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Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Sättigungs-
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temperatur einer unter Druck stehenden Flüssigkeit.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Sättigungstemperatur
einer unter Druck stehenden Flüssigkeit unter Verwendung eines über eine Wirkdruckleitung
mit der Flüssigkeit in Verbindung stehenden Prüfbehälters in dessen Innenraum ein
Heizelement und ein Temperaturfühler angeordnet ist, wobei die im Prüfbehälter befindliche
Flüssigkeit eine Temperatur unterhalb der Sättigungstemperatur aufweist.
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Ein derartiges Verfahren ist in der deutschen Patentanmeldung P 34
14 490.6-52 beschrieben. Dort wird die Flüssigkeit im Prüfbehälter bis in die Nähe
der Sättigungstemperatur, die selbst bei geringem Druck noch über 2000C liegt, aufgeheizt
und durch ein aufwendiges Regelsystem auf dem leicht unterkühlten Niveau gehalten.
Zur Ermittlung der Sättigungstemperatur ist eine Messung der Flüssigkeitstemperatur
und ihres Abstandes zur Sättigungstemperatur erforderlich. Dazu ist neben einem
Temperaturfühler noch ein Detektor zur Messung des Sättigungsabstandes notwendig.
Das Zusammenspiel zwischen
Detektor und Heizelement führt wegen
des geringen Abstandes zwischen Flüssigkeitstemperatur und Sättigungstemperatur
insbesondere bei Drucktransienten zu Schwierigkeiten bei der Meßwertbildung.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten
Art anzugeben, das ohne Aufheizen der Flüssigkeit auskommt und weniger Regelaufwand
benötigt.
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Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäM dadurch, daß das Heizelement
elektrisch derart beheizt wird, daß wenigstens an einem Teilbereich der Oberfläche
des Heizelementes voll ausgebildetes Oberflächensieden auftritt und daß die Wandtemperatur
des Heizelementes im Bereich des voll ausgebildeten Oberflächensiedens gemessen
wird, wobei dieser Temperaturwert ein Maß für die Sättigungstemperatur der Flüssigkeit
ist. Die Bestimmung der Sättigungstemperatur wird somit auf eine einfache Temperaturmessung
zurückgeführt. Ein Aufheizen der Flüssigkeit ist nicht erforderlich. Ebenso sind
Schwankungen der Flüssigkeitstemperatur und der Druckwerte auf den Meßwert ohne
Einfluß.
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Eine andere Lösung der Aufgabe sieht vor, daß das Heizelemtent elektrisch
derart beheizt wird, daß wenigstens an einem Teilbereich der Oberfläche des Heizelementes
voll ausgebildetes Oberflächensieden auftritt und daß die Temperatur der Grenzschichtströmung
zwischen Heizelement und Flüssigkeit im Bereich des voll ausgebildeten Oberflächensiedens
gemessen wird, wobei dieser Temperaturmeßwert ein Maß für die Sättigungstemperatur
der Flüssigkeit ist. Hier wurde überraschend gefunden, daß in der Grenzschichtströmung
etwa die gleiche Temperatur herrscht wie in der Wand des Heizelements.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Temperatur der Grenzschichtströmung
unmittelbar oberhalb des freien Endes des Heizelementes gemessen. Dort treffen Grenzschichtströmungen
verschiedener Seitenfläches des Heizelementes zusammen und führen zu einem präzisen
Mischwerk.
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Zur Erhöhung der Meßwertgenauigkeit werden die unmittelbar gemessenen
Temperaturwerte unter Verwendung eines vom jeweiligen Druckwert des zu überwachenden
Flüssigkeitskreislaufes abhängigen Korrekturfaktors auf die exakte Sättigungstemperatur
gebracht.
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Eine Einrichtung zur Durchführung beider Verfahrenslösungen sieht
vor, daß das Heizelement ein solches Maß in den Prüfbehälter ragt, daß in jeder
Betriebsphase wenigstens am freien Ende des Heizelements ein vollständiges Oberflächensieden
auftritt. Dadurch werden Schwankungen sowohl der Druckwerte als auch der Heizleistung
des Heizelementes auf einfache Weise ausgeglichen.
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Vorzugsweise ist das Heizelement als Mantel-Thermoelement ausgebildet,
das sich vom Boden des Prüfbehälters aus in den Innenraum desselben erstreckt und
an seinem freien Ende seine Wandtemperatur mißt. Bei dieser Ausführung ist das Heizelement
und der Temperaturfühler als integrierter Bauteil ausgeführt.
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Ebenfalls als integrierter Bauteil ist eine andere Heizelementausbildung
aufgebaut. Sie zeichnet sich dadurch aus, daM das Heizelement in einem Gehäuse angeordnet
ist, das an seinem oberen Ende einen Freiraum aufweist, der zur Aufnahme eines Widerstandsthermometers
dient.
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Eine weitere Ausbildung der Einrichtung verwendet einen beheizten
Platindraht, dessen Temperatur über eine Widerstandsänderung oder in Verbindung
mit einem Thermoelement gemessen wird. Insbesondere mit dieser Ausbildung wird der
einfache Aufbau des Verfahrens verdeutlicht.
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Zur Durchführung der Lösung "Grenzschichtströmung" wird eine Einrichtung
vorgeschlagen, die oberhalb eines vom Boden des Prüfbehälters auskragenden Heizelementes
einen Temperaturfühler zur Messung der Temperatur der Grenzschichtströmung aufweist.
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Anhand verschiedener Ausführungsbeispiele und der schematischen Figuren
1 bis 7 werden die Verfahren und eine Einrichtung zur Durchführung der Verfahren
beschrieben.
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Dabei zeigt die Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Prüfbehälter
mit einem Mantel-Thermoelement Figur 2 bis 4 den Teilbereich eines Prüfbehälters
mit unterschiedlich ausgebildeten Heizelementen und Temperaturfühlern, Figur 5 ein
Schaubild über den Verlauf der Siedegrenzen in Abhängigkeit von der Wärmestromdichte
des Heizelementes und vom Druck im Prüfbehälter und Figur 6 und 7 den Verlauf der
Wandtemperautur des Heizelementes bei konstanter Wärmestromdichte.
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Die Figur 1 zeigt einen Prüfbehälter 1, der über eine Wirkdruckleitung
2 mit dem Primärkühlkreislauf einer nicht dargestellten wassergekühlten Kernreaktoranlage
verbunden ist. Der Prüfbehälter ist mit Wasser des Primärkühlkreislaufes gefüllt.
Uber ein nicht dargestelltes Lüftungsventil ist der Luftaustritt während des Füllvorganges
gewährleistet. Aufgrund der Wirkdruckleitung 2 herrscht im Prüfbehälter 1 ein dem
Druck im Kühlkreislauf vergleichbarer Druck. Das Verfahren zur Bestimmung der Sättigungstemperatur
und somit auch der Prüfbehälter ist für einen Druckbereich von 45 bis 160 bar ausgelegt.
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Die Temperatur des Kühlkreislaufes von ca. 300°C überträgt sich nicht
auf den Prüfbehälter-Inhalt, da keine Zirkulation stattfindet. In dem Prüfbehälter
stellt sich daher eine der Umgebungstemperatur des Prüfbehälters entsprechende Temperatur
ein. Zur Bestimmung der Sättigungstemperatur, die ja bekanntlich vom Druck des im
Prüfbehälter befindlichen Wassers abhängt, ragt ein Mantel-Thermoelement 3 durch
den Boden 4 des Prüfbehälters.
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Der Mantel 5 ist mit einer Spannungsquelle 36 verbunden und wirkt
als Heizelemtent. Das Heizelement wird nun derart über die Spannungsquelle 36 elektrisch
beheizt, daß wenigstens an Teilbereichen seiner Oberfläche ein voll ausgebildetes
Sieden auftritt. Bei voll ausgebildetem Oberflächensieden lösen sich Dampfblasen
von der Wand des Heizelementes und steigen im Wasser des Prüfbehälters auf, bis
sie in unterkühlten Wasserschichten wieder kondensieren. Die Wandtemperatur im Bereich
des voll ausgebildeten Oberflächensiedens ist ein Maß für die Sättigungstemperatur.
Die Grenzschicht zwischen der Wand des Heizelements und dem unterkühlten Wasser
in der das Oberflächensieden stattfindet ist etwa 0,5 mm dick.
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Die als Heizung wirksame Länge "l" des Mantels beträgt 50 mm und seine
Wärmestromdichte 102 Watt pro cm2, die in konstanter Heizleistung aufgebracht wird.
In dem Mantel-Thermoelement ist ein Temperaturfühler 7 integriert, der die Wandtemperatur
am freien Ende 8 des Mantels 5 mißt und an einen Temperaturanzeiger 37 weiterleitet.
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In dem Schaubild nach Figur 5 ist der ZusammenMag Vzwei/ 4 schen Siedegrenzen,
Wärmestromdichte, Flüssigkeitsdruck und wirksamer Lange des in das Wasser des Prüfbehälters
ragenden Heizelementes aufgezeigt. Die Erfindung macht sich nämlich den physikalischen
Effekt zunutzen, daß beim Eintauchen einer beheizten senkrechten Wand in eine ruhende
unterkühlte Flüssigkeit sich entlang der Wand eine Grenzschichtströmung ausbildet,
die zu einem von unten nach oben gerichteten Temperaturanstieg in der Grenzschicht
und in der Wand führt. Um die erfindungsgemäße Anwendung dieses Effekts für die
Bestimmung der Sättigungstemperatur zu ermöglichen, waren umfangreiche Versuche
erforderlich. So zeigte es sich, das bei einer Wärmestromdichte von 102 Watt pro
cm2 eine einen Flüssigkeitsdruck von 45 bar darstellende Kurve 9 für voll ausgebildetes
Oberflächensieden bereits bei einer wirksamen Heizelementlänge von 8 mm (unterbrochen
gezeichnete Linie 12) eine die Wärmestromdichte symbolisierende Linie 10 schneidet.
Dagegen schneidet eine einen Flüssigkeitsdruck von 160 bar symbolisierende Kurve
11 diese strichpunktiert gezeichnete Linie 10 erst bei einer wirksamen Heizelementlänge
von 50 mm (unterbrochen gezeichnete Linie 13). Bei einem Druck von 45 bar liegt
also die Siedegrenze des Heizelements, oberhalb derer sich ein voll ausgebildetes
Oberflächensieden einstellt, bei 8 mm während sie bei einem Flüssigkeitsdruck von
160 bar bei 50 mm liegt. Soll also, wie bei dem hier beschriebenen Beispiel die
Sättigungstemperatur bei einer Flüssigkeit mit einem Druckspektrum von 45 bis 160
bar ermittelt werden, so muß bei einer konstanter Wärmestromdichte von 102 Watt
pro cm2 das Heizelement mindestens eine wirksame Länge von 50 mm aufweisen. Aus
diesem Grunde ist es erforderlich, ein Heizelement mit einer wirksamen Länge von
wenigstens 50 mm einzusetzen und seine Wandtemperatur an seinem freien Ende zu messen.
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Die Figuren 6 und 7 zeigen insbesondere, daß bei konstanter Wärmestromdichte
nach Erreichen der Siedegrenze die Wandtemperatur des Heizelementes nicht weiter
ansteigt. So verläuft nach Figur 6, die von einem Flüssigkeitsdruck von 45 bar bei
konstanter Wärmestromdichte ausgeht, die Siedekurve 14 nach dem Uberschreiten der
Linie 12 gerade. Auch bei der Figur 7, die von einem Flüssigkeitsdruck von 160 bar
und konstanter Wärmestromdichte ausgeht, verläuft die Siedekurve 14 a nach dem Uberschreiten
der Linie 13 parallel zur Ordinate. Dieses Beispiel zeigt, daß auch bei Druckwerten
des im Prüfbehälter befindlichen Wassers unterhalb von 160 bar die am freien Ende
des Heizelementes gemessene Wandtemperatur die gleiche Aussage liefert wie eine
exakt an der jeweiligen Siedegrenze, wie z. B. 8 mm bei einem Druck von 45 bar,
gemessene Wandtemperatur. Die in der Figur 6 und 7 unterbrochen gezeichneten vertikalen
Linien 15, 15a symbolisieren die aus der jeweiligen Wandtemperatur (durch die Gerade
der Siedekurve 14, 14a dargestellt) abgeleitete Sättigungstemperatur. Nach der Figur
6 beträgt die gemessene Wandtemperatur 2690C und die daraus abgeleitete Sättigungstemperatur
2570C, während nach Figur 7 die gemessene Wandtemperatur 314900 und die daraus abgeleitete
Sättigungstemperatur 3470C beträgt. Falls diese Abweichung zwischen zwei K und zwölf
K auf einer Bandbreite von 45 bis 160 bar zu gro ist, läßt sich zwischen der ermittelten
Wandtemperatur des Heizelementes und der zugehörigen Sättigungstemperatur leicht
ein Korrekturfaktor bilden, der die ermittelte Wandtemperatur unmittelbar in die
exakte Sättigungstemperatur umsetzt. Der unterhalb der Linie 12 bzw. 13 verlaufende
Kurvenast der Siedekurve 14, 14a symbolisiert übrigens den Bereich des partiellen
Oberflächensiedens. Beim partiellen Oberflåchensieden kondensieren die Dampfblasen
noch bevor sie sich von der Wand des Heizelementes ablösen können. Es bildet sich
dort ein an der Wand haftender "Blasenpelz".
Die in diesem Bereich
auftretenden Wandtemperaturen des Heizelementes sind daher noch nicht zur Bildung
der Sattigungstemperatur verwendbar.
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Die Figuren 2 bis 4 zeigen andere Ausgestaltungen zum Ermitteln der
Sättigungetemperatur. So weist nach Figur 2 das im Boden des Prüfbehälters befestigte
Heizelement 16 einen als Hohlkörper ausgebildeten Heizkörper 17 auf, der von einem
Mantel 18 umgeben ist. Durch den Hohlraum 19 des Heizkörpers 17 erstreckt sich ein
Widerstandsthermometer 20 bis in einen oberhalb des Heizkörpers angeordneten Hohlraum
21. Das Widerstandsthermometer 20 mißt die Manteltemperatur am oberen Ende des Heizelementes
16. Der Heizkörper 17 ist über eine Verbindungsleitung 23 mit einer Spannungsquelle
24 und das Widerstandsthermometer 20 über eine Verbindungsleitung 25 mit einer Temperaturanzeige
26 verbunden.
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Die Einrichtung nach Figur 3 verwendet einen Platin-Heizdraht 27,
dessen am freien Ende sich einstellende Temperatur durch ein Thermoelement 28 ermittelt
wird, Verbindungen bestehen zu einer Spannungquelle 29 und zu einer Temperaturanzeige
30. Bei dieser Ausführung ist die aufzubringende Heizleistung sehr gering.
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Die Figur 4 zeigt ein im Boden 4 des Prüf behälters 1 eingelassenes
Heizelement 31, dessen Heizkörper 32 von einem Mantel 33 umgeben und mit einer Spannungsquelle
35 verbunden ist. Das unmittelbar oberhalb des Heizelement tes angeordnete Thermoelement
34 mißt die Temperatur der Grenzschichtströmung, die im Bereich des Oberflächensiedens
entsteht und ebenfalls ein Maß für die Sättigungstemperatur darstellt.