DE2336278C2 - Gas / liquid separation unit - Google Patents
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Description
2. Trenneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der e^ste (42), zweite (52) und dritte Aufnahmering (62) mit aufeinanderfolgend größeren Innendurchmessern ausgebildet sind.2. Separation unit according to claim 1, characterized in that the e ^ ste (42), second (52) and third Receiving ring (62) are formed with successively larger inner diameters.
3. Trenneinheit nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des ersten Durchganges (43) zwischen dem ersten Wirbelrohr (32) und dem ersten Aufnahmering (42) größer ist als die Querschnittsfläche des zweiten Durchganges (53) zwischen dem zweiten Wirbelrohr (33) und dem zweiten Aufnahmering (52).3. Separation unit according to claims 1 and 2, characterized in that the cross-sectional area of the first passage (43) between the first vortex tube (32) and the first receiving ring (42) is larger than the cross-sectional area of the second passage (53) between the second vortex tube (33) and the second receiving ring (52).
4. Trenneinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des zweiten Durchganges (53) zwischen dem zweiten Wirbelrohr (33) und dem zweiten Aufnahmering (52) größer ist als die Querschnittsfläche des dritten Durchlasses (63) zwischen dem dritten Wirbelrohr (34) und dem dritten Aufnahmering (62).4. Separation unit according to claim 3, characterized in that the cross-sectional area of the second Passage (53) between the second vortex tube (33) and the second receiving ring (52) is larger as the cross-sectional area of the third passage (63) between the third vortex tube (34) and the third receiving ring (62).
5. Trenneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Auslaßkanal (444) das erste Wirbelrohr (32) umgibt und mit dem ersten Durchgang (43) zur Aufnahme des ersten Teils des Flüssigkeitswirbels in Verbindung steht, und daß in dem ersten Auslaßkanal (444) ein den Strömungsquerschnitt in diesem Kanal auf etwa 40 bis 80% des Strömungsquerschnitts zwischen dem ersten Wirbelrohr (32) und dem ersten Aufnahmering (42) verminderndes Teil (46) enthalten ist5. Separation unit according to claim 1, characterized in that a first outlet channel (444) is the first Surrounding vortex tube (32) and having the first passage (43) for receiving the first part of the Fluid vortex is in communication, and that in the first outlet channel (444) a the flow cross-section in this channel to about 40 to 80% of the Flow cross-section between the first vortex tube (32) and the first receiving ring (42) reducing part (46) is included
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gas/Flüssigkeits-Trenneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, wie sie beispielsweise in Kernreaktoren verwendet wird.The invention relates to a gas / liquid separation unit according to the preamble of claim 1, as used, for example, in nuclear reactors.
Eine Gas/Flüssigkeits-Trenneinheit der vorgenannten Art ist in der US-PS 36 03 062 beschrieben.A gas / liquid separation unit of the aforementioned type is described in US Pat. No. 3,6 03,062.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Trenneinheit dahingehend weiter zu verbessern, daß eine maximale Druckrückgewinnung und damit minimale Druckverluste ermöglicht werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.The invention is based on the object of further improving this separation unit to the effect that a maximum pressure recovery and thus minimum pressure losses are made possible. This task is achieved according to the invention by the characterizing part of claim 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.Advantageous embodiments can be found in the subclaims.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Trenneinheit gegenüber der bekannten Trenneinheit können wie folgt zusammengefaßt werden: Für eine Trenneinheit gegebener Größe wird die Dampfströmungskapazität für die gleichen Grenzen der Wasserübertragung und des Dampfgehaltes wenigstens 30% erhöht und die Trenneinheit hält einen zufriedenstellenden Betrieb über Erhöhungen der Einlaßqualität von wenigstens 30% aufrecht. Der geringere Durchmesser der erfindungsgemäßen Trenneinheit gestattet einen engeren Abstand der Einheiten auf einer Dampfkammer. Somit kann eine größere Anzahl von Einheiten auf einer Dampfkammer gegebener Größe untergebracht werden, wodurch sich der gesamte Druckabfall durch die Trenneinheit vermindert. Alternativ sorgt bei einem gegebenen Abstand der Trenneinheiten der kleinere Durchmesser für eine größere freie Fläche zwischen den Trenneinheiten, so daß infolgedessen weniger Wasser in dem Dampf mitgerissen wird, der aus dem umgebenden Wasserbehälter aufsteigt.The advantages of the separation unit according to the invention over the known separation unit can be as can be summarized as follows: For a separation unit of a given size, the vapor flow capacity for the same limits of water transfer and steam content increased at least 30% and the Separation unit maintains satisfactory operation via increases in inlet quality of at least 30% upright. The smaller diameter of the separating unit according to the invention allows a narrower one Distance between the units on a steam chamber. Thus, a larger number of units can be placed on one Steam chamber of a given size can be accommodated, whereby the entire pressure drop through the Separation unit reduced. Alternatively, for a given distance between the separation units, the smaller one takes care of it Diameter for a larger free area between the separation units, so that as a result less Water is entrained in the steam rising from the surrounding water reservoir.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in derenThe invention is explained in more detail below with reference to the drawing, in which
F i g. 1 und 2 zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Gas/Flüssigkeits-Trenneinheit dargestellt sind, währendF i g. 1 and 2 show two exemplary embodiments of the gas / liquid separation unit according to the invention are while
Fig.3 die Wirkung der Verengung des ersten Auslaßkanals auf den Gehalt des im Wasser mitgerissenen Dampfes zeigt.3 shows the effect of the narrowing of the first outlet channel on the content of that which is entrained in the water Shows steam.
Bei den in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Trenneinheit können die Divergenzwinkel des zweiten und dritten Wirbelrohres im wesentlichen unabhängig von anderen Auslegungsparametern der Trenneinheit optimiertIn the case of the FIGS. 1 and 2 illustrated embodiments of the separation unit according to the invention The angles of divergence of the second and third vortex tubes can be substantially independent of others Design parameters of the separation unit optimized
werden.will.
Die in F i g. 1 gezeigte erfindungsgemäße Gas/Flüsr»?gkeits-Trenneinheit hat ein erstes langgestrecktes Wirbelrohr 32 mit einem Auslaß- und einem Einlaßende zur Aufnahme einer Gas/Flüssigkeits-Mischimg sowie einen Wirbelgenerator 31 im Einlaßende des ersten Wirbelrohres. Dieser Wirbelgenerator erzeugt in dem ersten Wirbelrohr einen Gaswirbel, der von einem Flüssigkeitswirbel umgeben ist. Die Einheit weist einen ersten Aufnahmering 42 mit einem Einlaß- und einem Auslaßende avf, wobei der Außendurchmesser des Aufnahmeringes kleiner ist als der Innendurchmesser des Auslaßendes des ersten Wirbelrohres 32 und sich das Einlaßende des ersten Aufnahrneringes koaxial in das Auslaßende des ersten Wirbelrohres erstreckt und so einen ersten Durchgang 43 zur Aufnahme eines wesentlichen Teiies des Flüssigkeitswirbels bildet Weiter hat die Einheit ein zweites langgestrecktes Wirtwlrohr mit einem Einlaßabschnitt 433 und einem zylindrischen Auslaßabschnitt 401, wobei das Z-inlaßende des Einlaßabschnittes einen innendurchmesser ähnlich dem Innendurchmesser des Auslaßendes des ersten Aufnahmeringes 42 hat und das Einlaßende des zweiten Wirbelrohres neben dem Auslaßende des ersten Aufnahmeringes angeordnet ist.The in F i g. 1 has a first elongated vortex tube 32 with an outlet and an inlet end for receiving a gas / liquid mixture and a vortex generator 31 in the inlet end of the first vortex tube. This vortex generator generates a gas vortex in the first vortex tube, which is surrounded by a fluid vortex. The unit has a first retainer ring 42 having inlet and outlet ends avf, the outer diameter of the retainer ring being smaller than the inner diameter of the outlet end of the first vortex tube 32 and the inlet end of the first receiver ring extending coaxially into the outlet end of the first vortex tube and so one first passage 43 forms for receiving a substantially Teiies the liquid vortex Next, the unit has a second elongated Wirtwlrohr with an inlet portion 433 and a cylindrical outlet section 401, the Z-inlaßende of the inlet section has an inner diameter similar has the inner diameter of the outlet end of the first receiving ring 42 and the Inlet end of the second vortex tube is arranged adjacent to the outlet end of the first receiving ring.
Die Einheit umfaßt einen zweiten Aufnahmering 52 mit einem Einlaßende und einem Auslaßende, wobei der zweite Aufnahmering einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner ist als der Innendurchmesser des Auslaßendes des zweiten Wirbelrohrs und sich das Einlaßende des zweiten Aufnahmeringes koaxial in das Auslaßende des zweiten Wirbelrohrs erstreckt und dazwischen einen zweiten Durchgang 53 zur Aufnahme eines Teils des Flüssigkeitswirbels bildet. Der Einlaßabschnitt 433 des zweiten langgestreckten Wirbelrohres ist divergierend und sein Auslaßabschnitt 401 ist zylindrisch ausgebildet.The assembly includes a second retainer ring 52 having an inlet end and an outlet end, the second retainer ring having an outer diameter less than the inner diameter of the outlet end of the second vortex tube and the inlet end of the second vortex tube extending coaxially into and between the outlet end of the second vortex tube forms a second passage 53 for receiving part of the fluid vortex. The inlet section 433 of the second elongated vortex tube is divergent and its outlet section 401 is cylindrical.
Die Einheit hat weiter ein drittes langgestrecktes Wirbelrohr mit einem divergierenden Einlaßabschnitt 434 und einem zylindrischen Auslaßabschnitt 402, wobei das Einlaßende des Einlaßabschnitts einen Innendurchmesser ähnlich dem Innendurchmesser des Auslaßendes des zweiten Aufnahmeringes hat und das Einlaßende des dritten Wirbelrohres neben dem Auslaßende des zweiten Aufnahmeringes angeordnet ist.The unit further has a third elongated vortex tube having a diverging inlet section 434 and a cylindrical outlet section 402, the inlet end of the inlet section having an inner diameter similar to the inner diameter of the outlet end of the second receiving ring and the inlet end of the third vortex tube being adjacent the outlet end of the second receiving ring.
Schließlich umfaßt die Einheit noch einen dritten Aufnahmering mit einem Einlaßende und einem Auslaßende, wobei der Außendurchmesser des dritten Aufnahmeringes kleiner ist als der Innendurchmesser des Auslaßendes des dritten Wirbelrohres und sich das Einlaßende des dritten Aufnahmeringes koaxial in das Auslaßende des dritten Wirbelrohres erstreckt und dazwischen einen dritten Durchgang 63 zur Aufnahme des restlichen Teiles des Flüssigkeitswirbels bildet und das Gas der Gas/Flüssigkeits-Mischung am Auslaßende des dritten Aufnahmeringes aus der Trenneinheit austritt.Finally, the unit also includes a third retainer ring with an inlet end and one Outlet end, the outside diameter of the third receiving ring being smaller than the inside diameter of the outlet end of the third vortex tube and the inlet end of the third receiving ring coaxially into the The outlet end of the third vortex tube extends and a third passage 63 therebetween for receiving of the remaining part of the liquid vortex and the gas forms the gas / liquid mixture at the outlet end of the third receiving ring emerges from the separation unit.
Mit diesem Aufbau können die relativen Längen der divergierenden und zylindrischen Abschnitte der Wirbelrohre so ausgewählt werden, daß sie Divergenz-Halbwinkel bilden, die zu maximaler Druckrückgewinnung und demzufolge minimalen Druckverlusten führen.With this structure, the relative lengths of the diverging and cylindrical portions of the vortex tubes are selected to form half-angles of divergence leading to maximum pressure recovery and consequently minimal pressure loss.
Die durch die divergierenden Einlaßabschnitte 433 und 434 gebildeten Halbwinkel A und B können für einen bestimmten Anwendungsfall am besten durch systematische experimentelle Änderung optimalisiert werden. Aufgrund der Wirbelströmung sind die optimalen Divergenz-HiUbwinkd größer als für eine gleichförmige axiale Strömung ohne Wirbel oder in der Größenordnung von etwa 3—7°.The half- angles A and B formed by the diverging inlet sections 433 and 434 can best be optimized for a specific application by means of systematic experimental changes. Because of the vortex flow, the optimal divergence angles are greater than for uniform axial flow without vortices, or on the order of about 3-7 °.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel können für eine Gesamthöhe der Einheit von etwa 230 cm, einem Außendurchmesser von etwa 25 cm, einem Innendurchmesser von etwa 21,5 cm für das erste Wirbelrohr 32 und radialen Weiten der Ringkanäle 43, 53 und 63 von etwa 1,9 cm, 056 cm und 0,63 cm die Abmessungen des zweiten und dritten Wirbslrohres wie ]0 folgt sein: für das zweite Wirbelrohr betragen die axiale Länge des divergierenden Abschnittes 433 etwa 25 cm, die axiale Länge des zylindrischen Abschnittes 401 etwa 11,5 cm und der Divergenz-Halbwinkel A etwa 5°; für das zweite Wirbelrohr betragen die axialen Längen für den divergierenden Abschnitt 434 und den zylindrischen Abschnitt 402 jeweils etwa 18,5 cm und der Divergenz-Halbwinkel B etwa 4°.In a practical embodiment, for a total height of the unit of about 230 cm, an outer diameter of about 25 cm, an inner diameter of about 21.5 cm for the first vortex tube 32 and radial widths of the annular channels 43, 53 and 63 of about 1.9 cm, 056 cm and 0.63 cm, the dimensions of the second and third vortex tube are as follows: for the second vortex tube, the axial length of the diverging section 433 is about 25 cm, the axial length of the cylindrical section 401 is about 11.5 cm and the divergence half-angle A about 5 °; for the second vortex tube, the axial lengths for the diverging section 434 and the cylindrical section 402 are each approximately 18.5 cm and the divergence half-angle B is approximately 4 °.
Das erste Wirbelrohr 32 ist von einem erstenThe first vortex tube 32 is of a first
Auslaßkanal 444 umgeben, der von einem ersten äußeren Rohr 38 begrenzt ist Der Auslaßkanal 444 steht mit dem ersten Durchgang 43 zur Aufnahme des ersten Teiles des Flüssigkeitswirbels in Verbindung.Surrounding outlet channel 444 , which is delimited by a first outer tube 38. The outlet channel 444 is in communication with the first passage 43 for receiving the first part of the fluid vortex.
Somit strömt ein wesentlicher Teil des Wasserwirbels, der entlang der Innenwand des ersten Wirbelrohrs 32 nach oben fließt, durch den Durchgang 43 und wird durch die Abdeckung 41 nach unten in den ersten Auslaßkanal 444 geleitet. Um die Drehbewegung des Wassers zu bremsen, sind zwischen den Rohren 32 und 38 in dem Auslaßkanal 444 zahlreiche vertikale Leitbleche angeordnet Beispielsweise können diese Leitbleche vier im gleichen Abstand angeordnete rechtwinklige Streifen sein. Der Auslaßkanal 444 ist an seinem unteren Ende offen, um das abgetrennte Wasser zum Wasserbehälter zurückzuleiten.Thus, a substantial part of the water vortex flowing up along the inner wall of the first vortex tube 32 flows through the passage 43 and is directed down through the cover 41 into the first outlet channel 444 . In order to brake the rotational movement of the water, numerous vertical baffles are arranged between the pipes 32 and 38 in the outlet channel 444. For example, these baffles can be four equally spaced right-angled strips. The outlet channel 444 is open at its lower end in order to return the separated water to the water tank.
Ferner ist in dem ersten Auslaßkanal 444 ein Verengungsring 46 vorgesehen, der den Strömungsquerschnitt des Auslaßkanales verkleinert, um für einen verengten Auslaßkanal 47 zu sorgen. Dieser verengte Auslaßkanal 47 sorgt für einen Gegendruck, der dazu beiträgt, daß eine erforderliche Dicke des Wasserwirbels zu dem Zweck aufrechterhalten bleibt, daß der im Wasser, das zum Wasserbehälter zurückgeleitet wird, enthaltene Dampfanteil möglichst gering ist. Es wurde gefunden, daß für einen minimalen Dampfgehalt des zum Wasserbehälter zurückgeleiteten Wassers die Querschnittsfläche des verengten Auslaßkanals 47 40—80% des ersten Durchganges 43 zwischen dem Wirbelrohr 32 und dem Aufnahmering 42 betragen sollte.Furthermore, a constriction ring 46 is provided in the first outlet channel 444 , which reduces the flow cross section of the outlet channel in order to provide a narrowed outlet channel 47. This narrowed outlet channel 47 provides a counter pressure which contributes to maintaining a required thickness of the water vortex for the purpose that the proportion of steam contained in the water that is returned to the water container is as low as possible. It has been found that the cross-sectional area of the narrowed outlet channel 47 should be 40-80% of the first passage 43 between the vortex tube 32 and the receiving ring 42 for a minimum steam content of the water returned to the water tank.
Dies ist in F i g. 3 dargestellt, die eine Schar von Kurven A und B des Verhältnisses von Dampfgehalt zu minimalem Dampfgehalt über dem Verhältnis der Querschnittsfläche des verengten Auslaßkanales 47 zur Querschnittsfläche des ersten Durchlasses 43 für Mischungsströmungsdurchsätze von etwa 100% (Kurve A) und 140% (Kurve B) der Nennströmungsmenge zeigt.This is in FIG. 3 shows a family of curves A and B of the ratio of steam content to minimum steam content over the ratio of the cross-sectional area of the constricted outlet channel 47 to the cross-sectional area of the first passage 43 for mixed flow rates of about 100% (curve A) and 140% (curve B) the nominal flow rate shows.
Der Dampfwirbel und zusätzlich ein restlicher Wasserwirbel strömt nach oben durch die Öffnung im Aufnahmering 42 hindurch in das Einlaßende des zweiten Wirbelrohrs 33. Das Wirbelrohr 33 ist koaxial umgeben von einem zweiten äußeren Rohr 48, das einen zweiten Auslaßkanal 454 begrenzt.The steam vortex and additionally a remaining water vortex flows upwards through the opening in the receiving ring 42 into the inlet end of the second vortex tube 33. The vortex tube 33 is surrounded coaxially by a second outer tube 48 which delimits a second outlet channel 454 .
Somit strömt ein wesentlicher Teil des restlichen Wasserwirbels, der entlang der Innenwand des zweiten Wirbelrohrs 33 nach oben fließt, durch den zweiten Durchgang 53 hindurch und wird durch die Abdeckung 51 in den zweiten Auslaßkanal 454 geleitet. Auch in demThus, a substantial part of the remaining water vortex, which flows up along the inner wall of the second vortex tube 33, flows through the second passage 53 and is guided through the cover 51 into the second outlet channel 454. Also in that
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Auslaßkanal 454 sind zwischen den Rohren 33 und 48 zahlreiche Leitbleche angeordnet, um die Drehbewegung des Wassers zu bremsen. Eine Vielzahl von Auslaßöffnungen 55, die in dem unteren Ende des Rohrs 48 ausgebildet sind, gestatten eine Strömung des Wassers durch den Auslaßkanal 454 hindurch zum Außenraum der Trenneinheit und somit zu dem umgebenden Wasserbehälter.Outlet channel 454 are arranged numerous baffles between the tubes 33 and 48 to allow the rotary movement to slow down the water. A plurality of outlet openings 55 formed in the lower end of the tube 48 are formed, allow a flow of the water through the outlet channel 454 through to the Outside of the separation unit and thus to the surrounding water tank.
Somit entfernt der vorbeschriebene zweite Abschnitt der Trenneinheit zusätzliches Wasser, und der Dampfwirbel und der Rest des Wasserwirbels strömen nach oben durch die Öffnung im Aufnahmering 52 hindurch in das Einlaßende des dritten Wirbelrohrs 34. Das dritte Wirbelrohr 34 ist koaxial umgeben von einem dritten äußeren Rohr 58, das einen dritten Auslaßkanal 464 begrenzt.Thus, the above-described second section of the separation unit removes additional water and the vortex of steam and the remainder of the water vortex flows up through the opening in the receiving ring 52 the inlet end of the third vortex tube 34. The third vortex tube 34 is coaxially surrounded by a third outer tube 58 defining a third outlet channel 464.
Somit strömt der Restteil des Wasserwirbels, der entlang der Innenwand des dritten Wirbelrohrs 34 nach oben fließt, durch den dritten Druchgang 63 hindurch und wird durch die Abdeckung 61 nach unten in den dritten Auslaßkanal 464 geleitet. Wiederum sind zahlreiche Leitbleche vorgesehen, um die Drehbewegung des Wassers zu bremsen, und das Wasser wird durch zahlreiche Öffnungen 65 im unteren Ende des äußeren Rohres 58 hindurch zum Außenraum der Trenneinheit abgeleitet. Der Dampfwirbel tritt durch eine Öffnung im dritten Aufnahmering 62 hindurch aus der Trenneinheit aus und in eine Dampfkammer ein.The remaining part of the water vortex, which flows along the inner wall of the third vortex tube 34, thus flows afterwards flows above, through the third passage 63 and is through the cover 61 down into the third outlet channel 464 passed. Again, numerous baffles are provided to prevent the rotary movement of the water to slow down, and the water is drawn through numerous openings 65 in the lower end of the outer tube 58 through to the exterior of the separation unit. The vortex of steam passes through an opening in the third receiving ring 62 through out of the separation unit and into a steam chamber.
Der erste Durchgang 43 zwischen dem ersten Wirbelrohr 32 und dem ersten Aufnahmering 42 empfängt einen großen Prozentsatz des Wasserwirbels im Vergleich zum Wasser, das durch den zweiten Durchgang 53 und den dritten Durchgang 63 aufgenommen wird. Deshalb ist die Querschnittsfläche des Durchganges 43 größer als die Querschnittsflächen der Durchgänge 53 und 63. Aus ähnlichen Gründen ist die Querschnittsfläche des zweiten Durchganges 53 größer als die Querschnittsfläche des dritten Durchganges 63. Zu diesem Zweck ist der Innendurchmesser des ersten Aufnahmeringes 42 geringer als der Innendurchmesser des zweiten Aufnahmerings 52, der seinerseits einen kleineren Innendurchmesser hat als der dritte Aufnahmering 62.The first passage 43 between the first vortex tube 32 and the first receiving ring 42 receives a large percentage of the water vortex compared to the water that passes through the second Passage 53 and the third passage 63 is added. Therefore the cross-sectional area of the Passage 43 larger than the cross-sectional areas of the Passages 53 and 63. For similar reasons, the cross-sectional area of the second passage 53 is larger than the cross-sectional area of the third passage 63. For this purpose, the inner diameter of the first is Receiving ring 42 smaller than the inner diameter of the second receiving ring 52, which in turn has a has a smaller inner diameter than the third receiving ring 62.
In F i g. 2 ist der Aufbau dadurch vereinfacht, daß die zylindrischen Abschnitte 401 und 402 verlängert sind, wodurch die divergierenden Abschnitte 433 und 434 in einer tieferen Lage angeordnet werden, so daß deren untere Enden die äquivalenten Mittel für die Aufnahmeringe 42 und 52 (vergl. F i g. 1) bilden.In Fig. 2, the structure is simplified in that the cylindrical sections 401 and 402 are elongated, whereby the diverging sections 433 and 434 in a lower layer, so that their lower ends are the equivalent means for the receiving rings 42 and 52 (see FIG. 1).
Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings
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