Wärme tauscher im kernkraft werk

Arten von Wärmetauschern in Kernkraftwerken

Ein **Wärmetauscher in einem Kernkraftwerk** ist ein entscheidendes Bauteil, das den Wärmeübergang zwischen zwei Fluiden ermöglicht, ohne sie zu vermischen. Er spielt eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Effizienz und Sicherheit des Kernkraftwerksprozesses. In einem Kernkraftwerk werden Wärmetauscher verwendet, um Wärme vom Kernreaktor, in dem die Kernspaltung stattfindet, auf andere Systeme zu übertragen, die diese benötigen, wie z. B. den Dampferzeuger oder den Kondensator.

Die primäre Funktion eines Wärmetauschers in einem Kernkraftwerk ist die Umwandlung der im Kernreaktor erzeugten Wärme in Dampf, der dann Turbinen antreiben kann, um Strom zu erzeugen. Der Wärmetauscher stellt sicher, dass die Wärme des Reaktors effizient genutzt wird, während die beteiligten Fluide getrennt gehalten werden, um mögliche Kontaminationen oder Sicherheitsrisiken zu vermeiden. Dies ist besonders wichtig, da das im Reaktor verwendete Kühlmittel radioaktiv sein kann und nicht mit dem Wasser vermischt werden darf, das zur Dampferzeugung für die Turbinen verwendet wird.

Mehrere Klassen von Wärmetauschern erfüllen verschiedene Funktionen in einem Kernkraftwerk.

• Dampferzeuger

  Ein Dampferzeuger/Wärmetauscher erzeugt Dampf, indem Wärme vom Primärkühlkreislauf auf den Sekundärkreislauf übertragen wird. Der Primärkreislauf führt heißes Kühlmittel vom Reaktor, während der Sekundärkreislauf Wasser enthält, das erhitzt wird, um Dampf zu bilden. Dampferzeuger verwenden ein röhrenförmiges Wärmetauscherdesign, um radioaktives Wasser von nicht-radioaktivem Wasser zu trennen. Es gibt hauptsächlich drei Arten von Dampferzeugern: U-Rohr-Dampferzeuger, horizontale Dampferzeuger und vertikale Dampferzeuger:

  • U-Rohr-Dampferzeuger:

    In U-Rohr-Dampferzeugern fließt das Primärkühlmittel durch U-förmige Rohre. Die Rohrleitungen ermöglichen eine Ausdehnung aufgrund unterschiedlicher Temperaturänderungen zwischen dem Primär- und Sekundärkreislauf. U-Rohr-Generatoren sind kompakt und werden häufig in Druckwasserreaktoren (PWRs) eingesetzt.

  • Horizontaler Dampferzeuger:

    Horizontale Dampferzeuger haben horizontale Rohrbündel. Sie werden häufig in älteren PWR-Designs verwendet. Die Wärmeübertragungsraten sind in horizontalen Dampferzeugern aufgrund der größeren Oberfläche hoch.

  • Vertikaler Dampferzeuger:

    Vertikale Dampferzeuger haben Rohrbündel, die in einer vertikalen Achse angeordnet sind. Das moderne PWR-Design verwendet häufig vertikale Generatoren. Wasser steigt entlang der Rohre unter der Schwerkraft auf, was die Dampfbildung fördert. Außerdem nehmen vertikale Generatoren weniger Platz ein als horizontale.

• Wärmetauscher

  In einem Kernkraftwerk überträgt ein Wärmetauscher Wärme zwischen zwei Fluiden: dem Arbeitsfluid und dem Kühlmittel. Normalerweise ist das Arbeitsfluid Wasser, das vom Reaktor erhitzt wurde. Der Wärmetauscher stellt sicher, dass das Arbeitsfluid und das Kühlmittel getrennt bleiben, wodurch das Risiko einer Kontamination verringert wird. Als Kühlmittel, die üblicherweise in Wärmetauschern verwendet werden, kommen Luft, Wasser und flüssige Metalle in Frage.

Spezifikation und Wartung

Die primäre Funktion eines Wärmetauschers ist die Wärmeübertragung zwischen zwei oder mehr Fluiden. Seine Wärmetauschertechnologie für Kernkraftwerke muss einen hohen Wirkungsgrad, Durchflussrate, Druck und Wärmeübertragung aufweisen. Moderne Wärmetauscher in Kernkraftwerken haben niedrige Druckverlustmerkmale, nicht-verschmutzende Eigenschaften und integrierte Wärmeübertragungsoberflächen. Die Kraft im Wärmetauscher bestimmt die Leistung und den Abfallprozentsatz, der abgeleitet werden muss, während der Druck auf den Auslegungsdruck des Kraftwerks basiert. Wärmetauscher werden mit der Idee eines festen Verschmutzungsresistenzwerts in der Fallkapazität, dem Druckverlust und der Wärmeübertragung gebaut, wobei der Großteil der Wasserseite die feste Verschmutzungsresistenz darstellt.

Wärmetauscher in einem Kernkraftwerk sollten gewartet werden, um die maximale Leistung und Sicherheit des gesamten Kraftwerks zu gewährleisten. Regelmäßige Kontrollen und Wartung von Wärmetauschern sind unerlässlich, um potenzielle nukleare Unfälle zu verhindern. Die wichtigsten Aufgaben der Wartung sind die Sicherstellung eines effektiven Wärmeübergangs, die Minimierung von Energieverlusten, die Vermeidung von Lecks von Strahlung und Giftstoffen und die Sicherstellung der Unversehrtheit aller Geräte. Dies geschieht durch häufige Inspektionen, die entweder zerstörungsfreie Prüfungen oder Röntgenuntersuchungen von Schweißnähten sind, und alle Ablagerungen oder Verschmutzungen werden entfernt. Einige Wärmetauscher werden auch mit Hilfe von kleinen Kameras und Robotern inspiziert. Weitere Methoden zur Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Wartung sind routinemäßige Überholungen, ein System zum Austausch oder zur Reparatur von verschlissenen Teilen und die Überholung des Wärmetauschers.

Anwendungen von Wärmetauschern in Kernkraftwerken

Wärmetauscher sind das Rückgrat eines Kernkraftwerks. Alle Wärmetauscher, die im Energiesystem eines Kernkraftwerks verwendet werden, müssen in den folgenden Szenarien einsetzbar sein:

• Die Reaktorkühlkreisläufe arbeiten bei etwa 500 Grad Fahrenheit (260 Grad Celsius) oder höher. Der üblicherweise verwendete Legierungsstahl oder Edelstahl kann diese Temperatur aushalten.
• Wärmetauscherkomponenten, die mit dem Reaktorkühlmittel in Berührung kommen, sind resistent gegen Abbau durch Strahlung. Diese Komponente wird als ''Strahlungsschutz'' bezeichnet. Das übliche Material, das als Strahlungsschutz dient, ist doppelt-bolzenverschweißtes Kupfernickel.
• Wärmetauscher sind in der Lage, den hohen Drücken in Kernkraftwerken standzuhalten. Dies sind etwa 1.000 Pfund pro Quadratzoll (69,0 bar) oder mehr im Reaktor.
• Wärmetauscher sind leckdicht. Die häufigste Art, die zu Lecks neigt, ist luftgekühlt, bei der keine Flüssigkeiten beteiligt sind. Stattdessen wird Luft durch gerippte Rohre geleitet.
• Kernkraftwärmetauscher können jahrzehntelang ohne Probleme arbeiten, da geplante Wartungsarbeiten, Betankungen und Inspektionen nur einmal alle 18 bis 24 Monate durchgeführt werden können.
• Wärmetauscher müssen korrosionsbeständig sein. Die hohen Durchflussraten in Kraftwerken verursachen Erosion, die das Metall mit der Zeit schwächt. Die verwendete Legierung und der Edelstahl müssen rein genug sein, um die Anfälligkeit für interkristalline Spannungsrisskorrosion zu reduzieren.

Arten von Wärmetauschern, die üblicherweise in Kernkraftwerken eingesetzt werden:

• Rohrbündelwärmetauscher

  Der Rohrbündelwärmetauscher ist ein weit verbreitetes Design, das ein Bündel von Rohren innerhalb eines Mantels umfasst. Ein Fluid fließt durch die Rohre, während ein zweites Fluid über die Rohre innerhalb des Mantels fließt, wodurch die Fluide Wärme austauschen können. In einem Kernkraftwerk werden Rohrbündelwärmetauscher üblicherweise als Zwischenwärmetauscher, Dampferzeugerkühler oder Komponentenkühlwärmetauscher verwendet.

• Diffusionsgeschweißter Plattenwärmetauscher

  Der DBHE besteht aus Hunderten von dünnen Edelstahlplatten, die diffusionsgeschweißt wurden. Dies erzeugt eine Reihe von Kanälen, in denen zwei Fluide in entgegengesetzte Richtungen fließen können, was den Wärmeübergang maximiert. Der DBHE wird in AP1400-Anlagen als Dampferzeuger verwendet. Er überträgt Wärme vom Primärkühlkreislauf auf Wasser, das dann in Dampf umgewandelt wird.

• Spiralwärmetauscher

  Spiralwärmetauscher bestehen aus zwei spiralförmigen Abschnitten, einem für jedes Fluid, und haben die Fähigkeit, mit hohen Wärmeübertragungskoeffizienten zu arbeiten, was zu kompakteren Designs führt. Sie sind besser gegen Korrosion und Verschmutzung resistent, was den Wartungsaufwand von Kernkraftwerken reduziert. Ein Spiralwärmetauscher wird in AP600-Anlagen für einige Prozesskühlanwendungen verwendet.

So wählen Sie Wärmetauscher für Kernkraftwerke aus

Die folgenden Tipps können Käufern bei der Auswahl von Wärmetauschern für Kernkraftwerke helfen.

• Verstehen Sie die Betriebsbedingungen

  Es ist wichtig, die Betriebsbedingungen des Kernkraftwerks sorgfältig zu studieren. Käufer sollten die Temperatur und den Druck des Arbeitsfluids berücksichtigen. Außerdem sollten sie auf die Eigenschaften des Arbeitsfluids achten, wie z. B. Korrosivität und Neigung zum Verschmutzen. Nur Wärmetauscher, die sich an die genannten Faktoren anpassen können, sind geeignet.

• Entscheiden Sie sich für zuverlässige Materialien

  Die Leistung und Sicherheit von Wärmetauschern werden beeinträchtigt, wenn die Materialien minderwertig sind. Käufer sollten Wärmetauscher mit hochwertigen Konstruktionsmaterialien wählen. Solche Materialien können mechanische Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit gewährleisten.

• Berücksichtigen Sie die Wärmeübertragungseffizienz

  Die Wärmeübertragungseffizienz ist ein wichtiger Faktor, der die Gesamtleistung des Kernkraftwerks beeinflusst. Käufer sollten es nicht versäumen, die technischen Daten verschiedener Wärmetauschertypen zu konsultieren. Wenn möglich, können Käufer auch die mathematischen Modelle analysieren, um sicherzustellen, dass sie die mit optimaler Wärmeübertragungsleistung auswählen.

• Achten Sie auf die Montage und Wartung

  In einigen Fällen ist es notwendig, die Wärmetauscher zu montieren, zu demontieren und zu warten. Daher sollten Käufer das Design und die Bedienbarkeit der Geräte berücksichtigen. Die ausgewählten Wärmetauscher sollten ein Design haben, das eine einfache Montage und Wartung ermöglicht. Sie sollten auch eine ausreichende Zugänglichkeit aufweisen.

• Sicherstellen der Einhaltung der einschlägigen Normen

  Die Wärmetauscher für Kernkraftwerke müssen bestimmte Normen und Vorschriften erfüllen. Diese Normen beziehen sich auf Design, Herstellung und Wartung. Bei der Auswahl der Wärmetauscher sollten Käufer sicherstellen, dass die Lieferanten die genannten Anforderungen erfüllen können. Käufer sollten auch sicherstellen, dass die Dokumentation zur Überprüfung verfügbar ist.

• Berücksichtigen Sie die Kosten

  Zunächst sind die Anschaffungskosten des Wärmetauschers entscheidend. Käufer sollten jedoch auch die langfristigen Betriebskosten berücksichtigen. Wärmetauscher mit höherer Übertragungseffizienz tragen dazu bei, die Energiekosten zu senken. Wärmetauscher, die geringe Wartungskosten erfordern, helfen auch, langfristig Geld zu sparen.

F&A

F1: Warum ist ein Wärmetauscher in einem Kernreaktor wichtig?

A1: Der Wärmetauscher spielt eine entscheidende Rolle beim sicheren Betrieb des Reaktors. Er überträgt die durch den Kernspaltungsprozess erzeugte Wärme auf ein Arbeitsfluid, typischerweise Wasser, das dann verdampft, um Dampf für die Stromerzeugung oder zur Bereitstellung von Kühlkreisläufen zu erzeugen.

F2: Gibt es innovative Trends bei Wärmetauschern für Kernkraftwerke?

A2: Ja, neue, kompakte Wärmetauscher wie gedruckte Schaltungswärmetauscher (PCHX) und geschweißte Doppelrohrwärmetauscher gewinnen an Popularität, da sie effizienter, platzsparender und zuverlässiger sind und so die zukünftige Entwicklung der Kernenergie fördern.

F3: Welche Herausforderungen sind mit Wärmetauschern in Kernkraftwerken verbunden?

A3: Die Aufrechterhaltung einer effektiven Wärmeleistung, die Verhinderung von Korrosion und Verschmutzung, die Gewährleistung der strukturellen Integrität und die Bewältigung von Umweltproblemen sind einige der Herausforderungen, denen Wärmetauscher in Kernkraftwerken gegenüberstehen.

F4: Welche Materialien werden üblicherweise für Wärmetauscher in Kernkraftwerken verwendet?

A4: Die Wahl des richtigen Materials ist entscheidend, um die Haltbarkeit, die Korrosionsbeständigkeit und die Verträglichkeit mit den Arbeitsfluiden zu gewährleisten. Einige gängige Materialien sind Kohlenstoffstahl, niedrig legierter Stahl, Edelstahl und Nickelbasislegierungen.