DE2709171A1

DE2709171A1 - Misch- und verteilvorrichtung fuer gase von hoher temperatur

Info

Publication number: DE2709171A1
Application number: DE19772709171
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr Ing Lukaszewicz; Ulrich Dr Ing Mueller-Frank; Herbert Dr Ing Reutler
Original assignee: Ght Hochtemperaturreak Tech
Current assignee: Ght Hochtemperaturreak Tech
Priority date: 1977-03-03
Filing date: 1977-03-03
Publication date: 1978-09-07
Also published as: JPS6118713B2; FR2382264B1; CH627870A5; JPS53110168A; GB1593462A; DE2709171C2; US4257845A; FR2382264A1

Description

Gesellschaft für Ilochtemperaturreaktor-Technik mbH 50t>0 bergisch Gladbach 1

Misch- und Verteilervorrichtung für Gase von hoher Temperatur

Die vorliegende ürfindung betrifft eine Mischvorrichtung für tieiße Gase, insbesondere für einen gasgekühlten Kugelhaufenreaktor, dessen WiIrme beispielsweise für chemische Prozesse genutzt werden soll. Einige chemische Prozesse laufen nur bei sehr hohen Temperaturen im Bereich von ca. 1000 C mit genügender Ausbeute ab. Ua die Festigkeit der verwendbaren Merkstoffe oberhalb dieser Temperatur erheblich nachläßt und Temperaturunterschiede, insbesondere ausgeprägte Gassträhnen mit Über- oder Untertemperatur, nicht zu vermeiden sind, sollen die Nachteile solcher Gassträhnen durch Vermischung mit dem übrigen Gasstrom vermieden werden, Bei gasgekühlten Kugelhaufenreaktoren sind diese Probleme von besonderer Bedeutung. Einerseits ist die Oberfläche einer Kugelschüttung naturgemäß uneben, andererseits wird die Unterseite einer solchen KugelschUttung durch einen oder mehrere Trichter begrenzt, die die abgebrannten Brennstoffkugeln zu einer oder mehreren Kugelabzügen leiten sollen. Die sich daraus ergebenden Unterschiede hinsichtlich der Länge der Strömungswege in der Kugelschüttung führen zu unterschiedlichen Aufheizspannen des Kühlgases und damit zu Temperatursträhnen. Weitere Ursachen für unterschiedliche Gasaustrittstemperaturen sind das radiale Leistnngsdichteprofil sowie AbsorberstabeinflUsse und Randeffekte an der Behälterwand. Mit Rücksicht auf die begrenzte tindringtiefe der Absorberstäbe und eine wirtschaftlich vertretbare Leistung der Gebläse wird bei den geplanten Kugel-

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haufenreaktoren großer Leistung im Vergleich zu Reaktoren kleinerer Leistung nur der Durchmesser der Kugelschüttung bei gleichbleibender Uöiie vergrößert, wodurch die Ausbildung von Temperatur-Strähnen begünstigt wird. Neuere Versuche haben gezeigt, daß sich diese Temperatursträhnen bis zum Wärmetauscher fortsetzen und dort Störungen verursachen bzw. deren Lebensdauer herabsetzen können. Gasgekühlte Kugelhaufenreaktoren, in denen diese ürfindung angewandt werden kann, sind in den deutschen üffenlegungsschriften 24 08926.7 und 24 56 405 beschrieben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Mischvorrichtung mit großem Durchmesser/Höhen-Verhältnis zum Ausgleich von Temperatursträhnen. Für gasgekühlte Kugelhaufenreaktoren soll diese Mischvorrichtung die senkrecht von oben anströmenden Gase außerdem in waagerechte Richtung umlenken und auf mehrere, über den Umfang verteilte Gaskanäle aufteilen. Soweit diese Kugelhaufenreaktoren durch Zugabe einer Vielzahl von kleinen Kugeln aus einem absorbierenden Material in kernphysikalischem Sinne abgeschaltet werden sollen, ist es außerdem Aufgabe der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung, diese Absorberkugeln zu einem oder mehreren über den Querschnitt verteilten Abzügen zu leiten.

In den Zeitschriften: "Verfahrenstechnik" (1970) Nr. auf den Seiten 538 bis 543 und "Chemie·Ingenieurtechnik" (1972) Nr. 18 auf den Seiten 1051 bis 1056 wird über die turbulente Mischung in Rohren berichtet. In diesen beiden Artikeln wie auch in den dort angegebenen Literaturstellen werden zahlreiche unterschiedliche metallische Einbauten in Rohrleitungen beschrieben, die durch Umlenkung, Rotation und anschließende Gleichrichtung, durch Drosselung und andere Maßnahmen unterschiedliche Gassträhnen homogenisieren. Diese Vorrichtungen sind aber weder für Gastemperaturen von ca. 1000 ⁰C noch für die hier vorgesehenen Abmessungen geeignet. Die vorliegende Erfindung geht aus von dem Gedanken, daß bei diesen hohen Gastemperaturen

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auch die Mischvorrichtung selbst und ihre Umgebung weitgehend vor schädlichen Temperatunli t'ferenzen geschützt werden muli. Außerdem soll durch die Anordnung dieser Mischvorrichtung unmittelbar nach der Kugelschüttung vermieden werden, , daß eine zu einer getrennten Mischvorrichtung führende Rohrleitung bereits durch Temperaturdifferenzen belastet wird.

Die im ersten Anspruch vorgeschlagene Mischvorrichtung verteilt das heiße Gas auf eine große Anzahl von Kanälen, die in jeder Schicht mit anderen Kanälen zusammengeführt und anschließend erneut aufgeteilt werden. Durch diese mehrfache Umlenkung, Zusaminenführung und erneute Aufspaltung werden Temperaturunterschiede über den Querschnitt sehr schnell ausgeglichen. Durch die vorgeschlagene Aufteilung auf zahlreiche Blöcke in mehreren Schichten ist jeder einzelne Block nur geringen Temperaturdifferenzen und damit auch nur geringen Temperaturspannungen ausgesetzt. Da jeder Block von mehreren Kanälen durchzogen ist, sind auch zwischen Außen und Innen keine wesentlichen Temperaturdifferenzen zu erwarten. Durch die vorgeschlagene Begrenzung des Raumes, in dem die hohe Temperatur entsteht, wird nicht nur Raum gespart sondern auch jegliche Rohrleitung vermieden, die ihrerseits wieder durch Temperaturdifferenzen belastet wäre.

Die im zweiten Anspruch vorgeschlagenen blöcke sind mit einem rechteckigen Querschnitt für rechteckige Behälter, mit einem trapezförmigen Querschnitt für runde oder polygonförmige Behälter bestimmt. Wenn man, wie vorgeschlagen, von jeder der acht Ecken einen Kanal zu einem zentralen Punkt des Blockes führt, ist sichergestellt, daß die Kanäle jeweils mit den entsprechenden Kanälen der benachbarten Blöcke verbunden sind und die für eine gute Mischung

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erforderliche Verzweigung und Zusammenführung der Kanäle gewährleistet ist. Durch die zu einem zentralen Punkt etwa in der Mitte des Blockes zusammenlaufenden Kanäle wird erreicht, daß der Block bei Temperaturänderungen sehr schnell und mit nur geringen Temperaturdifferenzen auch von innen erwärmt wird.

Der im dritten Anspruch vorgeschlagene Block stellt eine besonders wirtschaftlich herzustellende Ausgestaltung des bereits beschriebenen Blockes dar. Mit nur vier geradlinigen Bohrungen werden jeweils zwei räumlichdiagonal gegenüberliegende Ecken des Blockes durch Kanäle verbunden.

Der im vierten Anspruch vorgeschlagene Block stellt einen Sonderfall der im zweiten und dritten Anspruch beschriebenen Blöcke dar. Wenn man zwei dieser Blöcke umgekehrt aufeinanderlegt, entsteht wieder ein Block von größerer Abmessung, bei dem wieder von jeder Ecke ein Kanal zur Mitte verläuft. Selbstverständlich kann man diesen Block auch noch in kleinere Einheiten aufteilen.

Mit der im fünften Anspruch vorgeschlagenen Mischvorrichtung kann man eine über den Querschnitt unterschiedliche Geschwindigkeitsverteilung in gewünschter Weise verändern. Wenn beispielsweise am Umfang der Mischvorrichtung wegen der dort wesentlich kürzeren Kanäle eine höhere Strömungsgeschwindigkeit als in der Mitte zu erwarten ist, dann kann man dies durch entsprechend geringere Kanaldurchmesser ausgleichen. Durch radial nach außen abnehmende Kanaldurchmesser in den oberen Blöcken kann man die Gasströmung vom Umfang mehr zur Mitte der Mischvorrichtung leiten.

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Der im sechsten Anspruch vorgeschlagene Boden für einen gasgekühlten Kugelhaufenreaktor dient erfindungsgemäß gleichzeitig als Misch- und VerteiHängevorrichtung. Damit die Brennstoffkugeln nicht den Querschnitt eines Kanals versperren und auch nicht in der Kanalöffnung liegenbleiben können, erhält jeder Block, der unmittelbar an die Kugelschüttung angrenzt, eine große Anzahl von parallelen Kanälen, deren Abmessung wesentlich kleiner ist als der Durchmesser der Brennstoffkugeln. Unterhalb dieser zahlreichen kleinen Kanäle ist jeweils eis Sammelraum vorgesehen, der mit den größeren Kanälen des darunterliegenden Blockes in Verbindung steht. Da diese unmittelbar an die Kugelschüttung angrenzenden Blöcke den höchsten Temperaturen und damit auch den höchsten Temperaturdifferenzen ausgesetzt sind, ist es zweckmäßig, wenn diese Blöcke aus einem besonders hochwertigen Material hergestellt werden.

Der im siebten Anspruch vorgeschlagene Boden betrifft einen gasgekühlten Kugelhaufenreaktor, der notfalls durch Zugabe zahlreicher Absorberkugeln von oben in kernphysikalischem Sinne abgeschaltet werden soll. Diese Absorberkugeln haben einen wesentlich kleineren Durchmesser als die Brennstoffkugeln und rieseln dementsprechend durch die Zwischenräume zwischen den Brennstoffkugeln nach unten und auch in den Boden beziehungsweise die Mischvorrichtung. Damit diese Absorberkugeln zum WiederMnfahren des Reaktors restlos aus der¹ Kugelschüttung und aus der Mischvorrichtung entfernt werden können, sind die untersten Kanäle der Mischvorrichtung jeweils zur Mitte des Reaktors oder zu einem von mehreren über den Querschnitt verteilten Abzügen geneigt, so daß die Absorberkugeln zunächst durch die Mischkanäle und dann durch die untersten geneigten Kanäle abfließen können.

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Die Figuren 1 - 10 zeigen mögliche Ausführungsbeispiele der Lrfindung.

Figur 1 zeigt einen senkrechten radialen Schnitt durch den linken unteren Teil eines gasgekühlten Kugelhaufenreaktors, der von oben nach unten von Helium durchströmt werden soll.

Figur 2 zeigt einen waagerechten Schnitt z. T. durch eine Schicht von blöcken und zum Teil zwischen zwei Schichten von Blöcken.

Üie Figuren 3-10 zeigen einzelne Blöcke für die erfindungsgemäßen Mischvorrichtungen.

In Figur 1 sind zahlreiche Schichten von Blöcken von unten nach oben fortlaufend von 1 bis IS numeriert und von der Mitte nach außen mit Buchstaben von a bis i bezeichnet, so daß die Lage eines jeden Blockes durch eine Kombination einer Zahl und eines Buchstabens definiert ist. Oberhalb der Blöcke 11a bis 9d bzw. der Blöcke 8e bis 11h befindet sich beim Betrieb des Reaktors eine Schüttung von nicht gezeichneten brennstoffkupeln, die durch Helium, und zwar von oben nach unten, gekühlt werden. Diese Brennstoffkugeln werden, wie in den angegebenen Offenlegungsschriften beschrieben, durch hier nicht gezeichnete Kanäle unterhalb des Blockes tid nach unten abgezogen. Die Blöcke 11a bis 9d und 8e bis 10g haben zahlreiche senkrechte parellele Gaskanäle, deren Abmessung aber so klein ist, daß weder die tirennstoffkugeln in sie eindringen noch überhaupt in ihrer Öffnung liegenbleiben können. Die an der Seitenwand angeordneten Blöcke 11h und 11i bis ISh und 1Si haben keine Gaskanäle und dienen zum Schutz der Seitenwandelemente 20 vor hohen Temperaturen und vor der direkten Einwirkung der Strahluni*. Unterhalb der mit zahlreichen senkrechten

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parallelen Gaskanälen versehenen Blöcke ist jeweils ein Gassamme 1raum vorhanden, von dessen Mitte jeweils vier schräge Gaskanüle zu den darunterliegenden vier Ecken eines Blockes, beispielsweise 10b oder 9c verlaufen. Die darunterliegenden Blöcke, beispielsweise 9b und 8c naben jeweils von allen ihren 8 Lcken je einen Kanal zu ihrer Mitte, der zwangsläufig mit den entsprechenden Kanülen benachbarter oder darunterliegender blöcke in Verbindung steht. Durch diese mehrfache Aufteilung, Umlenkung und Wiederzusammenführung von Teilströmen werden unterschiedliche Gastemperaturen schnell ausgeglichen. Außerdem wird das Heißgas durch die zahlreichen diagonalen Kanäle zu einer ringförmigen Sammelkammer geleitet. Von dort strömt es zu mehreren über den Umfang verteilten Gaskanälen 21. In der ringförmigen Sammelkammer Il sind zwischen den Blöcken 3h und 7h zur Vergrößerung des Strömungsquerschnitts anstelle von Blöcken Säulen 23 vorgesehen. In den Blöcken 3a bis 3g sind nur noch Kanäle vorhanden, die die weiter oben bereits beschriebenen Absorberkugeln zu den Abflußrohren 25 und leiten sollen.

Figur 2 zeigt, wie die Gasströme in einer waagerechten Ebene zu den Heißgaskanälen 21 geleitet werden. Im vorliegenden Fall wird der Reaktorbehälter an der Seitenwand durch polygonartig angeordnete Seitenwandelemente begrenzt, die an mehreren gleichmäßig über den Umfang verteilten Stellen durch diese Gaskanäle 21 durchbrochen werden. Um eine ungehinderte Ausdehnung der Blöcke bei Erwärmung zu ermöglichen, sind zwischen größeren Sektoren radiale Ausdennungsspalte 27 und zwischen diesen Sektoren und einem zentralen inneren Kegel ein polygonartiger Ausdehnungsspalt 28 vorgesehen. Es ist von besonderer Bedeutung, daß die Gaskanäle 21 jeweils in der Mitte zwischen diesen radialen Ausdehnungsspalten 27

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münden, damit nicht durch diese Ausdehnungsspalte i'emperatursträhnen ungehindert zu den Gaskanälen 21 geleitet werden.

Die Figuren 3, 5, 7 und 9 zeigen jeweils einzelne Blöcke in Seitenansicht, während die jeweils darunterliegenden Figuren 4,6,8 und 10 denselben Block in der Draufsicht

zeigen. Der in den Figuren 3 und 4 dargestellte Block ist in Figur 1 beispielsweise als Block Sf zu finden. Der in den Figuren S und 6 dargestellte Block ist in Figur 1 beispielsweise als Block 10b zu finden. Der in den Figuren 7 und 8 dargestellte Block ist in den Figuren 1 und L nicht dargestellt, liegt aber auch im Rahmen der Erfindung. Der in den Figuren 9 und 10 dargestellte sechseckige Block zeigt, daß man das Prinzip dieser Erfindung beispielsweise auch auf «inen Reaktorboden anwenden kann, der aus sechseckigen Blöcken besteht.

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Claims

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GesellschaTt für Hochtemperaturreaktor-Technifc mbH 5060 Bergisch Gladbach 1

Misch- und Verteilvorrichtung für Gase von hoher Temperatur

Ansprüche

1. ) Misch- und Verteilvorrichtung für Gase von hoher - ' Temperatur mit folgenden Merkmalen:

a) Diese Mischvorrichtung besteht aus zahlreichen polygonalen Blöcken.

b) üiese Blöcke sind in mehreren Schichten übereinander und nebeneinander gestapelt.

cJ Diese Blöcke haben Kanäle, deren Achsen einen Winkel zueinander und zur Hauptanströmrichtung bilden.

dj Diese Kanäle stehen mit benachbarten Kanälen desselben oder eines benachbarten Blockes in Verbindung.

e) Diese Mischvorrichtung begrenzt den Raum, in dem die hohe Temperatur entsteht.

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2. üJock mit einem rechteckigen oder trapezförmigen Qucrschnitt für eine Mischvorrichtung nach Anspruch mit folgenden Merkmalen:

a) Von allen acht Ecken verläuft je ein Kanal zu einem zentralen Punkt des Blocks.

5. Quaderähnlicher Block nach Anspruch 2 mit folgenden Merkmalen:

a) Dieser Block hat vier diagonale Bohrungen.

b) Diese Bohrungen verbinden jeweils zwei räumlichdiagonal gegenüberliegende ticken.

4. Polygonaler Block für eine Mischvorrichtung nach Anspruch 1 mit folgenden Merkmalen:

aj Von der Mitte einer Wand verlaufen Kanäle zu den Ecken der gegenüberliegenden Wand.

5. Mischvorrichtung nach Anspruch 1 mit folgenden Merkmalen:

a) Die Kanaldurchmesser sind radial und/oder axial unterschiedlich groß.

6. boden für einen gasgekühlten Kugelhaufenreaktor mit einer Mischvorrichtung nach Anspruch 1 mit folgenden Merkmalen:

a) An der Grenzfläche zur Kugelschüttung befindet sich eine Lage von Blöcken mit zahlreichen parallelen Kanälen.

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b) Die Abmessungen dieser Kanäle sind wesentlich kleiner als der Durchmesser der Brennstoffkugeln.

7. Boden nach Anspruch 6 mit folgenden Merkmalen:

a) An der Unterseite dieses Bodens befindet sich eine Lage von Blöcken, deren unterste Kanäle jeweils zur Mitte des Reaktors oder zu einem von mehreren über den Querschnitt verteilten Abzügen geneigt sind.

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