DE19625405C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung von erhitzten Materialien in festem oder flüssigem Zustand, insbesondere Schmelzen, Schlacken und dergleichen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von er­ hitzten Materialien in festem oder flüssigem Zustand, wobei insbesondere Schmelzen, Schlacken und dergleichen angesprochen sind. Die Kühlung soll durch ein extern zugeführtes flüssiges Kühl­ mittel erfolgen. Eine derartige Vorrichtung weist zunächst einen Ausbreitungsraum zur Aufnahme des erhitzten Materials auf. Ferner ist ein Kühlmittelreservoir vorgesehen, das über mindestens eine Kühlmittelleitung mit einer Kühlmittelauslaß­ öffnung in Verbindung steht, die einerseits über der Oberflä­ che des im Ausbreitungsraum befindlichen, zu kühlenden Mate­ rials angeordnet ist und vor der Einleitung des Kühlvorgangs durch eine Schließeinrichtung abgedichtet ist. Weiterhin ist ein die Temperatur des zu kühlenden Materials mittel- oder unmittelbar abtastendes Sensorelement vorgesehen, das mit der Schließvorrichtung wirkverbunden ist und bei Erreichen einer Ansprechtemperatur eine Öffnung der Schließvorrichtung aus­ löst.

Aus der US 5,080,857 ist eine Verschlußeinrichtung zum In­ gangsetzen der Kühlung für eine Kernschmelze bekannt. Diese Verschlußeinrichtung umfaßt ein nichtmetallisches Dichtungse­ lement, das aus Kunststoff besteht. Dieses Dichtungselement verschließt bei normalen Betriebsbedingungen eine Kühlwasser­ leitung, die von einem Reservoir ausgeht und in einem Aus­ breitungsraum für Kernschmelze endet. Falls in den Ausbrei­ tungsraum Kernschmelze gelangt ist, wird das Dichtungselement durch die Hitzeeinwirkung zumindest teilweise aufgeschmolzen, wodurch Kühlwasser in den Ausbreitungsraum gelangt und die Kernschmelze abkühlt. Bei einer solchen Vorrichtung wirkt das Dichtungselement selbst auch als Sensorelement, das bei einer Ansprechtemperatur, nämlich der Schmelztemperatur des Dich­ tungselementes, die Kühlmittelleitung öffnet. Der Zeitpunkt der Leitungsöffnung kann dabei nicht immer exakt festgelegt werden.

Es sind auch schon mehr oder weniger kompliziert arbeitende Sensorelemente vorgeschlagen worden, die mit Steuereinrich­ tungen zur Öffnung der Schließeinrichtung und damit zur Ein­ leitung des eigentlichen Kühlvorgangs wirkverbunden sind.

In bestimmten technischen Bereichen ist es erforderlich, Schmelzen relativ schnell abzukühlen. Um Schmelzen von einem ungeordneten in einen geordneten atomaren Zustand zu überfüh­ ren, genügt es in der Regel, für eine ausreichende Wärmeab­ leitung aus der Schmelze zu sorgen. Ein derartiges gleichmä­ ßiges Auskühlen von Schmelzen ist aber ein sehr zeitintensi­ ver Vorgang. Derartige lange Zeiträume stehen aber in kriti­ schen Situationen, beispielsweise beim Betrieb von Kernkraft­ werken, oftmals nicht zur Verfügung, da überhitzte Schmelzen kritische Reaktionen in den die Schmelze umgebenden Systemen hervorrufen können.

Die vorbeschriebenen Kühlvorrichtungen können zwar theore­ tisch wirksam eingesetzt werden, sind aber unter sehr kriti­ schen Umständen nicht als zuverlässig genug einzustufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 derart weiterzubil­ den, daß sie keine fehleranfälligen technischen Elemente auf­ weist und mit minimalem Wartungsaufwand betrieben werden kann. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich - was die Vorrichtung anbelangt - aus den Patentansprüchen 2 bis 18. In Patentan­ spruch 19 wird ein Verfahren zur Kühlung von erhitzten Mate­ rialien beschrieben.

Als Kern der Erfindung wird es angesehen, im Bereich der Schließvorrichtung eine Ansprechkammer vorzusehen, in der eine Kühlmittelauslaßöffnung angeordnet ist. Die Ansprechkammer ist mit einem flüssigen Medium gefüllt und an beiden Enden mit Berstelementen abgeschlossen. Das Sensorelement besteht im wesentlichen aus einem im Bereich des kühlenden Materials an­ geordneten Hohlkörper, der mit einem zur Druckübertragung ge­ eigneten Sensormedium gefüllt ist. Der Hohlkörper ist an die Ansprechkammer unter Zwischenschaltung des ersten Berstele­ ments angeschlossen. Bei Erreichen der Auslösetemperatur ist im Hohlkörper des Sensorelements ein derartiger Druckanstieg zu verzeichnen, daß das erste Berstelement anspricht, wodurch eine Druckwelle im Medium innerhalb der Ansprechkammer ausge­ löst wird. Dadurch spricht das zweite Berstelement an und gibt den Kühlmittelfluß aus der Kühlmittelauslaßöffnung frei. Bei der Erfindung wird damit ohne komplizierte elektronische oder mechanische Steuerungselemente eine Kettenreaktion aus­ gelöst, beginnend mit einem Temperaturanstieg im Sensorele­ ment, der zwangsläufig zu einer Druckerhöhung im Sensorrohr führt, wodurch ebenso zwangsläufig innerhalb der Ansprechkam­ mer der zur Öffnung der Ansprechkammer notwendige Druckstoß beim Bersten des Berstelements ausgelöst wird.

Durch geeignete Ventilanordnungen und eine geeignete Wahl und Dimensionierung der Berstelemente kann die Auslöse­ temperatur der Vorrichtung eingestellt und bei Bedarf auch modifiziert werden.

Vorteilhafterweise ist das im Hohlkörper des Sensorelements vorgesehene Sensormedium identisch mit dem Kühlmittel, das nach Ansprechen der Vorrichtung in den Ausbreitungsraum fließt und eine Kühlung der Schmelze besorgt. Weiterhin ist vorteilhaft, wenn das in der Ansprechkammer enthaltene flüs­ sige Medium mit dem Kühlmittel selbst identisch ist, so daß auf weitere Trennmembranen und dergleichen ohne weiteres verzichtet werden kann.

Vorteilhafterweise ist die Ansprechkammer ein rohrförmiges Gebilde, in dem sich, ebenfalls in Rohrlängsachse gerichtet, die Kühlmittelauslaßöffnung befindet. Durch die rohrförmige Ausbildung der Ansprechkammer können die Berstelemente auf einfache Weise angeordnet werden; sie sind als Membranen aus­ gebildet und werden durch austauschbare Lagerungselemente ge­ haltert. Der Ansprech-Berstdruck des ersten Berstelements ist höher gewählt als der Ansprech-Berstdruck des zweiten Berstelements, so daß bei Ansprechen des ersten Berstelements infolge eines Druckanstiegs im Sensorrohr der daraus resul­ tierende Druckstoß zwangsläufig zu einer Zerstörung des zweiten Berstelements führt.

Das Sensorelement kann auf einfache Weise dadurch thermisch an das zu kühlende Material angekoppelt werden, daß es in einer der Wandungen des Ausbreitungsraums verläuft. Ferner ist es mög­ lich, das Sensorrohr direkt durch das erhitzte Material hin­ durchlaufen zu lassen, wobei dann unter Umständen an das Rohrmaterial erhöhte Anforderungen zu stellen sind.

Wenn die Kühlmittelauslaßöffnung innerhalb der Ansprechkammer in Richtung der zweiten Berstrohrrichtung weist, ist sicher­ gestellt, daß sich der Druckstoß nicht direkt in die Kühlmit­ telauslaßöffnung hinein auswirkt und zu einem Rückschlagen des Kühlmittels in der Kühlmittelleitung führt.

Auf einfache Weise kann das Sensorelement befüllt werden, wenn eine gesonderte Fülleitung zwischen Sensorelement und Kühlmittelreservoir vorgesehen ist. Die Fülleitung wird vor Inbetriebnahme der Vorrichtung geöffnet, so daß aus dem Kühl­ mittelreservoir ausreichend Kühlmittel in das Sensorrohr fließt.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den Fig. näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in betriebsbe­ reitem Zustand ohne eingefüllte Schmelze;

Fig. 2 eine Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit eingefüllter heißer Schmelze vor dem Öffnen der Ansprechkam­ mer;

Fig. 3 eine Vorrichtung gemäß Fig. 2 unmittelbar nach dem Öffnen der Ansprechkammer;

Fig. 4 eine Vorrichtung gemäß Fig. 3 mit ausfließendem Kühlmittel und entleerter Ansprechkammer.

Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Die Vor­ richtung 1 besteht aus einem Ausbreitungsraum 2, der ein er­ hitztes Material, beispielsweise eine Schmelze 3 (siehe Fig. 2), aufnehmen kann. Ferner ist ein Kühlmittelreservoir 4 vorgesehen, das über eine Kühlmittelleitung 5 (siehe Fig. 3) mit einer Kühlmittelauslaßöff­ nung 6 in Verbindung steht. Die Kühlmittelauslaßöffnung 6 be­ findet sich über der Oberfläche 7 der Schmelze 3 und ist durch eine Schließvorrichtung 8 abgedichtet. Unter dem Aus­ breitungsraum 2 ist ein Sensorelement 9 vorgesehen, welches die Temperatur der Schmelze 3 mittelbar abtastet. Das Sensor­ element 9 ist mit der Schließvorrichtung 8 über ein Rohrele­ ment 10 wirkverbunden, um bei Erreichen der Ansprechtemperatur eine Öffnung der Schließvorrichtung 8 zu bewirken.

Die Schließvorrichtung 8 umfaßt nun eine Ansprechkammer 11, in der die Kühlmittelauslaßöffnung 6 angeordnet ist und die mit einem flüssigen Medium, nämlich Kühlmittel 12, gefüllt ist und an beiden Enden mit Berstelementen 13, 14 verschlossen ist. Das Sensorelement 9 besteht aus einer Rohrleitung 15, die ebenfalls mit einem flüssigen Medium, nämlich Kühlmittel 12, gefüllt ist. Es kommen aber auch andere flüssige Medien für die Füllung des Sensorelements 9 und der Ansprechkammer 11 in Frage. Durch das Rohrelement 10 steht nun die Rohrlei­ tung 15 mit der Ansprechkammer 11 in Verbindung, wobei das erste Berstelement 13 die in dem Sensorelement 9 bzw. dem Rohre­ lement 10 und der Rohrleitung 15 einerseits und in der Ansprech­ kammer 11 andererseits enthaltenen Medien voneinander trennt.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich nun die heiße Schmelze 3 im Ausbreitungsraum 2 und gibt Wärme über die dargestellten Wirkpfeile 16 an die Rohrleitung 15 ab, so daß sich das darin enthaltene Medium, nämlich das Kühlmittel 12, erwärmt und in Pfeilrichtung 17 ausdehnt. Da­ bei nimmt der Druck auf das Berstelement 13 derart stark zu, daß das Berstelement 13 - wie dargestellt - zerreißt, wodurch eine Druckwelle - dargestellt als Pfeile 18 - die Ansprech­ kammer 11 durchläuft und auf das zweite Berstelement 14 von innen her druckbelastet wird und anspricht. Dadurch kommt es zu dem in Fig. 3 dargestellten Zustand, in welchem sich das Kühlmittel 12 aus der Ansprechkammer 11 auf die Oberfläche 7 der Schmelze 3 entleert. Sobald die Rohrleitung 10 nur noch bis zu einem gewissen Niveau gefüllt und die Ansprechkammer 11 leer sind, fließt nur noch Kühlmittel 12 aus dem Kühlmittelreservoir 4 über die Kühlmittelleitung 5 und die Auslaßöffnung 6 auf die Oberfläche 7 der Schmelze 3. Ein derartiger Zustand ist in Fig. 4 dargestellt. Dieser Zustand bleibt solange aufrechter­ halten, bis ein Absperrventil 20 betätigt wird, das in der Kühlmittelleitung 5 vorgesehen ist.

Weiterhin ist der Fig. 1 zu entnehmen, daß das rohrförmige Sensorelement 9 über eine gesonderte Fülleitung 21 mit dem Kühlmittelreservoir 4 in Verbindung steht, um eine Füllung des Sensorelements 9 mit Kühlmittel 12 zu ermögli­ chen. Dazu sind Absperrvorrichtungen 22 vorgesehen. Eine Ent­ lüftungsvorrichtung 23 sorgt dafür, daß sich keine Luftblasen im Sensorelement 9 bilden.

In der Ansprechkammer 11 sind Überwachungselemente, nämlich mit Anzeigeelementen 30 verbundene Drucksensoren 31, vorge­ sehen, wobei über Aufzeichnungsmittel 32 der selbsttätig ab­ laufende und ohne aktive Mittel funktionierende Auslösevor­ gang der Vorrichtung 1 aufgezeichnet werden kann.

Claims (19)

1. Vorrichtung zur Kühlung von erhitzten Materialien in fe­ stem oder flüssigem Zustand, insbesondere Schmelzen, Schlacken oder dergleichen, durch ein dem erhitzten Material extern zuge­ führtes Kühlmittel, mit

• - einem Ausbreitungsraum zur Aufnahme des erhitzten Materi- als;
• - einem Kühlmittelreservoir, das über mindestens eine Kühl­ mittelleitung mit einer Kühlmittelauslaßöffnung in Ver­ bindung steht, die
• - über der Oberfläche des im Ausbreitungsraum befindli­ chen, zu kühlenden Materials angeordnet ist und
• - vor der Einleitung des Kühlvorgangs durch eine Schließeinrichtung abgedichtet ist, sowie
• - einem die Temperatur des Materials mittel- oder unmittel­ bar abtastenden Sensorelement, das
• - mit der Schließvorrichtung wirkverbunden ist und bei Erreichen einer Ansprechtemperatur eine Öffnung der Schließvorrichtung auslöst,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Schließvorrichtung (8) eine Ansprechkammer (11) um­ faßt,
• - in der die Kühlmittelauslaßöffnung (6) angeordnet ist,
• - die mit einem flüssigen Medium gefüllt ist und
• - die beidendseitig mit Berstelementen (13, 14) (Membranen) abgeschlossen ist;
• - das Sensorelement (9) aus mindestens einem im Be­ reich des zu kühlenden Materials angeordneten Hohlkör­ per (Rohrleitung 15) besteht,
• - der mit einem zur Druckübertragung geeigneten Sensor­ medium gefüllt ist und
• - an die Ansprechkammer (11) unter Zwischenschaltung des ersten Berstelements (13) angeschlossen ist, wo­ bei
• - bei Erreichen der Auslösetemperatur des Sensorelements (9) das erste Berstelement (13) unter dem Druck des Sen­ sormediums anspricht und eine Druckwelle im Medium inner­ halb der Ansprechkammer (11) ausgelöst wird, wodurch das zweite Berstelement (14) anspricht und den Kühlmittelfluß aus der Kühlmittelauslaßöffnung (6) freigibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorme­ dium mit dem Kühlmittel (12) identisch ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Ansprechkammer (11) enthaltene flüssige Medium mit dem Kühl­ mittel (12) identisch ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprech­ kammer (11) rohrförmig ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrför­ mige Ansprechkammer (11) an beiden Enden mit den Berstelementen (13, 14) verschlossen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Berstele­ mente (13, 14) als Membranen ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansprech- Berstdruck des ersten Berstelements (13) höher ist als der Ansprechberstdruck des zweiten Berstelements (14).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprech­ berstdruckdifferenz so bemessen ist, daß nach dem Ansprechen des ersten Berstelements (13) das zweite Berstelement (14) durch die die Ansprechkammer (11) durchlaufende Druckwelle (Pfeil 18) zwangsweise auslöst.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Berstvor­ richtungen (13, 14) austauschbar sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensor­ element (9) als in einer der Wandungen des Ausbreitungsraums (2) verlaufende Rohrleitung (15) ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensor­ element (9) als eine das Material (3) durchsetzende Rohr­ leitung (15) ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmit­ telauslaßöffnung (6) in Richtung der zweiten Berstvorrichtung (14) weist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmit­ telauslaßöffnung (6) koaxial mit der Längserstreckungsrich­ tung der rohrförmigen Ansprechkammer (11) verläuft.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrför­ mige Sensorelement (9) über eine gesonderte Fülleitung (21) mit dem Kühlmittelreservoir (4) in Verbindung steht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllei­ tung (21) mit einer Absperrvorrichtung (22) versehen ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensor­ element (9) über eine Entlüftungsvorrichtung (23) vollständig entlüftbar ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmit­ telleitung (5) eine Absperrventil (20) aufweist.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der An­ sprechkammer (11) und im Sensorelement (9) mit Anzeigeelemen­ ten (30) verbundene Drucksensoren (31) vorgesehen sind.

19. Verfahren zur Kühlung von erhitzten Materialien in fe­ stem oder flüssigem Zustand, insbesondere Schmelzen, Schlacken oder dergleichen, bei welchem dem erhitzten Material ein flüssi­ ges Kühlmittel zugeführt wird, mit folgenden Verfahrenschrit­ ten:

• 1. Das erhitzte Material wird in einen Ausbreitungsraum ein­ geleitet.
• 2. Die Temperatur des Materials wird von einer Sensorflüs­ sigkeit innerhalb eines Sensorrohres erfaßt, wobei sich die Sensorflüssigkeit ausdehnt.
• 3. Durch die Ausdehnung der Sensorflüssigkeit wird ein erstes Berstelement durchbrochen, so daß die Sensorflüssigkeit stoßartig in eine Ansprechkammer eintritt, in der eine Auslaßöffnung für das dem erhitzten Material zuzuführende Kühlmittel angeordnet ist.
• 4. Durch den die Ansprechkammer durchlaufenden Druckstoß der Sensorflüssigkeit wird eine zweite Bersteinrichtung durchbrochen, die die Ansprechkammer gegenüber dem er­ hitzten Material abdichtet, so daß die Kühlmittelflüssig­ keit aus der Ansprechkammer freigegeben wird.