EP0799385A1

EP0799385A1 - Vorrichtung zur begrenzung des volumenstroms eines unter druck stehenden fluides

Info

Publication number: EP0799385A1
Application number: EP95942032A
Authority: EP
Inventors: Johann Meseth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-12-21
Filing date: 1995-12-21
Publication date: 1997-10-08
Anticipated expiration: 2015-12-21
Also published as: EP0799385B1; DE59502286D1; WO1996019674A1; FI972577A0; FI972577A; FI112274B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Begrenzung des Volumenstroms in einem von einem unter Druck stehenden Fluid durchströmbaren System, welches einen Strömungskanal (2) aufweist. Die Vorrichtung (1) hat eine Hauptachse (3a) und ein Drallerzeugungs-Element (4), welches zwecks Drallerzeugung von der Hauptachse (3a) beabstandet und zur Einleitung des Fluides in den Strömungskanal (2) vorgesehen ist. Die Vorrichtung (1) ist bevorzugt als eine bauliche Einheit aus dem Drallerzeugungs-Element (4), einem Diffusor (7) und einem Querschnittverengungs-Element (5) ausgeführt. Die Hauptachse (3a) der Vorrichtung (1) verläuft bevorzugt parallel zu der Achse (3) des Strömungskanals (2), so daß durch das Drallerzeugungs-Element (4) eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente des Fluides in einer Ebene senkrecht zu der Achse (3) erfolgt, wodurch eine Verringerung des Volumenstroms bei einem Bruch oder einem Leck in dem Strömungskanal (2) gewährleistet wird. Durch eine Verengung des Querschnittes des Strömungskanals (2) mit dem Querschnittsverengungs-Element (5) wird eine zusätzliche Verringerung des Volumenstroms erreicht. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung der Vorrichtung in einem Kühlsystem einer Kernreaktoranlage.

Description

Beschreibung

Vorrichtung zur Begrenzung des Volumenstroms eines unter Druck stehenden Fluides

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begrenzung des Volumenstroms in einem von einem unter Druck stehenden Fluid durchströmbaren System, welches einen Strömungskanal auf¬ weist, der entlang einer Achse gerichtet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung der Vorrichtung in einer industriellen Anlage, insbesondere einer Kernkraftanlage.

In industriellen Anlagen, wie beispielsweise chemischen Anla¬ gen und Anlagen zur Energieerzeugung aus Dampf, die ein System aus Leitungen und Behältern aufweisen, in denen ein unter Druck stehendes Fluid geführt bzw. gesammelt wird, ist es aus sicherheitstechnischen Gründen wichtig, bei einer Leckage in dem System den hierbei austretenden Volumenstrom und/oder Massenstrom des Fluides möglich gering zu halten. Dies spielt insbesondere bei industriellen Anlagen eine wich¬ tige Rolle, bei denen das Fluid über ein gewisses Gefahren¬ potential verfügt, beispielsweise eine chemisch reaktive Sub¬ stanz, eine heiße verdampfte Flüssigkeit oder radioaktiv kon¬ taminiertes Kühlwasser ist. Um den austretenden Volumenstrom, beispielsweise bei einem vollständigen Bruch einer Leitung, möglichst gering zu halten, werden Leitungsquerschnitte mög¬ lichst klein gehalten, Venturi-Düsen eingesetzt, nachgeschal¬ tete Schnellschlußarmaturen verwendet sowie Rohrbruchsiche¬ rungen eingebaut. Sämtliche dieser Maßnahmen beeinflussen zum Teil erheblich die Wirkungsweise der industriellen Anlage in einem normalen Betrieb, erfordern zusätzliche Überwachungs¬ und Wartungsarbeiten oder bergen die Gefahr eines Versagens im Falle des Auftretens eines Lecks in dem System.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine passiv wirkende Vor¬ richtung zur Begrenzung des Volumenstromes in einem von einem unter Druck stehenden Fluid durchströmbaren System anzugeben, die auch im Zuge einer Nachrüstung in das System einbringbar ist und bei Auftreten eines Lecks in dem System, insbesondere dem Bruch einer Leitung, den ausströmenden Volumenstrom mög¬ lichst gering hält.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrich¬ tung zur Begrenzung des Volumenstroms in einem System, wel¬ ches von einem unter Druck stehenden Fluid durchströmbar ist, und einen Strömungskanal aufweist, wobei die Vorrichtung eine Hauptachse und ein Drallerzeugungs-Element aufweist, welches zur Einleitung des Fluids in den Strömungskanal vorgesehen ist und zwecks Drallerzeugung in dem Fluid eine sich im wesentlichen senkrecht zur Hauptachse erstreckende Einströ¬ mungskomponente aufweist.

Durch eine Einströmungskomponente senkrecht zur Hauptachse erfolgt bei einem Leck oder einem Bruch in dem Strömungskanal zwar eine Strömung des unter Druck stehenden Fluides in Rich¬ tung der Hauptachse. Das Fluid erhält aber auch eine tangen- tiale Geschwindigkeitskomponente in einer Ebene senkrecht zu der Hauptachse. Durch diese tangentiale Geschwindigkeitskom¬ ponente, welche hin zu der Hauptachse größer wird und zu ei¬ nem Druckabfall hin zur Hauptachse führt, wird der Volumen¬ strom in Richtung der Hauptachse begrenzt bzw. verringert. Diese Begrenzung bzw. Verringerung des Volumenstroms durch

Drallerzeugung tritt beispielsweise auch bei einem Abfluß von Wasser durch die Abflußöffnung in einer Badewanne auf. Um die Hauptachse bildet sich ein Gebiet geringen Druckes, insbeson¬ dere Unterdruckes aus, in dem Dampf unter Sättigungsdruck oder Dampf bzw. Gas von geringer Dichte strömt, wodurch der Volumen- und der Massenstrom des Fluides verringert werden. Durch eine Verbindung des Drallerzeugungs-Ele entes mit dem Strömungskanal ist eine Umlenkung der Strömung von einer Strömungsrichtung in einer Ebene senkrecht zur Hauptachse in eine Strömungsrichtung parallel zu der Achse des Strömungs¬ kanals gewährleistet. Die Achse des Strömungskanals und die Hauptachse der Vorrichtung sind vorzugsweise identisch, zu¬ mindest weitgehend parallel zueinander.

Die Einströmungskomponente weist vorzugsweise eine Einström- Öffnung auf, die von der Hauptachse beabstandet ist. Hier¬ durch ist eine tangentiale Strömung senkrecht zur Hauptachse mit geringem Druckverlust erreichbar.

Zur Erzeugung eines Dralles, insbesondere einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente, weist das Drallerzeugungs-Element feststehende Drallschaufeln auf, die in einer Ebene senkrecht zur Hauptachse angeordnet sind. Diese Drallschaufeln sind vorzugsweise auf einem Kreis angeordnet und lenken die an¬ fangs radial auf die Hauptachse gerichtete Strömung in eine tangential an dem Kreis verlaufende Strömung um. Das Draller¬ zeugungs-Element kann alternativ in der Einströmungskomponen¬ te zumindest einen Einlaufkanal aufweisen, der tangential an einen Kreis mit einem Mittelpunkt auf der Hauptachse oder einer dazu parallelen Achse verläuft .

Das Drallerzeugungs-Element ist vorzugsweise in einem Behäl¬ ter des Systems angeordnet, an dem der Strömungskanal endet. Hierdurch erfolgt bei einem Bruch oder einem Leck in dem Strömungskanal ein Ausströmen von Fluid aus dem Behälter durch das Drallerzeugungs-Element in den Strömungskanal hin¬ ein. Die Einströmöffnung kann in dem Behälter wesentlich weiter von der Hauptachse, welche vorzugsweise mit der Achse des Strömungskanals zusammenfällt, beabstandet sein als eine Wand des Strömungskanals. Der Abstand der Einströmöffnung sowie gegebenenfalls einer Drallschaufel von der Achse ist vorzugsweise größer als der Durchmesser des Strömungskanals. Durch eine Anordnung des Drallerzeugungs-Elementes in einem Behälter ist zudem gewährleistet, daß unabhängig von der ört¬ lichen Lage des Bruches oder des Leckes in dem Strömungskanal eine Begrenzung und Verringerung des Volumenstroms und des Massenstroms aus dem System heraus gewährleistet ist. Auch ist selbst bei einer den Querschnitt des Strömungskanals übersteigenden Größe der Vorrichtung ein nachträglicher Ein¬ bzw. Anbau an den Strömungskanal möglich.

Die Vorrichtung verfügt bevorzugt über ein Querschnittsver- engungs-Element zur Verengung des Querschnittes des Strö¬ mungskanals. Das Querschnittsverengungs-Element ist strö¬ mungstechnisch mit dem Drallerzeugungs-Element verbunden, so daß eine Strömung des Fluides in Strömungsrichtung bei einem Leck zuerst das Drallerzeugungs-Element und danach das Quer- schnittsverengungs-Element durchströmt. Da der Volumen- bzw. Massenstrom eines aus einem Behälter durch einen Strömungs¬ kanal austretenden Fluides durch den Querschnitt des Strö¬ mungskanal bestimmt ist und bei kleinerem Querschnitt eben¬ falls kleiner wird, gewährleistet das Querschnittsverengungs- Element eine zusätzliche Verringerung des Volumenstroms bei einem Leck oder Bruch in dem Strömungskanal. Das Quer¬ schnittsverengungs-Element ist vorzugsweise so ausgestaltet, daß es in die Mündung des Strömungskanals in den Behälter eingefügt werden kann.

Zwischen Drallerzeugungs-Element und Querschnittsverengungs- Element ist vorzugsweise ein Diffusor, insbesondere ein Radial-Diffusor angeordnet, welcher eine Vergrößerung des Strömungsguerschnittes der Vorrichtung von dem Querschnitts- verengungs-Element zu dem Drallerzeugungs-Element bewirkt. Der Strömungsquerschnitt des Drallerzeugungs-Elementes ist vorzugsweise größer als der Querschnitt des Strömungskanals, so daß während eines normalen Betriebes des Systems, insbe¬ sondere eines Kühlsystems einer Kernkraftanlage, die zusätz- liehen Strömungsdruckverluste von Querschnittsverengungs- Element und Drallerzeugungs-Element durch den zusätzlichen Druckrückgewinn im Diffusor mindesntens kompensiert wird, d.h. der normale Volumenstrom durch die Vorrichtung nicht verändert wird.

Besonders vorteilhaft ist es, die Vorrichtung als eine bau¬ liche Einheit mit Drallerzeugungs-Element, Diffusor und Quer- schnittsverengungs-Element zu fertigen, da hierdurch auf ein¬ fache Art und Weise ein Strömungskanal in einem System nach¬ gerüstet werden kann.

In einem System, bei dem während des normalen Betriebes das unter Druck stehende Fluid aus einem Behälter in den Strö¬ mungskanal hineinströmt ist es vorteilhaft, wenn das Quer¬ schnittsverengungs-Element ein Drallvernichtungs-Element auf¬ weist. Hierdurch wird der von dem Drallerzeugungs-Element während des normalen Betriebes erzeugte Drall weitgehend wie¬ der vernichtet, so daß nahezu kein Druckverlust auftritt. Das Drallvernichtungs-Element weist vorzugsweise entsprechende feststehende und gebogene Schaufeln auf. Alternativ kann auch ein Drallvernichtungs-Element stromab des Strömungskanals vorgesehen sein, welches rotationssymmetrisch zur Hauptachse oder einer dazu parallelen Achse ist und zumindest einen tan- gentialen Auslaufkanal, beispielsweise mit einem kreisförmi¬ gen Querschnitt, aufweist. Auch hierdurch ist während eines normalen Betriebs des Systems eine Vernichtung des durch das Drallerzeugungs-Element erzeugten Dralles gewährleistet.

Besonders eignet sich die Vorrichtung zur Verwendung in einer industriellen Anlage, wie beispielsweise einer chemischen oder einer Energieerzeugungsanlage. Die industrielle Anlage weist ein System mit einem als Rohrleitung ausgeführten Strö¬ mungskanal auf, durch den ein unter Druck stehendes Fluid strömt. Das System ist hierbei vorzugsweise ein Kühlsystem einer Kernkraftanlage, welches einen Reaktordruck-Behälter aufweist, in dem die Rohrleitung einmündet. Bei einem Bruch der Rohrleitung erfolgt eine Begrenzung und Verringerung des aus dem System austretenden Volumen- und Massenstroms des Fluides . Gegenüber einem System ohne die Vorrichtung ist eine Reduzierung des austretenden Fluides auf die Hälfte oder so¬ gar bis auf unter 1/10 möglich. Die Vorrichtung kann im Zuge einer Nachrüstung vom Inneren des Reaktordruckbehälters in die Rohrleitung eingefügt werden. Eine Anordnung des Drall- erzeugungs-Elementes, des Diffusors und des Querschnittsver- engungs-Elementes erfolgt so, daß während des normalen Be¬ triebes des Kühlsystems allenfalls geringe zusätzliche Strömungsdruckverluste auftreten.

Anhand der in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispie¬ le werden die Vorrichtungen sowie eine Verwendung der Vor¬ richtung näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1 eine Vorrichtung in einem System zur Führung eines unter Druck stehenden Fluides in einem

Längsschnitt, FIG 2 einen Querschnitt der Vorrichtung gemäß FIG 1 entlang des Schnittes II-II und FIG 3, FIG 4 je eine weitere Ausführungsform der Vorrich- tung in einem Längsschnitt.

Gleiche Bezugszeichen besitzen in den FIG 1 bis 4 jeweils die gleiche Bedeutung.

FIG 1 zeigt in einem Längsschnitt ausschnittsweise einen Be¬ hälter 6, einen Reaktordruckbehälter 6a, eines von einem un¬ ter Druck stehenden Fluid, insbesondere Wasser oder Wasser¬ dampf, durchströmten Systems. Die ausschnittsweise Darstel¬ lung zeigt das Leitungsende 9 eines Strömungskanals 2, einer Rohrleitung 2a, die in dem Leitungsende 9 in den Reaktor¬ druckbehälter 6a einmündet. Die Rohrleitung 2a ist beispiels¬ weise eine kondensatführende Rohrleitung 2a mit einem Durch¬ messer von 200 mm für den Notkondensator einer Siedewasser- Kernreaktoranlage. Während des normalen Betriebes der Kern- reaktoranlage strömt das Fluid aus der Rohrleitung 2a in den Reaktordruckbehälter 6a hinein. Die Vorrichtung 1 weist ein Drallerzeugungs-Element 4 mit Drallschaufeln 10 auf, die auf einem Kreis 11 in einer Ebene senkrecht zu einer Hauptachse 3a der Vorrichtung 1 angeordnet sind. Zwischen zwei benach- harten Drallschaufeln 10 ist jeweils eine vor der Hauptachse 3a beabstandete Einströmöffnung 15 gebildet. Das Drahterzeu- gungs-Element 4 bildet im Bereich der Einströmöffnungen 15 eine sich im wesentlich senkrecht zur Hauptachse 3a er¬ streckende kreisscheibenförmige Einströmungskomponente 14. Der Radius des Kreises 11 ist mehr als doppelt so groß wie der Radius der kreisförmigen Rohrleitung 2a. An das Draller- zeugungs-Element 4 schließt sich ein Diffusor 7, in Form ei¬ nes Radialdiffusors an, welcher sich an seiner Außenseite bis auf den Innendurchmesser der Rohrleitung 2a verengt. An den Diffusor 7 schließt sich ein Querschnittsverengungs-Element 5 in Form eines Venturi-Rohrs an. Der kleinste Innendurchmesser des Querschnittverengungs-Elementes 5 beträgt etwa 62,5 % des Innendurchmessers der Rohrleitung 2a. Die Vorrichtung 1 mit dem Drallerzeugungs-Element 4, dem Diffusor 7 und dem Quer¬ schnittsverengungs-Element 5 bildet eine bauliche Einheit, die vom Inneren des Reaktordruckbehälters 6a in die Rohrlei- tung 2a eingeführt wird, so daß das Drallerzeugungs-Element 4 in dem Reaktordruckbehälter 6a verbleibt und das Quer¬ schnittsverengungs-Element 5 in das Leitungsende 9 hinein¬ ragt. Durch die in FIG 2 dargestellte Anordnung der Drall¬ schaufeln 10 auf einem Kreis 11 mit einer Krümmung in Rich- tung der Tangente an den Kreis 11 enthält das von dem Reak¬ tordruckbehälter 6a bei Auftreten eines Bruches in der Rohr¬ leitung 2a in das Drallerzeugungs-Element 4 einströmende Fluid eine Geschwindigkeitskomponente tangential zu dem Kreis 11. Während eines normalen Betriebes der Siedewasser-Kern- reaktoranlage, bei der das Fluid von der Rohrleitung 2a in das Drallerzeugungs-Element 4 einströmt, ruft die Vorrichtung 1 keine oder nur unwesentliche zusätzliche Strömungs¬ widerstände hervor. Die Höhe des Drallerzeugungs-Elementes 4 von etwa 30 mm und der Radius des Kreises 11 von etwa 600 mm sind so gewählt, daß die Ausströmquerschnittsflache der Vor¬ richtung 1 deutlich größer ist als die durch die Quer¬ schnittsfläche der Rohrleitung 2a gegebene Einströmfläche. Der zusätzliche Druckrückgewinn des Diffusors kompensiert da¬ bei die durch die übrigen Elemente erzeugten zusätzlichen Druckverluste. Hierdurch wird der Volumenstrom des Fluides während des normalen Betriebes der Siedewasser-Kernreaktor¬ anlage nicht beeinträchtigt. Die Verengung des Querschnittes der Rohrleitung 2a durch das Querschnittsverengungs-Element 5 beträgt etwa 39 %. Falls zusätzliche Strömungsdruckverluste zulässig sind, kann dieser engste Querschnitt noch weiter verringert werden, beispielsweise auf 27 % der Querschnitts- fläche der Rohrleitung 2a, falls der zusätzliche Druckver¬ lustkoeffizient ζzusätzlich gleich 1 bzw. 19 % der Quer¬ schnittsfläche der Rohrleitung 2a falls ζzusätzlich gleich 3 ist.

Die Einströmöffnung 15 sowie die Drallschaufeln 10 sind von einer Achse 3 des Strömungskanals 2 möglichst weit entfernt angebracht. Es ist mit mehr als dem doppelten Radius der Rohrleitung 2a von der Hauptachse 3a, die mit der Achse 3 des Strömungskanals zusammenfällt, beabstandet. Bei einem norma- len Betrieb der Kernreaktoranlage, bei dem das Fluid von der Rohrleitung 2a in den Reaktordruckbehälter 6a einströmt, wird durch das Drallerzeugungs-Element 4 ein Druckrückgewinn, allenfalls geringfügig gestört. Infolge der Krümmung der feststehenden Drallschaufeln 10 verläßt das in den Reaktor- druckbehälter 6a einströmende Fluid das Drallerzeugungs-Ele¬ ment 4 nahezu ohne Drall. Das Drallerzeugungs-Element 4 trägt jedoch wesentlich für die Verringerung und Begrenzung des Volumenstroms und des Massenstroms bei einem Leitungsbruch der Rohrleitung 2a bei. In diesem Fall enthält das aus dem Reaktordruckbehälter 6a ausströmende Fluid eine überwiegend tangentiale Strömungsrichtung. Infolge der Drehimpulserhal¬ tung erhöht sich die tangentiale Geschwindigkeitskomponente des ausströmenden Fluides weitgehend umgekehrt proportional zum Abstand von der Hauptachse 3. Dies gilt insbesondere bei geringen Reibungseffekten. Die Zunahme der tangentialen

Geschwindigkeit und der kinetischen Energie des ausströmenden Fluides wird durch eine Abnahme des statischen Druckes in Richtung der Hauptachse 3 begleitet. Das Druckgefälle wird um so größer je geringer der Abstand von der Hauptachse 3 ist. Bei einem hinreichend großen Anfangsdrall, der in dem Drall¬ erzeugungs-Element 4 erzeugt wird, kann sogar gegenüber der Außenatmosphäre ein Unterdruck entstehen. In der Nähe der Hauptachse 3 befindet sich somit bei einer ausströmenden Flüssigkeit Dampf unter Sättigungsdruck oder für ausströmen¬ den Dampf bzw. ausströmendes Gas entsprechend Dampf bzw. Gas von geringer Dichte.

Der durch das Querschnittsverengung-Element 5 ohnehin schon stark verringerte Ausströmquerschnitt des Fluides in der Rohrleitung 2a weist somit eine Massenstromdichte auf, die zur Hauptachse 3 hin immer geringer wird. Der ausströmende Volumenstrom bzw. Massenstrom wird somit durch den in dem Drallerzeugungs-Element 4 erzeugten Drall zusätzlich zu der Reduzierung infolge der Querschnittsverengung weiter deutlich verringert. Diese Verringerung bzw. Begrenzung des Volumen¬ stroms infolge einer zusätzlichen Drallerzeugung tritt bei- spielsweise auch bei einem Ausströmen von Wasser aus einer Badewanne auf, wobei dieses Ausströmen um so langsamer ist, je stärker der sich ausbildende Wirbel in dem Abflußrohr ist.

Für eine Kernreaktoranlage mit einem Druck von etwa 70 bar im Inneren des Reaktordruckbehälters 6a und des daran ange¬ schlossenen Leitungssystems sowie einem Umgebungsdruck von etwa 1 bar kann der Volumenstrom bei einem Bruch der Rohrlei¬ tung 2a durch Verwendung der Vorrichtung 1 auf etwa ein Zehntel des Wertes begrenzt werden, der ohne die Vorrichtung 1 austreten würde.

In FIG 3 ist eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 1 dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist ein Drallerzeugungs-Ele¬ ment 4 mit feststehenden Drallschaufeln 10 auf. An das Drall- erzeugungs-Element 4 schließt sich wie in FIG 1 dargestellt ein Diffusor 7 und ein Querschnittsverengungs-Element 5 an. Das Querschnittsverengungs-Element 5 weist um die Achse 3 der Rohrleitung 2a herum einen Verdrängungskörper 13 auf, zwi¬ schen dem und der Innenwand der Rohrleitung 2a Drallvernich- tungs-Schaufeln 12 angeordnet sind, die zu einem Drallver¬ nichtungs-Element 8 gehören. Die Vorrichtung 1 ist analog zu der in FIG 1 dargestellten Vorrichtung in das Leitungsende 9 einer in den Reaktordruckbehälter 6a mündenden Rohrleitung 2a eingeschoben. In diesem Fall ist die Rohrleitung 2a aller¬ dings eine Rohrleitung, in die während eines normalen Betrie¬ bes der Kernreaktoranlage von dem Reaktordruckbehälter 6a das unter Druck stehende Fluid einströmt. Das Drallerzeugungs- Element 4 ist so dimensioniert, daß bei einem normalen Be¬ trieb keine Begrenzung des Volumenstroms in der Querschnitts- Verengung der Rohrleitung 2a erfolgt. Durch ein in Strömungs¬ richtung während des normalen Betriebes nachgeschaltetes Drallvernichtungs-Element 8 wird der erzeugte Drall weit¬ gehend wieder vernichtet und der statische Druck zurückgewon¬ nen.

Bei einem Bruch der Rohrleitung 2a mit einer Erhöhung der tangentialen Geschwindigkeit und damit des Dralles erfolgt eine Begrenzung des Volumenstroms und des Massenstroms durch die Drallerzeugung sowie die Querschnittsverengung in der Rohrleitung 2a.

FIG 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 1, welche sich entlang einer Hauptachse 3a erstreckt. Die Vorrichtung 1 weist ein Drallerzeugungs-Element 4 auf, wel¬ ches eine Einströmungskomponente 14 senkrecht zur Hauptachse 3a mit einer von der Hauptachse 3a beabstandeten Einströmöff- nung 15 besitzt. Das Drallerzeugungs-Element 4 ist mit einem Querschnittsverengungs-Element 5 in einen den Reaktordruckbe¬ hälter 6a einer Kernkraftanlage durchdringenden Strömungs¬ kanal 2 eingebracht. An dem dem Drallerzeugungs-Element 4 gegenüberliegenden Ende des Strömungskanals 2 ist ein zur Hauptachse 3a rotationssymmetrisches Drallvernichtungs-Ele¬ ment 8 angeordnet, welches beabstandet von der Hauptachse 3a einen tangential angeordneten Auslaufkanal 16 aufweist. An den Auslaufkanal 16 schließt sich eine nichtdargestellte Rohrleitung 2a des Systems an. Die Vorrichtung 1 eignet sich vorzugsweise bei neu zuerrichtenden industriellen Anlagen, insbesondere einer Kernreaktoranlage, oder für eine Nach¬ rüstung, bei der die Leitungsführung in dem System nachträg- lieh geändert werden kann. Sie zeichnet sich durch einen be¬ sonders niedrigen Strömungsdruckverlust aus, da sowohl die Erzeugung als auch die Vernichtung des Dralls ohne spezielle Drallschaufeln erreicht wird. Die Einströmungskomponente 14 ist im wesentlichen rotationssymmetrisch zur Hauptachse 3a und weist einen Einlaufkanal oder mehrere Einlaufkanäle be¬ liebigen Querschnittes auf, die tangential angeordnet sind. Das Drallvernichtungs-Element 8 entspricht in seinem Aufbau näherungsweise dem spiralförmigen Gehäuse einer zentrifugalen Pumpe. Die Einströmungskomponente 14 erfährt bei einem norma¬ len Betrieb des Systems, d.h. der Kernreaktoranlage, ledig¬ lich in der Nähe der Hauptachse 3a deutlich verringerte sta¬ tische Drücke; das Drallvernichtungs-Element 8 hingegen ist für den vollen statischen Differenzdruck ausgelegt. Ein sich in dem Drallerzeugungs-Element 4 und dem Drallvernichtungs- Element 8 ausbildender Potentialwirbel stellt mit Ausnahme des Wirbelkerns eine weitgehend drallfreie Strömung dar. Rei¬ bungseffekte ergeben sich praktisch nur an den Innenwänden des Drallerzeugungs-Elementes 4 und des Drallvernichtungs- Elementes 8. Dieser ist jedoch aufgrund der relativ niedrigen Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Innenwände relativ gering. In der Nähe der Hauptachse 3a bildet sich eine ruhige Strömungszone aus, welche in etwa dem "Auge eines Taifuns" entspricht. Im Falle eines Bruches, in der sich an den Aus- laufkanal 16 anschließenden Rohrleitung 2a, insbesondere ei¬ ner Frischdampfleitung einer Siedewasser-Kernreaktoranlage, wird der austretende Volumenstrom auf etwa 120 % des normalen Volumenstroms begrenzt.

Die Erfindung zeichnet sich durch eine Vorrichtung aus, wel¬ che auch nachträglich in einen Strömungskanal eines ein unter Druck stehendes Fluid führenden Systems einfügbar ist. Hier¬ bei sind bei Auftreten einer Leckage in dem System, insbeson¬ dere einem Bruch in dem Strömungskanal, eine Verringerung bzw. Begrenzung des infolge des Bruches aus dem System aus¬ tretenden Volumenstroms erreicht. Die Vorrichtung weist ein Drallerzeugungs-Element, sowie ggf. zusätzlich einen Diffusor und ein Querschnittsverengungs-Element auf. Diese Komponenten der Vorrichtung sind so ausgelegt, daß während eines normalen Betriebes des Systems, insbesondere eines Kühlsystems einer Kernreaktoranlage, eine ungünstige Beeinflussung der Strömung des Fluides vermieden wird. Eine Begrenzung des Volumenstroms bei einer Leckage erfolgt neben der Querschnittsverengung durch eine Drallerzeugung in einer Ebene senkrecht zu der Strömungsrichtung des Fluides in dem Strömungskanal. Mit ei¬ ner entsprechenden Dimensionierung der Komponenten der Vor- richtung kann beispielsweise bei einem Bruch einer Frisch¬ dampfleitung einer Siedewasser-Kernreaktoranlage bei geringem Druckverlust der austretende Volumenstrom auf ca. 150 % des normalen betrieblichen Volumenstroms begrenzt werden. Dies entspricht einer Reduktion auf etwa 75 % des ohne die Vor- richtung austretenden Volumenstroms. Für eine Speisewasser¬ leitung kann eine Begrenzung des Volumenstroms bei einem Bruch auf bis zu unter 50 % des normalen betrieblichen Volu¬ menstroms erreicht werden. Hierdurch könnten Belastungen auf Einbauten des Reaktordruckbehälters deutlich vermindert, eine Verringerung der Absenkungsrate des Füllstandes in dem Reak¬ tordruckbehälter erreicht, sowie eine kleinere Dimensionie¬ rung von Notkühlsystemen durchgeführt werden. Besonders vor¬ teilhaft ist es, daß die Vorrichtung als eine bauliche Ein¬ heit gefertigt und auch nachträglich in Zuge von Nachrüstun- gen eingebracht werden kann. Als passives Element weist die Vorrichtung eine hohe Zuverlässigkeit auf, so daß gegenüber aktiven Vorrichtungen die Gefahr eines Versagens sowie die Notwendigkeit einer wiederkehrenden Überprüfung deutlich ver¬ mindert ist .

Claims

PC--C7DE95/0183413 Patentansprüche

1. Vorrichtung (1) zur Begrenzung des Volumenstroms in einem System, das von einem unter Druck stehenden Fluid durchström- bar ist und einen Strömungskanal (2) aufweist, mit einer

Hauptachse (3a) und einem Drallerzeugungs-Element (4) , wel¬ ches zwecks Drallerzeugung in dem Fluid eine senkrecht in wesentlich zur Hauptachse (3a) sich erstreckende Einströ¬ mungskomponente (14) aufweist und zur Einleitung des Fluids in den Strömungskanal (2) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Einströmungs¬ komponente (14) eine Einströmöffnung (15) aufweist, welche von der Hauptachse (3a) beabstandet ist.

3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, bei der stromab des Strömungskanals (2) ein Drallvernichtungs-Element (8) vorge¬ sehen ist, welches rotationssymmetrisch zur Hauptachse (3a) ist und zumindest einen tangentialen Auslaufkanal (16) hat.

4. Vorrichtung (1) nach eine der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Drallerzeugungs-Element (4) in einem Behälter (6) des Systems, an dem der Strömungskanal (2) endet, anordenbar ist.

5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, mit einem Querschnitts¬ verengungs-Element (5) zur Verengung des Querschnittes des Strömungskanals (2).

6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, bei der zwischen dem

Drallerzeugungs-Element (4) und dem Querschnittsverengungs- Element (5) ein Diffusor (7) , insbesondere Radialdiffusor, angeordnet ist.

7. Vorrichtung (1) nach der Anspruch 6, bei der das Drall¬ erzeugungs-Element (4) , das Querschnittsverengungs-Element (5) und der Diffusor (7) eine bauliche Einheit bilden.

8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der das Querschnittsverengungs-Element (5) ein Drallvernichtungs- Element (8) aufweist.

9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der stromab des Strömungskanals (2) ein Drallvernichtungs-Element (8) vorgesehen ist, welches rotationssymmetrisch zur Haupt¬ achse (3a) ist und zumindest einen tangentialen Auslaufkanal (16) aufweist

10. Verwendung der Vorrichtung (1) nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche in einer industriellen Anlage, die ein von einem unter Druck stehenden Fluid durchströmtes System mit einem als Rohrleitung (2a) ausgeführten Strömungskanal (2) aufweist.

11. Verwendung nach Anspruch 10, wobei das System das Kühl¬ system einer Kernkraftanlage mit einem Reaktordruck-Behälter (6a) ist, in den die Rohrleitung (2a) einmündet.