EP0437436A1 - Verfahren und vorrichtung zur beseitigung von brennbaren gasgemischen in einem gasraum - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur beseitigung von brennbaren gasgemischen in einem gasraum

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EP0437436A1
EP0437436A1 EP89906706A EP89906706A EP0437436A1 EP 0437436 A1 EP0437436 A1 EP 0437436A1 EP 89906706 A EP89906706 A EP 89906706A EP 89906706 A EP89906706 A EP 89906706A EP 0437436 A1 EP0437436 A1 EP 0437436A1
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EP
European Patent Office
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combustion
grid
ignition
gas
partial volume
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP89906706A
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Inventor
Johannes Wiesemes
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Individual
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Priority claimed from DE3823421A external-priority patent/DE3823421A1/de
Priority claimed from DE3833401A external-priority patent/DE3833401A1/de
Priority claimed from DE3901382A external-priority patent/DE3901382A1/de
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Publication of EP0437436A1 publication Critical patent/EP0437436A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C9/00—Emergency protection arrangements structurally associated with the reactor, e.g. safety valves provided with pressure equalisation devices
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C19/00—Arrangements for treating, for handling, or for facilitating the handling of, fuel or other materials which are used within the reactor, e.g. within its pressure vessel
    • G21C19/28—Arrangements for introducing fluent material into the reactor core; Arrangements for removing fluent material from the reactor core
    • G21C19/30—Arrangements for introducing fluent material into the reactor core; Arrangements for removing fluent material from the reactor core with continuous purification of circulating fluent material, e.g. by extraction of fission products deterioration or corrosion products, impurities, e.g. by cold traps
    • G21C19/317—Recombination devices for radiolytic dissociation products
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the invention relates to a method for eliminating flammable gas mixtures in a gas space.
  • the invention further relates to devices for performing such methods.
  • the formation of flammable gas mixtures is unavoidable. Explosions of flammable gas mixtures can cause considerable damage to the systems containing these gas mixtures.
  • the removal of a hydrogen-air mixture after a nuclear meltdown in a nuclear power plant (NPP) serves as an application example for describing the invention.
  • the explosive mixture is led through pipes into a reaction chamber and recombined there, for example, thermally or catalytically.
  • the flow method proves to be unsuitable due to the extremely long time required; this includes the Swiss patent 514 217, which describes the formation of a combustion chamber in a line through which the exhaust gas flows through porous blocking elements.
  • catalytic recombiners contact catalysts
  • Catalytic processes are very sensitive to traces of catalyst poisons. If catalytic surfaces act as a recombiner, they heat up to temperatures> ignition temperature of the explosive H2-02 mixture // loc. cit. Siemens, May 1988 // and trigger a deflagration or detonation in the SB. It is also known that combustible gas mixtures present in a container deflagrate below the detonation limit if the ignition takes place at one location in the container.
  • the porous barrier elements arranged transversely to the line oppose the flow of the combustible gas mixture with considerable flow resistance, which is overcome by a corresponding pressure difference.
  • the combustible gas mixture is continuously burned in the combustion chamber formed between the first and second porous blocking members after a single ignition, since the first porous blocking member acts like a gas burner, the combustion chamber being chosen closely enough to avoid damage caused by an explosion of the combustible gases can arise; because a quick release of pressure through the porous barrier elements is not possible due to the nature of the pores.
  • the invention has for its object to enable an explosion-proof, short-term elimination of a combustible gas mixture even in a larger gas space.
  • This object is achieved in that the combustible gas mixture is burned or recombined in numerous sub-volumes which are separated from the rest of the gas space by grids.
  • the combustion inside the partial volumes is caused by ignition sources such as
  • the invention uses a suitable combination of long-known devices:
  • - Security pit lamps with open flames according to Davy Security pit lamps as light sources with open flames have long proven themselves in mines as explosive (protected) light sources even with explosive methane-air mixtures. If there is more than 1% methane in the mine air, a bluish hood appears above the light, which expands with increasing methane content.
  • the safety pit lamp is designed as a light source with an open flame; it is unsuitable for eliminating combustible gases, since, for example, explosive combustion processes cannot occur inside the safety mine lamp because the distances between the flame and the wall are too small.
  • Spark or glow plugs have been tried and tested as suitable ignition sources for explosive gas mixtures in internal combustion engines for decades. Electrical sparks ignite hydrogen-air mixtures of 4 to 75 vol% hydrogen.
  • a grille delimits a partial volume from the rest of the gas space.
  • the grille has only a low flow resistance to gases and vapors.
  • the combustible gas mixture is present in the partial volume in the same concentration as in the rest of the gas space without a pressure difference. If an ignition occurs with explosive combustion in the partial volume, the grille prevents the explosion-like combustion from spreading into the remaining gas space if the bittern's nib width is selected to be sufficiently small depending on the combustible gas mixture present.
  • a mesh size less than or equal to 0.2 mm and greater than or equal to 0.05 mm has proven suitable for hydrogen-air mixtures.
  • the partial volume acts as a combustion chamber for continuous combustion, as described, for example, in Swiss Patent 514 217.
  • porous blocking elements proposed there for separating the combustion chamber in an exhaust gas line are unsuitable for explosive combustion, since the combustion products cannot flow out sufficiently quickly through the pores of the blocking elements. Therefore, on page G, line 26 ff.:"In the event that the flame should go out temporarily and then have to be ignited again, the space between the blocking elements 52 and 53 is narrow enough to avoid damage caused by the gases can explode between the blocking elements. " In contrast to the porous barrier elements proposed there, a grid with a suitable mesh size as a boundary from the rest of the gas space enables explosive combustion of the gas mixture in a substantially larger volume than can be achieved with porous barrier elements.
  • the smallest distance between the location of the ignition and the grille is therefore selected so that only explosive combustion can occur in the partial volume. Continuous combustion would not be controllable externally ' and could lead to the grid overheating and thus to ignition in the remaining gas space; this could trigger an explosion outside the sub-volume, which must be prevented.
  • FIG. 1 shows a section of a reduced representation of the new device for eliminating flammable gas mixtures.
  • FIG. 2 shows a section along the line 2--2 through the device according to FIG. 1.
  • the combustible gas mixture between the inner grids (19) is ignited with the spark plug (2 ⁇ ).
  • the explosive combustion remains confined to the space between the inner grilles (19).
  • the hot combustion products can flow through the grids (18, 19) almost unhindered - primarily upwards.
  • the flow baffles (22) create a chimney effect and increase the convection.
  • the thermal energy is dissipated through the cooling lines (21) carrying the coolant. Fresh, unburned gas mixture flows into the space between the inner grids (19) and is ignited again.
  • electrical devices such as Sensors, switches, supply lines, delay devices, fans not shown.
  • the exemplary arrangement of spark and glow plugs as ignition sources in the partial volume proves to be particularly suitable for external control of the combustion.
  • two grids electrically insulated from one another are arranged at a distance from one another around the partial volume. If external (e.g. mechanical) influences on the outer grid, the inner and the outer grid can come into conductive contact. This triggers a sensor that cuts off power to the spark and glow plugs.
  • the conductive contact of the two wire grids is intrinsically safe and cannot trigger sparks, since the potential difference between the grids and the electrical currents flowing when they are touched are selected such that they are not sufficient for sparking.
  • a maximum temperature of the inner grid of approximately 2/3 of the ignition temperature of the combustible gas mixture int on hot surfaces is expedient.
  • a natural convection caused by the partial volumes during H2 combustion is prevented by suitable devices such as Fans and / or flow baffles reinforced with chimney effect; with the increased atmospheric convection more heat energy can be dissipated per unit of time and larger amounts of H2-air mixture can be added;
  • Heat pipes show particular suitability to the inside of the partial volume through the Combustion released heat energy to transport to the rest of the gas space.
  • sensors which are arranged below and above one or more devices and enable a temperature comparison of the gas atmosphere
  • the devices are maintenance-free and their long-term functioning is not impaired by chemical impurities in the gas space.

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Description

Verfahren und Vorrichtung zur Beseitigung von brennbaren Gasgemischen in einem Basraum.
B E S C H R E I B U N G
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beseitigung von brennbaren Gasgemischen in einem Gasraum. Ferner betrifft die Erfindung Vorrichtungen zur Durchführung solcher Verfahren. Bei manchen Prozessen beispielsweise chemischer Art ist die Bildung brennbarer Gasgemische unvermeidbar. Explosionen brennbarer Gasgemische können erhebliche Schäden an den diese Gasgemische enthaltenden Anlagen hervorrufen. Als Anwendungsbeispiel zur Beschreibung der Erfindung dient die Beseitigung eines Wasserstoff-Luftgemisches nach einem Kernschmelzunfall in einem Kernkraftwerk (KKW) . Bei einem Kernschmelzen wird im Sicherheitsbehälter (SB) des KKW in kurzer Zeit Wasserstoff in großen Mengen durch Metall-Wasser-Reaktionen frei, der umgehend aus dem Gasraum des SB entfernt werden muß, damit keine unkontrollierten Reaktionen des Wasserstoffs (H2) mit dem Sauerstoff (02) der SB-Luft gezündet werden; ansonsten wäre in einem solchen Fall bei einer H2-02-Deflagration oder -Detonation, ein frühzeitiges SB-Versagen nicht auszuschließen.
Es ist vorgeschlagen worden, zur Beseitigung eines solchen brennbaren Wasserstoff-Luftgemisches offene Zündquellen einzusetzen. Es werden mit Batterien betriebene Funkenstrecken oder katalytische Zünder angeboten //Siemens: Wasserstoffzünder, Bestellnr. A 191∅∅-U822-A107 Mai 1988//, die in einer zündfähigen Wasserstoff-Luftmischung im Sicherheitsbehälter eines Kernkraftwerks z.B. bei einem Kernschmelzunfall eine Deflagration oder Detonation ausläsen.
Seit langem sind weitere Verfahren zur Rekombination von H2 und 02 bekannt z.B.:
- Durchflußverfahren
Das explosible Gemisch wird durch Rohrleitungen in eine Reaktionskammer geführt und dort z.B. thermisch oder katalytisch rekombiniert. Bei einem freien Volumen von ca. 7∅∅∅∅m3 des SB eines deutschen Leichtwasserreaktors erweist sich das Durchflußverfahren wegen des extrem langen Zeitbedarfs als ungeeignet; hierzu zählt die schweizerische Patentschrift 514 217, die die Bildung einer Brennkammer in einer vom Abgas durchflossenen Leitung durch poröse Sperrorgane beschreibt.
- redundante, lokale Rekombinationsverfahren
Es sind vorrangig katalytische Rekombinatoren (Kontaktkatalysatoren) vorgeschlagen worden. Katalytische Prozesse reagieren sehr empfindlich auf Spuren von Katalysatorgiften. Falls katalytische Dberflachen als Rekombinator wirken, erhitzen sie sich bei genügendem H2-02-Angebot auf Temperaturen > Zündtemperatur des explosiblen H2-02-Gemisches//loc. cit. Siemens, Mai 1988// und lösen eine Deflagration oder Detonation im SB aus. Es ist weiter bekannt, daß in einem Behälter vorhandene brennbare Gasgemische unterhalb der Detonationsgrenze deflagrieren, wenn die Zündung an einem Ort im Behälter erfolgt. Es ist ferner bekannt, daß aber durch nahezu gleichzeitige Zündung eines brennbaren Gasgemisches ebenfallls unterhalb der Detonationsgrenze an verschiedenen Orten eines Behälters mittels einer Art Explosionsjet bereits detonationsähnliche Auswirkungen erreicht werden, die bei einer lokalen Zündung an nur einer Stelle im Behälter unter sonst gleichen Randbedingungen nicht auftreten. Bereits ohne detonationsartige Auswirkungen kann eine Wasserstoffdeflagration im SB eines KKW aufgrund der damit verbundenen Freisetzung an Wärmeenergie zum Aufbau eines Drucks > 1∅ bar führen, der den Versagensdruck des SB von 3.5 bar überschreitet.
Die Frage, ob Detonationen - ggf. lokal begrenzt - bei schweren Kernkraftwerksunfallen, wie z.B. Kernschmelzunfällen, im SB in Kauf genommen werden sollten , wenn der SB die letzte , intakte Barriere gegenüber der Umwelt darstellt, ist bisher nicht mit Großraumexperimenten in einem sinnvollen Volumenverhältnis zum SB sondern nur anhand von Computerrechnungen für simulierte Unfallabläufe geprüft worden. Alle derartigen Computercodes erfordern die Festlegung bestimmter Randbedingungen, die die gravierenden Unfälle, gegen die die Kernkraftwerke nicht ausgelegt werden vollständig erfassen und beschreiben müssen. Hier bleibt die Frage, ob und inwieweit potentielle Kernschmelzunfalle evt. von den vorgedachten Ereignisablaufvorstellungen der Anwender solcher Simulationscodes abweichen können.
Es ist für die Wasserstoffbeseitigung in einem Siedewasserreaktor vorgeschlagen worden, in einer Abgas (u.a. H2 und 02) führenden Leitung ein erstes poröses Sperrorgan, eine Zündquelle und ein zweites poröses Sperrorgan anzuordnen, um H2 zu verbrennen.
Die quer zur Leitung angeordneten porösen Sperrorgane setzen dem Durchfluß des brennbaren Gasgemisches erheblichen Strömungswiderstand entgegen, der durch entsprechenden Druckunterschied überwunden wird. Das brennbare Gasgemisch wird in der zwischen erstem und zweitem porösen Sperrorgan gebildeten Brennkammer nach einmaliger Zündung kontinuierlich verbrannt, da das erste poröse Sperrorgan wie ein Gasbrenner wirkt, wobei die Brennkammmer eng genug gewählt ist, um Schaden zu vermeiden, der durch eine Explosionszündung der brennbaren Gase entstehen kann; denn eine schnelle Druckentlastung durch die porösen Sperrorgane ist wegen der Beschaffenheit von Poren nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine explosionssichere, kurzfristige Beseitigung eines brennbaren Gasgemisches auch in einem größerem Gasraum zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das brennbare Gasgemisch in zahlreichen Teilvolumina verbrannt oder rekombiniert wird, die durch Gitter vom übrigen Gasraum abgegrenzt sind. Die Verbrennung im Inneren der Teilvolumina wird bewirkt durch Zündquellen wie
- elektrische Funken über Funkenstrecken
- heiße Oberflächen an Glühzündern (Glühkerzen)
- offene Flammen und/oder
- katalytische Oberflächen.
Die Erfindung nutzt eine geeignete Kombination von seit langem bekannten Vorrichtungen:
- Sicherheitsgrubenlampen mit offener Flammme nach Davy Sicherheitsgrubenlampen als Lichtquelle mit offener Flamme haben sich seit langem in Bergwerken auch bei explosiblen Methan-Luftgemischen als explosionssichere (geschützte) Lichtquelle bewährt. Ist mehr als 1% Methan in der Grubenluft vorhanden, so zeigt sich über der Leuchtflamme eine bläuliche Haube, die sich mit steigendem Methangehalt ausdehnt. Die Auslegung der Sicherheitsgrubenlampe erfolgt als Lichtquelle mit offener Flamme; sie ist ungeeignet, um brennbare Gase zu beseitigen, da beispielsweise explosionsartige Verbrennungsvorgänge im Inneren der Sicherheitsgrubenlampe nicht auftreten können, weil die Abstände zwischen Flamme und Wandung zu gering sind.
- Zünd- oder Glühkerzen in Verbrennungsmaschinen
Zünd- oder Glühkerzen sind seit Jahrzehnten als geeignete Zündquellen für explosible Gasgemische in Verbrennungsmaschinen erprobt. Elektrische Funken zünden Wasserstoff- Luftgemische von 4 bis 75 Vol% Wasserstoffanteil .
- Katalytische Zünder
Platinoberflachen haben sich als Zünder für Wasserstoff bewährt.
- Offene Flammen
Offene Flammen als Zünder in Gasbrennern sind seit langem bekannt.
Das hier vorgeschlagene Verfahren vorrangig mit den im Bergbau und bei Verbrennungsmaschinen seit langem erprobten Einrichtungen wird anhand des erwähnten Beispiels beschrieben: Ein Gitter grenzt ein Teilvolumen gegenüber dem übrigen Gasraum ab. Das Gitter weist nur einen geringen Strömungswiderstand gegenüber Gasen und Dämpfen auf. Das brennbare Gasgemisch liegt ohne Druckdifferenz im Teilvolumen in gleicher Konzentration wie im übrigen Gasraum vor. Erfolgt eine Zündung mit explosionsartiger Verbrennung im Teilvolumen, so verhindert das Gitter eine Ausbreitung der explosionsartigen Verbrennung in den übrigen Gasraum, wenn die naschenweite des Bitters in Abhängigkeit vom vorliegenden brennbaren Gasgemisch hinreichend klein gewählt ist. - Für Wasserstoff-Luftgemische hat sich eine Gittermaschenweite kleiner gleich 0.2 mm und größer gleich 0.05 mm als geeignet erwiesen. - Nach erfolgter explosionsartiger Verbrennung können dampfoder gasförmige Verbrennunungsprodukte praktisch kaum gehindert aus dem Teilvolumen ausströmen. Die Verbrennungspro dukte sind aufgrund der freigesetzten Verbrennungswärme heisser als die umgebende Atmosphäre des brennbaren Gasgemisches und erzeugen eine thermische Aufwärtsströmung, so daß kühleres, unverbranntes Gasgemisch in das Teilvolumen nachströmt und erneut gezündet werden kann. Aufgrund dessen erweist es sich als vorteilhaft, die geometrische Form des Teilvolumens flächenhaft groß und in der Höhe klein zu wählen. Bei zu geringem Abstand zwischen dem Ort der Zündung und dem nächsten Punkt des Gitters erfolgt allerdings keine explosionsartige Verbrennung im Teilvolumen, sondern es entsteht eine kontinuierliche Verbrennung im Inneren des Teilvolumens. Das Teilvolumen wirkt in diesem Fall als Brennkammer einer kontinuierlichen Verbrennung wie z.B. in der schweizerischen Patentschrift 514 217 beschrieben wird. Die dort vorgeschlagenen porösen Sperrorgane zur Abtrennung der Brennkammer in einer Abgasleitung sind für eine explosionsartige Verbrennung ungeeignet, da ein genügend schnelles Ausströmen der Verbrennungsprodukte durch die Poren der Sperrorgane nicht erfolgen kann. Daher heißt es dort auf Seite G, Zeile 26 ff.:"Im Falle, daß die Flamme zeitweilig ausgehen sollte und dann wieder gezündet werden muß, ist der Raum zwischen den Sperrorganen 52 und 53 eng genug, um einen Schaden zu vermeiden, der durch die Explosionszündung der Gase zwischen den Sperrorganen entstehen kann." Im Gegensatz zu den dort vorgeschlagenen porösen Sperrorganen ermöglicht ein Gitter mit geeigneter Maschenweite als Abgrenzung zum übrigen Gasraum eine explosionsartige Verbrennung des Gasgemisches in einem wesentlich größeren Teilvolumen als mit porösen Sperrorganen erzielbar.
Erfindungsgemäß wird daher der kleinste Abstand zwischen dem Ort der Zündung und dem Gitter so gewählt, daß nur eine explosionsartige Verbrennung im Teilvolumen auftreten kann. Eine kontinuierliche Verbrennung wäre extern nicht zu steuern ' und könnte zu einer überhitzung des Gitters und damit zu einem Zünden im übrigen Gasraum führen; damit könnte eine Explosion außerhalb des Teilvolumens ausgelöst werden, die gerade verhindert werden muß.
Die Erfindung soll mit Hilfe der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Fig.1 zeigt als Schnitt eine verkleinerte Darstellung der neuen Vorrichtung zur Beseitigung von brennbaren Gasgemischen.
Fig.2 zeigt einen Schnitt längs der Linie 2- -2 durch die Vorrichtung nach Fig .1.
Bei der in Fig.1 gezeigten Vorrichtung wird das brennbare Gasgemisch zwischen den inneren Gittern (19) mit der Zündkerze (2∅) gezündet. Die explosionsartige Verbrennung bleibt auf den Raum zwischen den inneren Gittern (19) beschränkt. Die heißen Verbrennungsprodukte können durch die Gitter (18, 19) fast ungehindert - vorrangig nach oben - abströmen. Die Strömungsleitbleche (22) erzeugen einen Schornsteineffekt und verstärken die Konvektion. Zusätzlich wird die Wärmeenergie durch die Kühlmittel führenden Kühlleitungen (21) abgeführt. Frisches, unverbranntes Gasgemisch strömt in den Raum zwischen den inneren Gittern (19) und wird wiederum gezündet. Aus Übersichtsgründen sind elektrische Einrichtungen wie z.B. Sensoren, Schalter, Zuleitungen, Verzogerungseinrichtungen, Ventilatoren nicht eingezeichnet.
Die beispielhafte Anordnung von Zünd- und Glühkerzen als Zündquellen im Teilvolumen erweist sich als besonders geeignet für eine externe Steuerung der Verbrennung. Um bei einer mechanischen Verletzung des Gitters sin Durchzünden der Explosion durch eine so entstandene Öffnung in den übrigen Gasraum sicher zu verhindern, werden 2 elektrisch gegeneinander isolierte Gitter im Abstand zueinander um das Teilvolumen angeordnet. Falls äußere (z.B. mechanische) Einwirkungen auf das äußere Gitter erfolgen, können das innere und das äußere Gitter in leitenden Kontakt kommen. Dies löst einen Sensor aus, der die Energiezufuhr zur Zünd- und Glühkerze unterbricht. Der leitende Kontakt der beiden Drahtgitter ist eigensicher und kann keine Funken auslösen, da die Potentialdifferenz zwischen den Gittern und die bei Berührung fließenden elektrischen Ströme so gewählt sind, daß sie für eine Funkenbildung nicht ausreichen.
Um eine Explosionszündung imTjbrϊgen Gasraum durch ein über- hitztes Gitter sicher zu verhindern, werden folgende Maßnahmen ergriffen:
- Unterbrechung der Zuleitung zu der Zünd- und Glühkerze aufgrund eines entsprechenden Ausgangssignals eines Temperatursensors, der auf einem der Gitter, zweckmäßigerweise auf dem inneren Gitter, angeordnet ist.
- Steuerung der Zündfolgefrequenz mit dem entsprechenden Ausgangssignal des Temperatursensors.
Zweckmäßig ist eine maximale Temperatur des inneren Gitters von etwa 2/3 der Zündtemperatur des brennbaren Gasgemisches int an heißen Oberflächen.
Ein Versagen eines einzelnen Temperatursensors kann keine überhitzung des äußeren Gitters und damit keine Explosion im übrigen Gasraum durch diese heiße Oberfläche bewirken, da eine Schmelzsicherung als passives Sicherheitselement bereits bei 3/4 der Oberflächentemperatur inºC, bei der das Gasgemisch zündet, die Energiezufuhr entgültig unterbricht; Beispielhaft sei zur Wärmeabfuhr nach einem KKW-Unfall mit H2-Freisetzung in den SB ausgeführt:
Bei hohem H2-Umsatz in den Vorrichtungen sind zusätzliche Maßnahmen zur Temperaturerniederung erforderlich, die erfindungsgemäß wie folgt vorgesehen sind:
- Eine sich bei H2-Verbrennung einstellende Naturkonvektion durch die Teilvolumina wird durch geeignete Einrichtungen wie z.B. Ventilatoren und/oder Stromungsleitbleche mit Schornsteinwirkung verstärkt; mit der verstärkten atmosphärischen Konvektion kann pro Zeiteinheit mehr Wärmeenergie abgeführt und größere Mengen H2-Luftgemisch zugeführt werden;
- die Kühlung des inneren und/oder äußeren Gitters erfolgt beispielsweise mit von Kühlmittel durchflossenen Kühlleitungen. Wärmerohre (Heat Pipes) zeigen besondere Eignung, um die im Inneren des Teilvolumens durch die Verbrennung freigesetzte Wärmeenergie in den übrigen Gasraum zu transportieren.
Bei H2-Luftgemischen im Bereich der unteren Zündgrenze erweisen sich heiße Oberflächen von Glühkerzen bei der Beseitigung des brennenden Gasgemisches zweckmäßiger als Zündfunken von Zündkerzen. In Fällen, wo mit unterschiedlichen H2-Konzentrationen zu rechnen ist, wird erfindungsgemäß einer Kombination von Glüh- und Zündkerze in einer Vorrichtung der Vorzug gegeben, damit im Bereich der unteren Zündgrenze vorrangig Glühkerzen und bei höheren H2-Konzentrationen verstärkt Zündkerzen eingesetzt werden können.
Die Beseitigung des brennbaren Gasgemisches in den Vorrichtungen kann wie folgt überwacht werden:
- durch Sensoren, die unterhalb und oberhalb einer oder mehrerer Vorrichtungen angeordnet sind und einen Temperaturvergleich der Gasatmosphäre ermöglichen,
- durch Sensoren, die die elektromagnetische Strahlung detektieren, die bei der Verbrennungsreaktion entsteht,
- durch Sensoren, die die Absorption von elektromagnetischer Strahlung detektieren, die von Verbrennungsprodukten absorbiert wird.
In einem lokalen Bereich kann durch gleichzeitiges Zünden in mehreren redundanten Teilvolumina ein unerwünschter, lokaler Druckanstieg auftreten, da die Verbrennungsprodukte - z.B. Wasserdampf - sehr heiß sind. Unterschiedliche Zündzeitpunkte in diesen Teilvolumina verhindern einen solchen lokalen Druckanstieg; zweckmäßigerweise läßt sich dies mit Verzögerungseinrichtungen in den Verzweigungen der Zuleitung vor den Vorrichtungen verhindern.
Mit der Erfindung sind folgende Vorteile verknüpft: Bei der Verbrennung von z.B. Wasserstoff aus einer Nachunfallatmosphäre eines Kernkraftwerks vorrangig mit Hilfe elektrischer Funken und/oder heißen Oberflächen entsprechend der vorgeschlagenen Erfindung:
- erweist sich dieses Verfahren als unempfindlich gegenüber allen Stoffen CVerunreinigungen) aus der Nachunfallatmosphäre;
- sind keine zusätzlichen Öffnungen in der SB-Wand erforderlich; elektrische Durchführungen stehen in der Regel in genügender Anzahl zur Verfügung;
- sind für das Verfahren und die Funktion der Vorrichtungen im SB keine mechanisch bswegten Teile erforderlich; - erfolgt eine Zündung der Verbrennung des Gasgemisches nur bei unverletztem Gitter;
- ermöglicht eine verstärkte Kühlung des Gitters erhöhte H2-Umsätze;
- ist ein Ausfall einer Vorrichtung wegen des hohen Redundanzgrades unproblematisch;
- lassen sich detonationsfähige H2-Luftgemische explosionssicher beseitigen;
- führt ein Versagen oder Überhitzen des Gitters zu einer Abschaltung der Zündfunken und/oder der Heizung der heissen Oberflächen und damit zur Unterbrechung der Wasserstoffvsrbrennung in der betroffenen Vorrichtung, so daß ein sicherer Schutz vor einer unkontrollierten Wasserstoffexplosion oder -detonation im übrigen SB gewährleistet ist;
- führt die exotherme Wasserstoffverbrennung zu verstärkter Konvektion in der Nachunfallatmosphäre und damit zu verstärktem Wasserstoff-Luftgemisch-Durchsatz durch die Teilvolumina;
- sind die Vorrichtungen wartungsfrei und werden auch langfristig nicht durch chemische Verunreinigungen im Gasraum in ihrer Funktionsfähigksit beeinträchtigt.
Als vorteilhaft für die Beseitigung von Wasserstoff hat sich der Einsatz eines Gitters mit einer Maschenweite von ∅.1 mm erwiesen.
Das vorgestellte Verfahren und die Vorrichtungen dazu sind nicht auf eine H2-Verbrennung im Nuklearbereich beschränkt. In chemischsn Anlagen lassen sich brennbare Gasgemische ebenso sicher verbrennen und beseitigen, wobei ggf. entsprechende Thermoschalter bei Temperaturen ansprechen, die für die brennbaren Gasgemische spezifisch sind. Ebenfalls ist ein Gitter mit einer für das brennbare Gasgemisch spezifischen Maschenweite zu wählen. Experimentell wurde der Funktionsnachweis der Vorrichtungen für Butan und Methan durchgeführt. Als vorteilhaft für die Beseitigung von Butan und Methan hat sich der Einsatz eines Gitters mit einer Maschenweite von 0.7 mm erwiesen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Beseitigung von brennbaren Gasgemischen in einem Gasraum, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß ein Teilraum des Gasraumes durch ein Gitter abgetrennt wird und in dem Teilraum eine Verbrennung durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Verbrennung in dem Teilraum durch Funken ausgelöst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Verbrennung in dem Teilraum mit Hilfe von Katalysatoren erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Verbrennung in dem Teilraum mit heißen Oberflächen oder mit offenen Flammen ausgelöst wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der kürzeste Abstand zwischen dem Ort der Zündung und dem Gitter so groß gewählt wird, daß eine diskontinuierliche, explosionsartige Verbrennung des Gasgemisches im Teilvolumen auftritt.
6. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß ein Gitter (18) aus Metall mit geringer Korrosionsneigung ein Teilvolumen des das brennbare Gasgemisch enthaltenden Raumes abgrenzt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß im Inneren des Teilvolumens Zündkerzen C20J und/oder Glühkerzen angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß im Abstand zum Gitter (18) ein zweites elektrisch leitendes Gitter aus gleichem Material (18) isoliert angeordnet ist und daß ein Sensor vorgesehen ist, der eine eigensichere Berührung zwischen dem ersten Gitter (18) und zweiten Gitter (18) feststellt und der einen Schalter steuert, mit dem die Zuleitung zu den Zündkerzen (2∅) und/oder Glühkerzen unterbrochen werden kann.
S. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß auf einem der Gitter (18,19), zweckmäßigerweise auf dem inneren Gitter (19), ein Temperatursensor angeordnet ist, mit dessen Ausgangssignal ein Schalter zur Unterbrechung der Zuleitung zu den Zündkerzen (2∅) und/oder Glühkerzen gesteuert wird.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß mit dem Ausgangssignal des Temperatursensors auf dem Gitter (18,19) die Zündfolgefrequenz gestsuert wird.
11. Vorrichtung nach einem der Anspruchs 6 bis 1∅, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß in den Zuleitungen zu den Zündkerzen (2∅) und/oder Glühkerzen Schmelzsicherungen angeordnet sind, die mit dem Gitter (18,19) thermisch leitend verbunden sind, und deren Schmelztemperatur etwa 3/4 der Zündtemperatur in°C des brennbaren Gasgemisches beträgt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß zusätzlich zu oder anstelle von den Zündkerzen (2∅) und/oder Glühkerzen im Inneren des Teilvolumens eine steuerbare offene Flamme angeordnet ist, dis entsprechend den Signalen des Temperatursensors auf bzw. zu gesteuert wird.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß außerhalb des Teilvolumens Strömungsleitbleche (22) und/oder Ventilatoren zur Erzeugung einer Gasgemischströmung durch das Teilvolumen angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Anspruchs 6 bis 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Strömungsleitbleche (22) so ausgebildet und angeordnet sind, daß aufgrund eines Schornsteineffektes eine Gasgemischströmung durch das Tsilvolumen auftritt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das innere und/oder äußere Gitter (18,19) mit Vorrichtungen zur Wärmeabfuhr (21) versehen sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Vorrichtungen zur Wärmeabfuhr (21) Wärmerohre(Heat Pipes) enthalten.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das Bitter (18,19) aus Metall als Drahtnetz mit einer Maschenweite größer gleich 0.05 mm ausgeführt ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das Drahtnetz (18,19) aus Edelstahl besteht.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 18, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die geometrische Form des Teilvolumens flächenhaft groß und in der Höhe klein ausgeführt ist.
2∅. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 19, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Gasverbrennung in einer Vorrichtung durch Sensoren detektiert wird, die einen Vergleich der Gastemperatur unterhalb und oberhalb der Vorrichtung ermöglichen.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 2∅, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Feststellung einer Gasverbrennung in einer Vorrichtung Sensoren vorgesehen sind, die die elektromagnetische Strahlung bestimmen, die bei der Verbrennungsreaktion emittiert und/oder von den Reaktionsprodukten absorbiert wird.
22. Vorrichtung nach einem der Anspruchs 6 bis 21, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß redundante Vorrichtungen, die über eine gemeinsame, elektrische Zuleitung versorgt werden, zu verschiedenen Zeiten einen Funkenüberschlag aufweisen, wobei elektronische Verzögerungseinrichtungen in den Verzweigungen der elektrischen Zuleitung vor den einzelnen Vorrichtungen angeordnet sind.
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