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Extrem komEktes Bauelement fUr Kernreaktoren, chemische Reaktore
und konventionelle Wärmeaustauscher das Wörmeaustauschproblem in Kernreaktoren;
chemischen Reaktoren und köventionellen Warmeaustauschern besteht stets darin, innerhalb
eines möglichst kleinen Volumens sehr viel Wcirme zu übertragen. Die ubertragene
Wärme ist bekannten Gesetzen zufolge unmittelbar porportional der Warmeubergangszahl
ot , der Übertragungs flache H und der treibenden: Temperaturdifferenz 8 2'. Für
den Konstrukteur sind die beiden ersten Größen, ncimlich die WörmeUber--gangszahl
:und die Heizflöche, von besonderer Bedeutung, da diese verhältnismalig leicht zu
beeinflussen sind, Berechnet man für ein zylindrisches Rohr die Ubertragende Fläche
H und bezieht sie auf das Volumen V des Rohres, so ergibt sich, daß dieses Verhältnis
gleich 4/d ist, wenn d den Rohrdurchmesser be deutet. Wird also zur-Übertragung
einer bestimmten Wärme eine bestimmte Fläche H benötigt, dann lüßt sich diese in
einem um so kleineren Volumen unterbringen, je kleiner der Rohrdurchmesser d ist
Bei sehr kleinen Rohrdurchmessern ist die- Strömung stets laminar und fur diesen
Fall ergibt sich, daß die Wärmeübergangszahl porportional 1/d ist. Somit folgt also,
daß die im Wörmeoustauscher mit dem Volumen V Ubertragene Warme Q proportional 1/d2
ist.. Verkleinert ma daher den -Rohrdurchmesser d, so steigt die Ubertragene Warme
je Volumeneinheit außerordentlich stark an. Die damit aufgezeigte Möglic -keit,
extrem,kompakte WUrmeaustauseher mit höchsten Wärmeleistungen zu bauen, läßt sich
praktisch aber nicht ausnutzen, wenn man als Wörmeaustavschelemente Rohre von kleinster
lichter Weite verwendet, da deren Herstellung und Weiterverarbeitung zu unwirtschaft
lich sind.
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Ein Element, welches alle Forderungen bezüglich einer sehr große
| V. ärrnelcistung bei kleinstem Volumen und wirtschaftlichster
Fertigung |
| erfüllt und Für die Verwendung insbesondere in Kernreaktoren
und |
| chemis-hen Reaktoren als geeignet erscheint, ist ein poröser
Sinter- |
| körpL-r aus f Lrikörnigem Material, welches den speziellen
Verwen- |
| duri;szwecken angepafit ist: Der Durchmesser der in einem solchen |
| .'Anterkörper vorhandenen Kapillaren ist dem Durchmesser des
verweh- |
| litten ;:ornmaterials unmitt._ (bar proportional. Der -Kopillarendurchmes- |
| ser lö(it sich also in einfachster Form durch den Korndurchmesser
fest- |
| legen. Btrecluret man für einen solchen Sinterkörper die je
Volumen- |
| einheit übcrtragbare@ @` arme, so ist diese - ebenso wie -beim
-Rohr - |
| porpor tional 1/ü?. Beim Sintcrkörper k%innen aber,, im ,Gegensatt
zum |
| Rohr, nahezu beliebig kleine Kapillaren ohne Schwierigkeiten
herge- |
| stellt werden. |
Um eint Vorstellung von den wärmetechnischen Möglichkeiten eine porösen Sinterelementes
zu erhalten, soll die -M ürme V berechnet wer den, die in dem Volumen V des porösen
Elementes bei einer TemperaturdiFferenzA Jt'= 1 grd übertragen werden kann. Für
diesen Zweck wird angenommen, daß der Korndurchrnesser 10 m = 10 ,sA m betrügt.
Die V örme soll an Luft, an V.asser und an flüssiges Natrium übertragen werden.
Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle in den Einheiten des technischen und
dcs internationalen Einheitensyste zusammengestellt.
| Luft 3,8 109 4 10 9 |
| Wasser 69,4 109 80,9 109 |
| Natrium 7590,0 139 üv50, 0 109 |
| Diese V. erte zeigen, dar in einem porösen Körper mit Korndurchmes- |
| sern von 10' m eine so grobe Wärme je Zeit- und Volumeneinhait |
| und Einheit der Temperaturdifferenz übertragen werden kann,
wie es |
| in bereits bekannten Konstruktionen für Wörmeaustauscher und
Reakto- |
ren bisher nicht möglich war. -
Anwendung des
Elementes
in Kernreaktoren
Bei Anwendung des Vvärmeaustausch-Elementes in Kernreaktoren
wird es gleichzeitig Brennstoffelement. Zu dem Zweck wird das spaltbare Material
in dem porösen Körper untergebracht. Die gunstigste Art der Verteilung wird dann
erreicht, wenn das spaltbare Material die gleiche Korngröße aufweist wie das nicht
spaltbare Gerüstmaterial Die Korngrüße ist so zu wählen, daß sich in den verschiedenen
Reck tortypen die jeweils gtinstigsten Bedingungen fUr den Ablauf des Gesamtprozesses
ergeben. Da Ger Korndurchmesser im Vergleich zu den bisher verwendeten Abmessungen
des Spaltmaterials sehr klein ist, wird sie in jedem Folie innerhalb des Brennstoffkornes
nur ein sehr g4-ringer Temperaturabfall einstellen. Damit sind dann aber auch wesentlich
höhere Temperaturen im Spaltmaterial zulässig als in lierkömmlichen Reaktoren. Unter
Beachtung aller Bedingungen laßt sich mittels des porösem ßrennstoff-Wärmeaustausch-Elementes
ein nahezu "homoge ner Reaktor" erreichen.
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Die einfachsten Bedingungen für die Anwendung des porösen Brenn stoff-Wärmeaustausch-Elementes
ergeben sich dann; wenn als Wärmeträger .eia Medium verwendet wird; weiches beim
Durchströmen des Elementes keine Phasenänderung erfährt, -eine Flüssigkeit also
auch nicht verdampft. In diesem Falle hat man es mit normalen gas- und flüssigkeitsgekühlten
Reaktoren zu tun. Sind fur den Wärmeträger bestimmte Austrittstempercturen vorgeschrieben,
so lassen sich diese dadurch erreichen, daß man ein einzelnes Element großer Schichtdicke
oder mehrere Elemente von jeweils geringer Schichtdicke verwendet. Da poröse Körper
der geschilderten Art in nahezu beliebiger Form her[ gesteilt werden können, vermag
der Konstrukteur die Form nach den verschiedensten Gesicht-.-punkten festzulegen:
Von besonderer Bedeutung ist die Anwendung des Brennstoff-Warme asxttausch-Elementes
in Reaktoren, in denen die KUhlflUssigkeit verdampft wird. Als KUhiflUssigkeiten
kommen heute vornehmlich Wasser,
aber auch organische Flüssigkeiten
und flüssige Metalle infrage. Obgleich bei der Verdampfung sehr hohe Wcjrmeüberg:angszahlen
erreicht werden, kann man davon in Reaktoren der konventionellen Bauart nur in begrenztem
Maße Gebrauch machen. Der absolut oberen Grenze, die durch die kritische Heizflöchenbelastung
(burn-out) gekennzeichn wird:, darf man sich aus Sicherheitsgründen nur mit großer
Vorsicht nähern, da ihre genaue Bestimmung heute noch nicht möglich ist. Es wäre
daher ein großer Vorteil, wenn man eine Verdampfungsform im Reaktor anwenden könnte,
bei der die kritische Heizflüchenbelastung bedeutungslos wird. Das erweist sich
mittels des Brennstoff-Wärmeaustausch-Elementes als .möglich. Darüber hinaus läßt
sich in dem Element gleichzeitig der Dampf noch überhitzen.
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In Bild-1 ist ein sehr schmaler Ausschnitt aus einem Element dargestellt.
Zur Vereinfachung wurde in schematisierter Form nur eine der im porösen Körper vorhandenen
Kapillaren herausgegriffen. Die ini die Kapillare eindringende Flüssigkeit wird
innerhalb der Erwärmungsstrecke bis auf Siedetemperatur erwärmt und anschließend
verdampft: Innerhalb der Überhitzungsstrecke wird der Dampf überhitzt: Damit sich
innerhalb- des porösen Elementes eine Überhitzungsstrecke ausbilden kann, müssen-
die am Ende der Erwärmungsstrecke entstehenden Dampfblasen den gesamten Ouerschnitt
der Kapillaren ausfüllen. Das
heiter also, daE der Durchmesser der Kapillaren
gleich dem Durchmesser der Blasen oder kleiner sein muß. Da der Blasendurchmesser
be-
kannt ist, muß der Sinterkörper so aufgebaut werden, daß sich die gef
wünschten Kapillaren ergeben. Im allgemeinen wird man damit rechnen müssen; daß
der Flüssigkeitsstand in den Kapillaren zeitlichen Schwankungen unterworfen ist.
Sollten die Schwankungen für den Reaktorbetrieb nachteilig sein, so wird man die
Verdampfung erst in unmittelbarer Nahe- des Kapillarenaustritts zulassen und die
Überhitzung in einem nachgeschalteten Element vornehmen, wie es in Bild 2
angedeutet ist. Hierbei ergibt sich eine bequeme Möglichkeit, die Brentjstoffkonzentration
und die Porositüt in beiden Elementen den besonderen Bedingungen anzupassen.
Selbstverständlich
ließe sich die Brennstoffkonzentration auch innerhalb eines einzelnen Elementes
gemäß Bild 1 den beiden Zonen in ge eigneter Form anpassen. Die Veränderung
der Porosität mit der Schicht dicke wäre ebrenfalls durch Verwendung von Korngemischen
möglich, wodurch gleichzeitig eine Änderung -des Kapi-Ilardurchmessers herbeigeführt-wird,
was von Vorteil sein kann. Anwendung des Elementes in Chemie-Reaktoren
In Chernie-Reaktoren sollen chemische Umwandlungen innerhalb des Stoffes herbeigeführt
werden, der den porösen Körper, nämlich das Re aktionselement, durchströmt. Die
chemischen Umwandlungen können durch energiereiche Strahlung herbeigeführt werden,
die von Stoffen ausgesandt wird, die als feinkörniges Material Bestandteil desr-Reaktians-Elementes
sind. -Die Dosierung der Strahlung lößt sich in einfacher Weise dadurch erreichen,
daß man die Konzentration des strahlenden Materials im ReaktionsäElement in geeigneter
Weise bestimmt.
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Soll eine chemische Reaktion bei bestimmtem Druck und bestimmter)
Temperatur unter Mitwirkung eines Katalysators durchgeführt werden, dann I.äßt sich
für diesen Zweck der Katalysator entweder unmittelbar äls poröses Sinterelement
ausbilden oder in geeigneter Konzentration mit einem nichtkatalytisch wirksamen
Material zu einem Element verbinden. Selbstverständlich können in einem porösen
Sinterelement aucE homogene Reaktionen durchgeführt werden: . Bei allen chemischen
Reaktionen muß dem reagierenden Stoff zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperatur
Wärme zugeführt oder entzogen werden. Das heißt also, daß glas Reaktions-Element
gleichzeitig Wärmeaustausch-Element sein muß. Ein Reaktions-Wärmeaustausc -Element
kann beispielsweise so aufgebaut sein, wie es die Schnittzeichnung in Bild 3 für
zwei Fälle zeigt. Durch den porösen Sinterkö per ziehtn sich beliebig viele Rohre
oder Kanäle, durch die das Küh-oder Heizmedium strömt.
Anwendung
für konventionellen u'ärmeaustausch Besteht die Aufgabe, Wärme zwischen einem Gas
und einer Fllissig Lit auszutauschen, so hat man auf der Seite der Gasströmung für-
-ein wesentlich größere Oberfläche zu sorgen als auf der Seite der Flüssigkeit.
Bisher verwendet man für solche Zwecke Rippenrohre, wobei da Gas die berippte Seite
der Rohre umströmt. Send Wärmeaustauscher oni extrem kleinem Volumen zu bauen, so
kann man eine Bauart verwenden, wie sie bereits in den Bildern 3a und 3 b als Beispiele
angegeben ist. Hierbei strömt das Gas durch =den porösen Körper und die Flüssigkeit
durch die Rohre oder Kanäle. Der poröse Körper wirkt dabei wie eine Vielzahl von
Nädelrippen, die auf den Rohren oder Kai nälen. befestigt sind. Die Oberflüche der
Nadelrippen, bezogen auf das Volumen des porösen Körpers, ist um ein Vielfaches
größer als bell üblichen R ippenrohr: n .
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Weiterhin lößt sich der poröse Körper, ohne eingebaute Rohre bzw Kanäle,
auch für den Bau extrem kleiner Regeneratoren verwenden. Anwendung fur Sonderzwecke
des Wärmeaustausches Der poröse Sinterkörper ldßt sich in sehr einfacher Weise zur
extrem hohen Erwärmung von Gasen verwenden. Zu diesem Zweck wird das Element elektrisch
beheizt. Das zu verwendende Material kann bis kurz unterhalb des Erweichungs- bzw.
des Schmelzpunktes erwärmt werden. Bei geeigntter Auswahl des Materials lassen sich
Temperaturen von einigen 1000 0K erreichen.- Wegen der günstigen Wdreneaustauschbedingungen
kann das Gas nahezu die gleiche Temperatur anno men.