DE2655310A1

DE2655310A1 - Filter zur reinigung eines stroemenden gases von einer als atomare oder molekulare teilchen vorliegenden substanz

Info

Publication number: DE2655310A1
Application number: DE19762655310
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Iniotakis
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1976-12-07
Filing date: 1976-12-07
Publication date: 1978-06-08
Also published as: JPH0146170B2; DE2655310B2; DE2655310C3; FR2384531A1; BE861567A; FR2384531B1; ATA812877A; JPS5371688A; CH630536A5; NL7713462A; GB1598083A; IT1089114B; AT367652B

Description

Kernforschungsanlage Julien Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Filter zur Reinigung eines strömenden Gases von einer als atomare oder molekulare Teilchen vorliegenden Substanz

Die Erfindung bezieht sich auf ein Filter zur Reinigung eines strömenden Gases von einer als atomare oder molekulare Teilchen vorliegenden Substanz, bei dem in einem zur Durchströmung mit dem Gas vorgesehenen, mit einer gasdichten Ummantelung umgebenen Hohlraum ein durch Wechselwirkung mit den Teilchen die Zurückhaltung der Teilchen bewirkendes Filtermaterial vorgesehen ist.

Bei den bekannten Filtern dieser Art besteht das Filtermaterial aus einer Schüttung eines beispielsweise körnigem Materials, das in der vom Gas durchströmten Ummantelung des Filters angeordnet ist. Dabei werden Schüttungen von Materialien verwendet, die eine möglichst große Oberfläche aufweisen. Für die Auslegung des Filters, beispielsweise die Bestimmung der Länge des durchströmten Filtermaterials, wird dabei von Erfahrungswerten ausgegangen, die mit dem vorgesehenen Filtermaterial vorliegen. Von Nachteil ist bei den

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bekannten Filtern, daß die Schüttung einen hohen Druckverlust verursacht und die bekannten Filter daher im allgemeinen nicht in die Hauptleitung einer Anlage eingesetzt werden können.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Filter zur Reininigung eines strömenden Gases von einer als atomare oder molekulare Teilche vorliegenden Substanz zu schaffen, das einen möglichst geringen Widerstandsbeiwert für die Strömung des Gases, gleichwohl aber eine hohe Effektivität aufweist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei einem Filter der eingangs bezeichneten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Filtermaterial aus einem Material mit möglichst hohem Rückhaltevermögen für die Teilchen besteht und in geordneten Geometrien vorliegende, sich über die Länge 1 des Filtermaterials erstreckende Durchgänge für die Strömung· des Gases aufweist, wobei die Länge 1 und der hydraulische Durchmesser d „ so bemessen sind, daß bei vorgegebenem Druckverlust Δ ρ und vorgegebenem Filtervolumen das Produkt aus

■ . St'

^deff
ein Maximum ist; dabei sind

4V
^deff⁼ ~f~ ^: hydraulischer Durchmesser in cm

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-Jr-

1 : Länge 1 des Filtermaterials in cm V : das innerhalb.der Ummantelung im Bereich der Länge 1 nach Anordnung des Filtermaterials verbleibende Hohlraumvolumen in cm

F : die vom Gas benetzte Oberfläche des

2 Filtermaterials in cm

St'= - : zweite Stanton-Zahl

h : Stoffübergangskoeffizient in cm/sec ν : Strömungsgeschwindigkeit des Gases in cm/sec

Um eine möglichst weitgehende Anpassung des Filters gemäß der Erfindung an vorgegebene Betriebsbedingungen zu erzielen, kann es dabei zweckmäßig sein, mehrere Filter unterschiedlicher Abmessungen, die sich außerdem im Werkstoff für das Filtermaterial unterscheiden, zu untersuchen, um die optimale Filtervariante zu ermitteln.

Eine sehr zweckmäßige Ausbildung der vorgenannten Ausführungsform des Filters gemäß der Erfindung besteht darin, daß das Filtermaterial vom Gas durch strömbare, in geordneten Geometrien vorliegende Kanäle aufweist oder daß das Filtermaterial rohrförmig ist und im Hohlraum so angeordnet ist, daß es vom Gas in Längsrichtung durchströmt wird. Auch kann

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2 6 b b 3 1

es zweckmäßig sein, daß das Filtermaterial stabförmig ist und im Hohlraum so angeordnet ist, daß es vom Gas in Längs- oder in Querrichtung umströmt wird.

Eine sehr vorteilhafte Ausführungsform des Filters gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Länge und der effektive freie Durchmesser d _ff so bemessen und ein solches Material als Filtermaterial vorgesehen ist, daß bei vorgesehenem, die Substanz enthaltendem Gas, bei vorgesehener Strömung des Gases und bei vorbestimmter, am Filtermaterial zurückzuhaltender Substanz für die vorgesehene Betriebszeit t des Filters der Durchlaßkoeffizient

der gleich dem Quotienten aus dem Teilchenstrom j (o,t) beim Eintritt in das Filtermaterial und dem Teilchenstrom j (l,t) beim"Austritt aus dem Filter material ist, einem vorgegebenen Wert entspricht, wobei

U,t) = e ^ue ist

und wobei unter der Voraussetzung, daß

n*\p< l für De die folgende Beziehung I gilt

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De : von der Decken-Zahl (neu eingeführte Bezeichnung)

* O j / rn

α = α . 3/63 . 10 J/ — in cm/sec

α .: Haftwahrscheinlichkeit für die Teilchen an der Oberfläche des Filtermaterials (α ungefähr gleich 1 bei Partialdrücken P <: 10 atm, wenn keine Aktivierungsprozesse vorliegen)

A : Massenzahl der Teilchen

T : Temperatur der Oberfläche des Filtermaterials in K

1 in sec"¹

α + h J

§=ω . e~ R . T ( Desorptionskonstante in sec J ω = ¹^ 1,308 .10 T in sec ; Debye-Frequenz

Q : Desorptionsenergie in Cal/Mol R : universelle Gaskonstante in CaI/(°)Mol λ : Zerfallskonstante für die Substanz in sec-1

I, (x) : modifizierte Besselsche Funktion

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_ζ= iL_ . _st>_e _{in sec}

_{in sec}-l/2 eff (_a ^
1-ß : Penetrationskoeffizient; die Wahrscheinlichkeit, daß die Teilchen irreversibel gebunden werden
t : vorgesehene Betriebsdauer des Filters

N : Dichte der Teilchen im Gas in Atome/cm

Φ» : die Teilchenzahl, die das vorgesehene

Material pro cm maximal aufnehmen kann,in Atome/cm .

Das Filter gemäß dieser Ausführungsform ist in optimaler Weise an die gestellten Bedingungen und somit auch an die Besonderheiten einer Anlage angepaßt. Die vorgenannten Größen sind dabei so bemessen, daß die von der Decken-Zahl möglichst groß ist oder zumindest den Wert erreicht, der zur Erzielung des vorgegebenen Wertes für den Durchlaßkoeffizient erforderlich ist. Unter Zugrundelegung der vorgenannten

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iTiathematischen Beziehungen ist es dabei in vorteilhafter Weise möglich, Untersuchungen an Filtern für Großanlagen im kleinen Modellmaßstab in kostensparender Weise durchzuführen. Zwei Filter sind dabei hinsichtlich der Ablagerung und somit hinsichtlich ihrer Filterwirksamkeit äquivalent, wenn sie den gleichen Durchlaßkoeffizienten δ und somit die gleiche von der Decken-Zahl De aufweisen. Es ist daher auch möglich, ausgehend von einer einfachen Filtervariante, beispielsweise einem geraden, vom zu reinigenden Gas durchströmten Rohrstück, die für die Herstellung eines Filters für eine Großanlage erforderlichen Parameter zu ermitteln. Dabei wird das einfache Filter unterschiedlichen Betriebsbedingungen unterworfen und die Parameter nach der Beziehung I ermittelt.

Bei einem Filter der vorgenannten Ausführungsform ist auch die Diffusion der"Teilchen in das Filtermaterial berücksichtigt. Es ist daher in vorteilhafter Weise auch bei Temperaturen oberhalb 400 C bis etwa zu 1000⁰C wirksam. Bei Auslegung der bekannten Filter wurde dagegen lediglich die Desorption und Adsorption der Teilchen auf der Oberfläche des Filtermaterials oder chemische Reaktionen der Teilchen mit der Oberfläche des Filtermaterials berücksichtigt. Man war daher bestrebt, Filtermaterial mit möglichst großer Oberfläche zu verwenden. Das hatte zur Folge, daß es den bekannten Filtern im Temperaturbereich oberhalb

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400°C an der erforderlichen Effektivität mangelte, weshalb man gezwungen war, die Temperatur im Filter durch Kühlung niedrig zu halten. Um die Wirksamkeit der bekannten Filter zu erhöhen, wurden außerdem mehrere Filter hintereinander geschältet, was jedoch zu voluminösen Reinigungsanlagen führte.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Filters gemäß der Erfindung besteht darin, daß für den Fall, daß die vorgesehene Temperatur des Filtermaterials unterhalb von 400⁰C liegt, das Filtermaterial aus einem Material besteht, für das die Beziehungen

_a) 2l/7t « 1 und (λ + S) ^t «

oder für radioaktive Substanzen die Beziehung

b) ■ ^λ ^y> *

gelten und daß die Länge 1 und der hydraulische Durchmesser d __ so bemessen sind, daß die von der Decken-Zahl nach der vereinfachten Beziehung

De = -5 · St' . -^ 11

eff a + h

einen vorgegebenen Wert erreicht. Bei einem Filter dieser Ausführungsform wird das Adsorptions-Desprotions-Gleichgewicht für die Haftung der Teilchen auf der Oberfläche des Filtermaterials nicht erreicht.

Ist die Bedingung b) erfüllt, dann gilt die Bedingung a) für alle Werte von t und ein nach der Beziehung II

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hergestelltes Filter ist dann zeitlich unbegrenzt wirksam. Nach der Beziehung II sind unter Verwendung eines Materials mit hinreichender Haftwahrscheinlichkeit für die zurückzuhaltenden Teilchen die Abmessungen des Filters so zu bemessen, daß der vorgesehene Durchlaßkoeffizient £ entweder möglichst klein ist oder einem vorgesehenen Wert entspricht.

Eine weitere vorteilhafte Variante des Filters gemäß der Erfindung besteht darin, daß das Filtermaterial aus einem Material mit einem möglichst großen Penetrationskoeffizienten besteht, für das die Beziehungen ²VJT^ ·> 1 und (λ + S) t > 2 \jr t und / ^ ?

gelten und daß die Länge 1 und der hydraulische Durchmesser d _ff so bemessen sind, daß die von der Decken-Zahl nach der vereinfachten Beziehung

De = 1L_ . _st' (!-Β) . n* _XII

^d _eEf h + (1-p) . _a*

einen vorgegebenen Wert erreicht. Bei dieser Variante des Filters gemäß der Erfindung wird das Adsorptions-Desorptions-Gleichgewicht für die Haftung der Teilchen auf der Oberfläche des Filterraaterials erreicht, jedoch die Diffusion der Teilchen in das Filtermaterial ausgenutzt.

Auch in diesem Falle sind die Abmessungen des Filters so zu bemessen, daß De möglichst groß ist oder einen Wert hat, für den der Durchlaßkoeffizient δ den vorgegebenen Wert erreicht. Je nach Wahl des Filtermaterials und den Abmessungen des Filters erzielt ein solches

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Filter auch bei hohen Temperaturen bis zu 1000⁰C eine hohe Wirksamkeit.

Sehr vorteilhaft ist ferner eine Variante des Filters gemäß der Erfindung, die darin besteht, daß zur Erzielung einer möglichst langen Betriebszeit t mit gleichbleibendem kleinen Durchlaßkoeffiziejiten<5 die Dicke ε des Filtermaterials- so bemessen ist, daß für radioaktive Substanzen die Beziehung

und für nicht radioaktive Substanzen die Beziehung

ε »

gelten, wobei D der Diffusionskoeffizient für die Teilchen im Filtermaterial ist. Insbesondere bei dieser Filtervariante werden - anders als bei den bisher bekannten Filtern - nicht nur das Adsorptions-Desorptions-Verhalten der Teilchen an der Oberfläche des Filtermaterials, sondern auch die Diffusion der Teilchen in das Filtermaterial bei der Herstellung des Filters genutzt. Während bei den bekannten Filtern die Einsatzdauer der Filter exponentiell von der reziproken Temperatur abhing, weist das Filter gemäß der Erfindung - da bei ihm die Diffusion der Teilchen in das Filtermaterial ausgenutzt wird insbesondere bei hohen Temperaturen eine lange Betriebsdauer t auf.

Da das Filter gemäß der Erfindung somit auch bei hohen Temperaturen einsetzbar ist, ist es in vorteilhafter Weise zur Reinigung des Kühlgases eines gasgekühlten Kernreaktors verwendbar. Dabei entfällt die bei üblichen Filtern erforderliche Kühleinrich-

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- li -

tung. Eine weitere, sehr vorteilhafte Verwendung des Filters gemäß der Erfindung besteht darin, daß das Filter im' Hauptgasstrom eines gasgekühlten Kernreaktors angeordnet ist.

Im folgenden wird in einem Ausführungsbeispiel anhand von in der Zeichnung dargestellten Diagrammen die mögliche Variation der Konstruktionsdaten des Filters gemäß der Erfindung erläutert, wobei von einem vorgegebenen WErkstoff für das Filtermaterial ausgegangen wird und unterschiedliche Betriebsbedingungen in Betracht gezogen werden.

Hierzu zeigen:

Figur 1 in einer graphischen Darstellung die von der Decken-Zahl De als Funktion des Massendurchsatzes und der Reynolds-.Zahl und

Figur 2 in einer graphischen Darstellung

den Durchlaßkoeffizienten <5 als Funktion des Massendurchsatzes und der Reynolds-Zahl

In zwei weiteren Ausführungsbeispielen werden die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen an Filtern den nach der Beziehung I ermittelten Werten für den Durchlaßkoeffizienten δ gegenübergestellt.

Ferner werden in weiteren Ausführungsbeispielen die Konstruktionsdaten von Filtervarianten gemäß der Erfindung angegeben, die für unterschiedliche Betriebsbedingungen vorgesehen sind.

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- VST

49

Dabei zeigen:

Firgur 3 einen Längsschnitt durch ein aus einem Bündel parallel gerichteter Rohre bestehendes Filter

Figur 4 einen Querschnitt durch das Filter gemäß Figur 3.

Ausführungsbeispiel 1

Zur Ermittlung der Konstruktionsdaten eines Filters aus parallel zueinander angeordneten Rohren wird die von der Decken-Zahl De aus der Beziehung I und hieraus der Durchlaßkoeffizient δ in Abhängigkeit vom Massenstrom m des durch ein Rohr strömenden Gases berechnet. Das der Rechnung zugrunde gelegte Rohr hat die Länge 1 = 800 cm und den Durchmesser d = 1 dm. Der Bereich des in Betracht gezogenen Massendurchsatzes beträgt

10 bis· 12 g/Sek. Als Gas- und zugleich Wandtemperatur des Rohres wird 950° C und als Gasdruck ρ = 40 bar angenommen. Als Teilchen, die aus dem Helium gefiltert werden sollen, wird Cäsium-137-Atome in Betracht gezogen. Dabei werden zwei unterschiedliche Wandmaterialien mit den Penetrationskoeffizienten 1 - 3 = 0,7 /00 und 1 - β =100 °/o vorausgesetzt. Während der Wert von 0,7 °/oo bei. Cs-13-7 für Materialien mit kubisch flächenzentriertem Gitter charakteristisch ist, bedeutet der Penetrationskoeffizient von 100 °/o, daß das eingesetzte Material ein perfekter "Diffusor" ist.

Zur anschaulichen Darstellung der Charakteristik des Filters wird der Massendurchsatz mit einem Parameter

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-13-

K variiert, der durch die Beziehung festgelegt wird

m = K- χ A₀,

wobei m der Massendurchsatz ist, der als Bezugsgröße herangezogen wird.

Da zwischen der Reynolds-Zahl Re und dem Massendurchsatz m eine lineare Beziehung besteht, gilt zugleich folgende Beziehung

Re = K χ Re .

Dabei bedeutet Re_ die Reynolds-Zahl beim Massendurchsatz m -

Wie aus den graphischen Darstellungen in den Figuren 1 und 2 hervorgeht, weist die Filtercharakteristik bei einem Wert für K = 0,077 einen Sprung auf. Dieser Wert für K entspricht einem Wert für die Reynolds-Zahl von etwa Re = 2300. Diese Diskontinuität ist dadurch bedingt, daß die Sherwood-Zahl Sh und somit der Stoffübergangskoeffizient h oder die Stanton-Z.ahl St' beim Übergang von turbulenter zu laminarer Strömung ebenfalls eine Diskontinuität aufweist. Die Sprunghöhe ist dabei abhängig von der Geometrie, das heißt vom Verhältnis 1/d und vom eingesetzten Wandmaterial.

Aus den graphischen Darstellungen ist ferner der Strömungsbereich abzulesen, in dem der Durchlaßkoeffizient den kleinsten Wert erreicht, die von der Decken-Zahl entsprechend groß ist und somit die Effektivität des Filters ebenfalls ihren höchsten Wert erreicht. Wie sich aus den graphischen Darstellungen ergibt, liegen diese Minimal- bzw. Maximalwerte im Bereich der

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stark laminaren Strömung und im Übergangsbereich etwa bei Re&nolds-Zahlen zwischen 2500 und 5000. Bei der

ti
Herstellung eines Filters besteht die Möglichkeit, gleichzeitig beide Bereiche einzustellen, indem beispielsweise im Filter Rohrbündel angeordnet werden, die außen und innen vom Gas durchströmt sind.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß die in den graphischen Darstellungen angegebenen Absolutwerte zwar nur für den betreffenden Fall Gültigkeit haben, daß die damit angegebene Filtercharakteristik jedoch eine qualitative Aussage auch für andere Betriebszustände und andere geometrische Anordnung des Filtermaterials ermöglicht. Die gewünschte absolute Größe der Effektivität des Filters wird ohne weiteres durch die Anordnung einer entsprechenden Vielzahl von parallel angeordneten Rohren erzielt.

Ausführungsbeispiel 2

Zur Überprüfung der Wirksamkeit eines einfachen, aus einem geraden Rohrstück bestehenden Filters wurde in zwei getrennt voneinander durchgeführten Untersuchungen jeweils ein die Spaltprodukte Cs-137, Cs-134 und Ag-110m enthaltender Heliumgasstrom durch ein Rohrstück aus 99,5 %igem Titan geleitete, dem zur Erfassung der aus dem Filter austretenden Mengen an Spaltprodukten ein Totalfilter nachgeschljatet war. Bei den beiden Untersuchungen war der Gehalt an Spaltprodukten im Helium unterschiedlich hoch. Die Rohre besaßen eine Länge von 2370 mm, einen Außendurchmesser von 24,5 mm und eine Wandstärke von 1,65 mm. Die Temperatur des Helums

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betrug in beiden Fällen beim Eintritt in das Filter 75O°c , beim Austritt aus dem Filter 21O°C. Die Temperatur der Wandung der Rohre war während des Betriebes stabil und daher gut meßbar.

Während des Betriebes des Filters wurde die Strömung

des Heliums so eingestellt, daß ein Massendurchsatz von 15 Nm /Std. erzielt wurde. Die Betriebsdauer betrug bei der ersten Untersuchung 785 Stunden und bei der zweiten Untersuchung 1029 Stunden.

Zur Berechnung des Durchlaßkoeffizienten δ des Filters und somit der Effektivität des Filters wurden folgende Werte in die Beziehung I eingesetzt:

Für Cs-137; 1 - 3 = 0,2 °/oo; Q = 38 Cs-134; 1 - 3 = 0,1 °/oo; Q = 38 Ag-110m; 1 - 3 = 0,04 °/oo; Q = 50

und ω_ο = 1,308 10¹¹ _sec.~¹

Wegen des Temperaturgradienten im Rohr wurde das Filter für die Berechnung mittels der Beziehung I in mehrere Abschnitte unterteilt. Mittels der berechneten Durchlaßkoeffizienten 6 wurden für die während der vorgenannten Betriebsdauer durch das Filter gelangenden Spaltprodukte die integralen Aktivitätswerte in uCi ermittelt und mit den im Totalfilter gemessenen Werten verglichen. Nachstehend werden die berechneten und die experimentell ermittelten Werte einander gegenübergestellt.

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- VS -

Erste Untersuchung:

berechnet

gemessen

Cs-137	1 .00	berechnet	1.20
Cs-134 .	0.79	0,52	0.84
Ag-11Om	11,4	1,6	11,7
Zweite Untersuchung:	5,1
	gerne
Cs-137	0,59
Cs-134	1,7
Ag-11Om	5,6

Ausführungsbeispiel 3

Entsprechend den in Ausführungsbeispiel 2 beschriebenen Untersuchungen wurde ein aus einem Rohr aus rostfreiem Stahl X10 CrNiTi 189 (ältere Bezeichnung 4541) bestehendes Filter ^m^ den i^m Ausführungsbeispiel 1 angegebenen Werten für Durchmesser und Wandstärke, jedoch mit der Länge 140 cm untersucht. Die Temperatur des Gases beim Eintritt in das Filter betrug in beiden Fällen 625 C und beim Austritt aus dem Filter 210°C. Die Betriebsdauer betrug öl 8 bzw. 7 90 Stunden.

Zur Berechnung des Durchlaßkoeffizienten ξ wurden folgende Werte in die Beziehung I eingesetzt:

Für Cs-137
Cs-134
Ag-110m

und" ο

1 -ß =0,7 %o;

Q = 45 Kcal/Mol

1 -3 = 0,33°/oo; Q = 45 Kcal/Mol 1 -3 = 0,2 °/oo; Q = 28 Kcal/Mol

= ¹'³⁰⁸

^T·

sec

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-Vf-

Cs-1	37	2	,1
Cs-1	34	1	,07
Ag-1	10m		6,2

Es wurden folgende Ergebnisse erhalten.

Erste Untersuchung

berechnet gemessen

2,2

0,96

6,5

Zweite Untersuchung:

berechnet gemessen

Cs-137 1,92 2,1

Cs-134 1,03 1,1

Ag-110m 3,26 3,51

Ausführungsbeispiel 4

Es wurden die Konstruktionsdaten für ein in den Figuren 3 und 4 dargestelltes, aus parallel angeordneten Rohren bestehendes Filter für vorbestimmte Betriebsbedingungen ermittelt.

Wie aus Figur 3 hervorgeht, besteht das Filter aus einer Vielzahl von parallel und im gleichen Abstand voneinander angeordneten Rohren 1, die innerhalb einer den Hohlraum des Filters umschließenden Ummantelung 2 angebracht sind. Der Außendurchmesser der einzelnen Rohre des Rohrbündels ist d , der Innendurch-

messer der Rohre ist d. , die Länge der Rohre ist und der Innendurchmesser der Ummantelung D..

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_χζ 26Β53 I O

Wie aus den Figuren 3 und 4 ferner hervorgeht, werden die Rohre des Filters von dem zu reinigenden Gas sowohl innen durchströmt als auch außen umströmt.

Das zu reinigende Gas ist Helium, das die Spaltprodukte Cs-137 und Ag-110m enthält.

Die vorgesehenen Betriebsbedingungen sind:

Der Massendurchsatz des Heliums: m= 74,1 kg/Sek.

Die Temperatur des Heliums beim Eintritt in das

Filter: T = 95O°C.

Der Druck des Heliums: ρ = 40 bar.

Die vorgesehene Betriebsdauer t = 30 Jahre.

Als Materialien für die Rohre wurden hitzebeständige Stähle vorgesehen, die eine kubisch raumzentrierte Struktur aufweisen oder die, wie beispielsweise Incoloy-802 und Inconel-625, eine kubisch flächenzentrierte Struktur aufweisen. Für die vorgenannten Materialien beträgt der Penetrationskoeffizient für Cs-137 1-ß= 0,7 °/oo und für Ag-11Om 1-ß = 0,2°/oo. Für die binäre Diffusionskonstante, die zur Berechnung des StoffÜbergangskoeffizienten h herangezogen wird, gilt für T = 950° C und ρ = 40 bar.

⁰Cs-He ⁼ °'^{146 cm2}

^Dag-He ⁼ °'^{272 cm}

Die zur Berechnung der von der Decken-Zahl De benötigten Werte für h und St' ergaben sich aus dem VDI-Wärmeatlas.

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•co

Da im vorliegenden Fall die Bedingungen t ■> 1 und (λ + ^*) t > 2 ^ ζ t und ff

erfüllt sind, erfolgte die Berechnung der Konstruktionsdaten für das Filter nach der Beziehung III.

Unter der Voraussetzung, daß der

Durchlaßkoeffizientögewisse Werte (beispielsweise für Cs-137 6 χ 10 ) nicht überschreiten darf, wurden die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Konstruktionsdaten für das Filter errechnet. Dabei sind die Werte für d. und

d in mm und für D. und 1 in cm angegeben. N ist die Zahl a χ

der parallel angeordneten Rohre im Filter. Zusätzlich zu den Konstruktionsdaten sind der Wert für den Druckabfall im Filter in bar sowie die Werte für die jeweiligen Durchlaßkoeffizienten angegeben. Der Wert für Δ ρ wurde nach dem VDI-Wärmeatlas berechnet.

N	d.	5	d_fl	D.	1	δ	37	δ	10m	0,022
	X	4	a	X		Cs-1	10~⁶	Ag-1	10"³	0,025
65000	5	6,5	200	800	5,2	10"⁵	3,5	10"³	0,017
65000	5	6,5	200	800	4,7	10"⁷	5,2	ΙΟ"³	0,016
80000	6,5	220	800	4,1	10"⁴	1,1	10"³
80000	6,5	220	500	1,8		9,9
Ausführungsbeispiel	5

Wie in Ausführungsbeispiel 4 wurden die Konstruktionsdaten für ein aus parallel zueinander angeordneten Rohren bestehendes Filter für die gleichen Betriebsbedingungen jedoch für eine Eintrittstemperatur des

— 20—

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-2Q-

Gases von 3OO°C ermittelt.

Als Material für die Rohre wurde ferritrischer Stahl vom Typ 15 Mo03 vorgesehen. Für dieses Material haben der Penetrationskoeffizient die Desorptionsenergie folgende Werte und die binären Diffusionskonstanten folgende Werte:

Für	Cs-1	37	10m	1,	2 °/oo;
	1 —	ß ⁼		65	kcal/Mol
	Q	=	1,	308 10 ¹ T
und	ω _o	=
Für	Ag-1

⁰Cs-He ⁼ °'⁰³⁹ c^ see"¹

1 - β = 0,3 °/oo_; ⁰Ag-He ⁼ °'°^{72 cm2}/^Sek·

Q =52 kcal/Mol, und ω _o =1,308 ΙΟ¹¹ Τ Da im vorliegenden Fall die Bedingungen 2 \/7t « 1 und (λ + S) x t « 1

erfüllt sind erfolgte die Berechnung der Konstruktionsdaten für das Filter nach der Beziehung

Für die Durchlaßkoeffizienten 6 = 3,7 χ für Cs-137 undg = 4,7 χ 10 für Ag-110m wurden folgende Konstruktionsdaten ermittelt:

N = 65000 D. = 200 cm ^di = 0,5 cm 1 = 250 cm

d = 0,6 5 cm
a

Der Druckabfall beträgt Ap =0,01 bar.

-21-

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-VC-

Ausführungsbeispiel 6

Für die in Ausführungsbeispiel 5 angegebenen Betriebsbedingungen wurden die Konstruktionsdaten für ein aus einer Vielzahl von parallel und im gleichen Abstand zueinander angeordneten Stäben, die ebenso wie die Rohre in einer Ummanterlung angebracht sind, ermittelt. Dabei wurden für die in Ausführungsbeispiel 5 angegebenen Materialien folgende Werte erhalten:

Für die Durchlaßkoeffizienten δ = 4,1 χ für Cs-137 und <5 = 4,5 χ 10~¹⁵ für Ag-110m:

N = 65000 1 = 250 cm d = 0,65 cm

D. = 200 cm

Der Druckabfall beträgt Δ ρ = 0,021 bar.

Für die Durchlaßkoeffizienten δ = 2,3 χ

für Cs-137 undo = 2,5 χ 10~⁹ für Ag-110m beträgt bei den sonst gleichen Werten für N, d , D. und Δ ρ

a ι

die Länge 1 = 150 cm.

- 22 -

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Claims

Patentansprüche

1.) Filter zur Reinigung eines strömenden Gases von einer als atomare oder molekulare Teilchen vorliegenden Substanz, das einen zur Durchströmung mit dem Gas vorgesehenen, mit einer gasdichten Ummantelung umgebenen Hohlraum aufweist, in dem ein die Zurückhaltung der Teilchen durch Wechselwirkung mit den Teilchen bewirkendes Filtermaterial vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial aus einem Material mit möglichst hohem Rückhaltevermögen für die-Teilchen besteht und in geordneten Geometrien vorliegende, sich über die Länge 1 des Filtermaterials erstreckende Durchgänge für die Strömung des Gases aufweist, wobei die Länge 1 und der hydraulische Durchmesser d _ff so bemessen sind, daß bei vorgegebenem Druckverlust Δ P und vorgegebenem Filtervolumen das Produkt aus

■ . St'

^deff

ein Maximum ist; dabei sind

4V
d _ = ——— : hydraulischer Durchmesser in cm

1 : Länge 1 des Filtermaterials in cm

- 23 -

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^v _o : das innerhalb der Ummantelung im Bereich der Länge 1 nach Anordnung des Filtermaterials verbleibende Hohlraumvolumen in cm

F : die vom Gas benetzte Oberfläche des Filtermaterials in cm

St'= — : zweite Stanton-Zahl

h :· Stoffübergangskoeffizient in cm/sec ν : Strömungsgeschwindigkeit des Gases in cm/sec

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial vom Gas durchströmbare, in geordneten Geometrien vorliegende Kanäle aufweist.

3. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial rohrförmig ist und im Hohlraum so angeordnet ist, daß es vom Gas in Längsrichtung durchströmt und in Längs- oder Querrichtung umströmt wird.

4. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial stabförmig ist und im Hohlraum so angeordnet ist, daß es vom Gas in Längs- oder Querrichtung umströmt wird.

- 24 -

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_ Vi -

5. Filter nach einem der Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge 1 und der effektive freie Durchmesser

d _cc so bemessen und ein solches Material als er f

Filtermaterial vorgesehen ist, daß bei vorgesehenem, die Substanz enthaltendem Gas, bei vorgesehener Strömung des Gases und bei vorbestimmter, am Filtermaterial zurückzuhaltender Substanz für die vorgesehene Betriebszeit t des Filters der Durchlaßkoeffizient

der gleich dem Quotienten aus dem Teilchenstrom j (l,t) beim Eintritt in das Filtermaterial und dem Teilchenstrom j (l,t) beim Austritt aus dem Filtermaterial ist, einem vorgegebenen Wert entspricht, wobei

δ (lrt) = e"^De ist

n*\i

und wobei unter der Voraussetzung, daß

T< ι

für De die folgende Beziehung I gilt

_De=5i_ . Sf. ^- lnJe<t4>-^l/r' ^e"^{<X +}

- 25 -

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ORK3INAL INSPECTED

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De : von der Decken-Zahl (neu eingeführte Bezeichnung)

* τ Ι/τ

α = .α . 3,63 . 10° y ^ in cra/sec

α : Haftwahrscheinlichkeit für die Teilchen an der Oberfläche des Filtermaterial (α ungefähr gleich 1 bei Partialdrücken P ^10 atm, wenn keine Aktivierungsprozesse vorliegen)

A : Massenzahl der Teilchen T : Temperatur der Oberfläche des Filter

materials in K

r-3

α + h

in sec

-1

^ι=ω . e" R . τ I Desofptionskonstante in sec" j

.10 T in sec" ; Debye-Freguenz Desorptionsenergie in Cal/Mol universelle Gaskonstante in Cal/(°)Mol Zerfallskonstante für die Substanz jn sec" modifizierte Besselsche Funktion

h η, * 9 ß -1/7
St'. - in sec ^λ/ζ

(et + hr

Penetrationskoeffizient; die Wahrscheinlichkeit, daß die Teilchen irreversibel qebunden werden

- 26 -

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ω = ' Q R
λ ¹I ζ = 1-ß ■ο χ,. : J (χ) : 41 ^deff

vorgesehene Betriebsdauer des Filters Γ

β ₍ t-i, = f 1 «Γ t» i

o für t< -

* η . -1/2

η = ftrr- 1Π sec '

(l-S)o* . N_G
in cm/sec

N : Dichte der Teilchen im Gas in Atome/cm

φοο : die Teilchenzahl, die das vorgesehene

Material pro cm maximal aufnehmen kann_y in Atome/cm .

6. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß die vorgesehene Temperatur des Filtermaterials unterhalb von 400⁰C liegt, das Filtermaterial aus einem Material besteht, für das die Beziehungen

<" 1 ^und (λ + $*) χ t « 1

oder für radioaktive Substanzen die Beziehung

λ» 3

gelten und daß die Länge 1 und der hydraulische Durchmesser d ^- so bemessen sind, daß die von der Decken-Zahl nach der vereinfachten Beziehung

^l ei. ' Xl _TT

· öt . * 11

De - 3 *

eff α + h

einen vorgegebenen Wert erreicht.

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(ο

Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß die vorgesehene Temperatur des Filtermaterials oberhalb von 600⁰C liegt, das Filtermaterial aus einem Material mit einem möglichst großen Penetrationskoeffizienten besteht, für das die Beziehungen

²l/r~t ·> 1 und (λ + S) t > 2\j~Tt und jf > λ

gelten und daß die Länge 1 und der hydraulische Durchmesser d _,. so bemessen sind, daß die von der Decken-Zahl nach der vereinfachten Beziehung

_De = H- . st' ti-?) · «** III

^deff h + (1-5) . _a*

einen vorgegebenen Wert erreicht.

Filter nach einem der Ansprüche 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer möglichst langen Betriebszeit t mit gleichbleibendem kleinen Durchlaßkoeffizienten die Dicke des Filtermaterials so bemessen ist, daß für radioaktive Substanzen die Beziehung

und für nicht radioaktive Substanzen die Beziehung

ε »

gelten, wobei D der Diffusionskoeffizient für die Teilchen im Filtermaterial ist.

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9. Verwendung des Filters nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Reinigung des Kühlgases eines gasgekühlten Kernreaktors.

10. Verwendung des Filters nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter im Hauptgasstrom eines gasgekühlten Kernreaktors angeordnet ist.

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