CN108701499A - 用于点燃可燃混合气的点火系统 - Google Patents

Abstract

本发明的任务是提供一种自主工作的点火系统，其在结构简单耐用的同时容许一高出点火极限就已经可靠点燃可燃混合气。根据本发明，这通过一种由在核工程设备的反应堆外壳(4)内点燃可燃混合气的点火系统(2)做到，其具有电点火件(24)和作为点火件(24)的电流源的热电发电机(8)。

Description

用于点燃可燃混合气的点火系统

本发明涉及用于点燃可燃气体或混合气的点火系统。此外，本发明涉及具有这样的点火系统的核工程设备以及所属的方法。

在核工程设备且尤其是核电厂中出现严重事故的情况下，除了水蒸汽释放外还可能出现大量氢气的释放，尤其由于在过热的燃烧条包络管上的已知的锆石-水反应。如果没有反制措施，就无法排除爆炸性(也能燃爆)混合物，其在失控反应时威胁到通常称为反应堆外壳的安全封罩的完整性。

为了减少释放到反应堆外壳气氛中的氢气，目前尤其在世界范围采用被动式自动催化重整器(PAR)。但是，重整器在从释放开始后的长达约1小时的重要时间内只很有限地起效。在起始阶段中，仅10-20％的释放的可重整气体量实际上被催化转化。因此，重整器容许或不妨碍可爆炸混合物，但其不利于地在晚些时刻点燃。由此导致的燃烧负荷(压力，导弹)必须从反应堆外壳中卸除。

为了限制无法再通过重整器的有限分解能力补偿的氢气快速释放，尤其是在美国设备中采用了电气式点火器。电气式点火器此时主要以来自柴油机发电网的紧急电流被驱动。在全厂断电情况下，由柴油机紧急发电流网供电的点火器可能无法再被驱动，因此就限制瞬时氢气释放而言是无效的。

在无中断的紧急电网上改装附加点火器因为由电池支持的紧急供电装置的能力有限而通常难以实现，甚至无法实现。此外，当前所用的主动电点火器需要相对大的电功率以启动点火(一般>500瓦)。

基于催化而发挥作用的点火器在EP0596964A1中有描述。这种点火器不需要外部能量供应并且通过将热传导入尚未耗尽的含氢气混合气中启动点火，做法是在伸入混合气中的点火细铂丝的表面上超出所需点火温度。为此所需的热/能量通过在催化器体上的放热催化氢气重整产生且通过热传导被直接传递至点火丝。但这样的催化点火器只能在超出点火极限后相对晚些时候才在6-10体积％(基于水蒸汽浓度)氢气含量下启动点燃。

目的是在低氢气浓度<6体积％情况下尽可能在在超出点火下极限之后马上尽早引起柔和爆燃的点火，以便由反应造成的燃烧负荷保持尽量低。尽早点火因此对反应堆外壳内部结构和真正的反应堆外壳壳起到符合安全且减轻负荷的作用。

本发明的任务是提供一种尽量自主工作的点火系统，其在结构简单耐用的同时允许一高出点火极限就已经可靠点燃可燃混合气。此外应该提出一种相应的方法。

根据本发明，所述任务与装置相关地通过权利要求1的特征完成，与方法相关地通过权利要求7的特征完成。

有利的设计和改进是从属权利要求以及以下说明的主题。

为了在浓度尽量低的情况下启动受控的(就起因可预见而言，在规定框架条件下)点火，根据本发明，如此构造一种点火系统，其被动产生为了点燃而需要的能量并将其输送入混合气中。被动点火系统作为主要部件包含热电发电机(TEG)或简称热偶发电器。

TEG部件在热侧通过导热体连接至热源。热源可以是热表面(具有例如150-500℃的温度)，比如填充有热介质的管路的管路表面或者容器表面。在一个优选替代方案中，产生电流所需的热通过自动催化重整器的被动催化反应来产生。

TEG的冷侧被热耦合至热沉。例如它通过导热体连接至铝件。在此导热单元中，优选热耦接入一个热管，热管优选通过导热金属板束等将热有效交付给环境。散热至环境最好得到自然通风冷却器或自然对流的支持。

TEG自热流中直接产生电能。通过从被加热侧至被冷却侧的热流，在TEG的半导体材料中通过热电效应产生电动势。金属中的游离电子在热侧具有壁在较冷侧更高的活动能力并因此有更高的能量。因为每个系统力求能量最有利的状态，故电子从热侧运动至较冷侧。此时产生电动势和在闭合电路中产生电流。因此，TEG被动地从存在的温差中获得热电动势。温差越大，在TEG中可产生的电动势越高。

如此产生/所转化的能量被用来借助点火件将所需点火能量输入可点燃混合气并在浓度尽量低的情况下在超出下点火极限之后马上启动所希望的点火。

该点火件例如可以设计成简单的螺旋加热丝或火花塞。当点火件应该替代地产生点火火花时，它包括为此所需的构件(例如电容器和晶体管)。

总之，本发明的一个主要应用领域涉及具备反应堆外壳的所有反应堆类型，在此在严重事故期间可能例如因锆石-水反应而出现氢气释放。即，在超出设计的事故情况下，大量氢气可能被释放到反应堆外壳氛围中。氢气释放速率此时可能大到迄今的氢气分解措施(如借助PAR)无法阻止形成含有高氢气浓度的可爆炸混合物的程度。

因此，利用根据本发明的点火系统应该通过尽早有意点燃的概念避免形成有危险的混合气的形成。被动作用的点火器应该在下点火极限范围内提早点燃混合气。根据点火器的结构和设计，燃烧以柔和爆燃形式进行。没有出现与危险相关的反应堆外壳负荷。可能导致具有高危潜在可能的高浓度的释放已经在其出现的早期得以避免。

根据本发明的系统的优点可以鲜明地归纳如下：

●被动产生点火能量

●超出点火极限后马上启动点火

●在超出点火极限之前已提供点火能量

●无需在改装点火器时扩展电池容量

●紧凑结构，构件尺寸小

●可以顺利地使用更多点火件以覆盖空间和体积

●少维护

其它的设计和优点来自从属权利要求以及以下具体说明。

以下，结合附图来详述本发明的各不同实施例，在极其简化的示意图中示出了：

图1是根据本发明的点火系统的总体概览图，

图2至图4以俯视图、立体图和局剖立体图示出点火系统的第一变型，

图5以俯视图示出点火系统的第二变型，和

图6至图7以俯视图和侧视(纵剖)图示出点火系统的第三变型。

相同的或作用相同的零部件在所有附图中带有相同的附图标记。

图1以概览示意图示出用于点燃可燃混合气的点火系统2，可燃混合气尤其可能在严重事故情况下在核工程设备、具体说是核电厂6的反应堆外壳4中形成。

点火系统2设计用于自主被动运行并且作为主要部件包括热电发电机(TEG)8，其根据塞贝克效应将在相对冷侧10和与之相比的热侧12之间的温差或热流直接转换为热电动势。热电发电机8为此包括例如多个电气串联的N掺杂和P掺杂的半导体件14，它们在形成位于其间的界面16情况下布置在冷侧10和热侧12之间。界面16在此分别通过良好导热的电绝缘件比如陶瓷层18相对于环境的导电部件被隔绝。

在串联电路的第一半导体件和最后半导体件14上有电接线端20以便取用热电动势。与接线端20相连的点火电路22包含离热电发电机8一定距离设置的呈加热丝、火花塞或火花点火器形式的点火件24。当热电动势足够高或点火电路22中的电流(直流电)足够强时，点火件24被激活且触发在周围混合气中的点火，只要混合气具有可点燃的浓度比。

为了热电发电机8的高效率，其冷侧10被热耦合至热沉26，而热侧12被热耦合至热源28。由此保证保持不变的大温差。

热沉26可以距热电发电机8一定距离，其中在此情况下最好通过被动热管30实现热耦和散热(散失热流dQ/dt)。而热源28最好处于与热电发电机8、或许位于其间的作为连接件的导热体32的尽量直接的热接触中。

在优选设计中，热源28由被动型自动催化重整器(PAR)34构成，其例如将周围的或流过的混合气中的氢气和氧气无焰地重整为水蒸汽，同时因为放热反应而变热(输入热流dQ/dt)。替代地或附加地，例如可以规定一氧化碳和氧气催化反应为二氧化碳。

图2至图4示出了此概念的一个具体实现方式的第一变型。点火系统2的各不同部件在此以紧凑布置形式组装成一个共同的点火单元36。

在点火单元36的中心有由柱形管壁38界定的、分别在端侧敞开的流道40。在常见的组装或安装状况下，流道40竖直取向并可被混合气流过，因为出现了一般从下向上的烟囱作用。流道40通过与中心轴线同心布置的柱形隔壁42被分为多个平行的可被流体流过的环形腔44。隔壁42和或许还有外管壁38包含在上述意义上的催化有效的表面、涂层或区域用于在从旁流过的气流中的尤其是氢气与氧气的重整反应器催化。

流道40的几何形状及其划分尤其可以设计成与EP0596964A1所述的一样。相应的情况适用于可选存在的点火丝的布置(见更下面)。催化器的实施最好通过就像EP0923707B1所述的那样利用用于快速启动涂覆载板催化反应的钯条进行。这两篇公开出版物的内容兹被明确表明成为本文的组成部分。

在放热重整反应中释放出的热用于在其热侧12加热至少一个热电发电机8。在此情况下，流道40被横截面呈四角形的且尤其是方形的壳体46包围，其中，在管壁38的外侧面与壳体46的内侧面之间的间隙填充有导热性优良的填料48。例如在方形壳体46的四个外侧面中的三个上安装有热电发电机8。每个热电发电机8在在此所示的例子中具有扁平板状轮廓，其中作为热侧12起效的内底面朝向填料48并与之良好导热连接。为此，壳体46带有合适的缺口。作为冷侧10起效的外底面离开壳体46。

为了改善从各自热电发电机8的冷侧10的冷却和散热，一个或多个热管30被热耦合至冷侧10，在此借助导热性良好的比如铝制的连接板52(关于热管30，热电发电机8的冷侧10是指热源)。各自热管30具有U形设计，其中，两个分支54之一贴靠连接板52或者直接贴靠热电发电机8的冷侧10，壳体46的另一个分支56延伸离开它，或如在此所示地以一距离与之平行延伸。各自热管30中装有热输送介质，其最好在作为用于热输送介质的蒸发器的相对热的分支54与作为冷凝器的相对冷的分支56之间的自然循环回路中循环。最后进行散热至环境。包围热管30的由导热片58(散热肋片)构成的格栅优化了传热至周围大气。

代替重力驱动的和/或通过毛细管作用驱动的具有两相冷却循环的热管地，也可以采用具有单相冷却循环(单纯温差散热系统)的热管，但其就热输送而言不太有效。

安装在壳体46侧面上的且向外突出的支承臂60离壳体46一定距离地保持一点火件24，点火件例如呈加热丝、火花塞或火花点火器形式。所属电接线的导线或电线有利地在呈套管状的支承臂60内延伸。热电发电机8可以根据与由其产生的热电动势相关的要求电气串联或电气并联。

一旦流道40被可重整混合气流过，在重整器34的催化有效区上的放热重整反应就开始并且在热电发电机8产生热电动势启动。点燃混合气所需的点火能量为此已经能在达到下点火极限之前被产生，从而借助点火件24的点火于是可以紧接在超出该极限后进行。

一般，热电发电机8产生5至200W电功率，借此使点火件24的点火丝/加热螺旋丝达到点火温度(一般>500℃)，或者替代地给火花点火器供电。

此外，催化重整器34本身也可以起到混合气用点火器作用。但当由于在环境中的(大体积的全球)瞬时气体移动过程或由于极其快速的可点燃的混合气的释放而进行将催化有效区的表面加热到高温(一般>500℃)的突然强烈迎流时，尤其就是这种情况。为了支持这个替代可选的点火机制，可以设有点火丝62，其在一端与催化有效区相连接并借此被加热到点火温度，并且在另一端伸入流道40中。关于点火机制的细节，参照上述的公开出版物EP0596964A1。

如图5所示的点火系统2变型与迄今所述的变型的区别仅在于流道40的形状，流道在此具有矩形横截面并通过带有催化涂层或催化区的多个平板64被分为方形的分流道。

这样的矩形形状也存在于图6和图7所示的变型中。突出超过壳体46的且带有设于上端的出口68的对流罩66支持所期望的类似烟囱的布置结构的自然通风(相似的烟囱套筒，但没有那么高，也可在图3和图4中看到)。

在起到重整器34作用的第一流道40旁边，其中流动混合气在第一流道内就其可点燃组成的浓度而言被减小或耗尽，平行布置地设有就流动而言与第一流道40分隔开的不带重整器件的第二流道70(对流道)，在第二流道内未进行对流流动的耗尽。通过隔壁72的缺口，点火丝62从第一流道40伸入第二流道70。点火丝62通过催化区在第一流道40内被加热且就尽量早期点燃意义而言将点火能量输入第二流道70，在这里，气流因耗尽不足而更易点燃。

附图标记列表

2 点火系统

4 反应堆外壳

6 核电厂

8 热电发电机

10 冷侧

12 热侧

14 半导体件

16 界面

18 陶瓷层

20 接线端

22 点火电路

24 点火件

26 热沉

28 热源

30 热管

32 导热件

34 催化重整器

36 点火单元

38 管壁

40 流道

42 隔壁

44 环形腔

46 壳体

48 填料

52 连接板

54 分支

56 分支

58 导热金属片

60 托臂

62 点火丝

64 板

66 对流壳

68 出口

70 流道

72 隔壁

Claims (9)

1.一种用于尤其在核工程设备的反应堆外壳(4)中点燃可燃的混合气的点火系统(2)，该点火系统具有电点火件(24)和作为该点火件(24)的电流源的热电发电机(8)，其中用于所述混合气的催化重整器(34)用作用于所述热电发电机(8)的热源(28)。

2.根据权利要求1所述的点火系统(2)，其中，所述重整器(34)形成在用于所述混合气的流道(40)内。

3.根据权利要求2所述的点火系统(2)，其中，所述流道(40)设计用于所述混合气的自然通风。

4.根据权利要求2或3所述的点火系统(2)，其中，所述热电发电机(8)布置在所述流道(40)外。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的点火系统(2)，其中，设有用于送出热电发电机(8)的热的热管(30)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的点火系统(2)，其中，所述重整器(34)具有能通过反应热激活的用于点燃所述混合气的点火丝(62)。

7.一种用于尤其在核工程设备的反应堆外壳(4)内借助电点火件(24)点燃可燃混合气的方法，其中，用于点火件(24)的工作电压由热电发电机(8)产生，其中用于热电发电机(8)的工作热通过可重整的所述混合气组成成分的催化重整产生。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述点火件(24)在尚未达到用于混合气的点火极限之前被启动。

9.核工程设备且尤其是核电厂(6)，具有反应堆外壳(4)和安置在所述反应堆外壳(4)中的根据权利要求1至6中任一项所述的点火系统(2)。