DE1238114B - Kernbrennstoffhuelle - Google Patents

Description

DEUTSCHES WMWWS PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21 g - 21/20

Nummer: 1238114

Aktenzeichen: C 29009 VIII c/21 g

1238 114 Anmeldetag: 26. Januar 1963

Auslegetag: 6. April 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kernbrennstoffhülle in Form eines Wärmetauscher-Rohrelementes, auf dessen Außenwand senkrecht oder schräg dazu stehende Rippen oder Lamellen in jeweils paarweise gleichen, von je zwei Erzeugenden der Außenwand begrenzten parallelen Sektoren mit zylindrisch gekrümmter Oberfläche derart in Form von Schraubenflächenteilen um das Element herum angeordnet sind, daß die Rippen oder Lamellen innerhalb jedes Sektors unter dem gleichen Winkel gegen die Rohrachse geneigt, in einander benachbarten Sektoren jedoch pfeilartig gegeneinander gewinkelt verlaufen.

Es ist eine Kernbrennstoffhülle dieser Art bekannt, bei der die Oberflächen sämtlicher Sektoren auf einer gemeinsamen Zylinderfläche liegen, deren Achse mit der des Brennstoffelementes zusammenfällt, so daß die Querschnitte der Sektorenoberflächen in einer senkrecht zur Hüllenachse liegenden Schnittebene einen nach der Außenseite des Elementes hin stark konkaven Verlauf haben.

Nun ist es jedoch bekannt, daß Rippen oder Lamellen, die innerhalb eines Sektors im wesentlichen parallel, in einander benachbarten Sektoren eines Rohrelementes aber gegeneinander gewinkelt verlaufen, zum Auftreten von regelmäßigen Wirbelbewegungen innerhalb des Strömungsmediums führen und eine Trennung der Strömung in einzelne schraubenlinienförmige Strömungszüge bewirken, die jeweils an den verschiedenen Sektoren der Hülle entstehen. Die Rippen oder Lamellen sind in jedem der Sektoren senkrecht auf der Hülle angeordnet und haben Flanken oder Seitenwände, die nahezu koaxial zu der Hülle verlaufenden Schraubenflächen entsprechen; der Verlauf der zwischen ihnen liegenden Nutprofile stimmt daher nicht gut mit den schraubenlinienförmigen Wirbelströmungen überein, die durch die Rippen oder Lamellen hervorgerufen werden, da die Achsen der Schraubenwirbel parallel zur Achse der Hülle, aber außerhalb ihres Umfanges liegen. Die Rippen oder Lamellen zwingen daher zumindest in gewissen Bereichen dem Strömungsmedium plötzliche Umlenkungen auf, wodurch sich der Strömungswiderstand erhöht und die Strömungsgeschwindigkeit der Konvektionsströmung verringert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung den Strömungswiderstand erhöhender Wirbel die Erneuerung des Strömungsmediums in den zwischen den Rippen liegenden Elementarkanälen intensiver zu gestalten, eine gleichmäßigere Temperaturverteilung längs der Hülle zu erzielen und schließlich auch der Neigung der Hüllteile entgegenzuwirken, sich unter dem Einfluß der Kernbrennstoffhülle

Anmelder:

Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris
Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz und Dipl.-Ing. K. Lamprecht, Patentanwälte, München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:
Ennemond Maillet, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 26. Januar 1962 (885 980)

radioaktiven Strahlung und der verschiedenen thermischen und aerodynamischen Belastungen zu deformieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Querschnittsflächen der Sektorenoberflächen in einer senkrecht zur Rohrachse liegenden Schnittebene ein nach der Außenseite des Rohrelementes hin konkaves Profil oder im Grenzfall ein gerades Profil aufweisen.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausbildung besteht darin, daß man die Rippen zweier einander unmittelbar benachbarter Sektoren von den Rippen oder Lamellen der in Umfangsrichtung folgenden zwei Sektoren durch von der Wand des Elementes ausgehende, über die Außenkontur der Rippen hinausragende Längsvorsprünge oder Stege voneinander trennt.

Eine andere erfindungsgemäße Weiterbildung besteht darin, daß man die Enden jeder Rippe oder Lamelle an den Grenzen jedes der Sektoren zumindest in der Höhe derart abschrägt, daß längs der die Sektoren trennenden Erzeugenden Rinnen von rechteckiger oder schwalbenschwanzartiger Form verbleiben. Formt man die Rippen oder Lamellen schließlich so, daß sich an einem ihrer Enden ihr Neigungswinkel relativ zur Elementachse etwas verkleinert, so ist es schließlich günstig, auch an dem anderen Ende der Rippen oder Lamellen deren Neigungswinkel relativ zur Elementachse zu verkleinern oder die Enden der Rippen oder Lamellen entsprechend seitlich abzuschrägen.

Sinn aller dieser Weiterbildungen gemäß der Erfindung ist vor allem, an den Sektoren der Rippen oder Lamellen die Ausbildung schraubenlinienförmi-

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ger Strömungen mit vertikaler Kreisprojektion zu erreichen, die zumindest angenähert stabile Wirbelströmungen darstellen und ein Minimum an Energieverlust ergeben, und außerdem die mechanischen Beanspruchungen und Wännekonzentrationen, die das Material des Rohrelementes und seiner Rippen in die Nähe seiner Fließgrenze bringen können, durch Anpassung der Formen und Abmessungen dieser Rippen und gegebenenfalls auch der Stege bzw. Rinnen zwischen zwei benachbarten Sektoren zu verringern.

Das Haupteinsatzgebiet der Erfindung liegt zwar bei Kernbrennstoffhüllen, und zwar insbesondere solchen, die mit radialem, allseitigem Abstand in einem Brennstoffkanal mit kreisförmigem Querschnitt innerhalb eines Kernreaktors untergebracht sind und in Längsrichtung von einem Wärmetauschermedium umströmt werden, wobei sich am Umfang der erfindungsgemäß berippten Hülle mehrere schraubenlinienförmige Wirbelströmungen des Wärmetauschermediums ausbilden. Die erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung der sektorenweise gegeneinander geneigten Rippen oder Lamellen ist aber auch mit dem gleichen Erfolg bei Rohr-Wärmetauschern anwendbar, die aus Bündeln paralleler, entsprechend berippter Rohre bestehen, welche in einem größeren Hüllrohr angeordnet sind und ebenfalls in Längsrichtung von einem Wärmetauschermedium umspült werden. Auch in diesem Fall können die Rippensektoren der einzelnen Rohre jeweils derart angeordnet werden, daß sich in den Zwischenräumen zwischen mehreren Rippenrohren ähnliche oder gleiche schraubenlinienförmige Wirbelströmungen des Wärmetauschermediums ausbilden, die durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Rippen bzw. der die Rippen tragenden Sektoren weniger gestört werden und deshalb einen besseren Wärmeübergang ergeben als bei den bisher bekannten Anordnungen von Schraubenlinien-Rippengruppen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung seien noch einige Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung ausführlich beschrieben; dabei zeigt

F ί g. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Kernbrennstoffhülle,

F i g. 2 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform, die einen Grenzfall des Elementes gemäß der F i g. 1 darstellt.

Die F i g. 1 zeigt ein Rohrelement 1, in dessen zentraler Bohrung 2 ein Stab aus spaltbarem Material angeordnet ist oder durch die im Fall eines Wärmetauscherrohres ein primäres Strömungsmedium hindurchfließt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die äußere Oberfläche des Rohrelementes 1 in sechs einander gleiche Sektoren aufgeteilt, deren Oberflächen mit den Bezugszeichen 3 a, 3 b, 3 c usw. bezeichnet sind. Jeder Sektor wird von zwei Erzeugenden 4 begrenzt, die parallel zu der Achse des Rohrelementes 1 Hegen· In jedem der Sektoren ist das Rohrelement mit einer Reihe von schraubenlinienförmigen Rippen oder Lamellen 5 besetzt, die senkrecht auf der entsprechenden Sektoroberfläche stehen und zwischen je zwei benachbarten Rippen oder Lamellen Nuten oder Elementarkanäle für das Hindurchströmen eines Kühlmediums begrenzen, das im allgemeinen außerhalb der Rippen oder Lamellen 5 in einer durch den Pfeil 6 angegebenen Richtung strömt. Die über ihre gesamte Länge mit konstanter Hohe ausgeführten

Rippen oder Lamellen 5 sind — wenn man von einem Sektor zum anderen fortschreitet — jeweils mit wechselnder Neigung angeordnet, so daß sie mit ihren Spitzen in Längsrichtung liegende sparrenartige Winkel bilden, die in der Strömung des Teilmediums schraubenlinienförmige Wirbelbewegungen hervorrufen, welche periodisch das Strömungsmedium in Kontakt mit den im Inneren der Elementarkanäle gelegenen Rippenflächen bringen.

Gemäß der Erfindung hat jeder der Sektoren des Rohrelementes 1 eine zylindrische Oberfläche, deren Achse parallel zu der Achse des Elementes 1, aber außerhalb des Umfanges dieses Elementes liegt. Der Körper des Rohrelementes hat daher im Querschnitt die Form eines von gebogenen Seiten begrenzten, vorzugsweise regelmäßigen Polygons. Die Konkavität der Elementarkanäle zwischen den Rippen oder Lamellen jedes der Sektoren ist nach der der Achse des Rohrelementes entgegengesetzten Seite gerichtet, wodurch der Widerstand der Strömung des äußeren Strömungsmediums ganz wesentlich verringert und gleichzeitig der Wärmeaustauschkoeffizient erhöht wird. Außerdem muß die mittlere Krümmung der Oberflächen der Sektoren bei gegebenen Abmessungen des Rohrelementes erhöht werden, um eine stabile Strömung zu erhalten.

Um die Erneuerung oder den Austausch des Strömungsmediums zwischen den Rippen weiter zu beschleunigen, kann man den Winkel, mit dem die Rippen oder Lamellen gegen die Achse des Rohrelementes geneigt sind, in den Grenzen von 10 bis 70° wählen, wobei das Optimum zwischen 15 und 45° liegt. Auch die Anzahl der Rippen- oder Lamellengruppen und infolgedessen der konkaven Zonen oder Sektoren des Rohrelementes 1 kann unterschiedlich sein. Wenn das mit Kernbrennstoff gefüllte Rohrelement in einem Reaktorkanal untergebracht ist, läßt sich zeigen, daß die Anzahl der Sektoren von dem Verhältnis des inneren Durchmessers des Rohrelementes zu dem Durchmesser des Kanals abhängt. Beispielsweise — und ganz besonders in dem Fall der Ausführung gemäß der Fi g. 1 — muß das eben erwähnte Verhältnis zwischen den Werten 0,3 und 0,5 liegen. Daraus folgt, daß man die Anzahl der Sektoren oder Gruppen von Rippen oder Lamellen bei einem Rohrelement mit kleinem Durchmesser, das in einem Kanal mit großen Querabmessungen angeordnet ist, auf vier verringern kann und daß diese Anzahl auf Werte von 10 oder 12 gebracht werden sollte, wenn Rohrelemente mit relativ großem Durchmesser sich in einem äußeren Raum mit relativ kleinen Abmessungen befinden. Die Form und die Abmessungen der Rippen oder Lamellen werden dem jeweiligen Sonderfall angepaßt.

In allen Fällen ist die Höhe der Rippen oder Lamellen 5 im wesentlichen über ihre gesamte Länge konstant. Das Querschnittsprofil der Rippen oder Lamellen 5 ist rechteckig oder gegebenenfalls trapezförmig; die trapezförmige Ausführung hat den Vorteil, daß die Rippen oder Lamellen eine höhere mechanische Festigkeit haben. Außerdem kann man, um das Einströmen und das Austreten des Strömungsraediums in die Elementarkanäle oder aus diesen zu erleichtern, die Rippen an ihren Enden etwas in ihrer Höhe abschrägen, so daß längs der Erzeugenden 4, welche die Sektoren trennen, Rinnen 7 entstehen, deren Querschnittsform im wesentlichen dreieckig oder schwalbenschwanzförmig sein kann.

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Man kann außerdem den Enden der Rippen oder Lamellen eine leichte Biegung derart geben, daß die Neigung dieser Rippenenden gegenüber der Achse des Rohrelementes sich stetig verändert, und zwar vorzugsweise verringert. Man kann auch an diesen Stellen, d. h. in den Zonen des Eintritts oder des Austritts der Strömungsfäden, Anflachungen oder Abschrägungen geeigneter Form vorsehen; man kann schließlich diese beiden Maßnahmen miteinander kombinieren. Die F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Rohrelement 1, das einen Grenzfall der allgemeinen Anordnung gemäß der F i g. 1 darstellt. Bei dieser speziellen Ausführungsform sind die Sektoren 3 a, 3 b usw. ebene, nicht mehr konkave Flächen, denen also ein unendlich großer oder zumindest sehr großer Krümmungsradius, bezogen auf den Durchmesser des Rohrelementes, zukommt. Die Rippen oder Lamellen 5 bleiben jedoch schraubenlinienförmig und sind in ihrer Höhe durch zu den Sektoroberflächen der Hülle parallele Ebenen festgelegt; außerdem können zusätzlich die oben beschriebenen Maßnahmen getroffen sein, die den Zweck haben, den Ein- oder Austritt der Strömungsfäden zu erleichtern. Bei dem Ausführungsbeispiel nach der F i g. 2 weist das Rohrelement 1 bereits bei der Herstellung angeformte seitliche bzw. radiale Stege 8 auf, die ein Zentrieren des Rohrelementes in einem Kanal oder ganz allgemein in einem Raum mit Kreisquerschnitt sichern sollen, in dem ein Kühlmittel strömt. Diese Zentrierstege können jede geeignete Form haben und insbesondere Ausschnitte oder Durchbrüche aufweisen, deren Maße jedoch so zu bemessen sind, daß sie die mechanische Festigkeit der Stege unter den Betriebsbedingungen nicht unzulässig verringern. Derartige Zentrierstege, die integrierende Bestandteile des Rohrelementes 1 bilden, können auch in dem allgemeinen Fall gemäß der F i g. 1 verwendet werden. Patentansprüche:

1. Kernbrennstoffhülle in Form eines Wärmetauscher-Rohrelementes, auf dessen Außenwand senkrecht oder schräg dazu stehende Rippen oder Lamellen in jeweils paarweise gleichen, von je

zwei Erzeugenden der Außenwand begrenzten parallelen Sektoren mit zylindrisch gekrümmter Oberfläche derart in Form von Schraubenflächenteilen um das Element herum angeordnet sind, daß die Rippen oder Lamellen innerhalb jedes Sektors unter dem gleichen Winkel gegen die Rohrachse geneigt, in einander benachbarten Sektoren jedoch pfeilartig gegeneinander gewinkelt verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsflächen der Sektorenoberflächen (3 a, 3 b, 3 c ...) in einer senkrecht zur Rohrachse liegenden Schnittebene ein nach der Außenseite des Rohrelementes (1) hin konkaves Profil oder im Grenzfall ein gerades Profil aufweisen.

2. Kernbrennstoffhülle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen oder Lamellen (5) zweier einander unmittelbar .benachbarter Sektoren (3 a und 3 b) von den Rippen oder Lamellen der in Umfangsrichtung folgenden zwei Sektoren durch von der Wand des Elementes (1) ausgehende, über die Außenkontur der Rippen hinausragende Längsvorsprünge oder Stege (8) getrennt sind.

3. Kernbrennstoffhülle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden jeder Rippe oder Lamelle (5) an den Grenzen jedes der Sektoren (3 a, 3 b, 3 c ...) zumindest in der Höhe derart abgeschrägt sind, daß längs der die Sektoren trennenden Erzeugenden (4) Rinnen (7) von rechteckiger oder schwalbenschwanzartiger Form verbleiben.

4. Kernbrennstoffhülle nach Anspruch 1, bei dem die Rippen oder Lamellen an einem ihrer Enden derart geformt sind, daß sich ihr Neigungswinkel relativ zur Elementachse etwas verkleinert, dadurch gekennzeichnet, daß auch an dem anderen Ende der Rippen oder Lamellen sich deren Neigungswinkel relativ zur Achse des Elementes verkleinert oder die Enden der Rippen oder Lamellen entsprechend seitlich abgeschrägt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1218 482.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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