DE1244302B - Kernbrennstoffhuelle - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND Int.CL: G 21c

DEUTSCHES 4/WTW> PATENTAMT

Deutsche Kl.: 21 g - 21/20

AUSLEGESCHRIFT

Nummer: 1244 302

Aktenzeichen: C 29010 Vm c/21 g

1 244 302 Anmeldetag: 26.Januar 1963

Auslegetag: 13. Juli 1967

KembrennstoffhüUe

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kernbrennstoffhülle in Form eines Wärmetauscher-Rohrelements. _Zusatz zur Anmeldung: C 29009 VJJI c/21 g —

Der Patentanmeldung; C 29009 VIII c/21 g (deut- Auslegeschrift 1238114
sehe Auslegeschnft 1238 114) hegt eine Kernbrenn- 5
stoffhülle dieser Art zugrunde, bei der auf der Außenwand des Rohrelements senkrecht oder schräg dazu

stehende Rippen oder Lamellen in jeweils paarweise Anmeldergleichen, von je zwei Erzeugenden der Außenwand

begrenzten parallelen Sektoren mit zylindrisch ge- ίο Commissariat ä TEnergie Atomique, Paris
krümmter Oberfläche derart in Form von Schrauben- Vertreterflächenteilen um das Element herum angeordnet sind,

daß die Rippen oder Lamellen innerhalb jedes Sek- DipL-Ing. R. Beetz und Dipl.-Ing. K. Lamprecht,

tors unter dem gleichen Winkel gegen die Rohrachse Patentanwälte, München 22, Steinsdorfstr. 10

geneigt, in einander benachbarten Sektoren jedoch 15

pfeilartig gegeneinandergewinkelt verlaufen. ^_{jg Erfinder benannt}.

Eine solche Hülle ist in der französischen Patent- ' .

schrift 1218 482 beschrieben, gemäß der die Ober- Ennemond MaiUet, Paris

flächen sämtlicher Sektoren auf einer gemeinsamen

Zylinderfläche liegen, deren Achse mit der des ao Beanspruchte Priorität:
Brennstoffelements zusammenfällt. Die Querschnitte Frankreich vom 26. Januar 1962 (885 980)

der Sektorenoberflächen in einer zur Hüllenachse

senkrecht liegenden Schnittebene haben also einen 2
nach der Außenseite des Elements hin stark konkaven

Verlauf. Eine solche Rippenanordnung führt jedoch 25 ausgebildeten Kernbrennstofihülle sind also ebenso zur Ausbildung schraubenlinienförmiger Wirbelströ- wie bei dem in der USA.-Patentschrift 2 024 743 bemungen, die mit dem Rippenprofil nicht übereinstim- schriebenen Wärmeaustauscher, der sich in seinem men, so daß es zu einer Erhöhung des Strömungs- sonstigen Aufbau grundlegend von der hier vorgewiderstandes und einer Verringerung der Geschwin- schlagenen Hülle unterscheidet, ebene Gebilde, deren digkeit der Konvektion des Kühlmittels kommt. 30 Herstellung wesentlich leichter ist als die der schrau-

Die Beseitigung dieses Übelstandes wird gemäß der benflächenförmigen Rippen, wie sie aus der franzö-Patentanmeldung C 29009 VIII c/21 g dadurch er- sischen Patentschrift 1218 482 bekannt sind,
reicht, daß die Querschnittsflächen der Sektoren- Am deutlichsten zeigen sich die Vorteile der Eroberflächen in einer senkrecht zur Rohrachse liegen- findung bei Kernbrennstoffhüllen, die mit radialem, den Schnittebene ein nach der Außenseite des Rohr- 35 allseitigem Abstand in einem Brennstoffkanal mit elements hin konkaves Profil oder im Grenzfall ein kreisförmigem Querschnitt innerhalb eines Kernreakgerades Profil aufweisen. tors untergebracht sind und in Längsrichtung von

Eine solche Bauweise führt zu einer strömungs- einem Wärmetauschermedium umströmt werden, wotechnisch günstigen Form, zu einer gleichmäßigen bei sich am Umfang der erfindungsgemäß berippten Temperaturverteilung längs der Hülle und einer lan- 40 Hülle mehrere schraubenlinienförmige Wirbelströgen Lebensdauer ihrer Teile; gewisse Schwierigkeiten mungen des Wärmetauschermediums ausbilden. Die ergeben sich jedoch bei der Herstellung der schrau- erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung der benflächenförmigen Rippen oder Lamellen. sektorweise gegeneinander geneigten Rippen oder

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Lamellen ist aber auch mit dem gleichen Erfolg bei die Kernbrennstoffhülle gemäß der Patentanmeldung 45 Rohrwärmetauschera anwendbar, die aus Bündeln C 29009 VIII c/21 g so abzuwandeln, daß sie sich paralleler, entsprechend berippter Rohre bestehen, besonders einfach herstellen lassen. welche in einem größeren Hüllrohr angeordnet sind

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- und ebenfalls in Längsrichtung von einem Wärmelöst, daß die Rippen oder Lamellen abweichend von tauschermedium umspült werden. Auch in diesem der Hauptpatentanmeldung in Form von ebenen 50 Falle können die Rippensektoren der einzelnen Rohre Streifen um das Rohrelement herum angeordnet sind. jeweils derart angeordnet werden, daß sich in den Die Rippen oder Lamellen der erfindungsgemäß 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.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und ihrer Vorteile sind im folgenden noch einige Ausfuhrungsbeispiele an Hand der Zeichnung näher beschrieben; es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Kernbrennstoffhülle,

F i g. 2 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform, die eine verallgemeinerte Ausführung der Hülle gemäß der F i g. 1 darstellt.

In F i g. 1 bezeichnet 1 ein Rohrelement, 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 rohrförmigen Elements 1 in sechs einander gleiche Längssektoren aufgeteilt, die 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 Rohrelements 1 liegen. Im Querschnitt hat der Rohrkörper des Elements infolgedessen die Form eines vorzugsweise regelmäßigen Polygons. In jedem der Sektoren ist das Rohrelement erfindungsgemäß mit einer Reihe von ebenen, zueinander parallelen Rippen oder Lamellen 5 besetzt, die vorzugsweise senkrecht auf der entsprechenden Fläche des Rohrelements stehen, aber auch gegenüber dieser Fläche geneigt sein können und zwischen je zwei benachbarten Rippen oder Lamellen jeweils Nuten oder Elementarkanäle begrenzen, durch die ein Kühlmedium strömen kann, das im allgemeinen außerhalb der Rippen oder LamellenS in einer durch den Pfeil 6 angegebenen Richtung strömt Die mit konstanter Höhe über ihre gesamte Länge ausgeführten Rippen oder Lamellen 5 sind von einem Sektor zum folgenden jeweils abwechselnd mit einander entgegengesetzt gerichteten Neigungen zur Rohrelementachse angeordnet, so daß sie sparrenartige Winkel bilden, die in der Strömung des Mediums im wesentlichen schraubenlinienförmige Wirbelbewegungen hervorrufen; diese Wirbelbewegungen bringen das Strömungsmedium periodisch in Kontakt mit den im Innern der Nuten oder Elementarkanäle gelegenen Flächen der Rippen oder Lamellen.

Um die Strömung des Strömungsmediums einerseits und anderseits auch die Bearbeitung der Rippen oder Lamellen auf dem Körper des Rohrelements zu erleichtern, weist jeder der Sektoren 3 a, 3b... eine ebene Oberfläche auf, wodurch der Querschnitt des in der Fig. 1 dargestellten Rohrelements die Form eines regelmäßigen Sechsecks erhält. Die Nuten oder Elementarkanäle zwischen den Rippen oder Lamellen innerhalb jedes der Sektoren haben ein im wesentlichen rechteckiges Profil; die Breite dieser Kanäle wird so gewählt, daß der Strömungswiderstand des Strömungsmediums erheblich verringert und gleichzeitig der Wärmeaustauschkoeffizient erhöht wird.

Es ist jedoch klar, daß weitere zusätzliche Maßnahmen gleichzeitig angewendet werden können, um

für sich allein oder zusammen mit den anderen das Hineinführen der Strömungsfäden in die Elementarkanäle zwischen den Rippen oder Lamellen und ihre Rückkehr in die allgemeine Strömung zu erleichtern. Um die Erneuerung oder den Austausch des Strömungsmediums in den Rippen zu beschleunigen, kann man den Winkel, mit dem die Rippen oder Lamellen gegen die Achse des Rohrelements geneigt sind, in den Grenzen von 10 bis 70° wählen, wobei

ίο das Optimum zwischen 15 und 45° liegt. Auch die Anzahl der Rippen- oder Lamellengruppen und infolgedessen der ebenen Sektoren des Rohrelements 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 Innendurchmessers des Rohrelements zu dem Durchmesser des Kanals abhängt. Beispielsweise — und ganz besonders in dem Fall der Ausführung gemäß der Fig. 1 — muß das eben erwähnte Verhältnis zwischen den Werten 0,3 und 0,5 liegen. Man erkennt so, 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 zehn oder zwölf 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 die gesamte Länge der Rippen oder Lamellen konstant; das Querschnittsprofil dieser Rippen oder Lamellen ist rechteckig oder gegebenenfalls trapezförmig; die trapezförmige Ausführung hat den Vorteil, daß die Rippen oder Lamellen eine höhere mechanische Festigkeit haben. Trotzdem kann man, um das Einströmen und das Austreten des Strömungsmediums in die oder aus den Elementarkanälen 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.

Man kann außerdem den Enden der Rippen oder Lamellen eine leichte Biegung derart geben, daß die Neigung dieser Rippenenden gegenüber der Achse des Rohrelements 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 Fig. 2 zeigt im Querschnitt eine abgewandelte Form eines Rohrelements.

Bei dieser Ausführungsart haben die Sektoren 3 a, 36 usw. eine zylindrisch gekrümmte Oberfläche, deren Schnittlinie in einer quer zur Elementachse liegenden Ebene eine von dem Element nach außen gerichtete Konkavität hat. Die Rippen oder Lamellen 5 mit konstanter Höhe sind eben und stehen senkrecht auf den Sektorflächen; bei ihnen können aber alle diejenigen zusätzlichen Maßnahmen vorgesehen sein, die oben beschrieben wurden und den Zweck haben, den Ein- oder Austritt der Strömungsfäden zu er-

Claims (5)

leichtern. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist das Rohrelement 1 bereits bei seiner Herstellung angeformte seitliche bzw. radiale Stege 8 auf, die ein Zentrieren des Rohrelements in einem Kanal oder ganz allgemein in einem Raum mit Kreisquerschnitt sichern sollen, in den 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. DieAnordnung der Zentrierstege, die integrierende Bestandteile des Rohrelements bilden, sind nicht auf die Ausführungsform nach der Fig. 2 beschränkt; derartige Stege können auch beim Ausführungsbeispiel gemäß der F i g. 1 verwendet werden. Patentansprüche:

1. Kernbrennstoffhülle in Form eines Wärmetauscher-Rohrelements nach Patentanmeldung C29009VIIIc/21g, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen oder Lamellen (5) abweichend von der Hauptpatentanmeldung in Form von ebenen Streifen um das Rohrelement (1) herum angeordnet sind.

2. Kernbrennstoffhülle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden jeder Rippe

oder Lamelle (5) zu den Erzeugenden (Grenzlinien 4) zwischen je zwei Sektoren derart abgeschrägt sind, daß an den Grenzlinien Rinnen (7) mit einem Dreieck- oder Schwalbenschwanz-Querschnitt entstehen.

3. Kernbrennstoffhülle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinnen (7) zwischen einander benachbarten Sektoren (3 a, 3 b...) zwei miteinander abwechselnde Querschnitte unterschiedlicher Flächengröße aufweisen.

4. Kernbrennstoffhülle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Rippen oder Lamellen (5) in zumindest zwei unmittelbar benachbarten Sektoren (3 a, 3 b) gebildeten Winkelanordnungen von den Winkelanordnungen in den zwei in Umfangsrichtung folgenden Sektoren (3c, 3d) durch radiale, über die Außenkante der Rippen herausragende Stege (8) der Rohrelementwand getrennt sind.

5. Kernbrennstoffhülle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Stege (8) jeweils auf nur einer Seite jedes der Sektoren (3 a, 3 b, 3 c ...) vorgesehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1107 259;
französische Patentschrift Nr. 1218 482;
USA.-Patentschrift Nr. 2 024 743.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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