DE2255699A1

DE2255699A1 - Brennelement fuer einen reaktor

Info

Publication number: DE2255699A1
Application number: DE2255699A
Authority: DE
Inventors: Mario Dalle Dipl Ing Dr Donne; Ekkehard Dipl Ing Dr Meerwald
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1972-11-14
Filing date: 1972-11-14
Publication date: 1974-05-16
Also published as: GB1441154A; FR2206561B1; FR2206561A1; US3930941A; JPS50111495A

Description

GESELLSCHAFT FÜR Karlsruhe, den 3o. Oktober 1972

KERNFORSCHUNG MBH PLA 72/61 Ga/sz

Brennelement für einen Reaktor

Die Erfindung betrifft ein Brennelement für einen Reaktor, insbesondere für einen gasgekühlten Kernreaktor, mit Rauhigkeitseiententen auf der Hüllrohroberfläche zur Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen dieser und dem sie umströmenden Kühlmittel.

Es ist bekannt (Proceedings of the 1970 Heat Transfer and Fluid Mechanics Institute, Stanford, California, S. 354-370), daß durch Rauhigkeiten (Erhebungen auf einer Fläche, die nur die Grenzschicht einer Strömung beeinflussen) der Wärmeübergang zwischen der Hüllrohroberfläche eines Brennelementes und dem Kühlmittel verbessert werden kann. Gleichzeitig steigt aber bei dieser Maßnahme auch der Druckverlust im Kühlmittelkanal an.

Aus der o.g. Veröffentlichung und einer weiteren (Druckverlust und Wärmeübergang an glatten und rauhen Flächen, Externer Bericht 4/71-29, Kernforschungszentrum Karlsruhe) ist ebenfalls bekannt, daß jede Rauhigkeit durch eine bestimmte Größe, die sogenannte

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Rauhigkeitsfunktion, R (h ) gekennzeichnet ist. Unter "Rauhigkeitselement", werden Erhebungen auf einer Fläche verstanden, die nur die Grenzschicht der Kühlmittelströmung beeinflussen; das bedeutet, daß das Verhältnis ■■—■ Höhe der Rauhigkeit zu hydraulischem Durchmesser - kleiner als 0.02 sein soll. Durch Kenntnis dieser Rauhigkeitsfunktion kann für eine, definierte Rauhigkeit der Reibungsbeiwert einer bestimmten geometrischen Anordnung, z.B. ein Bündel von aufgerauhten Stäben, wie es in einem gasgekühlten Reaktor zur Anwendung kommt, berechnet werden.

Aus diesen Veröffentlichungen ist ebenfalls zu entnehmen, daß ein kleines R (h ) einen großen Reibungsbeiwert ergibt und gleiche zeitig die Wärmeübergangszahl ansteigt.

Da der Druckverlust direkt der Gebläseleistung proportional ist, ist für eine Gptimalisierung des,Kreislaufes eines gasgekühlten Reaktors das Verhältnis Wär'meübergangsverbesserung zu Druckverlusterhöhung maßgebend.

Die folgende Berechnung zeigt diese Verhältnisse deutlich. Es gelten folgende Begriffe und Größen:

Q = von den Brennelementstäben an das Kühlmedium übertragene Leistung

^T= Temperaturdifferenz Wand-Kühlmittel

m = Massendurchsatz

h = Wärmeübergangszahl

U = Umfang der Brennelementstäbe

L = Freier Querschnitt

γ = Dichte

cp - Spezifische Wärme

f = Reibungsbeiwert f = £ ρ h

L " 2 ^₂

4 F d, = hydraulischer Durchmesser =

ⁿ U

ü = mittlere Geschwindigkeit
^p= Druckverlust

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. Δ ρ

Pumpleistung Np _ _ . Δ Ρ (1)

Aus der Definition der St-Zahl

st « ^Nu

und der Wärmeübergangszahl

Re · Pr ep < m (3)

U-L Άτ (4)

F St U-IMT · cp

Wird Gleichung (5) in Gleichung (2) eingesetzt, so folgt die Beziehungt

Np = Q³ . ΐ .JL . _JL_ , JL (6)

2 J² -cp² 4T³ U². L² St³

■— 3 —

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Bei vorgegebener Leistung des Reaktors (Q), Kühlmittel (ρ , ep) , Temperaturdifferenz (AT) und Abmessungen der Brennstäbe (U^L) ist die Pumpleistung

Np ~ _i_ (7)

St

Das bedeutet, daß diejenige Rauhigkeit optimal ist, die ein möglichst kleines Verhältnis von f/St liefert. Es ist: üblich, die Werte für Reibungsbeiwert f und Wärmeübergangsverhältnis St auf die entsprechenden Werte (d.h. bei gleicher Re-Zahl) bei glatter Oberfläche zu beziehen. Man erhält dann immer direkt den Faktor, um den sich beide Größen verändert haben.

Normalerweise bestehen die Rauhigkeitselemente aus umlaufenden Rippen, die durch spanabhebende Bearbeitung der Rohre hergestellt werden. Die Wärmeübergangsverbesserung und die Erhöhung des Druckverlustes hängt vom Abstand zu Höhe-Verhältnis der Rauhigkeit ab, wobei das Optimum bei P/h =7-10 (P-= Abstand der Rauhigkeitselemente, h = Höhe der!Rauhigkeit) liegt. Für diese Rauhigkeitsform ergibt sich der minimalste Rauhigkeitsparameter R (h ) zu 3.0.

Bei Rauhigkeitselementen ergibt sich - lokal gesehen - an der Änströmkante einer Erhebung ein sehr steiler Anstieg der örtlichen Wärmeübergangszahl; nach Messungen durch Massentransport kann die lokale Erhöhung des Wärmeübergangs bis zu 3 mal größer sein als die mittlere. Andererseits sinkt die lokale Wärmeübergangszahl direkt hinter einer Erhebung im sogenannten "Totwassergebiet" stark ab, um nach einem gewissen Abstand (etwa 4 mal der Höhe) durch die von der Rippe erzeugten Wirbel wieder anzusteigen. Durch diese beiden gegenläufigen Effekte wird die Wärmeübergangszahl erst bei größeren Rippenabständen wesentlich verbessert.

Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, die Anzahl der Anströrakanten möglichst groß zu machen und gleichzeitig zu verhindern, daß sich hinter jeder Rippe große "Totwassergebiete" bilden.

4 O 9 8 2~0 / O G 3 A

Die Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß auf der Hüllrohroberfläche quer zur Achsenrichtung Rippenreihen aus einzelnen Rippen angeordnet sind und daß die Rippen nebeneinanderliegender Rippenreihen gegeneinander versetzt sind.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Abstand zwischen den Rippenreihen 'gleich dem doppelten der Höhe der einzelnen Rippen und der Abstand zur in der gleichen Mantellinie liegenden Rippe einer anderen Rippenreihe gleich dem vierfachen der Höhe der einzelnen Rippen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann der seitliche freie Abstand der Rippen einer Rippenreihe kleiner oder gleich sein der Länge der Rippen. Die Rippen selbst können Kreisringsegmente von quadratischem, rechteckigem oder trapezförmigem Querschnitt sein, oder die Rippen stellen Kreisringsegmente rhombischer Form dar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Äusführungsbeispiels mittels der Figuren 1 bis 5 näher erläutert, wobei in den Figuren 1 und 2 ein Teil eines Brennelementes und· in den Figuren 3 bis 5 Meßergebnisse mit versetzten Rauhigkextselementen aufgezeichnet sind.

In Figur 1 ist ein Teil einer Hülloberfläche 1 eines Brennelementes 2 dargestellt. Auf der Oberfläche sind verschiedene Rippenreihen 3 quer zur Achsrichtung 4 des Brennelementes 2 aufgesetzt. Diese:'-Rippenreihen 3, (von denen nur zwei bezeichnet sind)) bestehen aus einzelnen Rippen 5 (nur vier Rippen, d.h. zwei Rippen pro Reihe bezeichnet) . Die einzelnen Rippen 5 sind Kreisringsegmente von quadratischem, rechteckigem oder trapezförmigem Querschnitt bzw. sie weisen rhombische Form auf. Die einzelnen Rippen 5 einzelner Rippenreihen 3 sind gegeneinander versetzt, d.h. über und unter einer Lücke einer von zwei Rippenreihen eingeschlossenen Rippenreihe befindet sich jeweils eine weitere !lippe, so daß ein mäanderförmiger Durchgang geschaffen ist. Es liegen aber jeweils die

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Rippen der jeweils übernächsten Rippenreihe auf einer Mantellinie des Brennelementes 2. Der Abstand χ (z.B. χ = 1,6 mm) zwischen den Rippenreihen 3 beträgt 2 mal der Rippenhöhe h (h = 0,8 nun) , so daß der freie Abstand zur nächsten in gleicher Ebene stehenden Rippe 4 mal der Höhe h wird. Die Breite b der Rippen 5 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 3 mm.

In Figur 2 ist ein Schnitt durch das Brennelement 2 dargestellt, wobei die einzelnen Rippen 5 einer Rippenreihe sichtbar werden. Der freie Abstand e der Rippen 5 ist in diesem Beispiel gleich 2,9 mm und damit etwas kleiner als die Rippenbreite b, die in diesem Ausführungsbeispiel 3,0 mm beträgt.

In Figur 3 ist der Rauhigkeitsparameter R (h ) über der sogenannten dimensionslosen Rauhigkeitshöhe h = h/d, * Re ·{ f/2 aufgetragen. Es sind zwei Kurven 6 und 7 aufgetragen, wobei die Kurve 7 ein Meßergebnis mit versetzten Rauhigkeiten und die Kurve 6 ein Meßergebnis mit den Werten p/h = 9,9 und h/b = 1,68 angibt. Es ist ersichtlich, daß wesentlich kleinere Werte von R"{h ) nach der Kurve 7 mit versetzten Rauhigkeiten erreicht werden.

Figur 4 zeigt aufgetragen die Verhältnisse St_R/St über f„/f der versetzten Rippen nach Kurve 8 im Vergleich zu umlaufenden Rippen mit verschiedenen Querschnitten. Es sind dies die Kurven 9 bis 13 mit den Werten von p/h = 9,9; 1O,O; 47,2; 8,0 und 4,1 und den Werten für h/b = 1,68; 1,0; 1,7; 2,45 und 1,55. Ausgeführt wurden diese Messungen in einem Stabbündel mit den Werten für p//d = 1#4;

5 -3 -3

Re ■ 10 ; f = 4,55 ♦ 10 und St_Q =2,8 · 10 . Es wird ersicht-

ligh, daß eine wesentliche Verbesserung der WärmeÜbergangszahl mit der erfindungsgemäßen Rauhigkeitsform erreicht wird.

In Figur 5 schließlich ist das Verhältnis (St_o/St )³/f_/f über

KO KO

i'/i aufgetragen. Es ist wiederum ein Stabbündel mit den gleichen Werten wie nach Figur 4 verwendet worden. Die Kurve 14 zeigt wieder Meßergebnisse mit den versetzten Rauhigkeitselementen nach der Erfindung, während die Kurven 15 bis 19 die Parameter p/h und h/b wie die Kurven 9 bis 13 nach Figur 4 aufweisen. Hier zeigt es sich besonders deutlich, daß die erfindungsgemäße Rauhigkeitsform optimale Ergebnisse liefert.

— 6 —

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Das untersuchte Stabbündel mit dem Brennelement 1 ist durch Funkenerosionen hergestellt worden. Es kann aber auch durch spanabhebende Bearbeitung als gegenläufiges Gewinde erzeugt werden* so daf? eine Rauhigkeitsform darstellbar ist, bei der die Stege keine rechteckige Form sondern eine Rhombenform haben.

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Claims

GESELLSCHAFT FÜR Karlsruhe, den 30. Oktober 1972 KERNFORSCHUNG MBIi c PLA 72/61 Ga/sz Patentansprüche:

1.) Brennelement für einen Reaktor, insbesondere für einen gasgekühlten Kernreaktor, mit Rauhigkeitselementen auf der Hüllrohroberfläche zur Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen dieser und dem sie umströmenden Kühlmittel, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Hüllrohroberfläche (1) quer zur Achsenrichtung (4) Rippenreihen (3) aus einzelnen Rippen (5) angeordnet sind und daß die Rippen (5) nebeneinanderliegender Rippenreihen (3) gegeneinander versetzt sind.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (x) zwischen den Rippenreihen (3) gleich dem doppelten der Höhe (h) der einzelnen Rippen und der Abstand zur in der gleichen Mantellinie liegenden Rippe einer anderen Rippenreihe gleich dem vierfachen der Höhe (h) der einzelnen Rippen (5) ist.

3. Brennelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der seitliche Abstand (e) der Rippen (5) einer Rippenreihe (3) kleiner oder gleich der Länge (d) der Rippen (5) ist.

4. Brennelement nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (5) Kreisringsegmente von quadratischem, rechteckigem oder trapezförmigem Querschnitt sind.

5. Brennelement nach Anspruch 1 oder einem der folgenden ausgenommen Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (5) Kreisringsegmente rhombischer Form sind.

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