JPH01296089A - 中間熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、例えば液体金属冷却タンク型高速増殖炉に適
用される炉容器内設置型の中間熱交換器に係り、特に熱
交換用管束の構成を改良した中間熱交換器に関する。

（従来の技術） 液体金属冷却タンク型高速増殖炉では、炉容器を循環す
る１次冷却材および蒸気発生器を含む２次冷却材を循環
する２次冷却材の双方に液体金属、例えば液体ナトリウ
ムが使用され、この１次冷却材と２次冷却材との間の熱
の受渡しに用いられる中間熱交換器が炉容器内に設置さ
れている。

以下、第３図を用いて炉容器内の構造を説明する。炉容
器１は上方をルーフスラブ２で覆われ、ルーフスラブ２
に中間熱交換器３が炉心４の周囲に１次循環ポンプ５と
ともに一定の間隔を保持して複数台吊下げられている。

なお、符号６は炉容器１内を満たしている１次冷却材が
漏洩して外部に漏れるのを防止する安全容器を示してい
る。

次に、中間熱交換器３の構造を第４図を参照して説明す
る。中間熱交換器３はルーフスラブ２から垂直に吊下げ
られる円筒状の上部ｆ！ｉ４７およびこれに連結される
下部＄８を主体として構成される。

この上部ｆｌｉｉ７には壁面を貫いて１次冷却材入口窓
９が設けられ、下部胴８には下方に向けて開口している
１次冷却材出口１０が設けられている。この１次冷却材
入口窓９から１次冷却材出口１０にかけて下部胴８内の
中心部を占める熱交換部が形成されている。すなわち、
上方を上部管板１１、下方を下部管板１２で各々支持さ
れた複数の伝熱管１３が垂直に配置され、伝熱壁により
内と外とに隔てられ、１次冷却材と２次冷却材との間で
熱の受渡しが行なわれる。

一方、上部胴７の上端部には２次冷却材入口１４および
２次冷却材出口１５がそれぞれ設けられている。この２
次冷却材人口１４は上部１１ｉｉ７から下部胴８にかけ
て延在するように取付けられる下降管１６と連結してお
り、２次冷却材出口１５は下降管１６のまた、上記した
伝熱管１３により構成される熱交換部は交互におかれた
太きさめ異なる２種類のドーナッツ形状のバッフル１８
．１９により仕切られており、２次冷却材が伝熱管１３
の外側を下方から上方に向かって流れるようになってい
る。なお、図中、符号２０および２１は２次冷却材入口
窓および上昇管入口をそれぞれ示している。

上記構成において、上部胴７の外側に流れた１次冷却材
は１次冷却材入口窓９から上部１１１ｉｉ７内に流れ、
ざらに伝熱管１３内を下に向かって流れる間にその外側
を流れる２次冷却材と熱交換して温度降下し、その後下
部胴８に導かれる。そして、そこから１次冷却材出口１
０から器外に排出される。

一方、２次冷却材は２次冷却材人口１４を通して下降管
１６内に入り、これに導かれて下に向かって流れ、２次
冷却材入口窓２０を通って熱交換部に流入し、伝熱管１
３の外側を流れて上述した１次冷却材との熱交換で温度
上昇し、上昇管入口２１を経て上昇管１７内に入り、こ
れに導かれて上昇し、２次冷却材出口１５を経て蒸気発
生装置（図示せず）に送られる。

（発明が解決しようとする課題） 以上述べたような中間熱交換器３において、２次冷却材
の流速が２次冷却材入口窓２０ｆｉ傍そして上昇管入口
２１近傍で特に速くなっており、これらの領域の伝熱管
１３が流力弾性振動により損傷を受ける懸念がある。

以下、この問題を図面を参照して詳細に説明する。

第５図において、下降管１６内を流下した２次冷却材は
図中の矢印に示すように２次冷却材入口窓２０から管束
内に流し込み、図中２点鎖線で示すバ！ッフル板１８の
外周部を過ぎると今度は流れの向きを変え、紙面と垂直
に流れて次のスパンへ導かれる。この２次冷却材の流れ
で特に２次冷却材入口窓２０近傍は、管束隙間面積すな
わち流路面積が少いので流速が速くなっている。その他
に流れが管束に対して直交に流れる直交流が支配的であ
るので、この領域は流力弾性振動による個々の伝熱管１
３の振動およびそれらの損傷が懸念される。

また、第６図において、下部胴８とバッフル板１８の外
周部との間を紙面に垂直に上昇してきた２次冷却材は流
れの向きを変え、図中の矢印に示すように半径方向に内
側に向って流れ、上昇管人口２１を過ぎると再び紙面に
垂直に上昇し、下界管１６と上昇管１７との間の流路に
導かれる。この場合においても上昇管入口２１近傍は流
路面積が少いので２次冷却材の流速は特に速くなってい
る。また、同じく直交流が支配的であるので、この領域
も流ノコ弾性振動による個々の伝熱管１３の振動および
それらの損傷が懸念される。

かかる伝熱管１３の流力弾性振動を防止する方法として
は個々の伝熱管１３の間隔すなわち管ピッチを大きくし
、管束内を通る流体の速度を遅くするの外径の屑入をま
ねき、ひいては上容器−１の５／）任も増大させ、高速
増殖炉プラントの大形化を招くことになる。管束向流体
の速度を低下させる別の方法として上部管板１１および
下部管板１２に最も近接するバッフル板１８．１９を管
板面より離してすなわちスパンを大きくする方法がある
。このようにすれば流路面積が広くなるので、これら２
箇所の領域の流速を下げることができる。しかし、伝熱
管１３の支持スパンが広くなったことにより、伝熱管１
３の固有振動数が下げられ、逆に伝熱管１３が撮動しや
すくなる。それ故この方法も流力弾性撮動の防止対策と
しては必らずしも都合がよくない。

本発明の目的は２次冷却材入口窓近傍および上昇管入口
近傍における流力弾性振動による伝熱管の損傷を防止し
得るようにした中間熱交換器を提本発明は上記目的を達
成するため２次冷却材入口窓および／または上昇管入口
近傍の伝熱管の断面形状を楕円形あるいは長円形に構成
し、かつその伝熱管の長軸を２次冷却材の流れ方向と同
一の向きに配置するようにしたことを特徴としている。

（作　用） このような構造の中間熱交換器では、２次冷却材入口窓
および上昇管入口近傍において、円周方向に伝熱管相互
の間隔が広くなる。すなわち、流れに対して管束の隙間
が広くなり、２次冷却材の流速を低下させることができ
る。

一方、伝熱管の固有振動数は、伝熱管の断熱２次モーメ
ントの１７２乗に比例するために楕円断面の伝熱管を採
用することによる伝熱管を楕円断面とすることによる断
面２次モーメントの低下の影響は伝熱管相互の隙間の拡
大による流速低下の寄与に比べると問題なく小さい。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面によって説明する。

第１図は本発明による中間熱交換器の一実施例を示すも
ので、上昇管人口２１近傍に配置される伝熱管２２は断
面楕円形に構成されている。そして、この伝熱管２２は
その長軸を２次冷却材の流れ方向に一致させている。

以下、説明のための一例として、当初管外径が２５．４
．、肉厚１．２ｍｍの円形伝熱管を用い円周方向の管ピ
ッチを３３．０２ａｍ、すなわち管外径と管ピッチの比
が１　：　　１．３である管群において、例えば円形断
面の伝熱管をこれと同一断面積、同一の管の肉厚を有す
る短径と長径の比が１：２である楕円断面の伝熱管と置
換した場合の流力弾性撮動に対する耐力の向上について
、以下に説明する。

一般に、流力弾性振動を生じる限界流速Ｖｅｒは次の式
で表わされる。以下式中の記号の右肩に（ｄ　７９９を
つけたものは、楕円形の伝熱管を使用した場合である。

ここに、ｆｏは管の固有振動数で次式による。

Ｖｅｒ：限界流速 ｍｅ：付加質量を含む単位長さ当りの雪質量Ｋ　：管配
列、ピッチ、支持方法等によって定まる定数 ｄｏ：代表径　　　　δ０：減衰率 Ａ　：バッフル間距離および支持方法等によって定まる
定数 ρ　：流体密度　　　　Ｅ：ヤング率 Ｉ　：伝熱管の断面２次モーメント 式■を式■に代入することにより次式に示すように流速
と断面２次モーメントの関係式が導かれる。

ど、流力弾性撮動に対してより健全性の高い設計である
といえる。

円形の伝熱管の場合 本実施例である楕円形面の伝熱管の場合ここで、円形の
伝熱管の断面２次モーメントはＩ　−６６９５，４でお
る。一方楕円形の伝熱管における流力弾性振動は、一般
に、流れに垂直な方向で生じることから、長軸に関する
断面２次モーメントを採用すると、Ｉ′＝５０４１１Ｉ
ＩＩｒ＆４でありＩ／Ｉ−０、７５３となる。なお、長
袖に関する断面２次モーメントは楕円形で最も小さな断
面２次モーメントであり、流れに垂直な方向以外の方向
での振動に対しては同一流速であれば、断面２次モーメ
ントが大ぎくなるため、流力弾性撮動に対してより耐力
を有していることになる。一方、伝熱管相互の間隔が広
がることにより２次冷却材の流速は￥＝。、５３　ｋｌ
：６゜ ■ ｅｒ ＝　１．６２　Ｘ　− ■ すなわち、同一断面積を有する短径と長径の比が１：２
の楕円形の伝熱管とすることにより円形の伝熱管に比べ
流力弾性振動に対する健全性が１．６２倍に向上するこ
とがわかる。

本発明によれば断面２次モーメントの低下により剛性の
低下があるものの、流路面積拡大による効果が多きり１
ｑられ、流力弾性撮動に対して高い耐力を得ることがで
きる。

以上は上昇管入口２１近傍に関する説明であるが、二次
流体入口窓２０近傍についても同様のことがいえる。

次に、第２図を参照して本発明の他の実施例について説
明する。第１図と異なる点は伝熱管２２の配列が円周配
列でなく、三角形配列である点である。

このような構造の中間熱交換器を用いても上昇管入口２
１近傍の伝熱管２２は円周上の伝熱管相互の間隔が増大
したことによる２次冷却材の流速の低減によりこの領域
の流力弾性振動に対して高い耐力を有することになる。

２次冷却材入口窓２０近傍についψ様のことがいえる。

以上断面楕円形の伝熱管について説明してきたが、形状
を長円形に変えても同様のことがいえるのは明白である
。

〔発明の効果〕

以上述べてきたように本発明による中間熱交換器を用い
ると従来２次冷却材流速が速く流力弾性撮動による伝熱
管損傷が懸念されていた２次冷却材入口窓および上昇管
入口近傍の管束に対し、２次冷却材の流速抑制作用によ
り流力弾性撮動に対する高い耐力をもたらすことができ
、ひいては信頼性の高い中間熱交換器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の一実施例を示す中間熱交
換器の管束の部分断面図、第３図は従来の炉容器内の主
要な機器を示す構成図、第４図は従来の中間熱交換器を
拡大して示す断面図、第５図および第６図は従来の中間
熱交換器の管雫β分断面図である。 １・・・炉容器　　　　　３・・・中間熱交換器４・・
・炉心　　　　　　７・・・上部胴８・・・下部胴　　
　　　９・・・１次冷却材入口窓１０・・・１次冷却材
出口　１３・・・（円形の）伝熱管１６・・・下降管　
　　　　１７・・・上昇管１８、１９・・・バッフル板 ２Ｇ・・・２次冷却材入口窓 ２２・・・（楕円形の）伝熱管 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　第子丸　健 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. それぞれ内径を同一の大きさに形成される上部胴および
   下部胴を垂直方向に同心を保持して連結し、上記下部胴
   内には該下部胴内を上記上部胴から仕切る上部管板およ
   び外部と通じさせた該下部胴内の下方空間との間を仕切
   る下部管板を各々設けると共に、外部から導かれる被加
   熱媒体が上記下部胴内の仕切られた領域を下方から上方
   に、かつ加熱媒体が上方から下方にかけて互いに対向流
   として流れるように２次冷却材入口窓を有する下降管お
   よび上記上部胴内と上記下部胴の下方空間とを連通せし
   める多数の伝熱管を上記下部胴内の中央領域および外周
   領域にそれぞれ配置してなる中間熱交換器において、上
   記２次冷却材入口窓および／または上昇管入口近傍の伝
   熱管の断面形状を楕円形あるいは長円形に構成し、かつ
   その伝熱管の長軸を被加熱媒体の流れ方向と同一の向き
   に配置するようにしたことを特徴とする中間熱交換器。