DE1129170B - Zylindrisches Waermeaustauschelement, insbesondere fuer Kernbrennstoffelemente, mit laengs angestroemten Querrippen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Wärmeübertragungssysteme und betrifft in erster Linie ausgedehnte oder vergrößerte Wärmeübertragungsflächen, welche Brennstoffelementen für Kernreaktoren zugeordnet werden.

Die Entwicklung bei der Herstellung solcher vergrößerter bzw. Ausdehnungs-Wärmeübertragungsflächen für Kernbrennstoffelemente ging prinzipiell von Längsrippen bzw. -lamellen aus, während später auf entlang dem Umfang verlaufende Rippen übergegangen wurde. Bei dieser letzteren Rippenanordnung wurde der Verlust, welcher durch die vermehrte Pumpleistung entstand, die erforderlich war, um ein Kühlmittel über die Brennstoffelemente zu leiten, durch verbesserte Wärmeübertragungscharakteristiken mehr als ausgeglichen. Es ist angenommen worden, daß bei Umf angsrippen (d. h. vergrößerten Flächen, welche quer zum Hauptkühlmittelstrom verlaufen) eine Wirbelung bzw. Ringwirbelströmung zwischen den Rippen hervorgerufen wird, welche die Eigenschaft hat, für einen ausreichenden Wärmeaustausch zwischen der heißen Brennstoffelementoberfläche und dem Kühlgas zu sorgen. Jedoch besteht bei der gegenwärtigen Entwicklung von Kernreaktoren zur Erzeugung gewerblich nutzbarer bzw. verkäuflicher Elektrizität ein fortgesetztes Bestreben

danach, den Temperaturunterschied zwischen dem

wärmeerzeugenden Brennstoffelement und dem Kühlgas beim Austreten aus dem Reaktor zu verringern, und demgemäß entsteht ein Bedarf nach verbesserten Wärmeübertragungsflächen an den Brennstoffelementen.

Zylindrische Körper bzw. Wärmeaustauschelemente mit Wärmeübertragungsflächen in Form von teilweise umgebogenen Umfangsrippen sind bekannt. Die Umbiegungen werden dabei durch Querriffelungen in den Rippen oder durch mehrmaliges Einschneiden der Rippen und Abbiegen der entstehenden Laschen abwechselnd nach der einen oder anderen Seite hergestellt. Durch diese bekannten Anordnungen wird eine Verbesserung der Wärmeübertragung durch Verstärken der Wirbelung erreicht; bei Strömung parallel zur Längsachse des die Rippen tragenden Körpers (wie bei Reaktoren üblich) hat eine stärkere Wirbelbildung größere Druckabfälle zur Folge. Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Brennstoffelementes mit Wärmeübertragungsflächen, die eine geordnete Wirbelströmung erzeugen, so daß hohe Wärmeübergangszahlen bei vergleichsweise kleinen Druckverlusten erreicht werden.

Erfindungsgemäß ist die Ausbildung eines zylindrischen Wärmeaustauschelements, insbesondere Zylindrisches Wärmeaustauschelement,

insbesondere für Kernbrennstoifelemente,

mit längs angeströmten Querrippen

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority,
London

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen, Oranienstr. 14

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 28. September 1956 (Nr. 29 648)

William Bateman Hall, London,
ist als Erfinder genannt worden

Kernbrennstoffelements, in einem Kanal zur Führung der Strömung eines Wärmeaustauschmittels in Längsrichtung des Elements, welches ringförmige Wärmeaustauschrippen oder eine schraubenförmige Rippe, die sich quer zur Längsachse des Elements erstreckt, aufweist, mit dem Merkmal, daß auf jedem Gang der schraubenförmigen Rippe oder jedem Rippenring vier Segmente in an sich bekannter Weise jeweils entlang einer Sehne des den Grundriß der Rippen bildenden Kreises abgebogen sind, derart, daß die abgebogenen Segmente in Achsrichtung miteinander fluchten und diese Segmente in der gleichen Richtung abgebogen sind, während jedes Segment in entgegengesetzter Richtung relativ zum nächsten Segment an der Rippe abgebogen ist. Die Rippen können entweder radial eingeschnitten sein, um dadurch das Abbiegen zu gestatten, oder sie können lediglich mit gegeneinander abgebogenen Krümmungsspitzen ausgebildet werden.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert werden, und zwar zeigen

Fig. 1 und 2 teilweise im Schnitt dargestellte perspektivische Ansichten, während

Fig. 3 eine Teilansicht wiedergibt.

In Fig. 1 ist ein Teil eines Brennstoffelementes 27, welches eine Ummantelung 28 und Umfangsrippen 20 aufweist, in einem im Schnitt kreisförmigen Kanal 21

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dargestellt, entlang welchem ein Kühlmittel in Richtung eines Pfeiles 22 fließt. Die Rippen 20 weisen vier Einschnitte 23 aus und sind abwechselnd auf- und abgebogen, wobei die einen Segmente 24 der Rippe entgegen der Richtung des Pfeiles 22 gebogen sind, während die anderen Segmente 25 in Richtung des Pfeiles 22 gebogen sind. Bei einer derartigen Anordnung der Rippenabbiegungen treten je vier Wirbelströmungen auf, wie durch die Pfeile und Linien 26 angedeutet ist. Teile des Kühlmittels werden von der Gesamtströmung (Pfeil 22) mittels der einen Segmente 24 abgezweigt und mit Hilfe der Segmente 25 wieder zurück in die Gesamtströmung geleitet, so daß von dem Hauptstrom (Pfeil 22) ein Bruchteil ständig abgezogen oder abgezweigt wird, um über die Heißfläche des Ansatzstücks der Rippe hinwegzustreichen und dann in die Hauptströmung zurückzukehren.

Fig. 2 veranschaulicht eine derjenigen nach Fig. 1 ähnliche Rippenanordnung (es sind die gleichen Bezugszeichen verwendet worden), nur die Einschnitte 23 fehlen, und die Abbiegungen (13 ä) liegen entsprechend weiter außen.

Die abgebogenen bzw. gekrümmten Rippen können dadurch hergestellt werden, daß das Brennstoffelement, während es heiß ist, so daß sich die Rippen plastisch verformen lassen, durch ein kreisförmiges Gesenk bzw. Prägewerkzeug herabgelassen oder fallengelassen wird, welches zwei einander gegenüberliegende Flächen von zunehmender Biegung oder Krümmung aufweist, um dadurch das in die eine Richtung abgebogene Segmentpaar zu bilden, und daß das Element durch ein Gesenk hindurch angehoben wird, welches zwei Paar einander gegenüberliegender Flächen aufweist, welche alle die besagte zunehmende Krümmung haben, um dadurch das in die andere Richtung abgebogene Segmentpaar zu bilden.

In Fig. 3 ist eine gegen den Kühlmittelhauptstrom (Pfeil 22) abgebogene Rippe 24 dargestellt. Es hat sich herausgestellt, daß verbesserte Wärmeübertra-

gungscharakteristiken erhalten werden können, wenn die Ecke 29 der Rippe, wie durch die Linie 30 angedeutet ist, abgekantet wird, so daß die Ecke gegenüber dem Kühlmittelhauptstrom eine Schneidkante darstellt.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Ausbildung eines zylindrischen Wärmeaustauschelementes, insbesondere Kernbrennstoffelementes, in einem Kanal zur Führung der Strömung eines Wärmeaustauschmittels in Längsrichtung des Elementes, welches ringförmige Wärmeaustauschrippen oder eine schraubenförmige Rippe, die sich quer zur Längsachse des Elementes erstreckt, aufweist, dadurch gekenn zeichnet, daß auf jedem Gang der schraubenförmigen Rippe oder jedem Rippenring vier Segmente in an sich bekannter Weise jeweils entlang einer Sehne des den Grundriß der Rippen bildenden Kreises abgebogen sind, derart, daß die abgebogenen Segmente in Achsrichtung miteinander fluchten und diese Segmente in der gleichen Richtung abgebogen sind, während jedes Segment in entgegengesetzter Richtung relativ zum nächsten Segment an der Rippe abgebogen ist.

2. Wärmeaustauschelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen in an sich bekannter Weise an den Enden der Sehnen radial eingeschnitten sind.

3. Wärmeaustauschelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ecken (29) der entgegen dem Hauptstrom des Wärmeaustauschmittels abgebogenen Rippen (24) entgegen dem Hauptstrom des Wärmeaustauschmittels abgebogen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 548407;
USA.-Patentschrift Nr. 2 667 337.

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