CH706529B1 - Mehrwegeverteiler zur Separation eines Fluid-Massenstroms in stabile, turbulenzarme Teilmassenströme. - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) zur Separation eines Fluid-Massenstroms (M 0 ) in einer kerntechnischen Anlage angegeben, mit einem primären Endstück (3) zur Durchführung des Fluid-Massenstroms und mit einer Mehrzahl von sekundären Endstücken (4, 6) zur Durchführung einer Mehrzahl von separaten Teilströmen des Fluid-Massenstroms. Die Erfindung betrifft das Gebiet der Rohrverzweigungen bzw. Mehrwegeverteiler. Das primäre Endstück (3) verzweigt in Rohrbögen (9) und ein achsparalleles Separationsrohr (10). Die erfindungsgemässe Vorrichtung (1) bewirkt, dass das Verhältnis der Teilströme zueinander bei veränderlichem Fluid-Massenstrom möglichst gleich bleibt.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Separation eines Fluid-Massenstroms, insbesondere zum Einsatz in einer kerntechnischen Anlage.

[0002] Derartige Vorrichtungen sind in der Regel als Teilsegmente von Rohrleitungen bildenden Mehrwegeverteilern ausgebildet und werden eingesetzt, um in Rohrleitungen geführte Flüssigkeits-, Gas- oder Dampfströme (Fluid-Massenströme) voneinander zu trennen und in eine Mehrzahl von Teilströmen aufzuspalten. In entsprechender Weise können sie bei Umkehr der Strömungsverhältnisse auch zur Zusammenführung separater Teilströme verwendet werden.

[0003] In einer kerntechnischen Anlage, beispielsweise in einer Kernkraftwerksanlage, werden in den Wasserkreisläufen – beispielsweise im primären Reaktor-Kühlkreislauf oder in den Turbinenkreisläufen – Rohrleitungssysteme mit derartigen Verteilern eingesetzt, insbesondere 3-Wege-Verteiler. Innerhalb der Kreisläufe können Druck und Temperatur hohe Werte erreichen oder das Wasser kann mit Ionen oder mit radioaktiven Feststoffpartikeln vermischt sein, so dass die Rohrleitungssysteme insgesamt, und in den Rohrleitungssystemen insbesondere die Verteiler, hohen Beanspruchungen ausgesetzt sind, unter denen sie langfristig dicht sein und sehr zuverlässig funktionieren müssen. An Verteiler ist zudem die Forderung gestellt, einen Flüssigkeitsstrom in Teilströme mit einem vorgegebenen Massenstromverhältnis zu separieren, welches auch bei veränderlichen Drücken, Temperaturen und Strömungsgeschwindigkeiten möglichst gleichbleibend ist.

[0004] Für Mehrwegeverteiler werden üblicherweise Rohrverschneidungen umfassende Verbindungselemente eingesetzt. So stellt insbesondere ein Kreuzstück eine bekannte und standardmässig verwendete Bauform für einen 3-Wege-Verteiler dar. Ein durch ein Endstück des Kreuzstückes einströmender Fluid-Massenstrom verteilt sich bei gleichbleibender Strömungsrichtung auf die restlichen drei Endstücke, über die die separierten Teilströme abfliessen. Das Massenverhältnis der Teilströme wird dabei im Wesentlichen durch die Verhältnisse der Rohrdurchmesser der Endstücke und durch die Winkel zwischen den Endstücken und des Weiteren durch die Druckverluste in den Rohrleitungen der drei Teilströme eingestellt.

[0005] Nachteiligerweise bildet eine Strömung innerhalb eines Kreuzstückes an den Kanten der Rohrverzweigungen Instabilitäten aus, so dass sich je nach Druck- und Geschwindigkeitsverteilung in der Strömung Verwirbelungen und Turbulenzen ausbilden, die zu einem zeitlich veränderlichen Massenverhältnis der Teilströme führen können. Zwar kann die Turbulenzbildung an den Kanten durch eine Glättung der Rohrprofile im Bereich der Kanten vermindert werden, allerdings bilden sich Instabilitäten und Verwirbelungen allein schon durch die Aufteilung der annähernd laminaren Primärströmung im Mittelteil des Kreuzstückes aus. Durch eine Winkelung der Rohrendstücke des Kreuzstückes in Strömungsrichtung kann diese Wirkung zwar vermindert, jedoch nicht komplett vermieden werden. Durch Verwirbelungen und Turbulenzen ist die Reibung in der Strömung im Vergleich zu einer nicht-ablösenden Strömung erhöht. Das Kreuzstück ist im Vergleich zu einem geraden Rohrsegment einer hohen Belastung ausgesetzt. Insbesondere im Bereich der Kanten des Kreuzstückes ist die Belastung besonders hoch.

[0006] Ein Kreuzstück wird in der Regel aus mehreren Rohrendstücken zusammengeschweisst. Die Schweissnähte müssen daher besonders stabil ausgeführt sein. Zudem sind in definierten Zeitabständen Untersuchungen erforderlich, um den Zustand der Schweissnähte zu überprüfen. Bei der Verwendung von Kreuzstücken als 3-Wege-Verteiler hat dies insbesondere einen erhöhten Prüf- und Wartungsaufwand zur Folge.

[0007] Eine Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung anzugeben, mit der ein Fluid-Massenstrom – insbesondere in einer kerntechnischen Anlage – in Teilströme mit einem vorgegebenen Massenstromverhältnis separiert werden kann, wobei das Massenstromverhältnis der Teilströme unter veränderlichen Druck-, Temperatur-, und Geschwindigkeitsverteilungen im Fluid-Massenstrom möglichst gleichbleibend ist. Ferner wird angestrebt, dass die Teilströme möglichst stabil und turbulenzarm sind, so dass die Vorrichtung möglichst geringen Belastungen ausgesetzt ist, somit möglichst zuverlässig ist und wartungsarm im sicherheitskritischen Umfeld, etwa in einer kerntechnischen Anlage eingesetzt werden kann. Eine besondere Herausforderung stellt die Aufgabe dar, die Strömungsseparation so zu gestalten, dass es nicht zu schwankenden oder hin und her pendelnden Teilströmen kommt, sondern dass jeder Teilstrom für sich zeitlich stabil bleibt.

[0008] Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach wird eine Vorrichtung zur Separation eines primären Fluidstroms in mindestens drei voneinander getrennte sekundäre Teilströme vorgeschlagen, mit einem primären Endstück in Gestalt eines Rohrabschnittes, welches sich in Strömungsrichtung des primären Fluidstroms gesehen in mindestens zwei Rohrbögen verzweigt, die jeweils in sekundäre Endstücke übergehen, mit einem im Wesentlichen geraden Separationsrohr, das durch die von den Rohrbögen gebildete Verzweigung hindurchgeführt ist und einen Innenabschnitt aufweist, der unter Ausbildung eines Ringspaltes in das primäre Endstück hineinragt und der in Strömungsrichtung gesehen in einen Aussenabschnitt übergeht, der ein weiteres sekundäres Endstück bildet, so dass ein im Querschnitt des primären Endstücks gesehen zentraler Anteil des primären Fluidstroms im Wesentlichen ohne Richtungsumlenkung als einer der Teilströme das Separationsrohr durchströmt, und dass der verbleibende äussere Anteil des primären Fluidstroms durch den Ringspalt hindurch unter Ausbildung der weiteren Teilströme auf die mindestens zwei Rohrbögen verteilt wird.

[0009] Die Erfindung geht von der Überlegung aus, den Fluid-Massenstrom im nicht-ablösenden, quasi-laminaren Bereich des Strömungsfeldes, in dem ein relativ homogenes Geschwindigkeitsfeld vorliegt und keine Querschnittsversperrungen vorhanden sind, mit Hilfe eines Separationsrohres, im Folgenden auch Trennungselement oder Führungsrohr, geometrisch zu separieren, so dass die Teilströme unmittelbar in den durch das Trennungselement oder die Trennungselemente vorgegebenen Teilbereichen entstehen und von dort an wechselwirkungsfrei weitergeführt und in die jeweiligen Endstücke geleitet werden (sogenannte hydraulische Entkopplung). Bei dieser Art der Separation wird die Strömung im Nahbereich der Aufteilung nicht gestört, so dass eine weitgehend homogene und störungsfreie Aufteilung des Gesamtmassenstromes in eine Mehrzahl von Teilströmen möglich ist. Durch die jeweils getrennte Weiterführung jedes Teilstromes findet keine wechselseitige Beeinflussung der Teilströme statt, so dass – anders als im zentralen Bereich eines Kreuzstückes – keine grossräumigen Verwirbelungen und Turbulenzen in der Strömung auftreten, die zu einer erhöhten inneren Reibung in der Strömung und zu zeitlich veränderlichen Massenstromverhältnissen der Teilmassenströme zueinander führen würden. Die Massenverhältnisse der Teilmassenströme sind zeitlich weitgehend konstant und hängen im Wesentlichen nur noch von den Grössenverhältnissen der durch die Trennungselemente definierten Teilbereiche und von dem Gesamtmassenstrom selbst ab.

[0010] In entsprechender Weise können – bei einer Umkehrung der Strömungsrichtung – mit Hilfe der Vorrichtung eine Mehrzahl von Fluid-Massenströmen zu einem Gesamtmassenstrom zusammengeführt werden. Das Trennungselement oder die Trennungselemente führen in diesem Fall dazu, dass die unterschiedlichen Teilströme erst an einem Ort zusammenfliessen, an dem sie im Wesentlichen parallel zueinander geführt sind. Entsprechend dem Fall der Massenstromseparation wird dadurch die wechselseitige Beeinflussung der Teilströme reduziert, so dass im Strömungsfeld des Gesamtmassenstroms im Bereich der Zusammenführung weniger Instabilitäten auftreten als bei der Zusammenführung mit Hilfe eines Kreuzstückes.

[0011] In einer nicht anspruchsgemässen Ausführungsform der Vorrichtung ist die Anzahl der Teilbereiche gleich der Anzahl der sekundären Endstücke. Damit ist jedem Teilmassenstrom genau ein sekundäres Endstück der Vorrichtung zugeordnet, in das der jeweilige Teilmassenstrom geleitet wird.

[0012] Nicht anspruchsgemäss weist die Vorrichtung eine ausgezeichnete Symmetrieachse auf. Eine derartige Symmetrieachse ist vorzugsweise identisch zu der zentralen Längsachse des primären Endstückes. Nicht anspruchsgemäss weist weiterhin die Vorrichtung mit den sekundären Endstücken bezüglich Drehungen der Vorrichtung um diese Symmetrieachse eine diskrete Symmetrie auf. Dies bedeutet, dass die Vorrichtung bei einer Drehung um die Symmetrieachse aus einer Ausgangsposition um einen ganzzahligen Bruchteil von 360° die Vorrichtung identisch aussieht wie in der Ausgangsposition.

[0013] Mittels einer möglichst symmetrischen Formgebung kann die Vorrichtung besonders kompakt und platzsparend realisiert werden, was insbesondere für Transport, Installation und Wartung in einer sicherheitskritischen Umgebung – wie in einer kerntechnischen Anlage – von besonderer Bedeutung ist.

[0014] In einer besonders zweckmässigen Weiterbildung ist die Vorrichtung als ein 3-Wege-Verteiler ausgebildet. Ein 3-Wege-Verteiler weist drei sekundäre Endstücke auf, wobei in der Regel zumindest zwei der sekundären Endstücke im Wesentlichen gleichartig ausgebildet sind. Bei einer besonders bevorzugten Formgebung eines 3-Wege-Verteilers ist eines der sekundären Endstücke in Fortsetzung des primären Endstückes ausgebildet, so dass die Symmetrieachse der Vorrichtung und die zentrale Längsachse des primären Endstückes auch die zentrale Längsachse dieses sekundären Endstückes darstellt. Die weiteren beiden Endstücke sind im Wesentlichen gleichartig geformt und bzgl. der Symmetrieachse einander gegenüberliegend angeordnet, so dass die Vorrichtung insgesamt eine 180°-Rotationssymmetrie bzw. eine Spiegelsymmetrie aufweist.

[0015] Zweckdienlicherweise ist zumindest ein Endstück in Form eines Führungsrohres ausgebildet. Insbesondere können das primäre Endstück und/oder zumindest ein sekundäres Endstück in Form eines Führungsrohres ausgebildet sein. In einer zweckmässigen Weiterbildung der Vorrichtung sind das primäre Endstück und die sekundären Endstücke in Form von Führungsrohren ausgebildet, die jeweils für eine geeignete Verbindung mit jeweils einer passenden Rohrleitung vorgesehen sind.

[0016] In der zuletzt dargelegten Ausführungsform der Vorrichtung weist das oder jedes Führungsrohr nicht anspruchsgemäss eine glatte Krümmung auf. Daraus folgt insbesondere, dass dem jeweiligen Führungsrohr keine die Strömung störenden Ecken, Kanten und Vorsprünge eingeprägt sind, und/oder dass das Führungsrohr mit einer kontinuierlichen Formanpassung aus einem anderen Rohr abzweigt, im Gegensatz zu der bei einem Kreuzstück üblicherweise existierenden Gestaltung. An einer Ecke oder Kante oder allgemein an einer diskontinuierlichen Formänderung der Oberfläche lösen sich Strömungen in bevorzugter Weise ab, und das Strömungsfeld der Strömung in einem Bereich um die jeweilige Ecke bzw. Kante bzw. diskontinuierliche Formänderung zeigt ein instationäres Verhalten mit Ablösung / Verwirbelung und ist verlustbehaftet. Durch eine glatte Oberflächenkrümmung wird eine derartige Ablöseneigung weitgehend minimiert, so dass die Strömung in dem Rohr weitgehend störungsfrei fliesst und somit eine vergleichsweise geringe Belastung auf das Rohr ausgeübt wird und geringe Verluste auftreten.

[0017] Demgegenüber kann – beispielsweise durch eine gezielte Oberflächenstrukturierung auf der Innenseite des oder jeden Führungsrohres – eine Bildung von Mikroturbulenzen durchaus erwünscht sein, da solche Mikroturbulenzen die Ausbildung einer charakteristischen Grenzschicht zwischen einem laminaren Strömungsfeld und einer Grenzfläche – in diesem Fall die Innenfläche des Führungsrohres – unterdrücken können, wodurch eine Übertragung von Strömungskräften auf das Rohr im Vergleich zur laminaren Grenzschicht weiter vermindert werden kann. Solche Mikroturbulenzen sind jedoch im Wesentlichen auf den unmittelbaren Grenzbereich der Strömung zur Rohrinnenfläche beschränkt, so dass das gesamte Strömungsfeld des Fluid-Massenstroms im Wesentlichen laminar ausgebildet ist. Die gezielte Herbeiführung von Mikroturbulenzen zur Verminderung von Dissipationskräften im Grenzbereich zwischen Strömungen und Grenzflächen durch eine Mikrostrukturierung der jeweiligen Oberfläche ist auch als Haifischhaut-Effekt bekannt.

[0018] Zumindest ein Trennungselement ist nicht anspruchsgemäss zweckmässigerweise in Form eines konzentrisch zu dem primären Endstück angeordneten inneren Führungsrohres ausgebildet. Dabei wird durch das Verhältnis des Querschnittes des primären Endstückes und des Querschnittes des inneren Führungsrohres bzgl. einer zu der Symmetrieachse orthogonalen Querschnittsebene das Verhältnis der Teilmassenströme reguliert, welche aus dem gesamten Fluid-Massenstrom separiert werden.

[0019] Weiterhin bildet das innere Führungsrohr nicht anspruchsgemäss ein sekundäres Endstück aus. Somit ist in dieser Weiterbildung der Vorrichtung das Trennungselement unmittelbar als ein Teil dieses sekundären Endstückes ausgebildet. Der Teilstrom des Fluid-Massenstroms, der parallel zur Symmetrieachse geführt wird, wird somit innerhalb des inneren Führungsrohres abgeleitet. Die anderen Teilströme des Fluid-Massenstroms werden um das innere Führungsrohr herum geleitet und jeweils an einer geeigneten Position von der Symmetrieachse in unterschiedliche Richtungen abgezweigt.

[0020] Zumindest ein Trennungselement ist in einer Ausführungsform in Form einer Trennflosse ausgebildet. Eine derartige Trennflosse stellt ein im Wesentlichen ebenes Flächensegment dar, wobei das Flächensegment im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung des gesamten Fluid-Massenstroms ausgerichtet ist. In einer alternativen Ausführungsform der Vorrichtung kann die Trennflosse kontinuierlich gekrümmt sein und/oder die Ausrichtung der Trennflosse eine Neigung zur Hauptströmungsrichtung des gesamten Fluid-Massenstroms aufweisen, so dass, ähnlich wie bei einer feststehenden Turbinenschaufel, das Strömungsfeld – kontinuierlich zunehmend – in eine Rotationsbewegung versetzt wird, und dass bei entsprechender Ausformung der durch das Trennungselement definierten Teilbereiche die Teilströme mit einer Windung bzgl. der Symmetrieachse der Vorrichtung in die jeweiligen sekundären Endstücke einmünden.

[0021] In dieser Ausführungsform der Vorrichtung ist die Trennflosse oder sind die Trennflossen zwischen dem primären Endstück und dem inneren Führungsrohr angeordnet. Auf diese Weise kann mit einer Mehrzahl von Trennflossen der Bereich zwischen der Innenwand des primären Endstückes und dem inneren Führungsrohr in – zweckmässigerweise gleich grosse – Sektoren aufgeteilt werden.

[0022] In einer nicht anspruchsgemässen Ausführungsform der Vorrichtung umschliesst das zu dem primären Endstück konzentrisch angeordnete und ein erstes sekundäres Endstück ausbildende innere Führungsrohr die Symmetrieachse, und sind zwei bzgl. der Symmetrieachse einander gegenüberliegend angeordnete Trennflossen vorgesehen, und die beiden bzgl. einer zur Symmetrieachse orthogonalen Querschnittsebene im Bereich des primären Endstückes halbkreisringförmigen Teilbereiche münden in zwei gleichartige und bzgl. der Symmetrieachse einander gegenüberliegend angeordnete sekundäre Endstücke.

[0023] Diese zuletzt genannte Ausführungsform bildet einen 3-Wege-Verteiler, wobei die durch die beiden gleichartigen sekundären Endstücke geführten Teilmassenströme des gesamten Fluid-Massenstroms im Wesentlichen gleich gross sind und die Grösse dieser Teilmassenströme jeweils durch das Produkt aus einer der Querschnittsflächen der halbkreisringförmigen Teilbereiche und aus der Strömungsgeschwindigkeit des Fluid-Massenstroms bestimmt ist. Die Grösse des parallel zur Symmetrieachse geführten Teilstroms des Fluid-Massenstroms ist durch das Produkt aus der Querschnittsfläche des inneren Führungsrohres im Bereich des primären Endstückes und aus der Strömungsgeschwindigkeit des Fluid-Massenstroms bestimmt.

[0024] In einer nicht anspruchsgemässen Weiterbildung der Vorrichtung nimmt der Innendurchmesser des rohrförmig ausgebildeten primären Endstückes im Bereich der Trennflossen einen Wert im Wesentlichen zwischen 500 mm und 600 mm an, und/oder nimmt der Innendurchmesser des inneren Führungsrohres im Bereich des primären Endstückes einen Wert im Wesentlichen zwischen 180 mm und 200 mm an, und/oder nimmt der Innendurchmesser des inneren Führungsrohres im endseitigen Bereich gegenüberliegend dem Bereich des primären Endstückes einen Wert im Wesentlichen zwischen 180 mm und 300 mm an, und/oder nimmt der Innendurchmesser der gleichartigen sekundären Endstücke einen Wert zwischen 300 mm und 400 mm an.

[0025] Zweckmässige Ausgestaltungen der Vorrichtung betreffen ihre Ausbildung als einstückiges Formteil oder ihre Zusammensetzung aus einer Mehrzahl von einstückig ausgebildeten Formteilen.

[0026] In einer nicht anspruchsgemässen Ausgestaltung ist die Vorrichtung als ein einstückiges Formteil ausgebildet. Ein solches einstückig ausgebildetes Formteil wird in einem Guss gefertigt und ist daher besonders robust und somit besonders wartungsarm. Insbesondere weist ein einstückig ausgebildetes Formteil keine Schweissnähte auf, welche als potenziell schwächste Bereiche einer Konstruktion besonders häufig überprüft werden müssen.

[0027] in einer alternativen Ausführungsform ist die Vorrichtung aus einer Mehrzahl von einstückig ausgebildeten Formteilen zusammengesetzt. Zwar zeichnen sich einstückige Formteile durch ein besonders hohes Mass an Robustheit und Stabilität aus, jedoch kann die Herstellung der Vorrichtung aus einem Guss bei einer hohen Komplexität der Formgebung aufwendig und dementsprechend kostenintensiv sein, so dass eine Zusammensetzung der Vorrichtung aus mehreren einstückig ausgebildeten, jedoch jeweils in sich weniger komplex geformten Formteilen bevorzugt sein kann.

[0028] In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der zuletzt genannten Ausführungsvariante der Vorrichtung in Form eines 3-Wege-Verteilers ist dieser aus einem inneren Führungsrohr und einer äusseren Rohrverzweigung zusammengesetzt, wobei das innere Führungsrohr durch eine Aussparung in der Rohrverzweigung durch die Rohrverzweigung geführt ist, und wobei die Aussparung bzgl. der Symmetrieachse dem primären Endstück gegenüberliegend angeordnet ist. Darüber hinaus sind vorzugsweise die Trennflossen mit dem Führungsrohr und/oder mit der Rohrverzweigung fest verbunden und sind beispielsweise in schienenförmigen Aussparungen in der Rohrverzweigung bzw. in dem Führungsrohr mit der Rohrverzweigung bzw. mit dem Führungsrohr verbunden.

[0029] Weiterhin ist zweckmässigerweise für eine Verbindung von zumindest zwei der einstückig ausgebildeten Formteile eine Schraub-, Steck- und/oder Bajonettverbindung vorgesehen.

[0030] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass ein in einer zentralen Rohrleitung geführter Fluid-Massenstrom durch die für eine konsequente hydraulische Entkopplung ausgelegte neuartige Verteilergeometrie auf engstem Raum verlustarm in drei zeitlich stabile (konstante) Teil-Massenströme aufgeteilt und in drei separate Rohrleitungen überführt werden kann. Verallgemeinerungen auf Vier- oder Mehr-Wege-Verteiler sind möglich. Fertigungstechnisch kann bei der Herstellung dieses Verteilers auf Schweissarbeiten verzichtet werden. Ein mögliches Einsatzgebiet liegt insbesondere bei Siedewasserreaktoren mit externer TreibwasserschIeife, bei denen durch die geringeren zeitlichen Fluktuationen im Verteiler geringere Schwankungen im Kerndurchsatz und somit in der thermischen Leistung erreichbar sind.

[0031] Dabei ist das Separationsrohr vorzugsweise konzentrisch zum primären Endstück angeordnet und greift mit seinem am Ende offenen Innenabschnitt in das primäre Endstück ein.

[0032] Weiterhin ist vorteilhafterweise eine Anzahl von im Ringspalt angeordneten, radial vom Separationsrohr abstehenden und sich in dessen Längsrichtung erstreckenden Trennflossen zur Separation der in die Rohrbögen eintretenden Teilströme voneinander vorhanden. Im Falle zweier auslassseitig in entgegengesetzten Richtungen weisenden Rohrbögen sind zwei solcher Trennflossen, vorzugsweise an einander gegenüberliegenden Umfangsstellen des Separationsrohres, vorhanden.

[0033] Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Rohrbögen in Umfangsrichtung des primären Endstücks gesehen im Wesentlichen nach Art einer Gleichteilung eines Voltkreises angeordnet sind. Im Falle zweier Rohrbögen liegen die Achsen der sich daran anschliessenden sekundären Endstücke vorzugsweise im Wesentlichen in einer Ebene.

[0034] Vorteilhafterweise besitzt jeder der Rohrbögen einen Krümmungswinkel im Bereich von 30° bis 120°, vorzugsweise annähernd 90°.

[0035] Schliesslich ist es zweckmässig, wenn das Separationsrohr im Bereich des Durchtritts / Durchstosses durch die Verzweigung gegenüber den die Rohrbögen umschliessenden Rohrwänden abgedichtet ist. Das heisst, der Rand der entsprechenden Aussparung in den Rohrwänden liegt vorzugsweise spaltfrei am Separationsrohr an.

[0036] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung anhand einer Zeichnung erläutert.

[0037] Dabei zeigen jeweils in schematischer und semitransparenter Darstellung: <tb>Fig. 1<SEP>eine Vorrichtung zur Separation eines Fluid-Massenstroms in einer perspektivischen Darstellung, <tb>Fig. 2<SEP>die Vorrichtung gemäss Fig. 1 in seitlicher Draufsicht, <tb>Fig. 3<SEP>noch einmal die Vorrichtung gemäss Fig. 1 in perspektivischer Darstellung, mit exemplarischen geometrischen Kenngrössen, <tb>Fig. 4<SEP>eine Skizze, die den Aufbau der Vorrichtung gemäss Fig. 1 auf alternative Weise veranschaulicht, und <tb>Fig. 5<SEP>dieselbe perspektivische Darstellung der Vorrichtung gemäss Fig. 1 , jedoch mit zusätzlichen Bezugszeichen.

[0038] Gleiche Teile in Fig. 1 bis Fig. 4 sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Diese Bezugszeichen werden auch in Fig. 5 verwendet, bei der allerdings im Hinblick auf eine alternative sprachliche Charakterisierung der Erfindung noch zusätzliche Bezugszeichen verwendet werden.

[0039] In Fig. 1 ist eine auch als Verteiler bezeichnete Vorrichtung 1 zur Separation eines Fluid-Massenstroms M0perspektivisch dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst ein konisch zulaufendes inneres Führungsrohr 2, welches am schmäleren Ende von einem rohrförmigen primären Endstück 3 konzentrisch umschlossen ist. Das primäre Endstück 3 ist mit zwei gleichartig geformten und bzgl. des inneren Führungsrohres 2 einander gegenüberliegend angeordneten sekundären Endstücken 4 verbunden, so dass das primäre Endstück 3 mit den beiden sekundären Endstücken 4 eine Rohrverzweigung 5 ausbildet. Im breiteren endseitigen Bereich des inneren Führungsrohres 2, der bzgl. der Symmetrieachse X dem primären Endstück 3 gegenüberliegend angeordnet ist, bildet das innere Führungsrohr ein weiteres sekundäres Endstück 6 aus. Dabei ist das innere Führungsrohr 2 durch eine passgenaue, am Rand dicht abschliessende Öffnung 7 aus der Rohrverzweigung 5 herausgeführt.

[0040] Die Symmetrieachse X der Vorrichtung 1 entspricht der Längsachse des inneren Führungsrohres 2 sowie der Längsachse des primären Endstückes 3. Aufgrund der Anordnung der beiden gleichartig geformten sekundären Endstücke 4 ist die Vorrichtung 1 im Ausführungsbeispiel symmetrisch bezüglich einer Rotation um die Symmetrieachse X um 180°. Die beiden gleichartig geformten sekundären Endstücke 4 können alternativ leicht gegeneinander geneigte Zentralachsen aufweisen, müssen somit in Umfangsrichtung des primären Endstücks 3 gesehen nicht unbedingt in genau entgegengesetzte Richtungen weisen.

[0041] Zwischen dem inneren Führungsrohr 2 und dem primären Endstück 3 sind bzgl. der Symmetrieachse X einander gegenüberliegend zwei Trennflossen 8 ausgebildet, wobei jede Trennflosse 8 mit jedem der gleichartig geformten sekundären Endstücke 4 bzgl. einer zur Symmetrieachse X orthogonalen Querschnittsebene einen im Wesentlichen rechten Winkel ausbildet. Die Mantelfläche des inneren Führungsrohres 2 im Bereich des primären Endstückes 3 und die beiden Trennflossen 8 definieren drei Teilbereiche V1, V2, V3innerhalb des primären Endstückes 3, wobei der erste Teilbereich V1im Querschnitt gesehen im Wesentlichen halbringförmig ausgebildet ist und das innere Führungsrohr 2 halbseitig konzentrisch umschliesst, der zweite Teilbereich V2das zylinderförmige Innenvolumen des inneren Führungsrohres darstellt, und der dritte Teilbereich V3der Form des ersten Teilbereiches V1entspricht und dem ersten Teilbereich V1gegenüberliegend angeordnet ist. Jeder Teilbereich V1, V2, V3mündet in einem der sekundären Endstücke 4, 6, 4 respektive.

[0042] Das innere Führungsrohr 2 hat von der einen Endseite im Bereich des primären Endstückes 3 hin zu der anderen Endseite des sekundären Endstückes 6 einen kontinuierlich anwachsenden Durchmesser und nimmt dadurch eine leicht konische Form an. Die Rohrverzweigung 5 weist im Bereich des Übergangs von dem primären Endstück 3 zu den sekundären Endstücken 4 ein im Wesentlichen gleichmässig gekrümmtes Profil auf und besitzt somit insbesondere keine strömungsbrechenden Kanten.

[0043] Fig. 2 zeigt in einer seitlichen Projektion die Vorrichtung 1 gemäss Fig. 1 . In dieser Darstellung ist der in die Vorrichtung 1 im Bereich des primären Endstückes 3 einströmende Fluid-Massenstrom M0symbolisch durch Pfeile gekennzeichnet. Durch das innere Führungsrohr 2 und durch die Trennflossen 8 wird der Fluid-Massenstrom M0geometrisch separiert und auf die drei Teilbereiche V1, V2, V3innerhalb des primären Endstückes 3 verteilt (in der hier gewählten Ansicht stehen die Trennflossen 8 senkrecht auf der Ansichtsebene, nur eine Trennflosse 8 ist als vertikale Linie erkennbar dargestellt).

[0044] Die in den Teilbereichen V1, V2, V3gebildeten Teilmassenströme M1, M2, M3werden in getrennten Richtungen zu jeweils einem sekundären Endstück abgeleitet: Der Teilmassenstrom M2wird durch das innere Führungsrohr 2 parallel zur Symmetrieachse X abgeführt und somit dem sekundären Endstück 6 zugeleitet; die anderen beiden Teilmassenströme M1, M3werden innerhalb der Rohrverzweigung 5 um das innere Führungsrohr 2 herum und über die sekundären Endstücke 4 abgeleitet. Durch die geometrische Separation des Fluid-Massenstroms M0im Bereich des primären Endstückes 3 bleibt das Strömungsfeld der Teilmassenströme M1, M2, M3im Wesentlichen ohne Ablösegebiete ausgeprägt.

[0045] Alle weiteren Details sind der Beschreibung von Fig. 1 zu entnehmen.

[0046] Entsprechend den verschiedenen denkbaren Einsatzzwecken können die geometrischen Parameter der Vorrichtung 1 stark variieren. Bei der in Fig. 3 dargestellten, für den Einsatz im Kühlflüssigkeitskreislauf eines Siedewasserreaktors vorgesehenen Variante beträgt der Durchmesser D1 des schmalen Endes des inneren Führungsrohres 2 beispielsweise rund 190 mm, und der Durchmesser D2 am aussen liegenden breiten Ende des Führungsrohres 2 rund 290 mm. Der Durchmesser D3 des primären Endstücks 3 beträgt rund 530 mm, und der Durchmesser D4 der beiden sekundären Endstücke 4 im Bereich ihrer Auslassöffnungen beträgt jeweils rund 350 mm. Der Krümmungsradius R der beiden sich zwischen dem primären Endstück 3 und dem jeweiligen sekundären Endstück 4 erstreckenden Rohrbögen beträgt rund 600 mm.

[0047] Aus Fig. 4 geht hervor, dass sich – gedanklich und/oder real – die Vorrichtung 1 wie folgt aufbauen lässt: Zwei vorzugsweise identische Rohrbögen 9 werden jeweils parallel zu der Mittelachse M durch eine ihrer endseitigen Öffnungen entlang der Schnittkante S angeschnitten. Des Weiteren wird eine passende Aussparung A für das Führungsrohr 2 in den verbleibenden Teil des jeweiligen Rohrbogens 9 eingebracht. Die verbleibenden Teile der Rohrbögen 9 werden anschliessend in der durch Richtungspfeile gezeigten Weise zusammengeführt und an den Schnittkanten S miteinander verbunden / zusammengefügt. Ferner wird das Führungsrohr 2 in die Aussparung A eingebracht und dort in der Endlage fixiert. Schliesslich werden noch die hier nicht dargestellten, passgenau konturierten Trennflossen in den Verbund eingesetzt und fixiert. Die Verbindungsstellen zwischen Rohrbögen 9, Führungsrohr 2 und den Trennflossen sind spaltfrei und gegeneinander abgedichtet.

[0048] Selbstverständlich lassen sich auch Abwandlungen der dargestellten Grundform realisieren. So könnte beispielsweise ein entsprechender 4-Wege-Verteiler mit einem geradlinigen inneren Führungsrohr und mit drei aus einem gemeinsamen primären Endstück (Einlassöffnung) hervorgehenden, nach aussen gebogenen Rohrbögen ausgebildet werden, welche bevorzugt nach Art einer Gleichteilung des 360°-Vollwinkels jeweils im 120°-Winkelabstand zueinander anzuordnen wären. Dabei wären drei Trennflossen vorzusehen. Des Weiteren muss das innere Führungsrohr nicht unbedingt konisch ausgebildet sein. Es könnte stattdessen einen konstanten Innenquerschnitt haben. Alternativ könnte im Fall einer konischen Ausführung das breite Ende innerhalb des primären Endstücks angeordnet sein und das schmale Ende aus der Rohrverzweigung nach aussen ragen.

[0049] Die Zeichnung in Fig. 5 ist identisch mit der Zeichnung in Fig. 1 . Das innere Führungsrohr 2 aus Fig. 1 ist in Fig. 5 alternativ als Separationsrohr 10 bezeichnet worden. Zusätzlich wurde dort der Ringspalt 13 zwischen dem Innenabschnitt 12 des Separationsrohrs 10 und dem sich in der Verzweigung 11 auf die beiden Rohrbögen 9 verzweigenden primären Endstück 3 kenntlich gemacht. Der nach oben aus der Verzweigung 11 heraustretende Abschnitt des Separationsrohres 10 wurde als Aussenabschnitt 14 beschriftet. An seinem unteren, in das primäre Endstück 3 hineinragenden Ende besitzt das Separationsrohr 10 eine Eintrittsöffnung 15. Der das primäre Endstück 3 bildende Rohrabschnitt wird sich im Allgemeinen abweichend von der Zeichnung noch weiter nach unten erstrecken und in axialer Richtung über den Rand der Eintrittsöffnung 15 des Separationsrohres 10 hinaus überstehen. Die sekundären Endstücke 4 und 6 können natürlich ebenfalls noch weiter nach aussen gezogen sein. Die Trennflossen 8 können abweichend von der Zeichnung nach unten über den Rand der Eintrittsöffnung 15 hinaus überstehen oder alternativ eine weiter oben angeordnete Unterkante aufweisen, so dass im letzteren Fall das Separationsrohr 10 nach unten über die Trennflossen 8 übersteht. Generell können hier nicht dargestellte weiterführende Rohrleitungen an die Endstücke 3, 4 und 6 angeschlossen oder angeformt sein.

Bezugszeichenliste

[0050] <tb>1<SEP>Vorrichtung <tb>2<SEP>Inneres Führungsrohr <tb>3<SEP>Primäres Endstück <tb>4<SEP>Sekundäres Endstück <tb>5<SEP>Rohrverzweigung <tb>6<SEP>Sekundäres Endstück <tb>7<SEP>Öffnung <tb>8<SEP>Trennflosse <tb>9<SEP>Rohrbogen <tb>10<SEP>Separationsrohr <tb>11<SEP>Verzweigung <tb>12<SEP>Innenabschnitt <tb>13<SEP>Ringspalt <tb>14<SEP>Aussenabschnitt <tb>15<SEP>Eintrittsöffnung des Separationsrohres <tb>A<SEP>Aussparung <tb>M<SEP>Mittelachse des Rohrbogens <tb>S<SEP>Schnittkante <tb>M0<SEP>Fluid-Massenstrom <tb>Mi<SEP>Teilströme des Fluid-Massenstroms (i = 1, 2, 3) <tb>Vi<SEP>Teilbereiche der Teilströme des Fluid-Massenstroms (i = 1, 2, 3) <tb>X<SEP>Symmetrieachse der Vorrichtung

Claims (6)

1. Vorrichtung (1) zur Separation eines primären Fluidstroms (M0) in mindestens drei voneinander getrennte sekundäre Teilströme (M1, M2, M3) mit einem primären Endstück (3) in Gestalt eines Rohrabschnittes, welches sich in Strömungsrichtung des primären Fluidstroms (M0) gesehen in mindestens zwei Rohrbögen (9) verzweigt, die in jeweils ein sekundäres Endstück (4) übergehen, mit einem im Wesentlichen geraden Separationsrohr (10), das durch die von den Rohrbögen (9) gebildete Verzweigung (11) hindurchgeführt ist und einen Innenabschnitt (12) aufweist, der unter Ausbildung eines Ringspaltes (13) in das primäre Endstück (3) hineinragt und der in Strömungsrichtung gesehen in einen Aussenabschnitt (14) übergeht, der ein weiteres sekundäres Endstück (6) bildet, so dass ein im Querschnitt des primären Endstücks (3) gesehen zentraler Anteil des primären Fluidstroms (M0) im Wesentlichen ohne Richtungsumlenkung als einer der Teilströme (M2) das Separationsrohr (10) durchströmt, und dass der verbleibende äussere Anteil des primären Fluidstroms (M0) durch den Ringspalt (13) hindurch unter Ausbildung der weiteren Teilströme (M1, M3) auf die mindestens zwei Rohrbögen (9) verteilt wird.

2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das Separationsrohr (10) konzentrisch zum primären Endstück (3) angeordnet ist.

3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2 mit im Ringspalt (13) angeordneten, radial vom Separationsrohr (10) abstehenden und sich in dessen Längsrichtung erstreckenden Trennflossen (8) zur Separation der in die Rohrbögen (9) eintretenden Teilströme (M1, M3) voneinander.

4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Rohrbögen (9) in Umfangsrichtung des primären Endstücks (3) gesehen im Wesentlichen in einer gleichen Teilung angeordnet sind.

5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jeder der Rohrbögen (9) einen Krümmungswinkel im Bereich von 30° bis 120°, vorzugsweise annähernd 90°, besitzt.

6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Separationsrohr (10) im Bereich des Durchtritts durch die Verzweigung (11) gegenüber den die Rohrbögen (9) umschliessenden Rohrwänden abgedichtet ist.