CN103170188A - 用于过滤携带悬浮颗粒和/或气态碘的气流的过滤设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于过滤负载有放射性悬浮颗粒和/或气态的放射性碘的气流的过滤设备(1)，其包括密封地封闭的外罩(2)，所述外壳具有至少一个原气进口(8)、净气出口(6)和至少一个包含过滤介质的过滤件(3)，所述过滤件这样被布置在所述外罩(2)中，使得待过滤的气流会由所述至少一个原气进口(8)仅通过所述过滤件(3)到达所述净气出口(6)。为了确保较高的热量传输，根据本发明的过滤设备(1)的特征在于至少一个管件(14)，所述管件这样从第一穿透截面(20)至第二穿透截面(21)(在垂直方向上看来位于所述第一穿透截面(20)的上方)穿过所述外罩(2)，使得所述管件(14)的整个内部仅与围绕着所述过滤设备(1)的周围空气发生接触。

Description

用于过滤携带悬浮颗粒和/或气态碘的气流的过滤设备
技术领域
本发明涉及一种用于过滤负载有放射性悬浮颗粒和/或气态的放射性碘的气流的过滤设备，其包括一个密封地封闭的外罩，所述外罩具有至少一个原气进口、净气出口和至少一个包含过滤介质的过滤件，所述过滤件这样布置在所述外罩中，使得待过滤的气流会由所述至少一个原气进口仅通过所述过滤件到达所述净气出口。
背景技术
上述类型的过滤设备已知有很多种类并且被应用到核技术中的大量应用领域，其中，过滤设备必须满足与应用领域相应的要求。
在熔芯事故中，通过使反应堆的第一冷却回路中的冷却水蒸发以及反应堆基座内的混凝土的损坏，能够产生大量水蒸气和大量不可凝结的气体，所述气体会导致在围绕着反应堆和第一冷却回路的元件的安全壳内构成压力。
根据技术目前的现状，对于德国建构类型的压水反应堆而言，所述反应堆在发生熔芯事故的情况下约在4到5天后达到安全壳的为9巴的失效压力。那么，在安全壳的环境中-由于简单的、没有其他的外部措施而进行的离析过程-仅仍然存在原来由熔芯构成的放射性悬浮颗粒的数量中的极小部分。
继切尔诺贝利事故之后，为了防止由于安全壳的突然失效而不受控地释放出残余放射性并且进一步降低被释放的放射量，德国所有的核电站均配备有安全壳的卸压过滤装置。
特别是对于在熔芯事故中存在于安全壳内的极端条件、气体温度高达160℃并且压力达到9巴的情况下，由当时的卡尔斯鲁厄核研发中心研发出一种过滤系统-所谓的干燥过滤法-由此能够数量级地降低由放射性悬浮颗粒和气态的放射性碘造成的环境压力。
干燥过滤法是一种完全被动的系统，通常是由下述部分构成：
-用于截留气载的放射性悬浮颗粒的金属纤维过滤器；
-特殊装备的分子滤网沸石，用于气态放射性碘及其有机化合物的化学吸附。
在熔芯事故中，安全壳的处于压力之下的气体-蒸汽-混合物通过高效的事故过滤器被导进排气器中。
卸压避免了安全壳由于过压而失效，过滤系统则保护环境不受到气载的放射性悬浮颗粒和碘化合物的影响。
在将颗粒状和气态的放射性有害物质截留在事故过滤器内的过程中，就存在导出衰变热能的热量的必要性，其中，在过滤系统中不能够超过550℃的极限温度。
德国高压水反应堆的衰变热能功率如下：
悬浮颗粒：2KW
气态碘：5KW
对于国外构建类型和其他反应堆构建类型的沸水反应堆、高压水反应堆而言，要从事故过滤器中导出的衰变热能功率可能为200KW及以上。为了也覆盖这种要求特性，需要对现有的过滤系统进行改造。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于拓展前述类型的过滤设备，其特征在于更高的散热性能。
所述技术问题通过至少一个管件解决，所述管件这样从第一穿透截面至第二个穿透截面(所述第二个穿透截面在垂直方向上看来位于所述第一穿透截面的上方)穿过外罩，使得所述管件的整个内室仅与围绕着过滤设备的周围空气发生接触。
所述管件在其上穿过外罩的接合处被密封地封闭，所述过滤设备的内室和所述至少一个管件的内室由此成为两个完全分开的空间。其中，所述至少一个管件可齐平地与外罩相连或者伸出外罩。
根据本发明，过滤设备周围明显更冷的流体(所述流体可能是周围空气或者气体混合物、然而也可能主要是一种液体)在用作为冷却通道的管件内被引导穿过过滤设备，其中，留在管件内的周围空气在所述过滤设备的外罩上受热并且向着更高的第二穿透截面的方向上升，由此形成对流并且冷却的周围空气不断通过管件溢流。所述至少一个管件的定向在此并不重要，唯一的要求是，所述管件的与第二穿透截面相配属的末端从测量学角度而言要被布置得比所述管件的与第一穿透截面相配属的末端更高，受热的周围空气由此能够上升。
那么，冷却的周围空气就持续地流过所述至少一个作用如烟囱的管件，其中，不断使外罩及位于该外罩内的过滤件降温。
通过所述至少一个管件的布置，扩大了过滤设备中用于冷却的表面，表面积-体积比由此增加并且明显利于热量的输出。
根据本发明的过滤设备的特点尤其是在于其可靠性，因为冷却的工作原理是基于天然的重力。
当所述至少一个管件为垂直定向时，就出现了一种最佳的冷却循环，其中，所述管件的下方的输入面与所述过滤设备的支承面之间具有间距。所述下方的输入面与所述安装面之间的间距对于所需要的空气循环是不可或缺的。
优选沿着所述过滤件布置多个相互间隔的管件。由于多个管件，就明显使过滤设备的用于冷却的表面变大，其中，在那些过滤设备中的放热达到最大、即在过滤件周围的位置处设置管件。
另外，如果沿着过滤件布置的管件分别相对于其相邻的管件而言在过滤设备的纵向上来看错移一定的错移量，根据本发明的过滤设备就非常有利，其中，优选这样来选择所述错移量，使得相邻管件的截面中心点相互之间的间距为所述管件直径的至少四分之一、优选至少三分之一、进一步优选为二分之一来。通过所述错移量，管件相互之间由此可被放置得更加“紧密”并且通过这种方式一方面也增加了其数量。这种布置的前提条件是：各个管件的管壁不会由于相互之间的相对错位而相互封堵，进而不会封堵待要过滤的气流的通道。由于该错移量，由多个管件所构成的系统在过滤级之间分别仍然保持通气，而不会引起明显的节流效应。
另一方面，管件的通过其相互错位而能够实现的紧凑布置也有利于导出过滤设备中的热辐射。这是由于，错移的管件的系统在各个过滤级之间基本是“不透光的”(blickdicht)，这就是说，要由过滤件向与其相邻的过滤件的方向辐射的热辐射必然到达一个管件上，该管件能够排除这部分热能。可通过这种方式基本避免了过滤件由于热辐射而直接地相互受热。
可通过焊接接合实现所述至少一个管件与外罩之间非常简单且持久的连接。
所述至少一个管件可具有圆形、三角形或者四边形的截面，其中，也可设备其他各种截面形状。
另外可能有利的是，所述至少一个管件的管壁在其长度上来看具有波形。管件的上述构造形式一方面赋予了与平壁管件相比更高的灵活性，因此，由于与温度相关的膨胀而作用于固定管件的外罩壁上的力就更小。另一方面，增加了管件的外表面的表面积。这尤其是对于每个管件的热传输非常有利，并且由此对于根据本发明的过滤所能够实现的、有效的冷却功率也有积极作用。
在另一种有利的造型中，所述至少一个管件的外表面涂覆有黑色涂层。这就提高了其管件相对于热辐射的吸收能力，这产生的结果是，所述管件会吸收并且接着导出更多的热辐射。通过这种方式，这种管件就很好地适用于从过滤设备中导出尽可能多的热能。
为了进一步提高过滤设备的可用于冷却的表面，如果所述至少一个管件在其至少一部分长度上具有自内部的表面起向管件的内部延伸的肋片或者突出物，则尤为有利。
根据如本发明的过滤设备的一种有利造型，在气流的流动方向上来看在过滤件的后面布置由管件构成的支承元件。那么，所述管件就满足了双重功能，所述双重功能一方面在于，改进过滤设备的冷却，另一方面反作用于过滤件由于流入的气流而引起的挠曲。过滤件的挠曲风险尤其是由于下述原因而存在的，即因为流入的气流会向过滤件施加越来越大的压力，这是由于其空隙在过滤设备的运行中会越来越多地被填进所过滤的颗粒。
如果过滤介质是由金属纤维网构成，那么，所述过滤设备就适用于在高压差和高温下截留大负载量的气载的、放射性悬浮颗粒。
如果需要截留气态放射性碘及其有机化合物，过滤介质就由特殊装备的、用于化学吸附的分子滤网-沸石构成。
具有金属纤维网的过滤设备可与一种包括一系列分子滤网的过滤设备相连接，其中，两种设备可有选择性地直接前后地相连接或者是前后间隔地相连接。
根据本发明的过滤设备的一种扩展设计规定，两个或三个过滤件(分别包括一系列延其布置的管件)在气流的流动方向上看来前后串联。其中，重要的是，第一个(在气流的流动方向上来看)过滤件具有比其后的过滤件更加粗糙的滤料。
最后，如果所述至少一个管件从所述外罩的正面上伸出，以提高烟囱效果，由此提高冷却空气的体积流量，则很有利。因此，所述管件的输出面的测量学高度要比所述外罩的上表面更高。其中，所述管件可被构造为一件式并且以其全长安装在过滤设备中。然而，为了简化过滤设备的运输和内置，可能很有效的是，将另一个管子设置到与所述外罩齐平地相连的管件上，因此，所述管件最终是由两个或多个管子组成的。
附图说明
下面借助根据本发明的过滤设备如附图中所示的实施例进一步阐述本发明。其中：
图1为根据本发明的过滤设备的俯视图或者说水平剖面图；
图2为穿过如图1的过滤设备的垂直剖面图；
图3为根据本发明的过滤设备的一种备选方案的俯视图或者说水平剖面图；
图4为穿过另一种根据本发明的过滤设备的垂直剖面图；以及
图5为另一种根据本发明的过滤设备的俯视图。
具体实施方式
在图1中，一半示出了根据本发明的过滤设备1的俯视图，另一半示出了其水平剖面图。过滤设备1具有近似为方形的、具有矩形截面的外罩2，六个具有由金属纤维构成的滤料的过滤件3a、3b、3c、3d、3e、3f相互平行且具有间距地布置在所述外罩内，所述过滤件分别圆形地密封地支承在同样圆形地设置的外罩2的托架4上，并且由此分别封闭了外罩2的截面。过滤件3在托架4上的准确设置可以传统的方式实现，为了简便起见，而并未在附图中予以示出。过滤件3在截面上具有镰刀的形状，因此，其沿着托架4具有极小的厚度，而其在中心则被构造得更厚。
在外罩2的中心、即在第三过滤件3c与第四过滤件3d之间设有净气体室5，所述净气体室具有宽度B和高度H，并且在一侧上设有净气出口6。过滤件3c、3d并未在净气体室5的整个高度H上延伸。尤其是两个过滤件3c、3d的下方末端35被布置为与净气体室的底面37之间具有间距36。在两个过滤件3c、3d的原料气侧与净气体侧之间、由该间距36所形成的“梯级”需要在原料气可能冷凝在过滤件3c、3d上的情况下防止被污染了的冷凝物溢出进入净气体室5中。
以自外罩2的两个与过滤件3平行定向并且相对设置的侧面7为起点，所述侧面被构造为原气进口8并且具有在侧面7上分布的开口(其中心轴通过图1中的短线9标示)，待过滤的气流(箭头10)由两侧流向净气体室5并且由此穿过六个过滤件中的三个过滤件，这就是说，要么是过滤件3a、3b、3c或者是过滤件3f、3e、3d，其中，两个朝向外部A的过滤件3a、3f被构造为预-预滤器，两个居中的过滤件3b、3e被构造为预滤器，两个朝向净气体室5的过滤件3c、3d被构造为净滤器。因此，过滤设备1的结构相对净气出口6的中线11呈镜像对称。同样也可设想预-预滤器、预滤器、净滤器的布置的备选方案，设置更多或更少的预滤级和/或从空间上“校正”预滤级-例如预滤器的那些预滤级，这就是说，将本实施例中所示的预滤器3a、3f分成两个在气流的流动方向上先后连接的过滤级。
为了避免在过滤设备1的外部A中可能明火进入过滤设备1中，在原气进口8的外侧上分别布置一个预燃室，待过滤的气流仅能够由打开的上侧和打开的下侧进入所述预燃室中。在开口前面在外罩2的高度34上延伸的导向元件13分别以C型件的形式布置在原气进口8的内侧上，待过滤的气流可仅在其打开的上侧和下侧上以及在附图中不可见的、在所述C型件与所述外罩之间存在的侧面缝隙中从所述导向元件进入过滤设备1中。因此，气流会自外部A首先流进预燃室12中，然后通过开口流进导向元件13中并且最后流进过滤设备1中。
在气流的流动方向上来看，一排七个在截面上呈矩形的管件14位于每个过滤件3的后面。根据附图1中所示的实施例，管件14为垂直走向并且在上方和下方的侧面(在图2中可见)上穿过过滤设备1的外罩2。
支承元件15直接设置在过滤件3的后面、也就是说在过滤件3与管件14之间，对于来自待过滤的气流的载荷，所述支承元件支承着过滤件3。
图2示出了图1中穿过根据本发明的过滤设备1的垂直剖面图，所述过滤设备借助由两个U型件17的腹板16构成的、下方的外罩面18定位在附图中未示出的支承面、例如底板或者基座上，所述外罩面18构成了过滤设备1的放置面19。
如从图2中可以清楚看到的，管件14从第一个下方的穿透截面20朝向在过滤设备1的外罩2上的第二个上方的穿透截面21延伸，其中，管件14的整个内部仅仅与周围流体或者说周围空气发生接触。所述管件14不仅在上方的外罩壁22上，而且还在下方的外罩壁23上齐平地与外罩2相接，其中，下方的外罩壁23在放置面19周围具有梯级24。
过滤设备1的周围空气位于管件14内，其中，周围空气在过滤设备1的运行中也被过滤设备1中所存在的热量加热并且形成自然的对流，其中，周围空气不断通过管件14的输入面25流入，周围空气通过管件14的输出面26而离开管件14。在管件14的输入面25与过滤设备1的支承面之间存在间距a，该间距确保了周围空气不受阻碍地溢流。通过附图中未示出的、用于连接过滤设备1与建筑物的转接器设计，形成了明显更加利于流进管件14的条件。周围空气的流动通过箭头27标示。
另外，从图2中可以看出原气进口8及其预燃室12、外罩壁内的开口和导向元件13的结构，其中，所述预燃室12(不仅从外罩2的上方伸出，也从外罩2的下方伸出)具有上方和下方的输入面28。待过滤气流的流动通过箭头29标示。为了确保待过滤气流不受阻碍地流入，预燃室12的下方的输入面28必须与位于其下方的底部之间具有足够的间距，其中，例如当过滤设备1仅在其中心区域被定位在基座上时，就会形成这种情况。导向元件13在外罩2的高度34方向上延伸，其中，其分别与外罩2以及与原气进口8之间具有缝隙形式的间距，待过滤的气流由此能够流进过滤设备1中。
在如图2的垂直剖面图中，过滤件3也具有镰刀形状的截面。
图3涉及第二种根据本发明的过滤设备1′，该过滤设备与过滤设备1的不同之处在于不同设计的管件14′，其中，图3中为过滤设备1′的水平剖面图以及俯视图。
所述管件14′具有菱形的截面并且以其四个棱边中的一条棱边分别沿着过滤件3延伸，由此能够支承后者并且放弃使用单独的支承元件。因此，管件14′除了满足冷却功能以外，还另外满足支承过滤件3的功能。过滤设备1′的其余结构在大小和整体上与如图1的过滤设备1相符。
在如图4所示的另一种构型变型中，所示过滤设备1″具有管件14″。其与前面所述的管件14、14′不同之处在于管件14″的管壁30的造型。所述管件14″沿着该管件14″的纵向具有波形。这种管件也被称为“波形管”。其一方面提供了由于这种波形而决定的更高的灵活性。另一方面，与上述具有基本为“平滑”的管壁的管件14、14′相比，波形管件14″的外表面具有明显更大的表面积。这对于热量传输而言尤其有利，因为会由于更大的表面积而通过对流明显改进热交换。
为了改进通过辐射的热量传输，管件14″优选另外设有黑色涂层，从而使该管件14″最大程度地吸收到达其的热辐射，由此更好地适于继续引导热能、进而将热能从过滤设备1″中导出。
另外，如图5所示的、根据本发明的过滤设备1″的实施变型也利于更好地通过热辐射传输热量。该实施变型具有多个管件14″，所述管件分别具有直径D约为6cm的圆形截面。与上述过滤设备1、1′、1″相比，这里所布置的管件14″′无论是数量，还是其类型都非常有利。后者被布置为分别相互错移，其中，垂直于宽度方向31看来，管件14″′的截面的截面中心点32相互之间分别具有错移量33，该错移量等于其直径D的一半，即约为3cm。通过管件14″′的错移布置，那么，在过滤设备1″′的宽度B上看来，就可在每个过滤级之前设置更多的管件14″′。通过上述错移的布置，尤其是由管件14″′在过滤件3之间构成了一种“不透光的壁面”，这就导致来自过滤件3的热辐射的绝大部分都会到达管件14″′，所述管件14″′然后可将热能从过滤设备1″′中导出。因此，通过根据本发明的管件14″′的这种错移并且由此也“增密”的布置，结果可进一步提高过滤设备1″′的冷却效果。
标注说明
1，1′，1″，1″′过滤设备
2外罩
3过滤件
4托架
5净气体室
6净气出口
7侧面
8原气进口
9线条
10箭头
11中线
12预燃室
13导向元件
14，14′，14″，14″′管件
15支承元件
16凸出部
17U型件
18下方的外罩面
19安装面
20下方的穿透截面
21上方的穿透截面
22上方的外罩壁
23下方的外罩壁
24梯级
25输入面
26输出面
27箭头
28输入面
29箭头
30管壁
31宽度方向
32截面中心点
33错移量
34高度(外罩2)
35下方末端
36间距
37底面
a间距
A外部区域
B宽度
D直径
H高度(原料气室5)

Claims (14)

1.一种用于过滤携带有悬浮颗粒和/或气态放射性碘的气流的过滤设备(1，1′，1″，1″′)，包括密封地封闭且具有至少一个原气进口(8)、净气出口(6)和至少一个包含过滤介质的过滤件(3)的外罩(2)，所述过滤件这样被布置在所述外罩(2)中，使得待过滤的气流从所述至少一个原气进口(8)仅通过所述过滤件(3)到达所述净气出口(6)，其特征在于，至少一个管件(14，14′，14″，14″′)，所述管件这样从第一穿透截面(20)至第二穿透截面(21)地穿过所述外罩(2)，第二穿透截面(21)在垂直方向上看位于所述第一穿透截面(20)的上方，使得所述管件(14，14′，14″，14″′)的整个内腔仅与围绕着所述过滤设备(1，1′，1′，1″′)的周围流体发生接触。
2.根据权利要求1所述的过滤设备(1，1′，1″，1″′)，其特征在于，所述至少一个管件(14，14′，14″，14″′)为垂直定向，其中，所述管件(14，14′，14″，14″′)的下方的输入面(25)与所述过滤设备(1，1′，1″，1″′)的放置面之间具有间距(a)。
3.根据权利要求1或2所述的过滤设备(1，1′，1″，1″′)，其特征在于，沿着所述过滤件(3)布置多个相互间隔的管件(14，14′，14″，14″′)。
4.根据权利要求2所述的过滤设备(1，1′，1″，1″′)，其特征在于，沿着所述过滤件(3)布置的管件(14″′)分别相对于其相邻的管件(14″′)而言在过滤设备(1″′)的纵向上来看以错移量(33)错开，其中，优选这样来选择所述错移量(33)，使得相邻管件(14″′)的横截面中心点(32)之间的间距为所述管件(14″′)的直径(D)的至少四分之一、优选至少三分之一、进一步优选至少二分之一。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的过滤设备(1，1′，1″，1″′)，其特征在于，所述至少一个管件(14，14′，14″，14″′)通过焊接接合与所述外罩(2)相连。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的过滤设备(1，1′，1″，1″′)，其特征在于，所述至少一个管件(14，14′，14″，14″′)具有圆形、三角形或者四边形的横截面。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的过滤设备(1″)，其特征在于，所述至少一个管件(14″)的管壁(30)在其长度上看具有波形。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的过滤设备(1，1′，1″，1″′)，其特征在于，所述至少一个管件(14，14′，14″，14″′)的外表面涂覆有黑色涂层。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的过滤设备，其特征在于，所述至少一个管件在其至少一部分长度上具有自内表面起向管件内腔延伸的肋片或者突出物。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的过滤设备(1′)，其特征在于，在气流的流动方向上看来，在所述过滤件(3)的后面布置由管件(14′)构成的支承元件。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的过滤设备(1，1′，1″，1″′)，其特征在于，所述过滤介质由金属纤维网构成。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的过滤设备(1，1′，1″，1″′)，其特征在于，所述过滤介质由分子滤网-沸石构成。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的过滤设备(1，1′，1″，1″′)，其特征在于，在气流的流动方向上看来，两个或三个过滤件(3)连带各自的在其附近成排布置的管件(14，14′，14″，14″′)前后串联。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的过滤设备，其特征在于，由所述外罩的内部看来，所述至少一个管件突伸出该外罩的上侧面和/或下侧面。
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