DE2303826A1 - Verfahren und vorrichtung zum thermischen isolieren einer leitung - Google Patents

Description

y G r. υίί · η ir.i.₍ i^-iusdorfetr« 10

mo-2o.o87P 26.1.1973

Commissariat a I¹Energie Atomique, Paris 15^e (Prankreich)

Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Isolieren

einer Leitung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum thermischen Isolieren einer Leitung sowie auf zum Durchführen eines solchen Verfahrens geeignete Vorrichtungen.

Beim thermischen Isolieren von Leitungen mit großer lichter Weite, in denen ein Fluid unter Druck und bei erhöhter Temperatur strömen soll, ergeben sich häufig sehr schwierige Probleme. Um die Temperatur der Leitung selbst niedrig zu halten, ist es erforderlich, daß die entsprechende Wärmeisolierung auf der Innenseite der Leitung angeordnet wird. Unter diesen Umständen muß die Wärmeisolierung eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen, um eine Beschädigung infolge der hohen Temperatur, des erheblichen Druckes und der Strömungsgeschwindigkeit des in der Leitung strömenden

4lO-(β 43 98.3)DfF

309831/0533

Fluids zu vermeiden.

Ein solcher Fall liegt insbesondere bei den Leitungen vor, die bei einem Atomkernreaktor den den Reaktorkern aufnehmenden Behälter mit den primären Wärmetauschern verbinden. Das. in diesen Leitungen strömende Fluid kann nämlich bei manchen Reaktortypen eine Temperatur von mehr als 750°C annehmen, während die Leitung selbst nur eine Temperatur von höchstens6o°C annehmen soll.

Als warmedämmendes Material werden häufig Fasern aus Kieselerde verwendet. Dieses Material weist nun eine sehr geringe mechanische Festigkeit auf, so dai3 bei seiner Anordnung im Leitungsinneren ein kompliziertes System zu seinem Schütze insbesondere auf der dem heißen Fluid zugewandten Seite erforderlich wird. Außerdem läßt die^ Fluiddichtigkeit dieses Materials sehr zu wünschen übrig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, der zu'einer thermischen Isolierung von Leitungen führt, die von den oben erwähnten Nachteilen der bekannten Ausführungen frei ist und insbesondere eine ausreichende mechanische Festigkeit und Fluiddichtigkeit aufweist.

In Lösung dieser AuCgabe ist ein verfahren zum thermischen Isolieren einer Leitung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in die zu isolierende Leitung ein zylindrischer Kranz aus einem keramischen Material mit einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, einer hohen Elastizitätsgrenze für Druckbeanspruchung und einem geringen Wärmeleitunyigskoeffizienten eingeführt wird, der auf seinem

3098 3 1/053 3

Außenumfang in radialer Richtung entspannbare elastische Blöcke trägt, und daß diese elastischen Blöcke bei der Einführung des Kranzes in die Leitung mit Hilfe lösbarer mechanischer Halteorgane auf den Kranz zu zusammengepreßt und nach der Einbringung des Kranzes an seinen Platz in der Leitung unter Lösen der mechanischen Halteorgane freigegeben werden, so daß sie sich unter Druck an die Innenseite der Leitung anlegen und den Kranz darin festhalten und zentrieren.

Mit anderen Worten ausgedrückt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Leitung dadurch gegenüber ihrem Inneren thermisch isoliert, daß in das Leitungsinnere Kränze aus isolierendem Keramikmaterial eingeführt werden. Diese' Kränze werden im Inneren der zu isolierenden Leitung zentriert und festgehalten durch elastische Blöcke, die im Zeitpunkt der Einführung des betreffenden Kranzes in das Leitungsinnere gegen die Außenseite des Kranzes ange.drückt und nach der Verbringung des Kranzes an seinen Platz im Leitungsinneren freigegeben werden. Diese elastischen Blöcke stützen .sich dann einerseits auf der Innenseite der Leitung und andererseits auf der Außenseite des isolierenden Kranzes ab, wobei sie gleichzeitig die Zentrierung und die Halterung des jeweiligen Kranzes im Inneren der zu isolierenden Leitung übernehmen.

Bei einer bevorzugten AusfuhrungsVariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird so vorgegangen, daß die lösbaren mechanischen Halteorgane nach der Einbringung des Kranzes in die Leitung durch radiale Bohrungen im Kranz hindurch entfernt und anschließend diese Bohrungen mit einem Zement verschlossen werden, der in seiner Zusammensetzung dem den

309831/0533

Kranz bildenden keramischen Material im wesentlichen entspricht. Auf diese Weise ergibt sich die erforderliche Dichtigkeit der verschiedenen Kränze.

Eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugte Vorrichtung kennzeichnet sich durch einen einen von Fluid durchströmbaren zentralen Hohlraum aufweisenden, zylindrischen Kranz aus einem keramischen Material mit einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, einer hohen Elastizitätsgrenze für Druckbeanspruchung und einem geringen Wärmeleitungskoeffizienten und durch auf dem Außenumfang des Kranzes längs mindestens eines Umkreises davon verteilt angeordnete, elastische Blöcke, von denen jeder durch ein lösbar damit verbundenes, durch den Kranz in radialer Richtung hindurchgehendes Halte organ an der Außenseite des Kranzes zusammengedrückt ist.

Bei bevorzugten Ausführungsformen für eine solche Vorrichtung können die elastischen Blöcke aus Spiralfedern, aus Stapeln von Federscheiben in kal^ottenförmiger Ausbildung, .aus leicht gekrümmten Blattfedern oder auch aus Stapeln bestehen, in denen Lamellen aus Stahl und Platten aus Kautschuk oder elastisch nachgiebigem Kunststoff alterniere^nd aufeinanderfolgen.

Die Halteorgane für das Anpressen der elastischen Blöcke an die Keramikkränze können mit Vorteil aus durch die betreffenden Kränze hindurchgehenden Gewindestangen bestehen, die an ihrem nach außen austretenden freien Ende in Stützglieder eingeschraubt sind, die auf der Außenseite der jeweiligen elastischen Blocke zur Anlage kommen. In dem Falle, daß die elastischen Blöcke aus Stapeln von Lamellen bestehen, können die Halteorgane zur Festlegung der elastischen

309831/OS33

Blöcke statt auf der Außenseite eines einzelnen elastischen Blockes auch an den einander zugewandten Enden zweier benachbarter elastischer Blöcke zur Anlage kommen.

Für die weitere Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Zeichnung bezug genommen, in der einige bevorzugte Ausführungsbeispiele für die Erfindung veranschaulicht sind. Dabei zeigen in der Zeichnung:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem die elastischen Blöcke aus Blattfedern aus Metall aufgebaut sind;

Fig. 1' eine Einzelheit eines Halteorgans für das Aufpressen eines elastischen Blockes auf den Keramikkranz bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. Ij

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit aus metallischen Blattfedern aufgebauten elastischen Blöcken;

Fig. 3 eine Einzelheit für die Befestigung der elastischen Blöcke von Fig.2 auf den jeweiligen Keramikkränzen

und
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau einer erfindungsgemäß ausgebildeten thermischen Isolierung für ein längeres Leitungsstück.

Das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäß ausgebildete Wärmeisolierung ist in einem längs einer zur Achse der zu isolierenden Leitung senkrechten Ebene geführten Schnitt gezeigt, und man erkennt einen Kranz 2 aus keramischem Material, ein Teilstück der zu isolierenden Leitung 4 und einen elastischen Block 6.

309831/0533

Dieser elastische Block 6 besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Stapel von leicht gebogenen metallischen Blattfedern 8, die alle zusammen eine Feder bilden.'Dabeljist die vom Kranz 2 am weitesten entfernte metallische Blattfeder 8¹ fest mit einem massiven Bauteil verbunden, das auf seiner der Leitung 4 zugewandten Seite eine Anlagefläche 12 aufweist und sich auf den Kranz 2 zu in einer Muffe i4 fortsetzt, die durch die weiteren metallischen Blattfedern 8 in Bohrungen 16 hindurchgeht und ihrerseits eine längs ihrer Achse eingearbeitete Gewindebohrung 18 aufweist, die nach dem Kranz 2 zu offen ist. Im Augenblick der Einführung des Kranzes 2 und des elastischen Blockes 6 in die Leitung 4 wird dieser elastische Block 6 mit Hilfe einer Stange 20 auf dem Kranz 2 zusammengepreßt. Diese Stange 20, die an beiden Enden mit Gewinden versehen ist, geht durch den Kranz 2 in einer eingearbeiteten Bohrung 22 hindurch und weist die gleiche Achse auf wie die Gewindebohrung 18 in der Muffe 14. Mit ihrem einen Ende ist die Stange 20 in die Gewindebohrung 18 in der Muffe eingeschraubt, und auf ihr anderes mit Gewinde versehenes Ende ist eine Mutteri'24 aufgeschraubt, die ihrerseits auf eine Scheibe 26 drückt, die an der Innenseite des Kranzes anliegt. Die metallischen Blattfedern 8 können mit Vorteil an ihren Rändern mit Einschnitten 28 versehen sein, um nach Abnahme der Stange PO ein gegenseitiges Gleiten der einzelnen Blattfedern 8 relativ zueinander zu verhindern, und der Kranz 2 kann mit einer Abflachung j50 oder einer Gleitplatte versehen sein, um eine Verschiebung des gesamten elastischen Blockes 6 gegenüber dem Kranz 2 nach der Entfernung der Stange 2C zu vermeiden. Außerdem kann die Bohrung 22 mit einer Erweiterungskammer ^2 versehen sein, die einer zum Verschließen der Bohrung 22 dienenden Zementfüllung besseren

309831 /0533

Halt verleiht.

In Fig. 1 ist zwar nur ein einziger elastischer Block gezeigt, jedoch versteht es sich von selbst, daß die gesamte Vorrichtung eine Mehrzahl solcher elastischer Blöcke auf v/eist, die gleichmäßig über den Umfang des Kranzes 2 verteilt angeordnet sind. Außerdem können bei entsprechender Länge des Kranzes 2 mehrere solcher Gürtel aus elastischen Blöcken 6 vorgesehen sein. Die Anzahl der einer, elastischen Block 6 bildenden elastischen Blattfedern 8 hängt selbstverständlich von dem Raum ab, der zwischen dem Krr" ΐ 2 einerseits und der Wand der Leitung 4 andererseits verfügbar ist. Außerdem können zur Kompensation einer etwaigen Abweichung der lichten Vielte der Leitung 4 von einer strengen Kreisform die verschieden elastischen Blöcke 6 auf ein und demselben Umkreis des Kranzes 2 mit einer unterschiedlichen Anzahl von Blattfedern 8 ausgestattet sein. Das gleiche Ergebnis läßt sich auch dadurch erhalten, daß zwischen die Innenseite der leitung 4 und die Anlagefläehe des elastischen Blockes 6 ein Keil eingeschoben wird.

Bei einer Ausführungsvariante können die ebenen metallischen Blattfedern 8 durch Metall-Lamellen in Form von Kugelkalotten oder durch kegeIstumpfförmige Blattfedern ersetztwerden. Unter geringer Abwandlung der Halteanordnung lassen sich anstelle .der ebenen Blattfedern 8 auch Spiralfedern verwenden.

In Fig. 2 ist in einerjFig. 1 entsprechenden Schnittdarstellung eine Ausführungsvariante für die Montage der elastischen Blöcke veranschaulicht. Dabei- sind mehrere elastische Blöcke 6, 6', 6" dargestellt, die jeweils aus

309831/0533

ebenen Blattfedern 8 bestehen. Bei diesem Aufbau wird der elastische Block 6' durch zwei massive Bauteile lOa' und 10b' auf dem Kranz 2 zusammengedrückt, wobei diese beiden massiven Bauteile lOa' und 10b' in gleicher Weise auch auf die dem elastischen Block 6' benachbarten elastischen Blöcke 6 bzw. 6" drücken. Die massiven Bauteile lOa' und 10b¹, von denen das Bauteil 10a' in Fig. 3 im einzelnen dargestellt ist, weisen außer Anlageflächen 12' jeweils zwei Stützflügel 34 und 34' auf, mit denen sie an der Außenseite der jeweils obersten metallischen Blattfeder 8' der elastischen Blöcke 6, 6' und 6" zur Anlage kommen können." Außerdem sind die Bauteile 10a' und 10b' jeweils mit zwei Rippen 36 und 36' versehen, die parallel zur Achse der Leitung 4 verlaufen und als Verbindungselemente für die verbindung einer Muffe 14' mit dem jeweiligen massiven Bauteil 10a' bzw. 10b' dienen. Dank dieser Bippen 36 und 36¹ erfolgt die Einleitung der von einer Stange 20' übertragenen Zugkraft nicht punktförmig, sondern entlang der ganzen Länge der Rippen 36 und 36', wodurch eine' Verbiegung der Anlagefläche 12' verhindert wird. Die Befestigung des massiven Bauteils 10a' ist in Fig, 2 nur angedeutet, da sie grundsätzlich in der gleichen Weise erfolgt, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 im einzelnen veranschaulicht ist. So geht die Stange 20' durch eine in den Kranz 2 eingearbeitete Bohrung 22' hindurch, und auf ihr freies Ende im Inneren des Kranzes 2 ist eine Mutter 24' aufgeschraubt.

In Fig. 4 ist als Ausführungsbeispiel für die Erfindung eine den Kern eines Atomkernreaktors 40 mit äußeren Wärmetauschern 38 verbindende Leitung 42 dargestellt, deren Wandung in erfindungsgemäßer Weise gegenüber ihrem inneren Hohlraum

309831/0533

thermisch isoliert ist. Die dargestellte Leitung 42 geht durch einen Reaktorbehälter 44 aus Spannbeton hindurch, der mit einer metallischen Auskleidung 46 versehen ist, die beidem dargestellten Ausführungsbeispiel mit Hilfe von Umlaufleitungen 48 für Wasser auf einer Temperatur von etwa 6O°C gehalten wird.

Auf der den Wärmetauschern 38 zugewandten Seite ist die metallische Auskleidung 46 mit einer üblichen Wärmeisolierung 50 abgedeckt. Auf der dem Reaktorkern 40 zugewandten Seite¹ ist die metallische Auskleidung 46 ebenfalls mit einer üblichen Wärmeisolierung 52 abgedeckt, und die Auskleidung 46 dient dort dem Schütze eines Ringraumes 54, der den Reaktorkern 4o umgibt, wobei sich dieser Reaktokern 40 seinerseits wiederum im Inneren eines Behälters mit einer Wand 56 aus Graphit und Stahl befindet.

Der Ringraüm 54, der ein heißes Kühlmittel enthält, dessen Temperatur bsi 30O⁰C liegt und dessen Druck den des in der Leitung 42 strömenden heißen Kühlmittels geringfügig übersteigt, wird an seinem unteren Ende durch einen Block 58 aus feuerfester Keramik begrenzt.

Im Inneren der Leitung 42 sind eine Anzahl von Kränzen 2a, 2b, 2c aus keramischem Material angeordnet, jeder dieser Kränze 2a, 2b,2c weist entlang zweier Umkreise elastische Blöcke 6 auf, von denen in Pig. 4 nur die elastischen Blöcke 6a¹ und 6a" für den Kranz 2a mit Bezugszeichen versehen sind. Alle diese elastischen Blöcke sind von der gleichen Bauart, wie sie oben erläutert ist, und sollen daher hier nicht mehr im einzelnen beschrieben werden. Jeweils zwischen den aus den elastischen Blöcken 6 gebildeten

309831 /0B33

Umkreisen sind die Kränze 2a, 2b, 2c mit Dichtungen βθ versehen. Diese Dichtungen 60 können aus einem oder mehreren O-Ringen aus Metall oder aus durch Einführung von Fluid unter Druck aufblähbaren hohlen Schläuchen bestehen, und sie dienen nicht nur der axialen Abdichtung der Kränze 2a, 2b, 2c in der Leitung 42, sondern auch als Dämpfungskeile, die sich etwaigen Schwingungen der elastischen Blöcke 6 unter der Einwirkung des in der Leitung 42 strömenden Fluids widersetzen.

Der dem Reaktorkern 40 nächste Kranz 2a ist in eine Schulter 62 des Blockes 58 aus feuerfestem Material eingeschoben. Zur Erzielung einer besseren Abdichtung ist in Hohlkehlen'64 und 64' im Block 58 bzw. im Kranz 2a eine metallische Dichtung in Form eines O-Ringes 66 eingelegt. In gleicher Weise sind auch zwischen die aufeinanderfolgenden Ringe 2a , 2b und 2c gleiche Dichtungsringe 68 eingelegt.

Die Vorteile der dargestellten Vorrichtung ergeben sich aus der Zeichnung ohne weiteres. So ist diese Vorrichtung in erster Linie von extremer Einfachheit. Außerdem wird die Einführung der Isolationselemente sehr erleichtert, da bei der Einführung dieser Elemente die elastischen Blöcke auf den Keramikkränzen zusammengedrückt sind und daher gegenüber der Leitung ein erhebliches Spiel besteht. Außerdem sind die Stangen 22 vom Inneren der Leitung 42 her leicht zugänglich, so daß sich die Einbringung der gesamten Isoliervorrichtung sehr einfach gestaltet.

Wenn man für den Aufbau der elastischen Blöcke beispielsweise Lamellen aus Stahl verwendet, die eine zulässige Spannung von 42 - h bar aufweisen, und auf den Keramikkranz

309831/0533

- ii -

einen radialen Druck von 2 bar ausüben will, so ergibt sich, daß das Verhältnis zwischen der Länge der Lamellen und ihrer Dicke etwa gleich 40 sein muß. Wählt man als eine solche Lamelle aus Stahl ein Parallelepiped von 8 χ JOO χ 100 mm, so ergibt sieh ein Arm von 4 mm je Lamelle, und die auf die Gewindestange im Augenblick der Einführung des Kranzes in die Leitung auszuübende Kraft liegt in der Größenordnung von 600 kp. Es genügt daher, der Gewindestange einen Durchmesser von 10 mm zu geben, um eine ausreichende Sicherheit zu gewährleisten.

309831/0533

Claims (10)

Patentansprüche

1.] Verfahren zum thermischen Isolieren einer Leitung, Jadurch gekennzeichnet, daß in die zu isolierende Leitung ein zylindrische Kranz aus einem keramischen Material mit einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, einer hohen Elastizitätsgrenze für Druckbeanspruchung und^inern geringen Wärmeleitungskoeffizienten eingeführt wird, der auf seinem Außenumfang in radialer Richtung entspannbare elastische Blöcke trägt, und daß diese elastischen Blöcke bei der Einführung des Kranzes in die Leitung mit Hilfe lösbarer mechanischer Halteorgane auf den Kranz zu zusammengepreßt und nach der Einbringung des Kranzes an seinen Platz in der Leitung unter Lösen der mechanischen Halteorgane freigegeben werden, so daß sie sich unter Druck an die Innenseite der Leitung anlegen und den Kranz darin festhalten und zentrieren,

2, verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lösbaren mechanischen Halteorgane nach der Einbringung des Kranzes in die Leitung durch radiale Bohrungen im Kranz hindurch entfernt und anschließend diese Bohrungen mit' einem Zement verschlossenWerden, der in seiner Zusammensetzung dem den Kranz bildenden keramischen Material im wesentlichen entspricht.

3, Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch oder 2, gekennzeichnet durch einen einen von Fluid durchströmbaren zentralen Hohlraum aufweisenden, zylindrischen Kranz(2, 2a, 2b, 2c) aus einem keramischen Material mit einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, einer hohen Elastizitätsgrenze für Druckbeanspruchung und einem

309831/0 5 33

geringen Wärmeleitungskoeffizienten und durch auf dem Außenumfang des Kranzes längs mindestens eines Umkreises davon verteilt angeordnete elastische Blöcke (6, 6', 6", 6a', 6a"), von denen jeder durch ein lösbar damit verbundenes, durch den Kranz in radialer Richtung hindurchgehendes Halteorgan (20, 20' ) auf der Außenseite des Kranzes zusammengedrückt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder elastische Block (6) aus einem eine Feder bildenden Stapel aus mehreren leicht durchgebogenen elastischen Lamellen (8) besteht, von denen die vom Kranz (2) am weitesten entfernte Lamelle (8') in ihrem zentralen Teil ein massives Bauteil (10) aufweist, das mit einer in radialer Richtung zum Kranz verlaufenden Gewindebohrung (18) versehen ist, in die ein endseitiges Gewinde einer Stange (20) eingeschraubt ist, die durch eine zum massiven Bauteil gleichaehsige radiale Bohrung (22) im Kranz hindurchgeht und auf deren anderes Ende eine an der Innenseite des Kranzes zur Anlage kommende Mutter (24) aufgeschraubt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet,

daß jeder elastische Block (6) aus einem eine Feder bildenden Stapel aus mehreren leicht durchgebogenen elastischen Lamellen (8) und jedes Halteorgan aus einem massiven Bauteil (10') besteht,das zwei randseitige Flügel (34 und J4¹ ) aufweist, die an einander zugewandten Enden zweier auf dem gleichen Umkreis des Kranzes (2) angeordneter benachbarter elastischer Blöcke zur Anlage kommen, und außerdem eine in radialer Richtung zum Kranz verlaufende Gewindebohrung (iß) aufweist, in die ein mit Gewinde versehenes Ende einer Stange (20') eingeschraubt ist, die durch eine zur Bohrung im

309831/0533

massiven Bauteil gleichachsige radiale Bohrung (22*) im Kranz hindurchgeht und auf deren anderes Ende eine an der Innenseite des Kranzes zur Anlage kommende Mutter (2V) aufgeschraubt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß jeder elastische Block (6) aus einer Spiralfeder besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß jeder elastische Block (6) aus einem Stapel aus Federlamellen in Form einer Kugelkalotte besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch ~5,dadurch gekennzeichnet, daß jeder elastische Block (6) aus einem Stapel aus Federlamellen von kegelstumpfförmiger Gestalt besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3>dadurch gekennzeichnet, daß jeder elastische Block (6) aus einem Stapel aus alternierend aufeinanderfolgenden Metall-Lamellen und Kautschukplatten besteht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9* dadurch gekennzeichnet, daß um den Kranz (2) aus keramischem Material eine deformierbare metallische Dichtung (βΟ) von ovalem Querschnitt herumgelegt ist, die der Abdichtung zwischen dem Kranz und der Innenwand der zu/iäölierenden Leitung (42) dient. ,__

309831/0533