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Abgewinkelte Gas führung
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Die Erfindung betrifft eine abgewinkelte Gas führung für ein mit hoher
Geschwindigkeit strömendes Gas hohen Druckes und hoher Temperatur, insbesondere
zur Verbindung des Heißgassammelraumes eines gasgekühlten Hochtemperaturreaktors
mit einer Komponente des Kühlgaskreislaufes.
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Es gehört zum Stand der Technik, bei gasgekühlten Kernreaktoren, die
mit den Primärkreislaufkomponenten, wie z. B.
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Dampferzeugern, in einem gemeinsamen Druckbehälter untergebracht sind,
den den Reaktorkern enthaltenden Teil der Anlage durch Abschirmeinrichtungen von
dem Teil zu trennen, in dem die Primärkreislaufkomponenten durch direkte Neutronenbestrahlung
aktiviert werden. Durch eine besondere Formgebung des Abschirmungsaufbaus wird dafür
Sorge getragen, daß das Kühlgas ohne wesentlichen Druckabfall von dem Reaktorkern
zu den Primärkreislaufkomponenten strömen kann, ohne daß schädliche Strahlung durch
den freien Querschnitt der den Reaktorkern mit den Komponenten verbindenden Gasführung
durchtritt.
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Aus der Auslegeschrift 1083 945 ist eine Kernreaktorabschirmung bekannt,
die ein zylindrisches Innenstück und einen äußeren Abschirmungsring aufweist, welche
zusammen mit einem weiteren Abschirmungsrtng einen S-förmigen Strömungsweg
für
das Kühlmittel bilden. Diese Abschirmung bedingt einen großen Materialaufwand.
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In der Offenlegungsschrift 1 464 705 ist eine gegen Strahlung abgeschirmte
Rohrleitung beschrieben, die gerade aus dem Reaktorkern herausgeführt wird. Im Bereich
der Durchführung durch den Reaktorbehälter zeigt sie eine Erweiterung, in der ein
Abschirmblock eingebaut ist. Dieser deckt den Leitungsquerschnitt ab, und die Gas-
oder Flüssigkeitsströmung wird um den Abschirmblock herumgeführt. Diese Art der
Abschirmung hat den Nachteil, daß der Leitungsquerschnitt im Bereich des Abschirmblockes
vergrößert sein muß.
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Es ist auch üblich, die Gasführung nach dem Durchtritt durch eine
Abschirmwand um 900 umzubiegen, also eine abgewinkelte Gasführung zu verwenden.
Dies ist beispielsweise bei dem THTR-300 MWe der Fall, bei dem das in dem Reaktorkern
aufgeheizte Gas in einem Heißgassammelraum gesammelt und durch je eine Gasführung
den Dampferzeugern zugeleitet wird. Die Gasführungen treten zunächst horizontal
durch den thermischen Schild hindurch und werden darauf um 900 nach oben umgebogen
derart, daß sie mit dem Mantel eines der Dampferzeuger verbunden werden können.
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Bei einer solchen Gasführung wirkt sich nachteilig aus, daß sich durch
die Umlenkung des Gasstromes in dem abgewinkelten Teilstück der Gasführung eine
ungleichmäßige Geschwindigkeits-und Temperaturverteilung einstellen. Erstere führt
zu ungünstigen Anströmverhältnissen bei der der Gas führung nachgeschalteten Komponente,
was eine Uberbeanspruchung und damit Zerstörung von Teilen des unteren Bereichs
dieser Komponente zur Folge hat. Das ungleichmäßige Temperaturprofil bewirkt
die
Bildung von unterschiedlich heißen Strähnen in der Gas strömung was ebenfalls vermieden
werden muß Aus der Offenlegungsschrift 2 257 699 ist ein gekrümmtes Rohrleitungsstück
großer Nennweite rür ein schnellströmendes Medium bekannt, bei dem zur Verbesserung
des Strömungsprofils an der Krümmungsstelle des Rohrleitungsstücks ein Schaufel
gitter in diesem eingebaut ist.
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Es sind auch schon Einrichtungen zur besseren Durchmischung des heißen
Kühlgases eines Kernreaktors vorgeschlagen worden.
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Diese sind jedoch innerhalb des unter dem Reaktorkern befindlichen
Heißgassammelraums angeordnet und bewirken eine Vergleichmäßigung des Temperaturprofils
vor dem Eintritt des Gasstromes in die Heißgasführunqen.
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Eine dieser Einrichtungen besteht aus einem V förmigen Verdrängungskörper,
der vor jeder Heißgasführung auf dem Boden des Heißgassammelraumes installiert ist
und das abströmende Heißgas nach oben lenkt.
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Bei einer anderen Einrichtung wird eine gute Durchmischung des heißen
Kühlgases dadurch erzielt, daß in dem Heißgassammelraum angeordnete Rundsäulen,
die den Bodenreflektor tragen, als Hohlsäulen ausgebildet sind. Die Innenräume der
Hohlsäulen stehen einerseits durch radiale Bohrungen mit dem Heißgassammelraum in
Verbindung und sind andererseits mit Kühlgasdurchlässen in dem Bodenreflektor verbunden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die eingangs beschriebene
abgewinkelte Gasführung so auszugestalten, daß in dem abgewinkelten Teilstück ein
gleichmäßiges Strömungs- und
Temperaturprofil erzielt wird, ohne
daß sich der Druckverlust merkbar erhöht.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß an der
Ümlenkstelle der Gas führung eine Lochplatte schräg eingebaut ist, die den größten
an der Umlenkstelle vorhandenen Querschnitt überdeckt, und daß die vorzugsweise
kreisrunden Durchbrüche der Lochplatte parallel zur Wandung des abgewinkelten Teilstücks
der Gasführung angeordnet sind.
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Wie sich bei Versuchen mit der erfndungsgemäßen Gas führung herausstellte,
wird mit der Lochplatte eine gleichmäßig über den ganzen Querschnitt der Gas führung
verteilte Strömungsgeschwindigkeit nach der Umlenkung erzielt, wobei nur ein sehr
geringer Druckverlust eintritt. Die örtlichen Geschwindigkeitsunterschiede sind
so weit geglättet, daß eine gleichmä-Bige Durchströmung einer der Gas führung nachgeschalteten
Komponente, z. B. eines Dampferzeugers, gewährleistet ist. Neben dieser Verbesserung
der Anströmverhältnisse für die nachgeschaltete Komponente wird auch eine Vergleichmäßigung
des Temperaturprofils erreicht, da durch die Lochplatte eine bessere Durchmischung
des Gases erfolgt. Die Bildung von heißen Gassträhnen wird somit vermieden.
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Vorteilhafterweise ist die Lochplatte im Verhältnis zu ihrer Fläche
dick ausgebildet, so daß sie zugleich als Abschirmung gegen Strahlung dient. Es
sind daher innerhalb der Gasführung keine zusätzlichen Einbauten erforderlich. Die
Abschirmwirkung kommt durch die schräge Anordnung der Lochplatte und die mit Neigung
zu den Lochplatten-Stirnflächen verlaufenden Durchbrüche in der Lochplatte sowie
durch das günstige Verhältnis des Durchmessers der Durchbrüche zu ihrer Länge zustande.
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Bei einer relativ dicken Lochplatte kann es zweckmäßig sein, die seitliche
Begrenzungsfläche der Lochplatte parallel zur Wandung des abgewinkelten Teilstücks
der Gas führung anzuordnen.
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Die Lochplatte kann aus metallischen oder auch aus keramischen Werkstoffen
hergestellt sein. Bei der Auswahl des Werkstoffes spielen die in der Gasführung
vorliegenden Druckverteilungen eine Rolle.
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Vorteilhafterweise besitzen die in der Lochplatte vorgesehenen Durchbrüche
gleichen Durchmesser und sind über die Lochplatte verteilt in einem regelmäßigen
Gitter angeordnet. Der optimale Durchmesser der Durchbrüche läßt sich in Strömungsuntersuchungen
durch Veränderung der örtlichen Durchlaßwiderstände ermitteln. Ein hinreichend geglättetes
Geschwindigkeitsprofil (mit maximalen örtlichen Geschwindigkeitsunterschieden von
ca.
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i 10 %, bezogen auf eine mittlere Geschwindigkeit) ergibt sich bei
einer Lochplatte mit einer freien Fläche von mindestens 50 %. Eine Lochplatte mit
enger Perforierung weist zudem den Vorteil auf, daß nur geringe stationäre Wärmespannungen
auftreten und instationäre Wärmespannungen weitgehend vermieden werden. Bei einer
Gasführung ohne Lochplatte können die Abweichungen der örtlichen Geschwindigkeiten
von der mittleren Geschwindigkeit zum Teil bis über 100 % betragen.
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Die erfindungsgemäß in der abgewinkelten Gas führung installierte
Lochplatte ist an mindestens drei Punkten in der Wandung der Gasführung gelagert.
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Eine besonders gute Einsatzmöglichkeit ergibt sich für die Lochplatte
in einer abgewinkelten Gasführung, deren vor und
hinter der Umlenkstelle
befindliche Teilstücke unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen, wobei beispielsweise
das erste Teilstück einen rechteckigen Querschnitt besitzt und das abgewinkelte
Teilstück von kreisförmigem Querschnitt ist.
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Die Figuren zeigen im einzelnen: Figur 1 einen Längsschnitt durch
die Gas führung nach der Linie I-I der Figur 2, Figur 2 die Draufsicht auf das in
der Figur 1 dargestellte Teilstück der Gasführung.
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Die Figuren 1 und 2 lassen eine Gasführung 1 erkennen, die aus einem
ersten, horizontal angeordneten Leitungsstück 2 und einem um 909 nach oben abgebogenen
zweiten Leitungsstück 3 besteht, im folgenden abgewinkeltes Teilstück genannt. Die
Umlenkstelle ist mit 4 a, 4 b bezeichnet. Die Gasführung ist auf ihrer Innenseite
mit einer Metallfolienisolierung 5 versehen, die eine als Gasführungshemd dienende
Abdeckung 6 aufweist.
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Das horizontale Leitungsstück 2 der Gas führung besitzt einen rechteckigen
Querschnitt und stützt sich über Abstützelemente 8 auf einer aus Graphit bestehenden
Abschirmung 7 ab. Diese ist auf dem Boden der Reaktorkaverne gelagert (nicht dargestellt).
Das abgewinkelte Teilstück 3, das einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, ist
in seinem unteren Bereich beweglich in einer weiteren Abschirmung 9 eingelassen,
die zwischen dem abgewinkelten Teilstück 3 und der Wand der Reaktorkaverne angeordnet
ist. Zwischen dem Leitungsstück 2 und der Abschirmung 7 wie auch zwischen dem abgewinkelten
Teilstück 3
und der Abschirmung 9 befindet sich je ein freier Raum
10 bzw.
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11, und diese beiden Räume sind Teil einer Gasführung, durch die kaltes
Gas, das von einem dem Dampferzeuger nachgeschalteten Gebläse kommt, an der Außenwand
des Reaktorkerns entlanggeführt und dann in den Reaktorkern zurückgeleitet wird
(nicht dargestellt).
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In dem abgewinkelten Teilstück 3 ist eine dicke Lochplatte 12 aus
Metall oder Keramik installiert, die elliptischen Querschnitt besitzt und eine Vielzahl
von kreisrunden Durchbrüchen 13 aufweist. Die Durchbrüche 13 haben alle denselben
Durchmesser und sind in einem regelmäßigen Gitter 14 über die Lochplatte verteilt.
Anzahl und Größe der Durchbrüche 13 sind so festgelegt, daß der freie Querschnitt
der Lochplatte 12 mindestens 50 % beträgt.
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Die Lochplatte 12 ist schräg in dem abgewinkelten Teilstück 3 der
Gasführung 1 eingebaut; in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist sie um 200
zur Horizontalen geneigt. Ihre Anordnung ist so getroffen, daß sie den größten an
der Umlenkstelle 4 a, 4 b vorhandenen Querschnitt überdeckt; d. h. sie erstreckt
sich von 4 a nach 4 b, wie aus der Figur 1 ersichtlich ist. Die seitliche Begrenzungsfläche
15 und die Durchbrüche 13 der Lochplatte 12 sind parallel zur Wanduny des abgewinkelten
Teilstücks 3 ausgerichtet.
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Wie aus der Figur 2 zu erkennen ist, stützt sich die Lochplatte 12
an drei Punkten A, B, C in der Wandung der Gasführung 1 ab.
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Durch die Lochplatte 12 wird eine Vergleichmäßigung des Strömungs-
und des Temperaturprofils des von dem Reaktorkern kommenden
Heißgases
in dem abgewinkelten Teilstück 3 der Gasführung 1 erzielt. Damit ergeben sich gute
Anströmverhältnisse für den an das abgewinkelte Teilstück 3 angeschlossenen Dampferzeuger.
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