DE1937735B2 - Vorrichtung zum mischen zweier medien, deren temperaturen stark voneinander abweichen - Google Patents

Description

schriftcn 3 291 456 und 3 306 587 beschriebenen wiihrleisUmg eines guten Misch-Wirkungsgrads mög-Mischvorrichtungen bekannt, In sämtlichen dieser lieh, „ „ ,

Mischvorrichtungen werden die zu vermischenden In der Mischvorrichtung gemäß der brnnüung

Flüssigkeiten durch Umlenken bzw. Aufeinander- wird in der Mischkammer von der axialen kin'alispritzcn von Flüssigkeitsströmen einer starken Ver- 5 leitung zur gegenüberliegenden axialen Auslassleitung wirbelung unterzogen, d.h., es kommt in der je- ein kontinuierlicher Durchfluß beispielsweise des weiligen Mischzone zu einer starken Turbulenz, Ab- heißeren Mediums erzielt und quer dazu ein Mrom gesehen davon, daß sich bei den bekannten Misch- beispielsweise des kühleren Mediums eingeleitet, vorrichtungen infolge der auftretenden Turbulenz welcher in dem zwischen der Wand der Misclithcrmische Spannungen, rasche Temperaturänderun- io kammer und dem perforierten Zylinder festgelegten »en und insbesondere auch ein rascher Druckabfall Ringraum praktisch einen Strömungsmantel um das nicht vermeiden lassen, kommt es hierbei zu einer in Axialrichtung durchströmende heißere Medium häufigen Störung des Strömungsbildes (in der Misch- herum bildet. Das kühlere Medium tritt sodann allzone) und einer dadurch bedingten instabilen mählich durch den perforierten Zylinder hindurch Strömung und schlechtem Vermischen der Flüssig- 15 und vermischt sich mit dem Strom des heißeren keitsströme stark unterschiedlicher Temperatur, Dar- Mediums, wobei ein Temperaturgefälle aufgebaut über hinaus lassen sich bei der aus der deutschen wird. Die konische Einschnürung der axialen bin-Auslegeschrift 1257 744 bekannten Mischvorrichtung laßleitung an der Übergangsstelle mit der Miscnbeim Vermischen von Flüssigkeiten stark unter- kammer und mit dem Mischteil selbst gewahrleistet schiedlicher Temperatur an dem mit öffnungen ver- 20 ein vorteilhaftes Strömungsschema für den Misclischenen Ende der Speiseleitung thermische Schocks Vorgang in Übereinstimmung mit dem gewünschten nicht vermeiden. Bei den aus den USA.-Patent- Temperaturgefälle.

schriften 3 291456 und 3 306 587 bekannten Misch- Die Einschnürung der axialen Einlaßleitung ist

vorrichtungen werden schließlich drei oder mehr derart ausgebildet, daß im Hauptstrom ^M£jk^r.°~ Quer- oder Längssekundäreinlässe zur Mischkammer 25 turbulenz auftritt und sich der statische Druck beim benötigt, was die Regelung der Flüssigkeitszufuhr ungünstigsten Mischungsverhältnis, d. h., wenn durch die betreffenden Einlasse, insbesondere bei Hauptstrom und Querstrom gleich sind, in Axialungünstigen Mischungsverhältnissen, sehr erschwert. richtung kaum verändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Indem der Durchmesser des perforierten Zylinders

Vorrichtung zum Mischen zweier Medien stark unter- 30 der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung mindestens schiedlicher Temperatur, insbesondere von flüssigen gleich dem Durchmesser der axialen Einlaßleitung Metallen, in Kernreaktorkreisen zu schaffen, wobei vor ihrer konischen Einschnürung ausgebildet wird, praktisch jede Turbulenz in dem aus einem tangential wird ein regelmäßiger Einstrom über die Gesamtzur Hauptströmungsrichtung zufließenden Medium fläche des perforierten Zylinders hervorgebracht, so vermieden wird, kein nennenswerter Druckabfall zu- 35 daß der erforderliche Mischvorgang über die Gesamtstande kommt, mindestens einer der zu mischenden länge des Mischteils hinweg auftritt. Der heiße Medienströme ein stabiles Strömungsbild vom Ein- Flüssigkeitsstrom wird durch den kühlen Querstrom laß zum Auslaß (der Mischzone) aufweist, eine infolge seines Dammbildungseffekts in einem lmagigleichmäßige Mischung der beiden Medien in Rieh- nären Zylinder gehalten. Infolge einer sehr starken Hing einer axial verlaufenden Auslaßleitung erfolgt 40 Turbulenz innerhalb dieses imaginären Zylinders wird und schließlich längs der gesamten Außenwand und das kühlere Medium weiter einwärts transportiert Wandverbindungen der Mischzone ein gradueller und mit dem Hauptstrom vermischt. Hierdurch wird Temperaturgradient erhalten wird. verhindert, daß die Wände der Mischvorrichtung

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß während des Mischvorgangs abwechselnd mit dem sich die gestellte Aufgabe bei einer Mischvorrichtung 45 kühleren und dann mit dem heißeren Medium m lösen läßt, in der das eigentliche Vermischen der Berührung kommen, so daß diese Wände nicht den beiden Medienströme durch Turbulenz an den thermischen Schocks ausgesetzt sind, welche sich Außenbereichen und im Zentrum des axial fließen- aus einem variierenden Temperaturgefälle über die den Mediums erfolgt. Wände hinweg ergeben.

Die gestellte Aufgabe wird bei einer Vorrichtung 50 Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß Mischvorrichtung außerdem die axiale Einlaßleitung die axiale Einlaßleitung an der Stelle ihrer Ver- zum Mischteil vor der konischen Einschnürung über bindung mit der Mischkammer konisch auf einen eine durchgehende Wand mit dem Außenmantel kleineren Durchmesser als derjenige des perforierten außerhalb des Umfangs des perforierten Zylinders Zylinders eingeschnürt ist und daß der Durchmesser 55 verbunden. Auf diese Weise wird um diese konische des perforierten Zylinders mindestens gleich ist dem Einschnürung herum ein Ringraum festgelegt, der Durchmesser der axialen Einlaßleitung vor ihrer Ein- von der konischen Einschnürung, der durchgehenden schnürung. Wand und der Stirnwand des Mischteils umrissen

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bleibt das ist. Durch Anordnung vergleichsweise kleiner Durch-Auftreten von thermischen Spannungen infolge von 60 lasse an der konischen Einschnürung der axialen Temperaturunterschieden und speziell das Auftreten Einlaßleitung steht dieser Ringraum an der einen schneller Temperaturschwankungen innerhalb ge- Seite in offener Verbindung mit dem Emscnnurwisser Grenzen, während die Vorrichtung außerdem abschnitt der Einlaßleitung und an der anderen beite vom Standpunkt der Strömungstechnik stabil ist und mit der Mischkammer. Dieser Ringraum wirkt mitder im Mischer auftretende Druckabfall nur gering 65 hin als Wärmeschild. Im Fall von sehr großen Temist Außerdem sind bei der erfindungsgemäßen Misch- peraturunterschieden zwischen den beiden Medien vorrichtung große Schwankungen der Mischungs- läßt sich ein richtiges Temperaturgefalle in diesem Verhältnisse der zu mischenden Medien bei Ge- Ringraum außerdem durch Einbau von einem oder

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Leitblechen erreichen. Das sich aufbauende Auslaßleitung 4 für den gemischten Natriumstrom

Temperaturgefälle verursacht keine hohen ther- versehen. Die tangentiale Einlaßleitung 3 mündet in

mischen Spannungen; außerdem wird im Fall einer einen zwischen der Wand 6 der Mischkammer 1 und

als Wärmeschock bezeichneten schnellen Tempera- einem konzentrisch darin angeordneten doppel-

turänderung diese Änderung in verzögerter Form in 5 wandigen perforierten Zylinder 7 festgelegten Ring-

den Außenmantel, die Schweißnähe usw. verteilt, so raum 5 ein. Die axiale Einlaßleitung 2 weist an der

daß diese Teile keinem Wärmeschock ausgesetzt wer- Stelle ihrer Verbindung mit der Mischkammer 1

den. Ein geringfügiger Durchsatz durch diesen Ring- eine konische Einschnürung 8 auf und mündet mit

raum ist erforderlich, um Verschmutzung zu ver- kleinerem Durchmesser in die Mischkammer 1 ein,

hindern. 10 als der Durchmesser des perforierten Zylinders 7

Auf die gleiche Weise kann auch ein Ringraum beträgt.

um die axiale Auslaßleitung herum an der Stelle, wo Das über die Einlaßleitung 2 eingespeiste heißere sie mit der Mischkammer verbunden ist, vorgesehen Natrium strömt innerhalb des Umfangs des perforiersein, der über vergleichsweise kleine Durchlässe an ten Zylinders 7 axial durch die Mischkammer in der einen Seite mit dieser Auslaßleitung und an der ₁₅ Richtung auf die Auslaßleitung 4. Wenn gleichzeitig anderen Seite mit der Mischkammer kommuniziert. über die tangentiale Einlaßleitung 3 ein kühlerer Vorzugsweise werden außerdem die Außenwände Natriumstrom eingespeist wird, füllt dieses Natrium dieser Ringräume durch Einschnürungen an den in erster Linie den Ringraum 5 der Mischkammer 1 axialen Enden der Außenwand gebildet, welche in und bildet sozusagen einen Mantel kühleren Natriums die Außenwand der axialen Einlaßleitung bzw. der ₂₀ um das heißere, in Axialrichtung strömende Natrium Auslaßleitung übergehen. herum. Dieses kühlere Natrium strömt sodann durch

Diese Ausführungsform besitzt in erster Linie die Perforationen des inneren Zylinders 7 hindurch Vorteile vom strömungstechnischen Standpunkt, wo- und vermischt sich allmählich mit dem heißeren bei außerdem die Strömung und der Mischvorgang Natrium, wobei sich in diesem Zylinder in Radialder beiden Medien von der axialen Einlaßleitung zur 25 richtung ein Wärme- bzw. Temperaturgefälle aufbaut, Auslaßleitung hin in Abhängigkeit von einem be- welches die Entstehung von thermischen Schockstimmten Temperaturgefälle ablaufen. In baulicher beanspruchungen in der Außenwand 6 Infolge Hinsicht bietet die erfindungsgemäße Mischvorrich- schneller Temperaturwechsel durch abwechselnden tung hierbei den Vorteil, daß die gesamte Außen- Kontakt mit heißem und kaltem Natrium verhindert, wand strömungsgünstig und ohne scharfe Knicke ₃₀ Die Wand der axialen Einlaßleitung 2 an der Stelle, oder Kanten ausgebildet sein kann und die Bauteil- wo sie in die konische Einschnürung 8 übergeht, ist Wände miteinander verschweißt werden können, so zur Mischkammer hin weitergeführt und mit der daß keine Verbindungen, wie Schraubflansche u. dgl., Stirnseite der zylindrischen Außenwand 6 der Mischdie den thermischen Spannungen gegenüber empfind- kammer verbunden, so daß sie einen konisch erlich sind, vorgesehen zu sein brauchen. 35 weiterten Wandabschnitt 9 bildet, der über Schweiß-

Der konzentrisch im Mischkammergehäuse ange- nähte 10 bzw. 11 an der einen Seite mit der axialen

ordnete perforierte Zylinder ist tatsächlich der Einlaßleitung 2 und an der anderen Seite mit der

einzige in einer direkten Kontaktzone zwischen dem Stirnseite bzw. dem Vorderende des Außenmantels

heißen und dem kühleren Medium gelegene Bauteil verbunden ist.

und ist mithin thermischen Spannungen ausgesetzt. ₄₀ Die mit Durchlässen 15 versehene vordere Stirn-Vorzugsweise ist dieser Zylinder daher so ange- platte 12 der Mischkammer 1, an welcher die Wand ordnet, daß er mit einem gewissen Spiel im Misch- der konischen Einschnürung 8 mittels einer Schweißkammergehäuse gehaltert ist. naht 13 befestigt ist, setzt sich nicht bis zum Außen-

Die Länge der Mischkammer und des perforierten mantel 6 fort, so daß ein Ringspalt 14 gebildet wird,

Zylinders sowie deren Durchmesser lassen sich der- 45 und besitzt auch sonst keine mechanische Verbindung

art bestimmen, daß die resultierende Druckverteilung mit dem Außenmantel 6.

eine gute Mischwirkung in der erfindungsgemäßen Die Wand der konischen Einschnürung 8 der

Mischvorrichtung innerhalb eines weiten Bereichs axialen Einlaßleitung 2 ist ebenfalls mit Durchlässen

von Mischungsverhältnissen gewährleistet. 16 versehen, so daß der die konische Einschnürung 8

Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung bietet eine 50 umschließende, durch die Wand der konischen Ein-

Lösung des Problems des Vermischens zweier schnürung 8, den Wandabschnitt 9 und die vordere

Medien, deren Temperaturen stark voneinander ab- Stirnplatte 12 umrissene Ringraum 17 über die

weichen, und eignet sich speziell zur Anwendung auf Durchlässe 14,15 und 16 an der einen Seite mit der

die Natrium-Technologie für das Mischen von axialen Einlaßleitung 2 und an der anderen Seite mit

flüssigem Natrium in den Schlangen von Kern- 55 der Mischkammer 1 kommunizieren kann. In der

reaktor-Kühl- und -Heizkreisen. Übergangszone von der Mischkammer zur Auslaß-

Im folgenden ist die Erfindung in einem bevor- leitung 4 ist aus denselben Gründen ebenfalls ein zugten Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung Ringraum 18 festgelegt, der durch eine hintere Stirnnäher erläutert, welche einen Längsschnitt durch eine platte 19, die Wand der Auslaßleitung 4 und einen Ausführungsform einer Mischvorrichtung mit den 60 konischen Wandabschnitt 20 umrissen wird, welcher Merkmalen der Erfindung zum Vermischen zweier über Schweißnähte 21 und 22 mit dem Außen-Ströme flüssigen Natriums zeigt, deren Temperaturen mantel 6 bzw. mit der Wand der Auslaßleitung 4 stark voneinander abweichen. verbunden ist.

Bei dieser Ausführungsform ist die Mischkammer 1 Dieser Ringraum 18 kommuniziert ebenfalls über der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung mit einer 65 einen Ringspalt 23 und in der Wand der Auslaßaxialen Einlaßleitung 2 für einen heißen Natrium- leitung 4 ausgebildete Durchlässe 24 an der einen strom, einer quer verlaufenden Tangential-Einlaß- Seite mit der Mischkammer und an der anderen Seite leitung 3 für einen kühleren Natriumstrom und einer mit der Auslaßleitung 4.

Die Durchlässe 15,16 und 24 stellen keine wesentliche Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit der Mischvorrichtung dar, vielmehr können allein die Ringspalte 14 und 23 für die erforderliche Spülung beiden Wänden perforiert und mit einem gewissen Spiel unter freier Halterung zwischen Flanschkanten 25 und 26 festgelegt, die an der vorderen Stirnplatte 12 bzw. der hinteren Stirnplatte 19 der Misch-

dieser Ringräume ausreichen. Der Zylinder 7 ist in 5 kammer 1 angeschweißt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209526/521

Claims (5)

bzw. Schleifon von Kernreaktorkreisen mit einer Patentansprüche: Einlaßleitungen für die beiden zu mischenden Medien sowie eine Auslaßleitung aufweisenden

1. Vorrichtung zum Mischen zweier Medien, Mischkammer, die aus einem im wesentlichen zylinderen Temperaturen stark voneinander ab- 5 drischen Gehäuse besteht, in dessen axiale Enden die weichen, speziell zum Mischen von flüssigen eine Einlaßleitung bzw. die Auslaßleitung mündet, Metallen, wie Natrium, in den Schlangen bzw. während die andere Einlaßleitung etwa senkrecht zur Schleifen von Kernreaktorkreisen mit einer Ein- Zylinderachse in den Zylindermantel einmündet, laßleitungen 1!Ur die beiden zu mischenden und mit einem in seinem Mantel mit Perforationen Medien sowie eine Auslaßleitung aufweisenden io versehenen, konzentrisch im Abstand von der Ge-Mischkammer, die aus einem im wesentlichen häusewand innerhalb dieses Gehäuses angeordneten zylindrischen Gehäuse besteht, in dessen axiale Zylinder, der in offener Verbindung mit den beiden Enden die eine Einlaßleitung bzw. die Auslaß- Einlaßleitungen und der Auslaßleitung steht,
leitung mündet, während die andere Einlaß- Eine derartige Vorrichtung ist für das Vermischen leitung etwa senkrecht zur Zylinderachse in den 15 zweier Medien bekannt, die unter unterschiedlichem Zylindermantel einmündet, und mit einem in Druck stehen. Diese Vorrichtung eignet sich jedoch seinem Mantel mit Perforationen versehenen, aus verschiedenen Gründen nicht für das Verkonzentrisch im Abstand von der Gehäusewand mischen von Medien, deren Temperaturen stark voninnerhalb dieses Gehäuses angeordneten Zylin- einander abweichen, beispielsweise der Natriumder, der in offener Verbindung mit den beiden 20 ströme in den Schlangen von Kernreaktorkreisen.
Einlaßleitungen und der Auslaßleitung steht, Beim Vermischen solcher Medien, deren Temdadurch gekennzeichnet, daß die axiale peraturunterschied 200° C und mehr betragen kann, Einlaßleitung (2) an der Stelle ihrer Verbindung müssen das Material und die Konstruktion der mit der Mischkammer (1) konisch auf einen Mischvorrichtung besonders hohen Anforderungen kleineren Durchmesser als derjenige des per- 25 genügen. Insbesondere muß die Konstruktion hierbei forierten Zylinders (7) eingeschnürt ist und daß so getroffen sein, daß die Wände gegen thermische der Durchmesser des perforierten Zylinders min- Schocks geschützt sind, da bei schnellen Temperaturdestens gleich ist dem Durchmesser der axialen änderungen in den Bauteilen hohe thermische Be-Einlaßleitung vor ihrer Einschnürung. anspruchungen entstehen können, die zu Brüchen

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- 30 führen können.

kennzeichnet, daß um die axiale Einlaßleitung (2) Neben einem guten Vermischen der Medien sind herum an der Stelle, an welcher sie mit der auch ein geringer Druckabfall und ein stabiler Mischkammer (1) verbunden ist, ein Ring- Durchfluß nach dem Mischen wünschenswert. Darraum (5) vorgesehen ist, der über vergleichsweise über hinaus muß ein gutes Vermischen auch innerkleine Durchlässe (16,15,14) an der einen Seite 35 halb eines weiten Bereichs von Mischungsverhältmit dem eingeschnürten Teil der Einlaßleitung nissen der beiden Medien gewährleistet sein,
und an der anderen Seite mit der Mischkammer Bei der bekannten Mischvorrichtung ist in der kommuniziert. Mischzone innerhalb des in die zylindrische Misch-

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- vorrichtung eingesetzten perforierten Zylinders im kennzeichnet, daß um die Auslaßleitung (4) 40 Abstand von diesem ein weiteres perforiertes Rohr herum an der Stelle, an welcher sie mit der konzentrisch in Richtung der sich zur Mischkammer Mischkammer (1) verbunden ist, ebenfalls ein hin biegenden axialen Einlaßleitung angeordnet, das Ringraum (18) vorgesehen ist, der über ver- an seiner Vorderseite geschlossen ist und an der gleichsweise kleine Durchlässe (24, 23) an der Rückseite in offener Verbindung mit dem zwischen einen Seite mit der Auslaßleitung und an der 45 der Wand der Mischkammer und dem perforierten anderen Seite mit der Mischkammer korn- Zylinder gebildeten Ringraum steht.

muniziert. Eine derartige Konstruktion ergibt jedoch eine un-

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, da- vorteilhafte Strömungsverteilung im Mischteil selbst durch gekennzeichnet, daß die Außenwände der sowie eine instabile Strömung während des Ver-Ringräume (5,18) durch allmähliche Verengun- 5<> mischens der Medien, so daß während des Mischgen an den axialen Enden des zylindrischen Ge- Vorgangs große Druckabfälle auftreten, die im Hinhäuses der Mischkammer gebildet sind, die mit blick auf den Verwendungszweck dieser Mischden Wänden der axialen Einlaßleitung (2) bzw. vorrichtung zwar einen vorteilhaften Einfluß auf das der Auslaßleitung (4) verbunden sind. Vermischen haben können, bei der erfindungs-

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- 55 gemäßen Mischvorrichtung tatsächlich aber verkennzeichnet, daß der perforierte Zylinder (7) so mieden werden müssen.

angeordnet ist, daß er mit Spiel im zylindrischen Beim Mischen von Medien, deren Temperaturen

Gehäuse der Mischkammer (1) gehaltert ist. stark voneinander abweichen, ist diese bekannte

Vorrichtung außerdem in beträchtlichem Ausmaß 60 thermischen Schocks infolge der übermäßigen Tem-

peraturschwankungen an den Wänden und an den

Stellen der gemeinsamen Verbindungen dieser Wände der Mischkammer ausgesetzt, so daß diese Mischvorrichtung für den genannten Zweck völlig un-Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum 65 geeignet ist.

Mischen zweier Medien, deren Temperaturen stark Zum Vermischen von Flüssigkeiten unterschied-

voneinander abweichen, speziell zum Mischen von licher Temperatur sind ferner die in der deutschen flüssigen Metallen, wie Natrium, in den Schlangen Auslegeschrift 1257 744 und in den USA.-Patent-