(57)【要約】【課題】蒸気発生器において、管壁を厚くした熱伝達管を用いながら、高い熱伝達率を維持できるようにする。【解決手段】鉛直に立てた管の外側の高温高圧流体からの熱供給を受け、内側の液体媒体を蒸発させる方式の蒸気発生管を用いた蒸気発生器についての発明である。蒸気発生管の内外で、流体速度を上げることによって、熱伝達率を向上させる。管内側では、液体媒体に回転流を発生させ、管内壁との流体速度を確保し、また、回転の遠心力によって蒸気泡の管壁からの離脱を促進し、熱伝達率を向上させる。回転流の発生は、管内側に翼板を設け、それによって液体媒体の温度対流による上昇、または発生した蒸気泡の上昇を捉えて、管壁に対して平行方向の運動を与えることにより実現される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直管外側上部から供給する高温流体からの加熱を受け、鉛直管内側下部から供給する液体媒体を蒸発させる方式の蒸気発生管であり、熱伝達率を高める為に、液体媒体に回転流を与える翼板（流体制御板）を管内側に一つ、または複数取り付けることを特徴としたもの。
【請求項２】
流体制御板の形状は、下部を管内側に向かって上向きの傾斜が付くように成型したものであり、上昇する液体媒体または蒸気泡を管中心軸側に押し出すものであることを特徴とする請求項１記載の蒸気発生管。
【請求項３】
流体制御板の形状は、下部を管内側に向かって渦状の溝を成型したものであり、上昇する液体媒体または蒸気泡に、管中心軸に対する回転流を与えるものであることを特徴とする請求項１記載の蒸気発生器。
【請求項４】
流体制御板の形状は、蒸気泡の通り道となる溝の片側の角をとって滑らかに成型したものであり、液体媒体の回転流に対する抵抗を少なくするものであることを特徴とする請求項３記載の蒸気発生管。
【請求項５】
請求項１〜４何れか記載の蒸気発生管を複数本組み合わせて構成した蒸気発生器であり、管外側上部から供給する熱供給流体の流速が全体で一定範囲内を確保するように、流路を水平方向または垂直方向の板で仕切ることを特徴としたもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体媒体を加熱して蒸気を発生させるための蒸気発生器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加圧水型原子力発電所で使用される蒸気発生器は、熱伝達管として用いる数千本の細管に、高温高圧の原子炉冷却水を流し、細管外部の復水を加熱し沸騰させ蒸気を発生させる。熱伝達管は、高温高圧に耐える厚さを持ちながら、高い熱伝達率を確保する為に、管壁を極力肉薄にした構造をとる。管路の曲げ等もありながら、均一な肉厚と強度精度を実現する為に、熱伝達管の製造には高度な加工技術が必要となる。熱伝達管に破損等が発生すると、冷却水に含まれる放射物質が、復水系統に漏れ出す為、蒸気発生器への冷却水供給と復水循環の停止が必要となり、つまり、原子炉の緊急停止が必要となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
熱伝達管は、管壁を極力薄くすることで高い熱伝達率を確保している為に、腐蝕や摩擦等による僅かな欠損の発生が、管破損、破断の原因となる。加圧水型原子力発電所の蒸気発生器で用いられる熱伝達管（細管）は、対流する復水および発生する蒸気泡に煽られて応力を受ける。熱伝達管には応力による振動が発生しないように、固定具が取り付けられている。しかし、何らかの原因により固定具の緩み、ずれが発生すると細管に金属疲労等が発生し、破損に至ることがある。
【０００４】
復水、蒸気泡による応力振動を防ぎ、且つ、管壁を厚くして堅牢にした熱伝達管を用いながら、高い熱伝達率を維持できれば有用である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
鉛直に立てた管外側の高温高圧流体からの熱供給を受け、内側の液体媒体を蒸発させる方式の蒸気発生管を蒸気発生器に用いる。管外側からの高温高圧に耐える為の圧縮強度を高めると同時に、腐蝕や金属疲労等による欠損にもある程度耐性を持つように、管壁を厚くして対応する。しかしながら、管壁を厚くすると熱伝達率が低下する。この点については、管内側の液体媒体に回転流を発生させ、管内壁との流体速度を確保し、また、回転の遠心力によって蒸気泡の管壁からの離脱を促進して、熱伝達率の低下を抑えることで対応する。回転流の発生は、管内側に設ける流体制御板で液体媒体の温度対流による上昇、または発生した蒸気泡の上昇を捉えて、管壁に対して平行水平方向の運動を与えることにより実現する。（請求項１-４）
【０００６】
蒸気排出側の蒸気圧が低い状態、且つ、管内径が小さい場合、管内部で媒体が急激に沸騰し、液体状態のままの媒体を押し上げて噴出させる可能性がある。そうなると発生蒸気により熱伝達が阻害され、蒸気発生の効率が大幅に低下する。蒸気排出側の蒸気圧が低い場合は、蒸気発生管への液体媒体の供給を抑え、蒸気圧の上昇に従って液体媒体の供給を増やす等の制御が必要になる。また、大きい内径の管を使用することで現象を起こり難くできる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明における蒸気発生管での蒸気発生の様子を示す模式図である。
【図２】本発明における蒸気発生管を、複数の管を継ぎ手で連結した構成とした場合の概要図である。
【図３】本発明における蒸気発生管内部に取り付ける流体制御板の断面図、上面図、下面図である。
【図４】本発明における蒸気発生管内部に取り付ける流体制御板の溝の形状を示す下面拡大図である。
【図５】本発明における蒸気発生管内部に取り付ける流体制御板の溝の形状を示す側面拡大図である。
【図６】本発明における蒸気発生管を、加圧水型原子炉の蒸気発生器に適用した場合の模式図である。
【図７】本発明における蒸気発生管を、加圧水型原子炉の蒸気発生器に適用した場合の、層状に区切られた熱水流路の内、最上部の層を示す模式図である。
【図８】本発明における蒸気発生管を、加圧水型原子炉の蒸気発生器に適用した場合の、層状に区切られた熱水流路の内、最上部から2番目の層を示す模式図である。
【図９】本発明における蒸気発生管を、加圧水型原子炉の蒸気発生器に適用した場合の、層状に区切られた熱水流路の内、最上部から3番目の層を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１に蒸気発生管と流体制御板の取り付け、および蒸気発生時の管内の様子を示す。
鉛直に立てた蒸気発生管の下部より液体媒体流１６として温度の低い液体媒体が供給される。媒体は管外側上部側から供給される熱供給用流体１８により管壁を通して熱せられる。管下部より管上部の方が温度は高くなるので、蒸気泡は管上部へいくほど発生しやすくなる。流体制御板１３は蒸気発生管１２の内壁に取り付けられ、蒸気発生管内壁を上昇する蒸気泡を管中央に押し出すことで、発生した蒸気泡が内壁からの熱供給を阻害しないようにする。また、管中心軸に角度をもって蒸気泡を押し出すことで回転流を形成させる。管内壁全体の流体制御板が作り出す回転モーメントによって、管内部の液体媒体も共に回転し、回転の外側（管内壁側）に押し付けられることで、さらに蒸気泡の中心軸への流れが加速される。中心軸へ集まった蒸気泡の移動エネルギーは、そのまま回転のエネルギーとなり、さらに回転流を増幅する。最終的には管内壁および流体制御板と、媒体液体の摩擦抵抗が拮抗する回転速度となる。蒸気泡の発生による回転流が増幅によって、流体制御板は一つでもあれば最終的には十分な回転流を生み出すことができるが、回転の立ち上がり速度および安定性を確保し、また、液体媒体水位の変化に対応する為に、複数取り付ける。集まった蒸気泡はひとつとなり、中心軸に蒸気による空隙をつくり、見かけ上の液体面１５を形成する。蒸気泡が連続的に供給されるため空隙は維持され、その空隙を通して蒸気が上方へ噴出する。
【０００９】
流体制御板には、蒸気泡が発生しない温度位置においても、過熱され上昇する媒体を内側に押し出し対流させることで、管中央部にある媒体も均等に加熱させる効果がある。流体制御板を強固な輪形として管内壁に固定することで、管の圧縮強度を高める効果もある。
【００１０】
管内壁に流体制御板を固定する為に、溶接、接着等が必要となる。工作の精度、強度不足による部品の剥落が懸念される場合は、管内部に支持棒を通して、流体制御板を支えるという設計も考えられる。また、蒸気発生管を単一の管ではなく、複数の管を継ぎ手で連結した構成として、その継ぎ手部分に流体制御板を差し挟む設計も考えられる。
【００１１】
制御板を、どのくらいの上下間隔で、いくつ設けるか、角度、幅等は、熱水温度、復水温度、蒸発速度、蒸気発生管の材質、熱伝導率、厚さ、直径、長さ等をシミュレーションして最適値を探る必要がある。
【００１２】
図２に、蒸気発生管を単一の管ではなく、複数の管を継ぎ手で連結した構成として、その継ぎ手部分に流体制御板を差し挟んだ場合の概要図を示す。
流体制御板１３は蒸気発生管１２の継ぎ手部分に挟まれ、ボルト３２によってボルト固定される。
【００１３】
図３に図2に示した流体制御板の形状例を示す。
流体制御板１３は蒸気発生管１２の継ぎ手部分に挟まれ、ボルト穴３３によってボルト固定される。
温度が上昇した液体媒体または発生した蒸気泡を管中央側に押し出すように、板下側に管内側に向かって上向きの傾斜を付ける。
【００１４】
図４に図３で示した流体制御板の下面拡大図を示す。
媒体の回転力を与える為の溝を掘った形状とする。実線矢印が液体媒体流２２、点線矢印が蒸気流２１の流れを示している。液体媒体の蒸発量が少ないときは、制御板の溝が液体媒体の回転流発生の抵抗となるが、蒸発量が多くなり溝が蒸気によって覆われることで抵抗は小さくなる。また、目標とする液体媒体の回転速度ベクトルと、遠心力および制御板の傾斜による蒸気泡の移動速度ベクトルを、足し合わせた方向に渦状に溝を切ることで抵抗を少なくできる。
【００１５】
図５に図３で示した流体制御板の側面拡大図を示す。液体媒体の回転流に対する抵抗が少なくなるよう、溝の片側の角をとった形状としている。
【実施例】
【００１６】
図６に加圧水型原子力炉の蒸気発生器に、本発明を適用した場合の概要図を示す。
蒸気発生器の熱交換部分は、数百本の蒸気発生管からなる蒸気発生管群４５を、蒸気発生管支持板４６で支える構造としている。原子炉二次冷却系の復水を復水入口５０から復水水位４９を保つように注入し、復水供給管５１経由で蒸気発生管群４５に供給する。また、復水供給管５１は気水分離器４３および蒸気集合室４４からのドレンを受け入れる。蒸気発生管群４５に送られた復水は、熱水入口４８から熱水供給管４７経由で供給される原子炉一次冷却材により管外側から加熱され沸騰し蒸気となる。復水を加熱し、温度の下がった原子炉一次冷却材は熱水出口５２から排出され、原子炉に戻される。発生した蒸気は、蒸気集合室４４、気水分離器４３、湿分分離器４２を経て蒸気排出ノズル４１から、発電タービンに送られる。
【００１７】
熱水流路は蒸気発生管支持板４６によって水平に区切られる。さらに水平に区切られた円筒内で渦巻状に流路が区切られる。図７、図８、図９に蒸気発生管支持板４６に区切られた熱水流路の上部から３層を示す。
【００１８】
図７は最上部の層を示す。熱水供給口５３から供給された熱水は、熱水流路垂直仕切り５４に導かれて、渦巻状に中心部まで流れる。そして中心部の熱水流路中央貫通部５５から下層へ送られる。
【００１９】
図８は上部から２層目を示す。熱水流路中央貫通部５７から上層より送られてきた熱水は、熱水流路垂直仕切り５４に導かれて、渦巻状に外周部まで流れる。そして外周部の熱水流路外周貫通部５８から下層へ送られる。
【００２０】
図９は上部から３層目を示す。熱水流路外周貫通部５９から上層より送られてきた熱水は、熱水流路垂直仕切り５４に導かれて、渦巻状に中心部まで流れる。そして中心部の熱水流路中央貫通部５５から下層へ送られる。
以降、図８と図９に示す構造の層を繰り返して、最下層まで達する。
【００２１】
以上、全体としては、貫流式熱交換器とシェル・アンド・チューブ熱交換器との組み合わせである。加熱の為の熱水を上部から下部、加熱対象の復水は下部から上部へ流れるように対向流式として、熱交換効率を高めている。また、流路面積を限定することで一定の流体速度を維持し、熱伝達率の低下を防ぐ。但し、流路内での圧力低下による蒸気泡発生を防ぐ為に、流路面積は熱水供給管以上の面積を全流路で確保する。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
例で示した通り、熱発電システムの蒸気発生器に対する利用を検討できる。
また、鉛直に立てた蒸気発生管の水平断面内径面積よりも、実質の蒸気発生面面積が大きくできることから、蒸気発生器を設置する空間として、垂直方向に長く確保でき、かつ水平面積はあまりとりたくない場合により有効であると考える。具体的には例えば、海底熱資源を発電に利用する場合、海中海底までの空間を利用して蒸気発生器を設置する場合に有効である。
【符号の説明】
【００２３】
１１  蒸気流
１２  蒸気発生管
１３  流体制御板
１４  液体媒体および蒸気泡の回転流
１５  見かけ上の液体面
１６  液体媒体供給流
１７  熱供給用流体流路
１８  熱供給流体流
２１  蒸気泡流
２２  液体媒体流
３１  流体制御板拡大図
３２  ボルト
３３  ボルト穴
４１  蒸気排出ノズル
４２  湿分分離器
４３  気水分離器
４４  蒸気集合室
４５  蒸気発生管群
４６  蒸気発生管支持板（熱水流路水平仕切り）
４７  熱水供給管
４８  熱水（原子炉一次冷却材）入口
４９  復水水位
５０  復水入口
５１  復水供給管
５２  熱水（原子炉一次冷却材）出口
５３  熱水供給口
５４  熱水流路垂直仕切り
５５  熱水流路中央貫通部（下方貫通）
５７  熱水流路中央貫通部（上方貫通）
５８  熱水流路外周貫通部（下方貫通）
５９  熱水流路外周貫通部（上方貫通）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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