DE2046254A1

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Info

Publication number: DE2046254A1
Application number: DE19692046254
Authority: DE
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1969-09-18
Filing date: 1969-09-18
Publication date: 1971-04-01
Also published as: GB1329121A; FR2062295A5; SE356118B

Description

DIPL-ING. FINSTERWALD DIPL-IN& GRAMKOW ο η λ r·** r /

PATENTANWÄLTE

11. SEP. Wl

We/Sv - A 2115

ATOPIIC EKERGX OS¹ CANADA LIMITED Ottawa-Ontario, Canada

Gas-Flüssigkeits-Mischer

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen eines Gases und einer Flüssigkeit und insbesondere zur Erzeugung einer homogenen Mischung.

Verschiedene Typen von kontinuierlich arbeitenden Gas-Flüssigkeits-Mischorn sind bekannt. Wenn jedoch Mischungen mit einem hohen Grad an Homogenität erforderlich sind, haben sich diese bekannten Vorrichtungen als nicht vollkommen zufriedenstellend erwiesen. In nebelgekühlten, bzw. dampfgekühlten Reaktoren beispielsweise ist es erwünscht, eine Kühlströmung zu haben, welche eine homogene Mischung aus Wasser und Dampf darstellt.

In herkömmlichen Gas-Flüssigkeits-Mischern werden die Gase gewöhnlich mit viel höheren Geschwindigkeiten als die Flüssigkeit on entlanggepumpt. Worm sich verhältnismäßig langsam bewe^onde Flüsüigkoibakügelchen in den Mischbereich eintre-

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Dr. MOIUr Bort Dr. Moniti · Dr. D.uf·! · Dipl.-Ing. Firut«rw_Old Dlpl.-Ing. Grimkow Brounidiw«ig, Am BOrg«rpork 8 8 MOnchtn 22, Rob«rt-Kodi Slroß» ] 7 Siultjjar! - Bad Cannitalt T«l»fon (0531) 2 84 87 T.ltfon (MIl) 22 51 10, TtIm 322050 mbpa» Marktilroß· 3, Ttl.fon (0711) »72il

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ten, besitzt das schnell strömende Gas,die Tendenz, sie aufgrund des aerodynamischen Widerstandes zu beschleunigen. Aufgrund der viel größeren Dichte der Flüssigkeit sind diese aerodynamischen Kräfte jedoch nicht ausreichend, und allmählich ballen sich die Flüssigkeitskügelchen zusammen und beginnen, die Strömung zu blockieren. Dies verursacht einen vorüberjgehenden Aufstau in dem Gasversorgungsdruck, da das Gas mit einem konstanten Durchfluß geliefert wird. Schließlich drückt das Gas die Flüssigkeitsansammlung vor sich her und verursacht auf diese Weise ein "Schlagen". Dieser Vorgang wiederholt sich dann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen Mischer einfacher Konstruktion zu schaffen, in welchem die Geschwindigkeit oder der Impuls der Flüssigkeit vergrößert wird, bevor sich die Flüssigkeit mit dem Gas vereinigt und in welchem ein hohes Maß an enger Durchmischung bei der Vereinigung der zwei Phasen gestattet wird, so daß eine kontinuierliche homogene Mischung erzeugt wird und daß der Effekt des "Schiagens" über einen weiten Bereich von Durchflüssen und von-Gas-Flüssigkeits-Verhältnissen vermieden wird.

Der erfindungsgemäße Gas-Flüssigkeits-Mischer zeichnet sich dadurch aus, daß ein innerer Kanal vorgesehen ist, welcher einen Einlauf zur Verbindung mit einer Flüssigkeitsquelle und einen Auslaß für den Austritt des Gas-Flüssigkeits-Gemisches aufweist, daß weiterhin ein äußerer Kanal vorhanden ist, welcher den inneren Kanal umgibt und mit demselben eine Kammer festlegt, daß der äußere Kanal einen Einlauf für ein Gas besitzt, daß der innere Kanal Öffnungen hat, welche Durchgänge für ein Gas aus der Kammer in den inneren Kanal darstellen, daß ein langgestrecktes konisches Glied vorhanden ist, welches stromaufwärts konvergiert und innerhalb des inneren

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Kanals angeordnet und den öffnungen unterworfen ist, daß das konische Glied einen vorgegebenen derartigen .Abstand zum inneren Kanal aufweist, daß eine Flüssigkeit im inneren Kanal im Bereich der öffnungen mit erhöhter Geschwindigkeit strömt und daß ein Gas, welches in den inneren Kanal durch die öffnungen eintritt, homogen mit der Flüssigkeit gemischt wird.

In der bevorzugten Ausführungsform besitzt das konische Glied einen Längsabschnitt von gleichförmigem Querschnitt im Bereich der Öffnungen.

Vorzugsweise sind eine Vielzahl von Abstands-Ansätzen zwisehen dem konischen Glied und dem inneren Kanal zur Positionierung des konischen Gliedes vorgesehen.

Die bevorzugte Anwendung des Mischers erfolgt in einem nebelgekühlten, bzw. dampfgekühlten Kernreaktor, in welchem ein stromabwärtiges Ende des konischen Gliedes sich koaxial zu einem Brennstab erstreckt.

In einer weiteren Ausführungsform ist das konische Glied axial bewegbar, und der innere Kanal und die konischen Glieder besitzen komplementäre konische Abschnitte im Bereich der öffnungen derart, daß eine axiale Verlagerung ä des konischen Gliedes den Abstand zwischen dem kaischen Glied und dem inneren Kanal verändert.

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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführung sform und

Fig. 2 einen Querschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsfοrm.

Gemäß der Darstellung in der Fig. 1 umfaßt die Vorrichtung einen inneren Kanal 1, welcher einen Einlauf 2 zur Verbindung mit einer Flüssigkeitsquelle aufweist und einen Auslaß 3 für den Gemisch-Austritt besitzt. Ein äußerer Kanal 5 umgibt den inneren Kanal 1, so daß die Kammer 6 festgelegt wird. Der äußere Kanal besitzt einen Einlauf 7 zur Verbindung mit einer Gasquelle. Um den inneren Kanal herum sind Öffnungen angeordnet, welche Durchgänge für ein Gas von der Kammer 6 in den inneren Kanal 1 darstellen.

Innerhalb des inneren Kanals 1 ist ein den Öffnungen 4- unterworfenes langgestrecktes konisches Glied 8 angeordnet. Das konische Glied konvergiert stromaufwärts gegen den Einlauf Im Bereich der Öffnungen M- besitzt das konische Glied einen langgestreckten Abschnitt von gleichförmiger Querschnittsfläche. Das konische Glied 8 wird innerhalb des inneren Kanals durch auf dem Umfang angeordnete Abstandsansätze 9 und 10 in seiner Lage gehalten und legt innerhalb des inneren Kanals 1 einen ringförmigen Abstand 11 fest.

Wenn eine Flüssigkeit im inneren Kanal 1 fließt, wird sie auf eine viel größere Geschwindigkeit beschleunigt, während sie an dem konischen Glied 8 entlang fließt. Die Geschwindigkeitszunahme resultiert aus der reduzierten Querschnittsflache für den Durchfluß. Während die Flüssigkeit an dem konischen Glied 8 entlang fließt, nimmt sie die Form einer eich schnell bewegenden, dünnen ringförmigen Schicht an,

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welche mit der erforderlichen Geschwindigkeit oder dem erforderlichen Impuls ausgestattet wird, um nachfolgend ihren Platz in der gemischten Strömung einzunehmen, ohne die Durchführungen zu verstopfen.

Die Mischung erfolgt, wenn das Gas in Strahlen durch die · Öffnungen strömt, indem es auf die Flüssigkeitsschicht auftrifft. Die Gasstrahlen brechen die Flüssigkeitsschicht auf, reduzieren dabei die Querschnittsfläche des Durchflusses noch weiter, indem sie eine weitere Zunahme der Flüssigkeitsgeschwindigkeit verursachen und dabei eine enge Durchmischung der zwei Phasen bewirken, wobei jede "

Komponente die gleiche lineare Geschwindigkeit besitzt.

Die Beschleunigung des Gases mit seiner verhältnismäßig geringen Dichte, verglichen mit der Flüssigkeit, stellt kein Problem dar. Es wird leicht durch? die mit hoher Geschwindigkeit strömende Flüssigkeit nach dem Eintreten in die dünne Flüssigkeitsschicht mitfortgerissen.

Nachfolgend wird ein Beispiel der tatsächlichen Abmessungen einer Mischvorrichtung angegeben, welche Luft und VTaaser verwendet. Der innere Kanal 1 war ein Rohr mit einem Innendurchmesser von 38,1 mm (1 1/2 inch). Die Größe M des äußeren Kanals ist nicht kritisch, und es wurde ein Innendurchmesser von 76,2 mm (3 inch.) gewählt. Die Durchflüsse wurden zu 3180 kg/h (7000 lbe/hr) Wasser und 113 kg/h (250 lbs/hr) Luft gewählt. Der Mischer wurde verwendet, um eine Kreisringfläche von 19»0 mm (3/4 inch) Innendurchmtsser und 31,7 mm (1 1/4 inch) Au£endurchm*0i*7 zu speietn. Sas Verhältnis ddr tu speisenden Fläche sur ringförmigtu freien Fläche betrug 0,6» und daa Verhältnis des Durchats-

sers des konischen Gliedes zum Innendurchmesser des inneren Kanals betrug 0,875. Wenn die Geschwindigkeit des Wassers bei den öffnungen gleich der Geschwindigkeit der homogenen

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Gas-Flüssigkeits-Mischung nach dem Mischen sein sollte, riilßte der· berechnete ringförmige Abstand 11 zwischen dem konischen Glied und dem Inneren Kanal 0,48 mm (0,019") betragen. In der Praxis hat sich ergeben, daß ein so geringer Abstand einen hohen Druckabfall zwischen dem Luftzugabe-Einlauf und dem Auslaß des Mischers verursacht. Es hat sich jedoch gezeigt, daß mit einem größeren ringförmigen Abstand und einem wesentlich geringeren Druckabfall ein hohes Maß an Homogenität erreicht werden konnte, und zwar ohne "Schlagen", Ein Abstand von 2,54- mm (0.100") hat sich als zufriedens-feLlend erwiesen. Es scheint so zu sein, daß dann, wenn die ringförmige Wasserschicht die Lufteinlaßöffnungen erreicht, die wirksame äflache des Wassers durch die eintretende Luft weiter reduziert wird, so daß dadurch die Geschwindigkeit des Wassers sich der erforderlichen kombinierten Luft-Wasser-Geschwindigkeit beim Austritt aus der Mischungszone nähert.

Es wurde festgestellt, daß die obengenannte Konstruktion flir einen verhältnismäßig großen Bereich von Durchflußbedingungen einwandfrei arbeitet. Der Wasserdurchfluß wurde von 1360 bis 3180 kgA (3000 bis 7000 lbs/hr) variiert. Der Wasserdruck lag bei 5,98 atü (85 psig) oder darunter, und zwar bei einer Wassertemperatur von ungefähr 35⁰O (95⁰ Der LuftdurchXluö wurde von 22,7 bia 227 kg/h (50 bis 500 lbs/hr) variiert, bei einem Druck von 6,33 atü (90 psig) oder geringer und bei einer Lufttemperatur von etwa 26,7°C (60⁰F). Der Auetrittedruck und die Auetrittstemperatur betrugen etwa 4,22 atü (60 »ei«) und 32,2⁰O (90⁰F).

für Flüssigkeiten und Gee· ait bedeutend verschiedenen Dichten und für beträchtlich verschiedene Durchflüsse kann der Ringabetand ebenso wie andere Abmessungen möglicherweise modifiziert werden müssen.

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Das Hauptkriterium für den Entwurf des Mischers, um eine homogene Mischung zu erreichen, besteht darin, den ringförmigen Abstand, bzw. den Eingabstand 11 hinreichend klein zu gestalten, so daß die Flüssigkeit eine ausreichende Geschwindigkeit erreicht, um ihre Lage in der Gas-Flüssigkeits-Mischung einzunehmen. Gleichzeitig muß der zusätzlichen Reduzierung der Strömungsfläche Beachtung geschenkt werden und somit der Geschwindigkeitszunahme als Ergebnis des in den Eingspalt eintretenden Gases.

Die für die Ausführungsform der Fig. 1 vorgesehene Anwendung besteht in einer Einlaufdüse für nebelgekühlte Reaktorkanäle und insbesondere für einen einzelnen Stabkanal. Die durch das konische Glied 8 erzeugte ringförmige Schichtkonfiguration der Mischung würde über den Auslaß hinaus aufrechterhalten bleiben, um an demBrennstoffstab entlang und larum herum zu strömen, üb ist ersichtlich, daß dieser Entwurf, bzw. diese Konstruktion so modifiziert werden könnten, am für VieIfach-Stabanordnungen oder Stabbündel geeignet zu sein.

Die Fig. 2 zeigt einen Mischer mit einstellbarem Abstand 31 zur Anwendung in solchen Fällen, in welchen große Durchfluß- ^ Veränderungen zu erwarten sind.

Die Abstandseinstellung erfolgt durch ein axial bewegbares konisches Glied 23, dessen konischer Teil 23 mit einer komplementären konischen Innenfläche des inneren Kanals Dei" 32 zusammenwirkt. Das konische Glied wird mittels eines Stabes 33 in seine Lage gebracht, und zwar derart, daß eine Verlagerung des konischen Gliedes in Strömungsrichtung den ringförmigen Abstand 31 vergrößert, während eine Verlage-

gegen- die Strömungsrichtung denselben verringert.

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In der Fig. 2 endet das konische Glied bei 34· vor dem Austritt, um eine Mischquelle von zylindrischer Konfiguration zu erzeugen, anstatt der ringförmigen in der Fig. 1.

Unter solchen Bedingungen, in welchen die Gasdurchflüsse verhältnismäßig groß sind, kann es wünschenswert sein, unmittelbar stromabwärts von den Gas eintritt so* ff nungen einen vergrößerten ringförmigen Abstand zu haben. Andern-^ falls muß die Mischung eine extrem hohe Geschwindigkeit annehmen, welche nachfolgend beim Erreichen des Bereiches zunehmender Strömungsfläche verlangsamt werden muß, so daß ein unnötiger Druckabfall erfolgt.

Obwohl in der vorliegenden Ausführungsform die Komponenten einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, ist offensichtlich, daß eine beliebige Querschnittsform verwendet werden kann.

Der Mischbereich kann beliebig verlängert sein, und zwar praktisch auf eine beliebige gewünschte Länge. Es können auch zusätzliche öffnungen für die Gasversorgung vorgesehen sein. So könnten die Gasstrahlen beliebig klein gestaltet werden, ohne den Gasdruck-Abfall zu vergrößern.

Es ist außerdem einzusehen, daß der äußere Kanal oder die Kammer eine Vielfalt von Formen annehmen können und nicht auf die dargestellte ringförmige Konfiguration beschränkt "sind.

Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung in Reaktoren beschränkt i sondern kann vielmehr zur Anwendung auf beliebige Verwendung gestaltet werden, wo immer eine kontinuierliche Gas-Flüssigkeits-Mischung erforderlich ist.

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Die Erfindung schafft einen kontinuierlich arbeitenden Gas-Flüssigkeits-Mischer einfacher Konstruktion mit einem inneren Kanal für eine Flüssigkeit, einem äußeren Kanal, welcher den inneren Kanal umgibt und eine ringförmige Kammer für ein Gas festlegt und mit einem langgestreckten konischen Glied im inneren Kanal zur Erhöhung der Geschwindigkeit der Flüssigkeit im Bereich der Öffnungen, durch welche Gas aus der ringförmigen Kammer in den inneren Kanal eintreten kann. Die Erhöhung der Geschwindigkeit der Flüssigkeit gestattet es, ihre Lage im endgültigen Gas-Flüssigkeits-Gemisch einzunehmen, ohne die Durchgange zu "blockieren. Diese Vorrichtung ist insbesondere für nebelgekühlte, bzw. dampfgekühlte Reaktoren geeignet, in welchen ein homogenes ringförmig geformtes Gas-Flüssigkeits-Gemisch erforderlich ist.

- Patentansprüche -

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Claims

Pat ent ansprüche

1„ Gas-Flüssigkeits-Mischvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein innerer Kanal vorgesehen ist, welcher einen Einlauf zur Verbindung mit einer Flüssigkeitsquelle und einen Auslaß für den Austritt des Gas-Flüssigkeits-Gemisches aufweist, daß weiterhin ein äußerer Kanal vorhanden ist, welcher den inneren Kanal umgibt und mit demselben eine Kammer festlegt, daß der äußere Kanal einen Einlauf für ein Gas besitzt, daß der innere Kanal öffnungen hat, welche Durchgänge für ein Gas aus der Kammer in den inneren Kanal darstellen, daß ein langgestrecktes konisches Glied vorhanden ist, welches stromaufwärts konvergiert und innerhalb des inneren Kanals angeordnet und den öffnungen unterworfen ist, daß das konische Glied einen vorgegebenen derartigen Abstand zum inneren Kanal aufweist, daß eine Flüssigkeit im inneren Kanal im Bereich der öffnungen mit erhöhter Geschwindigkeit strömt und daß ein Gas, welches in den inneren Kanal durch die öffnungen eintritt, homogen mit der Flüssigkeit gemischt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Vorrichtung in einem nebelgekühlten Thermreaktor angewendet wird und daß das stromabwärtige Ende des konischen Gliedes sich koaxial zu einem Brennstab erstreckt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennz eich net, daß das konische Glied einen Längsabschnitt mit gleichförmigem Querschnitt im Bereich der öffnungen aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch' 3, dadurch gekennzeich net, daß eineVielzahl von Abstands-Ansätzen zwischen den: konischen Glied und dem inneren Kanal zur Positionierung des konischen Gliedes angeordnet sind.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

ζ eichnet, daß das konische Glied axial bewegbar ist und daß der innere Kanal und das konische Glied komplementäre konische Abschnitte im Bereich der öffnung derart aufweisen, daß eine axiale Verlagerung des konischen Gliedes den Abstand zwischen dem konischen Glied und dem inneren Kanal ändert.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

ζ eichnet, daß der Abstand so gewählt ist, daß die Geschwindigkeit der Flüssigkeit vor der Mischung i

zumindest gleich der Geschwindigkeit der Gas-ITüssigkeits-Mischung am Auslaß ist.

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