TW201735052A - 用於點燃可燃氣體混合物的點火系統 - Google Patents
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Abstract
本發明的目的是提出一種自主工作且構造簡單的點火系統，這種點火系統必須在氫濃度僅略高於爆炸極限時就能夠可靠的將可燃氣體混合物點火。為達到此目的，本發明提出用於點燃可燃氣體混合物的點火系統(2)，尤其是設置在核技術設施之安全殼(4)內的點火系統，其具有一點火元件(24)及一作為點火元件(24)之電源的熱電發電機(8)。
Description
本發明涉及一種點燃可燃氣體或氣體混合物的點火系統。此外，本發明還涉及一種具有此種點火系統的核技術設施及其所屬的方法。
當核技術設施，尤其是核電廠，發生嚴重的意外事故(severe accident)時，除了會釋出蒸汽外，也可能導致釋出大量的氫氣，尤其是因為在過熱的燃料棒套管上發生的鋯-水反應釋出氫氣。如果不採取反制措施，將無法完全排除具爆炸性(亦可能具爆燃性)的混合物在不受控制的反應下對安全包覆設施，通常稱為安全殼，的完整性造成損壞的可能。
為了降低釋放到安全殼內的氫氣量，目前最常用的一種方法是裝設被動式自動催化復合器(PARs)。但是復合器(recombiner)在氫氣開始釋出後的關鍵1小時內的作用非常有限。在這個初期階段，釋出的可復合氣體量(Recombinable gas amount)只有10%至20%真的被催化轉換。在某些情況下，復合器無法阻止具爆炸性混合物的產生，這些混合物有可能在之後的時間點被點燃。因爆炸產生的燃燒負荷(壓力、爆炸)就必須由安全殼承
受。
為了限制因復合器有限的分解能力而無法抵銷的快速釋出的氫氣，美國的核電廠有安裝電力驅動的白熱點火器。這種電力驅動的點火器主要是使用柴油電網提供的備用電源。但是在全站停電的情況下，靠柴油機組提供備用電源的點火器無法被驅動，因而無法抑制瞬間的氫氣釋放。
由於電池供應的備用電源能提供的電力非常有限，因此在很多情況下，另外安裝不斷電點火器的工作是很困難、甚至是不可能的。此外，目前安裝的主動式電力驅動白熱點火器需要相當大的電功率，才能完成點火(通常需>500瓦)。
EP 0 596 964 A1提出一種以催化為基礎運作的點火器。這種點火器不需要外部能源供應，而且是透過導熱到尚未耗盡的含氫氣體混合物進行點火，其中這個導熱要高出伸入氣體混合物的很薄的白金點火燈絲的表面所需的點火溫度。為此需要的熱能/能量是由在催化劑體上發生的放熱催化氫復合反應所產生，並通過導熱直接傳送到點火燈絲。但是這種催化點火器要在超過爆炸極限後相當久才能完成點火，通常爆炸極限為氫含量在6至10%體積百分比(視蒸汽濃度而度)。
其目的是在很低的氫濃度(<6%體積百分比)，也就是盡可能在超過爆炸極限的下限值後，盡早點燃溫和的爆燃，以使因反應產生的燃燒負荷盡可能的小。盡早完成點火有助於提高安全殼內的結構和整個安全殼
體的安全性及降低其承受的負荷。
本發明的目的是提出一種盡可能自主工作且構造簡單的點火系統，這種點火系統必須在氫濃度僅略高於爆炸極限時就能夠可靠的將可燃氣體混合物點火。此外，本發明還要提出相應的點火方法。採用具有如請求項1之特徵的點火系統，以及具有如請求項7之特徵的方法，即可達到上述目的。
附屬請求項的內容為本發明的各種有利的實施方式及改良方式。
為了在盡可能低的氫濃度下導入受控制的點火(可從因果關係事先預見的，在特定的邊界條件下的點火)，本發明的點火系統是利用被動方式產生點火所需的能量，並將此能量導入氣體混合物。這種被動式點火系統的一重要組成部分是熱電發電機(TEG)，或簡稱為熱發電機。
TEG的加熱面經由熱導體與熱源熱耦合。熱源可以是一熱表面(例如溫度150至500℃的表面)，例如充滿熱媒的管線的表面，或是容器的表面。本發明的一種有利的實施方式是利用一自動催化復合器的被動催化反應產生所需的熱能，進而產生電流。
TEG的冷卻面跟冷源熱耦合。例如經由熱導體跟鋁塊連接。在這個導熱區塊較佳是加入一熱導管，此熱導管較佳是經由導熱片(或類似元件)有效的將熱發散到環境中。較佳是經由自然散熱器或自然對流將熱發
散到環境中。
TEG從熱流直接產生電能。透過從加熱面到冷卻面的熱流，TEG內的半導體材料會因為塞貝克效應(seebeck effect)產生電壓。由於金屬內的自由電子在加熱面具有較高的活動性，因此其能量大於在冷卻面的量。由於每一系統都致力於達到最有利的能量狀態，因此電子會從加熱面移動到冷卻面。在這種情況下，因而產生電壓，並在封閉的電路中產生電流。因此TEG會因為相鄰的溫度差被動的獲得一溫差電壓。而且溫差愈大，TEG能夠獲得的電壓就高。
這樣就可以利用以這種方式產生/轉變能量，透過點火元件將所需的點火能量引入可燃氣體混合物，以便在氫濃度剛超過爆炸極限的下限值時，即盡可能低的氫濃度進行點火。
例如，可以用簡單的螺旋燈絲或火星塞作為點火元件。點火元件也要產生點火功能，則需具備產生點火功能需要的構件(例如電容器跟電晶體)。
本發明應用領域包括在嚴重故障時可能釋出氫氣且具有安全殼的所有類型的反應爐，例如因鋯-水反應釋出氫。在發生嚴重程度超出預想情況的故障時，可能會有大量的氫被釋放到安全殼內。由於氫釋出的速度很快，目前使用的氫分解措施(例如利用PARs)可能無法阻止含高濃度氫的爆炸性混合物的形成。
因此有必要利用本發明的點火系統及早點火，以避免危險的氣體混合物的形成。被動作用的點火器
要能夠在氫濃度達到爆炸極限的下限值時，及早將氣體混合物點火。基於點火器的結構及佈置，點火會造成溫和的爆燃。因此不會對安全殼造成很大的危險負荷。這樣就可以即早避免釋出具有氫濃度較高的危險性氣體混合物。
簡言之本發明的點火系統具有以下的優點：
‧被動產生點火能量
‧在超出爆炸極限後，立即點火
‧在達到爆炸極限之值就已將點火能量準備好
‧加裝點火器時，無需提高電池容量
‧構造緊密，構件尺寸小
‧可以毫無困難的安裝很多個點火器，以覆蓋整個空間
‧幾乎不需要維修
有關於本發明的其他實施方式及優點的說明敘述在附屬請求項及以下的內容中。
2‧‧‧點火系統
4‧‧‧安全殼
6‧‧‧核電廠
8‧‧‧熱電發電機
10‧‧‧冷卻面
12‧‧‧加熱面
14‧‧‧半導體元件
16‧‧‧交界面
18‧‧‧陶瓷層
20‧‧‧電接線
22‧‧‧點火電路
24‧‧‧點火元件
26‧‧‧冷源
28‧‧‧熱源
30‧‧‧導熱管
32‧‧‧熱導體
34‧‧‧催化復合器
36‧‧‧點火單元
38‧‧‧管壁
40‧‧‧流動通道
42‧‧‧中間壁
44‧‧‧環室
46‧‧‧外殼
48‧‧‧填充材料
52‧‧‧連接板
54‧‧‧股
56‧‧‧股
58‧‧‧導熱板
60‧‧‧懸臂
62‧‧‧燈絲
64‧‧‧板
66‧‧‧對流外殼
68‧‧‧接口
70‧‧‧流動通道
72‧‧‧中間壁
以下將配合圖式詳細說明本發明的不同的實施例。以下的圖式是非常簡化及示意的圖式：第1圖：本發明的點火系統的簡圖。
第2圖-第4圖：點火系統的第一種變化方式的俯視圖，分為整個點火系統及部分斷面的立體視圖。
第5圖：點火系統的第二種變化方式的俯視圖。
第6圖-第7圖：點火系統的第三種變化方式的俯視圖及側視圖(縱斷面)。
在所有的圖式中，相同或類似作用的元件均以相同的元件符號表示。
第1圖以示意方式顯示一用於點燃可燃氣體混合物的點火系統2，尤其是設置在核技術設施之安全殼4內的點火系統，例如設置於核能電廠6的安全殼內。
點火系統2可自主及被動運作，其主要構件包括一熱電發電機(TEG)8，其作用是透過將塞貝克效應將冷卻面10及加熱面12之間的溫差或熱流，直接轉換成溫差電壓。為達到此目的，熱電發電機8具有複數個電串聯在一起的N摻雜及P摻雜的半導體元件14，這些半導體元件設置在冷卻面10及加熱面12之間，並在二者之間形成交界面16。交界面16經由一導熱性良好的電絕緣體(陶瓷層18)與周圍的導電元件電絕緣。
在串聯的第一個及最後一個半導體元件14上各有分接溫差電壓用的電接線20。與電接線20連接的點火電路22包括有與熱電發電機8間隔一段距離的點火元件24，例如燈絲、火焰型火花塞、或火花塞點火器。當點火電路22內的溫差電壓夠高或電流夠大的情況下(直流電，簡寫為DC)時，點火元件24會被啟動，並將周圍的氣體混合物點燃，當然前提是氣體混合物的可燃成份的濃度要夠高。
為了提高熱電發電機8的工作效率，其冷卻面10與冷源26熱耦合，加熱面12則與熱源28熱耦合。這樣就可以使冷卻面及加熱面之間保持很大的溫差。
可以將冷源26設置在與熱電發電機8間隔一段距離的位置，在這種情況下，較佳是透過被動的熱導管30實現熱耦合及散熱(排出的熱流dQ/dt)。反之熱源28的位置應靠近熱電發電機8，以盡可能形成與熱電發電機8的直接熱接觸，必要時可以在二者之間設置熱導體32作為連接元件。
根據一種有利的實施方式，熱源28是由一被動式自動催化復合器(PAR)34構成，例如其作用是以無焰方式將周圍或流過的氣體混合物所含的氫及氧復合成水蒸汽，並因為放熱反應而被加熱(流入的熱流dQ/dt)。一種可行的補充或變化方式是將一氧化碳及氧催化轉換成二氧化碳。
第2圖至第4圖顯示具體實現這種構想的第一種方法。在這幾張圖中，點火系統2的不同元件被集合成一共同的點火單元36來表示。
構成兩端皆打開的流動通道40之邊界的圓柱形管壁38位於點火單元36的中心。在一般的安裝或組裝情況中，流動通道40是垂直的，同時氣體混合物可以在流動通道內流動，由於煙囪效應的關係，氣體混合物通常是由上往上流動。流動通道40被與中心軸同心的圓柱形中間壁42的分割成複數個平行的可流通環室44。中間壁42及其外面的管壁38具有如前面所述的具催化作用的表面、塗層或區域，以催化流過的氣體混合物復合反應，尤其是使氫與氧反應。
可以按照EP 0 596 964 A1建議的方式設計流
動通道40的形狀及其各組成部分。同樣的，上述專利內容亦可以建議的方式配置可選擇性配製的燈絲(見以下的說明)。最好是按照EP 0 923 707 B1所建議的方式，在載板上塗上鈀層作為催化劑，以快速產生催化反應。此處要明確表示的是，這兩份以前公佈的專利內容亦屬於本說明書的一部分。
放熱復合反應釋出的熱能可以加熱至少一個熱電發電機8的加熱面12。在本實施例中，流動通道40被一斷面為矩形(尤其是正方形)的外殼46圍繞住，其中管壁38的外表面跟外殼46的內表面之間的區域有填充一種具良好導熱性的填充材料48。例如，在正方形外殼46的四個外表面中的三個外表面上有安裝熱電發電機8。在本實施例中，每一個熱電發電機8都具有一扁平的板狀輪廓，其中作為加熱面12的內底緊靠著填充材料48，並與填充材料48形成良好的導熱連接。為此外殼46帶有適當的穿孔。作為冷卻面10的外底面與外殼46間隔一段距離。
為了改善熱電發電機8之冷卻面10的冷卻及散熱，一個以上的導熱管30與冷卻面10熱耦合，本實施例是經由導熱性良好的鋁製連接板52形成熱耦合(對導熱管30而言，熱電發電機8的「冷卻面10」是作為熱源)。導熱管30為U形，其中U形導熱管的股54緊靠在連接板52上，或是直接靠在熱電發電機8的冷卻面10上，同時另一個股56則遠離外殼46，或是如圖式所示，另一個股56與外殼46，且二者相距一段距離。導熱管30包含一種熱傳導媒介，這種熱傳導媒介最好是在相當熱的股54(作為
熱傳導媒介的蒸發器)及相當冷的股56(作為熱傳導媒介的冷凝器)之間自然循環流動。其中後者會向周圍環境散熱。一由導熱片(冷卻肋條)58構成並環繞導熱管30的格柵有助於提高向周圍環境散熱的效率。
除了可使用重力驅動及/或毛細管作用驅動的兩階段冷卻循環導熱管外，亦可使用單階段導熱管(熱虹吸管)，但是這種導熱管的導熱效率比較差。
安裝在外殼46側面並向外伸出的懸臂60在與外殼46間隔一段距離的位置承載一點火元件24，例如燈絲、火焰型火花塞、或火花塞點火器。最好是將相關之電接線的導體或電纜設置在作為套管用的懸臂60內。可以視對於熱電發電機8產生之溫差電壓的要求，將熱電發電機8串聯或並聯在一起。
當可復合的氣體混合物流經流動通道40，復合器34的催化作用區就會產生放熱復合反應，並開始在熱電發電機8內產生溫差電壓。在達到爆炸極限的下限值之前，就可以產生氣體混合物點火所需的點火能量，因此只要一超過爆炸極限，點火元件24就可以直接點火。
熱電發電機8產生的電功率通常在5至200瓦之間，這個電功率使點火元件24的燈絲/螺旋線燈絲達到點火溫度(通常>500℃)，或是供電給火花塞點火器。
此外，催化復合器34本身也可以作為氣體混合物的點火器。這種情況尤其常見於在周圍環境內發生(大容積，全面性)的瞬間氣體移動，或是外部快速釋出可燃氣體混合物並突然流入，因而將催化主動區的表面加
熱到高溫(通常>500℃)的情況。為了支援這種點火機制，燈絲62的一端與催化主動區連接，以便將其加熱到點火溫度，燈絲62的另一端則伸入流動通道40。本文前面提及的EP 0 596 964 A1有關於此種點火機制的詳細描述。
第5圖顯示的點火系統2的變化方式與前面討論過的變化方式的唯一區別是流動通道40的形狀，在第5圖的變化方式中，流動通道40具有一矩形斷面，並被複數個帶有催化層或催化區的扁平板64分割成正方形的子通道。
在第6圖及第7圖的變化方式中，流動通道40亦具有矩形斷面。一從外殼46向外伸出並在頂端帶有接口68的對流外殼66可以支援所需之類似煙囪配置的特性(第3圖及第4圖的變化方式亦具有類似的煙囪抽力，但是沒有那麼大)。
除了作為復合器34用的第一流動通道40外，另外還有一個與第一流動通道40平行且分流的第二流動通道(對流通道)70，其中在第一流動通道40內流動的氣體混合物的可燃成份濃度會降低或耗盡，第二流動通道70內沒有設置復合器，且在其內的對流不會損耗。燈絲62穿過中間壁72的穿孔，從第一流動通道40進入第二流動通道70。燈絲62在第一流動通道40內被催化區加熱，並將點火能量引入第二流動通道70，由於第二通道70內的氣流沒有發生損耗，因此這樣做可以盡可能的提早點火。
2‧‧‧點火系統
8‧‧‧熱電發電機
10‧‧‧冷卻面
12‧‧‧加熱面
24‧‧‧點火元件
30‧‧‧導熱管
34‧‧‧催化復合器
36‧‧‧點火單元
38‧‧‧管壁
40‧‧‧流動通道
42‧‧‧中間壁
44‧‧‧環室
46‧‧‧外殼
48‧‧‧填充材料
52‧‧‧連接板
54‧‧‧股
56‧‧‧股
58‧‧‧導熱板
60‧‧‧懸臂
62‧‧‧燈絲
Claims (9)
- 一種用於點燃可燃氣體混合物的點火系統(2)，尤其是設置在核技術設施之安全殼(4)內的點火系統，具有一點火元件(24)及一作為點火元件(24)之電源的熱電發電機(8)，其中一氣體混合物之催化復合器(recombiner)(34)是作為該熱電發電機(8)的熱源(28)。
- 如請求項1的點火系統(2)，其中該復合器(34)位於氣體混合物的流動通道(40)內。
- 如請求項2的點火系統(2)，其中該流動通道(40)是根據氣體混合物的特性設計。
- 如請求項2或3的點火系統(2)，其中該熱電發電機(8)是設置在該流動通道(40)之外。
- 如請求項1至4項中任一項的點火系統，其中有一熱導管(30)負責該熱電發電機(8)的散熱。
- 如請求項1至5項中任一項的點火系統，其中為了將氣體混合物點火，可藉由該復合器(34)所具有的點火燈絲(62)來反應熱啟動。
- 一種利用點火元件(24)將可燃氣體混合物點火的方法，尤其是用於在核技術設施的安全殼(4)內點火的方法，其中利用熱電發電機(8)產生該點火元件(24)的工作電壓，其中該熱電發電機(8)的運轉熱是經由催化復合氣體混合物之可復合成份所產生。
- 如請求項7的方法，其中在達到氣體混合物的爆炸極限之前，該點火元件(24)就已經被啟動。
- 一種核技術設施，尤其是核能電廠(6)，具有安全殼(4) ，且該安全殼(4)內設有如請求項1至6項中任一項的點火系統(2)。
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