DE2428487A1

DE2428487A1 - Mikrowellen-stroemungsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE2428487A1
Application number: DE19742428487
Authority: DE
Inventors: Thomas Roger Billeter; Lee Dennis Philipp; Richard Russell Schemmel
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1973-06-13
Filing date: 1974-06-12
Publication date: 1975-01-16
Also published as: JPS5738847B2; GB1458419A; CA1037141A; JPS5036163A; FR2233604A1; US3939406A; FR2233604B1

Description

United States Atomic Energy Commission, Washington, D.C. 20545, U.S.A.

Mikrowellen-Strömungsmeßvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungsmeßvorrichtung für Strömungsmittel, und zwar insbesondere auf derartige Meßvorrichtungen, die ein Mikrowellenmeßverfahren benutzen.

Bei einem das Flüssigmetallverfahren verwendenden schnellen Brüterreaktor besteht ein Bedürfnis nach einer Vorrichtung, die die Natriumströmungsgeschwindigkeit bestimmt, und zwar in den einzelnen BrennstoffUnteranordnungen, den Prozesskanälen und den eine geschlossene Schleife aufweisenden Testanordnungen. Solche Fühlvorrichtungen müssen infolge von Konstruktionsbeschränkungen mit sehr wenig Platz auskommen, und zwar unter . schwierigen Umgebungsbedingungen hinsichtlich der Temperatur, des Drucks und der Strahlungspegel. Wenn erforderlich, muß die Fühlvorrichtung mit minimalem Zeitaufwand und unter geringen Mühen eingebaut, entfernt oder ersetzt werden.

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Die bekannten Strömungsfühlvorrichtungen sind nicht in der Lage, diesen Anforderungen zu entsprechen. Die gegenwärtig vorgeschlagenen Fühlvorrichtungen versperren teilweise die Strömung des Strömungsmittels während des Meßvorgangs. Eine derartige Sperrung bewirkt eine turbulente Strömung, einen Druckabfall infolge der Strömungsmeßvorrichtungen und sogar eine mögliche Blockierung des Kühlmittels, wenn Ausfälle auftreten.

Es ist von großer Wichtigkeit, bessere Verfahren für die Kühlmittelströmungsfeststellung in sämtlichen Kernreaktoren vorzusehen. Eine Strömungseinschränkung in einem oder mehreren Brennstoffkanälen im Core kann einenAusfall oder ein Schmelzen des Brennstoffs zur Folge haben. Um im Hinblick auf ein solches Auftreten eine Überwachung vorzunehmen, wurden bislang Vorrichtungen zur Bestimmung der Strömung oder der Kühlmitteltemperatur verwendet. Die Temperaturfeststellungsverfahren sind nur beschränkt einsatzfähig, weil eine entsprechende Zeitverzögerung zwischen der Blockierung und der erhöhten Kühlmitteltemperatur auftritt. Strömungsmittelüberwachungsvorrichtungen sind ideal, da sie augenblicklich jede Strömungsänderung feststellen. Die unmittelbare Feststellung ist dann von äußerster Wichtigkeit, wenn man das Schmelzen des Brennstoffs zu verhindern hofft oder mindestens die BrennstoffSchädigung zu minimieren wünscht. Leider sind zuverlässige und genaue Strömungsmeßvorrichtungen in Reaktoren heutzutage nicht gebräuchlich. Viele der Probleme treten deshalb auf, weil verschiedene, normalerweise mechanische Vorrichtungen erforderlich sind, die häufig ausfallen, wobei zusätzlich noch viele Instrumentationsleiter und Verbindungsstücke vorzusehen sind, die ebenfalls die Tendenz haben auszufallen.

Es ist daher erforderlich, eine Vorrichtung vorzusehen, die derartige Messungen vornimmt, ohne die überwachte Strömung zu stören. Zusätzlich müssen derartige Meßvorrichtungen oder Fühlvorrichtungen die Fähigkeit besitzen, daß sie einen hohen Grad an Empfindlichkeit und Stabilität auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen aufrechterhalten, und zudem eine schnelle Ansprechzeit besitzen, wie dies bei Flüssigmetallanwendungsfallen

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nötig ist. *

Kurz gesagt, verwendet die vorliegende Erfindung eine Vielzahl von mit Abstand angeordneten Mikrowellenfühlvorrichtungen, die längs einer Strömungsmittelströmungsbahn angeordnet sind, um eine Messung der Strömungsmittelgeschwindigkeit vorzunehmen. Die einzelnen Fühlvorrichtungen weisen einen Mikrowellenhohlraum auf, der ein Resonanzfrequenzansprechen abhängig vom statischen Druck des überwachten Strömungsmittels besitzt. Die entsprechenden Hohlraumresonanzfrequenzen werden in entsprechende elektrische Ausgangsgrößen umgesetzt, die entsprechend einem Druckansprechen geeicht sind. Der Druckabfall zwischen den Fühlern wird dann als ein Maß für die Strömungsmittelgeschwindigkeit zwischen den Überwachungsstellen interpretiert.

Der Fühlvorrichtungs-Mikrowellenhohlraum kann auf zwei unterschiedlichen Frequenzmoden in Resonanz kommen, die eine spezielle Abhängigkeit von den Strömungsmittelparametern haben, was ein Maß für die Temperatur und auch den Druck ergibt. Das Temperaturansprechen kann dann zur Korrektur der temperaturabhängigen Druckansprechgrößen des Mikrowellenhohlraums verwendet werden.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Fühlvorrichtungen außerhalb der Strömungsmittelbahn angeordnet, um Strömungsstörungen zu vermeiden.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Schaubild eines beispielhaften Strömungsgeschwindigkeitsmeßsystems gemäß der Erfindung, und zwar im Zusammenhang mit einem Reaktor der schnellen Brüterbauart, wobei eine der externen Kühlschleifen überwacht wird;

Fig. 2 einen Schnitt der dualen Eigenschafts-Abfühlvorrichtung und Wellenleiteranordnung, wie sie in Fig. 1 verwendet wird.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung des bevorzugten Ausführungsbeispiels verwendet ein Paar von mit Abstand angeordneten Mikrowellenabfühlvorrichtungen (Fühlern), die längs einer Strömungsmittelbahn angeordnet sind, um die Geschwindigkeit des Strömungsmittels zu messen. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist in Zusammenhang mit einem schnellen Brüter-Reaktor dargestellt, der äußerst schwierige Umgebungsbedingungen erzeugt, was insbesondere andeutet, wie vielseitig die erfindungsgemäßen Prinzipien verwendet werden können und welche besonderen Vorteile sie bieten.

In Fig. 1 ist das Reaktorgefäß eines Flüssigmetall-Schnellbrüter-Reaktors und die Kopfumhüllung 10 dargestellt, wobei ein wärmeerzeugender Core 12 sowie Kühlmittel-Strömungseinlässe und -auslasse 14 und 16 vorgesehen sind, die einstückig mit den Gefäßwänden ausgebildet sind und durch diese hindurchgehen. Das Kühlmittelströmungsauslaßrohr 16 wird allgemein als der heiße Schenkel der Primärschleife des Reaktors bezeichnet und leitet das erhitzte Kühlmittel zu nicht gezeigten Zwischen-Wärmeaustauschmitteln, die im allgemeinen dazu verwendet werden, um Dampf zu erzeugen, der zum Betrieb einer Vorrichtung benutzt wird, welche ihrerseits Elektrizität erzeugt. Das abgekühlte Kühlmittel verläßt den Wärmeaustauscher und kehrt über den kalten Schenkel oder die Leitung 14 zur Core-Zone des Reaktors zur erneuten Zirkulation zurück. Die Fühler 18 und 19 der vorliegenden Erfindung sind an zwei mit Abstand angeordneten Stellen längs des heißen Schenkels der Kühlmittelleitung 16 angeordnet, um den statischen Druck des flüssigen Natriums an den zwei Abfühlstellen zu überwachen. Die entsprechenden auf diese Weise erhaltenen Druckmessungen werden sodann verglichen, um eine Anzeige für die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlströmungsmittels innerhalb der Leitung 16 zu geben.

In der bevorzugten Ausführungsform weisen die Fühler 18 bzw. 20 individuell Metallhohlräume 22 von bestimmten inneren Abmessungen auf, die derart ausgebildet sind, daß sie bei Mikrowellenfrequenzen in Resonanz kommen. Die spezielle Ausbildung der Hohlräume und auch die Fuhlerwellenleitungsanordnung 26 ist im einzelnen in Fig. 2 dargestellt. Von Wichtigkeit sind bei diesem Ausführungs-

2 beispiel die speziellen Werte von (2a/ /L) für einen zylindri-

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sehen Hohlraum (wobei a = der Innenradius und L die Seitenlänge des Zylinders), für welche der Hohlraum bei zwei unterschiedlichen (degenerierten) Moden in Resonanz kommt, die gemeinsam von sowohl Druck als auch Temperatur für die gleiche Anregungsfrequenz abhängen. Die gleichzeitigeund unabhängige Anregung und Feststellung dieser Moden zum Erhalt gleichzeitiger Feststellung von sowohl Druck als auch Temperatur kann entsprechend der US Patentanmeldung S.N. 328,220 vom 31. Januar 1973 erfolgen.

Bei einem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Resonanzhohlraum 22 mit einer flexiblen Endwand 24 ausgestattet, die als integraler Teil der Rohrwandung 16 ausgebildet ist. Eine Druckänderung innerhalb des Rohrs 16 hat eine Verschiebung der Endwand 24 zur Folge, wodurch effektiv die Längsabmessung L des Hohlraums und somit auch die Resonanzfrequenz der druckabhängigen Mode geändert werden.

Die Resonanzenergie wird an die Verarbeitungselektronik-Vorrichtung 28 geleitet, die in Blockform dargestellt ist und mit der Wellenleitung 26 in Fig. 1 in Verbindung steht. Die Elektronikvorrichtung wandelt die Mikrowellenenergie in ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal um, welches dem überwachten Kühlmitteldruck entspricht, wie dies durch Block 30 angedeutet ist. Die durch Überwachung der Abfühlstellen erhaltenen Druckansprechgrößen werden sodann verglichen und analysiert, wie dies schematisch durch Block 32 dargestellt ist, um eine Messung für die Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels innerhalb der Leitung 16 zu erhalten. Eine gesonderte Temperaturmessung 34 kann - wie in der obigen Bezugnahme erläutert - aus dem entsprechenden Ansprechen der temperaturabhängigen Mode erhalten werden, um eine Korrektur für die auf Temperatur ansprechenden Druckablesungen des Hohlraums zu erzeugen. Eine ins Einzelne gehende Er-. läuterung der speziellen Vorrichtung ist der obigen Bezugnahme zu entnehmen, wobei ein Vergleich der Druckansprechgrößen in einfacher Weise durch eine Differentialverstärkerschaltung bekannter Art erreicht werden kann.

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Nachdem die Druckansprechgrößen erhalten sind, werden sie mitein ander in Korrelation gebracht, und zwar unter Verwendung einer mathematischen Beziehung, welche den Druckabfall zwischen den Fühlern mit der Strömungsmittelströmungsgeschwindigkeit in Beziehung setzt, wie dies durch das folgende Beispiel erläutert wird.

Nimmt man ein Rohr mit 4 Zoll Durchmesser an, welches strömendes flüssiges Natrium bei 700°F enthält, so kann die Reynolds-Zahl für verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten gemäß der folgenden Beziehung berechnet werden:

ü _ Geschwindigkeit (V, Fuß/See.) χ Durchmesser (D, Fuß)

Viskosität (v, Fuß /See.)

Für Geschwindigkeiten von 10 Fuß/Sekunde, 15 Fuß/Sekunde und 20 Fuß/Sekunde sind die Reynolds-Zahlen wie folgt berechnet: R₁₀ = 9,6 X 10⁵, R₁₅ - 14,4 χ 10⁵ und R _2Q = 19,2 χ 10⁵. Unter Annahme einer relativen Rauhheit für ein genormtes handelsübliches Rohr von t/D von 0,0004 liefert ein Moody-Diagramm den Reibungsfaktor für die obigen Geschwindigkeiten wie folgt: f₁₀ = 0,0164, f₁₅ = 0,0162 und f_2Q = 0,0161.

Der Druckabfall längs des Rohrs steht mit der Geschwindigkeit in Beziehung, und zwar entsprechend folgenderGleichung:

144D2g

f = Dichte

f = Reibungsfaktor

L = Abstand zwischen den Fühlern

g = Erdanziehungskraft

Nimmt man wiederum als Strömungsmittel flüssiges Natrium bei 700°F an, wobei die Druckfühler längs des Rohrs mit 10 Fuß Abstand angeordnet sind, so ergibt sich der berechnete Druckabfall für verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten gemäß folgender Tabelle.

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Geschwindigkeit Druckabfall Für 10% Änderung der Strömungs geschwindigkeiten

6 Fuß/sec * 0,11 psi

10 Fuß/sec 0,29 psi 0,06 psi

11 Fuß/sec 0,35 psi

15 Fuß/sec 0,64 psi _Q^

16,5 Fuß/sec 0,77 psi

20 Fuß/sec 1,12 psi

22 Fuß/sec 1,36 psi

(psi = Englische Pfund pro Quadratzoll)

Es ergibt sich somit, daß die Feststellungsempfindlichkeit abhängig von den zulässigen Abständen zwischen den Fühlern bei höheren Geschwindigkeiten größer sein wird. Für mit einem Abstand von 10 Fuß voneinander angeordnete Fühler wird die Druckauflösung bei der unteren Grenze von 6 Fuß/Sekunde angenähert, was innerhalb der Konstruktionsspezifikationen für Flüssigmetall-Schnellbrüter-Reaktoren liegt. Die obigen Berechnungen beweisen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne weiteres zur überwachung der Strömung am Core-Natriumeinlaß und Auslaßstellen anwendbar ist. Alternative Anwendungsfälle an einzelnen Unteranordnungen, die den Core aufweisen, sind in gleicher Weise möglich. In der gleichen Art wie oben zusammengestellte Tabellen können eine Basis zur Eichung der Ausgabewerte der Elektronikvorrichtung liefern, und zwar entsprechend dem Druckabfall zwischen den Fühlern, um so eine direkte Ablesung der Strömungsgeschwindigkeit zu geben, wie dies durch das Bezugszeichen 32 angegeben ist.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel war außerhalb der Kühlmittel schleife des Reaktors angeordnet, wobei der Fühlerhohlraum eine Wand aufwies, die integral mit den Rohrwänden ausgebildet war, um Störungen des Strömungsmittelflusses zu vermeiden; es sei bemerkt, daß die Fühler auch an irgendeiner anderen gewünschten Stelle längs der Strömungsmittelbahn angeordnet sein können, und

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zwar entweder innerhalb oder außerhalb des Reaktorgefäßes. Beispielsweise bei der Überwachung auf eine Kühlmittelströmungsblockierung innerhalb des Kerns ist es zweckmäßig, die Fühler direkt längs der Strömungsbahn innerhalb der Brennstoffanordnungen anzuordnen, so daß ein unmittelbares Ansprechen erhalten werden kann, worauf dann sofort die erforderlichen Maßnahmen eingeleitet werden können, um die Schädigung auf den Brennstoff zu beschränken.

Die beschriebene Überwachungsvorrichtung für die Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit liefert in ihrer bevorzugten Ausführungsform Ausgangssignale proportional sowohl zur Temperatur als auch zum statischen Druck und kann daher zum Abfühlen dieser physikalischen Eigenschaften des Strömungsmittels verwendet werden und auch zum Abfühlen der Strömung. Da zwei Fühler verwendet werden, um drei Parameter, Strömungsgeschwindigkeit, Druck und Temperatur, zu messen, wird eine zusätzliche Zuverlässigkeit erreicht, und zwar beim Erhalt der zusätzlichen Parameter-Ansprechgrößen. Die Eichung und die Betriebsbedingungen der Druckfühler können beim Eintauchen in das zu überwachende Strömungsmittel einfach dadurch festgestellt werden, daß man entsprechende Ventile vorsieht und spezielle Bezugsgasdrücke benutzt, wie dies in der oben erwähnten Patentanmeldung beschrieben ist.

Experimentelle Ergebnisse haben die angegebene Druckauflösung und die Zeitansprechgrößen für gegebene Druckänderungen bestätigt und es hat sich ergeben, daß die Fühler bei den schwierigen Umgebungsbedingungen in einem schnellen Brüterreaktor verwendbar sind. Von besonderer Bedeutung ist, daß die obere Betriebstemperaturgrenze für den Fühler das 12OO°F-Effordernis für diese spezielle Anwendung überschreitet, während eine Unempfindlichkeit gegenüber thermischer Instabilität und normalerweise auftretender thermischer Drift auftritt, und zwar infolge des gleichzeitigen Temperaturansprechens, was zur Kompensation verwendet werden kann. Die wenigen zur Fühlerherstellung erforderlichen Komponenten (Hohlraum, Diagramm und Wellenleiter) vereinfacht die Instrumentierung, wobei die Auswahl des Materials der Komponenten das Vorsehen eines Fühlers gewährleistet, der verhältnismäßig unempfind-

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lieh gegenüber Ent-Eichungen infolge ungünstiger Umweltbedingungen ist. Schließlich können die Druckfühler außerhalb der Strömungsbahn angeordnet werden, um die Turbulenz vermindern, die andernfalls zu ungenauen statischen Druckablesungen beitragen könnte und auch die Leistungsfähigkeit des Strömungsmittels innerhalb des überwachten Systems verringern könnte.

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Claims

PATENTANSPRtTCHE

Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit einer strömenden Flüssigkeit innerhalb einer Strömungsmittelleitung, gekennzeichnet durch

einen ersten Mikrowellenfühler mit einem Resonanzmikrowellenhohlraum ,der auf eine Druckänderung außerhalb des Hohlraums anspricht und ein dafür repräsentatives elektrisches Ausgangssignal erzeugt, wobei der Mikrowellenhohlraum dem Innenraum der Strömungsmittelleitung an einer ersten gegebenen festen Stelle längs dieser Leitung ausgesetzt ist;

einen zweiten Mikrowellenfühler, der auf eine Druckänderung außerhalb des Hohlraums anspricht, um eine dazu repräsentative elektrische Ausgangsgröße zu erzeugen, wobei der Mikrowellenhohlraumdem Inneren der Strömungsmittelleitung an einer zweiten gegebenen festen Stelle längs dieser Leitung und mit Abstand von der ersten Stelle angeordnet ausgesetzt ist, und wobei ferner Mittel vorgesehen sind, um die entsprechenden Ausgangsgrößen vom ersten und zweiten Fühler zu vergleichen, und um eine Meßgröße für den Strömungsmittelfluß innerhalb der Leitung anzugeben.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils erste und zweite Mikrowellenhohlräume ausgebildet sind, die teilweise integral mit den Wänden der Strömungsmittelleitung ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Mikrowellenhohlräume außerhalb der Bahn der Strömungsmittelströmung angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Strömungsmittelleitungswände an den ersten und zweiten Stellen mindestens einen Abschnitt einer Wand der entsprechenden ersten und zweiten Mikrowellenhohlräume bildet, wobei die verbleibenden Wände der ersten und zweiten Hohlräume außerhalb der Strömungsmittelleitung gehalten werden.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechende Teile der Leitungswände, die den ersten und zweiten Mikrowellenhohlräumen gemeinsam sind, in der Weise ausgebildet sind, daß eine geometrische Abmessung der ersten und zweiten Hohlräume infolge eines Druckgradienten an den gemeinsamen Wandteilen geändert wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Hohlräume jeweils ein einziges hohles Glied aufweisen, welches einen Wandabschnitt besitzt, der auf Druck anspricht, um sich in einer Weise zu bewegen, um die wirksame Abmessung des hohlen Gliedes längs einer vorgeschriebenen Achse zu ändern, und wobei die ersten und zweiten Hohlräume so ausgebildet sind, daß sie bei zwei Resonanzfrequenzmoden in Resonanz kommen, und zwar jeweils abhängig von einer einzigartigen Kombination oder Permutation, und dabei gemeinsam von sowohl der Temperatur als auch dem Druck des gemessenen Strömungsmittels abhängen, und wobei ferner die ersten und zweiten Fühler auf die beiden Resonanzmoden von deren entsprechenden ersten und zweiten Hohlräumen ansprechen, um elektrische Ausgangsgrößen zu erzeugen, welche sowohl Druck als auch Temperatur anzeigen, so daß die entsprechenden Druckmessungen kompensiert werden können hinsichtlich Änderungen in den entsprechenden Hohlraumtemperaturen.

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