DE1937735C - Vorrichtung zum Mischen zweier Medien, deren Temperaturen stark voneinander abweichen - Google Patents

Description

Schriften 3 291 456 und 3 306 587 beschriebenen währleistung eines guten Misch-Wirkungsgrads mög-Mischvorrichtungen bekannt In sämtlichen dieser lieh. _rrfi .

Mischvorrichtungen werden die zu vermischenden In der Mischvorrichtung gemäß der Lrnnaung

Flüssigkeiten durch Umlenken bzw. Aufeinander- wird in der Mischkammer von der axialen ^miauspritzen von Flüssigkeitsströmen einer starken Ver- 5 leitung zur gegenüberliegenden axialen AusiaHieitung wirbelung unterzogen, d. h., es kommt in der je- ein kontinuierlicher Durchfluß beispielsweise aes weiligen Mischzone zu einer starken Turbulenz. Ab- heißeren Mediums erzielt und quer dazu ein strom gesehen iavon, daß sich bei den bekannten Misch- beispielsweise des kühleren Mediums eingeieiiei, vorrichtungen infolge der auftretenden Turbulenz welcher in dem zwischen der Wand der Miscnthermische Spannungen, rasche Temperaturänderun- io kammer und dem perforierten Zylinder testgeiegien gen und insbesondere auch ein rascher Druckabfall Ringraum praktisch einen ^Stro™^un|^s™„ ^e ^;,.:: nicht vermeiden lassen, kommt es hierbei zu einer in Axialrichtung durchströmende neiüere iweaiu·« häufigen Störung des Strömungsbildes (in der Misch- herum bildet. Das kühlere Medium tritt ^soa^ *"" zone) und einer dadurch bedingten instabilen mählich durch den perforierten Zylinder mmaan Strömung und schlechtem Vermischen der Flüssig- 15 und vermischt sich mit dem Strom des ⁿ~'»"c keitsströme stark unterschiedlicher Temperatur. Dar- Mediums, wobei ein Temperaturgetaiie .^aJ»g^c£?" über hinaus lassen sich bei der aus der deutschen wird. Die konische Einschnürung der a»^a'^e" ^¹" Ausiegeschrift 1 257 744 bekannten Mischvorrichtung laßleitung an der (Übergangsstelle mit dei" ««sen beim Vermischen von Flüssigkeiten stark unter- kammer und mit dem Mischteil selbst gewanneiM schädlicher Temperatur an dem mit Öffnungen ver- 20 ein vorteilhaftes Strömungsschema tür aen1 iw v. schönen Ende der Speiseleitung thermische Schocks Vorgang in Übereinstimmung mit dem gewürz nicht vermeiden. Bei den aus den USA.-Patent- Temperaturgefälle.

Schriften 3 291 456 und 3 306 587 bekannten Misch- Die Einschnürung der axialen fciniamenung »

vorrichtungen werden schließlich drei oder mehr derart ausgebildet, daß im Hauptstrom MaKro-Qu.-r- oder Längssekundäreinlässe zur Mischkammer as turbulenz auftritt und sich der statische urucK De» benötigt, was die Regelung der Flüssigkeitszufuhr ungünstigsten Mischungsverhältnis, d. n., wem durch die betreffenden Einlasse, insbesondere bei Hauptsirom und Querstrom gleich sind, in /\m«u •■■■»ünstigen Mischungsverhältnissen, sehr erschwert. richtung kaum verändert.

her Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Indem der Durchmesser des perforierten fy"™f"

Vorrichtung zum Mischen zweier Medien stark unter- 30 der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung minacsici» schiedlicher Temperatur, insbesondere von flüssigen gleich dem Durchmesser der axialen tin au euuij Metallen, in Kernreaktorkreisen zu schaffen, wobei vor ihrer konischen Einschnürung ausgebildet. wiia, praktisch jede Turbulenz in dem aus einem tangential wird ein regelmäßiger Einstrom über ^die^"^am zur Hauptströmungsrichtung zufließenden Medium fläche des perforierten Zylinders ^he™^r8»^r£^c"^l'J, vermieden wird, kein nennenswerter Druckabfall zu- 35 daß der erforderliche Mischvorgang über die uesair1-stände kommt, mindestens einer der zu mischenden länge des Mischteils hinweg auf tritt. Der nea Medienströme ein stabiles Strömungsbild vom Ein- Flüssigkeitsstrom wird durch den kühlen 1"»^e™™. laß zum Auslaß (der Mischione) aufweist, eine infolge seines Dammbildungseffekts in einem mag, gleichmäßige Mischung der beiden Medien in Rieh- nären Zylinder gehalten. Infolge' «ⁿ" ^ ™^ fung einer axial verlaufenden Auslaßleitung erfolgt 40 Turbulenz innerhalb dieses.inwgmaren und schließlich längs der gesamten Außenwand und das kühlere Medium weiter einwärts Wandverbindungen der Mischzone ein gradueller und mit dem Hauptstrom ™™^&^ηί Temperaturgradient erhalten wird. verhindert, daß die Wände der Mischvorrichtung

De^Pr Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß während des ^Mischvorf ",L^ßerer^Mediun£ sich die gestellte Aufgabe bei einer Mischvorrichtung 45 kühleren und dann mit .^^m J« Wtode^S"den lösen läßt, in der das eigentliche Vermischen der Berührung kommen, so daß d ese Wände nicht den beiden Medienströme durch Turbulenz an den thermischen Schocks »«igJ^LS^i Außenbereichen und im Zentrum des axial fließen- aus einem variierenden den Mediums erfolgt. Wände hinweg ergeben. ,,„,

Die gestellte Aufgabe wird bei einer Vorrichtung 50 Vorzugsweise ist bei der ^ der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß Mischvorrichtung außerdem die axiale S axi⁸ale⁸Einlaßleitung an der Stelle ihrer Ver- zum MischtenIvor derkonischen g« bindung mit der Mischkammer konisch auf einen eine durchgehende Wand mit kleineren Durchmesser als derjenige des perforierten außerhalb des Umfangs ^J Zylinders eingeschnürt ist und daß der Durchmesser 55 verbunden. Auf diese We.sew.

Temperaturunterschieden undI speiiell das Auftreten EmIa8tat«ng steh<^^^ηξ^^ _EidUr

Verhältnisse der zu mischenden Medien bei Ge- Ringraum außerdem durch Einbau von

zwei Leitblechen erreichen. Das sich aufbauende Temperaturgefälle verursacht keine hohen thermischen Spannungen; außerdem wird im Fall einer als Wärmeschock bezeichneten schnellen Temperaturänderung diese Änderung in verzögerter Form in den Außenmantel, die Schweißnähe usw. verteilt, so daß diese Teile keinem Wärmeschock ausgesetzt werden. Ein geringfügiger Durchsatz durch diesen Ringraum ist erforderlich, um Verschmutzung zu verhindern.

Auf die gleiche Weise kann auch ein Ringraum um die axiale Auslaßleitung herum an der Stelle, wo sie mit der Mischkammer verbunden ist, vorgesehen sein, der über vergleichsweise kleine Durchlässe an der einen Seite mit dieser Auslaßleitung und an der anderen Seite mit der Mischkammer kommuniziert. Vorzugsweise werden außerdem die Außenwände dieser Ringräume durch Einschnürungen an den axialen Enden der Außenwand gebildet, welche in die Außenwand der axialen Einlaßleitung bzw. der Auslaßleitung übergehen.

Diese Ausführungsform besitzt in erster Linie Vorteile vom strömungstechnischen Standpunkt, wobei außerdem die Strömung und der Mischvorgang der beiden Medien von der axialen Einlaßleitung zur Auslaßleitung hin in Abhängigkeit von einem bestimmten Temperaturgefälle ablaufen. In baulicher Hinsicht bietet die erfindungsgemäße Mischvorrichtung hierbei den Vorteil, daß die gesamte Außenwand strömungsgünstig und ohne scharfe Knicke oder Kanten ausgebildet sein kann und die Bauteil-Wände miteinander verschweißt werden können, so daß keine Verbindungen, wie Schraubflansche u. dgl., die den thermischen Spannungen gegenüber empfindlich sind, vorgesehen zu sein brauchen.

Der konzentrisch im Mischkammergehäuse angeordnete perforierte Zylinder ist tatsächlich der einzige in einer direkten Kontaktzone zwischen dem heißen und dem kühleren Medium gelegene Bauteil und ist mithin thermischen Spannungen ausgesetzt. Vorzugsweise ist dieser Zylinder daher so angeordnet, daß er mit einem gewissen Spiel im Mischkammergehäuse gehaltert ist.

Die Länge der Mischkammer und des perforierten Zylinders sowie deren Durchmesser lassen sich derart bestimmen, daß die resultierende Druckverteilung eine gute Mischwirkung in der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung innerhalb eines weiten Bereichs von Mischungsverhältnissen gewährleistet.

Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung bietet eine Lösung des Problems des Vermischens zweier Medien, deren Temperaturen stark voneinander abweichen, und eignet sich speziell zur Anwendung auf die Natrium-Technologie für das Mischen von flüssigem Natrium in den Schlangen von Kernreaktor-Kühl- und -Heizkreisen.

Im folgenden ist die Erfindung in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert, welche einen Längsschnitt durch eine .Ausführungsform einer Mischvorrichtung mit den Merkmalen der Erfindung zum Vermischen zweier Ströme flüssigen Natriums zeigt, deren Temperaturen stark voneinander abweichen.

Bei dieser Ausführungsform ist die Mischkammer 1 der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung mit einer axialen Einlaßleitung 2 für einen heißen Natriumstrom, einer quer verlaufenden Tangential-Einlaßleitung 3 für einen kühleren Natriumstrom und einer Auslaßleitung 4 für den gemischten Natriumstrom versehen. Die tangentiale Einlaßleitung 3 mündet in einen zwischen der Wand 6 der Mischkammer 1 und einem konzentrisch darin angeordneten doppelwandigen perforierten Zylinder 7 festgelegten Ringraum 5 ein. Die axiale Einlaßleitung 2 weist an der Stelle ihrer Verbindung mit der Mischkammer 1 eine konische Einschnürung 8 auf und mündet mit kleinerem Durchmesser in die Mischkammer 1 ein, als der Durchmesser des perforierten Zylinders 7 beträgt.

Das über die Einlaßleitung 2 eingespeiste heißere Natrium strömt innerhalb des Umfangs des perforierten Zylinders 7 axial durch die Mischkammer in Richtung auf die Auslaßleitung 4. Wenn gleichzeitig über die tangentiale Einiaßleitung 3 ein kühlerer Natriumstrom eingespeist wird, füllt dieses Natrium in erster Linie den Ringraum 5 der Mischkammer 1 und bildet sozusagen einen Mantel kühleren Natriums um das äeißere, in Axialrichtung strömende Natrium herum. Dieses kühlere Natrium strömt sodann durch die Perforationen des inneren Zylinders 7 hindurch und vermischt sich allmählich mit dem heißeren Natrium, wobei sich in diesem Zylinder in Radialrichtung ein Wärme- bzw. Temperaturgefälle aufbaut, welches die Entstehung von thermischen Schockbeanspruchungen in der Außenwand 6 infolge schneller Temperaturwechsel durch abwechselnden Kontakt mit heißem und kaltem Natrium verhindert. Die Wand der axialen Einlaßleitung 2 an der Stelle, wo sie in die konische Einschnürung 8 übergeht, ist zur Mischkammer hin weitergeführt und mit der Stirnseite der zylindrischen Außenwand 6 der Mischkammer verbunden, so daß sie einen konisch erweiterten Wandabschnitt 9 bildet, der über Schweißnähte 10 bzw. 11 an der einen Seite mit der axialen Einlaßleitung 2 und an der anderen Seite mit der Stirnseite bzw. dem Vorderende des Außenmantels verbunden ist.

Die mit Durchlässen 15 versehene vordere Stirnplatte 12 der Mischkammer 1, an welcher die Wand der konischen Einschnürung 8 mittels einer Schweißnaht 13 befestigt ist, setzt sich nicht bis zum Außenmantel 6 fort, so daß ein Ringspalt 14 gebildet wird, und besitzt auch sonst keine mechanische Verbindung mit dem Außenmantel 6.

Die Wand der konischen Einschnürung 8 der axialen Einlaßleitung 2 ist ebenfalls mit Durchlässen 16 versehen, so daß der die konische Einschnürung 8 umschließende, durch die Wand der konischen Einschnürung 8, den Wandabschnitt 9 und die vordere Stirnplatte 12 umrissene RingTaum 17 über dif Durchlässe 14,15 und 16 an der einen Seite mit dei axialen Einlaßleitung 2 und an der anderen Seite mi! der Mischkammer 1 kommunizieren kann. In dei Übergangszone von der Mischkammer zur Auslaß leitung 4 ist aus denselben Gründen ebenfalls eir Ringraum 18 festgelegt, der durch eine hintere Stirn platte 19, die Wand der Auslaßleitung 4 und einei konischen Wandabschnitt 20 umrissen wird, welche über Schweißnähte 21 und 22 mit dem Außen mantel 6 bzw. mit der Wand der Auslaßldtung < verbunden ist.

Dieser Ringraum 18 kommuniziert ebenfalls übe einen Ringspalt 23 und in der Wand der Auslaß leitung 4 ausgebildete Durchlässe 24 an der einei Seite mit der Mischkammer und an der anderen Seit mit der AuslaRleitung 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 dieser Ringräume ausreichen. Der Zylinder 7 ist in

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-S kammer 1 angeschweißt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209683/354

Claims (5)

bzw Schleifen von Kernreaktorkreisen mit eiaer Patentansprüche: Einlaßleitungen für die beiden zu mischenden Medien sowie eine Auslaßleitung aufweisenden

1. Vorrichtung zum Mischen zweier Medien, Mischkammer, die aus einem im wesentlichen zyfinderen Temperaturen stark voneinander ab- 5 drischen Gehäuse besteht, in dessen axiale Enden die weichen, speziell zum Mischen von flüssigen eine Eüilaßleitung bzw. die Auslaßleitung mundet, Metallen, wie Natrium, in den Schlangen bzw. während die andere Einlaßleitung etwa senkrecht zur Schleifen von Kernreaktorkreisen mit einer Eia- Zylinderachse in den Zylindermantel einmündet, laßleitungen für die beiden zu mischenden und mit einem in seinem Mantel nut 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 fur 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 fur das Verkonzentrisch im Abstand von der Gehäusewand mischen von Medien, deren Temperaturen stark voninnerhalb dieses Gehäuses angeordneten Zylin- einander abweichen, beispielsweise der Natrium der, der in offener Verbindung mit den beiden ao ströme in den Schlangen von Kernreaktorkreisen.
Einlaßleitungen und der Auslaßleitung steht. Beim Vermischen solcher Medien, deren Tem dadurchgekennzeichnet,daßdie 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- as 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- 5o 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-