DE4344324C1 - Verfahren zur mengenmäßigen Ermittlung eines Gemischanteils in einem Gasgemisch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mengenmäßigen Er­ mittlung eines Gemischanteils in einem Wasserdampf enthalten­ den Gasgemisch, insbesondere eines Wasserstoffanteils in der Atmosphäre eines Sicherheitsbehälters eines Kernkraftwerkes, wobei dem Gasgemisch vor der Ermittlung eines Gemischanteils ein bei Raumtemperatur nicht kondensierbares Zuschlaggas zu­ gemischt wird.

Derartige Verfahren sind durch die EPO 419 994 A1 und die DE 41 26 894 A1 bekannt.

Es ist auch bekannt, daß Wasserstoff in Anwesenheit eines Ka­ talysators, z. B. auf Platin- oder Palladiumbasis, schon bei Raumtemperatur in einer exothermen Reaktion oxidierbar ist. Diese katalytische Oxidation von Wasserstoff wird auch als kalte Verbrennung bezeichnet. Durch Messung der bei dieser Reaktion entstehenden Wärmetönung oder Temperaturänderung kann die Wasserstoffkonzentration in einem Gasgemisch ermit­ telt werden.

So wird z. B. bei einem aus der US-PS 4,298,574 bekannten Ver­ fahren die infolge einer katalytischen Oxidation von Wasser­ stoff an einem Katalysator entstehende Temperaturänderung in bezug auf einen Referenzwert mittels eines Thermoelementes erfaßt und in ein entsprechendes Spannungssignal umgewandelt. Die gemessene Spannung ist ein Maß für den Wasserstoffanteil des Gasgemisches. Mit diesem Verfahren kann auch der Anteil von Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoff in einem Gasgemisch ermittelt werden.

Bei einem aus der DE-OS 30 46 560 bekannten Verfahren zur Feststellung von brennbaren Gasen, insbesondere von Wasser­ stoff in der Containmentatmosphäre eines Kernkraftwerks, wird eine Temperaturänderung mittels eines temperaturabhängigen Ohm′schen Widerstandes erfaßt, der Teil einer Brückenschal­ tung ist.

Diese bekannten Verfahren setzen voraus, daß zum einen eine ausreichende Menge an Sauerstoff zur Oxidation der gesamten Wasserstoffgasmenge vorhanden ist und daß die Oxidation des Wasserstoffgases als solchem sicher beherrschbar bleibt, ins besondere nicht zu unzulässig hohen Temperaturen führt. Diese beiden Randbedingungen sind jedoch in Ausnahmefällen nicht immer ohne besondere zusätzliche Maßnahmen zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, durch das für ein Gasgemisch ein mengenmäßiger An­ teil eines bestimmten Gases, beispielsweise Wasserstoff, un­ ter Verzicht auf chemische Reaktionen der Gasanteile unter­ einander oder mit zugefügten Stoffen bestimmbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Volumen des Zuschlaggases mindestens so groß ist wie die Summe der Volu­ mina der im Gasgemisch enthaltenen nicht kondensierbaren Ge­ mischanteile, daß der Wasserdampf aus dem Gasgemisch im An­ schluß an die Zumischung des Zuschlaggases durch Kondensation aus dem Gasgemisch herausgelöst wird und dadurch, daß erst danach eine quantitative Ermittlung eines bestimmten Ge­ mischanteils erfolgt, indem die Wärmeleitfähigkeit und die paramagnetische Suszeptibilität des neu gebildeten Meßgases mit den entsprechenden Werten eines bekannten Gases vergli­ chen wird.

Nach zweckmäßigen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens erfolgt die Kondensation des Wasserdampfes bei Tempe­ raturen unter 100°C, vorzugsweise bei 50 bis 60°C, und er­ folgt die Zumischung des Zuschlaggases in einer Strahlpumpe.

Weitere Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung bestehen darin, daß eine zur Kondensation des Wasserdampfes erforderliche Ab­ kühlung des Gasgemisches ganz oder teilweise durch Zumischen eines kalten Zuschlaggases erfolgt oder daß die zur Kondensa­ tion des Wasserdampfes erforderliche Abkühlung des Gasgemi­ sches ganz oder teilweise durch Wärmeentzug in einem Wärme­ tauscher erfolgt.

Zur Erleichterung der Kondensation dienen in dem Gasgemisch mitgeführte oder diesem zusätzlich zugegebene Aerosole als Kondensationskeime.

Der erfindungsgemäße Vergleich der Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Gasgemisches einerseits und des bekannten Ga­ ses andererseits erfolgt unter Einsatz einer Brückenschaltung aus temperaturabhängigen Widerständen, von denen mindestens je einer in dem zu bestimmenden und mindestens je einer in dem bekannten Gas liegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr vorteilhaft, denn es gewährleistet durch den Verzicht auf chemische Reaktionen und durch die niedrigen Temperaturen eine gefahrlose Bestimmung von Gemischanteilen aus brennbaren Gasen, die, wie beispiels­ weise Wasserstoff, schon bei verhältnismäßig niedrigen Antei­ len Knallgasgemische bilden können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 eine Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens,

Fig. 2 Einzelheiten aus der Schaltung gemäß Fig. 1 mit einer reinen Injektionskühlung und

Fig. 3 Einzelheiten aus der Schaltung gemäß Fig. 1 mit einer Kühlung in einem besonderen Wärmetauscher.

Einander entsprechende Bauteile sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Zwei zueinander redundante Meßleitungen 1 liegen in Durchfüh­ rungen 2 einer Containmentwand 3 eines Kernkraftwerks. Beide Meßleitungen 1 enthalten je zwei Ventile 4 und münden in eine Leitung 5, die durch eine rückspülbare Filtereinrichtung 6 führt. Die Filtereinrichtung 6 besteht beispielsweise aus ei­ nem Metallfaserfilter und/oder einem Düsenwäscher und/oder einem Molekularsiebeinsatz.

Ein Dampf- und Dekont-Flüssigkeitsbehälter 7 ist über eine durch ein Ventil 8 verschließbare Dekontleitung 9 mit der Leitung 5 verbunden.

Die Leitung 5 enthält ferner ein von einem Druckfühler 10 ge­ steuertes Drosselventil 11 und mündet in eine Strahlpumpe 12, deren Pumpdüse 13 über eine Zuschlagleitung 14 und über ein ebenfalls druckabhängig gesteuertes Ventil 16 mit Flaschengas aus einer Gasflasche 15 beaufschlagt ist. Als Flaschengas dient vorzugsweise Stickstoff.

Das in der Strahlpumpe 12 mit Flaschengas verdünnte Gasge­ misch aus dem Containment strömt durch ein Kondensorrohr 17 in einen Zentrifugalabscheider 18, in dem entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 zusätzlich eine Kühlwendel 19 angeordnet ist. Im Zentrifugalabscheider 18 wird das Kon­ densat vom Meßgas getrennt.

Das Kondensat fließt durch eine durch ein Ventil 20 absperr­ bare Kondensatleitung 21 in einen Kondensatbehälter 22, wäh­ rend das Meßgas über ein zentrales Sammelrohr 23 aus dem Zen­ trifugalabscheider 18 heraus- und einer Meßzellenanordnung 24 zugeführt wird.

Bei der Einspeisung in die Meßzellenanordnung 24 wird das Meßgas durch Röhren 25 in mehrere Teilströme aufgespalten.

Die Meßzellenanordnung 24 enthält nicht näher dargestellte Wärmeleitdetektoren und/oder magnetodynamische Meßzellen, in denen zum einen die Wärmeleitfähigkeit und zum anderen die paramagnetische Suszeptibilität des Meßgases ermittelt wird. Hierbei sind die Detektoren und die Meßzellen je für sich oder in einer Kombination zu einer oder mehreren Brücken­ schaltungen miteinander verknüpft. Am Ausgang der Meßzellen­ anordnung 24 werden die Teilströme des Meßgases wieder zusam­ mengefaßt und über eine Leitung 26 einer Pumpe 27 zugeführt.

Eine Umgehungsleitung 28 ermöglicht es, beispielsweise wäh­ rend des An- und Abfahrens, das Meßgas an der Meßzellenanord­ nung 24 vorbeizuführen.

Außerdem ist eine Bypassleitung 29 parallel zur Leitung 26 vorgesehen, die über ein Mehrwegeventil 30 ein Befüllen von Probeflaschen 31 mit Meßgas ermöglicht.

Die Pumpe 27 saugt das Meßgas aus der Meßzellenanordnung 24 ab und preßt es über eine Rückleitung 32 zurück in das Con­ tainment. Die Rückleitung 32 ist durch zwei in Reihe liegende Ventile 33 verschließbar und durchdringt die Containmentwand 3 in einer Durchführung 2.

Eine Abflußleitung 34 des Kondensatbehälters 22 ist durch ein Ventil 35 verschließbar und mündet in die Rückleitung 32. Der Kondensatbehälter 22 ist darüber hinaus mit einem durch ein Ventil 36 verschließbaren Überlauf 37 versehen.

Bei der Durchführung einer Messung strömt das aus der Con­ tainmentatmosphäre entnommene Gasgemisch durch die Meßleitun­ gen 1 und die Ventile 4 zur Filtereinrichtung 6 und wird auf seinem weiteren Weg durch die Leitung 5 im Drosselventil 11 auf einen gewünschten Druck gedrosselt, mit dem es der Strahlpumpe 12 zuströmt. Parallel dazu wird der Strahlpumpe 12 aus der Gasflasche 15 Flaschengas zugeführt, das beim Aus­ tritt aus der Pumpdüse 13 mit dem Gasgemisch aus der Leitung 5 verwirbelt wird.

Als Flaschengas ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel Stickstoff vorgesehen, von dem dem Gasgemisch das zwei- bis siebenfache, vorzugsweise das dreifache, der Volumenmenge der in dem Gasgemisch enthaltenen bei Raumtemperatur in der Anla­ ge nicht kondensierbaren Gasvolumina beigemischt wird.

Durch die infolge der Entspannung der Gase auftretenden Ab­ kühlung derselben wird in dem in der Strahlpumpe 12 gebilde­ ten Gemisch der Kondensationspunkt für Wasserdampf unter­ schritten, so daß der größte Teil des vorhandenen Wasserdamp­ fes kondensiert. Die Kondensation wird durch die vom Gasge­ misch aus dem Containment mitgeführten Aerosole unterstützt und wird gegebenenfalls durch Zugabe weiterer Aerosole geför­ dert.

Das nun im wesentlichen trockene Meßgas hat eine Temperatur unter 100°C, vorzugsweise zwischen 50°C und 60°C, kann aber auch noch weiter abgekühlt werden.

Das gekühlte und getrocknete Meßgas wird durch das Sammelrohr 23 und die Röhren 25 der Meßzellenanordnung 24 zugeführt und umströmt in dieser die dort angeordneten Wärmeleitdetektoren und magnetodynamischen Meßzellen, so daß aus den an der Meß­ zellenanordnung 24 anstehenden Meßwerten der Anteil verschie­ dener Gemischbestandteile, insbesondere des Wasserstoffan­ teils, ableitbar ist, weil sich die einzelnen Gasbestandteile hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit und ihrer paramagneti­ schen Suszeptibilität erheblich voneinander unterscheiden.

Zu Kontroll- und Dokumentationszwecken werden von Zeit zu Zeit in Probeflaschen 31 zusätzlich Proben abgefüllt, deren Zusammensetzung auf herkömmliche Art im Labor ermittelt wird. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen dienen zwar in erster Linie Kontroll- und Dokumentationszwecken, können jedoch auch zur Eichung und Korrektur der Meßzellenanordnung 24 einge­ setzt werden.

Beim Zurückpressen des aus der Meßzellenanordnung 24 abströ­ menden Meßgases wird, soweit erforderlich, jeweils nach dem Schließen der Ventile 20 und 36 sowie dem Öffnen des Ventils 35 das aus dem Kondensatbehälter 22 abfließende Kondensat mitgenommen.

Mit den vorbeschriebenen Verfahren sind auch beliebige andere Gemischanteile als Wasserstoff bestimmbar. Außerdem können auch andere physikalisch meßbare Eigenschaften der Gemischan­ teile zu Vergleichsmessungen genutzt werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur mengenmäßigen Ermittlung eines Gemischan­ teils in einem Wasserdampf enthaltenden Gasgemisch, insbeson­ dere eines Wasserstoff-Anteils in der Atmosphäre eines Si­ cherheitsbehälters eines Kernkraftwerkes, wobei dem Gasge­ misch vor der Ermittlung eines Gemischanteils ein bei Raum­ temperatur nicht kondensierbares Zuschlaggas zugemischt wird, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Volumen des Zuschlaggases mindestens so groß ist wie die Summe der Volumina der im Gasgemisch enthaltenen, bei Raumtemperatur nicht kondensierbaren Gemischanteile,
• - daß der Wasserdampf aus dem Gasgemisch im Anschluß an die Zumischung des Zuschlaggases durch Kondensation aus dem Gasgemisch herausgelöst wird und
• - daß erst danach eine quantitative Ermittlung eines bestimmten Gemischanteils erfolgt, indem die Wärmeleitfähigkeit und/oder die paramagnetische Suszeptibilität des neu gebildeten Meßgases mit den entsprechenden Werten eines bekannten Gases verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensation des Wasserdampfes bei Temperaturen unter 100°C, vorzugsweise bei 60°C bis 50°C oder noch niedrigeren Temperaturen, erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zumischung des Zuschlaggases in einer Strahlpumpe erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuschlaggas ein inertes Gas, beispielsweise Stickstoff, eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Kondensation des Wasserdampfes erforderliche Abkühlung des Gasgemisches ganz oder teilweise durch Zumischen eines kalten Zuschlaggases erfolgt, so daß die Zumischung des Zuschlagga­ ses und die Kondensation des Wasserdampfes mindestens teil­ weise simultan erfolgen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Kondensation des Wasserdampfes erforderliche Abkühlung des Gasgemisches ganz oder teilweise durch Wärmeentzug in einem Wärmetauscher erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Gasge­ misch enthaltene Aerosole als Kondensationskeime dienen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gas­ gemisch zusätzlich Aerosole zugegeben werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver­ gleich durch Einsatz einer Brückenschaltung aus temperaturab­ hängigen Widerständen und/oder elektromagnetischen Spulen er­ folgt, von denen mindestens je ein Element in dem Meßgas und mindestens je ein Element in einem bekannten Gas liegt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Volu­ men des Zuschlaggases gleich der 2fachen bis 7fachen, vor­ zugsweise der 3fachen, Summe der Volumina der bei Raumtempe­ ratur nicht kondensierbaren Gemischanteile ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuschlaggas ein Gas dient, dessen Wärmeleitfähigkeit und paramagnetische Suszeptibilität etwa gleich denen der Luft sind und deutlich von den entsprechenden Eigenschaften von Wasserstoff abweichen.