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Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen von Flüssigmetall in Kthlkreisen
Die Anmeldung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von
Flüssigmetall, insbesondere zum Entfernen von Verunreinigungen aus solchen Flüssigmetallen,
die in steigendem Maße als Wärmeübertragungsmittel in Kernreaktoren verwendet werden.
Es ist nämlich erforderlich, das flüssige Metall wahrend der Reaktorbetriebszeit
in möglichst reinem Zustand zu erhalten. Als Wärmeübertragungsmittel kommen infrage
Natrium, Kalium, Lithium, Quecksilber, Blei sowie Legierungen und eutektische Gemische
dieser Metalle.
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Da es bekannt ist, daß die Löslichkeit von Oxyden in Flüssigmetallen
direkt von der Temperatur abhängig ist, hat man diese rchysikalische Tatsache in
Reinigungsanlagen für Flüssigmetalle, welche auch Kühlfallen genannt werden, dadurch
nutzbar gemacht, daß zur Ausfällung der Oxyde die Temperatur des Flüssigmetalls
unter die Temperatur, bei der die Oxyde auszuIallen beginnen, die sogenannte "Plugging-Temperatur",
abgesenkt wird und die Oxyde und Verunreinigungen gesammelt
werden.
Die Verunreinigungen in Flüssigmetallen entstehen hauptsächlich durch Sauerstoff,
Wasserstoff, Kalzium, Kohlenstoff, feste Partikel und bestimmte Spaltprodukte.
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Es sind bereits Reinigungsanlagen für flüssiges Metall bekannt geworden
(deutsche Patentschrift 1.050.066), bei denen am Wärmetauscher ein Gefäß für die
Aufnahme einer ruhenden Flüssigkeit angebracht ist und das Flüssigmetall in einer
Kammer dieses Gefäßes derart gekühlt wird, daß eine Ausscheidung der Metalloxyde
aus dem Metall erzielt wird. In dem Gefäß sind aus einem Drahtmaschengewebe oder
Ringen bestehende Filter angeordnet, welche die Oxyde beim Durchfluß des Flüssigmetalls
zurückhalten.
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Diese bekannte Reinigungsvorrichtung weist einige schwerwiegende Nachteile
auf0 So ist beispielsweise wegen der besonderen Konstruktion und auch des gedrängten
Aufbaus der bekannten Reinigungsvorrichtung, bei der die zu die Verunreinigung in
der Vorrichtung selbst zurückgehalten werden, die maximal erreichbare Ablagerungsmenge
wegen des zur Verfügung stehenden Ablagerungsraumes sehr begrenzt und stark von
den individuellen Betriebseinstellungen abhängig. Bei der bekannten Vorrichtung
dürften di Durchlässe für das Flüssigmetall meist schon verstopft sein, bevor der
für die Ablagerungen zur Verfügung stehende RaLam voll genutzt ist Die maximal ablagerbare
Menge an Verunreinigungen - ist im Verhältnis zum Volumen des Reinigungsbehälters
kleine Außerdem ist der Aufwand fiar das Entfernen der Ablagerungen erheblich, da
der gesamte Wärmetausoher außer Betrieb gesetzt und ggf0 sogar ausgeta nicht
und
demontiert werden muß, um seine Innenteile reinigen bzw. austauschen zu können.
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Hinzu kommt noch, daß der Reinigungsprozeß nicht selbsttätig ablaufen
kann, weil - da die "Plugging-Temneratur" bekanntlich konzentrationsabhängig ist
- die Kühl temperatur des Flüssigmetalls dauernd nachgestellt werden muß. Die "PluCging-Temperatur"
fällt aber nicht als kontinuierliche Regelgröße an, sondern wird aus dem Doppeldiagramm
eines Oxydgehaltmessers gewonnen.
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In der Anmeldung sollen daher Lösungen für die Verbesserung sowohl
des Verfahren als auch der Vorrichtung zum Reinigen von Flüssiginetall angegeben
werden.
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Sie betrifft ein Verfahren zum aeinigen von Flüssigmetall in Kühlkreisen,
wie schmelzflüssige slkalimetalle in Kühlkreisen von Kernreaktoren, bei dem das
Flüssigmetall in einem rekuperativen Wärmetauscher bis kurz oberhalb der Sättigungstemperatur
abgekühlt wird.
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b?rfjndungsgemäß wird danach in einer kühlstrecke aie Lösungstemperatur
der auszufällenden Verunreinigungen unterschritten und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit
übernimmt der Transport der ausgefällien Produkte in einen Zyklonabscheidert wo
diese gesammelt werden.
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Bei der Yorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind erfindungsgemäß
zwischen dem Erimär- und Sekundärkreislauf des Wärmetauschers eine mittels eines
Gebläses kühlbare Unterkühlstrecke und ein Zyklonabscheider eingeschaltet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Unterkühlstrecke
eine in einer Strömungsschürze angeordnete Rohrschlange verwendet, in deren Boden
ein Gebläse eingesetzt ist. Außerdem weist der Zyklonabscheider ein weit in seinen
Innenraum hineinragendes Auslaßrohr auf, das kurz unterhalb des Deckels mit einer
Bohrung versehen ist.
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Die Erfindung soll nun nachstehend anhand der beigefügten Abbildung,
welche stark schematisiert eine erfindungsgemäße Anlage zum Reinigen von Flüssiginetall
zeigt, naher erläutert werden.
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Das zu reinigende Metall gelangt durch das Rohr 1 in die Anlage. Mit
dem Durchflußmesser 2 und dem Regelventil 3 wird eine konstante Strömung im Wärmetauscher
4 und im Unterkühlpohr 5 eingestellt. Das Gebläse 9, die Strömungsschürze 7 und
dus Gehäuse 8 sorgen für eine gleichmäßige Wärmeabfuhr aus der Unterkühlstrecke
5. Über ein tangential in den Zyklonabscheider 12 eintretendes Rohr 11 erreicht
das Flüssigmetall mit den mitgeführten, ausgefällten Verunreinigungen den Zyklonabscheider
12. Lediglich der obere Teil des Abscheiders 12 ist mittels aufgelegter Heizschlangen
13 beheizbar ausgeführt und mit einer Wärme isolation 14 umgeben. Alle übrigen,
das Flüssigmetall führenden Leitung können erforderlichenfalls ebenfalls beheizbar
und isoliert sein.
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In dem Zyklonabscheider sinken die mit dem Flüssigmetall herangeführten,
schwereren Verunreinigungen ab und setzen
sich auf dem in einfacher
Weise von dem Abscheider abnehmbaren Boden des Abscheiders ab.
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Aus dem zentralen Auslaßrohr 16 verläßt das gereinigte Metall den
Abscheider. Falls das Flüssigmetall Gasblasen mit sich führt, die sich in dem Dom
des Abscheiders ansammeln würden, können diese durch die Bohrung 15 in die Leitung
16 entweichen. Hinter der Leitung 16 durchströmt das gereinigte Flüssigmetall zusammen
mit dem über die Leistung 18 zugeführten, mit dem Regelventil 19 zugemessenen wärmeren
Flüssigmetall den Sekundärkreis des Wärmetauschers 4, welchen es über die in einen
Behälter, beispielsweise den Reaktortank, mündende Abflußleitung 20 wieder verläßt.
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Als besonders vorteilhaft erweist sich die Ablagerung der Verunreinigungen
in einem Zyklonabscheider, weil sich dort die Verunreinigungen infolge ihres Dichteunterschiedes
zu dem reinen Flüssigmetall einfach absetzen können und nicht in einem netzartigen
Filter hängen bleiben und dieses nach und nach verstopfen. Der Abscheider kann daher
benutzt werden, bis er weitgehend mit Verunreinigungen gefüllt ist.
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\\wenn Verunreinigungen ohne ausreichenden Dichteunterschied ausgefällt
werden sollen, muß bei sonst gleicher Anordnung der Abscheidzyklon 12 durch ein
entsprechendes (bekanntes) Filter ersetzt werden. Die automatische Betriebsweise
kann dabei weitgehend erhalten bleiben. Sind Verunreinigungen beider Gruppen gleichzeitig
vorhanden, können Zyklonabscheider und Filter hintereinander geschaltet werden.
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Die Verunreinigungen selbst können mit sehr geringem Aufwand
entfernt
werden, indem nämlich entweder nach Trennen der Rohrverbindungen 10 und 17 der gesamte
Zyklonabscheider ausgetauscht wird oder nur der untere Teil, in dem sich die Verunreinigungen
abgesetzt haben.
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Außerdem kann die vorgeschlagene Reinigungsvorrichtung selbsttätig
betrieben werden. Die aus dem Flüssigmetallkreislauf einwirkenden Störgrößen, wie
Temperatur-, Druck-, Förderdruckdifferenz- und Verunreinigungskonzentrationsänderungen
werden in weiten Grenzen von einer Regelung aufgefangen.
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Die dem Reinigungsprozeß zugeführte Flüssigmetallmenge wird von dem
Regler 22 bestimmt. Als Regelgröße wird im Durchflußmesser 2 die Durchflußmenge
gemessen und die Meßgröße dem Regler 22 zugeführt, der diese mit einem Sollwert
23 vergleicht und erforderlichenfalls das Regelventil 5 nachstellt Damit haben Förderdruckschwankungen
zwischen den Anschlüssen 1 und 2Q keinen Einfluß auf die Durchflußmenge.
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Der Sollwert 23 soll so der Anlage angepaßt sein, daß der Durchflußregelkreis
2, 22 25, 3 so träge ist, daß er die Arbeit des Temperaturregelkreises 21, 24, 25
19 nicht stören kann.
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Die mit dem Temperaturmeaser 21 am Ausgang des rekuperativen Wärmetauschers
4 gemessene Temperatur ist die Regelgröße für den Regler 24, der bei Abweichung
vom Sollwert 25 das Regelventil 19 steuert. Dadurch wird der Anteil des Flüssigmetalls
mit höherer Temperatur am Eintritt des UJärmetauschers-4 verändert und in der Folge
auch die mit 21 gemessene Temperatur
Kleine Regel temperaturschwankungen
werden in der Unterkühlstrecke gedampft, so daß am Ende des Unterkühlrohres 5 eine
gleichmäßige, von Förderdruck- (zwischen 1 und 20) und Temperaturschwankungen unabhängige
Temperatur ausreichend lange Zeit gehalten werden kann.
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Der überwiegende Teil der Verunreinigungen wird in der Unterkühlstrecke
5 ausgefällt und mit der Strömung in den Zaklonabscheider befördert. Geringe Mengen
der ausgefällten Substanzen setzen sich jedoch auf den gekühlten Rohrwänden ab und
verengen damit den freien Querschnitt. Die angelagerte Schichtdicke soll mit Hilfe
einer TemEeraturdifferenzmessunfr, ähnlich derjenigen, die in einer älteren Anmeldung
in einem Oxydgehaltmesser verwendet wird, am Ausgang 6 der Unterkühlstrecke erfaßt
und als Regelgröße dem Steuergerat 26 zugeführt werden. Da in der dem Steuergerät
zugeführten Information auch die Absoluttemperatur des Flüssigmetalls enthalten
ist, werden beide Daten in dem steuergerät so in den Sollwert 25 umgeformt, daß
die Wandbelegung sich in einem steti wiederkehrenden Zyklus.selbsttätig langsam
aufbaut und schnell wieder ablöst, dabei aber die Erstarrungstemeratur des Flüssigmetalls
nicht erreicht wird.
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Die Temperaturdifferenzmessung dient zur Messung der Wandbelegung
im tJnterkühlrohr. Dem gleichen Zweck kann eine Druckdifferenzmessung dienen.
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Die Durchflußmenge wird vom Regelventil 3 sc geregelt, daS der Strömungsdruckabfall
in ae der Unterkülstrecke in wesentlichen von der durch die Wandbelegung gebildeten
Rohrverengung
beeinflußt wird. Die Differenzdruckaufnehmeranschlüsse
sind zur Vermeidung von Verstopfungen an die wärmeren Leitungsteile anzuschließen,
beispielsweise einmal zwischen Regelventil 3 und Wärmetauscher 4 und zum anderen
am Eintritt des Rohres 18 in das Zwischenstück 28.
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Gleichzeitig werden der Förderdruck zwischen den Anschlüssen 1 und
2 (LIeßsignal 27 von der Förderdruckanzeige der nicht gezeigten Pumpe) und die vom
Durchflußmesser 2 gemessene Durchflußmenge zur Funktionsüberwachung verwendet. Wenn
beispielsweise bei ausreichendem Pumpenförderdruck die Durchflußmengenanzeige trotz
des Endstellungssignals (offen) vom Regelventil 3 unter einen Minimalwert absinkt,
dann werden der Sollwert 25 und damit Temperatur in der Unterkühlstrecke 5 u.a.
durch Abstellen des Gebläses 9 angehoben und eine Fehleranzeige so lange betätigt,
bis die den Fehler auslösenden Bedingungen aufgehoben sind.
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eine Auslösung der Fehleranzeige soll auch dann gegeben sein, wenn
die bei 6 gemessene Temreraturdifferenz über die Regeltoleranz ansteigt. Die Ursache
hierfür kann eine rasche Zunahme der Yerunreinigungen bz. ein starkes Ansteigen
der (konzentraticnsabrlanZiren) Lösungstemeratur sein. Dem kann durch XTotfreisyülen
der Unterkühistrecke begegnet werden.