DE2619218C2 - Einrichtung zum Herstellen die Messung einer repräsentativen Temperatur ermöglichender Verhältnisse in einem strömenden Medium, insbesondere bei einem Kernreaktor - Google Patents

Description

ströme nur noch als Wärme vorhanden ist, d. h. in einer geringwertigen Form. Im Brennelement eines Kernreaktors ist jedoch eine zusätzliche Wärmeerzeugung nicht erforderlich, vielmehr ist man bestrebt den Widerstand, der dem Kühlmittel beim Durchlauf durch das Element entgegensteht so gering wie möglich zu halten. Die Anordnung z. B. eines Siebes (wie es die o. g. Schrift aus anderen Gründen vorschlägt) zur Strömungsberuhigung scheidet deshalb ebenfalls aus, zumal es auch kavitationsgefährdet ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Herstellen die Messung einer repräsentativen Temperatur ermöglichender Verhältnisse in einem strömenden Medium, insbesondere in dem aus dem Kernelement austretenden Kühlmittel zu schaffen, mit der unter Minimierung des Druckverlustes sowie der effektiven Baulänge bei geringem konstruktiven Aufwand und widerstandsfähig auszustattenden Elementen zuverlässige und für eine Überwachung, beispielsweise des Betriebs eines Kernreaktors, hinreichend sichere Ergebnisse erzielt werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst daß den Strömungsquerschnitt abdeckend in Strömungsrichtung vor dem Temperaturmeßfühler hintereinander eine erste drallerzeugende Stufe, bestehend aus mehreren räumlich gekrümmten, vorzugsweise gewendelten, in etwa kreissymmetrisch angeordneten, die Strömung beschleunigenden Schaufeln oder Leitblechen, und eine zweite, drallabbauende Stufe aus mehreren sich geneigt zur Strömungsrichitung erstreckenden, die Strömungsenergie größtenteils durch Turbulenzerzeugung wieder in Druckenergie zurückverwandelnden Rippen oder schmalen Schaufeln angeordnet ist. Auf diese Weise wird bei insgesamit geringem Energieverlust und mit relativ einfachen, zudem unbewegten Mitteln eine Vermischung des strömenden Mediums bzw. des Kühlmittels aller Temperatursträhnen von sehr hohem Vermischungsgrad über den gesamten Strömungsquerschnitt erzielt. Dies bedeutet, daß sowohl radiale wie auch axiale Veränderungen des Temperaturmeßfühlers zu dem Brennelement o. dgl. keinen Einfluß auf die Temperaturmessung haben und daß das Meßergebnis tatsächlich die repräsentative in dem strömenden Medium herrschende Temperatur ergibt. Damit erweist sich diese Einrichtung auch bei sehr hohen Anforderungen als zur Überwachung des Betriebes eines Kernreaktors mit Vorteil heranziehbar bzw. geeignet.

Zur Förderung einer gezielten Strömungsführung unter Aussparung des Potentialkerns sind die Schaufeln gemäß der im 2. Anspruch angegebenen Ausgestaltung der Erfindung an einer etwa stromlinienförmigen Nabe angeordnet.

Entsprechend der weiteren Ausgestaltung der Erfindung im 3. Anspruch sind die Rippen oder ein Teil der Rippen an einer in Strömungsrichtung rückwärtigen Extension der stromlinienförmigen Nabe, vorzugsweise einer Extension mit gegenüber der Nabe geringerem Querschnitt, angeordnet. Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung im 4. Anspruch sind die Rippen satzweise in Strömungsrichtung hintereinander bzw. in zu der Achse radialen Ebenen angeordnet, und gemäß dem 5. Anspruch weisen sie einen im wesentlichen flachbreiten Querschnitt auf und sind — ähnlich einer Luftschraube oder einem Propeller — unter einem zu der Strömungsrichtung geneigten Anstellwinkel ausgerichtet. Nach der im 6. Anspruch definierten weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegen eine oder beide der schmalen Flächen der Rippen angenähert in zu der Achse senkrechten Ebenen. Die Rippen o. dgl der drallabbauenden Stufe und die Steigung der Schaufeln o. dgl. der drallerzeugenden Stufe sind nach dem 7. Anspruch mit voneinander abweichenden Anstellwinkel ausgeführt und deren Neigung vorzugsweise einander entgegengerichtet Die Rippen der drallabbauenden Stufe sind bezüglich des Anstellwinkels und der Neigungsrichtung gleich oder/und abschnittsweise unterschiedlich, satzweise jedoch bevorzugt gleich oder ähnlich ίο ausgeführt Dabei wird gerade der letzten der zuvor aufgeführten Maßnahmen besondere Bedeutung für den Mischeffekt beigemessen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung gemäß dem 8. Anspruch weist die drallabbauende Stufe in Strömungsrichtung eine größere Länge als die drallerzeugende Stufe auf. Hierdurch wird eine Optimierung zwischen Strömungsführung, Verweilzeit der Fluidteilchen im Mischvolumen und Turbulenzbildung erreicht. Es kommt hierauf an, gemeinsam mit den bereits zuvor aufgeführten Maßnahmen zu einer hohen Vermischungsgüte zu gelangen und dabei nachteilige Wirkungen, wie das Entstehen von Kavitation, zu vermeiden.

Schließlich wird noch nach dem 9. Anspruch vorgeschlagen, daß die drallerzeugende Stufe und die drallabbauende Stufe in einer, in ihrem unteren Abschnitt dem Querschnitt des Hüllkastens des Kernelements trichterartig angepaßten Hülse in oder nahe dem Elementkopf unterzubringen sind und gemäß dem 10. Anspruch, daß darüber hinaus zwischen der drallabbauenden Stufe und dem Temperaturmeßfühler innerhalb des Kernelementkopfes eine Ausgleichsstrecke oder -stufe in Form eines von Einbauten freien Strömungskanals vorhanden ist.

F i g. 1 eine Einrichtung zum Herstellen die Messung einer repräsentativen Temperatur ermöglichender Verhältnisse in einem strömenden Medium, und

F i g. 2 eine gleiche Einrichtung, jedoch zum Messen der repräsentativen Temperatur in dem aus dem Kerneiiment eines Kernreaktors austretenden Kühlmittel in kleinerem Maßstab.

Nach F i g. 1 und F i g. 2 besieht die Einrichtung im wesentlichen und zunächst aus einer drallerzeugender! Stufe A mit einem Drallkörper 1 und einer drallabbauenden Stufe B mit einem Gleichrichter 2, die in dieser Folge hintereinander, in dem durch eine Wandung 3' bzw. eine Hülse 3 umgrenzten Strömungsquerschnitt eines strömenden Mediums bzw. bei einem Kernreaktor eines strömenden Kühlmittels, vorgesehen sind. Dabei ist die drallabbauende Stufe B der drallerzeugenden Stufe unmittelbar nachgeordnet.

Nach F i g. 2 ist die Einrichtung in einer Hülse 3 und diese im Kopfabschnitt 41 eines Kernelements 4 oberhalb der — auch andere Elementstäbe enthaltenden — Kernelement-Stabbündel 42 untergebracht, wobei der untere Abschnitt der Hülse 3 trichterart'g dem sechs-

5S kantigen Umriß des Brennelementhüllkastens 43 angepaßt ist Hierbei sind der drallerzeugenden Stufe A und der drallabbauenden Stufe B, an letzte anschließend, eine Ausgleichsstrecke oder -stufe C nachgeordnet, an etwa deren Ende sich ein Temperaturmeßfühler 5, eben zum Messen der repräsentativen Temperatur des fließenden Mediums, hier des aus dem Kernelement 4 bzw. aus den Stabbündeln 42 austretenden Kühlmittels befindet. Der Temperaturmeßfühler 5 ist dabei am untersten Ende eines Führungsrohres 6 angeordnet, das auch einen Durchsatzmeßfühler 7 trägt. Mit den Pfeilen ist veranschaulicht, welche relativen Ortsveränderungen bei Betrieb zwischen dem Kernelement 4 und dem Temperaturmeßfühler auftreten können. Um als Meßergebnis

eine repräsentative Temperatur zu erfahren, ist es Voraussetzung, daß diese Ortsveränderungen ohne jeden Einfluß auf das Meßergebnis bleiben.

Nach F i g. 1 und F i g. 2 besteht die draüerzeugende Stufe A wesentlich aus mehreren räumlich gekrümmten, m. a. W. gewendelten und kreissymmetrisch angeordneten Schaufeln 11, die an einer stromlinienförmigen Nabe 12 angeordnet sind und mit dieser gemeinsam den Drallkörper 1 darstellen.

Die drallabbauende Stufe B bzw. der Gleichrichter 2 ist aus mehreren Rippen 21 gebildet, die sich von der Achse des Strömungsquerschnitts bzw. -kanals in radialer Richtung bis an die Wandung 3' bzw. die Hülse 3 erstrecken und satzweise, in Strömungsrichtung hintereinander in zu der Achse radialen Ebenen angeordnet und an einer rückwärtigen Extension 22 der Nabe 12 — ggf, wie nicht weiter dargestellt, um ihre Längsachse ganz oder abschnittsweise dreh- bzw. einstellbar — befestigt. Die Rippen 21 besitzen im wesentlichen einen flachbreiten Querschnitt, ihre schmalen Flächen 211 liegen in zu der Achse senkrechten Ebenen. Von besonderer bedeutung für die drallabbauende bzw. die Strömungs- in Druckenergie umwandelnde Wirkung ist der zu der Strömungs- bzw. Fließrichtung geneigte Anstellwinkel, der der Steigung der Schaufeln 11 der draller- zeugenden Stufe entgegengerichtet ist.

Die drallabbauende Stufe B weist — in Strömungsrichtung eine größere Länge als die drallerzeugende Stufe A auf, so daß die Drall- bzw. Strömungsenergie sehr allmählich wieder in Druckenergie umgewandelt wird. Auf der Verfahrensweise, zunächst die Druckenergie relativ rasch in Drallenergie und diese dann relativ langsam wieder in Druckenergie umzuwandeln, beruht mit erheblichem Anteil das Erzielen eines sehr guten Mischeffekts sowohl in radialer wie in axialer Erstrekkung innerhalb des strömenden Mediums bzw. Kühlmittels.

Diese erfindungsgemäßen Maßnahmen, nämlich die Anordnung oben beispielsweise beschriebener Drall erzeugender und Drall abbauender Stufen, ergibt die Wir- kung, daß an den einzelnen Rippen 21 o. dgl. des Gleichrichters 2 eine turbulente Durchmischung des strömenden Mediums bzw. Fluids durch Umwandeln der zuvor mittels des Drallkorpers 1 o. dgl. erzeugten Strömungsin Druckenergie herbeigeführt wird, und daß die zusatz- liehe, gezielte Strömungsführung innerhalb der Gleichrichterstufe neben der durch turbulente Vermischung erzielten Komponente als zweite Größe zur Optimierung des Vermischungsgrades beiträgt

Durch Variieren der bestimmenden Parameter, wie des Austrittswinkels der Schaufeln des Drallkörpers, form(en). Anordnung, Anzahl, Stellung sowie Anstellwinkel der Rippen, Teile der Rippen o.dgL in der Gleichrichter- bzw. drallabbauenden Stufe können der Druckverlust sowie eine maximale Abweichung der Temperatur an dem Temperaturmeßfühler von einer tatsächlichen mittleren Temperatur bestimmt bzw. so klein gebalten werden, daß sie in der Praxis ohne nachteilige Wirkung sind.

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Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (10)

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Herstel-

Patentansprüche: len die Messung einer repräsentativen Temperatur ermöglichender Verhältnisse in einem strömenden Medi-

t. Einrichtung zum Herstellen die Messung einer um, insbesondere in dem aus dem Kernelement eines repräsentativen Temperatur ermöglichender Ver- 5 Kernreaktors austretenden Kühlmittel, hältnisse in einem strömenden Medium, insbesonde- Bei einer über den gesamten Strömungsquerschnitt re in dem aus dem Kernelement eines Kernreaktors vorhandenen gleichmäßigen Temperatur eines ströaustretenden Kühlmittel, dadurch gekenn- menden Mediums bereitet das Messen dieser Teniperazeichnet, daß den Strömungsquerschnitt abdek- tür in der Regel keinerlei Schwierigkeit Bestehen jekend in Strömungsrichtung vor dem Temperatur- 10 doch in einem strömenden Medium innerhalb des Strömeßfühler (5) hintereinander eine erste drallerzeu- mungsquerschnitts Zonen unterschiedlicher Temperagende Stufe (A) bestehend aus mehreren räumlich türen, beispielsweise am Rand wärmere bzw. kältere gekrümmten, vorzugsweise gevvendelten in etwa Strömungszonen gegenüber dem Zentrum, so bedarf es kreissymmetrisch angeordneten, den Strömungs- entweder des Einsatzes einer Mehrzahl Temperaturdruck in Strömungsenergie umwandelnden Schau- 15 meßfühler und einer Maßnahme zur Kompensation der fein oder Leitblechen (11), und eine zweite, drallab- Meßergebnisse oder einer Durchmischung des strömenbauende Stufe (B) aus mehreren sich geneigt bis den Mediums vor Auftreffen auf einen einzigen Tempesenkrech» zur Strömungsrichtung erstreckenden, die raturmeßfühler durch teilweises Austauschen beispiels-Strömungsenergie größtenteils wieder in Druck- weise von Strömungszonen des Randes mit denen der energie zurückverwandelnden Rippen oder schma- 20 Mitte, um als Meßergebnis einen repräsentativen Temlen Schaufeln (21) angeordnet ist peraturwert zu erhalten. Denkbar ist auch eine Kombi-

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- nation beider Maßnahmen.

zeichnet, daß die Schaufeln (II) an einer etwa strom- Maßnahmen der zuvor erläuterten Art sind jedoch

linienförmigen Nabe (12) angeordnet sind, unter besonderen Bedingungen, nämlich bei über den

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- 25 Strömungsquerschnitt nicht gleichmäßiger, wie nicht zeichnet, daß zumindest ein Teil der Rippen (21) an kreissymmetrischer Verteilung relativ warmer und relaeiner in Strömungsrichtung gesehen rückwärtigen tiv kalter und dazu gegebenenfalls wechselnder Strö-Extension (22) der Nabe (12), vorzugsweise einer mungszonen entweder nicht ausreichend, nicht geeignet Extension mit gegenüber der Nabe (12) geringerem und/oder nicht anwendbar. Beispiel eines derartigen Querschnitt angeordnet sind. 30 Falles ist das Messen einer repräsentativen Temperatur

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch des aus einem Brennelement eines Kernreaktors austregekennzeichnet, daß die Rippen (21) satzweise in tenden Kühlmittels.

Strömungsrichtung hintereinander bzw. in zu der Indem Kühlmittel, das zwischen den Stäben, darunter

Achse radialen Ebenen angeordnet sind. den Brenn- oder Brutstäben, der Kernelemente eines

5. Einrichtung nach Anspruch !,dadurch gekenn- 35 Kernreaktors hindurchströmt und darauf aus dem zeichnet daß die Rippen (21) einen im wesentlichen Kernelement austritt treten bei ungleichmäßiger und flachbreiten Querschnitt aufweisen und unter einem abhängig von dem jeweiligen Betriebszustand wechzu der Strömungsrichtung geneigten Anstellwinkel selnder Leistungsverteilung in dem Kernelement Strähausgerichtet sind. nen unterschiedlicher Temperatur auf. Diese Erschei-

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn- 40 nung kann sehr unterschiedliche Ursachen haben, so die zeichnet, daß eine oder beide der schmalen Flächen örtliche Anordnung der verschiedenen Kernelemente, (221) der Rippen (21) angenähert in zu der Strö- wie Brenn-, Brut-, Absorberelemenie, zueinander, die mungsachse senkrechten Ebenen liegen. zudem gewechselt wird, oder die Verbiegung der oder

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch einzelner Stäbe oder des Elementkastens in sich. Um gekennzeichnet daß der Anstellwinkel der Rippen 45 unter derartigen Umständen durch Anordnen einer (21) und die Steigung der Schaufeln (U) voneinander Vielzahl Temperaturmeßfühler und Kompensieren deverschieden und vorzugsweise einander entgegen- rer Meßergebnisse zu der Messung einer i'epräsentatigerichtet sind. ven Temperatur des Kühlmittels zu gelangen, wäre es

8. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekenn- praktisch notwendig Temperaturmeßfühler an Tempezeichnet, daß die drallabbauende Stufe (B) in Fließ- 50 raturmeßfühler zu setzen. Dies scheidet aus konstruktirichtung eine größere Länge als die drallerzeugende ven und wirtschaftlichen Gründen aus. Es verbleibt da-Stufe (A) aufweist her nur die Möglichkeit, je Kernelement einen Tempe-

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- raturmeßfühler vorzusehen, der dann gemeinsam mit zeichnet daß die drallerzeugende Stufe (A) und die einem Durchsatzmeßfühler an einem Führungsrohr ο. drallabbauende Stufe (B) in einer, in ihrem unteren 55 dgl. angeordnet ist wobei auch das Führungsrohr und Abschnitt dem Querschnitt des Hüllkastens (43) des damit der Temperaturmeßfühler seitliche Abweichun-Kernelementes (4) trichterartig angepaßten Hülse gen gegenüber der Achse des Kernelements erfahren (3) in oder nahe dem Elementkopf (41) unterge- können. Hierdurch gelangt der Temperaturmeßfühler in bracht sind. Kontakt mit unterschiedlichen Fließfäden, so daß das

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn- 60 Meßergebnis nicht als repräsentativ bezeichnet und hinzeichnet daß innerhalb des Elementkopfes (41) zwi- reichend zur Überwachung verwendet werden kann, sehen der drallabbauenden Stufe (B) und dem Tem- Als Abhilfe ist es dann nur möglich, für eine gründliperaturmeßfühler (5) eine Ausgleichstrecke (C) in ehe Durchmischung des Kühlmittels zu sorgen. Eine Form eines von Einbauten freien Strömungskanals Vorrichtung hierzu ist aus der DE-PS 6 81 545 bekannt vorhanden ist 65 die zwei parallel ineinander angeordnete, gegenläufige

drallerzeugende Einrichtungen aufweist Zur Erzeu-

gung des Dralls ist Energie aufzuwenden, die nach der

Zusammenführung und Durchmischung der beiden Teil-