DE2655310C3

DE2655310C3 - Filter zur Reinigung eines strömenden Gases von einer als atomare oder molekulare Teilchen vorliegenden Substanz

Info

Publication number: DE2655310C3
Application number: DE19762655310
Authority: DE
Inventors: Nicolaos 5170 Juelich Iniotakis
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1976-12-07
Filing date: 1976-12-07
Publication date: 1982-01-14
Also published as: JPH0146170B2; NL7713462A; GB1598083A; FR2384531B1; CH630536A5; ATA812877A; JPS5371688A; DE2655310A1; AT367652B; BE861567A; DE2655310B2; IT1089114B; FR2384531A1

Description

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

15

oder für radioaktive Substanzen die Beziehung

20

gelten und daß die Länge / und der hydraulische Durchmesser d_errnach der vereinfachten Beziehung

De = ^L-St'

^deff

25

κ*+ h

bemessen sind.

7. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß die vorgesehene Temperatur des Filtermaterials oberhalb von 6CO⁰C liegt, das Filtermaterial aus einem Material mit einem möglichst großen Penetrationskoeffizienten (1 - ß) besteht, für das die Beziehungen

2 |/Ct » 1 und (A + »*)t > 2 |/Tt und d* »Ά

gelten und daß die Länge / und der hydraulische Durchmesser d_ennach der vereinfachten Beziehung

De =

4/

St'

45

bemessen sind.

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

und für nicht radioaktive Substanzen die Beziehung

55

.

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

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

t>^r>

10. Verwendung des Filters nach Anspruch 9 im Hauptgasstrom des gasgekühlten Kernreaktors.

Die Erfindung bezieht sich auf ein 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, das aus einem Material besteht, welches in geordneten Geometrien vorliegende, sich über die Länge / des Filtermaterials erstreckende Durchgänge für die Strömung des Gases aufweist.

Bei den beispielsweise aus einem Prospekt der Fa. Krebsöge GmbH vom November 1970 und dem Bericht »Herstellung, Eigenschaften und Verwendung von synthetischen Zeolithen (Molekularsieben)« von W. Espe und C. Hybl aus »Vakuum-Technik, 14. Jhrg., Heft 4, Seiten 108 bis 114«, bekannten Filtern dieser Art besteht das Filtermaterial aus einer Schüttung eines beispielsweise körnigen Materials, das in der vom Gas durchströmten Ummantelung des Filters angeordnet ist. Dabei werden Schüttungen von Materialien verwendet, die eine möglichst große Oberfläche aufweisen, da man in Hinsicht auf die Zurückhaltung der Teilchen nur der Adsorption/Desorption der Teilchen auf der Oberfläche des Filtermaterials oder der chemischen Bindung der Teilchen Beachtung geschenkt hat Für die Auslegung des Filters, beispielsweise die Bestimmung der Länge / des durchströmten Filtermaterials, wird dabei von Erfahrungswerten ausgegangen, die mit dem vorgesehenen Filtermaterial vorliegen. Bei derartigen Filtern ist jedoch von Nachteil, daß die Schüttung hohen Druckverlust verursacht und die bekannten Filter daher im allgemeinen nicht in die Hauptleitung einer Anlage eingesetzt werden können.

Aus der DE-OS 24 40 130 ist ferner ein Filter bekannt, das aus einem Graphitkörper mit Kanälen besteht, deren Durchmesser im Bereich von einem bis einigen mm liegt. Dem bekannten Filter liegt dabei jedoch ebenso wie den vorgenannten bekannten Filtern die Überlegung zugrunde, daß die zurückzuhaltenden Teilchen, in diesem Falle radioaktives Cäsium, Strontium oder Silber, auf der Oberfläche der Filterkanäle, also auf der Oberfläche des durch das Gas benetzten Graphits abgelagert bzw. adsorbiert werden, so daß auch bei diesem Filter die Nachteile in Kauf genommen werden müssen, die sich, beispielsweise bei höheren Betriebstemperaturen, infolge einer geringeren Adsorptionsfähigkeit des Filtermaterials ergeben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Filter zur Reinigung eines strömenden Gases von einer als atomare oder molekulare Teilchen vorliegenden Substanz zu schaffen, das einen möglichst geringen Widerstandsbeiwert für die Strömung des Gases, gleichwohl aber eine hohe, durch möglichst optimale Ausnutzung aller für die Wechselwirkung der zurückzuhaltenden Teilchen mit dem Filtermaterial maßgebenden Materialeigenschaften des Filtermaterials erzielte Effektivität aufweist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem Filter der eingangs bezeichneten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Filtermaterial aus einem Material mit möelichst hohem Rückhaltevermö-

gen für die Teilchen besteht und daß die Länge /und der hydraulische Durchmesser d_enso bemessen sind, daß bei vorgegebenem Druckverlust Ap und vorgegebenem Filtervolumen das Produkt aus

■S·

»eff

ein Maximum ist; dabei sind

4 V derr — —γ-: hydraulischer Durchmesser in cm

10

die Länge /des Filtermaterials in cm
das innerhalb der Ummantelung im Bereich der Länge / nach Anordnung des Filtermaterials verbleibende Hohlraumvolumen in cm³

die vom Gas benetzte Oberfläche des Filtermaterials in cm²

zweite Stanton-Zahl

Stoffübergangskoeffizient in cm/sec
Strömungsgeschwindigkeit des Gases in cm/sec

20

Um eine möglichst weitgehende Anpassung des Filters gemäß der Erfindung an vorgegebene Betriebsbedingungen zu erzielen, können dabei mehrere Filter unterschiedlicher Abmessungen, die sich außerdem im Werkstoff für das Filtermaterial unterscheiden, untersucht werden, 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 durchströmbare, in geordneten Geometrien vorliegen- J5 de Kanäle aufweist oder daß das Filtermaterial rohrförmig ist und im Hohlraum so angeordnet ist, daß es vom Gas in Längsrichtung durchströmt wird. Auch kann 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 zur Erzielung eines vorgegebenen Rückhaltevermögens des Filters und damit zur Erzielung des vorgegebenen Wertes für den Durchiaßkoeffizienten ό unter Berücksichtigung der Beziehungen

zuhaltender Substanz für die vorgesehene Betriebszeit t des Filters

eine hinreichend große Haftwahrscheinlichkeit λ für die Teilchen an der Oberfläche des Filtermaterials aufweist,

für das die Desorptionskonstante # hinreichend klein ist und

für das der Penetrationskoeffizient (1— ß) und somit die Wahrscheinlichkeit, daß die Teilchen nicht an der Oberfläche des Filtermaterials bleiben, sondern in das Filtermaterial selbst eindringen und dort irreversibel gebunden werden, hinreichend groß ist,

wobei für das Filtermaterial die Sättigungsmenge Φ 00 und die Diffusionskonstante D so groß sind, daß das Produkt aus

-lth-N_e ₇
Φ χ |,S ''

kleiner als 1 ist;
dabeisind:

λ* = λ · 3,63 10¹I — in cm/sec
I Λ

A: Massenzahl der Teilchen

T: Temperatur der Oberfläche des Filtermaterials in ⁰K

in see

I) = O₀ -e RT (Desorptionskonstante in see ')
,„₀ = ^ 1,308 ■ 10" Tin sec"¹; Debye-Frequenz

Q: Desorptionsenergie in Cal/Mol

R: universelle Gaskonstante in CaFf") Mol

/.: Zerfallskonstante für die Substanz in see"¹

Z₁(X): modifizierte Besselsche Funktion

- in see

= JiL-Sr--^ In Wr-Λ

d_eff ** + h \ V v)

[: —— Λ(2|^)

(i)

60

a) die Länge /und der hydraulische Durchmesser den bemessen sind und

b) als Filtermaterial ein solches Material vorgesehen ist, das bei vorgesehenem, die Substanz enthaltendem Gas, bei vorgesehener Strömung des Gases und bei vorbestimmter, am Filtermaterial zurück-"'ff

1 für ί > ρ

0 für t < -ν

N_a: Dichte der Teilchen im Gas in Atome/cm³
Φ-χ.: die Teilchenzahl, die das vorgesehene Material pro cm³ maximal aufnehmen kann, in Atome/ cm³

Der Wert für die Haftwahrscheinlichkeit α ist ungefähr gleich 1 bei Partialdrücken P<10-¹⁰arm, wenn keine Aktivierungsprozesse vorliegen.

Der Durchlaßkoeffizient δ (/, t) ist gleich dem Quotienten aus dem Teilchenstrom j (0, t) beim Eintritt in das Filtermaterial und dem Teilchenstrom j (I, t) beim Austritt aus dem Filtermaterial.

Bei der Bezeichnung De handelt es sich um eine neu eingeführte Bezeichnung, die sogenannte von-der-Dekken-Zahl.

Bei der zuletzt angegebenen Ausführungsform des Filters gemäß der Erfindung ist nicht nur die Haftwahrscheinlichkeit des Filtermaterials für die zu filternden Stoffe, sondern auch die Eigenschaften des Filtermaterials, die Stoffe in sich aufzunehmen, also dessen Aufnahmefähigkeit für die zu filternden Teilchen, berücksichtigt. Mit anderen Worten: Gemäß der durch die Erfindung gegebenen Lehre ist sowohl bei der Auswahl des Filtermaterials als auch bei der Auslegung des Filters die Diffusion der Teilchen in das Filtermaterial berücksichtigt. Die Erfindung ergibt dabei die Möglichkeit, auch andere als bisher übliche Filtermaterialien, nämlich beispielsweise Metall, als Filtermaterial einzusetzen. Die Beschaffenheit des Filters entspricht dabei bei vorgegebenen Betriebsbedingungen einer bestimmten Forderung hinsichtlich einer noch zu tolerierenden Durchlaßmenge der zu filternden Stoffe für eine vorgesehene Betriebszeit. Dabei ist das Filter r> gemäß der Erfindung je nach dessen Auslegung auch bei Temperaturen oberhalb von 400⁰C bis etwa 1000⁰C einsetzbar.

Das Filter gemäß der zuletzt angegebenen Ausführungsform ist in optimaler Weise an die gestellten jo Bedingungen und somit auch an die Besonderheiten einer Anlage angepaßt. Die das Filter bestimmenden Größen sind dabei so bemessen, daß die von-der-Dekken-Zahl möglichst groß ist oder zumindest den Wert erreicht, der zur Erzielung des vorgegebenen Wertes für r, den Durchlaßkoeffizient erforderlich ist. Unter Zugrundelegung der vorgenannten mathematischen 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 ό und somit die gleiche von-der-Decken-Zahl aufweisen. Es ist daher auch möglich, ausgehend von einer einfachen 4> 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 €l lllltlClt.

Eine weitere Ausführungsform des Filters gemäß der Erfindung besteht außerdem darin, daß für den Fall, daß die vorgesehene Temperatur des Filtermaterials unterhalb von 400° C liegt, das Filtermaterial aus einem Material besteh i, für das die Beziehungen

Durchmesser darnach der vereinfachten Beziehung

De= "-^d

bemessen sind. Bei einem Filter dieser Ausführungsform wird das Adsorptions-Desorptions-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 / und ein nach der Beziehung II 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 ö entweder möglichst klein ist oder einem vorgesehenen Wert entspricht.

Eine weitere Variante des Filters gemäß der Erfindung besteht darin, daß für den Fall, daß die vorgesehene Temperatur des Filtermaterials oberhalb von 600°C liegt, das Filtermaterial aus einem Material mit einem möglichst großen Penetrationskoeffizienten (1 —ß) besteht, für das die Beziehungen

2 [Tt » 1 und (/. + II*) t > 2 [Tt und I)* » ;.

(III)

bemessen sind. Bei dieser Variante des Filters gemäß der Erfindung wird das Adsorptions-Desorptions-Gleichgewicht für die Haftung der Teilchen auf der Oberfläche des Filtermaterials 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 <5 den vorgegebenen Wert erreicht. Je nach Wahl des Filtermaterials und den Abmessungen des Filters erzielt ein solches Filter auch bei hohen Temperaturen bis zu 1000° C eine hohe Wirksamkeit.

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

und für nicht radioaktive Substanzen die Beziehung

a) 2 ]jTt«: 1 und (/ + 9*)xt <s: 1 _Μ oder für radioaktive Substanzen die Beziehung

b) λ » ϋ*

gelten und daß die Länge / und der hydraulische gelten, wobei D der Diffnsionskoeffizient 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 hierbei 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 Kühleinrichtung. Eine weitere, sehr vorteilhafte Verwendung des Filters gemäß der Erfindung besteht darin, daß das Filter im Hauptgasstrom eines gasgekühlten Kernreaktors angeordnet ist, wodurch sich erstmals die Möglichkeit ergibt, die im Kühlgas des Reaktors befindlichen radioaktiven Teilchen gezielt bei hohen Temperaturen in das Filtermaterial eindringen zu lassen, wo sie nach Außerbetriebnahme des Filters und damit nach dessen Abkühlung sicher eingeschlossen sind. Diese Eigenschaft des Filters gemäß der Erfindung ist im Rahmen seiner Verwendung .bei einem gasgekühlten Kernreaktor in Hinsicht auf eine für die Umgebung gefahrlose Handhabung und Lagerung von radioaktiv verseuchten Reaktorkomponenten von großer Bedeutung.

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 zeigt:

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

F i g. 2 in einer graphischen Darstellung den Durchlaßkoeffizienten ό 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 Betriebsbcdir.gungen vorgesehen sind.

Dabei zeigt

F i g. 3 einen Längsschnitt durch ein aus einem Bündel parallel gerichteter Rohre bestehendes Filter,

Fig.4 einen Querschnitt durch das Filter gemäß Fig. 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 7=800 cm und den Durchmesser d= 1 dm. Der Bereich des in Betracht gezogenen Massendurch-

60

65 satzes beträgt 10~² bis 12 g/Sek. Als Gas- und zugleich Wandtemperatur des Rohres wird 950⁰C 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-j3 = O,7%o und l-ß = 100% vorausgesetzt. Während der Wert von O,7%o bei Cs-137 für Materialien mit kubisch flächenzentriertem Gitter charakteristisch ist, bedeutet der Penetrationskoeffizient von 100%, daß das eingesetzte Material ein perfekter »Diffusor« ist.

Zur anschaulichen Darstellung der Charakteristik des Filters wird der Massendurchsatz mit einem Parameter K variiert, der durch die Beziehung festgelegt wird

m = Kx. iho,

wobei ίήο 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= KxRe₀.

Dabei bedeutet Re₀ die Reynolds-Zahl beim Massendurchsatz /ho.

Wie aus den graphischen Darstellungen in den F i g. 1 und 2 hervorgeht, weist die Filtercharakteristik bei einem Wert für K=O,O77 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 Λ oder die Stanton-Zahl Si' beim Übergang von turbulenter zu laminarer Strömung ebenfalls eine Diskontinuität aufweist. Die Sprunghöhe ist dabei abhängig von der Geometrie, das heißt vom Verhältnis l/dund 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 au· den graphischen Darstellungen ergibt, liegen diese Minimal- bzw. Maximalwerte im Bereich der stark laminaren Strömung und im Übergangsbereich etwa bei Reynolds-Zahlen zwischen 2500 und 5000. Bei der 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 nar für den betreffender. 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-IlOm enthaltender Heliumgasstrom

durch ein Rohrstück aus 99,5%igem Titan geleitete, dem zur Erfassung der aus dem Filter austretenden Mengen an Spaltprodukten ein Totalfilter nachgeschaltet 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 Heliums betrug in beiden Fällen beim Eintritt in das Filter 75O°C, beim Austritt aus dem Filter 210⁰C.

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 NmVStd. erzielt wurde. Die Betriebsdauer betrug bei der ersten Untersuchung 785 Stunden und bei der zweiter. Untersuchung 1029 Stunden.

Zur Berechnung des Durchlaßkoeffizienten <5 des Filters und somit der Effektivität des Filters wurden folgende Werte in die Beziehung I eingesetzt:

Für Cs-137; 1 -ß = 0,2%o; Q = 38 ^

Cs-134; 1 -0 = 0,1700; β = 38

kcal
MÖT

Iff al

Ag-110m; 1 - ft = 0,047«,; Q = 50 ^j

-0= 1,308

	berechnet	gemessen
Cs-137 Cs-134 Ag-IlOm	1,00 0,79 11,4	1,20 0,84 11,7
	berechnet	gemessen
Cs-137 Cs-134 Ag-IlOm	0,52 Ι,ό 5,1	0,59 U 5,6

20

Wegen des Temperaturgradienten im Rohr wurde das Filter für die Berechnung mittels der Beziehung I in mehrere Abschnitte unterteilt. Mittels der berechneten Durchlaßkoeffizienten ό 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.

Erste Untersuchung:

45

60

Ausführungsbeispiel 3

Entsprechend den in Ausführungsbeispiel 2 beschriebenen Untersuchungen wurde ein aus einem Rohr aus rostfreiem Stahl XlO CrNTTi 189 (ältere Bezeichnung 4541) bestehendes Filter mit den im 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 818 bzw. 790 Stunden.

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

Für Cs-137 1 -ß = 0,7%o; Q = 45 Kcal/Mol Cs-134 \-ß = O,33%o; Q = 45 Kcal/Mol ίο Ag-110 m 1-/3 = O,2%o; Q = 28 Kcal/Mol undωο = 1,308 10¹¹T- see-'

Es wurden folgende Ergebnisse erhalten. Erste Untersuchung:

berechnet

gemessen

Cs-137 2,1

Cs-134 1,07

Ag-IlOm 6,2

Zweite Untersuchung:

2,2

0,96

6,5

berechnet

gemessen

Cs-137

Cs-134

Ag-IlOm

1,92 2,1

1,03 1,1

3,26 3,51

Ausführungsbeispiel 4

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

Wie aus Fig. 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 Rohrbündeis ist d* der Innendurchmesser der Rohre ist d„ die Länge der Rohre ist /und der Innendurchmesser der Ummantelung D₁.

Wie aus den F i g. 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= 950⁰C
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 IncoIoy-802 und Inconel-625, eine kubisch flächenzentrierte Struktur aufweisen. Für die vorgenannten Materialien beträgt der Penetrationskoeffizient für Cs-137 l-jj=0,7%ound für Ag-IlOm l-jJ=O,2%o. Für die binäre Diffusionskonstante, die zur Berechnung des

Stoffübergangskoeffizienten h herangezogen wird, gilt für r=950°Cundp=40bar.

Aä-He = 0,146 cmVSek.

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

Da im vorliegenden Fall die Bedingungen

2 ]ß3s> 1 und(A + 0*)r>2 \[ζϊ und ϋ* » /
erfüllt sind, erfolgte die Berechnung der Konstruktionsdaten für das Filter nach der Beziehung HL

Unter der Voraussetzung, daß der Durchlaßkoeffizient δ gewisse Werte {beispielsweise für Cs-137 6XlO-⁶) nicht überschreiten darf, wurden die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Konstruktionsdaten für das Filter errechnet Dabei sind die Werte für d,- und d_a in mm und für Diund /in cm angegeben. Af ist die Zahl der parallel angeordneten Rohre im Filter. Zusätzlich zu den Konstruktionsdaten sind der Wert für den Druckabfall Ap im Filter in bar sowie die Werte für die jeweiligen Durchlaßkoeffizienten angegeben. Der Wert für Ap wurde nach dem VDI-Wärmeatlas berechnet.

N	di	da	Di	/	δ	δ	Ap
					Cs-137	Ag-IlOm
65 000	5	6,5	200	800	5,2 10"⁶	3,5 10~³	0,022
65 000	4	6,5	200	800	4,7 IO"⁵	5,2 W'³	0,025
80 000	5	6,5	220	800	4,1 10"⁷	1,1 10"³	0,017
80 000	5	6,5	220	500	1,8 10~⁴	9,9 10"³	0,016

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 Gases von 300⁰C ermittelt.

Als Material für die Rohre wurde ferritrischer Stahl vom Typ 15 Mo3 vorgesehen. Für dieses Material haben der Penetrationskoeffizient die Desorptionsenergie Q folgende Werte und die binären Diffusionskonstanten folgende Werte:

Für Cs-137

\-ß = l,2%o; Ar₅-Hc
Q = 65 kcal/Mol

und ω₀ = 1,308 10" Γ-sec-'

Für Ag-IlOm

0,039 cmVSek.

\-ß
Q
und ωο

O,3%o; D
= 52 kcal/Mol
= 1,308 10" T

₆-Hc = 0,072 cmVSek.

Da im vorliegenden Fall die Bedingungen
2 |/:r ■*: 1 und (/ + »*)xt <c 1

Cs-137 und ό=4,7 χ 10-⁴ für Ag-110m wurden folgende Konstruktionsdaten ermittelt:

erfüllt sind, erfolgte die Berechnung der Konstruktionsdaten für das Filter nach der Beziehung II.
Für die Durchlaßkoeffizienten Λ = 3,7χ10-³ für JV

65 000
0,5 cm
0,65 cm
200 cm
250 cm

Der Druckabfall beträgt Ap = 0,01 bar.

Ausführungsbeispiel 6

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

Für die Durchlaßkoeffizienten ό = 4,1 χ 10-'° für ' Cs-137 und ό = 4,5 χ 10-¹⁵WrAg-110m:

JV = 65000
d_a = 0,65 cm
D, = 200 cm
/ = 250 cm

Der Druckabfall beträgt Ap = 0,021 bar.

Für die Durchlaßkoeffizienten 6 = 2,3x10-'' für Cs-137 und <5 = 2,5x 10-⁹für Ag-IIOm beträgt- beiden sonst gleichen Werten für JV, d_a, D, und Ap — die Länge /=150 cm.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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 eine· gasdichten Ummantelung umgebenen Hohlraum aufweist, in dem ein die Zurückhaltung der Teilchen durch Wechselwirkung mit den Teilchen bewirkendes, Filtermaterial vorgesehen ist, das aus einem Material besteht, welches in geordneten Geometrien vorliegende, sich über die Länge /des Filtermaterials erstreckende Durchgänge für die Strömung des Gases aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial aus einem Material mit möglichst hohem Rückhaltevermögen für die Teilchen besteht und daß die Länge / und der hydraulische Durchmesser d_eff so bemessen sind, daß bei vorgegebenem Druckverlust Ap und vorgegebenem Filtervolumen das Produkt aus

"eff

Sf

25

ein Maximum ist; dabei sind

4 Vr.

deft = —p²- : hydraulischer Durchmesser in cm

/.· die Länge /des Filtermaterials in cm

V₀: das innerhalb der Ummantelung im

bereich der Länge / nach Anordnung des Filtermaterials verbleibende Hohlraumvolumen in cm³
F: die vom Gas benetzte Oberfläche des

Filtermaterials in cm² π

St' = -: zweite Stanton-Zahl

h: Stoifübergangskoeffizient in cm/sec

v: 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 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtermaterial stabförmig ist und im Hohlraum so angeordnet ist, daß es vom Gas in Längs- und Querrichtung umströmt wird.

5. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines vorgegebenen Rückhaltevermögens des Filters und damit zur Erzielung des vorgegebenen Wertes für den Durchlaßkoeffizienten δ unter Berücksichtigung der Beziehungen

Λ* + /l

K- i)

40

45

60

a) die Länge / und der hydraulische Durchmesser c/_erfbemessen sind und

b) als Filtermaterial ein solches Material vorgesehen ist, das bei versehenem, die Substanz enthaltendem Gas, bei vorgesehener Strömung des Gases und bei vorbestimmter, am Filtermaterial zurückzuhaltender Substanz für die vorgesehene Betriebszeit f des Filters

eine hinreichend große Haftwahrscheinlichkeit λ für die Teilchen an der Oberfläche des Filtermaterials aufweist,
für das die Desorptionskonstante # hinreichend klein ist und

für das der Penetrationskoeffizient (1 —ß) und somit die Wahrscheinlichkeit, daß die Teilchen nicht an der Oberfläche des Filtermaterials bleiben, sondern in das Filtermaterial selbst eindringen und dort irreversibel gebunden werden, hinreichend groß ist,
wobei für das Filtermaterial die Sättigungsmenge Φ oo und die Diffusionskonstante D so groß sind, daß das Produkt aus

0CC \fD

kleiner als 1 ist;
dabeisind:

oc* = <%· 3,63 ·10³|/ί- in cm/sec
V A

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

/> = <ij|)-e Rf(Desorptionskonstanteinsec ') f-i₀ = -1,308 ■ 10" T in see"¹; Debye-Frequenz

Q: Desorptionsenergie in Cal/Mol
R: universelle Gaskonstante in Cal/(°)Mol
A: Zerfallkonstante für die Substanz in see"¹
(x): modifizierte Besselsche Funktion

4/

^liff

hx*#ß .
(«* + hf

1 für r > -

0 für r < -

I'

N₀: Dichte der Teilchen, die das vorgesehene Material pro cm³ maximal aufnehmen kann in Atome/cm³

Φ κ: die Teilchenzahl, die das virgesehene Material pro cm³ maximal aufnehmen kann, in Atome/cm³ ι