
カルコイル伝熱管に第１の流体を通し、直管伝熱管に第
２の流体を通し、直管伝熱管とヘリカルコイル伝熱管の
間に中間熱媒体を充填して、中間熱媒体の自然対流を介
して第１の流体と第２の流体の熱交換をするようにした
ことを特徴とする。
【０００７】本発明の組合せ型熱交換器は、第１流体を
通すヘリカルコイル伝熱管と第２流体を通す直管伝熱管
が互いに分離独立しているため、単一の原因により同時
破損する可能性が小さく、第１流体と第２流体の接触反
応を起こす可能性が減少する。また、熱伝導率の高い中
間熱媒体の自然対流を利用するため単なる二重管より伝
熱効率が高い。さらに、直管伝熱管の数はヘリカルコイ
ル伝熱管の数に制約を受けず、ヘリカルコイル伝熱管の
管長は直管伝熱管の管長に制約されない。したがって、
第１流体と第２流体を独立に設計できる異なる形状の伝
熱管に通せるため設計の自由度が大きくなり、２つの流
体の特性に最適な条件に基づいて構成することができ
る。このように、本発明によれば、熱交換器の設計が極
めて容易になるばかりでなく、装置の物量を低減するこ
とができる。
通すヘリカルコイル伝熱管と第２流体を通す直管伝熱管
が互いに分離独立しているため、単一の原因により同時
破損する可能性が小さく、第１流体と第２流体の接触反
応を起こす可能性が減少する。また、熱伝導率の高い中
間熱媒体の自然対流を利用するため単なる二重管より伝
熱効率が高い。さらに、直管伝熱管の数はヘリカルコイ
ル伝熱管の数に制約を受けず、ヘリカルコイル伝熱管の
管長は直管伝熱管の管長に制約されない。したがって、
第１流体と第２流体を独立に設計できる異なる形状の伝
熱管に通せるため設計の自由度が大きくなり、２つの流
体の特性に最適な条件に基づいて構成することができ
る。このように、本発明によれば、熱交換器の設計が極
めて容易になるばかりでなく、装置の物量を低減するこ
とができる。
【０００８】なお、特に、組合せ型熱交換器は垂直に設
置するものとした場合は、組合せ型熱交換器の軸位置に
内筒を設けて、所定の間隔で内筒を軸とした放射状に設
けた複数の梁から垂下するラダーを備えることが好まし
い。前記梁には、ほぼ水平に設けた通孔を備えたラダー
を固定してこの水平通孔によりヘリカルコイル伝熱管を
支持する。また、隣接したラダー同士の間に垂直に設け
た複数の通孔を備えたバッフル板を固定してこの垂直通
孔により直管伝熱管を支持する。このような構成を採用
することにより容易に、異なる形状の２種の伝熱管を一
つの熱交換器に収納して固定することができる。またこ
の構成では、第１流体用の伝熱管と第２流体用伝熱管で
は支持方法が異なるため、さらに同時破損現象が発生し
にくい。
置するものとした場合は、組合せ型熱交換器の軸位置に
内筒を設けて、所定の間隔で内筒を軸とした放射状に設
けた複数の梁から垂下するラダーを備えることが好まし
い。前記梁には、ほぼ水平に設けた通孔を備えたラダー
を固定してこの水平通孔によりヘリカルコイル伝熱管を
支持する。また、隣接したラダー同士の間に垂直に設け
た複数の通孔を備えたバッフル板を固定してこの垂直通
孔により直管伝熱管を支持する。このような構成を採用
することにより容易に、異なる形状の２種の伝熱管を一
つの熱交換器に収納して固定することができる。またこ
の構成では、第１流体用の伝熱管と第２流体用伝熱管で
は支持方法が異なるため、さらに同時破損現象が発生し
にくい。
【０００９】さらに、垂直配置型熱交換器は、内筒の上
端部に支持構造体を備えることが好ましい。この支持構
造体は、内筒を軸として放射状に設けられ端部を組合せ
型熱交換器の外壁に固定された複数の支持梁からなる。
ヘリカルコイル伝熱管の端部は、支持梁の上に集合して
組合せ型熱交換器の側部に設けられるノズルに接合し、
支持梁同士の間にある直管伝熱管の端部は、組合せ型熱
交換器の端部に設けたノズルに接合する。このようにす
ると、熱交換器端部に多数の伝熱管が存在して混乱する
のを防止して、２種の伝熱管を通る流体をそれぞれ整理
して供給し排出するようにすることができ、また施工の
単純化を図って経済的な製造を可能にする。
端部に支持構造体を備えることが好ましい。この支持構
造体は、内筒を軸として放射状に設けられ端部を組合せ
型熱交換器の外壁に固定された複数の支持梁からなる。
ヘリカルコイル伝熱管の端部は、支持梁の上に集合して
組合せ型熱交換器の側部に設けられるノズルに接合し、
支持梁同士の間にある直管伝熱管の端部は、組合せ型熱
交換器の端部に設けたノズルに接合する。このようにす
ると、熱交換器端部に多数の伝熱管が存在して混乱する
のを防止して、２種の伝熱管を通る流体をそれぞれ整理
して供給し排出するようにすることができ、また施工の
単純化を図って経済的な製造を可能にする。
【００１０】本発明の熱交換器は、加熱側流体と冷却側
流体が混合すると事故などの恐れがあるような２液を扱
う熱交換器として一般産業用に使用することができる。
特に、液体金属冷却高速増殖炉の蒸気発生器などでよく
使用される水とナトリウム金属の間の熱交換に適用する
ことにより大きな効果を発揮する。液体金属冷却高速増
殖炉の蒸気発生器では、ナトリウム流量は水・水蒸気流
量の約１０倍とされ、さらにナトリウムの圧力損失許容
値は水・水蒸気の約１０分の１またはそれ以下とされ
る。したがって、液体ナトリウムを管長の短い垂直管の
方に通し、水・水蒸気をヘリカルコイル型伝熱管に通す
ようにすることが好ましい。なお、中間熱媒体として水
とナトリウムのいずれにも反応しにくく熱伝導率が高い
鉛、ビスマス、スズ、インジュウムのいずれかあるいは
これらの混合体を使用することができる。
流体が混合すると事故などの恐れがあるような２液を扱
う熱交換器として一般産業用に使用することができる。
特に、液体金属冷却高速増殖炉の蒸気発生器などでよく
使用される水とナトリウム金属の間の熱交換に適用する
ことにより大きな効果を発揮する。液体金属冷却高速増
殖炉の蒸気発生器では、ナトリウム流量は水・水蒸気流
量の約１０倍とされ、さらにナトリウムの圧力損失許容
値は水・水蒸気の約１０分の１またはそれ以下とされ
る。したがって、液体ナトリウムを管長の短い垂直管の
方に通し、水・水蒸気をヘリカルコイル型伝熱管に通す
ようにすることが好ましい。なお、中間熱媒体として水
とナトリウムのいずれにも反応しにくく熱伝導率が高い
鉛、ビスマス、スズ、インジュウムのいずれかあるいは
これらの混合体を使用することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明について実施例に基
づき図面を参照して詳細に説明する。本実施例は、本発
明の熱交換器を液体金属冷却高速増殖炉の蒸気発生器に
適用したものである。図１は本実施例の蒸気発生器の一
部切り欠き図、図２は図１に表した蒸気発生器を４５度
回転させた断面図、図３は蒸気発生器の頂部を示す平面
図、図４は図１のＡ−Ａ面で切断した状態を示す水平断
面図である。
づき図面を参照して詳細に説明する。本実施例は、本発
明の熱交換器を液体金属冷却高速増殖炉の蒸気発生器に
適用したものである。図１は本実施例の蒸気発生器の一
部切り欠き図、図２は図１に表した蒸気発生器を４５度
回転させた断面図、図３は蒸気発生器の頂部を示す平面
図、図４は図１のＡ−Ａ面で切断した状態を示す水平断
面図である。
【００１２】本実施例の蒸気発生器は、ヘリカルコイル
伝熱管と直管伝熱管を組み合わせた縦置き型の水・ナト
リウム熱交換器で、胴１の内にヘリカルコイル伝熱管２
からなる層を同心状に多数設け、多数の直管伝熱管３を
軸方向に配置した層をヘリカルコイル伝熱管層の各層間
に設けたものである。ヘリカルコイル伝熱管２に水・水
蒸気を通し、直管伝熱管３に液体ナトリウムを通し、熱
交換領域には中間熱媒体４として液相の鉛ビスマスを充
填して、中間熱媒体の自然対流を介して液体ナトリウム
と水・水蒸気の熱交換をさせる。
伝熱管と直管伝熱管を組み合わせた縦置き型の水・ナト
リウム熱交換器で、胴１の内にヘリカルコイル伝熱管２
からなる層を同心状に多数設け、多数の直管伝熱管３を
軸方向に配置した層をヘリカルコイル伝熱管層の各層間
に設けたものである。ヘリカルコイル伝熱管２に水・水
蒸気を通し、直管伝熱管３に液体ナトリウムを通し、熱
交換領域には中間熱媒体４として液相の鉛ビスマスを充
填して、中間熱媒体の自然対流を介して液体ナトリウム
と水・水蒸気の熱交換をさせる。
【００１３】ヘリカルコイル伝熱管２は、伝熱管を同じ
曲率で螺旋状に巻き上げたものを適当数軸方向に平行に
重ねて１層に配置されている。複数のヘリカルコイル伝
熱管層はそれぞれ巻き径が異なるが、伝熱管の傾斜角を
同じにすれば伝熱管長は等しいため等価な伝熱管として
扱うことができる。直管伝熱管３は、蒸気発生器の軸方
向に伸張する直管を円周に沿って１列に並置して円筒状
の層を形成している。ヘリカルコイル伝熱管２の層と直
管伝熱管３の層は、径方向に隣接して交互に配置され
る。
曲率で螺旋状に巻き上げたものを適当数軸方向に平行に
重ねて１層に配置されている。複数のヘリカルコイル伝
熱管層はそれぞれ巻き径が異なるが、伝熱管の傾斜角を
同じにすれば伝熱管長は等しいため等価な伝熱管として
扱うことができる。直管伝熱管３は、蒸気発生器の軸方
向に伸張する直管を円周に沿って１列に並置して円筒状
の層を形成している。ヘリカルコイル伝熱管２の層と直
管伝熱管３の層は、径方向に隣接して交互に配置され
る。
【００１４】蒸気発生器は軸位置に内筒５が設けられて
おり、ヘリカルコイル伝熱管２を支持するラダー６が周
方向に複数取り付けられている。ラダー６にはヘリカル
コイル伝熱管２の層と交差する位置に蒸気発生器の軸方
向に並んでヘリカルコイル伝熱管２を通す通孔７が設け
られている。ヘリカルコイル伝熱管２は鉛直方向に撓み
やすいので、たとえば１個おきなど適当な間隔でラダー
６に固定されるが、伝熱管に作用する熱応力を緩和する
ためその他の位置では単に支えるだけになっている。図
４にはラダー６が４枚設けられた例が示されているが、
適当なラダー数は条件により変化する。
おり、ヘリカルコイル伝熱管２を支持するラダー６が周
方向に複数取り付けられている。ラダー６にはヘリカル
コイル伝熱管２の層と交差する位置に蒸気発生器の軸方
向に並んでヘリカルコイル伝熱管２を通す通孔７が設け
られている。ヘリカルコイル伝熱管２は鉛直方向に撓み
やすいので、たとえば１個おきなど適当な間隔でラダー
６に固定されるが、伝熱管に作用する熱応力を緩和する
ためその他の位置では単に支えるだけになっている。図
４にはラダー６が４枚設けられた例が示されているが、
適当なラダー数は条件により変化する。
【００１５】ラダー６の間には軸方向における適当な間
隔で扇形のバッフル板８が取り付けられる。バッフル板
８は直管伝熱管３の層に当たる位置に配設され、蒸気発
生器の軸方向に開けられた通孔９により直管伝熱管３の
位置が変化しないように保持する。バッフル板８の通孔
９は鼓状の断面を有して伝熱管が振動したり変位したと
きにも管壁に損傷を与えにくくしている。直管伝熱管３
の重力方向における支持は蒸気発生器の両端付近の管板
により行うため、直管伝熱管３をバッフル板８に固定す
る必要はない。
隔で扇形のバッフル板８が取り付けられる。バッフル板
８は直管伝熱管３の層に当たる位置に配設され、蒸気発
生器の軸方向に開けられた通孔９により直管伝熱管３の
位置が変化しないように保持する。バッフル板８の通孔
９は鼓状の断面を有して伝熱管が振動したり変位したと
きにも管壁に損傷を与えにくくしている。直管伝熱管３
の重力方向における支持は蒸気発生器の両端付近の管板
により行うため、直管伝熱管３をバッフル板８に固定す
る必要はない。
【００１６】図５はラダー６とバッフル板８の組み立て
状態を模式的に示す斜視図、図６はその部分拡大断面図
である。ラダー６は、伝熱管２がヘリカルコイル状にな
っている熱交換領域に設けられ、ヘリカルコイル伝熱管
２の１層分を単位とする連結可能なブロックから組み立
てられて、内筒５に取り付けられる。バッフル板８はラ
ダー６に挟まれた扇形部分に設けられ、ラダー６にボル
ト１０により固定される。このボルト１０はラダー６の
ブロック同士を固定する役割を持たせることもできる。
内筒５は、胴１の上下それぞれに固定された梁１１，１
２により支持され、伝熱管の重量を支えている。なお、
運転中は伝熱管が鉛ビスマスに浸漬するため大きな浮力
が発生するので、この梁１１，１２は重力と浮力の両方
に耐えるようになっている。
状態を模式的に示す斜視図、図６はその部分拡大断面図
である。ラダー６は、伝熱管２がヘリカルコイル状にな
っている熱交換領域に設けられ、ヘリカルコイル伝熱管
２の１層分を単位とする連結可能なブロックから組み立
てられて、内筒５に取り付けられる。バッフル板８はラ
ダー６に挟まれた扇形部分に設けられ、ラダー６にボル
ト１０により固定される。このボルト１０はラダー６の
ブロック同士を固定する役割を持たせることもできる。
内筒５は、胴１の上下それぞれに固定された梁１１，１
２により支持され、伝熱管の重量を支えている。なお、
運転中は伝熱管が鉛ビスマスに浸漬するため大きな浮力
が発生するので、この梁１１，１２は重力と浮力の両方
に耐えるようになっている。
【００１７】直管伝熱管３は、バッフル板８により案内
され、蒸気発生器頭頂部にラダー６に挟まれる領域毎に
設けられたナトリウム入口ノズル１３の管板１４と、ナ
トリウム入口ノズル１３と対応する底部のナトリウム出
口ノズル１５に設けられた管板１６の間で支持される。
熱応力は底部に設けられる曲管部分１７で吸収すること
ができる。また、ヘリカルコイル伝熱管２は、蒸気発生
器の下側側面に設けられた水供給ノズル１８の管板１９
で固定され、直管伝熱管３を避けて下梁１２の近辺から
ヘリカル部分に立ち上げ、ヘリカル部分に連結される。
ヘリカルコイル伝熱管２は、ヘリカル部分を巡って、そ
の上端部で直管伝熱管３の立ち上がりを避けて、内筒５
を支持する上梁１１の脇に立ち上げ上梁１１の上と蒸気
発生器の上部シュラウドにできた空間を使って、蒸気発
生器の上側側面に設けられた蒸気出口ノズル２０に集め
られ管板２１に固定される。蒸気発生器は、スカート２
２により支持構造体に固定される。
され、蒸気発生器頭頂部にラダー６に挟まれる領域毎に
設けられたナトリウム入口ノズル１３の管板１４と、ナ
トリウム入口ノズル１３と対応する底部のナトリウム出
口ノズル１５に設けられた管板１６の間で支持される。
熱応力は底部に設けられる曲管部分１７で吸収すること
ができる。また、ヘリカルコイル伝熱管２は、蒸気発生
器の下側側面に設けられた水供給ノズル１８の管板１９
で固定され、直管伝熱管３を避けて下梁１２の近辺から
ヘリカル部分に立ち上げ、ヘリカル部分に連結される。
ヘリカルコイル伝熱管２は、ヘリカル部分を巡って、そ
の上端部で直管伝熱管３の立ち上がりを避けて、内筒５
を支持する上梁１１の脇に立ち上げ上梁１１の上と蒸気
発生器の上部シュラウドにできた空間を使って、蒸気発
生器の上側側面に設けられた蒸気出口ノズル２０に集め
られ管板２１に固定される。蒸気発生器は、スカート２
２により支持構造体に固定される。
【００１８】蒸気発生器を運転するときは、水が給水入
口ヘッダ２２の給水入口ノズル１８からヘリカルコイル
伝熱管２に供給され、鉛ビスマス４の自然対流を介して
液体ナトリウムの熱を受けて蒸気になり、蒸気ヘッダ２
３に集まってから蒸気出口ノズル２０より図外の蒸気タ
ービン発電機等に送出される。一方、液体金属冷却高速
増殖炉の冷却材である液体ナトリウムは、ナトリウム入
口ヘッダ２４のナトリウムノズル１３から直管伝熱管３
に供給され、底部に設けられたナトリウム出口ヘッダ２
５に集合しナトリウム出口のする１より図外の液体金属
冷却高速増殖炉に帰還する。
口ヘッダ２２の給水入口ノズル１８からヘリカルコイル
伝熱管２に供給され、鉛ビスマス４の自然対流を介して
液体ナトリウムの熱を受けて蒸気になり、蒸気ヘッダ２
３に集まってから蒸気出口ノズル２０より図外の蒸気タ
ービン発電機等に送出される。一方、液体金属冷却高速
増殖炉の冷却材である液体ナトリウムは、ナトリウム入
口ヘッダ２４のナトリウムノズル１３から直管伝熱管３
に供給され、底部に設けられたナトリウム出口ヘッダ２
５に集合しナトリウム出口のする１より図外の液体金属
冷却高速増殖炉に帰還する。
【００１９】液体金属冷却型高速増殖炉では、ナトリウ
ムの流量は水・蒸気の流量の約１０倍になり、しかも蒸
気発生器においてナトリウムに認められる圧力損失は水
・蒸気の約１０分の１またはそれ以下である。従来のヘ
リカルコイル蒸気発生器では、同じコイル層に位置する
ナトリウムと水・蒸気の伝熱管は交互に隣接して配設さ
れていたが、このような構成ではナトリウム伝熱管と水
・蒸気伝熱管は同じ長さを持つことになるので、ナトリ
ウム伝熱管が過剰に長くなることになり、圧力損失を抑
えるためには管径を増大させなければならなかった。す
ると、管内を流れるナトリウムの流速が低下し伝熱性能
が劣化するため伝熱面積を増大させなければならなくな
って熱交換器としての物量が増大しコスト増大の原因と
なった。また、直管型蒸気発生器では、管長が限られる
ので水・蒸気伝熱管の圧力損失が小さく管内流速が小さ
くなるため伝熱性能が劣化し、これを補って伝熱面積を
大きくするため熱交換器の物量を増大しコストを上昇さ
せる結果になっていた。
ムの流量は水・蒸気の流量の約１０倍になり、しかも蒸
気発生器においてナトリウムに認められる圧力損失は水
・蒸気の約１０分の１またはそれ以下である。従来のヘ
リカルコイル蒸気発生器では、同じコイル層に位置する
ナトリウムと水・蒸気の伝熱管は交互に隣接して配設さ
れていたが、このような構成ではナトリウム伝熱管と水
・蒸気伝熱管は同じ長さを持つことになるので、ナトリ
ウム伝熱管が過剰に長くなることになり、圧力損失を抑
えるためには管径を増大させなければならなかった。す
ると、管内を流れるナトリウムの流速が低下し伝熱性能
が劣化するため伝熱面積を増大させなければならなくな
って熱交換器としての物量が増大しコスト増大の原因と
なった。また、直管型蒸気発生器では、管長が限られる
ので水・蒸気伝熱管の圧力損失が小さく管内流速が小さ
くなるため伝熱性能が劣化し、これを補って伝熱面積を
大きくするため熱交換器の物量を増大しコストを上昇さ
せる結果になっていた。
【００２０】本発明は、ナトリウムを直管伝熱管に通
し、水・蒸気をヘリカルコイル伝熱管に通すため、それ
ぞれ独立に最も適当なディメンジョンを選択することが
できる。高速増殖炉ではナトリウムの流量が大きいのに
対して圧力損失が小さくなければならないが、熱交換器
の長さが決まっているとして直管伝熱管の径と本数を適
当な圧力損失と管内流速が得られるように選択すること
により伝熱面積を小さくして物量とコストを低減するこ
とができる。また、水・蒸気についても、ヘリカルコイ
ル伝熱管を用いるため、伝熱管長と管内流速を適当に調
整して伝熱性能が最適になるように選択して、物量とコ
ストを低減することができる。
し、水・蒸気をヘリカルコイル伝熱管に通すため、それ
ぞれ独立に最も適当なディメンジョンを選択することが
できる。高速増殖炉ではナトリウムの流量が大きいのに
対して圧力損失が小さくなければならないが、熱交換器
の長さが決まっているとして直管伝熱管の径と本数を適
当な圧力損失と管内流速が得られるように選択すること
により伝熱面積を小さくして物量とコストを低減するこ
とができる。また、水・蒸気についても、ヘリカルコイ
ル伝熱管を用いるため、伝熱管長と管内流速を適当に調
整して伝熱性能が最適になるように選択して、物量とコ
ストを低減することができる。
【００２１】さらに、ヘリカルコイル型熱交換器では、
ナトリウム伝熱管と水・蒸気伝熱管が一つの伝熱管層内
で交互に配置されていたので、高温域と低温域が鉛直方
向に細かい周期で出現するため、中間熱媒体の対流が成
長しにくかった。しかし、本発明の組合せ型熱交換器で
は、ナトリウムと水・蒸気の２種類の熱媒体について、
それぞれ同じ熱媒が通る伝熱管のみを円筒状の層として
形成しているため、中間熱媒体の上昇流と下降流がそれ
ぞれ十分に成長するので、槽内の熱媒体が大きく自然対
流を起こして良好な熱伝達特性を有するようになる。
ナトリウム伝熱管と水・蒸気伝熱管が一つの伝熱管層内
で交互に配置されていたので、高温域と低温域が鉛直方
向に細かい周期で出現するため、中間熱媒体の対流が成
長しにくかった。しかし、本発明の組合せ型熱交換器で
は、ナトリウムと水・蒸気の２種類の熱媒体について、
それぞれ同じ熱媒が通る伝熱管のみを円筒状の層として
形成しているため、中間熱媒体の上昇流と下降流がそれ
ぞれ十分に成長するので、槽内の熱媒体が大きく自然対
流を起こして良好な熱伝達特性を有するようになる。
【００２２】たとえば、液体金属冷却型高速増殖炉にお
いて１０００ＭＷのナトリウムの熱により水を過熱蒸気
にする場合に、ヘリカルコイル型熱交換器を用いれば、
ナトリウムと水・蒸気それぞれ７３０本の伝熱管を用い
て径７．２ｍ、高さ２３．２ｍ、重量８６０トン、ナト
リウムと水・蒸気の伝熱面積合計が１４３７０ｍ2とな
り、直管型蒸発器では伝熱管がそれぞれ４８４３本、径
が４．２ｍ、高さ３３．５ｍ、重量８００トン、ナトリ
ウムと水・蒸気の伝熱面積合計が１２５７０ｍ 2とな
る。
いて１０００ＭＷのナトリウムの熱により水を過熱蒸気
にする場合に、ヘリカルコイル型熱交換器を用いれば、
ナトリウムと水・蒸気それぞれ７３０本の伝熱管を用い
て径７．２ｍ、高さ２３．２ｍ、重量８６０トン、ナト
リウムと水・蒸気の伝熱面積合計が１４３７０ｍ2とな
り、直管型蒸発器では伝熱管がそれぞれ４８４３本、径
が４．２ｍ、高さ３３．５ｍ、重量８００トン、ナトリ
ウムと水・蒸気の伝熱面積合計が１２５７０ｍ 2とな
る。
【００２３】同じ条件において、本発明の組合せ型熱交
換器では、ナトリウム用直管伝熱管が７７１０本、水・
蒸気用ヘリカルコイル伝熱管が５２７本、径５．７ｍ、
高さ２５ｍ、物量７２０トン、ナトリウムと水・蒸気の
伝熱面積合計１１３３０ｍ2となる。このように、本発
明によれば、それぞれ最適な条件に基づいて設計するこ
とができるため、伝熱面積が極めて小さくなり物量も低
減する。また、熱交換器の寸法も小さくなり、コストも
低減する。
換器では、ナトリウム用直管伝熱管が７７１０本、水・
蒸気用ヘリカルコイル伝熱管が５２７本、径５．７ｍ、
高さ２５ｍ、物量７２０トン、ナトリウムと水・蒸気の
伝熱面積合計１１３３０ｍ2となる。このように、本発
明によれば、それぞれ最適な条件に基づいて設計するこ
とができるため、伝熱面積が極めて小さくなり物量も低
減する。また、熱交換器の寸法も小さくなり、コストも
低減する。
【００２４】上記実施例では、便宜のためヘリカルコイ
ル伝熱管と直管伝熱管の層が各４層の場合について図示
し、また、ラダーが４本の場合について説明したが、こ
れらの数は条件により変化することは言うまでもない。
なお、ノズルの位置と個数はラダーの位置に対して独立
に決めることができる。特に水・蒸気の伝熱管はシュラ
ウド内の引き回しが容易であるので、ノズル位置をより
自由に決定することができる。また、中間熱媒体として
鉛ビスマスを採用したが、この他にもアンチモン・ビス
マスなど熱交換の条件により最適な媒体を選択すること
ができることは言うまでもない。さらに、本実施例で
は、本発明の熱交換器を水ナトリウム熱交換に利用した
が、これ以外にも、本発明を熱交換する２つの熱媒が接
触すると不都合な結果をもたらす場合に大きな効果があ
ることはいうまでもない。
ル伝熱管と直管伝熱管の層が各４層の場合について図示
し、また、ラダーが４本の場合について説明したが、こ
れらの数は条件により変化することは言うまでもない。
なお、ノズルの位置と個数はラダーの位置に対して独立
に決めることができる。特に水・蒸気の伝熱管はシュラ
ウド内の引き回しが容易であるので、ノズル位置をより
自由に決定することができる。また、中間熱媒体として
鉛ビスマスを採用したが、この他にもアンチモン・ビス
マスなど熱交換の条件により最適な媒体を選択すること
ができることは言うまでもない。さらに、本実施例で
は、本発明の熱交換器を水ナトリウム熱交換に利用した
が、これ以外にも、本発明を熱交換する２つの熱媒が接
触すると不都合な結果をもたらす場合に大きな効果があ
ることはいうまでもない。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の熱交換器
は、直管伝熱管とヘリカルコイル伝熱管を異なる媒体に
適用するので、何らかの不都合があっても両媒体が接触
する可能性が少ない。また、両媒体についてそれぞれ独
立に最適な条件を達成することができるため、より自由
な設計ができ、熱交換器や蒸気発生器の伝熱面積、物
量、コストなどを最適なものにすることができる。
は、直管伝熱管とヘリカルコイル伝熱管を異なる媒体に
適用するので、何らかの不都合があっても両媒体が接触
する可能性が少ない。また、両媒体についてそれぞれ独
立に最適な条件を達成することができるため、より自由
な設計ができ、熱交換器や蒸気発生器の伝熱面積、物
量、コストなどを最適なものにすることができる。
【図１】本発明の熱交換器を適用した液体金属冷却高速
増殖炉の蒸気発生器の一部切り欠き図である。
増殖炉の蒸気発生器の一部切り欠き図である。
【図２】本実施例の熱交換器の断面図である。
【図３】本実施例の熱交換器の頂部を示す平面図であ
る。
る。
【図４】図１のＡ−Ａ面切断水平断面図である。
【図５】本実施例に用いるラダーとバッフル板の組み立
て状態を模式的に示す斜視図である。
て状態を模式的に示す斜視図である。
【図６】本実施例のラダーとバッフル板の組み立て部分
の拡大断面図である。
の拡大断面図である。
１ 胴
２ ヘリカルコイル伝熱管
３ 直管伝熱管
４ 中間熱媒体
５ 内筒
６ ラダー
７ 通孔
８ バッフル板
９ 通孔
１０ ボルト
１１ 上梁
１２ 下梁
１３ ナトリウム入口ノズル
１４ 管板
１５ ナトリウム出口ノズル
１６ 管板
１７ 曲管
１８ 給水入口ノズル
１９ 管板
２０ 蒸気出口ノズル
２１ 管板
２２ 給水入口ヘッダ
２３ 蒸気ヘッダ
２４ ナトリウム入口ヘッダ
２５ ナトリウム出口ヘッダ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G21C 1/02
F22B 1/06
F28F 11/00
G21C 15/02
G21D 1/00
Claims (4)
- 【請求項１】 胴内にヘリカルコイル伝熱管からなる層
を同心状に多数設け、該ヘリカルコイル伝熱管層の層間
ごとに多数の直管伝熱管を軸方向に配置した層を設けた
熱交換器であって、前記ヘリカルコイル伝熱管に第１の
流体を通し、前記直管伝熱管に第２の流体を通し、該直
管伝熱管と前記ヘリカルコイル伝熱管の間に中間熱媒体
を充填して、該中間熱媒体の自然対流を介して前記第１
の流体と第２の流体の熱交換をするようにしたことを特
徴とする組合せ型熱交換器。 - 【請求項２】 前記組合せ型熱交換器が垂直に設置さ
れ、該組合せ型熱交換器の軸位置に内筒を設けて、該内
筒を軸として複数のラダーを放射状に設け、該ラダーに
は前記ヘリカルコイル伝熱管層の各層の位置にほぼ水平
にうがった水平通孔を軸方向に多数連設して、該水平通
孔により前記ヘリカルコイル伝熱管を支持し、軸方向所
定の位置で前記ラダーに挟まれた前記直管伝熱管層の各
層の部分に垂直に設けた複数の垂直通孔を備えたバッフ
ル板を固定して、該垂直通孔により前記直管伝熱管を支
持することを特徴とする請求項１記載の組合せ型熱交換
器。 - 【請求項３】 前記内筒の上端部に支持構造体を備え、
該支持構造体は該内筒を軸として放射状に設けられ端部
を前記組合せ型熱交換器の外壁に固定された複数の支持
梁からなり、前記支持梁同士の間にある前記直管伝熱管
の端部を前記組合せ型熱交換器の端部に設けたノズルに
接合し、前記ヘリカルコイル伝熱管の端部が該支持梁の
付近に集合して前記組合せ型熱交換器の側部に設けられ
るノズルに接合することを特徴とする請求項２記載の組
合せ型熱交換器。 - 【請求項４】 前記第１流体が水または水蒸気で、前記
第２流体が液体ナトリウムであることを特徴とする請求
項１から３のいずれかに記載の組合せ型熱交換器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000265715A JP3407722B2 (ja) | 2000-09-01 | 2000-09-01 | 組合せ型熱交換器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000265715A JP3407722B2 (ja) | 2000-09-01 | 2000-09-01 | 組合せ型熱交換器 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002071861A JP2002071861A (ja) | 2002-03-12 |
| JP3407722B2 true JP3407722B2 (ja) | 2003-05-19 |
Family
ID=18752942
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000265715A Expired - Fee Related JP3407722B2 (ja) | 2000-09-01 | 2000-09-01 | 組合せ型熱交換器 |
Country Status (1)
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| US7637122B2 (en) | 2001-05-04 | 2009-12-29 | Battelle Energy Alliance, Llc | Apparatus for the liquefaction of a gas and methods relating to same |
| US7591150B2 (en) | 2001-05-04 | 2009-09-22 | Battelle Energy Alliance, Llc | Apparatus for the liquefaction of natural gas and methods relating to same |
| US7219512B1 (en) | 2001-05-04 | 2007-05-22 | Battelle Energy Alliance, Llc | Apparatus for the liquefaction of natural gas and methods relating to same |
| US6581409B2 (en) * | 2001-05-04 | 2003-06-24 | Bechtel Bwxt Idaho, Llc | Apparatus for the liquefaction of natural gas and methods related to same |
| JP3524083B2 (ja) * | 2001-11-16 | 2004-04-26 | 核燃料サイクル開発機構 | 中間熱媒体を有するヘリカル型熱交換器 |
| US9217603B2 (en) | 2007-09-13 | 2015-12-22 | Battelle Energy Alliance, Llc | Heat exchanger and related methods |
| US8899074B2 (en) | 2009-10-22 | 2014-12-02 | Battelle Energy Alliance, Llc | Methods of natural gas liquefaction and natural gas liquefaction plants utilizing multiple and varying gas streams |
| US8061413B2 (en) | 2007-09-13 | 2011-11-22 | Battelle Energy Alliance, Llc | Heat exchangers comprising at least one porous member positioned within a casing |
| US9254448B2 (en) | 2007-09-13 | 2016-02-09 | Battelle Energy Alliance, Llc | Sublimation systems and associated methods |
| US9574713B2 (en) | 2007-09-13 | 2017-02-21 | Battelle Energy Alliance, Llc | Vaporization chambers and associated methods |
| US8555672B2 (en) | 2009-10-22 | 2013-10-15 | Battelle Energy Alliance, Llc | Complete liquefaction methods and apparatus |
| KR101022486B1 (ko) | 2008-09-10 | 2011-03-16 | ㈜하이텔파이 | 대류현상을 이용한 보일러의 가열장치 |
| EP2661782B1 (en) * | 2011-01-06 | 2018-10-03 | Bloom Energy Corporation | Sofc hot box components |
| US10655911B2 (en) | 2012-06-20 | 2020-05-19 | Battelle Energy Alliance, Llc | Natural gas liquefaction employing independent refrigerant path |
| KR101436497B1 (ko) | 2012-12-11 | 2014-09-01 | 한국원자력연구원 | 나선형 소듐대-소듐 열교환기를 이용하여 자연순환 냉각 성능을 강화한 소듐냉각 원자로의 완전 피동형 잔열제거 시스템 |
| CN108892147B (zh) * | 2018-09-05 | 2023-09-05 | 欧中电子材料（重庆）有限公司 | 一种用于纯化介质中分离碳酰氯的分离方法及装置 |
| WO2023090744A1 (ko) * | 2021-11-16 | 2023-05-25 | 울산과학기술원 | 이중벽단일통과-증기발생기 |
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- 2000-09-01 JP JP2000265715A patent/JP3407722B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2002071861A (ja) | 2002-03-12 |
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|---|---|---|---|
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