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Wärmeisolierung für heiße Gasströme mit schnellen Druck-
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änderungen Die Erfindung betrifft eine Wärmeisolierung für Flächen,
an denen ein heißer Gasstrom entlanggeführt wird, in dem schnelle Druckänderungen
auftreten können, mit perforierten Deckblechen für das Isoliermaterial an der heißen
Seite und einem Liner oder Druckmantel an der kalten Seite.
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Derartige Wärmeisolierungen finden Anwendung in Anlagen mit geschlossenen
Gaskreisläufen, in denen relativ hohe Druckänderungsgeschwindigkeiten auftreten,
ist.
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Dies ist der Fall in geschlossenen Gasturbinenkreisläufen bei Verbindung
des Hochdruckteils mit dem Niederdruckteil oder bei gasgekühlten Kernkraftwerken
im Druckentlastungsstörfall. Ein Kernkraftwerk mit geschlossenen Gasturbinenkreisläufen
ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift 25 54 451 beschrieben; es umfaßt mehrere
parallelgeschaltete Wärmenutzungskreisläufe (Loops), von denen jeder einen aus Heliumturbine
und Verdichter bestehenden Gasturbosatz aufweist, die über einen Hochtemperaturreaktor
gekoppelt sind.
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Um bei einer infolge eines Störfalls auftretenden schnellen Druckänderung
in den genannten Anlagen eine übermäßig hohe mechanische Belastung der Wärmeisolierung,
insbesondere ihrer Halterungselemente, zu vermeiden, sind in der Wärmeisolierung
bzw. in den d#s Isoiermatcrial abdeckenden Blechen Öffnungen vorgesehen, die den
Gasaustausch der Wärmeisolierung mit ihrer Umgebung ohne große Behinderung gestatten.
Bei einer solchen "offenen Wärmeisolierung" besteht jedoch die Gefahr, daß bei Vorhandensein
eines merklichen Druckgradienten entlang der Wärmeisolierung die Isolierwirkung
durch Zwangskonvektion zunichte gemacht wird.
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Es gehört zum Stand der Technik, bei der Verwendung von offenen Wärmeisolierungen
in Gasführungskanälen, die aus einzelnen Schüssen zusammengesetzt sind, die Ausbildung
einer Zwangskonvektion durch Abschottung der Isolierschüsse gegeneinander zu unterbinden.
So ist es aus den Offenlegungsschriften 22 57 699 und 24 39 224 bekannt, in der
Wärmeisolierung Zwangskonvektionssperren in Form von Doppelkonen vorzusehen, die
einerseits an dem Druckmantel und anderersetis an dem sich innen an die Isolierung
anschließenden Gasführungsmantel angeschweißt sind. Am Ende eines jeden Schusses
sind Bohrungen oder Spalten angebracht, die einen Gasaustausch
bei
Druckänderungen erlauben. Die einzelnen Isolierschüsse sind jedoch gasdicht gegeneinander
abgeschottet. Die Doppelkonen dienen gleichzeitig zur Befestigung und Zentrierung
des Gasführungsmantels.
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Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, als Zwangskonvektionssperren
in Gasführungskanälen einfache Konen zu verwenden, die ebenfalls am Druck- und am
Gasführungsmantel angeschweißt sind. Etwa in ihrer Mitte sind die Konen durch ein
Stück Zylindermantel unterbrochen, wodurch die Sperren in axialer Richtung verlängert
sind. Auch hier dienen die Zwangskonvektionssperren gleichzeitig zur Befestigung
und Zentrierung des Gasführungsmantels im Druckmantel.
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Wie bereits erwähnt, sind die bekannten Zwangskonvektionssperren speziell
für Wärmeisolierungen in Gasführungskanälen konzipiert; sollen jedoch ebene Flächen
bzw. Flächen mit grossem Krümmungsradius mit einer Wärmeisolierung ohne nennenswerte
Zwangskonvektion ausgerüstet werden, so sind die oben beschriebenen Elemente gänzlich
unbrauchbar (bei ebenen Flächen) oder ihre Herstellung und ihre Montage zu aufwendig
(bei Flächen mit großem KrUmmungsradius).
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Aus der Offenlegungsschrift 16 25 309 ist eine Wärmeisolierung für
die Wand eines Kernreaktor-Druckbehälters bekannt, die mit dem Behälterinneren verbundene
schräge Zellen aufweist. Die Zellen sind durch U-förmig gebogene Bleche völlig gegeneinander
abgedichtet und stehen mit dem Behälterinneren jeweils nur durch eine einzige Öffnung
in Verbindung. Sie sind mit einer Aufschüttung von Körpern U-förmig gebogener Porzellanstreifen
ausgefüllt, die eine strömungshemmende Wirkung auf ein sie umgebendes fließbares
Mittel, in diesem Falle Wasser, ausüben (es handelt sich hier um einen wassergekühlten
Kernreaktor
). Auf diese Weise wird verhindert, daß sich in den
Zellen ein die Wärmeisolierung vermindernder Umlauf des Reaktorkühlmittels herausbildet.
Zur Füllung und Entleerung der Zellenräume bei der In- oder Außerbetriebsetzung
des Reaktors sind diese mit eberrohren versehen, deren Scheitel jeweils tiefer liegt
als die Öffnung der betreffenden Zelle für den Druckausgleich. Die Enden der Heberrohre
ragen in den Druckbehälter hinein; sie sind durch eine Abschirmung gegen die Strömung
des den Reaktor kühlenden Wassers geschützt, um eine ungewollte Strömung durch die
Zellenräume zu verhindern.
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Zum Stand der Technik gehört ferner eine thermische Isolierung aus
mehreren Lagen hochporösen metallischen Maschengeflechts und dünnen Metallblechen,
wie in der Offenlegungsschrift 21 59 781 beschrieben. Sie ist für die Druckbehälterwandung
eines gasgekühlten Kernreaktors konzipiert. Jede Lage des Maschengeflechts besteht
aus mehreren übereinanderliegenden Metallgewebeschichten, in die senkrecht zur Schichtebene
ein Wellenstruktur eingeprägt ist. Die Richtungen der Wellenstruktur in unmittelbar
benachbarten Schichten sind im wesentlichen senkrecht zueinander. Die Schichten
der Isolierung liegen randschlüssig übereinander und sind an den Rändern offen,
um einen Druckausgleich mit dem Kühlgas zu ermöglichen. Auf diese Weise ergeben
sich Spalte , die den Zutritt des Kühlgases bis an die zu schützende Behälterwandung
erlauben und damit die Wirksamkeit der Isolierung herabsetzen. Zudem kann sich auf
Grund der hohen Porosität der Isolierschichten bei Vorhandensein eines Druckgradienten
entlang der Isolierung eine Gasströmung in letzterer herausbilden. Eine völlige
Unterbindung dieser Gasströmung durch Erhöhung des Strömungswiderstandes der Isolierung
würde jedoch zu einer Zerstörung der Isolierschichten führen.
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Von diesem Stand der Technik geht die vorliegende Erfindung aus, wobei
ihr die Aufgabe zugrunde liegt, eine Wärmeisolierung der eingangs beschriebenen
Art zu schaffen, bei der die Zwangskonvektion so weit herabgesetzt ist, daß weder
eine Beeinträchtigung der Isolierwirkung noch eine Zerstörung des Isoliermateria#
eintritt Gemäß dieser Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in dem Isoliermaterial
die Wärmeisolierung unterteilende, eine Gasströmung parallel zu dem heißen Gasstrom
behindernde Bleche eingebettet sind, deren untere Enden an dem Liner oder Druckmantel
befestigt und deren obere Kanten bis in die Nähe der perforierten Deckbleche geführt
sind und frei in dem Isoliermaterial enden.
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Die Bleche sind zweckmäßigerweise an dem Liner oder Druckmantel angeschweißt.
Wenn der Spalt zwischen den Enden der Bleche und dem Liner oder Druckmantel hinreichend
klein und lang genug ist, um eine Zwangskonvektion an diesen Stellen zu unterbinden,
können die Bleche auch festgeschraubt sein. Mittels der perforierten Deckbleche
wird das Isoliermaterial komprimiert und gehalten, wobei die Öffnungen in den Deckblechen
einen ungestörten Gasaustausch mit der Umgebung ermöglichen.
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Größe, Anzahl und Verteilung der Öffnungen richten sich nach den geometrischen
Gegebenheiten der zu isolierenden Fläche und dem Auslegungswert der Druckänderungsgeschwindigkeit
des heißen Gasstromes. Die Deckbleche sind ebenfalls an dem Liner oder Druckmantel
angebracht, wobei die Befestigung mit Hilfe von Bolzen erfolgen kann.
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Da die gemäß der Erfindung in der Wärmeisolierung vorgesehenen Teilungsbleche
keine tragende Funktion haben, können sie aus dünnem Blech hergestellt sein. Dadurch
vereinfacht sich einmal die Montage der Bleche, und zum anderen wird die durch
die
Bleche geleitete Wärme reduziert.
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Die oberen Kanten der Bleche können fast bis zu den perforierten Deckblechen
reichen. Günstiger ist es jedoch, wenn der freie Raum zwischen den oberen Kanten
der Bleche und den Deckblechen etwas größer gelassen wird. Der Abstand der Bleche
voneinander ist gemäß der Erfindung nach der Höhe und dem Strömungswiderstand des
Isoliermaterials sowie nach dem vorhandenen Druckgradienten festgelegt.
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Um eine hinreichende Wärmedehnung der Bleche sicherzustellen, ist
es erforderlich, die Bleche in einzelnen Teilstücken einzubauen, die sich gegenseitig
überlappen. Der Grad der Überlappung is so gewählt, daß ein ausreichender Schutz
gegen Zwangskonvektion vorhanden ist. Das Isoliermaterial besitzt zudem genügend
große Rückfederkräfte, um die zwischen den Blech-Teilstücken befindlichen Spalte
zuzudrücken.
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Die Bleche können sowohl senkrecht zu der mit der Wärmeisolierung
versehenen Fläche als auch unter einem von 900 abweichenden Winkel zu dieser Fläche
angeordnet sein. Die schräg angebrachten Bleche haben den Vorteil eines kleineren
Wärmestromes von der heißen Seite der Wärmeisolierung zu ihrer kalten Seite.
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Neben der oben beschriebenen Möglichkeit, eine Zwangskonvektion durch
die Wärmeisolierung zu behindern (nämlich mit Hilfe der Teilungsbleche), wird erfindungsgemäß
vorgeschlagen, Isoliermaterial mit einem relativ hohen Strömungswiderstand zu verwenden,
um auf diese Weise den Einfluß der Zwangskonvektion bis zu einem gewissen Grad zu
unterdrücken. Besteht die Wärmeisolierung aus faserartigem Material, so läßt sich
ihr Strömungswiderstand durch Erhöhung der Materialdichte und Verkleinerung der
Faserndurchmesser vergrößern. Bei Verwendung einer
Folienisolierung
können die Spalte zwischen den einzelnen Folien verkleinert werden. Bei der erfindungsgemäßen
Maßnahme - Erhöhung des Strömungswiderstandes des Isoliermaterials selbst - muß
darauf geachtet werden, daß der Strömungswiderstand unterhalb der Grenze bleibt,
bei der eine unzulässige Belastung der Isolierung während einer schnellen Druckentlastung
auftritt. Ist nur ein mäßiger Druckgradient entlang der Wärmeisolierung vorhanden,
so wird durch die vorgeschlagene Maßnahme die Funktionstüchtigkeit der Isolirierung
gewährleistet.
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Bei größeren Druckgradienten reicht eine Erhöhung des Strömungswiderstandes
des Isoliermaterials allein nicht aus, um eine Gasströmung durch die Wärmeisolierung
in entsprechenden Grenzen zu halten. In solchen Fällen ist gemäß der Erfindung vorgesehen,
in einem Isoliermaterial mit erhöhtem Strömungswiderstand die oben beschriebenen
Teilungsbleche anzuordnen, also zwei Maßnahmen miteinander zu kombinieren.
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Vorteilhafterweise ist auf den perforierten Deckblechen auf ihrer
dem Isoliermaterial abgewandten Seite eine weitere Abdeckung angebracht, die aus
Wellblechstücken besteht. Sie hat die Aufgabe, das unter den Öffnungen in den Deckblechen
befindliche Isoliermaterial gegen Gasströmungen oder eine übermäßige Schallbelastung
zu schützen. Die Wellblechstücke können an den Deckblechen angeschweißt sein Dies
hat den Vorteil, daß keine Befestigungselemente benötigt werden. Die Öffnungen für
den Gasaustausch im Druckentlastungsfall bleiben bei dieser Art Abdeckung groß genug
Die tiellblechstücke können an ihren beiden Enden (in Strömungsrichtung gesehen
offen sein; es genügt aber auch, sie nur an einer Seite (zweckmässigerweise auf
der Stromabwärtsseite) offen zu lassen
In der Zeichnung sind zwei
Ausführungsbeispiele der Wärmeisolierung gemäß der Erfindung schematisch dargestellt,
und zwar zeigen Fig. 1 eine Wärmeisolierung mit Teilungsblechen, Fig. 2 mehrere
Befestigungsarten dieser Teilungsbleche an einem Liner, Fig. 3 eine Wärmeisolierung,
die Isoliermaterial mit erhöhtem Strömungswiderstand enthält und eine zweite Abdeckung
aufweist.
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In der Fig. 1 ist ein Teilstück einer Wärmeisolierung, beispielsweise
für den Liner der Reaktorkaverne in einem Kernkraftwerk mit geschlossenem Kühlgaskreislauf,
zu erkennen.
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Auf den Liner (1) ist in mehreren Schichten Isoliermaterial (2) aufgebracht,
das mit Deckblechen (3) gehalten und komprimiert wird. Die Befestigung der Deckbleche
(3) an dem Liner (1) geschieht mit Hilfe von Bolzen (4), die sowohl an dem Liner
(1) als auch an den Deckblechen (3) angeschweißt sind. Die Deckbleche (3) weisen
eine Anzahl von Öffnungen (5) auf, die einen ungestörten Gasaustausch der Wärmeisolierung
mit ihrer Umgebung erlauben. In dem Isoliermaterial (2) sind Bleche (6) eingebettet,
die die Wärmeisolierung unterteilen, ohne daß eine gasdichte Abschottung der durch
die Unterteilung entstandenen Zeilen vorgenommen wird. Die Bleche (6) haben die
Aufgabe, eine Gasströmung durch die Wärmeisolierung zu behindern, sie aber nicht
ganz zu unterdrücken. Die Bleche (6) sind in einzelnen Teilstücken in das Isoliermaterial
(2) eingebaut, die sich gegenseitig überlappen (nicht dargestellt).
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Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, erfolgt die Befestigung der Bleche
(6) an dem Liner (1), und zwar sind die Bleche (6) entweder and den Liner (1) angeschweißt
(Fig. 2a), oder sie sind an ihm festgeschraubt (Fig. 2b und 2c). Letztere Maß nahme
kann dann angewandt werden, wenn der Spalt (7) zwischen den Enden (8) der Bleche
(6) klein und lang genug ist, um eine Zwangskonvektion durch den Spalt (7) auszuschalten.
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In der Fig. 3 ist ein Teilstück einer Wärmeisolierung dargestellt,
bei dem die Behinderung einer Gasströmung durch ein Isoliermaterial (9) mit relativ
großem Strömungswiderstand bewirkt wird. Auch hier ist das Isoliermaterial mit Deckblechen
(3) abgedeckt, die Öffnungen (5) für den Gasaustausch besitzen. Über den Deckblechen
(3) ist eine weitere Abdeckung (10) aus Wellbiechstücken angeordnet. Sie hat die
Aufgabe, die Öffnungen (5) gegen Gasströmungen zu schützen. Die Abdeckung (10) ist
an den Deckblechen (3) angeschweißt, wobei - in Strömungsrichtung gesehen - die
Enden der einzelnen Wellblechstücke offengelassen sind.
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L e e r s e i t e