DE19646232A1 - Verfahren zum Pumpen eines fluiden Mediums und Pumpe für ein fluides Medium - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Pumpen eines fluiden Mediums und eine Pumpe für ein fluides Medium, insbe­ sondere um Kühl- oder Notkühlwasser in einen Reaktordruckbe­ hälter eines Kernkraftwerkes zu pumpen.

Die Sicherheitsaspekte für ein Kernkraftwerk fordern, daß der Reaktor zu jeder Zeit kontrollierbar ist. Bei allen ernsteren Störungen bzw. Störfällen des Reaktorbetriebes muß daher die Nachzerfallswärme mittel- bzw. langfristig abgeführt werden, um eine Kernschmelze mit ihren gravierenden Folgen zu vermei­ den. Dazu ist es erforderlich, den Kernreaktor zu kühlen, in­ dem ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser, in den Reaktor­ druckbehälter bzw. in die Dampferzeuger eingespeist wird bzw. der entstehende Dampf abgeführt wird. Moderne Entwicklungen für die Sicherheitskomponenten zielen darauf ab, möglichst passive, d. h. ohne bewegliche Teile ausgestattete Sicher­ heitssysteme einzusetzen, die ohne externe Versorgung funkti­ onsfähig sind. Für ein solches Sicherheitssystem besteht die Forderung, daß es ohne jegliche elektrische Energie oder ex­ terne Eingriffe zur Steuerung auskommt. Der Vorteil von pas­ siven gegenüber aktiven Bauelementen ist ihre auch in Grenz­ situationen hohe Zuverlässigkeit. So werden heutzutage Si­ cherheitskonzepte entwickelt, bei denen die Sicherheitsbau­ gruppen ihre nötige Energie beispielsweise aus Gravitations­ kräften oder aus der bei einem Störfall frei werdenden Ener­ gie beziehen, um von externen Versorgungsquellen unabhängig zu sein. Dies hat zur Folge, daß selbst bei einem Ausfall al­ ler externen Versorgungen die Sicherheitskomponenten funkti­ onsfähig bleiben und damit eine Kernschmelze verhindern hel­ fen.

Zur Kühlung eines Kernreaktors bei einem Störfall bietet es sich an, die bei dem Störfall entstehende Wärmeenergie und insbesondere den entstehenden Dampf zum Betreiben von bei­ spielsweise Notkühlpumpen einzusetzen. Ein bekanntes Konzept zum Pumpen einer Flüssigkeit mittels eines Dampfes bietet hierzu die Dampfstrahlpumpe, wie sie beispielsweise aus Meyers Lexikon "Technik und exakte Naturwissenschaften", 1. Band, Mannheim 1969, Seiten 519 bis 520, bekannt ist.

Bei einem Siedewasserreaktor treten bei einem Störfall Be­ triebsdrücke zwischen 70 und 3 bar auf, für die die Pumpe ausgelegt sein muß. Zudem muß sie in der Lage sein, gegen den im Reaktordruckbehälter herrschenden Druck Kühlwasser aus ei­ nem Kühlwasserreservoir selbständig zu fördern, ohne auf eine externe Starthilfe angewiesen zu sein. Die Dampfstrahlpumpe ist hierfür nur bedingt geeignet. Problematisch ist der hohe Betriebsdruck, der bei Störfällen starken Schwankungen unter­ worfen ist. Darüber hinaus ist auch der Startvorgang bei ei­ ner Dampfstrahlpumpe problematisch, da bis zum Aufbau des nö­ tigen Gegendruckes für die Einspeisung von Kühlwasser in den Reaktordruckbehälter sogenanntes Schlabberwasser über ein Schlabberventil abgeführt werden muß. Erst bei ausreichend hohem Druck kann auf das druckführende System umgeschaltet werden, wozu eine Regelung des Startvorganges nötig wird. Die Leistung einer Dampfstrahlpumpe ist von der Ausbildung der verwendeten Düse sowie vom Druck und der Temperatur des Damp­ fes abhängig.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren zum Pumpen eines fluiden Mediums und eine Pumpe für ein fluides Medium anzugeben, wobei die Pumpwirkung zuverlässig und unabhängig von der Zufuhr externer Hilfsenergie ist.

Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Pumpen eines fluiden Mediums gemäß Patentanspruch 1. Bei diesem Verfahren wird das fluide Medium durch Kontakt mit einem rotierenden Pumpfluid geför­ dert. Dem Verfahren liegt die prinzipielle Idee zugrunde, ein zu pumpendes fluides Medium in Kontakt mit einem rotierenden Pumpfluid zu bringen, um den Impuls des Pumpfluides aus der Rotationsströmung auf das fluide Medium zu übertragen. Da­ durch wird das fluide Medium ebenfalls in eine Rotationsströ­ mung versetzt und erfährt dabei Zentrifugalkräfte, die das fluide Medium radial nach außen drücken. So entsteht ein ra­ diales Druckgefälle, das zum Fördern des fluiden Mediums ver­ wendet wird. Die Bedeutung dieses Verfahrens ist darin zu se­ hen, daß der Druck zum Fördern des fluiden Mediums vorrangig durch Zentrifugalkräfte aufgebaut wird.

Vorteilhafterweise strömt bei dem Verfahren das Pumpfluid un­ ter Ausbildung einer Rotationsströmung entlang einer von der Rotationsströmung gebildeten Rotationsachse durch eine im we­ sentlichen gerundete Kammer, die mit wenigstens einem Auslaß an ihrem Mantel versehen ist. Die gerundete, beispielsweise rotationssymmetrische Kammer dient hierbei in einfacher Weise der Ausbildung einer weitgehend reibungsfreien Rotationsströ­ mung. Infolge der Zentrifugalkräfte baut sich an ihrer radial angeordneten Mantelfläche ein Druck auf, der im wesentlichen von der Dichte des fluiden Mediums und der Zentrifugalbe­ schleunigung abhängt. An dem Mantel der Kammer bildet sich eine aus dem fluiden Medium bestehende ringförmige Schicht. Mit zunehmender Schichtdicke wächst der Druck in dieser Schicht. Dieser Druck wird als Pumpdruck zum Fördern des fluiden Mediums verwendet und kann den Druck des Pumpfluides um ein Vielfaches übersteigen.

Bevorzugt strömt das Pumpfluid tangential in die Kammer, um den Aufbau der Rotationsströmung zu unterstützen und zusätz­ lich Rotationsenergie in Druckenergie umzuwandeln.

In einer weiteren vorteilhaften Weise wird bei dem Verfahren die Rotationsgeschwindigkeit und damit die Zentrifugalkraft durch eine Querschnittsverengung der Kammer erhöht. Aufgrund der Drehimpuls-Erhaltung für das strömende Pumpfluid bietet die Pumpe daher in einfacher Weise die Möglichkeit, die Ge­ schwindigkeit des Pumpfluides und damit die Pumpwirkung zu erhöhen. Gegenüber einer Dampfstrahlpumpe, bei der die Ge­ schwindigkeit des Pumpfluides durch die Form der Düse be­ grenzt wird, können durch die Querschnittsverengung bei einer solchen Pumpe selbst hohe Überschallgeschwindigkeiten mühelos erreicht werden.

Insbesondere strömt bei dem Verfahren das fluide Medium be­ vorzugt tangential aus der Kammer. Dadurch wird zum Fördern des fluiden Mediums der statische Druck, der durch die Zen­ trifugalkräfte entsteht, um einen zusätzlichen Staudruck in­ folge der Rotationsgeschwindigkeit erhöht. Die kinetische Energie des fluiden Mediums wird dadurch weitgehend in Druck­ energie umgewandelt.

Vorteilhafterweise wird bei dem Verfahren das fluide Medium durch einen aufgrund der Rotationsströmung entstehenden Un­ terdruck angesaugt, wodurch das fluide Medium aus einem tie­ fer liegenden Reservoir gefördert werden kann.

Die auf die Pumpe gerichtete Aufgabe wird gelöst durch eine Pumpe für ein fluides Medium mit einem Einlaß für ein Pump­ fluid, wobei Mittel zum Erzeugen einer Rotationsströmung des Pumpfluides vorgesehen sind, um das fluide Medium durch Im­ pulsübertrag ebenfalls in eine Rotationsströmung zu verset­ zen, um es unter Ausnutzung von Zentrifugalkräften zu pumpen.

Vorteilhafterweise weist die Pumpe eine im wesentlichen ge­ rundete Kammer auf, wobei im Bereich des Mantels wenigstens ein Auslaß angeordnet ist. Durch die gerundete Kammer wird der Aufbau einer Rotationsströmung unterstützt. Die gerunde­ te Kammer kann ein rotationssymmetrischer Körper, beispiels­ weise ein Zylinder, sein. Anstatt eines kreisrunden Quer­ schnittes der Kammer kann dieser aber auch beispielsweise oval, also nicht rotationssymmetrisch, sein. Die Anordnung eines oder mehrerer Auslässe im Bereich des Mantels stellt sicher, daß die entstehenden Zentrifugalkräfte zum Pumpen für das fluide Medium optimal ausgenutzt werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Kammer entlang der Rotationsachse in einem Teilbereich eine Querschnitts­ verengung auf, um die Rotationsgeschwindigkeit und damit die Pumpwirkung zu erhöhen.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung umfaßt die Kammer eine Eintritts- und eine Austrittskammer für das Pumpfluid sowie eine dazwischen angeordnete Wechselwirkungskammer, wo­ bei die Wechselwirkungskammer eine geringere Querschnittsflä­ che als die Eintrittskammer aufweist. Damit wird eine Erhö­ hung der Geschwindigkeit der Rotationsströmung in der Wech­ selwirkungskammer erreicht, wodurch die Pumpleistung erhöht wird.

Vorzugsweise strömt das Pumpfluid unter Druck durch wenig­ stens einen als Düse ausgebildeten Einlaß in die Eintritts­ kammer, um eine Rotationsströmung mit möglichst hoher Ge­ schwindigkeit zu erzeugen. Da die Geschwindigkeit bei dieser pumpe zusätzlich durch eine Querschnittsverengung der Kammer erhöht werden kann, muß die Düse, beispielsweise eine La­ valdüse, nicht zwingend auf maximale Geschwindigkeit ausge­ legt sein. Denn die Optimierung von solchen Lavaldüsen, wie sie i.d.R. in Dampfstrahlpumpen eingesetzt werden, ist bei­ spielsweise für Sattdampf problematisch. Des weiteren ist es für die Pumpwirkung nicht wie bei der Dampfstrahlpumpe aus­ schlaggebend, daß das eingeströmte Medium vollständig auskon­ densiert. Daher ist die Pumpwirkung von der Temperatur des fluiden Mediums und des pumpfluides weitgehend unabhängig. Auch ist das Massenstromverhältnis zwischen Pumpfluid und fluidem Medium im Vergleich zur Dampfstrahlpumpe in weiteren Grenzen wählbar.

Bevorzugt ist zum Aufbau der Rotationsströmung der Einlaß tangential zum Mantel der Kammer und annähernd senkrecht zur Rotationsachse angeordnet.

Vorteilhafterweise ist in der Wechselwirkungs- und in der Eintrittskammer jeweils mindestens ein Auslaß angeordnet, um das dort abzentrifugierte fluide Medium aus der Pumpe heraus­ führen zu können.

Insbesondere ist es von Vorteil, den Auslaß für das fluide Medium tangential zum Mantel der Kammer und in Strömungsrich­ tung des Pumpfluides anzuordnen, um den dadurch entstehenden zusätzlichen Staudruck des fluiden Mediums ebenfalls zum Pum­ pen heranzuziehen.

Vorzugsweise ist im Auslaß ein Rückschlagventil, beispiels­ weise eine Rückschlagklappe, angeordnet, wodurch das fluide Medium auch gegen einen äußeren Druck selbstregulierend ge­ pumpt werden kann. Dieses Merkmal erlangt im Hinblick auf Si­ cherheitstechnische Aspekte eine wesentlich Bedeutung, da der Startvorgang bei einer Pumpe mit einer solch relativ einfa­ chen Rückschlagklappe vollkommen unproblematisch ist und kei­ ne aufwendigen Regelmechanismen notwendig sind.

Vorteilhafterweise ist zwischen Wechselwirkungs- und Ein­ trittskammer und/oder zwischen Wechselwirkungs- und Aus­ trittskammer ein Übergangsbereich angeordnet, dessen Quer­ schnittsfläche zur Querschnittsfläche der Wechselwirkungskam­ mer reduziert ist. Hierdurch kann sich in der Wechselwir­ kungskammer im Bereich des Mantels das abzentrifugierte flui­ de Medium ansammeln, wodurch der zum pumpen zur Verfügung stehende statische Druck erhöht wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich eine Zuleitung für das fluide Medium entlang der Rotations­ achse in die Wechselwirkungskammer und ist mit einer Anzahl von radialen Bohrungen versehen. Durch die zentrale Anordnung der Zuleitung wird der dort bestehende Unterdruck zum Fördern des fluiden Mediums aus beispielsweise einem Reservoir be­ wirkt. Durch die radialen Bohrungen wird das fluide Medium beim Eintritt in die Pumpe zerstäubt.

Vorteilhafterweise wird eine solche Pumpe in einem Kraft­ werksreaktor beispielsweise als Einspeisepumpe eingesetzt, um Kühlmittel in den Reaktor zu pumpen. Für weitere Anwendungs­ zwecke, bei denen beispielsweise der Druck des Pumpfluides vor dem Einströmen in die Pumpe konstant ist, kann die Pumpe für die jeweiligen Einsatzgebiete beispielsweise auf maxima­ len Förderdruck oder auf maximales Massenstromverhältnis op­ timiert werden.

Es ist insbesondere vorteilhaft, eine solche Pumpe als Not­ pumpe für Kühlwasser in einem Kernkraftwerk einzusetzen, da die Pumpe bei einem Störfall selbsttätig und ohne äußere An­ triebs- oder Energiequellen ein Kühlmittel in den Reaktor­ block pumpt. Insbesondere ist hierbei der vollkommen unpro­ blematische Startvorgang, die automatische Regulierung des nötigen Druckaufbaues in der Pumpe für das fluide Medium so­ wie die Unabhängigkeit von externen, beispielsweise elektri­ schen, Versorgungsleitungen bzw. Hilfsaggregaten hervorzuhe­ ben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Ausführungsbei­ spiele der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Pumpe gemäß der Erfindung, die schematisch in einem Längsschnitt veranschaulicht ist;

Fig. 2 bis Fig. 4 alternative Ausführungsformen der Pumpe mit einfachem konstruktiven Aufwand in einer schemati­ schen Darstellung.

Fig. 5 veranschaulicht schematisch ein Kühl- oder Notkühlsy­ stem eines Kernkraftwerkes.

Gemäß der Fig. 1 umfaßt die Pumpe 2 eine rotationssymmetri­ sche, hohle Kammer 14, die aus einer Eintrittskammer 4, einer Wechselwirkungskammer 6 und einer Austrittskammer 8 gebildet wird. Die Eintritts- 4 und Austrittskammer 8 sind jeweils mit der Wechselwirkungskammer 6 in axialer Richtung entlang einer Rotationsachse 16 der Kammer 14 verbunden. Durch einen Einlaß 10 tritt ein Pumpfluid v in die Eintrittskammer 4 ein und strömt durch die Wechselwirkungskammer 6 in die Austrittskam­ mer 8, wo das Pumpfluid v durch eine Austrittsöffnung 12 aus der Rotationspumpe 2 wieder austritt. Das Pumpfluid v kann beispielsweise Wasserdampf aus einem Reaktordruckbehälter ei­ nes Siedewasserreaktors sein. Dieser Dampf kann nach dem Durchströmen der Pumpe 2 beispielsweise einer Kondensations­ kammer zugeleitet oder abgeblasen werden. Eine solche Pumpe 2, bei der Dampf als Pumpfluid v verwendet wird, kann in Ana­ logie zur Dampfstrahlpumpe als Dampfrotationspumpe bezeichnet werden.

Die aus den drei Einzelkammern 4, 6, 8 gebildete Kammer 14 umfaßt einen Mantel 141 und je eine Stirnseite 142, die die Eintrittskammer 4 bzw. die Austrittskammer 8 begrenzt. Eine Zuleitung 18 für ein fluides Medium f mündet durch die Stirn­ seite 142 auf der Seite der Eintrittskammer 4 in die Kammer 14 und erstreckt sich entlang der Rotationsachse 16 bis in die Wechselwirkungskammer 6. Das fluide Medium f kann bei­ spielsweise Wasser aus einer Kondensationskammer eines Kraft­ werkes sein. Prinzipiell können eine Vielzahl von Gasen und Flüssigkeiten als fluides Medium f oder Pumpfluid v dienen, sofern zumindest die spezifische Dichte des fluiden Mediums f höher ist als die des Pumpfluides v. Die Zuleitung 18 ist vorteilhafterweise zylindrisch und wird an ihrem Ende in der Wechselwirkungskammer 6 von einer geschlossenen Stirnseite 181 begrenzt. Das fluide Medium f strömt bevorzugt aus einer Anzahl von radial angeordneten Bohrungen 183 oder Öffnungen durch einen Zylindermantel 182 im Bereich der Wechselwir­ kungskammer 6 in die Kammer 14 ein.

Die Eintrittskammer 4 weist einen maximalen Radius r₀ auf, der größer ist als der maximale Radius r₃ der Wechselwir­ kungskammer 6. Die Austrittskammer 8 weist einen Radius r₄ auf, der ebenfalls größer als der Radius r₃ ist, wobei der Radius r₄ mit dem Radius r₀ der Eintrittskammer 4 überein­ stimmen kann. Die Querschnittsfläche der Kammer 14, deren Flächennormale von der Rotationsachse 16 gebildet ist, wird in je einem Übergangsbereich 20 zwischen der Eintritts- 4 und der Wechselwirkungskammer 6 bzw. zwischen der Wechselwir­ kungs- 6 und der Austrittskammer 8 auf einen Radius r₂, der kleiner ist als der Radius r₃ der Wechselwirkungskammer 6, reduziert. Der Radius der Querschnittsfläche im Übergangsbe­ reich 20 zwischen Eintritts- 4 und Wechselwirkungskammer 6 muß dabei nicht zwingend mit dem Radius im Übergangsbereich 20 zwischen der Austrittskammer 8 und der Wechselwirkungskam­ mer 6 übereinstimmen.

Der Einlaß 10 für das Pumpfluid v ist in der Eintrittskammer 4 bevorzugt in einem Abstand r₁ von der Rotationsachse 16, der kleiner als der Radius r₀ der Eintrittskammer 4 ist, an der Stirnseite 142 der Kammer 14 angeordnet. Um den Aufbau einer Rotationsströmung des Pumpfluides v, die auch als Drallströmung bezeichnet werden kann, zu begünstigen, ist der Einlaß 10 insbesondere tangential zum Mantel 141 oder zur Wand der Eintrittskammer 4 und annähernd senkrecht zur Rota­ tionsachse 16 angeordnet, so daß die Rotationsachse 16 der Kammer 14 zugleich auch die Rotationsachse der Rotationsströ­ mung des Pumpfluides v ist. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des Einlasses 10 als Düse, die beispielsweise eine Lavaldüse sein kann. Zum Zwecke einer optimalen Förderlei­ stung der Pumpe ist die Düse dahingehend optimiert, daß das Pumpfluid v mit einer möglichst hohen Geschwindigkeit in die Eintrittskammer 4 eintritt. Mit einer einfachen Düse ist bei überkritischem Druckgefälle schon eine Geschwindigkeit von ca. 450 m/s zu erreichen.

Ist das Pumpfluid v Dampf, so kondensiert dieser infolge der Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit teilweise aus und es entstehen in der Eintrittskammer 4 Wassertröpfchen. Diese werden aufgrund der hohen Rotationsgeschwindigkeit und der damit verbundenen Zentrifugalkraft abzentrifugiert und sam­ meln sich am Außenrand der Eintrittskammer 4 an der Innensei­ te des Mantels 141. Es bildet sich also eine ringförmige Was­ serschicht mit einer Dicke Δs, in der sich der statische Druck erhöht. In dem speziellen Fall, in dem das Pumpfluid v und das fluide Medium f die gleiche stoffliche Zusammenset­ zung besitzen und eventuell lediglich als verschiedene Phasen vorliegen, können sich das fluide Medium f und das Pumpfluid v ununterscheidbar vermischen. Ein Teil des Pumpfluides v kann dann zugleich als fluides Medium f, das gepumpt werden soll, verwendet werden. Für diesen Teil des Pumpfluides v ist dann eine Unterscheidung zwischen fluidem Medium f und Pump­ fluid v nicht mehr möglich.

Der Druckaufbau Δp_f eines fluiden Mediums f in einer solchen ringförmigen Schicht 22 wird bestimmt von dem Produkt aus der Dichte ρ_f des fluiden Mediums f, der Zentrifugalkraft b_z und der Höhe Δs der Schicht 22 gemäß folgender Gleichung:

w_i ist hierbei die Rotationsgeschwindigkeit und r_i der Radius des rotierenden fluiden Mediums f.

Der Druckaufbau Δp_f nimmt demnach mit zunehmender Dicke Δs der Schicht 22 zu. In der Eintrittskammer 4 ist bevorzugt bei dem Maximalradius r₀ an der Kammerwand bzw. am Mantel 141, ein Auslaß 24 für das fluide Medium f vorgesehen. Durch die­ sen Auslaß kann die abzentrifugierte Flüssigkeit austreten.

In einer besonders bevorzugten Ausführung wird der Auslaß 24 tangential an der Kammerwand und zwar in Strömungsrichtung des Pumpfluides v angeordnet, so daß die auskondensierte Flüssigkeit direkt in den Auslaß 24 strömen kann. Der Auslaß 24 kann hierzu auch in die Kammer 14 hineinreichen. Mit die­ ser Anordnung wird eine Erhöhung des Förderdruckes erzielt, da die kinetische Energie weitgehend in Druckenergie in Form eines Staudruckes umgewandelt wird. Durch den zusätzlichen Staudruck wird eine wesentliche Effizienzsteigerung der Pumpe 2 erreicht.

Die Drall- oder Rotationsströmung in der Pumpe 2 entspricht weitgehend einem Potentialwirbel und ist daher nahezu rei­ bungsfrei. Lediglich aufgrund von Reibungsverlusten an der Kammerwand oder an der Oberfläche der aus dem fluiden Medium f gebildeten Schicht 22 oder auch an einzelnen beispielsweise auskondensierten Tropfen verliert ein gewisser Anteil der Ro­ tationsströmung kinetische Energie, d. h. die Rotationsge­ schwindigkeit dieses Anteiles verringert sich. Aufgrund der dann geringeren Zentrifugalkräfte gleitet dieser Anteil des Pumpfluides v entlang der beispielsweise nach außen gekrümm­ ten Stirnseite 142 in Richtung Rotationsachse 16. Somit steht grundsätzlich der Anteil des Pumpfluides v aus der Rotations­ strömung mit der höchsten Geschwindigkeit in Kontakt mit der Schicht 22. Daher wird trotz der Reibungsverluste eine hohe Rotationsgeschwindigkeit des fluiden Mediums f aufrecht er­ halten.

Aus der Eintrittskammer 4 strömt das Pumpfluid v dann durch den Übergangsbereich 20 in die Wechselwirkungskammer 6, die einen kleineren Radius aufweist. Durch die Verringerung des Querschnittes in der Wechselwirkungskammer 6 und im Über­ gangsbereich 20 wird die Geschwindigkeit der Rotationsströ­ mung erhöht. Sie kann hierbei hohe Überschallgeschwindigkei­ ten erreichen. Vernachlässigt man zunächst eventuelle Rei­ bungs- bzw. Kondensationseffekte, so muß aufgrund der Erhal­ tung des Strömungsdrehimpulses das Produkt aus Strömungsge­ schwindigkeit w_i und Radius r_i konstant sein. Dies bedeutet bei einer Reduzierung des Radius um den Faktor 2 eine Erhö­ hung der Geschwindigkeit um denselben Faktor. Da für den Druckaufbau Δp_f der Quotient aus dem Quadrat der Geschwindig­ keit w_i und des Radius r_i bestimmend ist, ist eine Geschwin­ digkeitserhöhung anzustreben.

Infolge der Rotationsströmung um die Rotationsachse 16 nimmt der statische Druck mit Annäherung an die Rotationsachse 16 immer weiter ab. In der Nähe der Rotationsachse besteht ein Unterdruck. Aufgrund dieses Unterdruckes wird das fluide Me­ dium f aus den Bohrungen der Zuleitung 18 angesaugt. Es las­ sen sich somit mehrere Meter Steighöhe überwinden. So kann beispielsweise Kühlwasser aus einem Reservoir, z. B. aus einer Kondensationskammer, ohne externe Pumpen automatisch ange­ saugt werden.

Das aus der Zuleitung 18 durch die Bohrungen 183 in die Wech­ selwirkungskammer 6 versprühte fluide Medium f, beispielswei­ se Wasser, tritt dort in Kontakt mit der Rotationsströmung des Pumpfluides v und vermischt sich teilweise mit ihm. Dabei wird das in die Kammer gesprühte fluide Medium f, beispiels­ weise Wassertropfen, zum einen wegen der anfänglich hohen Ge­ schwindigkeitsunterschiede weiter zerstäubt, zum anderen wird der Strömungsimpuls der Rotationsströmung auf das fluide Me­ dium f übertragen, das dadurch stark beschleunigt wird. Die Umfangsgeschwindigkeit beispielsweise von Wassertropfen kann einige 100 m/s erreichen. Zudem kondensiert ein Teil des Pumpfluides v, beispielsweise Wasserdampf, an den kalten Was­ sertropfen aus. Gleichzeitig heizt der Dampf diese bis auf Sättigungstemperatur auf. Für die Pumpwirkung ist es dabei jedoch nicht notwendig, daß der Dampf vollständig konden­ siert.

Analog zu den Prozessen in der Eintrittskammer 4 werden die versprühten oder auskondensierten Tropfen in der Wechselwir­ kungskammer 6 abzentrifugiert, so daß sich an der Innenseite des Mantels 141 zwischen den beiden Übergangsbereichen 20 ebenfalls eine Schicht 22 bildet. Durch die Übergangsbereiche 20 wird ein Übertritt des fluiden Mediums f in die benachbar­ te Eintritts- 4 oder Austrittskammer 8 vermieden und die Aus­ bildung der Schicht 22 mit der Dicke Δs unterstützt. In der Wechselwirkungskammer 6 sind wiederum ein oder mehrere Aus­ lässe 24 für das fluide Medium f angeordnet. Bevorzugt befin­ det sich der Auslaß 24 an der Innenseite des Mantels 141 und ist tangential und in Strömungsrichtung des Pumpfluides v bzw. des fluiden Mediums f ausgerichtet, d. h. der Auslaß 24 ist so angeordnet, daß das zu pumpende fluide Medium f in den Auslaß 24 hineinströmt, so daß ein Staudruck entsteht und die kinetische Energie aus der Rotationsströmung zumindest teil­ weise in Druckenergie umgewandelt wird. Anstatt der in der Fig. 1 gezeigten kreisförmigen Auslässen kann natürlich auch ein über den gesamten Bereich der Wechselwirkungskammer 6 langgestreckter Auslaßspalt angeordnet werden.

Im Anschluß an die Wechselwirkungskammer 6 strömt das Pump­ fluid v in die Austrittskammer 8. Zuvor wird es durch die Querschnittsverengung im Übergangsbereich 20 beschleunigt, so daß noch einmal Tropfen abzentrifugiert werden können. Die Austrittskammer 8 entspricht in ihrer Geometrie weitgehend der Eintrittskammer 4. Durch die Vergrößerung des Radius auf den Radius r₄ der Austrittskammer 8 nimmt die Rotationsge­ schwindigkeit des Pumpfluides v ab. Das Pumpfluid v tritt durch die Austrittsöffnung 12 aus der Pumpe 2 wieder aus. Ist eine Austrittsvorrichtung mit einer Austrittsöffnung 12 tan­ gential und in Richtung der Rotationsströmung angeordnet, so wird die kinetische Energie der Rotationsströmung wiederum weitgehend in Druckenergie zurückverwandelt. Da das Pumpfluid v in der Wechselwirkungskammer 6 allerdings kinetische Ener­ gie an das fluide Medium f abgegeben hat, ist nun der Druck beim Austritt aus der Pumpe 2 geringer als beim Eintritt. Ist das Pumpfluid v ursprünglich Sattdampf, so ist dieser beim Verlassen der Pumpe 2 praktisch trocken und leicht überhitzt.

Fig. 2 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform einer Rotationspumpe 2, bei der der konstruktive Aufwand reduziert ist. Die Kammer 14 dieser Rotationspumpe 2 ist zylinderförmig mit konstantem Radius r₀. Das Pumpfluid v tritt an einem Ende der Kammer 14 in diese unter Ausbildung einer Rotationsströ­ mung durch einen oder mehrere Einlässe 10 ein. Die Einlässe 10, die vorteilhafterweise als Düsen ausgebildet sind, sind im Abstand r₁ zur Rotationsachse 16 und tangential zum Mantel 141 der Kammer 14 und annähernd senkrecht zur Rotationsachse 16 angeordnet. Der Einlaß 10 kann beispielsweise als Rohr ausgebildet sein, das in die Kammer 14 hineinreicht. Das fluide Medium f tritt durch radial angeordnete Bohrungen 183 aus der Zuleitung 18 in die Kammer 14 ein. In der Nähe des der Einlaßseite gegenüberliegenden zweiten Endes der Kammer 14 befindet sich eine Austrittsöffnung 12 für das Pumpfluid f. Die Austrittsöffnung 12 ist in einem Abstand r₅ zur Rota­ tionsachse 16 und tangential zum Mantel 141 angeordnet. Der Abstand r₅ ist kleiner als der Radius r₀ der zylinderförmigen Kammer 14 und ist so zu wählen, daß durch die Austrittsöff­ nung 12 für das Pumpfluid f kein fluides Medium v, das sich in der Schicht 22 ansammelt, austreten kann. Am Mantel 141 sind eine oder mehrere Auslässe 24 für das fluide Medium f angeordnet. Je nach Bedarf können die Auslässe 24 tangential am Mantel 141 der zylindrischen Kammer 14 angeordnet werden, um die kinetische Energie der Rotationsströmung zusätzlich in Druckenergie umzuwandeln. Zu diesem Zweck kann der Auslaß 24 auch als Spalt über die gesamte Zylinderlänge ausgebildet werden.

Ist es nötig, daß das fluide Medium f gegen einen äußeren Druck gefördert werden muß, so kann im Auslaß 24 eine Rück­ schlagklappe 23 oder -ventil angeordnet werden. Übertrifft der Außendruck, beispielsweise der Druck in einem Reaktor­ druckbehälter, in den eine Kühlflüssigkeit eingepumpt werden soll, den Druck oder auch Förderdruck des fluiden Mediums im Inneren der Kammer 14, so schließt die Rückschlagklappe 23. Gleichzeitig erhöht sich die Dicke Δs der Schicht 22 und da­ mit auch der Förderdruck gemäß obiger Gleichung, bis dieser den äußeren Druck übertrifft. Dann öffnet die Rückschlagklap­ pe 23 und die Kühlflüssigkeit kann in den Reaktordruckbehäl­ ter fließen. Dabei reduziert sich die Dicke Δs und somit der Förderdruck und die Rückschlagklappe 23 schließt wieder, wenn der Förderdruck den äußeren Druck unterschreitet. Bei ge­ schlossener Rückschlagklappe baut sich der Förderdruck in der Kammer 14 wieder auf. Aufbau eines Förderdruckes und Fördern eines fluiden Mediums wiederholen sich daher in einem konti­ nuierlichen Prozeß. Dabei ist das Umschalten zwischen der Förderphase und der Druckaufbauphase selbstregulierend. Äuße­ re Steuersysteme oder Eingriffe sind daher nicht notwendig. Solche Rückschlagklappen können natürlich auch in den Ausläs­ sen 24 der Eintritts- 4 oder Wechselwirkungskammer 6 angeord­ net sein.

In Fig. 3 ist die Kammer 14 in einer weiteren Ausführungs­ form schematisch im Querschnitt skizziert. Die Kammer 14 wird aus einer Anzahl von Kammersegmenten 145 gebildet. Die Kam­ mersegmente 145 erstrecken sich entlang der Rotationsachse 16 über die gesamte Kammer. Sie weisen eine nahezu kreisförmige Krümmung auf, und sind derart angeordnet, daß sie sich gegen­ seitig unter Belassung eines Spaltes zwischen den einzelnen Kammersegmenten überlappen. In anderen Worten: sich überlap­ pende Mantelsegmente eines Zylinders bilden die zylinderför­ mige Kammer 14. Die Kammersegmente 145 sind dabei so angeord­ net, daß bei einem definierten Drehsinn 147 ein bestimmtes Kammersegment 145 das vorhergehende Kammersegment 145 über­ lappt und von einem nachfolgenden überlappt wird. Rotiert das Pumpfluid f mit gleichem Drehsinn, so erfüllen die einzelnen von den sich überlappenden Kammersegmenten 145 gebildeten Spalte 146 die Funktion eines tangential angeordneten Auslas­ ses 24, der in Richtung der Rotationsströmung angeordnet ist. Gemäß der Fig. 3 ist die Kammer 14 von einem Gehäuse 26 um­ geben. In diesem Gehäuse 26 wird das fluide Medium f aufge­ fangen und kann es über einen Auslaß 24 verlassen. Ist das fluide Medium f gegen einen äußeren Druck zu pumpen, kann in dem Auslaß 24 eine Rückschlagklappe 23 angeordnet werden, so daß sich das fluide Medium f innerhalb des Gehäuses 26 ansam­ melt. Es bildet sich innerhalb der Kammer 14 eine Schicht mit der Dicke Δs, so daß bei einem ausreichenden Druck das fluide Medium f die Pumpe 2 über die Austrittsöffnung 12 verläßt.

Gemäß der Fig. 4, die die Kammer 14 im Querschnitt zeigt, ist der Mantel 141 der Kammer 14 offen. Der Mantel 141 weist also einen Anfang und ein Ende auf. Anfang und Ende des Man­ tels 141 überlappen sich, so daß der Mantel 141 eine schnec­ kenförmige Gestalt annimmt. Die Öffnung des Mantels 141 er­ füllt die Funktion des Auslasses 24. In Längsrichtung der Ro­ tationsachse 16 betrachtet erstreckt sich daher zumindest in einem Teilbereich der Kammer 14 an dem Mantel 141 ein Spalt, der als Auslaß ausgebildet ist. Um den Pumpdruck für das fluide Medium f um einen Staudruck zu erhöhen, ist die Öff­ nung im Mantel 141, d. h. der Spalt, in Strömungsrichtung des fluiden Mediums f angeordnet. In der Fig. 4 ist der Drehsinn 147 einer solchen Rotationsströmung angedeutet.

In Fig. 5 wird ein Kühlkreislauf bzw. ein Notkühlkreislauf in einem Kernkraftwerk schematisch veranschaulicht. Bei einem Störfall oder auch im Normalbetrieb wird der im Reaktordruck­ behälter 31, beispielsweise eines Siedewasserreaktors, ent­ stehende Dampf, das Pumpfluid v, über eine Leitung 301 in die Pumpe 2 geleitet. Durch den in der Pumpe 2 entstehenden Un­ terdruck wird Wasser, das fluide Medium f, über eine Leitung 302 aus einem Kühlmittelreservoir 32, das beispielsweise ein Kondensationsbecken sein kann, in die Pumpe 2 gesaugt. Über­ steigt der Druck in der Pumpe 2 den im Reaktordruckbehälter 31 herrschenden Druck, so wird das Kühlwasser über eine Lei­ tung 303 von der Pumpe 2 in den Reaktordruckbehälter 31 ge­ pumpt. Der Dampf verläßt die Pumpe 2 und wird über eine Lei­ tung 304 entweder über Dach abgeblasen oder über eine Leitung 305 beispielsweise in die Kondensationskammer 32 zurückgelei­ tet.

Claims (19)

1. Verfahren zum Pumpen eines fluiden Mediums (f), bei dem das fluide Medium (f) durch Kontakt mit einem rotierenden Pumpfluid (v) gefördert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Pumpfluid (v) unter Ausbildung einer Rotationsströmung entlang einer von der Rotationsströmung gebildeten Rotationsachse (16) durch eine im wesentlichen gerundete Kammer (14) strömt, die mit wenigstens einem Auslaß (24) an ihrem Mantel (141) versehen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Pumpfluid (v) tangential in die Kammer (14) strömt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Rotations­ geschwindigkeit durch eine Querschnittsverengung der Kammer (14) erhöht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das fluide Medium (f) tangential aus der Kammer (14) strömt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem das fluide Medium (f) durch einen aufgrund der Rotationsströmung entstehenden Unterdruck angesaugt wird.

7. Pumpe (2) für ein fluides Medium (f), mit einem Einlaß (10) für ein Pumpfluid (v), wobei Mittel zum Erzeugen einer Rotationsströmung des Pumpfluides (v) vorgesehen sind.

8. Pumpe (2) nach Anspruch 7, die eine im wesentlichen ge­ rundete Kammer (14) aufweist, wobei im Bereich des Mantels (141) wenigstens ein Auslaß (24) angeordnet ist.

9. Pumpe (2) nach Anspruch 8, bei der die Kammer (14) entlang der Rotationsachse (16) in einem Teilbereich eine Querschnittsverengung aufweist.

10. Pumpe (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 9, bei der die Kammer (14) eine Eintritts- (4) und eine Austrittskammer (8) für das Pumpfluid (v) und eine dazwischen angeordnete Wechselwirkungskammer (6) umfaßt, wobei die Wechselwirkungs­ kammer (6) eine geringere Querschnittsfläche als die Ein­ trittskammer (4) aufweist.

11. Pumpe (2) nach Anspruch 10, bei der das Pumpfluid (v) unter Druck durch wenigstens einen als Düse ausgebildeten Einlaß (10) in die Eintrittskammer (4) einströmt.

12. Pumpe (2) nach Anspruch 11, bei der der Einlaß (10) tangential zum Mantel (141) der Kammer (14) und annähernd senkrecht zur Rotationsachse (16) angeordnet ist.

13. Pumpe (2) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der in der Wechselwirkungs- (6) und in der Eintrittskammer (4) je­ weils mindestens ein Auslaß (24) angeordnet ist.

14. Pumpe (2) nach Anspruch 13, bei der der Auslaß (24) tangential zum Mantel (141) der Kammer (14) und in Strömungsrichtung des Pumpfluides (v) angeordnet ist.

15. Pumpe (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 14, bei der im Auslaß (24) ein Rückschlagventil (23) angeordnet ist.

16. Pumpe (2) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, bei der zwischen Wechselwirkungs- (6) und Eintrittskammer (4) und/oder zwischen Wechselwirkungs- (6) und Austrittskammer (8) ein Übergangsbereich (20) angeordnet ist, dessen Quer­ schnittsfläche zur Querschnittsfläche der Wechselwirkungs­ kammer (6) reduziert ist.

17. Pumpe (2) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, bei der sich eine Zuleitung (18) für das fluide Medium (f) entlang der Rotationsachse (16) in die Wechselwirkungskammer (6) er­ streckt und mit einer Anzahl von radialen Bohrungen (183) versehen ist.

18. Verwendung einer Pumpe (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 17 in einem Kraftwerksreaktor.

19. Verwendung einer Pumpe (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 17 als Notpumpe für Kühlwasser in einem Kernkraftwerk.