CH627870A5

CH627870A5 - Misch- und verteilvorrichtung fuer gase von hoher temperatur.

Info

Publication number: CH627870A5
Application number: CH1588177A
Authority: CH
Inventors: Johannes Dr Lukaszewicz; Ulrich Dr Mueller-Frank; Herbert Dr Reutler
Original assignee: Hochtemperaturreaktor Technik
Priority date: 1977-03-03
Filing date: 1977-12-22
Publication date: 1982-01-29
Also published as: JPS6118713B2; FR2382264B1; JPS53110168A; GB1593462A; DE2709171C2; US4257845A; DE2709171A1; FR2382264A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Misch- und Verteilvorrichtung für heisse Gase für einen gasgekühlten Kugelhaufenreaktor, dessen Wärme beispielsweise für chemische Prozesse genutzt werden soll.

Einige chemische Prozesse laufen nur bei sehr hohen Temperaturen im Bereich von ca. 1000 °C mit genügender Ausbeute ab. Da die Festigkeit der verwendbaren Werkstoffe oberhalb dieser Temperatur erheblich nachlässt und Temperaturunterschiede, insbesondere ausgeprägte Gassträhnen mit Über- oder Untertemperatur, nicht zu vermeiden sind, sollen die Nachteile solcher Gassträhnen durch Vermischung mit dem übrigen Gasstrom vermieden werden. Bei gasgekühlten Kugelhaufenreaktoren sind diese Probleme von besonderer Bedeutung. Einerseits ist die Oberfläche einer Kugelschüttung naturgemäss uneben, andererseits wird die Unterseite einer solchen Kugelschüttung durch einen oder mehrere Trichter begrenzt, die die abgebrannten Brennstoffkugeln zu einer oder mehreren Kugelabzügen leiten sollen. Die sich daraus ergebenden Unterschiede hinsichtlich der Länge der Strömungswege in der Kugelschüttung führen zu unterschiedlichen Aufheizspannen des Kühlgases und damit zu Temperatursträhnen. Weitere Ursachen für unterschiedliche Gasaustrittstemperaturen sind das radiale Leistungsdichteprofil sowie Absorberstabeinflüsse und Randeffekte an der Behälterwand. Mit Rücksicht auf die begrenzte Eindringtiefe der Absorberstäbe und eine wirtschaftlich vertretbare Leistung der Gebläse wird bei den geplanten Kugelhauf enreak-5 toren grosser Leistung im Vergleich zu Reaktoren kleinerer Leistung nur der Durchmesser der Kugelschüttung bei gleichbleibender Höhe vergrössert, wodurch die Ausbildung von Temperatursträhnen begünstigt wird. Neuere Versuche haben gezeigt, dass sich diese Temperaturstähnen bis zum Wärmetauscher io fortsetzen und dort Störungen verursachen bzw. deren Lebensdauer herabsetzen können. Gasgekühlte Kugelhaufenreaktoren, in denen diese Erfindung angewandt werden kann, sind in den deutschen Offenlegungsschriften 24 08 926.7 und 24 56 405 beschrieben.

15 Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Misch- und Verteilvorrichtung mit grossem Durchmesser/Höhen-Verhältnis zum Ausgleich von Temperatursträhnen für gasgekühlte Kugelhaufenreaktoren zu schaffen. Diese Vorrichtung soll die 2o senkrecht von oben anströmenden Gase ausserdem in waagerechte Richtung umlenken und auf mehrere, über den Umfang verteilte Gaskanäle aufteilen. Soweit diese Kugelhaufenreaktoren durch Zugabe einer Vielzahl von kleinen Kugeln aus einem absorbierenden Material in kernphysikalischem Sinne abge-2J schaltet werden sollten, ist es ausserdem Aufgabe der erfin-dungsgemässen Mischvorrichtung, diese Absorberkugeln zu einem oder mehreren über den Querschnitt verteilten Abzügen zu leiten.

In den Zeitschriften: «Verfahrenstechnik» (1970) Nr. 12 30 auf den Seiten 538 bis 543 und «Chemie-Ingenieurtechnik» (1972) Nr. 18 auf den Seiten 1051 bis 1056 wird über die turbulente Mischung in Rohren berichtet. In diesen beiden Artikeln wie auch in den dort angegebenen Literaturstellen werden zahlreiche unterschiedliche metallische Einbauten in Rohrleitungen 35 beschrieben, die durch Umlenkung, Rotation und anschliessende Gleichrichtung, durch Drosselung und andere Massnahmen unterschiedliche Gassträhnen homogenisieren. Diese Vorrichtungen sind aber weder für Gastemperaturen von ca. 1000 °C noch für die hier vorgesehenen Abmessungen geeignet. Die vor-40 liegende Erfindung geht aus von dem Gedanken, dass bei diesen hohen Gastemperaturen auch die Vorrichtung selbst und ihre Umgebung weitgehend vor schädlichen Temperaturdifferenzen geschützt werden muss. Ausserdem soll durch die Anordnung dieser Vorrichtung unmittelbar nach der Kugelschüttung ver-45 mieden werden, dass eine zu einer getrennten Vorrichtung führende Rohrleitung bereits durch Temperaturdifferenzen belastet wird.

Die im Patentanspruch 1 vorgeschlagene Vorrichtung verso teilt das heisse Gas auf eine grosse Anzahl von Kanälen, die in jeder Schicht mit anderen Kanälen zusammengeführt und anschliessend erneut aufgeteilt werden. Durch diese mehrfache Umlenkung, Zusammenführung und erneute Aufspaltung werden Temperaturunterschiede über den Querschnitt sehr schnell 55 ausgeglichen. Durch die vorgeschlagene Aufteilung auf zahlreiche Blöcke in mehreren Schichten ist jeder einzelne Block nur geringen Temperaturdifferenzen und damit auch nur geringen Temperaturspannungen ausgesetzt. Da jeder Block von mehreren Kanälen durchzogen ist, sind auch zwischen Aussen und 60 Innen keine wesentlichen Temperaturdifferenzen zu erwarten. Wenn diese Vorrichtung unmittelbar angrenzt an den Raum, in dem die hohe Temperatur entsteht, wird nicht nur Raum gespart, sondern auch jegliche Rohrleitung vermieden, die ihrerseits wieder durch Temperaturdifferenzen belastet wäre.

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Die im Patentanspruch 2 vorgeschlagenen Blöcke sind mit einem rechteckigen Querschnitt für rechteckige Behälter, mit einem trapezförmigen Querschnitt für runde oder polygonför-

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mige Behälter bestimmt. Wenn man, wie vorgeschlagen, von jeder der acht Ecken einen Kanal zu einem zentralen Punkt des Blockes führt, ist sichergestellt, dass die Kanäle jeweils mit den entsprechenden Kanälen der benachbarten Blöcke verbunden sind und die für eine gute Mischung erforderliche Verzweigung 5 und Zusammenführung der Kanäle gewährleistet ist. Durch die zu einem zentralen Punkt etwa in der Mitte des Blockes zusammenlaufenden Kanäle wird erreicht, dass der Block bei Temperaturänderungen sehr schnell und mit nur geringen Temperaturdifferenzen auch von innen gewärmt wird. 10

Der im Patentanspruch 3 vorgeschlagene Block stellt eine besonders wirtschaftlich herzustellende Ausgestaltung des bereits beschriebenen Blockes dar. Mit nur vier geradlinigen Bohrungen werden jeweils zwei räumlich-diagonal gegenüberliegende Ecken des Blockes durch Kanäle verbunden. 15

Der im Patentanspruch 4 vorgeschlagene Block stellt einen Sonderfall der im Patentanspruch 2 und 3 beschriebenen Blöcke dar. Wenn man zwei dieser Blöcke umgekehrt aufeinanderlegt, entsteht wieder ein Block von grösserer Abmessung, bei dem wieder von jeder Ecke ein Kanal zur Mitte verläuft. Selbstver- 20 ständlich kann man diesen Block auch noch in kleinere Einzelheiten aufteilen.

Mit der im Patentanspruch 5 vorgeschlagenen Vorrichtung kann man eine über den Querschnitt unterschiedliche Ge- 25 schwindigkeitsverteilung in gewünschterWeise verändern.

Wenn beispielsweise am Umfang der Vorrichtung wegen der dort wesentlich kürzeren Kanäle eine höhere Strömungsgeschwindigkeit als in der Mitte zu erwarten ist, dann kann man dies durch entsprechend geringere Kanaldurchmesser ausglei- 30 chen. Durch radial nach aussen abnehmende Kanaldurchmesser in den oberen Blöcken kann man die Gasströmung vom Umfang mehr zur Mitte der Vorrichtung leiten.

Die im Patentanspruch 6 vorgeschlagene Ausführungsform der Vorrichtung für einen gasgekühlten Kugelhaufenreaktor 35 dient erfindungsgemäss gleichzeitig als Misch- und Verteilungsvorrichtung. Damit die Brennstoffkugeln nicht den Querschnitt eines Kanals versperren und auch nicht in der Kanalöffnung liegenbleiben können, erhält jeder Block, der unmittelbar an die Kugelschüttung angrenzt, eine grosse Anzahl von parallelen Ka-40 nälen, deren Abmessung wesentlich kleiner ist als der Durchmesser der Brennstoffkugeln. Unterhalb dieser zahlreichen kleinen Kanäle ist jeweils ein Sammelraum vorgesehen, der mit den grösseren Kanälen des darunterliegenden Blockes in Verbindung steht. Da diese unmittelbar an die Kugelschüttung angren- 45 zenden Blöcke den höchsten Temperaturen und damit auch den höchsten Temperaturdifferenzen ausgesetzt sind, ist es zweckmässig, wenn diese Blöcke aus einem besonders hochwertigen Material hergestellt werden.

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Die im Patentanspruch 7 vorgeschlagene Vorrichtung betrifft einen gasgekühlten Kugelhaufenreaktor, der notfalls durch Zugabe zahlreicher Absorberkugeln von oben in kernphysikalischem Sinne abgeschaltet werden soll. Diese Absorberkugeln haben einen wesentlich kleineren Durchmesser als die Brenn- 55 stoffkugeln und rieseln dementsprechend durch die Zwischenräume zwischen den Brennstoffkugeln nach unten und auch in den Boden der Vorrichtung. Damit diese Absorberkugeln zum Wiedereinfahren des Reaktors restlos aus der Kugelschüttung und aus der Vorrichtung entfernt werden können, sind die un- 60 tersten Kanäle der Vorrichtung jeweils zur Mitte des Reaktors oder zu einem von mehreren über den Querschnitt verteilten Abzüge geneigt, so dass die Absorberkugeln zunächst durch die Mischkanäle und dann durch die untersten geneigten Kanäle abfliessen können. 65

Die Figuren 1-10 zeigen mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Figur 1 zeigt einen senkrechten radialen Schnitt durch den linken unteren Teil eines gasgekühlten Kugelhaufenreaktors, der von oben nach unten von Helium durchströmt werden soll.

Figur 2 zeigt einen waagerechten Schnitt z.T. durch eine Schicht von Blöcken und zum Teil zwischen zwei Schichten von Blöcken.

Die Figuren 3-10 zeigen einzelne Blöcke für die erfindungs-gemässen Vorrichtungen.

In Figur 1 sind zahlreiche Schichten von Blöcken von unten nach oben fortlaufend von 1 bis 15 nummeriert und von der Mitte nach aussen mit Buchstaben von a bis i bezeichnet, so dass die Lage eines jeden Blockes durch eine Kombination einer Zahl und eines Buchstabens definiert ist. Oberhalb der Blöcke IIa bis 9d bzw. der Blöcke 8e bis 11h befindet sich beim Betrieb des Reaktors eine Schüttung von nicht gezeichneten Brennstoffkugeln, die durch Helium, und zwar von oben nach unten, gekühlt werden. Diese Brennstoffkugeln werden, wie in den angegebenen Offenlegungsschriften beschrieben, durch hier nicht gezeichnete Kanäle unterhalb des Blockes 8d nach unten abgezogen. Die Blöcke IIa bis 9d und 8e bis 10g haben zahlreiche senkrechte parallele Gaskanäle, deren Abmessung aber so klein ist, dass weder die Brennstoffkugeln in sie eindringen noch überhaupt in ihrer Öffnung liegenbleiben können. Die an der Seitenwand angeordneten Blöcke 11h und Iii bis 15h und 15i haben keine Gaskanäle und dienen zum Schutz der Seitenwand-elemente 20 vor hohen Temperaturen und vor der direkten Einwirkung der Strahlung. Unterhalb der mit zahlreichen senkrechten parallelen Gaskanälen versehenen Blöcke ist jeweils ein Gassammeiraum vorhanden, von dessen Mitte jeweils vier schräge Gaskanäle zu den darunterliegenden vier Ecken eines Blockes, beispielsweise 10b oder 9c verlaufen. Die darunterliegenden Blöcke, beispielsweise 9b und 8c haben jeweils von allen ihren 8 Ecken je einen Kanal zu ihrer Mitte, der zwangsläufig mit den entsprechenden Kanälen benachbarter oder darunterliegender Blöcke in Verbindung steht. Durch diese mehrfache Aufteilung, Umlenkung und Wiederzusammenführung von Teilströmen werden unterschiedliche Gastemperaturen schnell ausgeglichen. Ausserdem wird das Heissgas durch die zahlreichen diagonalen Kanäle zu einer ringförmigen Sammelkammer 22 geleitet. Von dort strömt es zu mehreren über den Umfang verteilten Gaskanälen 21. In der ringförmigen Sammelkammer 22 sind zwischen den Blöcken 3h und 7h zur Vergrösserung des Strömungsquerschnitts anstelle von Blöcken Säulen 23 vorgesehen. In den Blöcken 3a bis 3g sind nur noch Kanäle vorhanden, die die weiter oben bereits beschriebenen Absorberkugeln zu den Abflussrohren 25 und 26 leiten sollen.

Figur 2 zeigt, wie die Gasströme in einer waagerechten Ebene zu den Heissgaskanälen 21 geleitet werden. Im vorliegenden Fall wird der Reaktorbehälter an der Seitenwand durch polygonartig angeordnete Seitenwandelemente 20 begrenzt, die an mehreren gleichmässig über den Umfang verteilten Stellen durch diese Gaskanäle 21 durchbrochen werden. Um eine ungehinderte Ausdehnung der Blöcke bei Erwärmung zu ermöglichen, sind zwischen grösseren Sektoren radiale Ausdehnungsspalte 27 und zwischen diesen Sektoren und einem zentralen inneren Kegel ein polygonartiger Ausdehnungsspalt 28 vorgesehen. Es ist von besonderer Bedeutung, dass die Gaskanäle 21 jeweils in der Mitte zwischen diesen radialen Ausdehnungsspalten 27 münden, damit nicht durch diese Ausdehnungsspalte Temperatursträhnen ungehindert zu den Gaskanälen 21 geleitet werden.

Die Figuren 3,5,7 und 9 zeigen jeweils einzelne Blöcke in Seitenansicht, während die jeweils darunterliegenden Figuren 4, 6,8 und 10 denselben Block in der Daraufsicht zeigen. Der in den Figuren 3 und 4 dargestellte Block ist in Figur 1 beispiels

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weise als Block 5f zu finden. Der in den Figuren 5 und 6 dargestellte Block ist in Figur 1 beispielsweise als Block 10b zu finden. Der in den Figuren 7 und 8 dargestellte Block ist in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellt, liegt daher auch im Rahmen der Erfindung. Der in den Figuren 9 und 10 dargestellte sechseckige Block zeigt, dass man das Prinzip dieser Erfindung beispielsweise auch auf einen Reaktorboden anwenden kann, der aus sechseckigen Blöcken besteht.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

627 870 PATENTANSPRÜCHE

1. Misch- und Verteilvorrichtung für Gase von hoher Temperatur für einen gasgekühlten Kugelhaufenreaktor, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Diese Vorrichtung besteht aus zahlreichen polygonalen Blöcken (la-15i)

b) Diese Blöcke sind in mehreren Schichten (1-11) übereinander und nebeneinander gestapelt.

c) Diese Blöcke haben Kanäle, deren Achsen einen Winkel zueinander und zur Hauptstromrichtung bilden.

d) Diese Kanäle stehen mit benachbarten Kanälen desselben oder eines benachbarten Blockes in Verbindung.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Mindestens ein Block (5f ) hat einen rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt.

b) Von allen acht Ecken dieses Blockes verläuft je ein Kanal zu einem zentralen Punkt des Blockes.

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Ein Block (5f) hat vier diagonale Bohrungen.

b) Diese Bohrungen verbinden jeweils zwei räumlich-diagonal gegenüberliegende Ecken.

4. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:

Von der Mitte einer Wand eines Blockes (10b) verlaufen Kanäle zu den Ecken der gegenüberliegenden Wand.

5. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet, durch folgendes Merkmal:

Die Kanaldurchmesser sind radial und/oder axial unterschiedlich gross.

6. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) An der Grenzfläche zur Kugelschüttung befindet sich eine Lage von Blöcken (11) mit zahlreichen parallelen Kanälen.

b) Die Abmessungen dieser Kanäle sind wesentlich kleiner als der Durchmesser der Brennstoffkugeln.

7. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 und 4, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:

An der Unterseite dieser Vorrichtung befindet sich eine Lage von Blöcken (3), deren unterste Kanäle jeweils zur Mitte (25) des Reaktors oder zu einem von mehreren über den Querschnitt verteilten Abzüge (26) geneigt sind.