DE2805576A1

DE2805576A1 - Mischvorrichtung fuer fluide von unterschiedlicher temperatur

Info

Publication number: DE2805576A1
Application number: DE19782805576
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl Ing Kastl; Heinrich Ing Grad Schuetz
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1978-02-10
Filing date: 1978-02-10
Publication date: 1979-09-06
Also published as: FR2422436A1; DE2805576C2; US4230410A; FR2422436B1; NL7901013A

Description

INTERATOM . 24.387.*

Internationale Atomreaktorbau GmbH 5606 Bergisch Gladbach 1

Mischvorrichtung für Fluide von unterschiedlicher Temperatur '

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung nach dem 1. Anspruch, insbesondere T-förmige Mischer für Flüssigmetallströme an Kernenergieanlagen. Sie eignet sich besonders zum Einbau an Stellen, wo große Behälter aus räumlichen Gründen nicht eingesetzt werden können.

Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit der Flüssigmetall sind Mischvorrichtungen insbesondere bei Temperaturen um 500 ⁰C und darüber durch schnell wechselnde Temperaturen gefährdet. Es ist daher notwendig, die druckführenden dickwandigen Gehäuse durch elastische, dünnwandige Einbauten zu schützen. Dies kann durch Einbauten aus einem Material niedrigerer Wärmeleitung (z. B. Stahl gegenüber Natrium oder NaK) mit dazwischen befindlicher stagnierender Flüssxgmetallschicht oder sogar durch lameliierten Aufbau des gesamten Zwischenraumes erfolgen. Man muß dabei allerdings besonders auf die unbehinderte Dehnung der Konstruktionsteile achten; bei Reaktoranlagen

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zusätzlich auf die Ablaßmöglichkeit des Flüssigmetalls und bei lameliierten Einbauten im Primärbereich eines Reaktors auf die erhöhte Strahlendosis im Falle einer Reparatur.
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Auch bei stationärem Betrieb, d.h. bei unverändertem Anstehen einer bestimmten Temperaturdifferenz der Zuströme ergibt sich bei T-Stücken eine unsymmetrische Beanspruchung und - was für die Lebensdauer des Bauteils entscheidend ist - eine Beanspruchung durch Temperaturoszillationen, welche durch den Mischvorgang selbst bedingt sind.

Prinzipiell ergibt ein hoher Turbulenzgrad in der Mischung auch ein hochfrequentes Spektrum der Temperaturoszillationen an der Bauteilwand. Je höher die Frequenz dieser Oszillationen liegt, desto geringer ist bei gleichem Wärmeübergang und gleicher Amplitude die Eindringtiefe solcher Wechselbelastungen in die Bauteilwand.

Für die Beanspruchung wesentlich ist die Differenz aus der Oberflächentemperatur an der Wand und der gleichzeitigen mittleren Temperatur in der Wand. Mit zunehmender Frequenz nimmt diese Differenz und damit die Beanspruchung ab, gleichzeitig aber auch die davon erfaßte Materialtiefe. Andererseits ergeben höhere Frequenzen direkt eine höhere Lastspielzahl innerhalb derselben Betriebszeit und somit eine Verschlechterung der Lebensdauer. Diese zwei Effekte sind gegenläufig und ergeben in Abhängigkeit von Wandstärke und Wärmeübergang für ein bestimmtes Frequenzspektrum ein Lebensdaueroptimum.

In dem US-Patent 3,409,274 wird eine Mischvorrichtung für Hochdruck-Flüssigkeiten bei unterschiedlichen Temperaturen. für einen Dampferzeuger beschrieben. In einem

dickwandigen, zylindrischen Gehäuse mündet T-förmig ein ebenfalls dickwandiger Stutzen in einen konzentrischen Raum, der von dem dickwandigen Gehäuse und einem dünnen Rohr gebildet wird. Dieses dünnwandige Rohr hat im Bereich der Einmündung zahlreiche, über den Umfang und über einen Teil der Rohrlänge verteilte Bohrungen. In Strömungsrichtung vor und hinter diesen zahlreichen Bohrungen ist jeweils eine kreisringförmige Platte mit kleinen Löchern darin angeordnet, die nur einen ganz geringen Durchfluß gestatten. Untersuchungen und Berechnungen haben gezeigt, daß diese Ausführung für hohe Temperaturdifferenzen und -transienten, d. h. -änderungsgeschwindigkeiten, insbesondere bei Flüssigmetallanlagen nicht geeignet ist, auch wenn man die Wandstärken des Gehäuses entsprechend dem geringen Druck des heißen Flüssigmetalls erheblich vermindert. Das durch die T-förmige Einmündung eintretende Medium trifft unmittelbar auf die Innenwand des Gehäuses und ergibt dort unzulässige Wärmespannungen, die bei häufigem Wechsel zur Materialermüdung führen. Außerdem hat sich experimentell gezeigt, daß bei einem derartigen-Mischer von ca. 100 mm Innendurchmesser in Strömungsrichtung hinter den zahlreichen Bohrungen eine Rohrlänge von etwa dem 7fachen Innendurchmesser notwendig ist, um die Temperaturdifferenzen im gemischten Medium auf ein für das äußere Gehäuse zulässiges Maß auszugleichen. Diese notwendige Rohrlänge ergibt aber nach der im US-Patent beschriebenen Ausführung erhebliche Abmessungen der Mischvorrichtung. Außerdem hat die Anordnung der Bohrungen unmittelbar gegenüber dem T-förmigen Einlaß den Nachteil einer ungleichförmigen Druck- und damit Temperaturverteilung im Querschnitt des Innenrohres.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine kompakte Mischvorrichtung für Fluide von hoher und unterschied-

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licher Temperatur mit einem zylindrischen, geraden und an beiden Enden offenen Mischrohr mit zahlreichen radialen Öffnungen. Diese Vorrichtung soll größere Temperaturoszillationen im Gehäuse und -strähnen in anschließenden Rohrleitungen vermeiden; sie soll in Länge und Durchmesser begrenzt sein, um sich raumsparend in eine Anlage einzufügen. In speziellen Fällen soll diese Mischvorrichtung an zwei der drei Anschlüsse mit verschiedenen Strömungsrichtungen betrieben werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung nach dem 1. Anspruch vorgeschlagen. Mit dieser Anordnung wird ein unmittelbarer Kontakt der eintretenden Medien mit einem gefährdeten Gehäuseteil von anderer Temperatur vermieden, indem sowohl zwischen Mischrohr und Gehäuse als auch innerhalb des Gehäusestutzens je ein konzentrisches Rohr angeordnet ist.

Durch die in Längsrichtung verschieblich angeordneten Rohre werden Spannungen durch behinderte Wärmedehnungen zwischen Mischrohr, innerem Rohrstutzen und Gehäuse vermieden. Da diese Rohre keinem wesentlichen Druckunterschied ausgesetzt sind, brauchen sie nicht absolut dicht ausgeführt werden und können an einem Ende einen ringförmigen Spalt haben. Das durch den Spalt fießende Fluid verringert den Temperaturgradienten in der Wand des Mischrohres. Zu beachten ist jedoch, daß kein Spalt des Mischrohres an der Abströmseite angeordnet wird, da ansonsten Temperatursträhnen anschließende Bauteile gefährden können. Wenn die Strömung im Mischrohr die Richtung wechseln kann, sind beide Enden des Mischrohres mit dem Gehäuse dicht zu verbinden und ein Spalt zur Trennung des Mischrohres dazwischen vorzusehen, der hinreichend weit von dessen Enden entfernt liegen soll. Man kann die Spalte auch durch ein dichtes, elastisches Wellrohr

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ersetzen, das aber einen größeren Durchmesser erfordert.

Um eine gute Mischung zu erhalten, müssen die Strömungen im Innenrohr turbulent sein und eine oder beide Zuströmungen mittels zahlreicher öffnungen in Teilströme aufgespalten werden. Erfolgt die Zuströmung über den Ringraum zwischen Schockrohr und Mischrohr in dieses, so soll die Eintrittsgeschwindigkeit durch die öffnungen so groß sein, daß die Teilstrahlen gerade noch bis zur Mischrohrachse durchdringen. In Versuchen mit Wasser hat sich gezeigt, daß z. B. für Misehrohrnennweiten um etwa 100 mm und radiale zur Innenrohrachse senkrechte Bohrungen zur Erzielung günstiger Mischungsverhältnisse auf engem Raum die Einströmgeschwindigkeit in den Bohrungen v„ mindestens gleich der Zuströmgeschwindigkeit ν im Mischrohr, besser jedoch größer sein soll, aber nicht größer als das Doppelte. v_Ä variierte dabei von 0,5 bis 3,' 5 m/s. Bei v_ß/v_A = 1 bis 2 klingen die Mittelwerte der Amplituden der Temperaturoszillationen nach einer Entfernung vom 7fachen Innenrohrdurchmesser bereits befriedigend ab. Bei v_/v_A = 2 ergeben sich im Bereich der Bohrungen etwas höhere Amplituden als bei Vg/v =1. Wenn v_/v_A zu klein wird, erfolgt eine sehr schlechte Mischung, indem sich an der Innenrohrwand ein Flüssigkeitsring bildet, der sich nach einer erheblich großen Strecke erst mit dem auf anderer Temperatur befindlichen Kern mischt. Im Falle von Strömungsinstabilitäten bei geringen Geschwindigkeiten belasten derartige instationäre Strähnen die Bauteilwand i.a. stärker als kurzzeitige Wirbelballen. Wird umgekehrt v_ß/v_A zu groß, so besteht die Wahrscheinlichkeit großer Temperaturoszillationen im unmittelbaren Einflußbereich der Bohrungen. Bei variablen Durchsätzen empfiehlt es sich, die Bohrungen diametral gegenüberliegend, in Längsrichtung versetzt, anzuordnen und eher das Geschwindig-

keitsverhältnis zu über- als zu unterschreiten. Die Länge des Mischrohres soll/ vom Ende der öffnungen an gemessen, stromabwärts mindestens den 7fachen Durchmesser betragen. Bei wechselnden Zu- und Abströmrichtungen sollten die zahlreichen Bohrungen im Mischrohr vom Stutzenbereich mindestens einen Gehäusedurchmesser weit entfernt beginnen, um über den Umfang asymmetrische Einströmungen in das Mischrohr aus dem Stutzen oder in· der anderen Richtung Temperatursträhnen im Stutzen weitgehend zu vermeiden.

Grundsätzlich empfiehlt es sich, bei größeren Durchmessern des Mischrohres dessen Achse vertikal anzuordnen, um Temperaturschichtenbildungen infolge Äuftriebsunterschieden auszuschalten und eventuelle Entgasungsprobleme besser zu beherrschen.

Die in Anspruch 2 vorgeschlagene Anordnung der zahlreichen öffnungen im Mischrohr stromaufwärts von der Mündung des inneren RohrStutzens ist immer dann angebracht, wenn an dem betreffenden Ende des Mischrohres ständig die gleiche Zuströmrichtung vorliegt, während an den beiden anderen Anschlüssen der Mischvorrichtung sowohl Zu- als auch Abströmung herrschen'können.

Die zahlreichen öffnungen des Mischrohres sollen in diesen Fällen soweit wie möglich an den Eintritt gelegt werden. Dadurch wird im Falle der Zuströmung durch den inneren Rohrstutzen eine asymmetrische Einströmung in das Mischrohr und im Falle der Abströmung im Rohrstutzen eine Trennung der Fluide im Stutzen weitgehend vermieden. Außerdem wird die notwendige Länge des Mischrohres bzw. RohrStutzens, in dem die Abströmung erfolgt, erheblich

verkürzt, da die dem 7fachen Rohrdurchmesser entsprechende Länge nicht erst, wie beim US-Patent beschrie ben, unterhalb der Einmündung sondern weit oberhalb beginnt.

Die im 3. Anspruch vorgeschlagene Erweiterung des Mischrohres gegenüber der ein- und austretenden Rohrleitung bewirkt bei gleichem ν /ν_Ά eine Herabsetzung des Geschwindigkeitsniveaus; d. h., die Mischung verbleibt langer im Mischrohr, und die Temperaturoszillationen am Austritt sind geringer.

Die im 4. Anspruch vorgeschlagene elastische Verbindung des Schockrohres bzw. des inneren Rohrstutzens mit dem Gehäuse über einen Kegelstumpf dient dazu, die Beanspruchungen an den Verbindungsstellen mit den anschließenden Rohrleitungen herabzusetzen. Sie ist immer dort angebracht, wo sehr rasche Temperaturänderungen mit hoher Häufigkeit und hohem Temperaturniveau in die Rohre laufen. Diese Verbindungsstellen sind einerseits durch die von der Rohrleitung herrührenden Kräfte und Momente beansprucht, andererseits bedingen diese verstärkten Wände bei stark transienten Temperaturen zusätzlich hohe Wärmespannungen. Durch die elastische Verbindung der Rohre mit dem Gehäuse über Kegelstümpfe (sog. Z-Formstücke) und zwar mit Abstand von der Mündung erreicht man, daß die maximalen Beanspruchungen aus den Rohrleitungskräften nicht an derselben Stelle auftreten, wo die wärmespannungsgefährdete Störstelle liegt.

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Die Figur 1 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer T-förmigen Mischvorrichtung für zwei zu mischende Natriumströme an einer Kernenergieanlage. Diese Mischvorrichtung ist für maximale Temperatüren von ca. 550 ⁰C bei verschiedenen stationären und instationären Temperaturdifferenzen der Zuströme von 50 - 100 ⁰C und kurzzeitig von 250 ⁰C unterhalb dieser Maximaltemperatur vorgesehen. Die vorgesehenen Betriebsdrücke sind, verglichen mit Wasserdampfanlagen von ähn- licher Temperatur wesentlich geringer, und zwar etwa 16 bar. Die vorgesehene Betriebszeit beträgt 25 Jahre. Die drei Gehäusestutzen 1,2 und 3, von denen der Gehäusestutzen 1 nur als Zufluß und die Gehäusestutzen 2 und 3 beliebig als Zu- oder Abfluß geeignet sind, sind an einem T-förmigen Gehäuse 4 angeschweißt. Von 1 nach 3 führt ein Mischrohr 5, das in der Nähe von 1 in Längsrichtung verschieblich geführt und bei 3 dicht befestigt ist. Dieses Mischrohr 5 ist von einem konzentrischen Schockrohr 6 umgeben, das in der Nähe von 1 dicht befestigt und in der Nähe von 3 in Längsrichtung verschieblich geführt ist. Das Mischrohr 5 hat in der Nähe von 1 zahlreiche, über den Umfang gleichmäßig verteilte Löcher 7, durch die entweder das bei 2 eintretende Medium von außen nach innen strömt oder das bei 1 und 3 eintretende Medium von innen nach außen strömt. Der Gehäusestutzen 2 ist durch den konzentrischen inneren Rohrstutzen 9 vor transienten Temperaturbelastungen geschützt.

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Dieser Rohrstutzen 9 ist mit dem Gehäusestutzen 2 über einen Kegelstumpf 8 elastisch verbunden und mündet mit einem kleinen Wärmedehnungsspalt in das Schockrohr 6. Die hier gezeigte Mischvorrichtung ist für den ständigen Zufluß eines heißen Mediums bei 1 vorgesehen. Wenn bei 2 ein weiteres Medium von anderer Temperatur zufließt, wird dieses, den Gehäusestutzen 2 gedämpft belastend, durch den Rohrstutzen 9 in den konzentrischen Ringraum zwischen dem Schockrohr 6 und dem Mischrohr 5 geleitet und strömt durch die zahlreichen Löcher 7 in das Mischrohr 5, in dem es sich mit dem bei 1 eintretenden Medium bis zum Austritt bei 3 soweit mischt und in der Temperatur ausgleicht, daß dort der Gehäusestutzen 3 und ausschließende Rohrleitungen nicht mehr gefährdet sind. Falls das bei 1

Ί5 eintretende Medium mit einem bei 3 eintretenden Medium von unterschiedlicher Temperatur gemischt werden soll, treffen diese beiden Ströme im Bereich der öffnungen 7 im Gegenstrom aufeinander, was eine gute Durchmischung, aber auch einen hohen Druckverlust verursacht. Das durchmischte Medium fließt durch die öffnungen 7 nach außen und wird von dem Ringraum zwischen dem Mischrohr 5 und dem Schockrohr 6 zum Rohrstutzen 9 und zum Gehäusestutzen 2 geleitet. Auf diesem Weg erfolgt eine weitere Durchmischung. Die Weglänge vom Ende der öffnungen 7 bis zum Ende des Stutzens 9 sollte etwa dem 7fachen Durchmesser des Mischrohres entsprechen.

Falls ein bei 2 eintretendes Medium mit einem abwechselnd entweder bei 1 oder 3 eintretenden Medium gemischt werden ³^ soll, ist es zweckmäßig, die Öffnungen 7 im Mischrohr 5 aufzuteilen auf eine Gruppe oberhalb und eine Gruppe unterhalb des Rohrstutzens 9 mit einem Abstand von

jeweils mindestens zwei Mischrohrdurchmessern von der Mitte des Rohrstutzens 9. Der aus Gründen der Wärmedehnung vorgesehene Ringspalt im Mischrohr 9 sollte bei dieser Strömungsführung nicht direkt am Ende des Mischrohrs 5 liegen, um Temperatursträhnen im Abfluß zu vermeiden.

Die in Figur 2 dargestellte Ausführung eignet sich, wenn an allen drei Gehäusestutzen schnelle Temperaturänderungen auftreten können. Hier sind alle drei Stutzen, durch die in Figur 1 nur am Gehäusestutzen 2 dargestellte Verbindung geschützt.

Figur 3 zeigt als vergrößerten Ausschnitt aus Figur eine in Längsrichtung verschiebliche Führung eines Schockrohres. Das ballige Teil 31 gleitet auf dem zylindrischen Teil 30.

Bei Ausführung aus austeriitischem Stahl muß bei Betriebstemperaturen oberhalb ca. 400 ⁰C mit Verschweißungseffekten gerechnet werden. Im Temperaturbereich zwischen ca. 380 und 550 ⁰C unter Natriumbedingurigen empfiehlt es sich, unter Inkaufnahme geringer Verschweißungen zur Herabsetzung der eventuellen Lösekräfte eine der Lagerflächen ballig zu gestalten, um die Kontaktfläche so gering wie möglich zu halten und gleichzeitig eine Möglichkeit zum Ausgleich von Montageungenauigkeiten zu schaffen. Bei noch höheren Temperaturen und Flächenpressungen größer als etwa 10 N/mm², wird empfohlen, die Lagerflächen als grade oder ballige Zylinderflächen zu gestalten, wobei eine davon aus einem härteren Material besteht; dies kann z. B. durch Plattierung erfolgen, wobei allerdings unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Plattierung und Grundmaterial bei Temperaturänderungen zu Zwangsspannungen führen.

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Claims

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Internationale Atomreaktorbau GmbH 5060 Bergisch Gladbach

Mischvorrichtung für Fluide von unterschiedlicher Temperatur

Ansprüche

uJ Mischvorrichtung für Fluide von hoher und unterschiedlicher Temperatur in einem Gehäuse mit einem zylindrischen, geraden und an beiden Enden offenen Mischrohr. Dieses Mischrohr hat zahlreiche radiale öffnungen und ist an einem Ende dicht am Gehäuse befestigt, am anderen Ende gegenüber dem Gehäuse längs verschieblich gelagert.

Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Zwischen dem Mischrohr (5) und dem Gehäuse (4) ist ein Schockrohr (6) angeordnet.

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QRfGiWAL INSPECTED

b) Dieses Schockrohr (6) ist gegen Gehäuse (4) und Mischrohr (5) zumindest an einem Ende längs verschieblich angeordnet.

c) Das Mischrohr (5) ist zumindest am Abflußende dicht am Gehäuse (4) befestigt.

d) In den Ringraum zwischen Schockrohr (6) und Mischrohr (5) mündet ein innerer Rohrstutzen (9) als

10* Zu- oder Abfluß.

e) Der innere Rohrstutzen (9) ist von einem konzentrischen mit dem Gehäuse (4) dicht verbundenen Gehäusestutzen (2) umgeben.

f) Zwischen dem inneren Rohrstutzen (9) und dem Schockrohr (6) ist ein Spalt vorhanden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit folgendem Merkmal: 20

a) Die radialen Öffnungen im Mischrohr (5) sind, bezogen auf die Strömungsrichtung in diesem/ stromaufwärts von der Mündung des inneren Rohrstutzens (9) angeordnet.
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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit folgendem Merkmal:

a) Das Mischrohr (5) ist gegenüber der ein- und austretenden Rohrleitung erweitert. 30
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit folgendem Merkmal:

a) Das Schockrohr (6) bzw. der innere Rohrstutzen (9) ist mit dem druckaufnehmenden Gehäuse (4) nur über einen Kegelstumpf (8) mit Abstand von der Rohrmündung elastisch verbunden.

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