DE1082992B

DE1082992B - Zentrifugal-Wasserabscheider fuer Dampfzellen eines Siedewasser-Kernreaktors

Info

Publication number: DE1082992B
Application number: DEC19523A
Authority: DE
Inventors: Pierre Jean Ricard
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1958-08-08
Filing date: 1959-07-31
Publication date: 1960-06-09
Also published as: LU37493A1; GB924213A; BE581261A; FR1213496A

Description

DEUTSCHES

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zentrifugal-Wasserabscheider für Dampfzellen eines Siedewasser-Kernreaktors.

Bei den Siedewasser-Kernreaktoren, in denen der innerhalb der Zellen erzeugte Dampf- unmittelbar Turbinen antreibt, ist es zweckmäßig, eine sehr gute Trennung des Dampfes von dem mitgerissenen Wasser durchzuführen, um das Mitreißen von radioaktiven Stoffen in die Turbinen im Falle des Bruches einer der den Brennstoff umgebenden Hüllen zu vermeiden.

Diese Bedingung sollte auch erfüllt sein, wenn zwischen dem primären Kreislauf, durch den der unmittelbar in den Reaktorzellen erzeugte Dampf strömt, und einem sekundären Kreislauf, aus dem die Turbinen gespeist werden, ein Wärmetauscher eingeschaltet ist; denn wenn gleichzeitig der Bruch einer Brennstoffelementhülle und eine Undichtigkeit in dem von dem Dampf des Primärkreislaufes durchströmten Kondensatorrohrbündel des Wärmetauschers vorhanden ist, wird das Verschleppen von radioaktiven Stoffen in den Sekundärkreislauf um so weniger gefährlich sein, je vollständiger die Trennung von Wasser und Dampf bereits innerhalb des Reaktors erfolgt ist.

Zentrifugal-Wasserabscheider im Dampfdom von Siedewasser-Kernreaktoren sind bekannt, Gemäß der vorliegenden Erfindung weist jedoch jede der Reäktorzellen des Siedewasserreaktors, bei denen ein zylindrischer Kamin den aktiven Teil der Zelle verlängert, eine als Wasserabscheider wirkende, kegelstumpfmantelförmige, mit ihrer großen Basis am .oberem JEnde des Kamins befestigte Hülse auf; das in dem Kamin der Zelle aufsteigende Gemisch von Wasser und Dampf durchströmt an der Stelle des Eintritts in die Hülse einen koaxial zur Hülse liegenden Kranz von fest angeordneten Leitschaufeln, die dem Gemisch eine Rotationsbewegung aufzwingen, welche das Wasser an die mit Löchern versehenen Wände der Hülse drängt, während die Dampfblasen, die sich dem axialen Teil der Hülse nähern und in ihm sammeln, durch die kleine Basis hindurch austreten.

Als besonders zweckmäßig erweist es sich, die Wasserabscheidevorrichtung derart auszubilden, daß innerhalb der konischen Hülse eine Trennfläche zwischen Wasser und Dampf entsteht, die die Form eines gegenüber dem Kegelstumpfmantel der Hülse-umgekehrten Kegelstumpfmantels hat.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch eine an sich bekannte Siedewasserreaktorzelle, die jedoch mit einem erfmdungsgemäßen Zentrifugal-Wasserabscheider versehen ist,

Fig..2 eine vergrößerte perspektivische Darstellung einer Leitschaufel und ihrer Halterung,

Zentrifugal -Wasserabscheider

für Dampfzellen
eines Siedewasser-Kernreaktors

Anmelder:

ίο Commissariat ä l'Energie Atomique,

Paris

Vertreter: Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,
^χ5 München 22, Steinsdorfstr. 10

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 8. August 1958

Pierre Jean Ricard, Paris,
ist als Erfinder genannt worden

Fig. 3 und 4 (in vergrößertem Maßstabe) Schnitte durch Leitschaufehl in den Tangentenebenen zur Durchflußöffnung, längs der Linien IH-III und IV-IV der Fig. 1, Fig. 5 das Profil einer Öffnung für das Abführen des Wassers.
Die in der Fig. 1 dargestellte eigentliche Zelle des Siedewasserreaktors besteht im wesentlichen aus einer Hülse 1 mit rechteckigem Querschnitt, die zahlreiche bündelweise übereinandergeschichtete Brennstoffstäbe 2 enthält. An ihrem unteren Teil ist die Hülse 1 über einen hohlen kegelstumpfmantelförmigen Körper 3 mit einem Rohrstück 4 verbunden, das an seinem unteren Teil 5 ein nach Art eines Handschuhfingers ausgebildetes Einlaßstück 5 aufweist, in dem zahlreiche Bohrungen für den Eintritt des Wassers in die Zelle vorgesehen sind. An dem oberen Teil der Zelle ist in die Hülse 1 ein Rohrstück 7 mit quadratischem Querschnitt eingeschoben, das sich auf nicht dargestellte Federn abstützt und die Bündel von Brennstoffelementen 2 fest aufeinanderdrückt. Das Rohr 7 verlängert sich nach oben in einem zylindrischen Kamin 8.

An dem oberen Rande des Kamins 8 ist durch Schweißen ein Ring 9 befestigt, der den gleichen inneren und äußeren Durchmesser wie der Kamin 8 aufweist und als äußere Halterung ernes Kranzes von Leitschaufeln 10 dient, deren zentraler Halterungsteil durch eine Innen-

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gewindebuchse 11 gebildet wird, in die eine an ihrem unteren Ende mit Gewinde versehene zentrale Stange 12 eingeschraubt ist.

Auf dem oberen Rand des Ringes 9 ist wiederum durch Schweißung eine kegelstumpfmantelförmige Hülse 13 befestigt, die in ihrer gesamten Mantelfläche Löcher 14 aufweist. Die Kegelstumpfhülse 13 trägt mittels abgewinkelter Arme 15 über ihrer oberen Basis ein Umlenkorgan 16, durch das die Stange 12 hindurchgreift. Das obere Ende der Stange ist mit einem Greifansatz 17 versehen, an dem die zangenartigen Greifglieder einer Hebevorrichtung angreifen können, mittels deren die Zelle in den Reaktor eingesetzt bzw. aus ihm herausgezogen werden kann.

Die Leitschaufeln 10 sind in der Weise profiliert, daß ihre Neigung gegenüber einer senkrecht zur Achse der Hülse 13 liegenden Ebene von der Mitte des Kranzes bis zu seiner Peripherie derart zunimmt, daß im Inneren der Hülse 13 zwischen dem Wasser und dem Dampf eine Trennfläche S gebildet wird, die etwa die Form eines gegenüber dem Kegelstumpfmantel der Hülse umgekehrten Kegelstumpfmantels hat. Die Erzeugenden dieser Trennfläche sind in Fig. 1 mit dünnen, strichpunktierten Linien dargestellt.

Es dürfte bekannt sein, daß die Form einer derartigen Trennfläche zwischen Wasser und Dampf von den Beziehungen abhängt, die zwischen der Tangentialgeschwindigkeit Wt der Flüssigkeit auf einem bestimmten Niveau und dem Abstand r dieser Flüssigkeit von dem Zentrum des Zentrifugal-Wasserabscheiders abhängt; es ist erwünscht, daß die Form dieser Trennfläche derart ist, daß eine Ringzone A, in der sich die flüssige Phase befindet, am Boden der konischen Hülse 13 am breitesten und am oberen Rand der Hülse praktisch gleich Null ist. Auf diese Weise können die seitlichen Öffnungen 14 für den Austritt des Wassers in der Mantelfläche der konischen Hülse 13 regelmäßig verteilt und unter günstigsten Bedingungen ausgenutzt werden.

Wenn man unterschiedliche horizontale Querschnitte, die parallel und in gleichem Höhenabstand durch die konische Hülse 13 gelegt werden, betrachtet, so ist die Ableitkapazität der Löcher 14 in den unteren Höhenabschnitten (in denen die Löcher auch viel zahlreicher sind als in den oberen Abschnitten) wesentlich größer, und man hat deshalb ein Interesse daran, daß diese Flüssigkeits-Ringzone.4 in den unteren Höhenabschnitten besonders breit und in den oberen Höhenabschnitten praktisch Null ist, damit an den oberen Enden kein Wasser mehr durch die öffnung der konischen Hülse austreten kann.

Bei dem Ausführungsbeispiel, das beschrieben wird, ist die Form der Leitschaufeln 11 so gewählt, daß die Trennfläche S, welche die Wasserzone A von der Dampfzone scheidet, kegelstumpfförmig ist, und zwar umgekehrt im Verhältnis zu der Kegelstumpf form der Hülse 13. Diese unterschiedliche Formung entspricht einer Gleichung der

Form

= konstant.

Andererseits muß eine anfänglich am Umfang der großen Basis der Hülse 13 ankommende Dampfblase wenigstens an der Peripherie der kleinen (oberen) Basis der Hülse 13 austreten, damit sie in Richtung des Pfeiles 18 nach oben abströmen kann, während die Flüssigkeit allein in Richtung der Pfeile 19 austritt. In diesem Falle muß die folgende Beziehung bestehen:

Das Ausfließen des Wassers ergibt natürlich innere Reibungen, aber da die Zeit für das Durchlaufen der Flüssigkeit durch den Zentrifugal-Wasserabscheider nur sehr kurz ist, bleibt diese Beziehung selbst während des gesamten Durchlaufvorganges des Mediums durch den Abscheider erhalten.

Damit die Dampfblasen nicht durch das seitlich auslaufende Wasser mitgerissen werden, muß die Radialgeschwindigkeit W_T der Dampfblasen unter Berücksichtigung der Anwesenheit der Öffnungen 14 eine zentripetale Geschwindigkeit sein, damit die Blasen nicht diese Öffnungen erreichen können.

Hierin bedeutet: W_v die axiale Geschwindigkeit der Dampfblasen, h die Höhe der konischen Hülse 13, T₁ den Halbmesser der großen Basis, T₂ den Halbmesser der

¹S kleinen Basis.

Die vorstehenden Bedingungen bestimmen einerseits die Form der Leitschaufeln — wie es oben bereits gesagt wurde — und anderseits die Höhe der konischen Hülse 13 und die Neigung ihrer Erzeugenden.

Die Fig. 2 zeigt wesentlich deutlicher die Form einer Leitschaufel 10, Die Schaufel wird an einem ihrer Enden (Fläche B F D) durch die zentrale Buchse 11 gehalten und am anderen Ende (Fläche A E C) durch den Ring 9, der nur teilweise dargestellt ist, um die Figur klarer zu halten. Der untere Rand EFCD der Schaufel 10 liegt unter einem bestimmten Winkel gegenüber dem oberen Rand A B, und zwar derart, daß die Fläche AEC stärker gegenüber einer horizontalen Ebene geneigt ist als die Fläche BFD; die Neigung dieser Schaufel nimmt von der inneren Buchse 11 bis zu dem äußeren Ring 9 stetig zu.

Um das Auftreten zu hoher Austrittsgeschwindigkeiten des Wassers im unteren Teil der Hülse 13 zu vermeiden, sind die in dieser Zone vorgesehenen Austrittslöcher oder Öffnungen 14 nach außen hin erweitert und nach unten gerichtet, wie dies die Fig. 5 zeigt.

Die Trennung der Wassertröpfchen, die von dem Dampf durch den oberen Austritt der Hülse 13 noch mitgerissen werden sollten, wird durch das Umlenkorgan 16 bewirkt, das über der konischen Hülse 13 angeordnet ist und das sich ausscheidende Wasser nach unten in Richtung des Pfeiles 19 leitet, während der Dampf etwa in Richtung des Pfeiles 18 abströmt.

Claims

Patentansprüche:

1. Zentrifugal-Wasserabscheider für Dampf zellen eines Siedewasser-Kernreaktors, bei denen ein zylindrischer Kamin den aktiven Teil der Zellen verlängert, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserabscheider eine kegehnantelstumpfförmige, mit ihrer großen Basis am oberen Ende des Kamins befestigte Hülse ist und das aufsteigende Gemisch von Wasser und Dampf an der Stelle des Eintritts in die Hülse einen koaxial zur Hülse liegenden Kranz von fest angeordneten Leitschaufeln durchströmt, die dem Gemisch eine Rotationsbewegung aufzwingen, welche das Wasser an die mit Löchern versehenen Wände der Hülse drängt, während die Dampfblasen, die sich dem axialen Teil der Hülse nähern und sich in ihm sammeln, durch die kleine Basis hinduch austreten.

2. Zentrifugal-Wasserabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln ein Sonderprofil mit einer Neigung gegenüber einer senkrecht zur Achse der Hülse liegenden Ebene aufweisen, die von der Mitte des Kranzes bis zu seiner Peripherie derart zunimmt, daß im Innern des Wasserabscheiders sich eine Trennfläche zwischen Wasser und Dampf

ausbildet, die die Form eines gegenüber dem Hülsen-Kegelmantel umgekehrten Kegelstumpfmantels hat.

3. Zentrifugal-Wasserabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Austritt des Wasserabscheiders ein Umlenkorgan sitzt, das die von dem Dampf mitgerissenen unten und außen ablenkt.

Wassertröpfchen nach

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 031 899.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen