DE102012000536B3

DE102012000536B3 - Passiver Rückflussbegrenzer für ein Strömungsmedium

Info

Publication number: DE102012000536B3
Application number: DE102012000536A
Authority: DE
Inventors: Julien Dumond; Andreas Class; Stephan Leyer; Ralf Walterskötter
Original assignee: Areva NP GmbH
Current assignee: Areva GmbH
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2013-05-16
Anticipated expiration: 2032-01-17
Also published as: WO2013107534A1; AR089734A1

Abstract

Ein Passiver Rückflussbegrenzer (20) für ein Strömungsmedium soll derart ausgestaltet sein, dass dieser einerseits in zweiphasigen Fluiden den Rückfluss in Sperrrichtung hinreichend begrenzt und andererseits den Fluss in Durchlassrichtung nur unwesentlich begrenzt und sich zudem dazu eignet, in sicherheitskritischen Bereichen, insbesondere in Kernkraftwerken eingesetzt zu werden. Dazu ist der passive Rückflussbegrenzer (20) ausgestattet mit • zumindest einer Einlassöffnung, einer Auslassöffnung und einem dazwischen liegenden Leitungsnetz, • einer ersten Gruppe von in das Leitungsnetz geschalteten Strömungsdioden (22), die als Venturidüsen ausgestaltet sind, • einer zweiten Gruppe von in das Leitungsnetz geschalteten Strömungsdioden (24), wobei das Leitungsnetz derart beschaffen ist, dass das Strömungsmedium im Rückflussbetrieb von der Auslassöffnung kommend zunächst über eine in Sperrrichtung orientierte Strömungsdiode der zweiten Gruppe (24) und dann über eine gleichsinnig orientierte Strömungsdiode der ersten Gruppe (22) geführt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen passiven Rückflussbegrenzer für ein Strömungsmedium, mit zumindest einer Einlassöffnung, einer Auslassöffnung und einem dazwischen liegenden Leitungsnetz, sowie mit einer Anzahl von in das Leitungsnetz geschalteten Strömungsdioden. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine kerntechnische Anlage mit einem derartigen Rückflussbegrenzer.
In der FR 22 80 953 A1 ist ein passiver Rückflussbegrenzer für den Kühlkreislauf eines Kernreaktors beschrieben, der aus einer Anzahl von Venturi-Düsen besteht.
In einem Kernreaktor muss unabhängig vom Reaktortyp nach dem Abschalten, d. h. dem Unterbrechen der nuklearen Kettenreaktion, die Nachzerfallswärme abgeführt werden. Außerdem müssen kritische Dampfdruckzustände im Kühlsystem hinreichend schnell und zuverlässig abgebaut werden. Bei einem Siedewasserreaktor kann dies beispielsweise durch Ableiten von Dampf in einen Kondensator, wie einen Turbinenkondensator oder einen Kondensationsbehälter, geschehen. Auch bei Notfällen, die in schnelle Abschaltungen münden, und bei denen ggf. die Gefahr einer Kernfreisetzung besteht, soll eine funktionsfähige Kühlung gewährleistet werden, um einen Super-GAU zu verhindern. Hierzu sind verschiedene Sicherheitselemente vorgesehen, wie ein oder mehrere Notkondensatoren, über welche der im Reaktordruckbehälter und im angeschlossenen Kühlleitungssystem befindliche Dampf kondensiert und die Nachzerfallswärme auch nach einer Störung abgeführt werden soll.
In der Regel wird die Reaktorwärme mit Hilfe eines Fluides abgeführt und zu einem Kondensator bzw. einem Notkondensator geleitet und das Kondensat anschließend wieder in den Reaktor eingespeist, so dass ein Kühlkreislauf realisiert ist. Auf Grund der enormen Wärmeentwicklung des Reaktors benötigt der Siedewasserreaktor trotz hoher Energieabfuhr über die Verdampfungswärme eine anhaltende und ausreichende Wassernachspeisung.
Üblicherweise ist hierzu der Reaktordruckbehälter, in dem sich der Reaktorkern befindet, über Verbindungsleitungen mit einem oder mehreren Kondensatoren bzw. Notkondensatoren verbunden. In der Regel besitzt jeder dieser Kondensatoren zumindest zwei Verbindungsleitungen zu dem Reaktordruckbehälter, wobei zumindest eine Verbindungsleitung als Zuleitung zum Reaktordruckbehälter hin und zumindest eine Verbindungsleitung als Ableitung vom Reaktordruckbehälter weg ausgestaltet ist.
Die Reaktorwärme sorgt für Dampferzeugung im Reaktordruckbehälter, wobei sich der Dampf in der Regel in einem überkritischen Zustand befindet und durch eine in der Regel im oberen Teilbereichs des Reaktordruckbehälters angeordnete Verbindungsleitung zum Kondensator geführt wird, wo er abkühlt. Über eine Kondensatrückführleitung wird das kondensierte Fluid in den Reaktordruckbehälter zurückgeführt, wo es erneut durch den Reaktor erwärmt wird. Üblicherweise mündet die Kondensatrückführleitung in den unteren, bodennahen Teilbereich des Reaktordruckbehälters, so dass durch die erzeugte Wärme im Reaktordruckbehälter und die Wärmeabfuhr im Kondensator bzw. Notkondensator ein natürlicher Kreislauf für das Fluid entsteht.
Bei Bruch einer Leitung strömt das Fluid ungehindert aus der Leitung aus und steht nicht mehr zur Kühlung zur Verfügung. Auf Grund der üblichen tiefer liegenden Anordnung der Kondensatrückführleitung ist insbesondere ein Bruch dieser Leitung oder ein Bruch der Verbindung zwischen Leitung und Reaktordruckbehälter gefährlich, da ein Großteil des Fluids ungehindert über eine Rückströmung entgegen der normalbetrieblichen Strömungsrichtung ausströmt.
Es existieren verschiedene Modelle von passiven Sicherheitselementen für Fluide, die einen Rückfluss in einer Sperrrichtung begrenzen sollen, ohne den Fluidfluss in Durchflussrichtung oder Normalflussrichtung merklich zu limitieren bzw. zu stören, und die auf Grund Ihrer Funktionsweise auch als Strömungsdioden bezeichnet werden. Gebräuchlich sind hierbei Strömungsdioden, die eine Verwirbelung des Fluids ausnutzen und daher auch als Wirbeldioden oder „vortex fluidic diodes” bezeichnet werden. In einer Wirbelkammer, in die das Fluid in Sperrrichtung durch seitlich angeordnete, radiale Einlassöffnungen strömt, werden starke Verwirbelungen erzeugt, so dass ein hoher Strömungswiderstand in dieser Richtung entsteht. In der Durchlassrichtung, bei der das Fluid durch eine parallel zu der Wirbelkammer angeordnete Öffnung in die Wirbelkammer strömt, werden diese Verwirbelungen nicht erzeugt, so dass das Fluid beinahe ungestört durch die Diode fließen kann.
Nachteilig an den bekannten Strömungsdioden ist einerseits, dass diese nur bei einphasigen Fluiden ausreichend gut funktionieren. Bei zweiphasigen Fluiden, insbesondere bei komprimiertem Wasser, welches auch als unterkühltes Wasser bezeichnet wird, wird der in der Wirbelkammer in Sperrrichtung entstehende Wirbel allerdings nicht immer ausreichend konserviert, so dass der Rückfluss nur ungenügend begrenzt wird. Auch trennt hohe Gradienten des Strömungsfeldes Wassertropfen von Dampf, so dass sich ein Wasserfilm an der Wand bildet und ebenfalls den Massendurchfluss erhöht. Gerade im Bereich von Kernkraftwerken, bei denen zweiphasige Fluide im Bereich des Reaktordruckbehälters anzutreffen sind, stellen die Wirbeldioden somit nur einen unzureichenden Schutz für ein Rückströmen von Fluid aus dem Reaktordruckbehälter im Fall eines Leitungsbruchs dar.
Ebenfalls nachteilhaft bei Wirbeldioden ist, dass eine Größenskalierung am „Reißbrett” oder durch numerische Simulation für nur schwer möglich ist, so dass bei unterschiedlichen Größenverhältnissen in der Regel aufwändige Tests gemacht werden müssen.
Auch in anderen technischen Gebieten, wie beispielsweise der chemischen oder der ölverarbeitenden Industrie, bei denen oftmals toxische Fluide durch Leitungssysteme transportiert werden, ist es sinnvoll eine Begrenzung des Flusses von Fluiden in einer Richtung herbeizuführen, ohne dass das Fluid in der anderen Richtung merklich in seinem Fluss gehindert wird. Auch hier kann es beispielsweise bei Rohrbrüchen notwendig sein, ein zu starkes Ausströmen von Fluiden aus dem Leitungssystem mit Hilfe eines als Rückflussbegrenzer wirksamen Notfallsystems zu verhindern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen passiven Rückflussbegrenzer anzugeben, der einerseits in zweiphasigen Fluiden den Rückfluss in Sperrrichtung hinreichend begrenzt und andererseits den Fluss in Durchlassrichtung nur unwesentlich begrenzt und sich zudem dazu eignet, in sicherheitskritischen Bereichen, insbesondere in Kernkraftwerken eingesetzt zu werden.
Bezüglich des passiven Rückflussbegrenzers wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach ist ein passiver Rückflussbegrenzer für ein Strömungsmedium vorgesehen, mit

• zumindest einer Einlassöffnung, einer Auslassöffnung und einem dazwischen liegenden Leitungsnetz,
• einer ersten Gruppe von in das Leitungsnetz geschalteten Strömungsdioden, die als Venturidüsen ausgestaltet sind,
• einer zweiten Gruppe von in das Leitungsnetz geschalteten Strömungsdioden,

Im Rahmen der hier vorliegenden Beschreibung wird unter einer Venturidüse eine geometrische Form verstanden. Bei der Venturidüse wird in Normalströmungsrichtung von dem Strömungsmedium zunächst ein Strömungsabschnitt mit konvergentem Querschnitt, auch Kontraktor genannt, durchlaufen. Dieser Abschnitt geht in einen Strömungsabschnitt mit divergentem Querschnitt über, der als Diffusor bezeichnet werden kann. Von einer Venturidüse ist die Rede, wenn die Strömung keine Machgeschwindigkeit, auch Schallgeschwindigkeit genannt, erreicht. Erreicht die Strömung Machgeschwindigkeit spricht man anstelle der Venturidüse von einer Lavaldüse, wobei die geometrischen Formen identisch sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein neuartiges Design von Strömungsdioden, bei dem Verwirbelungen grundsätzlich nicht notwendig sind, anzustreben ist, um den Rückfluss eines Zweiphasenfluids wirksam zu begrenzen. Da Rohre bzw. Rohrleitungen nicht oder jedenfalls nur geringfügig von Zweiphasen-Effekten negativ beeinflusst werden, bietet es sich in einem ersten Ansatz an, eine im Wesentlichen rohrförmige Ausgestaltung für den Rückflussbegrenzer zu wählen. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass eine in anderen Gebieten der Technik bekannte geometrische Form, die Venturidüse, sich ebenfalls als rückflussbegrenzende Strömungsdiode eignet.
Durch ein strömungsmäßiges Hintereinanderschalten von zumindest zwei Strömungsdioden, wobei in Normalflussrichtung zunächst die Venturidüse angeordnet ist und anschließend eine weitere gleichsinnig orientierte Strömungsdiode, wird in Rückflussrichtung, die der Sperrrichtung der Strömungsdioden entspricht, der Rückfluss begrenzt. Bei einer venturiartig gestalteten Strömungsdiode wird in Rückflussrichtung eine vergleichsweise große und schnelle Expansion des Fluids erzeugt, welche mit Form- und Druckverlusten einhergeht. In Rückfluss- bzw. Sperrrichtung sind nämlich hohe Reibungsverluste gewünscht sind, die den Rückfluss mindern.
Hierzu ist es in Rückflussrichtung vorgesehen, dass jede Strömungsdiode der zweiten Gruppe zunächst dafür sorgt, dass das Fluid zumindest teilweise verdampft und somit einen phasenseparierten, zumindest teilweise dampfförmigen Zustand einnimmt. Nach einem weiteren Rückströmen des Fluids zu einer Strömungsdiode der ersten Gruppe, besitzt das Fluid auf Grund seines Zustands einerseits eine geringere Schallgeschwindigkeit und andererseits einen geringeren Druck als im Vorfeld. Durch diese veränderten Eigenschaften wird aber auch ein geringerer Fluid- oder Massenfluss durch die Strömungsdiode der ersten Gruppe erreicht, welcher die Rückströmung begrenzt.
In der Durchlass- oder auch Normalflussrichtung findet keine wesentliche Begrenzung des Flusses statt, da auf Grund der Formgebung der Venturidüse kein solch schneller Druckabfall auftritt wie in Sperrrichtung. Demgegenüber erzeugen Wirbeldioden in Durchflussrichtung auf Grund von starken Umlenkungen und unzureichendem Druckrückgewinn in den radialen, in der Regel kleinen Kanälen eine vergleichsweise geringe Durchströmung.
Die geradlinige Bauweise der venturiartigen Strömungsdioden der ersten Gruppe bewirkt zudem nur eine geringe thermische Erwärmung der Strömungsdiode sowie des Leitungsnetzes und somit auch eine geringere Materialermüdung.
Auf Grund der schwierigen Skalierbarkeit von drallbehafteten, zweiphasigen Phänomen erforderten bisher gebräuchliche Strömungsdioden üblicherweise jeweils maßstabsgetreue Experimente und Testläufe für jeden einzelnen zweiphasigen Anwendungsfall. Auf Grund der vergleichsweise einfachen geometrischen Bauweise der Strömungsdioden der ersten Gruppe ist nun eine Größenskalierung einfacher zu berechnen, so dass eine Optimierung der passiven Rückflussbegrenzer bereits vor der Fertigung erfolgen kann.
Vorteilhafterweise ist das Leitungsnetz in seinem Durchlassbetrieb so gestaltet, dass das Strömungsmedium in umgekehrter Richtung von der Einlassöffnung zur Auslassöffnung fließt. Im Gegensatz zu anderen Strömungsdioden, die unterschiedliche Wege für verschiedene Wege des Strömungsmediums vorsehen, wird hierdurch eine Minimierung des Leitungsnetzes erreicht.
Wünschenswerterweise ist das Leitungsnetz einfach konzipiert. Dies sorgt einerseits für eine gute Skalierbarkeit der einzelnen Komponenten und andererseits für eine möglichst einfache Fertigung.
Vorteilhafterweise besitzen hierzu mehrere, besonders bevorzugt alle Strömungsdioden der ersten Gruppe die gleichen geometrischen Parameter, so dass diese gleichartigen Strömungsdioden eine jeweils ähnliche rückflussbegrenzende Wirkung erzielen sollten, was bei einer Optimierung des Leitungsnetzes eine deutliche Vereinfachung des Gesamtsystems bedeutet, und auch ähnlich gefertigt werden können.
Vorteilhafterweise sind auch mehrere, besonders bevorzugt alle Strömungsdioden der zweiten Gruppe vom gleichen Typ, so dass auch diese ähnlich gefertigt werden können und relativ einfach in das Leitungsnetz integriert werden können, ohne dass für jeden Strömungsdiodentyp eine andere Berechnung und Konstruktion notwendig wird.
Vorteilhafterweise ist es vorgesehen, dass die Strömungsdioden der zweiten Gruppe ebenfalls als Venturidüsen ausgestaltet sind. Da Venturidüsen in Rückflussrichtung eine schnelle Expansion des Fluids bewirken, bietet es sich an, Venturidüsen ebenfalls als Strömungsdioden der zweiten Gruppe zu nutzen, wodurch eine weitere Vereinfachung des Leitungsnetzes und des Fertigungsaufwands bewirkt wird.
In einer weiteren Vereinfachung besitzen die Strömungsdioden der zweiten Gruppe vorteilhafterweise die gleichen geometrischen Parameter, wie dies auch bei den Strömungsdioden der ersten Gruppe gewünscht ist. Vorteilhafterweise bietet es sich an, das Leitungsnetz noch weiter zu vereinfachen, in dem sämtliche Strömungsdioden gleiche geometrische Parameter besitzen, so dass einerseits die Fertigung und die Implementierung in das Leitungsnetz einfach gestaltet sein kann und andererseits die Berechnung komplexer Strömungsprozesse und somit die auch Skalierung möglichst einfach ist.
Für eine möglichst gute Wirksamkeit jeder Strömungsdioden ist es vorteilhaft, wenn jede der venturiartig ausgeformten Strömungsdioden so in dem Leitungsnetz angeordnet ist, dass in Rückflussrichtung zunächst der Diffusor und anschließend der Kontraktor angeordnet ist. In Rückflussrichtung verengt sich der Strömungsquerschnitt zunächst im Diffusor, wodurch an der Kehlstelle der Venturidüse eine Verdampfung des Wassers oder Fluids auf Grund des auftretenden dynamischen Druckverlusts einsetzt. Bei der nachfolgenden Querschnittserweiterung im Kontraktor löst sich die Strömung von der Wand der Venturidüse ab, so dass ein hoher Druckverlust entsteht, welcher den Massenfluss begrenzt bzw. mindert. In Durchflussrichtung wird hingegen zunächst der Kontraktor durchlaufen und anschließend der Diffusor. Hier hat es sich überraschenderweise gezeigt, dass die unterkühlte Strömung vornehmlich an den Wänden anliegt und nur ein geringer Druckverlust erzeugt wird, so dass ein weitaus geringerer Strömungswiderstand und damit auch nur eine geringere Strömungsbegrenzung erzeugt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung beträgt der Öffnungswinkel des Diffusors der jeweiligen Venturidüse zwischen 4 und 6 Grad, vorzugsweise 5 Grad. Einerseits soll bei einem idealen Diffusor der Öffnungswinkel in der Regel 6 Grad nicht überschreiten. Andererseits soll jede venturiartig ausgeformte Strömungsdiode eine gewisse Länge nicht überschreiten, um zu große Dimensionen des Leitungsnetzes zu verhindern. Daher bietet es sich an, zu kleine Öffnungswinkel zu vermeiden. Überraschenderweise hat sich als Kompromiss ein bevorzugter Öffnungswinkel von 5 Grad ergeben.
Vorteilhafterweise ist der Öffnungswinkel des Kontraktors jeder venturiartig ausgeformten Strömungsdiode signifikant größer als derjenige des Diffusors, so dass die beschriebenen Prozesse von Druckverlustentstehung in Sperrrichtung und von geringem Druckverlust in Durchlassrichtung wie gewünscht funktionieren.
In vorteilhafter Ausgestaltung beträgt der Durchmesser der Kehlstelle jeder venturiartig ausgeformten Strömungsdiode zwischen 12 und 25 mm, vorzugsweise 18 mm. Einerseits soll der Fluidfluss in Durchlassrichtung möglichst groß sein. Andererseits soll dieser in Rückflussrichtung möglichst klein sein. Aus diesem Wechselspiel von Anforderungen hat es sich gezeigt, dass bei einem anwendungstypischen Einsatz, wie zum Beispiel im Kernkraftwerksbereich, der genannte Durchmesser eignet.
In ebenfalls vorteilhafter Ausgestaltung ist zwischen den Strömungsdioden der ersten und zweiten Gruppe ein zusätzlicher rohrförmiger Leitungsabschnitt mit konstantem Innendurchmesser angeordnet. Dieser sorgt dafür, dass unerwünschte turbulente Strömungsverhältnisse zwischen den Strömungsdioden abgebaut werden und somit günstige Bedingungen für das Wirkprinzip der Strömungsdioden herrschen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung hat sich gezeigt, dass der Innendurchmesser des zusätzlichen rohrförmigen Leitungsabschnitts zwischen 25 und 45 mm, vorzugsweise 34 mm beträgt, so dass einerseits der Fluss in Durchflussrichtung nur gering gestört wird und andererseits in Sperrrichtung die Bremswirkung der Strömungsdiode der ersten Gruppe ausreichend vorbereitet wird. Zudem ist ein solcher Innendurchmesser auf den ebenfalls vorteilhaften Innendurchmesser der Kehlstelle jeder venturiartig ausgeformten Strömungsdiode abgestimmt.
Um einen möglichst hohen Massendurchsatz in Durchflussrichtung zu gewährleisten und gleichzeitig eine Begrenzung des Rückflusses zu erreichen, bietet es sich an, dass das Leitungsnetz eine Vielzahl von strömungsmäßig parallel miteinander geschalteten Teilleitungen, die mit Strömungsdioden versehen sind, aufweist. Gerade hierdurch wird eine Redundanz dieses passiven Elements erreicht, welches gerade in Anwendungsbereichen wie Kernkraftwerken gefordert ist, und Teilausfällen, wie dem Verstopfen von Teilleitungen entgegenwirken kann. Bei einem gegebenen, gewünschten Durchfluss durch das Leitungsnetz bewirkt eine Parallelschaltung eine Verkürzung des Leitungsnetzes. So entspricht das Verhalten einer n^1/2 Meter langen Strömungsdiode dem Verhalten eines Bündels von n jeweils 1 Meter langen Strömungsdioden. Um noch einmal die Vorzüge der einfachen Skalierbarkeit aufzuzeigen, sei erwähnt, dass alle Abmessungen der Strömungsdioden mit dem Faktor n^1/2 verkleinert sind.
Vorteilhafterweise ist eine strömungsmäßige Querverbindung (ein sogenanntes Plenum) zwischen zumindest zwei der parallelen Teilleitungen vorgesehen, welche zwischen Strömungsdioden der ersten Gruppe und Strömungsdioden der zweiten Gruppe angeordnet ist. Dadurch wird die individuelle Zuordnung zwischen strömungsmäßig in Reihe geschalteten Strömungsdioden der ersten und der zweiten Gruppe aufgehoben. Hierdurch kann unter anderem ein Strömungsausgleich erfolgen, der Mehrbelastungen einzelner Strömungsdioden teilweise verhindern kann. Auch ist hierdurch eine bessere Verteilung des Strömungsmediums beim Austritt aus dem Leitungsnetz gegeben.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind zwischen dreißig und vierzig parallel geschaltete Teilleitungen vorgesehen. Hierdurch ist es möglich, die an eine gebräuchliche Kondensatrückführleitung in einem Kernkraftwerk gestellten Anforderungen zu erfüllen. So sollen in Durchlassrichtung maximale Druckverluste von 12 mbar bei einem Massenfluss von 45 kg/s entstehen. Andererseits soll die Rückströmung auf 50 kg/s begrenzt werden. Auch ist es denkbar, dass die parallel geschalteten Teilleitungen hexagonal oder quadratisch angeordnet sind.
Vorteilhafterweise ist der Rückflussbegrenzer Teil einer kerntechnischen Anlage mit einem Reaktordruckbehälter und mit einem Kondensator, der über eine Kondensatrückführleitung mit dem Reaktordruckbehälter verbunden ist, wobei die Kondensatrückführleitung mit einem Rückflussbegrenzer der oben beschriebenen Art ausgestattet ist. Durch den Einsatzort in der Kondensatrückführleitung wird dem Sicherheitsgedanken in Kernkraftwerken besondere Rechnung getragen, da hier bevorzugt passive Elemente Verwendung finden sollen, die ohne bewegliche Teile auskommen, und zu deren Betrieb kein Einsatz von Fremdenergie notwendig ist.
Dadurch dass die Durchlassrichtung des Rückflussbegrenzers der im Normalbetrieb vorgesehenen Richtung des Rückstroms von dem Kondensator zu dem Reaktordruckbehälter entspricht, wird das Strömungsmedium bei einem Bruch der Kondensatrückführleitung an einem Ausströmen aus dem Reaktordruckbehälter wirksam gehindert. Bei Vorhandensein von weiteren Kondensatoren oder Notkondensatoren ist somit eine Kühlung des Reaktorkerns weiterhin möglich, da auf Grund der sperrenden Wirkung der Strömungsdiode das Ausströmen des Strömungsmediums durch den Leitungsbruch gemindert wird und somit ein geregelter Druckabbau im Reaktordruckbehälter erzielt wird, so dass weitere Notfallsysteme, die nur bei ausreichend niedrigem Druck wirksam arbeiten, die weitere Reaktorkühlung vornehmen.
Wünschenswert ist es, dass bei einem Bruch der Kondensatrückführleitung an beliebiger Stelle stets verhindert wird, dass das Strömungsmedium ausströmt. Hierzu ist es vorteilhaft, dass der Rückflussbegrenzer im Reaktordruckbehälter selbst angeordnet ist, wodurch auch bei einem Riss der Kondensatrückführleitung nahe oder direkt am Reaktordruckbehälter ein Rückströmen gemindert wird.
Für die Fertigung des Rückflussbegrenzers oder seiner einzelnen Bestandteile stehen verschiedene Optionen zur Verfügung. So kann jede Strömungsdiode aus einem Block aus Vollmaterial entweder spanlos, vorzugsweise bohrend, fräsend, räumend, reibend oder hohnend, oder spanabhebend, vorzugsweise erodierend, schmiedend oder laserbearbeitend, hergestellt werden. Auch kann jede parallel geschaltete Strömungsdiode der ersten Gruppe und jede parallel geschaltete Strömungsdiode der zweiten Gruppe jeweils aus einem Block aus Vollmaterial hergestellt werden. Diese können dann blockweise strömungsmäßig miteinander verbunden werden, was einem modularen Aufbau entspricht.
Denkbar ist es in einer zweiten Variante auch, dass jede Strömungsdiode der ersten Gruppe und jede Strömungsdiode der zweiten Gruppe jeweils separat profiliert ist. In einem zweiten Schritt können dann parallel geschaltete Strömungsdioden zu einem Bündel zusammengefügt werden, wobei die Strömungsdioden vorzugsweise gemeinsam in eine Tragplatte geschweißt sind, und strömungsmäßig mit den anderen Strömungsdioden verbunden sind.
In einer dritten Variante ist jede Strömungsdiode gegossen.
Schließlich sind auch noch Kombinationen der verschiedenen Varianten möglich.
Zusammengefasst besteht der Vorteil des passiven Rückflussbegrenzers insbesondere darin, dass einerseits eine wirksame Begrenzung des Rückflusses von zweiphasigen Fluiden erreicht wird bei einer gleichzeitig geringen Minderung des Flusses in Durchflussrichtung. Durch die Ausführung als passives Bauelement, welches zudem eine geringere thermische Ermüdung als beispielsweise eine Wirbeldiode aufweist, eignet sich der passive Rückflussbegrenzer auch in kritischen Einsatzbereichen wie Kernkraftwerken oder chemischen Anlagen und kann dort zu einer gesteigerten Betriebssicherheit beitragen. Grundsätzlich ist auch ein Betrieb des erfindungsgemäßen Rückflussbegrenzers mit einphasigen Fluiden möglich, wenngleich er nicht in erster Linie für diesen Anwendungsfall optimiert ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand mehrerer Zeichnungen erläutert. Darin zeigen
1 schematisch eine kerntechnische Anlage mit einem Reaktordruckbehälter und mit einem Notkondensatorsystem, das über eine Kondensatrückführleitung mit dem Reaktordruckbehälter verbunden ist, wobei die Kondensatrückführleitung mit einem Rückflussbegrenzer ausgestattet ist,
2 schematisch einen passiven Rückflussbegrenzer mit zwei jeweils nach Art einer Venturidüse ausgeformten Strömungsdioden, die seriell angeordnet sind,
3 schematisch eine Aufsicht auf einen passiven Rückflussbegrenzer, der mehrere, parallel angeordnete Strömungsdioden vom Venturi-Typ umfasst,
4 schematisch einen Schnitt durch einen passiven Rückflussbegrenzer der mehrere, parallel angeordnete Strömungsdioden vom Venturi-Typ umfasst, und
5a, b, c verschiedene Möglichkeiten, Strömungsdioden einer ersten und einer zweiten Gruppe anzuordnen.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 sind verschiedene Komponenten eine kerntechnischen Anlage 1 dargestellt, die einen Reaktordruckbehälter 4 sowie einen Notkondensator 6 aufweist.
Diese sind strömungsmäßig über eine Dampfleitung 8 und eine Kondensatrückführleitung 10 miteinander verbunden. Bei einem Störfall kann der Pegelstand der flüssigen Phase des Strömungsmediums, wie zum Beispiel Wasser, im Reaktordruckbehälter 1 absinken, so dass Dampf in Kontakt mit der Kondensatoroberfläche 14 im Notkondensator 6 kommt. Hierdurch wird ein Kühlkreislauf in Gang gesetzt und das Strömungsmedium strömt als Kondensat über die Kondensatrückführleitung 10 zurück in den Reaktordruckbehälter 4, wo es erneut Wärme aufnimmt.
Im Fall eines Bruchs der Kondensatrückführleitung 10 kann der passive Rückflussbegrenzer 20 verhindern, dass eine zu große Menge des Strömungsmediums rückströmt und kritisch die Gesamtmenge des Strömungsmediums im Kreislauf unter einen kritischen Wert sinkt. Bei einer redundanten Auslegung des Notkondensatorsystems sind in vielen Fällen mehr als ein Notkondensator 6 vorhanden, so dass die intakten Teilsysteme in einem ersten Schritt die Funktion des Notkondensators mit gebrochener Kondensatrückführleitung 10 übernehmen können. So stehen bei geregeltem Druckabbau in der Regel weitere Notfallsysteme zur Verfügung.
2 zeigt einen passiven Rückflussbegrenzer 20, der aus einer Strömungsdiode einer ersten Gruppe 22, einer Strömungsdiode einer zweiten Gruppe 24 und einem rohrförmigem Leitungsabschnitt 26 dazwischen besteht. Sowohl die Strömungsdiode der ersten Gruppe 22 als auch die Strömungsdiode der zweiten Gruppe 24 sind als Venturidüsen ausgeformt, so dass diese jeweils aus einem Kontraktor 28 und einem Diffusor 30 mit einer dazwischen liegenden Kehlstelle 32, die den geringsten Innendurchmesser aufweist, bestehen. Da der Kontraktor 28 einen signifikant größeren Öffnungswinkel als der Diffusor 30 aufweist, ist der Diffusor ein lang gestrecktes Bauteil. Mit Öffnungswinkel ist in diesem Zusammenhang der Winkel zwischen zentraler Achse durch die Strömungsdiode hindurch und der innenliegenden Wand der Strömungsdiode gemeint.
Anhand dieses einfachen Aufbaus kann die Funktionsweise des passiven Rückflussbegrenzers 20 erläutert werden. In Durchlassrichtung, die der Richtung des Pfeils 34 entspricht, trifft das Strömungsmedium zunächst auf den Kontraktor 28, wo es zunächst komprimiert wird und mit einer Geschwindigkeit, die geringer ist als die Machgeschwindigkeit, auch Schallgeschwindigkeit genannt, die Kehlstelle 32 passiert. Am Diffusor 30 wird ein Druckrückgewinn erzielt, wobei aber keine Strömungsblösung erfolgt. Ein ebenfalls denkbarer Diffusor 30, welcher gestuft ausgeführt ist, verringert zwar geringfügig den Druckrückgewinn, aber auch die Länge dieses Bauteils, was auf Grund einer damit möglichen kompakteren Bauweise ebenfalls Vorteile bieten kann. Zusammengefasst ist in Durchlassrichtung der passive Rückflussbegrenzer so gestaltet, dass die unterkühlte Strömung, wobei bei Verwendung von Wasser Temperaturen von bis zu 290°C erreicht werden, die ganze Zeit an den Wänden anliegt und nur ein geringer Druckverlust entsteht, wodurch der Massendurchfluss nur gering herabgesetzt wird.
In Sperrrichtung, die der Richtung des Pfeils 36 entspricht, erreicht das Strömungsmedium zunächst die Strömungsdiode der zweiten Gruppe 24. Nach Durchlaufen dieser Strömungsdiode, die hier ebenfalls als Venturidüse ausgeformt ist, ist das Strömungsmedium in der Regel ein Zweiphasen-Gemisch, was mit einer Herabsetzung der Machgeschwindigkeit einhergeht. In dem rohrförmigen Leitungsabschnitt 26 erreicht das Strömungsmedium Gleichgewichtsbedingungen hinsichtlich Fluss, Temperatur und mechanischer Belastung. Da der Querschnitt sich im Diffusor 30 als Teil Strömungsdiode der ersten Gruppe 22 relativ langsam verengt, dampft das Strömungsmedium an der Kehlstelle 32 auf Grund des dynamischen Druckverlusts aus. In der nachfolgenden signifikanten Querschnittserweiterung im Kontraktor 28, die mit einem hohen Druckabfall einhergeht, löst sich die Strömung von der Wand ab. Als Resultat entsteht auch auf Grund der geringeren Machgeschwindigkeit, die in Sperrrichtung in der Regel nun an der Kehlstelle 32 erreicht wird, ein geringerer Massenfluss in Sperrrichtung, der den Rückfluss begrenzt.
Bei Wasser als Strömungsmedium lässt sich dies zusammenfassen. In Durchlassrichtung ist das Strömungsmedium in der Regel flüssig, wodurch sich eine hohe Machgeschwindigkeit einstellt, die allerdings in der venturiartigen Strömungsdiode meist nicht erreicht wird. Durch die Strömungsdiode findet somit nur eine geringe Reduktion des Massenflusses statt. In Sperrrichtung ist der venturiartigen Strömungsdiode der ersten Gruppe 22 eine weitere Strömungsdiode der zweiten Gruppe 24 vorgeschaltet. Diese sorgt dafür, dass ein Zwei-Phasen-Gemisch entsteht, wobei nun die Machgeschwindigkeit herabgesetzt ist, die ihrerseits den Massenfluss in der Strömungsdiode der ersten Gruppe 22 begrenzt.
3 zeigt in einer Querschnittsdarstellung eine Vielzahl von Strömungsdioden der ersten Gruppe 22, die gemeinsam in eine Tragplatte 40 eingebracht sind. Die Strömungsdioden der ersten Gruppe 22 sind strömungsmäßig miteinander über das Leitungsnetz verbunden, so dass diese parallel zu einander geschaltet sind. Auf Grund der Schaltung ist es möglich, einen hohen Fluss des Strömungsmediums in Durchlassrichtung zu gewährleisten und andererseits in Sperrrichtung den Fluss passiv zu begrenzen. Die strömungsmäßige parallele Anordnung der einzelnen Strömungsdioden der ersten Gruppe 22 bietet zudem die Möglichkeit einer modularen Fertigung von passiven Rückflussbegrenzern, welche dann ggf. in eine kerntechnische Anlage eingebracht werden können. Gerade durch die Möglichkeit einer variablen Bauweise können im Sinne eines Upgrades auch ältere Anlagen mit einem solchen passiven Rückflussbegrenzern ausgestattet werden, bei denen vorhandene geometrische Formen berücksichtigt werden müssen.
4 zeigt vier Strömungsdioden der ersten Gruppe 22, die strömungsmäßig mit jeweils einer Strömungsdiode der zweiten Gruppe 24 über einen rohrförmigen Leitungsabschnitt 26 verbunden sind. Diese sind gemeinsam in eine Tragplatte 40 eingebracht. Durch die gewählte Anordnung kann in Durchlassrichtung, die der Richtung des Pfeils 34 entspricht, ein hoher Fluss des Strömungsmediums gewährleistet werden. In Sperrrichtung, welche der Richtung des Pfeils 36 entspricht, wird dahingegen der Fluss begrenzt. In dieser Ausgestaltung sind die Strömungsdioden der ersten Gruppe 22 und die der zweiten Gruppe 24 jeweils nach Art einer Venturidüse ausgeformt und besitzen gleiche geometrische Parameter. Durch die Gleichartigkeit ist einerseits eine modulare Fertigung möglich. Andererseits sind verschieden ausgestaltete Strömungsdioden mit ihren jeweiligen geometrischen Parametern in der Regel schon Testphasen unterzogen worden, so dass ein bevorzugtes Model mehrfach genutzt werden kann. Auch bei einem Teilbruch des passiven Rückflussbegrenzers 20 selbst ist bei einer solchen parallelen Anordnung auch weiterhin eine Begrenzung möglich, da die anderen parallel angeordneten Strömungsdioden zumindest teilweise ihren Dienst weiterverrichten können.
5a, 5b und 5c zeigen verschiedene Möglichkeiten der Anordnung von Strömungsdioden der ersten Gruppe 22 und Strömungsdioden der zweiten Gruppe 24. Die Strömungsdioden sind hier nur schematisch dargestellt, wobei die Durchlassrichtung der Richtung des Pfeils 34 und die Sperrrichtung der Richtung des Pfeils 36 entspricht.
In 5a ist die aus 2 bekannte serielle Schaltung von zwei Strömungsdioden dargestellt.
In 5b ist eine Parallelschaltung von drei Strömungsdioden der ersten Gruppe 22 dargestellt. Nachdem das Strömungsmedium diese in Durchlassrichtung durchlaufen hat, wird es zusammengeführt und durchläuft gemeinsam eine Strömungsdiode der zweiten Gruppe 24.
In 5c ist eine parallele Schaltung von zwei Strömungsdioden der ersten Gruppe 22, welche jeweils strömungsmäßig seriell mit einer Strömungsdiode der zweiten Gruppe 24 verbunden sind. Durch eine optionale strömungsmäßige Querverbindung 42 werden Unterschiede im Strömungsmedium, die in einer der beiden Teilleitungen bestehen können, zumindest teilweise ausgeglichen, so dass Mehrbelastungen von Teilleitungen und/oder Strömungsdioden vermieden werden.
Der Fachmann erkennt mannigfache Abwandlungen und Kombinationsmöglichkeiten, auf die an dieser Stelle nicht im Einzelnen eingegangen werden muss. Es soll lediglich erwähnt werden, dass die in Sperrrichtung gesehen vorgeschalteten Strömungsdioden der zweiten Gruppe zwar bevorzugt vom Typ Venturidüse sind, dass in einer möglichen Abwandlung an dieser Stelle beispielsweise aber auch Wirbeldioden zum Einsatz kommen können. Dadurch kann die Auslegung des Rückflussbegrenzers je nach gewünschtem Einsatzfeld vom Zwei-Phasen-Betrieb hin zum Ein-Phasen-Betrieb hin oder zu Mischfällen dieser beiden Varianten verschoben werden. Des Weiteren können im Leitungssystem oder in dessen einzelnen Teilsträngen auch mehr als zwei Strömungsdioden in Reihe geschaltet sein, womit sich allerdings die Baulänge vergrößert und sich im Allgemeinen auch die Fertigung komplexer gestaltet. Um die Baulänge möglichst gering zu halten, können andererseits auch gekrümmte Leitungsabschnitte oder Umlenksegmente und dergleichen zwischen den in Reihe geschalteten Strömungsdioden vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: Kerntechnische Anlage
4: Reaktordruckbehälter
6: Notkondensator
8: Dampfleitung
10: Kondensatrückführleitung
14: Kondensatoroberfläche
16, 18: Pfeil
19: Reaktorkern
20: Passiver Rückflussbegrenzer
22: Strömungsdiode der ersten Gruppe
24: Strömungsdiode der zweiten Gruppe
26: Rohrförmiger Leitungsabschnitt
28: Kontraktor
30: Diffusor
32: Kehlstelle
34: Pfeil in Durchlassrichtung
36: Pfeil in Sperrrichtung
40: Tragplatte
42: Strömungsmäßige Querverbindung (Plenum)

Claims

Passiver Rückflussbegrenzer (20) für ein Strömungsmedium, mit • zumindest einer Einlassöffnung, einer Auslassöffnung und einem dazwischen liegenden Leitungsnetz, • einer ersten Gruppe von in das Leitungsnetz geschalteten Strömungsdioden (22), die als Venturidüsen ausgestaltet sind, • einer zweiten Gruppe von in das Leitungsnetz geschalteten Strömungsdioden (24), wobei das Leitungsnetz derart beschaffen ist, dass das Strömungsmedium im Rückflussbetrieb von der Auslassöffnung kommend zunächst über eine in Sperrrichtung orientierte Strömungsdiode der zweiten Gruppe (24) und dann über eine gleichsinnig orientierte Strömungsdiode der ersten Gruppe (22) geführt wird.
Passiver Rückflussbegrenzer (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungsnetz derart beschaffen ist, dass im Durchlassbetrieb das Strömungsmedium in umgekehrter Richtung von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung geführt wird.
Passiver Rückflussbegrenzer (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Strömungsdioden der ersten Gruppe (22) gleiche geometrische Parameter besitzen.
Passiver Rückflussbegrenzer (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Strömungsdioden der zweiten Gruppe (24) vom gleichen Typ sind.
Passiver Rückflussbegrenzer (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Strömungsdiode der zweiten Gruppe (24) als Venturidüse ausgestaltet ist.
Passiver Rückflussbegrenzer (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Strömungsdioden der zweiten Gruppe (24) gleiche geometrische Parameter besitzen.
Passiver Rückflussbegrenzer (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Strömungsdioden (22, 24) gleiche geometrische Parameter besitzen.
Passiver Rückflussbegrenzer (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede nach Art einer Venturidüse ausgeformte Strömungsdiode so angeordnet ist, dass in Rückflussrichtung gesehen zunächst der Diffuser (30) und anschließend der Kontraktor (28) angeordnet ist.
Passiver Rückflussbegrenzer (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel des Diffusors (30) jeder nach Art einer Venturidüse ausgeformten Strömungsdiode mindestens 4 Grad und maximal 6 Grad, vorzugsweise 5 Grad beträgt.
Passiver Rückflussbegrenzer (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder nach Art einer Venturidüse ausgeformten Strömungsdiode der Öffnungswinkel des Kontraktors (28) signifikant größer ist als der Öffnungswinkel des Diffusors (30).
Passiver Rückflussbegrenzer (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der Kehlstelle (32) jeder nach Art einer Venturidüse ausgeformten Strömungsdiode zwischen 12 und 25 mm, vorzugweise 18 mm beträgt.
Passiver Rückflussbegrenzer (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Strömungsdioden der ersten Gruppe (22) und den in dazu in Reihe geschalteten Strömungsdioden der zweiten Gruppe (24) jeweils ein zusätzlicher rohrförmiger Leitungsabschnitt (26) mit konstantem Innendurchmesser angeordnet ist.
Passvier Rückflussbegrenzer (20) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser jedes zusätzlichen rohrförmigen Leitungsabschnitts (26) zwischen 25 und 45 mm, vorzugweise 34 mm beträgt.
Passiver Rückflussbegrenzer (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungsnetz eine Mehrzahl von strömungsmäßig parallel geschalteten Teilleitungen aufweist, welche jeweils eine Strömungsdiode der ersten Gruppe (22) und eine zu dieser in Reihe geschaltete, gleichsinnig orientierte Strömungsdiode der zweiten Gruppe (24) enthalten.
Passiver Rückflussbegrenzer (20) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine strömungsmäßige Querverbindung (42) zwischen zumindest zwei der parallelen Teilleitungen vorgesehen ist, welche zwischen Strömungsdioden der ersten Gruppe (22) und Strömungsdioden der zweiten Gruppe (24) angeordnet ist.
Passiver Rückflussbegrenzer (20) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dreißig und vierzig parallel geschaltete Teilleitungen vorgesehen sind.
Kerntechnische Anlage (1) mit einem Reaktordruckbehälter (4) und mit einem Kondensator (6), der über eine Kondensatrückführleitung (10) mit dem Reaktordruckbehälter (4) verbunden ist, wobei die Kondensatrückführleitung (10) mit einem nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestalteten Rückflussbegrenzer (20) ausgestattet ist.
Kerntechnische Anlage (1) nach Anspruch 17, wobei die Durchlassrichtung des Rückflussbegrenzers (20) der im Normalbetrieb vorgesehenen Richtung des Rückstroms von dem Kondensator (6) zu dem Reaktordruckbehälter (4) entspricht.
Kerntechnische Anlage (1) nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückflussbegrenzer (20) im Reaktordruckbehälter (4) selbst angeordnet ist.