DE1551359B2 - Vorrichtung zur Regelung der Temperatur einer sehr niedrig siedenden Flüssigkeit in einer Leitungsschleife - Google Patents

Description

unterschiedlichen Temperaturen befindlichen kalten Wände der Wärmetauscher des gleichen Kältegenerators gebildet sind.

In der nachfolgenden Beschreibung spezieller Ausführungsformen wird auf die angefügten Zeichnungen Bezug genommen; es zeigt

35 F i g. 1 ein Prinzipschema mit den verschiedenen Bestandteilen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung

und

F i g. 2 ein repräsentatives Schema für einen Bestrahlungskreis mit verflüssigtem Gas, der mit einer 40 Vorrichtung zur Regelung der Temperatur gemäß der Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung Erfindung versehen ist.

zur Regelung der Temperatur einer sehr niedrigsie- Die in Fig. 1 gezeigte Leitungsschleife A wird

denden Flüssigkeit in einer Leitungsschleife mit einer durch einen geschlossenen Kreislauf gebildet, der von Wärmequelle, in der eine Verdampfung der Flüssig- einer sehr niedrigsiedenden Flüssigkeit eingenommen keit stattfindet und einer Kältequelle zur Kondensa- 45 wird, die teilweise als Flüssigkeit und teilweise als tion des Dampfes. dampfförmige Phase vorliegt. Dieser Kreislauf um-

Zur Tieftemperaturkühlung von Proben, die bei- faßt ausgehend von einem als Dampfsammeigefäß 4 spielsweise einer Neutronen- und y-Strahlung ausge- dienenden Topf, dessen oberer Teil von der Dampfsetzt sind, werden allgemein verflüssigte Gase ver- phase und dessen unterer Teil von der flüssigen Phase wendet, die unter teilweiser Verdampfung die inner- 50 eingenommen wird, eine abwärtsführende Leitung 6, halb der Probe entwickelte oder durch Kälteverluste die den Boden des Dampfsammeigefäßes 4 mit dem bedingte Wärme aufnehmen und zu einer Kältequelle unteren Teil eines als Wärmequelle wirkenden Betransportieren, die beispielsweise durch den Wärme- Strahlungsbehälter 8 verbindet, in welchen sie hineintauscher einer Kältemaschine gebildet wird. ragt. Der Behälter 8 ist dazu bestimmt, in den Strah-

In derartigen Kühlanordnungen, insbesondere 55 lenfluß eingebracht zu werden, wie in den Neutronensolchen, die für Untersuchungen der Strahlenwirkung und y-Strahlenfluß eines Kernreaktors beispielsweise bei tiefen Temperaturen an einer in dem verflüssigten vom Wasserbeckentyp. Die vertikal gezeigte Leitung 6 Gas angeordneten Probe bestimmt sind, ist es oft un- kann natürlich auch geneigt sein oder nacheinander erläßlich, daß die Temperatur der Probe und mithin durch einen vertikalen Teil, einen geneigten Verbinder Flüssigkeit ungeachtet der Variationen der Strah- 60 dungsteil und einen wiederum vertikalen Teil gebildet lungsintensität, die beispielsweise durch Änderungen werden. Der obere Teil des Behälters 8 steht über der Reaktorleistung bedingt sein können, konstant- eine aufwärtsführende Leitung 10 mit einer Kältegehalten wird. quelle 12 in Verbindung, die z. B. durch einen Wärme-Üblicherweise wird bei derartigen Kühlanordnun- austauscher einer Kältemaschine gebildet wird und gen etwa der Siedepunkt der Tieftemperaturflüssig- 65 auf einem Niveau oberhalb des Dampfsammelkeit als Versuchstemperatur angesehen, auf deren gefäßes 4 angeordnet ist. Die Leitung 10 wird bei Konstanthaltung keine weitere Mühe verwandt wird. Betrieb teilweise von dampfförmiger Phase einge-Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nommen, die in der Kältequelle kondensiert; die von

dieser Kondensation herstammende Flüssigkeit kehrt über ein geneigtes Rohr 14 zum Dampfsammeigefäß 4 zurück.

Das die Leitungsschleife A einnehmende Strömungsmedium kann von sehr unterschiedlicher Art sein: Im Falle der Bestrahlung bei tiefen Temperaturen kann man Helium, reinen Stickstoff, Neon, Argon, Wasserstoff u. dgl. verwenden.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung, mit der die Leitungsschleife ausgerüstet ist, umfaßt eine Heizung 16, die beispielsweise durch einen auf die Leitung 10 aufgewickelten Widerstand gebildet wird, der mit dieser in gutem thermischen Kontakt steht. Diese Heizung dient einem doppelten Zweck: Zum einen fördert sie die Zirkulation des Strömungsmediums in der Leitungsschleife, so daß man ohne Pumpen auskommen kann, die bei sehr tiefen Temperaturen unerwünscht sind, da ihr Betrieb insbesondere mit bedeutenden thermischen Verlusten verbunden ist. Andererseits ermöglicht die Heizung in Verbindung mit Meß- und Kontrollorganen eine Regelung der Temperatur in der Leitungsschleife auf einen konstanten Wert, wie weiter unten gezeigt wird.

Die Leitungsschleife A ist mit zusätzlichen Füll- und Sicherheitsorganen versehen: F i g. 1 zeigt einen Füllstandsanzeiger 17, mit dem das Füllen der Leitungsschleife vor der Inbetriebnahme überwacht werden kann. Dieses Füllen erfolgt durch Einleiten von Strömungsmedien über eine Leitung 18, die mit einem Absperrventil 20 und einem Manometer 22 zur Bestimmung des Druckes in der Schleife versehen ist. Das Ventil 20 ist vorzugsweise von einem Typ, der eine Einstellung des Zufuhrdurchsatzes bzw. Zuflusses auf einen sehr geringen Wert ermöglicht. Schließlich verbindet eine mit einem Sicherheitsventil 24 versehene Leitung das Dampfsammeigefäß 4 mit einem Kreis zur Entlastung oder Entleerung im Falle eines zufällig auftretenden Überdruckes, der beispielsweise durch einen Ausfall oder eine Störung der die Kältequelle 12 bildenden Kältemaschine hervorgerufen wird.

Die Meßorgane der erfindungsgemäßen Vorrichtung arbeiten unter Ausnutzung der Tatsache, daß die Änderungen der Temperatur in der Leitungsschleife sich durch Änderungen des Druckes der Dampfphase im Dampfsammeigefäß 4 äußern: Diese Meßorgane umfassen einen vorzugsweise potentiometrischen Druckempfänger 26 (obgleich auch andere Typen anwendbar sind). Dieser Empfänger 26 überträgt im Falle einer Druckänderung gegenüber einem bestimmten Wert ein Fehlersignal an dem Regler 28. Dieser liefert wiederum ein Korrektursignal an den Transduktor 30, der mit einem Versorgungskreis 32 verbunden ist, der dazu bestimmt ist, die Stabilisierung zu gewährleisten. Der Transduktor moduliert bzw. verändert die an die Heizung bzw. das Heizorgan 16 gelieferte Leistung zur Aufrechterhaltung des Druckes im Dampfsammeigefäß 4 auf einen empfindlich konstanten Wert.

Damit die Vorrichtung funktionieren kann, ist es selbstverständlich notwendig, daß die Kältequelle 12 in der Lage ist, eine Wärmeleitung aufzunehmen, die größer ist, als die maximal an das Strömungsmedium abgegebene Leistung (und gegebenenfalls an die Probe in der flüssigen Phase befindliche Probe) im Bereich der Wärmequelle.

Der Betrieb der Vorrichtung ist bereits an Hand der vorangehenden Beschreibung verständlich. Alle Schwankungen der Temperatur und mithin des Druckes des Strömungsmediums, die beispielsweise durch eine Änderung des Strahlungsbereiches des Reaktors hervorgerufen werden, während die Leistung der Kältemaschine empfindlich konstant bleibt, bewirken die Emission eines Fehlersignals und die Änderung der dem Heizorgan bzw. der Heizung 16 über den Transduktor 30 aufgeprägten Heizleistung. Die von diesem Heizorgan zur Regelung der Temperatur abgegebene Wärme wird ebenfalls zur Beschleunigung der Zirkulation des Strömungsmediums durch den Thermosiphoneffekt längs der Pfeile / ausgenutzt. Die in F i g. 2 gezeigte Bestrahlungsschleife, die dazu bestimmt ist, in Kernnähe in das Wasser eines Wasserbeckenreaktors eingebracht zu werden, zeigt einen Aufbau, der demjenigen der in F i g. 1 gezeigten Leitungsschleife sehr nahekommt. Der besseren Übersicht halber tragen einander entsprechende Elemente der beiden Leitungsschleifen gleiche Bezugszeichen, die in F i g. 2 allerdings noch mit einem zusätzlichen Index (') versehen sind.

Die Leitungsschleife A' umfaßt eine abwärtsführende (allgemein) vertikale Leitung 6', die innerhalb der aufwärtsführenden Leitung 10' und konzentrisch zu dieser angeordnet ist. Die aufwärtsführende Leitung 10' ist selbst in einem Mantel 31 angeordnet, der sie von dem Wasser des Wasserbeckens trennt, in das der untere Teil der beiden (konzentrischen) Leitungen eintaucht. Nicht gezeigte Mittel ermöglichen die Erzeugung eines isolierend wirkenden Vakuums im ringförmigen Zwischenraum zwischen dem Mantel 31 und der Leitung 10'.

Zur Vermeidung eines unerwünschten Austritts von Kernstrahlung längs des durch die Leitungsschleife gebildeten Weges besteht letztere aus zwei aufeinanderfolgenden vertikalen Teilen mit einem zwischengeschalteten geneigten Teil, der bei Betrieb bis zu einer derart ausreichenden Tiefe in das Wasserbecken eintaucht, daß die Wasserhöhe h oberhalb des geneigten Teils einen genügenden biologischen Schutz sicherstellt.

Bei dieser Ausführungsform umfaßt die Regelvorrichtung einen Empfänger 26' der ständig mit der Dampfphase im Dampfsammeigefäß 4' über eine Sammelleitung 34 in Verbindung steht, an die ebenfalls eine Reihe von weiteren Organen angeschlossen ist. Hier liefert wiederum der Empfänger 26' ein Fehlersignal an ein Regelorgan 28', das über einen Transduktor 30' und eine nichtgezeigte Versorgung die dem als Heizung bzw. Heizorgan 16' der Leitung 10' wirkenden Widerstand aufgeprägte Leistung moduliert bzw. verändert.

Die zusätzlichen Organe umfassen ein Manometer 22' zur Messung des Druckes im Dampfsammeigefäß; ein Sicherheitsventil 24', das die Leitungsschleife mit einem Entlastungskreis verbindet für den Fall, daß ein übermäßiger Überdruck auftritt; und ein manuell zu betätigendes Entlastungsventil 36, das parallel zum Ventil 24' angeordnet ist. Darüber hinaus ermöglicht ein Dreiweg-Ventil 38 die Verbindung der Sammelleitung 34 mit einer Vakuumpumpe 40, die dazu dient, die Leitungsschleife von Luft oder Restgasen vor dem Füllen oder nach Abschluß einer Untersuchung zu befreien. Das Ventil 38 ermöglicht ebenso eine Verbindung der Sammelleitung 34 mit einem Füllkreis, der eine Druckgasflasche 42, ein Ventil 20' mit geringem Abgasdurchsatz und ein Absperrventil 44 umfaßt.

Der Betrieb dieser Leitungsschleife ähnelt demjenigen der in F i g. 1 gezeigten Leitungsschleife: Geht man davon aus, daß sich die Leitungsschleife im Ausgangszustand befindet, in dem sie auf Umgebungstemperatur, unter einem geringen y-Strahlenfluß und mit Luft von Atmosphärendruck gefüllt ist und daß der die Kältequelle 12' bildende Kältegenerator abgestellt ist und der Heizwiderstand 16' nicht mit Strom versorgt wird, so werden nacheinander die folgenden Operationen ausgeführt:

Das Ventil 38 wird so eingestellt, daß es die Saug- oder Vakuumpumpe 40 mit der Sammelleitung 34 und dem Füll- oder Speisekreis (dessen Ventil 44 geschlossen ist) verbindet, und die Pumpe wird in Betrieb genommen;
sobald der Druck in der Leitungsschleife (der von einem nichtgezeigten Meßgerät bestimmt wird) ein genügend hohes Vakuum erreicht, wird der Kältegenerator in Betrieb genommen, das Ventil 38 betätigt, so daß es ausschließlich die Leitungsschleife A' mit der Leitung 18, des Füllkreises verbindet, und über die Ventile 20' und 44 wird Gas eingeleitet; das unter einem am Manometer 22' abzulesenden Druck eingeführte Gas kühlt sich im Kältegenerator ab und tritt in die Leitungsschleife, die es wiederum abkühlt;
nach Ablauf einer gewissen Zeit wird das Gas kondensiert und der am Manometer 22' abgelesene Druck nimmt ab; man leitet dann eine gewisse Gasmenge ein, ohne den maximal vorgesehenen Druck von beispielsweise 5 bar zu überschreiten; diese Operation wird bis zur Füllung der Schleife wiederholt.

Der Unterbrecherschalter des Regelkreises wird dann geschlossen und die Vorrichtung in den Strahlenfluß eingebracht, dem sie bei Betrieb ausgesetzt

ίο werden soll; es stellt sich nun eine Zirkulation durch den Thermosiphoneffekt ein und der von der Aufheizung der Flüssigkeit herstammende Dampf kondensiert im Kältegenerator und kehrt von dort längs des durch die Pfeile/' angedeuteten Weges zur abwärtsführenden Leitung zurück.

Die in F i g. 2 gezeigte Leitungsschleife umfaßt einen einzigen Strömungsmittelumlauf. Es ist jedoch durchaus möglich, zwei solche bei verschiedenen Temperaturen arbeitende Umläufe konzentrisch zueinander vorzusehen, deren jeweilige Kältequellen durch die beiden auf unterschiedlichen Temperaturen befindlichen kalten Wände der Wärmeaustauscher des gleichen Kältegenerators gebildet werden: Man kann insbesondere einen inneren Umlauf von Helium, Wasserstoff oder Neon vorsehen, die an einer kalten Wand von beispielsweise 20° K (oder von 4,2° K bei Helium) kondensieren und einen äußeren Umlauf von Stickstoff, der an der zweiten kalten Wand beispielsweise bei 78° K kondensiert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche: Temperaturregelvorrichtung zu schaffen, welche die genaue Einhaltung einer innerhalb eines relativ weiten Spielraumes wählbaren Temperatur ermöglicht. Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung erreicht 5 durch eine im wesentlichen in sich abgeschlossene Leitungsschleife mit natürlichem Umlauf, in der die Wärmequelle am unteren Punkt und die Kältequelle nahe dem höchsten Punkt angeordnet und durch Flüssigkeit und Dampf abwärts- bzw. aufwärtsfüh-

1. Vorrichtung zur Regelung der Temperatur
einer sehr niedrigsiedenden Flüssigkeit in einer
Leitungsschleife mit einer Wärmequelle, in der
eine Verdampfung der Flüssigkeit stattfindet, und
einer Kältequelle zur Kondensation des Dampfes,
gekennzeichnet durch eine im wesentlichen in sich abgeschlossene Leitungsschleife (A) io rende Leitungen verbunden sind und durch ein in mit natürlichem Umlauf, in der die Wärmequelle Strömungsrichtung hinter der Kältequelle angeord-(8) am unteren Punkt und die Kältequelle (12) netes Dampfsammeigefäß mit einem Dampfdrucknahe dem höchsten Punkt angeordnet und durch messer sowie durch eine in Strömungsrichtung hinter Flüssigkeit bzw. Flüssigkeit und Dampf abwärts- der Wärmequelle angeordnete Heizung mit einem ab- bzw. aufwärtsführende Leitungen (6 und 10) ver- 15 hängig vom Druck im Dampfsammeigefäß arbeitenbunden sind, und durch ein in Strömungsrichtung den Leistungsregler.

hinter der Kältequelle angeordnetes Dampf- Gemäß der Erfindung wird also der Dampfdruck

sammelgefäß (4) mit einem Dampfdruckmesser der Tieftemperaturflüssigkeit als Regelgröße verwen-(26) sowie durch eine in Strömungsrichtung hinter det und in einem geschlossenen Kreislauf gearbeitet, der Wärmequelle angeordnete Heizung (16) mit 20 in dem die Flüssigkeit durch Thermosiphonwirkung einem abhängig vom Druck im Dampfsammei- in Umlauf gehalten wird, gefäß (4) arbeitenden Leistungsregler (28). Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Flüs-

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- sigkeit abwärtsführende Leitung innerhalb der kennzeichnet, daß die Flüssigkeit abwärtsführende Flüssigkeit und Dampf aufwärtsführenden Leitung Leitung (6') innerhalb der Flüssigkeit und Dampf 25 angeordnet ist, und kältetechnisch ist es besonders aufwärtsführenden Leitung (10') angeordnet ist. günstig, wenn die Leitungsschleife im Innern einer

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- zweiten ähnlichen Leitungsschleife angeordnet ist und durch gekennzeichnet, daß die Leitungsschleife die Kältequellen der beiden Leitungsschleifen durch im Innern einer zweiten ähnlichen Leitungs- die beiden auf unterschiedlichen Temperaturen beschleife angeordnet ist und die Kältequellen der 30 findlichen kalten Wände der Wärmetauscher des beiden Leitungsschleifen durch die beiden auf gleichen Kältegenerators gebildet sind.