DE2709171C2

DE2709171C2 - Misch- und Verteilvorrichtung für einen Hochtemperaturreaktor

Info

Publication number: DE2709171C2
Application number: DE2709171A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr.-Ing. 5060 Bergisch Gladbach Lukaszewicz; Ulrich Dr.-Ing. 5060 Begisch Gladbach Müller-Frank; Herbert Dr.-Ing. 5063 Hohkeppel Reutler
Original assignee: GHT Gesellschaft für Hochtemperaturreaktor-Technik mbH, 5060 Bergisch Gladbach
Priority date: 1977-03-03
Filing date: 1977-03-03
Publication date: 1987-01-02
Also published as: FR2382264A1; FR2382264B1; GB1593462A; DE2709171A1; CH627870A5; JPS53110168A; US4257845A; JPS6118713B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Misch- und Verteilvorrichtung für einen gasgekühlten Hochtemperaturreaktor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Einige chemische Prozesse laufen nur bei sehr hohen Temperaturen im Bereich von ca. 1000°C mit genügender Ausbeute ab. Da die Festigkeit der verwendbaren Werkstoffe 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 Kugelschüttung 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 Leistungsdichteprofil sowie Absorberstabeinflüsse und Randeffekte an der Behälterwand. Mit Rücksicht auf die begrenzte Eindringtiefe der Absorberstäbe und eine wirtschaftlich vertretbare Leistung der Gebläse wird bei den geplanten Kugelhaufenreaktoren großer Leistung im Vergleich zu Reaktoren kleinerer Leistung nur der Durchmesser der Kugelschüttung bei gleichbleibender Höhe vergrößert, wodurch die Ausbildung von Temperatursträhnen begünstigt wird. Neuere Versuche haben gezeigt, daß sich diese Temperatursträhnen bis zum Wärmetauscher fortsetzen und dort Störungen verursachen bzw. dessen Lebensdauer herabsetzen können. Gasgekühlte Kugelhaufenreaktoren, in denen diese Erfindung angewandt werden kann, sind in der DE-OS 24 08 926 und der DE-OS 24 56 405 beschrieben.
Aus der DE-PS 12 40 897 ist ein Wärmetauscher für Flüssigkeiten bekannt, der aus mehreren zylindrischen Scheiben aus Graphit zusammengesetzt ist, die zahlreiche gegeneinander und zur Hauptströmungsrichtung geneigte Kanäle enthalten.
Aus der US-PS 41 21 973 ist eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt. Weiterhin ist aus der US-PS 40 27 857 eine statische Mischvorrichtung bekannt mit einem zylindrischen, rohrförmigen Gehäuse und mehreren Mischelementen in Form eines zylindrischen Stopfens mit einigen Kanälen, die sich jeweils in der Mittelachse des zylindrischen Behälters durchdringen.
Die vorliegende Erfindung geht aus von dem Gedanken, daß bei Gastemperaturen von ca. 1000°C auch die Vorrichtung selbst und ihre Umgebung weitgehend vor schädlichen Temperaturdifferenzen geschützt werden muß. Außerdem soll durch die Anordnung dieser Vorrichtung unmittelbar nach dem Reaktor vermieden werden, daß eine zu einer getrennten Vorrichtung führende Rohrleitung bereits durch Temperaturdifferenzen belastet wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Misch- und Verteilvorrichtung mit großem Durchmesser/Höhen-Verhältnis zum Ausgleich von Temperatursträhnen für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren zu schaffen. Diese Vorrichtung soll die senkrecht von oben anströmenden Gase außerdem in waagerechte Richtung umlenken und auf mehrere, über den Umfang verteilte Gaskanäle aufteilen.
Die im Patentanspruch 1 vorgeschlagene Vorrichtung verteilt das heiße Gas auf eine große Anzahl von Kanälen, die mit anderen Kanälen zusammengeführt und anschließend erneut aufgeteilt werden. Durch diese mehrfache Umlenkung, Zusammenführung 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.
Die im Patentanspruch 2 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 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 gewärmt wird.
Der im Patentanspruch 3 vorgeschlagene Block stellt eine besonders wirtschaftlich herzustellende Ausgestaltung des bereits beschriebenen Blockes dar. Mit nur vier geradlinigen Bohrungen werden jeweils zwei räumlich-diagonal gegenüberliegende Ecken des Blockes durch Kanäle verbunden.
Der im Patentanspruch 4 vorgeschlagene Block stellt einen Sonderfall der im Patentanspruch 2 und 3 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 Patenanspruch 5 vorgeschlagenen Vorrichtung kann man eine über den Querschnitt unterschiedliche Geschwindigkeitsverteilung in gewünschter Weise verändern. Wenn beispielsweise am Umfang der Vorrichtung 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 Vorrichtung leiten.
Die im Patentanspruch 6 vorgeschlagene Vorrichtung 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 der Vorrichtung. Damit diese Absorberkugeln zum Wiedereinfahren des Reaktors restlos aus der Kugelschüttung und aus der Vorrichtung entfernt werden können, sind die untersten Kanäle der Vorrichtung 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.
Die Fig. 1-10 zeigen mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen senkrechten radialen Schnitt durch den linken unteren Teil eines gasgekühlten Kugelhaufenreaktors, der von oben nach unten von Helium durchströmt werden soll.
Fig. 2 zeigt einen waagerechten Schnitt z. T. durch eine Schicht von Blöcken und zum Teil zwischen zwei Schichten von Blöcken.
Die Fig. 3-10 zeigen einzelne Blöcke für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen.
In Fig. 1 sind zahlreiche Schichten von Blöcken von unten nach oben fortlaufend von 1 bis 15 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 11 a bis 9 d bzw. der Blöcke 8 e bis 11 h befindet sich beim Betrieb des Reaktors eine Schüttung von nicht gezeichneten Brennstoffkugeln, 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 8 d nach unten abgezogen. Die Blöcke 11 a bis 9 d und 8 e bis 10 g haben zahlreiche senkrechte parallele Gaskanäle, deren Abmessung aber so klein ist, daß weder die Brennstoffkugeln in sie eindringen noch überhaupt in ihrer Öffnung liegenbleiben können. Die an der Seitenwand angeordneten Blöcke 11 h und 11 i bis 15 h und 15 i haben keine Gaskanäle und dienen zum Schutz der Seitenwandelemente 20 vor hohen Temperaturen und vor der direkten Einwirkung der Strahlung. Unterhalb der mit zahlreichen senkrechten parallelen Gaskanälen versehenen Blöcke ist jeweils ein Gassammelraum vorhanden, von dessen Mitte jeweils vier schräge Gaskanäle zu den darunterliegenden vier Ecken eines Blockes, beispielsweise 10 b oder 9 c verlaufen. Die dar-unterliegenden Blöcke, beispielsweise 9 b und 8 c haben jeweils von allen ihren 8 Ecken je einen Kanal zu ihrer Mitte, der zwangsläufig mit den entsprechenden Kanälen 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 22 geleitet. Von dort strömt es zu mehreren über den Umfang verteilten Gaskanälen 21. In der ringförmigen Sammelkammer 22 sind zwischen den Blöcken 3 h und 7 h zur Vergrößerung des Strömungsquerschnitts anstelle von Blöcken Säulen 23 vorgesehen. In den Blöcken 3 a bis 3 g sind nur noch Kanäle vorhanden, die die weiter oben bereits beschriebenen Absorberkugeln zu den Abflußrohren 25 und 26 leiten sollen.
Fig. 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 20 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 Ausdehnungsspalte 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 münden, damit nicht durch diese Ausdehnungsspalte Temperatursträhnen ungehindert zu den Gaskanälen 21 geleitet werden.
Die Fig. 3, 5, 7 und 9 zeigen jeweils einzelne Blöcke in Seitenansicht, während die jeweils darunterliegenden Fig. 4, 6, 8 und 10 denselben Block in der Daraufsicht zeigen. Der in den Fig. 3 und 4 dargestellte Block ist in Fig. 1 beispielsweise als Block 5 f zu finden. Der in den Fig. 5 und 6 dargestellte Block ist in Fig. 1 beispielsweise als Block 10 b zu finden. Der in den Fig. 7 und 8 dargestellte Block ist in den Fig. 1 und 2 nicht dargestellt, liegt aber auch im Rahmen der Erfindung. Der in den Fig. 9 und 10 dargestellte sechseckige Block zeigt, daß man das Prinzip dieser Erfindung beispielsweise auch auf einen Reaktorboden anwenden kann, der aus sechseckigen Blöcken besteht.

Claims

1. Vorrichtung zum Mischen und Verteilen eines Kühlgases eines gasgekühlten Hochtemperaturreaktors mit folgendem Aufbau:

a) die Vorrichtung besteht aus zahlreichen polygonalen Blöcken,

b) die Blöcke sind in mehreren Schichten übereinander und nebeneinander gestapelt,

c) die Blöcke besitzen in ihrem Innern jeweils mehrere, die Blöcke durchsetzende Kühlgaskanäle, wobei die Austrittsöffnungen der Kühlgaskanäle benachbarter Blöcke in der Weise einander gegenüberliegen, daß das Kühlgas von einem Block zu einem bestimmten benachbarten Block gelangen kann,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

d) die einen Block durchsetzenden Kühlgaskanäle sind jeweils gegeneinander und gegen die Hauptströmrichtung geneigt,

e) die innerhalb eines Blocks befindlichen Kühlgaskanäle stehen innerhalb des jeweiligen Blocks miteinander in Verbindung,

f) die Kühlgaskanäle sind innerhalb der Blöcke so ausgebildet, daß jeder Block mit allen unmittelbar benachbarten Blöcken über Kühlgaskanäle in direkter Verbindung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) mindestens ein Block (5 f) hat einen rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt,

b) von allen acht Ecken dieses Blockes verläuft je ein Kühlgaskanal zu einem zentralen Punkt des Blockes.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) ein Block (5 f) hat vier diagonale Bohrungen,

b) diese Bohrungen verbinden jeweils zwei räumlich-diagonal gegenüberliegende Ecken.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:

a) von der Mitte einer Wand eines Blockes (10 b) verlaufen Kanäle zu den Ecken der gegenüberliegenden Wand.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:

a) die Kühlgaskanaldurchmesser in verschiedenen Blöcken sind radial und/oder axial unterschiedlich groß.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:

a) an der Unterseite dieser Vorrichtung befindet sich eine Lage von Blöcken ( 3), deren unterste Kanäle jeweils zur Mitte (25) des Reaktors oder zu einem von mehreren über den Querschnitt verteilten Abzügen (26) geneigt sind.