DE1119875B - Einrichtung zur Regelung des Druckes einer aus einem Kernreaktor austretenden, verdampfbaren und in einem Kreislaufsystem ueber einen Waermeaustauscher gefuehrten Kuehlfluessigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Regelung des Druckes einer aus einem Kernreaktor austretenden, verdampfbaren und in einem Kreislaufsystem über einen Wärmeaustauscher geführten Kühlflüssigkeit mit einem Druckbehälter, welcher eine Dampfkammer und eine mit einer Heizung versehene Flüssigkeitskammer aufweist, wobei aus der Flüssigkeitskammer über eine erste Leitung dem Kreislaufsystem bei Druckabfall Kühlflüssigkeit zugeführt und bei Druckanstieg aus dem Kreislaufsystem Kühlflüssigkeit über eine zweite Leitung in die Dampfkammer eingesprüht wird.

Bei einer bekannten Einrichtung ist die bodenseitige Leitung des Flüssigkeitsraumes des Druckbehälters mit der Leitung verbunden, welche von dem Reaktor *5 zu dem Behälter führt, während der Dampfraum des Druckbehälters an die Leitung angeschlossen ist, welche von der Zirkulationspumpe zu dem Reaktor führt. Diese beiden erwähnten Leitungen führen Flüssigkeiten bei verschiedenen Drücken und Temperaturen. Der Betrieb einer derartigen Anlage erfordert daher eine kontinuierliche Verstellung verschiedener Regelventile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen und einen selbsttätigen Betrieb zu ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die vorerwähnte erste Leitung und die zweite Leitung an die von dem Kernreaktor zum Wärmeaustauscher führende Leitung angeschlossen.

Dabei kann in der Leitung zur Flüssigkeitskammer ein Drosselorgan und in der Leitung zur Dampfkammer ein Rückschlagventil vorgesehen sein.

In dem Druckbehälter befindet sich ein durch dessen Boden eingeführtes Steigrohr, welches mit der Flüssigkeitskammer über ein Rückschlagventil und mit der Dampfkammer über ein zweites Rückschlagventil in Verbindung steht.

Die Kühlflüssigkeit kann in die Dampfkammer über eine Düse eintreten; es kann aber auch in der Dampfkammer unterhalb der oberen Öffnung des Steigrohres eine Prallplatte angeordnet sein. Letztere weist an ihrem äußeren Umfang einen nach oben gerichteten Flansch auf.

Die Figuren erläutern die Erfindung an Ausführungsbeispielen. Es stellt dar

Fig. 1 eine Anlage der erfindungsgemäßen Art,

Fig. 2 den Schnitt nach Linie II-II zu Fig. 1,

Fig. 3 den Schnitt nach Linie IH-III zu Fig. 1,

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform des Druckreglers im Axialschnitt,

Fig. 5 den Schnitt nach Linie V-V zu Fig. 4,

Einrichtung zur Regelung des Druckes

einer aus einem Kernreaktor austretenden,

verdampfbaren und in einem Kreislaufsystem über einen Wärmeaustauscher geführten

Kühlflüssigkeit

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann und Dr.-Ing. A. Weickmann, Patentanwälte, München 2, Brunnstr. 8/9

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 13. August 1957 (Nr. 677 875)

William J. McShane, Pittsburgh, Pa. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform des Druckreglers im Axialschnitt und

Fig. 7 und 8 zwei weitere Ausführungsformen des Druckreglers ebenfalls im Axialschnitt.

Gemäß Fig. 1 sind ein Kernreaktor 20 und ein Wärmeaustauscher 22 zusammengeschaltet. Durch den Reaktor 20 wird über eine Einlaßleitung 24 und eine Auslaßleitung 26 durch eine Pumpe 28 Kühlflüssigkeit getrieben. Die Saugseite der Pumpe 28 ist durch eine Leitung 30 an die Ausgangsseite des Wärmeaustauschers 22 angeschlossen. Leitungen 32 und 34 dienen der Versorgung des Wärmeaustauschers 22 mit einem Kühlmittel.

Ein Druckbehälter 36 ist durch eine Leitung 38 bodenseitig mit der von dem Reaktor 20 zu dem Wärmeaustauscher 22 führenden Leitung 26 verbunden. In der Flüssigkeitskammer 40 des Behälters 36 befindet sich eine gewisse Menge an verdampfbarer Flüssigkeit, die z. B. aus einem Teil der Kühlflüssigkeit besteht. Um in dem Kühlsystem den gewünschten Druck zu erhalten, tauchen in die Flüssigkeit Heizkörper 42 ein, welche durch Leitungen 44 an eine elektrische Heizstromquelle angeschlossen sind.

Durch die Heizkörper 42 wird eine bestimmte

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Menge der in der Flüssigkeitskammer 40 enthaltenen Flüssigkeit verdampft. Dieser Dampf füllt eine Dampfkammer 46 des Behälters 36, so daß ein Teil der Flüssigkeit durch ein Rückschlagventil 48 und die Leitung 38 in die Leitung 26 gedruckt wird. DasVentil 48 steuert eine Öffnung 68 in der Wandung eines Steigrohres 50, das im Innern des Behälters 36 zweckmäßig zentral angeordnet ist. Das Ventil befindet sich nächst dem unteren Ende des Steigrohres 50, so daß in dieses Steigrohr nur Flüssigkeit aus der Kammer 40 eintreten kann. Das Steigrohr 50 steht mit einer Bodenöffnung 52 des Behälters 36 in Verbindung. Bei Anlagen, die ein Gemisch aus Flüssigkeit und Gasen enthalten, wird der Behälter 36 an einen Flüssigkeit führenden Teil, z. B. die untere Einlaßleitung 24 oder 30, angeschlossen. Nächst dem oberen Ende des Steigrohres 50 befindet sich eine perforierte Prallplatte 54. Diese besonders aus Fig. 3 erkennbare Prallplatte 54 entspricht dem Durchmesser des Druckbehälters 36 und ist an dessen Innenwand 56 durch einen nach oben stehenden Flansch 58 befestigt, der mit der Prallplatte 54 verschweißt oder sonstwie verbunden ist. Die Prallplatte 54 weist außerdem eine zentrale Öffnung 60 auf, durch welche das obere Ende des Steigrohres 50 hindurchgeht. Die Prallplatte kann durch einen an dem Steigrohr50 befestigten, z.B. aufgeschrumpften Ring 62 gestützt sein.

Im oberen Ende des Steigrohres 50 befindet sich ein hängendes Rückschlagventil 64 in solcher Anordnung, daß dieses Ventil unter bestimmten Bedingungen die obere Mündung des Steigrohres 50 verschließt. Das Ventil 64 gestattet nur den Aufwärtsstrom durch das Steigrohr 50, so daß keine Möglichkeit des Entweichens von Dampf in der Dampfkammer 46 besteht. Demzufolge wirken die in der Kammer 46 bei Verdampfung eines Teils der Flüssigkeit entwickelten Drücke im wesentlichen ausschließlich auf die Oberfläche der Flüssigkeit. Unter normalen Betriebsbedingungen, d. h., wenn das Kühlsystem keinen positiven oder negativen, durch Vorgänge in dem Reaktor 20 oder dem Wärmeaustauscher 22 ausgelösten Druckschwankungen unterliegt, ist ein druckempfindlicher Schalter, der nicht gezeichnet und nicht Teil der Erfindung ist, im Stromkreis der Heizkörper 42 eingerückt. Die Heizkörper arbeiten auf diese Weise, wenn der gewünschte Druck in dem Kühlsystem erreicht ist, intermittierend. Bei Eintreten eines positiven Vorganges treibt die damit verbundene Erhöhung des Druckes oder des Volumens eine gewisse Menge an Kühlflüssigkeit aus der Leitung 26 über die Leitung38 in das Steigrohr 50 des Druckbehälters 36. Dies bewirkt das Schließen des Ventils 48 in der Wandung des Steigrohres 50 und verhindert somit ein direktes Ausfließen von Kühlflüssigkeit in die Flüssigkeitskammer 40 des Druckbehälters. Die in dem Rohr 50 hochsteigende Flüssigkeit strömt schließlich bei geöffnetem Ventil 64 über und nach außen auf die perforierte Prallplatte 54. Durch zahlreiche enge Bohrungen 66 in dieser Prallplatte fällt sie in feinverteilten Strahlen oder Tropfen durch die Dampfkammer 46 des Druckbehälters. Die Dispersion von verhältnismäßig kühler Flüssigkeit kondensiert mindestens einen Teil des in der Dampfkammer 46 enthaltenen Dampfes. Dies bewirkt die Schaffung eines zusätzlichen Volumens in dem Druckbehälter 36; demzufolge kann ein entsprechend größeres Volumen an Flüssigkeit über das Steigrohr 50 und die Leitung 38 einströmen ohne übermäßige Erhöhung des Druckes.

Findet ein negativer Vorgang statt, so wird der damit verbundenen Verringerung des Druckes oder des Volumens in dem System zunächst durch die Flüssigkeit in dem Druckbehälter entgegengewirkt. Denn in diesem Fall erhält die Flüssigkeit in dem Behälter 36 momentan einen höheren Druck als das zu regelnde System, und zwar dank der intermittierenden Wirkung der Heizkörper 42, wie oben erläutert. Dieser verhältnismäßig höhere Druck der Flüssigkeit öffnet das Ventil 48 in der Wandung des Steigrohres 50, worauf ein Teil der Flüssigkeit durch die von dem Ventil 48 gesteuerte Öffnung 68 in der Wandung des Steigrohres ausströmt. Diese Menge an Flüssigkeit gelangt über die Leitung 38 in das zu regelnde System; diese Strömung hält so lange an, bis der Druck in dem Behälter 36 gleich ist dem Druck in dem zu regelnden System.

Während dieser Zeit bewirkt aber der in dem Behälter 36 sinkende Druck die Freigabe von Eigenwärme zu der Dampfkammer 46, und zwar in Form der in der Flüssigkeit stattfindenden Verdampfung. Diese Freigabe von Eigenwärme hat zur Folge, daß der vorgeschriebene Druck in dem Behälter 36 aufrechterhalten wird, d. h. der Druck, der bestand, ehe der negative Vorgang eintrat, wobei ein noch so geringer Fehlbetrag an Druck in dem Behälter 36 durch die oben beschriebene Wirkung der Heizkörper 42 ausgeglichen wird.

In einigen Anwendungsfällen des Gegenstandes der Erfindung hat sich ergeben, daß die Temperatur der in den Behälter 36 und dessen Steigrohr 50 eintretenden Flüssigkeit wesentlich niedriger ist als die Temperatur der Flüssigkeit in der Kammer 40 und daß dann eine beträchtliche Menge des in der Dampfkammer 46 des Behälters enthaltenen Dampfes kondensiert wird. Dies kann eine Überkompensation des Druckanstiegs (positiver Vorgang) zur Folge haben. Es werden daher Maßnahmen getroffen, die bezwecken, die Kondensationswirkung der ankommenden Flüssigkeit auf den Dampf zu begrenzen.

Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 4 und 5 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform findet ein Druckbehälter 70 mit einem Steigrohr 72, einer Anschlußleitung 74 und Ventilen 76, 78 in dem Steigrohr 72 Verwendung. Diese Teile des Druckbehälters 70 sind in ihrer Wirkungsweise ähnlich den Ventilen und Leitungen der Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 3. Auch ist der Druckbehälter mit einem oder mehreren Heizkörpern 80 versehen, die Teile der normalerweise in dem Behälter 70 vorhandenen Flüssigkeitssäule 82 verdampfen.

Nächst dem oberen Ende des Steigrohres 72 ist eine perforierte Prallplatte 84 vorgesehen. Die Höhe des Spiegels der über den Perforationen 86 sich auf der Prallplatte stauenden Flüssigkeit ist begrenzt. Die Prallplatte ist an der Innenwand 88 des Behälters 70 durch Speichen 90 befestigt. Ferner ist die Prallplatte mit einer zentralen Öffnung 92 versehen, durch welche das obere Ende des Steigrohres 72 hindurchgeht. An der Außenoberfläche des Steigrohres 72 ist die Prallplatte durch ein Ringglied94 getragen und abgedichtet.

Ein nach oben gerichteter Ringflansch 96 der Prallplatte bildet eine Art Wehr, dessen Höhe die Stauhöhe der auf die Prallplatte über den Perforationen 86 ankommenden Flüssigkeit bestimmt und damit diejenige Menge an Flüssigkeit, die in Form von Tropfen oder dünnen Strahlen den Dampf in der

Dampfkammer 98 des Druckbehälters 70 kondensiert. Der Überschuß an ankommender Flüssigkeit strömt über die Oberkante 100 des Flansches 96 und fließt in einem verhältnismäßig starken Strom durch die Dampfkammer 98 zu der Flüssigkeitssäule 82 des Druckbehälters. Die Fähigkeit dieses letzteren Stromes, Dampf zu kondensieren, ist verhältnismäßig gering; er trägt daher nicht oder nur wenig zur Kondensation von Dampf in der Kammer 98 bei.

Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform zur Begrenzung des Kondensationsvorgangs. Hier wird eine vorbestimmte Menge von ankommender Flüssigkeit direkt der normalerweise in dem Druckbehälter enthaltenen Flüssigkeit zugeführt. Der übrige Teil der ankommenden Flüssigkeit gelangt zu einem Wärmeaustauscher in Form einer Prallplatte, wie an Hand der Fig. 1 bzw. 4 beschrieben.

Die Einrichtung zur Begrenzung des Kondensationsvorgangs gemäß Fig. 6 befindet sich in einem Druckbehälter 102, der ein zentrales Steigrohr 104, einen Anschlußstutzen 106, Rückschlagventile 108 und 110 und eine perforierte Prallplatte 112 aufweist. Diese Bauteile des Druckbehälters 102 sind ähnlich den entsprechenden Teilen des Druckbehälters 36 gemäß Fig. 1 bis 3. Unterschiedlich ist in Fig. 6 die Anbringung einer zusätzlichen Strömungsöffnung 114 und eines dieser öffnung zugeordneten, hängenden Klappenventils 116.

Das Klappenventil 116 ist ähnlicher Art wie das Ventil 110 der Fig. 6 oder das Ventil 48 gemäß Fig. 1 bis 3 mit der Maßgabe, daß es eine Strömung nur nach außen gestattet. Die öffnung 114 und das Ventil 116 sind in einer solchen Entfernung unter der Prallplatte 112 angeordnet, daß die öffnung direkt mit der normalerweise in dem Behälter 102 vorhandenen Flüssigkeit 120 kommuniziert. Tritt bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 ein positiver Vorgang ein, dann strömt die ankommende Flüssigkeit in das Steigrohr 104 des Behälters 102 in der gleichen Weise, wie an Hand der Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde. Zum Unterschied von der Ausführungsform nach diesen Figuren öffnet jedoch die einströmende Flüssigkeit das Ventil 116, so daß ein Teil der Flüssigkeit direkt in die normalerweise in dem Behälter 102 vorhandene Flüssigkeitssäule 120 ausströmt. Der übrige Teil der ankommenden Flüssigkeit steigt in dem Rohr 104 hoch und strömt am oberen Ende dieses Rohres auf die perforierte Prallplatte 112 über. Unter Umwandlung in Tropfen oder relativ dünne Strahlen durch die Prallplatte wirkt dieser Teil der Flüssigkeit in der gleichen Weise, wie oben beschrieben wurde, d. h., er kondensiert mindestens einen Teil des in der Dampfkammer 122 des Druckbehälters 102 enthaltenen Dampfes.

Im übrigen ist die Wirkungsweise des Druckbehälters 102 der Fig. 6 und auch des Druckbehälters 70 nach Fig. 4 und 5 im wesentlichen dieselbe wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 3.

In Fig. 7 und 8 sind weitere Ausführungsformen von den Kondensiervorgang begrenzenden Einrichtungen gezeigt, die ähnlich arbeiten wie die vorbeschriebenen, bei denen jedoch ein Steigrohr 124 außerhalb eines Druckbehälters 126 angeordnet ist. In dem Steigrohr 124 befindet sich ein Rückschlagventil 128, das den Durchstrom nur nach oben gestattet, wie durch den Pfeil 130 angedeutet ist. Ein Drosselorgan 132 ist in der Bodenleitung 134 des Behälters 126 vorgesehen. Dieses Organ ist so dimensioniert, daß der Flüssigkeitsstrom zwischen der Steigleitung 124 und der Bodenleitung 134 in einem bestimmten Verhältnis erfolgt. Die Bodenleitung 134 ist mit dem unteren Ende des Steigrohres 124 verbunden. An der Verbindungsstelle sind beide an eine Leitung 138 angeschlossen; im übrigen steht die Druckreglereinrichtung mit dem zu regelnden System in gleicher Weise in Verbindung, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Das Drosselorgan 132 übernimmt die gleichen Funktionen, welche dem Klappenventil 116 der Fig. 6 obliegen insofern, als während eines positiven Vorganges ein Teil der Flüssigkeit direkt in die Flüssigkeitskammer 136 strömt. Andererseits hat das Drosselorgan 132 die zusätzliche Aufgabe, Flüssigkeit von dem Behälter 126 in das zu regelnde System abzugeben, und zwar über die Leitungen 134 und 138 während eines negativen Vorgangs. Das Entweichen von Dampf aus der Dampfkammer 140 des Druckbehälters 126 ist durch das Rückschlagventil 128 unterbunden. Während eines positven Vorgangs fließt der Teil der Flüssigkeit, der durch das Drosselorgan 132 über das Ventil 128 in das Steigrohr 124 abgelenkt worden war, über eine Öffnung 142 im Deckel des Behälters 126 in diesen. Anschließend fällt die Flüssigkeit auf die perforierte Prallplatte 144, ähnlich wie bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 6, nur daß hier die zentrale Öffnung der Prallplatte in Wegfall gekommen ist. Nach dem Durchgang durch die Prallplatte 144 kondensiert die kühlere Flüssigkeit mindestens einen Teil des Dampfes, der sich normalerweise in der Kammer 140 befindet.

Die Prallplatte 144 gemäß Fig. 7 kann in Wegfall kommen und durch eine Sprühdüse 146 ersetzt werden, wie aus Fig. 8 ersichtlich ist. Die Sprühdüse ist an einen Stutzen 148 angeschlossen, der sich im oberen Teil des Behälters 126 befindet und durch die Öffnung 142 mit dem Steigrohr verbunden ist. Die aus der Sprühdüse abgegebene, mehr oder weniger zerstäubte Flüssigkeit bewirkt während eines positiven Vorgangs die Kondensierung mindestens eines Teils des Dampfes in der Kammer 140. Die Düse 146 ist in üblicher Weise ausgeführt und so angeordnet, daß sie bei einem angemessen niedrigen Differenzdruck arbeitet, um zu vermeiden, daß sie verstopft und gewartet werden muß. Ein zusätzlicher, relativ niedriger Differenzdruck der Sprühdüse gestattet deren einwandfreien Betrieb durch den Druck, der während eines positiven Vorgangs in das Steigrohr 124 eintretenden Flüssigkeit. An Stelle des Drosselorgans 132 kann in der Leitung 134 auch ein Regelventil vorgesehen sein, um das Verhältnis des Flüssigkeitsstromes zwischen den Deckel- und Bodenteilen des Behälters 126 zu bestimmen. Zu diesem Zweck können zusätzlich auch Regelventile (nicht gezeichnet) in Verbindung mit dem Steigrohr 124 angeordnet sein.

Claims (6)

1. Patentansprüche:
   1. Einrichtung zur Regelung des Druckes einer aus einem Kernreaktor austretenden, verdampfbaren und in einem Kreislaufsystem über einen Wärmeaustauscher geführten Kühlflüssigkeit mit einem Druckbehälter, welcher eine Dampfkammer und eine mit einer Heizung versehene Flüssigkeitskammer aufweist, wobei aus der Flüssigkeitskammer über eine erste Leitung dem Kreislaufsystem bei Druckabfall Kühlflüssigkeitzugeführt und bei Druckanstieg aus dem Kreislauf-

   system Kühlflüssigkeit über eine zweite Leitung in die Dampfkammer eingesprüht wird, dadurch ge kennzeichnet, daß die erste Leitung (38,134) und die zweite Leitung (50, 124) an die von dem Kernreaktor (20) zum Wärmeaustauscher (22) führende Leitung (26) angeschlossen sind.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (134) zur Flüssigkeitskammer (136) ein Drosselorgan (132) und in der Leitung (124) zur Dampfkammer (140) ein Rückschlagventil (128) angeordnet ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Druckbehälter (36) ein durch dessen Boden eingeführtes Steigrohr (50) vorgesehen ist, welches mit der Flüssigkeitskammer (40) über ein Rückschlagventil (48) und mit der Dampfkammer (46) über ein zweites Rückschlagventil (64) in Verbindung steht.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit aus der Leitung (124) über eine Düse (146) in die Dampfkammer (140) eintritt.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Dampfkammer (46) unterhalb der oberen Öffnung des Steigrohres (50) eine perforierte Prallplatte (54) angeordnet ist.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallplatte (84) an ihrem äußeren Umfang einen nach oben gerichteten Flansch (96) aufweist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 449 679;
   schweizerische Patentschrift Nr. 158 616;
   Zeitschrift »Westinghouse Engineer«, November 1955, S. 184.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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