DE19517770A1 - Verfahren und Einrichtung zum Bestimmen der Wärmeübergangszahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Bestimmen der Wärmeübergangszahl zwischen einer Wand eines Behälters und einem Medium im Innenraum des Behälters.

In den Reaktordruckbehälter von Kernkraftwerken wird bei Störfällen zur Notkühlung Wasser eingespeist. Um die maximal mögliche Belastung der Wände und insbesondere der Stutzen des Behälters zu bestimmen, ist es erforderlich, die Wärmeüber­ gangszahl zwischen der Behälterwand und dem Kühlwasser zu kennen.

Bisher war es üblich zum Bestimmen der Wärmeübergangszahl an einem Reaktordruckbehälter im Betriebszustand die Wandtempe­ ratur und die Wassertemperatur zu messen und die Differenz dieser beiden Temperaturen zu bestimmen. Außerdem wurde die Temperaturverteilung in der Wand gemessen und aus dieser Tem­ peraturverteilung wurden der Wärmestrom durch die Wand und die dazugehörige Wärmestromdichte bestimmt. Die gesuchte Wär­ meübergangszahl ergab sich dann als Quotient aus der Wär­ mestromdichte und der Temperaturdifferenz.

Bei Messungen an einem Reaktordruckbehälter im Normalbetrieb ist der Temperaturunterschied zwischen der Wand des Behälters und dem Medium, das sich im Behälter befindet, sehr klein. Folglich ist die Messung der Temperaturdifferenz mit einem großen relativen Fehler behaftet. Dieser große Fehler wirkt sich auf das Bestimmen der Wärmeübergangszahl aus. Die Wärme­ übergangszahl kann also mit dem bekannten Verfahren nur unge­ nau bestimmt werden. Falls die Wand des Behälters die Tempe­ ratur des Mediums angenommen haben sollte, kann die Wärme­ übergangszahl mit dem bekannten Verfahren überhaupt nicht be­ stimmt werden.

Der Meßfehler kann beim bekannten Verfahren 100% betragen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ei­ ne Einrichtung zum Bestimmen der Wärmeübergangszahl anzuge­ ben, die selbst dann durchführbar bzw. einsetzbar sind, wenn die Wand des Behälters und das Medium im Behälter die gleiche Temperatur haben. In diesem Fall und auch dann, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen Wand und Medium vorhanden ist, soll der relative Fehler beim Bestimmen der Wärmeübergangs­ zahl kleiner als 10% sein.

Die als erste genannte Aufgabe, ein geeignetes Verfahren an­ zugeben, wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Wand an einem Abschnitt, der aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, eine konstante bekannte Wärme­ menge mit bekannter Wärmestromdichte

zugeführt wird, daß im Material des Abschnitts und im Medium außerhalb einer an der Wand sich befindenden Grenzschicht des Mediums zum selben Zeitpunkt die Temperaturen gemessen werden und daß aus der Differenz dieser Temperaturen und aus der bekannten Wärmestromdichte die Wärmeübergangszahl

als Quotient aus Wärmestromdichte und Temperaturdifferenz bestimmt wird.

Das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann dabei z. B. ei­ ne Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die größer als 300 W/m·K ist. Die Wärmestromdichte ist die in einem Zeitintervall t durch einen Querschnitt A fließende Wärmemenge Q.

Mit diesem Verfahren wird der Vorteil erzielt, daß stets eine für eine genaue Bestimmung der Wärmeübergangszahl erforderli­ che Temperaturdifferenz zwischen der Wand des Behälters und dem Medium im Behälter gegeben ist. Außerdem sind vorteilhaf­ terweise keine aufwendigen Messungen der Temperaturverteilung in der Wand notwendig, um die Wärmestromdichte zu bestimmen. Insbesondere wird der Vorteil erzielt, daß die Wärmeüber­ gangszahl mit einem relativen Fehler, der kleiner als 10% ist, bestimmt werden kann. Eine derartig genaue Messung ist sogar dann möglich, wenn die Wand des Behälters und das Medi­ um im Behälter die gleiche Temperatur haben.

Beispielsweise wird zu der zugeführten Wärmestromdichte die­ jenige Wärmestromdichte,

die sich aus der im Material gespeicherten Wärmemenge ergibt, addiert. Danach wird aus der sich dadurch ergebenden korrigierten Wär­ mestromdichte und aus der Temperaturdifferenz die Wärmeüber­ gangszahl

als Quotient aus der korrigierten Wär­ mestromdichte und der Temperaturdifferenz bestimmt. Die Wär­ mestromdichte, die sich aus der Veränderung der im Material gespeicherten Wärmemenge ergibt, ist ein Produkt aus der Dichte ρ des Materials, der Strecke h, über die die Wärme­ menge im Material transportiert wird, der spezifischen Wärme­ kapazität c_p des Materials und der zeitlichen Temperaturab­ nahme im Material. Alle genannten Faktoren sind bekannt, da vom untersuchten Abschnitt der Wand sowohl die Wanddicke als auch das Wandmaterial bekannt sind.

Für eine stationäre Strömung des Mediums ist

zu vernachlässigen, da sich dann die gespei­ cherte Wärmemenge nicht verändert. Dann reicht es aus, wenn zum Berechnen der Wärmeübergangszahl nur die zugeführte Wär­ mestromdichte herangezogen wird.

Die als zweite genannte Aufgabe, eine geeignete Einrichtung zum Bestimmen der Wärmeübergangszahl zwischen einer Wand ei­ nes Behälters und einem Medium im Innenraum des Behälters an­ zugeben wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Ab­ schnitt der Wand, der an den Innenraum des Behälters an­ grenzt, aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit be­ steht, daß diesem Abschnitt eine Heizung zugeordnet ist, daß sowohl an diesem Abschnitt der Wand als auch von diesem beab­ standet im Behälter Temperatursensoren angeordnet sind und daß die Heizung und die Temperatursensoren mit einer Auswer­ teeinheit verbunden sind.

Mit dieser Einrichtung wird der Vorteil erzielt, daß durch die Heizung einerseits gewährleistet ist, daß stets eine be­ kannte Wärmestromdichte in das Material hinein gelangt und daß anderseits stets eine meßbare Temperaturdifferenz zwi­ schen dem Material und dem Medium gegeben ist. Erst dadurch ist es möglich, die Wärmeübergangszahl als Quotient aus Wär­ mestromdichte und Temperaturdifferenz mit großer Genauigkeit zu bestimmen. Folglich kann mit der Einrichtung nach der Er­ findung die Belastbarkeit einer Behälterwand vorteilhafter­ weise mit großer Zuverlässigkeit bestimmt werden. Das gilt insbesondere dann, wenn das Material eine überdurchschnittliche Wärmeleitfähigkeit aufweist. Ein sol­ ches Material ist z. B. Kupfer.

Beispielsweise ist der Abschnitt der Behälterwand, dem eine Heizung zugeordnet ist, als Stopfen ausgebildet, der in eine Öffnung in der Behälterwand eingepaßt ist, oder er ist ein Teil eines solchen Stopfens. Damit wird der Vorteil erzielt, daß die Einrichtung zum Bestimmen der Wärmeübergangszahl nacheinander an verschiedenen Öffnungen in Behälterwänden eingesetzt werden kann. Eine Öffnung nimmt zur Messung den genannten Stopfen auf. Wenn keine Messung erfolgen soll, ist die Öffnung mit einem einfachen Verschluß zu verschließen.

Beispielsweise ist der Abschnitt außer an seinen Flächen, die an das Medium oder an die Heizung angrenzen, isoliert. Damit wird vorteilhafterweise sichergestellt, daß die zugeführte Wärmestromdichte vollständig durch den Abschnitt zum Medium gelangt.

Die Heizung ist beispielsweise eine elektrische Heizung. Da­ bei ist mit der Versorgungsleitung der Heizung ein Leistungs­ messer verbunden, der mit der Auswerteeinheit in Verbindung steht. Mit Hilfe dieses Leistungsmessers kann die zugeführte Wärmestromdichte aus der elektrischen Heizleistung in bekann­ ter Weise bestimmt werden.

Die Temperatursensoren sind beispielsweise Thermoelemente, die eine zuverlässige Temperaturmessung durch Abgabe elektri­ scher Signale an die Auswerteeinheit gewährleisten.

Die dem Innenraum des Behälters zugewandte Oberfläche des Ab­ schnitts der Behälterwand hat beispielsweise die gleiche Struktur wie die umgebende Oberfläche der Behälterwand. Da­ durch gilt die ermittelte Wärmeübergangszahl auch für jeden anderen Abschnitt der Behälterwand.

Mit dem Verfahren und der Einrichtung nach der Erfindung wird insbesondere der Vorteil erzielt, daß die Belastung einer Be­ hälterwand bestimmt werden kann, indem mit hoher Genauigkeit die Wärmeübergangszahl ermittelt wird.

Das Verfahren und die Einrichtung nach der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert:

Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zum Bestimmen der Wärmeübergangszahl zwischen einer Behälter­ wand und einem Medium im Behälter.

Die Zeichnung zeigt eine Wand 1 eines Behälters, die eine Bohrung aufweist, in die eine Einrichtung 2 zum Bestimmen der Wärmeübergangszahl α eingepaßt ist. Die Einrichtung 2 weist einen Körper 3 aus einem Material mit überdurchschnittlicher Wärmeleitfähigkeit (z. B. mehr als 300 W/m·K) auf, der mit ei­ ner seiner Oberflächen dem Innenraum 1a des Behälters zuge­ wandt ist und dort als Abschnitt 3a der Behälterwand 1 mit einem Medium im Behälter in Kontakt stehen kann. Dem Körper 3, der z. B. aus Kupfer besteht, ist auf seiner vom Medium ab­ gewandten Oberfläche ein Heizdraht 4 zugeordnet, der über Leitungen mit einer Spannungsquelle 5 verbunden ist. Durch den Heizdraht 4 wird dem Körper 3 eine bekannte Wär­ mestromdichte zugeleitet. Diese kann in einer Auswerte­ einheit 6, die dazu mit der Spannungsquelle 5 in Verbindung steht, aus der Heizleistung berechnet werden. Aus der Heiz­ leistung ergibt sich die in den Körper 3 eingespeiste Wärme­ menge Q. Die Wärmestromdichte

ist dann die in einem Zeitintervall t durch einen Querschnitt A fließende Wärme­ menge Q.

Für eine instationäre Strömung des Mediums im Innenraum 1a des Behälters muß zu der zugeführten Wärmestromdichte die Wärmestromdichte, die sich aus der Veränderung der im Materi­ al des Körpers 3 gespeicherten Wärmemenge ergibt, addiert werden. Diese kann aus bekannten Größen bestimmt werden und ist das Produkt aus der Dichte ρ des Materials, aus der Dicke h des Körpers 3, gemessen von der beheizten Oberfläche zur mit dem Medium in Kontakt tretenden Oberfläche, aus der spe­ zifischen Wärmekapazität c_p des Körpers 3 und aus der zeitli­ chen Temperaturänderung im Körper 3. kann positiv oder negativ sein. Es ergibt sich dann für die korrigierte Wär­ mestromdichte zwischen dem Körper 3 und dem Medium:

Falls die Strömung des Mediums stationär ist, d. h. eine gleichbleibende Geschwindigkeit des Mediums vorliegt, ist die Temperaturabnahme im Körper 3 so klein, daß die Wär­ mestromdichte *, die das Medium im Behälter erreicht, mit der durch den Heizdraht 4 eingespeisten Wärmestromdichte gleichgesetzt werden kann.

Zum Bestimmen der erwähnten Temperaturdifferenz ΔT sind als Temperatursensoren sowohl im Körper 3 als auch im Innenraum 1a des Behälters Thermoelemente 7 und 8 angeordnet. Im In­ nenraum 1a des Behälters ist das Thermoelement 8 nahe an der dem Innenraum 1a zugewandten Oberfläche des Körpers 3, aber außerhalb der Temperaturgrenzschicht, die sich an dieser Oberfläche im Innenraum 1a befindet, angeordnet. Die Ther­ moelemente 7 und 8 stehen mit der Auswerteeinheit 6 in Ver­ bindung. Dort wird aus der Leistung der Spannungsquelle 5 und aus der gemessenen Temperaturdifferenz zwischen den Ther­ moelementen 7 und 8 gegebenenfalls unter Berücksichtigung be­ kannter Eigenschaften und Abmessungen des Körpers 3 die Wär­ meübergangszahl α bestimmt.

Die Einrichtung 2 ist in der in der Zeichnung gezeigten Aus­ führungsform ein Stopfen, der in eine Öffnung eingepaßt ist, die sich in der Wand 1 des Behälters befindet. Dieser Stopfen umfaßt den Körper 3 aus einem Material mit hoher Wärmeleitfä­ higkeit, beispielsweise aus Kupfer, der an den Innenraum 1a des Behälters angrenzt. Der Körper 3 schließt einen rohrför­ migen Mantel 9, der Bestandteil des Stopfens ist, zum Innen­ raum 1a des Behälters hin ab. Der Körper 3 ist dazu durch ei­ nen O-Ring 10 gegen den Mantel 9 abgedichtet. Ebenso ist der Mantel 9 gegen die Oberfläche der Öffnung in der Wand 1 durch einen anderen O-Ring 11 abgedichtet. Zur Positionierung der O-Ringe 10, 11 sind im Mantel 9 Ausnehmungen vorgesehen. Die Einrichtung 2 umfaßt außerdem einen Abschlußstopfen 12, der die Öffnung in der Wand 1 nach außen abschließt. Zwischen dem Abschlußstopfen 12 und dem Körper 3 kann ein Isolierstoff 13, z. B. Steinwolle, angeordnet sein. Der Abschlußstopfen 12 kann aus Plexiglas oder aus einem anderen Material bestehen.

Mit der gezeigten Einrichtung kann die Wärmeübergangszahl α mit großer Genauigkeit bestimmt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Bestimmen der Wärmeübergangszahl (α) zwi­ schen einer Wand (1) eines Behälters und einem Medium im In­ nenraum (1a) des Behälters, dadurch gekennzeichnet, daß der Wand (1) an einem Abschnitt (3a), der aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, eine konstante bekannte Wärmemenge (Q) mit bekannter Wärmestromdichte zugeführt wird, daß im Material des Abschnitts (3a) und im Medium außerhalb einer an der Wand (1) sich befindenden Grenzschicht des Mediums zum selben Zeitpunkt die Temperaturen gemessen werden und daß aus der Differenz (ΔT) dieser Temperaturen und aus der bekannten Wärmestromdichte () die Wärmeübergangszahl als Quotient aus Wärmestromdichte () und Temperaturdifferenz (ΔT) bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der zugeführten Wärmestromdichte () diejenige Wär­ mestromdichte die sich aus der Veränderung der im Material gespeicherten Wärmemenge ergibt, addiert wird und daß aus der sich dadurch ergebenden korrigierten Wärmestromdichte (*) und aus der Differenz (ΔT) der Temperaturen die Wärmeübergangszahl als Quotient aus der korrigierten Wärmestromdichte (*) und der Temperaturdifferenz (ΔT) bestimmt wird.

3. Einrichtung (2) zum Bestimmen der Wärmeübergangszahl (α) zwischen einer Wand (1) eines Behälters und einem Medium im Innenraum (1a) des Behälters, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt (3a) der Wand (1), der an den Innenraum (1a) des Behälters angrenzt, aus einem Material mit hoher Wärmeleitfä­ higkeit besteht, daß diesem Abschnitt (3a) eine Heizung zuge­ ordnet ist, daß sowohl in diesem Abschnitt (3a) der Wand (1) als auch von diesem beabstandet im Behälter Temperatursenso­ ren angeordnet sind und daß die Heizung und die Temperatur­ sensoren mit einer Auswerteeinheit (6) verbunden sind.

4. Einrichtung (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (3a) der Wand (1) ein Teil eines Stopfens ist, der in eine Öffnung in der Wand (1) eingepaßt ist.

5. Einrichtung (2) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (3a) außer an seinen Flächen, die an das Medium oder an die Heizung angrenzen, isoliert ist.

6. Einrichtung (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung eine elektrische Heizung ist und daß ein Leistungs­ messer mit der Versorgungsleitung der Heizung verbunden ist und mit der Auswerteeinheit (6) in Verbindung steht.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursensoren Thermoelemente (7, 8) sind.

8. Einrichtung (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Innenraum (1a) des Behälters zugewandte Oberfläche des Abschnittes (3a) die gleiche Struktur wie die umgebende Ober­ fläche der Wand (1) hat.