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Kerntechnische Anlage
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Die Erfindung bezieht sich auf eine kerntechnische Anlage, aus deren
Gebäuden die Abfuhr der Nachzerfallswärme von ausgedienten Brennelementen, radiaktiven
Abfällen und dergleichen mittels jeweils wenigstens einer Wärmeabfuhreinrichtung
erfolgt.
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In kerntechnischen Anlagen, die zur Lagerung von ausgedienten Brennelementen
oder anderen radioaktiven Abfällen benutzt werden, sind Wärmeabfuhr-Systeme erforderlich,
um die entstehende
Nachzerfallswärme sicher an die Umgebung abzuführen.
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Bis jetzt ist es üblich, diese Wärmeabfuhr mit Systemen zu bewerkstelligen,
die aktive Komponeten, wie zum Beispiel Pumpen und dergleichen enthalten. Bei einem
Ausfall dieser Wärmeabfuhr-Systeme kann es durch den Temperaturanstieg in den Brennelementen
oder in den radioaktiven Abfällen zu einer Verdampfung des Kühlwassers oder einer
Beschädigung der Behälter kommen, in denen die radioaktiven Stoffe eingeschlossen
sind. Aus sicherheitstechnischen Aspekten, die in den oben angeführten Tatsachen
begründet sind, werden neuerdings Einwände gegen diese aktiven Komponeten vorgebracht.
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Ein Sicherheitsrisiko ist darin zu sehen, daß die bisher verwendeten
Pumpen zum einen mechanische Bauteile aufweisen, und daß sie zum anderen zu ihrer
Betätigung an ein Energieversorgungsnetz anzuschließen sind. Mechanische Bauteile
sind bekanntlich einem Verschleiß ausgesetzt, so daß ein, wenn auch nur hypothetisch
angenommener Ausfall einer solchen Wärmeabfuhreinrichtung nicht auszuschließen ist.
Bei Ausfall dieser aktiven Komponenten wird die Abfuhr der Nachzerfallswärme nicht
mehr gewährleistet.
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Eine solche Möglichkeit ist bei kerntechnischen Anlagen vollständig
auszuschließen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine kerntechnische
Anlage aufzuzeigen, bei der auf den Einsatz aktiver Komponenten verzichtet werden
kann und die Abfuhr der Nachzerfallswärme durch freie Konvektion an die Umgebung
erfolgt.
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Die Aufgabe wird bei einer kerntechnischen Anlage der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, daß für den Abtransport der anfallenden Wärme mindestens ein
Wärmeübertrager vorgesehen ist, der wenigstens bereichsweise sowohl innerhalb als
auch außerhalb eines jeden Gebäudes angeordnet ist.
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Durch die Verwendung von Wärmeübertragern, die auf der Basis der freien
Konvektion arbeiten, ist es möglich, die in den Gebäuden der kerntechnischen Anlagen
entstehende Nachzerfallswärme auf einfache Weise ohne negative Einwirkungen auf
die Umgebung an selbige abzugeben. Die hierbei verwendeten Wärmeübertrager weisen
vorzugsweise zwei Wärmetauscher auf, die über eine Vor- und eine Rücklaufleitung
miteinander verbunden sind. Vorzugsweise wird ein Wärmetauscher innerhalb des Gebäudes
und der zweite Wärmetauscher außerhalb des Gebäudes angeordnet. Die Vor- und Rücklaufleitungen
des Wärmeübertragers lassen sich ohne weiteres durch die Gebäudewände, die aus Sicherheitsgründen
Bunkerdicke aufweisen, problemlos hindurchführen. Ihre Abmessungen, insbesondere
ihre Durchmesser können so gewählt werden, daß es keine Schwierigkeiten beim Hindurchführen
dieser Leitungen zwischen den Amierungen gibt, die innerhalb der Gebäudewände angeordnet
sind. Bei der Verwendung solcher Wärmeübertrager sind keine großen Gebäudeöffnungen
erforderlich, was wiederum durch den klein zu wählenden Durchmesser der Vor- und
Rücklaufleitungen gegeben ist. Ein weiterer Vorteil dieser Wärmeübertrager ist darin
zu sehen, daß sie unabhängig von jeder elektrischen Energie betrieben werden können.
Ferner benötigen diese Wärmeübertrager keine häufigen Wartungen, wie
sie
bei den bis jetzt benutzten Wärmeabfuhreinrichtungen mit aktiven Komponenten erforderlich
sind. Des weiteren gewährleistet jeder dieser Wärmeübertrager eine große Sicherheit,
was seine Betriebsdauer und seine Funktionsfähigkeit betrifft.
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Jeder der hier verwendeten Wärmeübertrager ist entweder mit einem
flüssigen oder gasförmigen Medium vollständig ausgefüllt. Bei Verwendung eines flüssigen
Mediums wird vorzugsweise Wasser verwendet. Der Wärmeübertrager kann auch eine gasförmige
Füllung aufweisen. Ein Kältemittel, z.B. ein Fluorchlorkohlenwasserstoff der Methan-
und thanreihe (Frigen oder R 11) ist als Füllung für den Wärmeübertrager ebenfalls
geeignet. Bei Verwendung solcher Wärmeübertrager kann für den Abtransport der entstehenden
Nachzerfallswärme aus den Gebäuden auf Pumpen und dergleichen vollständig verzichtet
werden. Durch entsprechende Anpassung der Anzahl der verwendeten Wärmeübertrager
an die Menge der abzuführenden Wärme kann für jedes Gebäude der kerntechnischen
Anlage ein optimaler Abtransport der Wärme sichergestellt werden.
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Erfindungsgemäß wird der erste Wärmetauscher, der im Gebäude angeordnet
ist, so installiert, daß er an die dort befindliche Wärmequelle direkt angrenzt.
Es besteht ferner die Möglichkeit diesen Wärmetauscher auch so auszubilden, daß
er die Wärmequelle ganz oder teilweise umgibt.
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Ist das Gebäude von einem flüssigen oder gasförmigen Medium ausgefüllt,
und wird dieses durch die im Gebäude befindliche Wärmequelle erhitzt, so wird der
Wärmetauscher so angeordnet,
daß er von dem Medium ständig umströmt
wird. Dadurch wird sichergestellt, daß das flüssige oder gasförmige Medium seine
Wärme an den Wärmetauscher abgibt.
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Erfindungsgemäß wird der zweite Wärmetauscher des Wärmeübertragers
außerhalb des Gebäudes angeordnet, und zwar so, daß er an ein Medium angrenzt, das
die von ihm abgegebene Wärme aufnehmen kann. Bei einer Ausführungsform der Erfindung
wird der zweite Wärmetauscher innerhalb eines Luftschachtes angeordnet. Dieser Luftschacht
ist so ausgebildet, daß er eine Kaminwirkung aufweist, so daß ständig Luft an dem
zweiten Wärmetauscher vorbeiströmt. Bei einer anderen Ausführungssform der Erfindung
ist der zweite Wärmetauscher im Erdreich angeordnet. Dieses übernimmt dann die vom
zweiten Wärmetauscher abgegebene Wärme. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
ist der zweite Wärmetauscher im Grundwasser angeordnet.
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Es besteht auch die Möglichkeit, falls die Gegebenheiten vorhanden
sind, den zweiten Wärmetauscher innerhalb eines kalten FlieRwassers oder eines Teiches
anzuordnen, der durch Niederschläge oder das Grundwasser gespeist wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch das Gebäude einer kerntechnischen
Anlage mit einem Wärmeübertrager,
Fig. 2 eine kerntechnische Anlage
mit einem Wärmeübertrager, dessen zweiter Wärmetauscher im Erdreich angeordnet ist,
Fig. 3 eine kerntechnische Anlage mit einem Wärmeübertrager, dessen zweiter Wärmetauscher
in einem Gewässer angeordnet ist, Fig. 4 eine kerntechnische Anlage, bei der der
zweite Wärmetauscher des Wärmeübertragers im Grundwasser angeordnet ist.
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Figur 1 zeigt das Gebäude 1 einer kerntechnischen Anlage, das beispielsweise
als Zwischenlager für ausgediente Brennelemente benutzt wird, und aus dem die anfallende
Nachzerfallswärme abzuleiten ist Es kann sich hierbei selbstverständlich auch um
ein anderes Gebäude handeln, aus dem Wärme abzuführen ist. Im Inneren des Gebäudes
1 ist schematisch eine Wärmequelle 2 dargestellt. Beispielsweise handelt es sich
hierbei um ein mit Wasser gefülltes Lagerbecken, in dem die ausgedienten Brennelemente
deponiert sind. Die von den Brennelementen erzeugte Nachzerfallswärme ist so groß,
daß sie abgeführt werden muß, um eine Verdampfung des Kühlwassers in den Lagerbecken
zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß ist das Gebäude 1 bei der hier gezeigten Ausführungsform
mit einem Wärmeübertrager 3 ausgerüstet.
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Dieser weist zwei Wärmetauscher 4 und 5 auf, die über eine
Vor-
und eine Rücklaufleitung 3A und 3B miteinander verbunden sind. Die Anzahl der verwendeten
Wärmeübertrager 3 richtet sich nach der anfallenden und abzutranspprtierenden Wärmemenge.
Der erste Wärmetauscher 4 des Wärmeübertragers 3 ist im Inneren des Gebäudes 1 angeordnet.
Er grenzt direkt an die im Gebäude befindliche Wärmequelle 2 an. Der zweite Wärmetauscher
5 ist außerhalb des Gebäudes in einem Luftschacht 6 angeordnet. Die beiden Wärmetauscher
4 und 5 sind, wie bereits oben erwähnt durch eine Vor- und Rücklaufleitung 3A und
3B miteinander verbunden. Die beiden Leitungen sind durch die Wand des Gebäudes
1 hindurchgeführt.
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Ihre Abmessungen, insbesondere ihre Durchmesser, sind so groß gewählt,
daß sie zwischen den Armierungen der Wand problemlos hindurchgeführt werden können.
Um eine optimale Funktionsweise des Wärmeübertragers 3 zu gewährleisten, ist darauf
zu achten, daß sein erster im Gebäude angeordneter Wärmetauscher 4 tiefer installiert
wird als der zweite Wärmetauscher 5, der außerhalb des Gebäudes 1 positioniert ist.
Der Luftschacht 6, innerhalb dessen der zweite Wärmetauscher 5 angeordnet ist, ist
an seinem oberen und unteren Ende offen, so daß eine Kaminwirkung entsteht, und
immer eine ausreichende Luftmenge an dem zweiten Wärmetauscher 5 des Wärmeübertragers
3 vorbeiströmen kann. Der in diesem Ausführungsbeispiel verwendete Wärmeübertrager
3 enthält als wärmeübertragendes Medium eine inkompressible Flüssigkeit, beispielsweise
Wasser. Das Wasser füllt die Vor-und Rücklaufleitungen 3A und 3B sowie die beiden
Wärmetauscher 4 und 5 aus. Damit bei dem Wärmeübertrager 3 zwischen dem erwärmten
flüssigen Medium und dem abgekühlten flüssigen
Medium immer ein
leichter Überdruck erzeugt werden kann, ist an die Vorlaufleitung 3A ein Ausgleichsbehälter
7 angeschlossen. Mit diesem Ausgleichsbehälter 7 kann innerhalb der Vorlaufleitung
3A ein Überdruck gegenüber der Umgebung gehalten werden.
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Die Funktionsweise des hier verwendeten Wärmeübertragers wird nachfolgend
beschrieben: Das in dem Wärmeübertrager 3 befindliche flüssige inkompressible Medium,
insbesondere das hier verwendete Wasser, wird in dem Wärmetauscher 4 durch die Wärmequelle
2, an die der Wärmetauscher 4 angrenzt, erwärmt. Durch das Erwärmen wird das Wasser
spezifisch leichter als seine Umgebung und steigt daher nach oben. Es gelangt auf
diese Weise selbständig in den außerhalb des Gebäudes 1 liegenden Wärmetauscher
5 Dieser ist, wie bereits oben erwähnt, so angeordnet, daß er über dem ersten ärmetauscher
4 positioniert ist und damit ein höheres Niveau als der im Inneren des Gebäudes
1 befindliche Wärmetauscher aufweist. Durch die an den Außenflächen des zweiten
Wärmetauschers 5 vorbeiströmende Luft wird das Wasser, das aus dem ersten Wärmetauscher
4 in den zweiten Wärmetauscher 5 nach oben gestiegen ist, wieder abgekühlt. Das
Wasser fließt über die Rücklaufleitung 3B, da es nun wieder schwerer wird in den
Wärmetauscher Ii im Inneren des Gebäudes 1 zurück, wo es von neuem erwärmt wird.
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Figur 2 zeigt eine Variante der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform
der kerntechnischen Anlage. In Figur 2 ist
wiederum ein Gebäude
1 der kerntechnischen Anlage im Vertikalschnitt dargestellt. Innerhalb desselben
befindet sich eine beliebig Wärmequelle 2. Für den Abtransport der in dem Gebäude
1 anfallenden Wärme wird auch hierbei ein Wärmeübertrager 3 benutzt. Die Anzahl
der verwendeten Wärmeübertrager 3 kann beliebig vergrößert werden. Sie wird vorzugsweise
an die Menge der anfallenden Wärme angepaßt. Der bei diesem Aussführungsbeispiel
verwendete Wärmeübertrager 3 ist ebenso ausgebildet, wie der in Figur 1 dargestellte
und in der dazugehörigen Beschreibung erläuterte Wärmeübertrager 3. Im Gegensatz
zu der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist der bei diesem Beispiel verwendete
Wärmetauscher 4 so ausgebildet, daß er die Wärmequelle 2 vollständig umschließt.
Bei dieser Wärmequelle 2 handelt es sich beispielsweise um einen Behälter, der mit
radioaktiven Abfallstoffen gefüllt ist oder um einen Transportbehälter für ausgediente
Brennelemente. Der Wärmetauscher 4 ist wiederum über die Vorlaufleitung 3A und die
Rücklaufleitung 3B mit dem Wärmetauscher 5 verbunden, der außerhalb des Gebäudes
1 angeordnet ist. Der Wärmeübertrager 3, das heißt seine Vor- und Rücklaufleitungen
3A und 3B sowie seine beiden Wärmetauscher 4 und 5 sind hierbei wiederum mit Wasser
gefüllt. Zur Erzeugung eines geringen Überdrucks in der Vorlaufleitung 3A ist auch
hierbei ein Ausgleichsbehälter 7 vorgesehen, der an die Vorlaufleitung 3A angeschlossen
und innerhalb des Gebäudes 1 installiert ist. Die Funktionsweise dieses Wärmeübertragers
3 entspricht der Funktionsweise des in Figur 1 dargestellten Wärmeübertragers 3.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Wasser ebenfalls im Wärmetauscher
4 durch die von der Wärmequelle 2 abgegebene
Wärme erhitzt, und
steigt da es spezifisch leichter wird in den Wärmetauscher 5, der auch hierbei etwas
höher positioniert ist als der Wärmetauscher 4. Der Wärmetauscher 5, der sich außerhalb
des Gebäudes 1 befindet, ist bei dieser Ausführungsform innerhalb des Erdreichs
8 angeordnet und gibt die aus dem Inneren des Gebäudes 1 abtransportierte Wärme
an selbiges ab. Das abgekühlte Wasser fließt, da es nun wieder schwerer ist, über
die Rücklaufleitung 3B in den Wärmetauscher 4 zurück, wo der Kreislauf von neuem
beginnt.
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Selbstverständlich kann der Wärmetauscher 5 auch wie bei dem in Figur
1 dargestellten und in der dazugehörigen Beschreibung erläuterten Ausführungsbeispiel
innerhalb eines Luftschachtes 6 angeordnet werden.
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Figur 3 zeigt wiederum das Gebäude 1 einer kerntechnischen Anlage
im Vertikalschnitt. Das Gebäude 1 ist mit einem gasförmigen oder flüssigen Medium
ausgefüllt, das durch eine Wärmequelle 2 (hier nicht dargestellt) erwärmt wird.
Zur Kühlung dieses gasförmigen oder flüssigen Mediums wird wiederum ein Wärmeübertrager
3 benutzt. Der verwendete Wärmeübertrager 3 weist zwei Wärmetauscher 4 und 5 auf,
die über die Vorlaufleitung 3A und die Rücklaufleitung 3B miteinander verbunden
sind. Der erste Wärmetauscher ist auch hierbei im Inneren des Gebäudes angeordnet,
während der zweite Wärmetauscher 5 außerhalb des Gebäudes 1 positioniert ist. Der
Wärmetauscher 4 ist auch hierbei geringfügig tiefer angeordnet als der Wärmetauscher
5. Die beiden Wärmetauscher 4 und 5 sind, wie bereits erwähnt, durch die Vor- und
Rücklaufleitungen 3A und 3B miteinander verbunden, welche
durch
die Begrenzungswände des Gebäudes 1 hindurchgeführt sind. Der hier verwendete Wärmetauscher
ist im Gegensatz zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen nicht mit einem
flüssigen inkompressiblen Medium, sondern mit einem Gas vollständig ausgefüllt.
Der im Inneren des Gebäudes 1 befindliche Wärmetauscher 4 ist so angeordnet, daß
er von dem im Gebäude befindlichen Medium beispielsweise einem Gas, insbesondere
von Luft umströmt wird. Die Luft selbst wird von der ebenfalls im Gebäude befindlichen
Wärmequelle (hier nicht dargestellt) erwärmt und gibt diese Wärme wiederum an den
Wärmetauscher 4 ab. Das im Wärmetauscher 4 befindliche Gas wird seinerseits durch
diese Wärme erhitzt und steigt aufgrund seiner geringer werdenden Dichte nach oben
in den außerhalb des Gebäudes 1 befindlichen Wärmetauschers 5.
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Dieser ist bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform innerhalb
eines Gewässers 9 angeordnet. Es kann sich hierbei um einen Teich handeln, der vom
Grundwasser oder von Niederschlägen gespeist wird. Der Wärmetauscher 5 kann selbstverständlich
auch in einem kalten Fließgewässer positioniert werden. Das in den Wärmetauscher
aufgestiegene Gas wird hier durch die Abgabe der Wärme an das den Wärmetauscher
5 umgebende Wasser abgekühlt und strömt in den Wärmetauscher 4 zurück.
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Es besteht selbstverständlich die Möglichkeit, bei diesem Ausführungsbeispiel
auch einen wassergefüllten Wärmeübertrager 3 zu verwenden. Der Abtransport der anfallenden
Wärme, insbesondere die Kühlung des im Gebäude 1 befindlichen Mediums, kann auch
mit einem oder mehreren gasgefüllten Wärmeübertragern 3 durchgeführt werden, wenn
die anfallende
Wärmemenge so groß ist, daß sie durch einen einzelnen
Wärmeübertrager 3 nicht abtransportiert werden kann.
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Die Abfuhr der im Gebäude 1 befindlichen Wärme mit dem Wärmeübertrager
3 ist auch dann möglich, wenn das Gebäude mit einem von der Wärmequelle 2 erzeugten
Dampf ausgefüllt ist.
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Der Wärmetauscher 4 des Wärmeübertragers 3 ist dann so innerhalb des
Gebäudes angeordnet, daß der Dampf an selbigem vorbeiströmen kann und an diesem
kondensiert. Die dabei an den Wärmetauscher 4 abgegebene Wärme wird an das im Wärmetauscher
3 befindliche Medium übertragen, wodurch dieses erwärmt wird und in den zweiten
Wärmetauscher 5 strömt.
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Dieser ist, je nach den vorhandenen Gegebenheiten innerhalb eines
Luftschachtes 6, im Erdreich 8 oder einem Gewässer 9 angeordnet.
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Bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform einer kerntechnischen
Anlage erfolgt der Wärmetransport aus dem Gebäude 1 wiederum über einen Wärmeübertrager
3, der gemäß dem in Figur 1 dargestellten und in der dazugehörigen Beschreibung
erläuterten Wärmeübertrager 3 ausgebildet ist.
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Der erste Wärmetauscher 4 des Wärmeübertragers 3 ist bei diesem Ausführungsbeispiel
innerhalb der nicht näher definierten Wärmequelle 2 angeordnet, die sich innerhalb
des Gebäudes 1 befindet. Der Wärmetauscher 4 steht über die Vor-und Rücklaufleitung
3A beziehungsweise 3B mit dem zweiten Wärmetauscher 5, der außerhalb des Gebäudes
angeordnet ist, in Verbindung. Die Vor- und Rücklaufleitung 3A, 3B ist auch hierbei
durch die Wand des Gebäudes insbesondere zwischen
deren Armierungen
(hier nicht dargestellt) hindurchgeführt.
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Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der zweite Wärmetauscher
5 innerhalb des mit 10 bezeichneten Grundwassers positioniert, das sich unterhalb
des Erdreiches 8 angesammelt hat. Die Abgabe der aus dem Gebäude abgeführten Wärme
an das Grundwasser 10 ist auch dann möglich, wenn der erste Wärmetauscher nicht
innerhalb der Wärmequelle 2, sondern wie bei den in Figur 1 bis 3 beschriebenen
Ausführungsbeispielen angeordnet ist. Der zweite Wärmetauscher 5 kann selbtsverständlich
auch bei Anordnung des ersten Wärmetauschers 4 innerhalb der Wärmequelle 2 in einem
Luftschacht 6, im Erdreich 8 oder in einem Gewässer 9 positioniert werden. Die Anzahl
der verwendeten Wärmeübertrager 3 kann beliebig groß gewählt werden, sie ist nicht
auf einen Wärmeübertrager 3 beschränkt.
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Für den Abtransport der im Gebäude 1 einer kerntechnischen Anlage
anfallenden Wärme kann auch ein Wärmeübertrager 3 verwendet werden, der mit einem
Kältemittel gefüllt ist.
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Ein solcher Wärmeübertrager weist wiederum eine Vorlaufleitung 3A
und eine Rücklaufleitung 3B sowie zwei Wärmetauscher 4 und 5 auf, entsprechend der
in Figur 1 dargestellten und in der dazugehörigen Beschreibung erläuterten Ausführungsform.
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Der Wärmetauscher 4 wird auch hierbei im Inneren des Gebäudes 1 angeordnet,
während der Wärmetauscher 5 außerhalb desselben positioniert wird. Vorzugsweise
wird der Wärmetauscher 5 innerhalb eines Luftschachtes 6, dem Erdreich 8, einem
Gewässer 9 oder im Grundwasser 10 angeordnet. Der Wärmetauscher 4 wird innerhalb
des Gebäudes so installiert, daß er tiefer angeordnet
ist als
der außerhalb des Gebäudes 1 befindliche Wärmetauscher 5. Der Wärmetauscher 4 kann
entweder direkt an die Wärmequelle 2 angrenzen oder so positioniert werden, daß
er von dem im Gebäude 1 befindlichen Medium, einer Flüssigkeit oder einem Gas umgeben
beziehungsweise umströmt wird. Der Wärmeübertrager 3 z.B. wird bei der Verwendung
von Fluorchlor kohlenwasserstoff der Methan- und Äthanreihe (Frigen oder R 11) nur
zum Teil gefüllt. Durch die vom Wärmetauscher 4 aus dem Gebäude 1 aufgenommene Wärme
wird das im Wärmetauscher 3 befindliche Frigen beziehungsweise R 11 erwärmt und
beginnt ab einer bestimmten Temperatur zu verdampfen. Es strömt über die Vorlaufleitung
3A zum Wärmetauscher 5. Dort kondensiert der Dampf unter Abgabe der Wärme an die
äußere Umgebung, insbesondere an das den Wärmetauscher 5 umgebende wärmeaufnehmende
Medium. Das sich im Wärmetauscher 5 sich bildende Kondensat läuft über die Rücklaufleitung
3B in den Wärmetauscher 4 zurück und wird dort erneut verdampft. Ein solcher mit
Frigen oder R 11 gefüllter Wärmeübertrager 3 kann anstelle der in den Figuren 1
bis 4 benutzten Wärmeübertrager 3 verwendet werden.
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