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Titel
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Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung und Steuerung von Hochtemperatur-Vergasungsprozessen
Anwendungsgebiet der erfindung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Überwachung der femperaturführung und des Reaktionsablaufes bei der Partialoxydation
aschehaltiger flüssiger oder staubförmiger fester Brennstoffe, vorzugsweise unter
höherem Druck.
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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen In der Technik der
Erzeugung von CO- und H2-haltigen Gasen hat sich die Partialoxydation von gasförmigen,
flüssigen oder staubförmigen festen Brennstoffen mit technischem Sauerstoff oder
mit freiem Sauerstoff enthaltenden Vergasungsmittelgemischen in einer Flammenreaktion
eingeführt. Zur Gewährleistung hoher spezifischer Leistungen und ausreichendem Umsatz
sind dabei Temperaturen zwischen 1200 und 1500 °C erforderlich, wobei in der Flamme
selbst noch weit höhere Temperaturen auftreten. Werden aschehaltige Brennstoffe,
also vor allem staubförmige feste Brennstoffe eingesetzt, so fällt die Asche in
schmelzflüssiger Form an.
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Für die Betriebsführung und die Gewährleistung der technischen Sicherheit
von Reaktoren zur Partialoxydation ist die Kenntnis der im Reaktionsraum herrschenden
Temperaturen von großer Bedeutung. So ist diese Temperatur ein Indikator für das
Verhältnis
von freiem Sauerstoff zu Brennstoff und für die existenz
der Flamme im Reaktionsraum, deren unbeabsichtigtes Verlöschen, beispielsweise durch
Ausbleiben des brennstoffes, zur Gefahr schwerer explosionen infolge burchbruches
von freiem Sauerstoff in die dem Reaktor nachgeschalteten Apparate zur Kühlung und
Reinigung des Rohgases führt.
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Bei Einsatz von aschehaltigen Brennstoffen muß außerdem dafür gesorgt
werden, daß die Temperaturen im Reaktionsraum so hoch sind, wie es zur Gewährleistung
eines einwandfreien Schmelzflusses der Asche nötig ist, Sonst besteht die gefahr
des "Zufrierens" der Schlackenabführung oder des gesamten Reaktors durch erstarrende
Schlacke.
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Die Messung der im Reaktionsraum herrschenden Temperaturen ist vor
allem dann schwierig, wenn die Partialoxydation unter höherem Druck, beispielsweise
bei einem Druck von 2 - 4MPa, erfolgt. Er Anlagen, die für den Einsatz von gasförmigen
und flüssigen Kohlenwasserstoffen bestimmt sind, sind trotz dieser acllwierigkeiten
brauchbare Temperaturmeßeinrichtungen entwickelt worden. Vielfach ist die l'emperaturmessung
ein wesentliches Element des Notaus-Systems und der Prozeßsteuerung.
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Dagegen sind bisher keine befriedigenden Lösungen für die Temperaturmessung
in Reaktoren für den Einsatz aschehaltiger Brennstoffe bekannt. uie verfügbaren
Werkstoffe für Thermoelement-Schutzrohre werden von der sclimelzflüssigen Asche
gelöst oder durch die Lnfiltration schmelzflüssiger Asche in ihrer Beständigkeit
gegen unvermeidliche thermische Wechselbeanspruchung stark beeinträchtigt. So sind
allenfalls über relativ kurze Zeit Messungen mit Thermoelementen im Reaktionsraum
möglich.
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Die erreichbaren Standzeiten der Thermoelemente sind aber für einen
wirtschaftlichen Dauerbetrieb völlig unzureichend, zumal bei Anlagen mit höherem
Betriebsdruck der Wechsel eines Thermoelements mit einem Stillstand der Anlage verbunden
ist.
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Sollen optische Strahlungsmeßverfahren zur Temperaturmessung eingesetzt
werden, so besteht die Gefahr der Verschlackung der erforderlichen Beobachtungsöffnung
in der Wand des Reaktionsraumes und der Verschmutzung und Trübung des optischen
Fensters, so daß ebenfalls keine ausreichenden Standzeiten erreicht werden.
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Für die Partialoxydation von aschehaltigen Brennstoffen, insbesondere
von staubförmigen festen Brennstoffen sind Reaktoren bekannt, deren Reaktionsraum
durch einen Kühlschirm, beispielsweise in Borm einer von einem Kühlmittel durchflossenen
Rohrwandkonstruktion, begrenzt wird. Die in der Regel aus bestifteten Rohren bestehenden
Rohrwände sind nach dem Reaktionsraum zu mit einer dünnen Schicht feuerfester Stampfmasse
versehen.
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Aus dieser Stampfmasse bildet sich im Laufe des Betriebes entsprechend
dem Gleichgewicht von Kühlung und Wärme zufuhr aus dem R)eaktionsraum eine dünne
Schicht erstarrter Schlacke und ein Film nach unten ablaufender flüssiger Schlacke.
Bei Reaktoren für höhere Betriebsdrücke ist die den eigentlichen Reaktionsraum begrenzende
Kohrwand-Kons trukt ion in einem äußeren Druckgefäß untergebracht.
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Es sind technische Lösungen bekannt, nach denen als Kühlmittel Druckwasser
verwendet wird, wobei der Druckwasserdurchfluß bzw.
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die VorlauStemperatur so eingestellt werden, daß die Siedetemperatur
bei dem jeweils herxschenden Druck nicht erreicht wird.
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Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung sind ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Überwachung und Steuerung der Temperaturführung und des Reaktionsablaufes
bei der Partialoxydation aschehaltiger, insbesondere staubförmiger fester Brennstoffe
vorzugsweise unter erhöhtem Druck in Reaktoren, dessen Reaktionsraum von einem Kühlschirm
umgeben ist.
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Darlegung des Wesens der Erfindung - Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit denen die im Reaktionsraum
eines Reaktors für die Partialoxydation aschehaltiger flüssiger oder staubförmiger
fester Brennssoffe herrschenden Temperaturen und der Reaktionsablauf überwacht,
die gewonnenen Meßgrößen zur Steuerung des Prozesses herangezogen und
ausreichend
lange Standzeiten der Meßeinrichtung gewährleistet werden können. Die Erfindung
ist bestimmt für Reaktoren, deren Reaktionsraum von einem Kühlschirm umgeben ist,
der von einem Kühlmittel durchflossen wird.
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Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die
Wärmemenge je Zeiteinheit gemessen wird, uie aus dem Reaktionsraum umhüllenden Kühlschirm
oder einen Teil dieses Kühlschirmes durchfließt, und daß diese Wärmemenge je Zeiteinheit
als Maß für die mittlere Temperatur im Reaktionsraum bzw. in dem den eil des ühlschirmes
zugeordneten Abschnitt des Reaktionsraumes verwendet und/oder zur Steuerung des
Prozesses, insbesondere zur Steuerung der Temperatur im Reak-tionsraum durch Beeinflussung
des Verhältnisses der dem Reaktor zugeführten Mengen an freiem Sauerstoff und Brennstoff
in der Zeiteinheit und/oder zur AuSschaltung auf das Notaus-System herangezogen
wird.
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Bevorzugt findet die «erfindung Anendung bei Reaktoren, deren den
Reaktionsraum umhüllender Kühlschirm aus einer Rohrwandkonstruktion, bestehend aus
einem oder mehreren parallel geschalteten Rohrsträngen, gebildet wird, die mit Wasser,
vorzugsweise Druckwasser als Kühlmittel beaufschlagt werden, wobei die Maximaltemperatur
des Wassers unterhalb seines Siedepunktes bei dem im Rohrstrang herrschenden Druck
gehalten wird.
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In diesem Falle wird die dem oder einem der Kühlrohrstränge in der
Zeiteinheit zugeführte Wassermenge nach bekannten Methoden gemessen sowie die Temperatur
des Wassers im Kühlrohr an mehreren, mindestens aber zwei über die Länge des Kühlrohres
verteilten Temperaturmeßstellen gemessen.
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Dabei wird das Produkt aus der in der Zeiteinheit zugeführten Wassermenge
und der Differenz der Druckwassertemperatur als Maß für die mittlere Temperatur
in dem zwischen diesen femperaturmeßstellen liegenden Abschnitt des Reaktionsraumes
verwendet und/oder zur Steuerung des Prozesses und/oder zur Aufschaltung auf das
Notaus-System benutzt.
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Die Reaktionszeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf Veränderungen
der im Reaktionsraum herrschenden Temperatur ist überraschend niedrig und liegt
im gleichen Bereich wie die von Thermoelemensanordnungen in ähnlichen Reaktoren,
die mit praktisch aschefreien gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen betrieben
werden. Es ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß das gewonnene
Signal im Bereich der technisch interessanten Reaktionsraumtemperaturen oberhalb
der Schmelztemperatur der Brennstoffasche stark gespreizt ist und damit sehr empfindlich
auf Veränderungen in der Reaktionsführung reagiert.
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Obwohl das erfindungsgemäße Meßverfahren nicht unmittelbar eine Aussage
über die absolute Höhe der temperatur im Reaktionsraum liefert, so besteht bei konstantem
Schmelzverhalten der Brennstoffasche doch ausreichende Korrelation zwischen dem
Signal und der betreffenden Abschnitt des Reaktionsraumes herrschenden mittleren
Temperatur0 Verändert sich die Schmelztemperatur der Brennstoffasche, so verschiebt
sich in dem für die Betriebsführung interessanten Bereich der Reaktionsraumtemperaturen
oberhalb der Schmelztemperatur der Brennstoffasche die einem bestimmten Niveau des
gewonnenen Signals zugeordnete absolute Temperatur im Reaktionsraum in der gleichen
Richtung und angenähert um den gleichen Betrag, wie sich die Schmelztemperatur der
Brennstoffasche verändert hat. Dieses Verhalten ist bedingt dadurch, daß z. B. bei
einer Erhöhung der Schmelztemperatur der Asche die am Kühlschirm haftende Schlackenkruste
dicker wird und die gleiche Wärmemenge erst bei einer höheren Reaktionsraumtemperatur
an das Kühlmittel abgegeben wird. Das ist kein Nachteil. Die für einen einwandfreien
Betrieb zulässige inimaltemperatur im Reaktionsraum wird in der Regel durch die
Erstarrungstemperatur der schmelzflüssigen Schlacke bestimmt. Erhöht sich die Schmelztemperatur,
so muß im entsprechenden Maße die femperatur im Reaktionsraum angehoben werden.
In beiden Fällen ist aber das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnene Signal
gleich. Es kann also auch bei wechselndem Schmelzverhalten der Brennstoffasche unmittelbar
für die Steuerung des Prozesses, insbesondere für die
Einstellung
des SauerstoLJIBrennstoff-vernältnisses herangezogen werden, das entscheidenden
Einfluß auf das Tempvraturregime im Reaktionsraum hat Bei einer Prozeßsteuerung
über eine direkte Messung der Reaktionsraumtempeiatur wäre zusätzlich die laufende
Kontrolle des Ascheschmelzverhaltens erforderlich, um ein Zufrieren des Reaktors
durch erstarrte Schlacke bei Veränderung des Ascheschmelzverhaltens zu vermeiden.
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Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß sie bei entsprechender
Ausgestaltung nicht nur einen für den gesamten Reaktionsraum gültigen Durchschnittswert
der temperatur in diesem Reaktionsraum, sondern die Temperatur in mehreren Abschnitten
des Reaktionsraumes zu erfassen gestattet, indem die in verschiedenen Teilen des
Kühlschirmes übertragene Wärmemenge getrennt gemessen wird.
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;t3evorzugte Anwendung findet die Erfindung in Verbindung mit Reaktoren,
bei denen der Reaktionsraum von einem Kühlschirm in Form einer aus einem oder mehreren
parallelen Rohrsträngen bestehenden Rohrwandkonstruktion umgeben ist, und wobei
dieser Kühlschirm mit Wasser, vorzugsweise Druckwasser betrieben und die maximale
Wassertemperatur unterhalb des Siedepunktes gehalten wird.
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Die für einen Reaktor dieses Types geeignete Ausführungsform der Erfindung
zeichnet sich durch folgende Merkmale aus Mindestens eines der parallelen, zu einer
mehrgängigen Wendel gewickelten Rohre ist mit einer durchflußmeßeinrichtung zur
Messung der in der Zeiteinheit durchfließenden Druckwassermenge ausgerüstet. An
gut zugänglicher Stelle, in der Regel außerhalb des Reaktorgehäuses, werden über
geeignete, bekannte druckdichte Durchführungen Thermoelemente unterschiedlicher
Länge vorzugsweise in Form dünner Mantelthermoelemente in das betreffende Rohr so
einführt, daß die Thermospannung liefernden Lötstellen sich in dem innerhalb des
Reaktors befindlichen, den Kühlschirm bildenden Teil des Rohres befinden, wobei
die Länge der Thermoelemente so bemessen ist, daß die Lötstellen über den genannten
i7eil
des Rohres verteilt sind. Nach der Erfindung können die genannten lhermoelemente
von der Einlaufseite, von der Auslaufseite oder von beiden Seiten her in das betreffende
Rohr eingeführt sein. Als vorteilhafte Ausführungsform hat sich erwiesen, die Thermoelemente
mit einem flexiblen Draht oder einem Seil zu einem Bündel zusammenzufassen, wobei
Draht oder Seil über die gesamte Länge des stohres reichen und nach Öffenen der
druckdichten Durchführungen durch die Rohrwand als Zugseil für ein schnelles Wechseln
des Thermoelementbündels fungieren können, ohne daß der Reaktor im Ganzen geöffnet
werden muß.
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Die Thermoelemente können in bekannter Weise so gegeneinander geschaltet
sein, daß die jeweils abgegebene Spannung ein Maß für die Temperaturdifferenz des
Druckwassers zwischen jeweils zwei Temperaturmeßstellen, vorzugsweise zweier benachbarter
Temperaturmeßstellen ist.
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Das Signal für die Temperaturdifferenz ist in geeigneter Weise mit
dem Signal des Durchflußmeßgerätes so verknüpft, daß ein dem Produkt aus Durchfluß
und Temperaturdifferenz proportionales Signal erzeugt wird. Das einheitliche Signal
zumindest eines Rohrabschnittes ist auf eine Anzeigevorrichtung und/oder auf das
Steuersystem zur Einstellung des Sauerstoff-Brennstoff-Verhältnisses und/oder auf
das Notaus-System geschaltet.
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Ausführungsbeispiele Die Erfindung sei durch die folgenden Ausführungsbeispiele
erläutert und durch die Figuren 1 bis 5 illustriert. Dabei zeigen Fig. 1 die schematische
Darstellung der Meßanordnung bei einem Reaktor, dessen Kühlschirm aus mehreren,
parallel geschalteten und übereinander liegenden Rohrschlangen besteht.
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Fig. 2 die Verkleidung der Rohrwand mit Stampfmasse und Schlacke.
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Fig. 3 den Zusammenhang zwischen der Temperatur im Reaktionsraum und
dem Relativwert für das Produkt aus Druckwassermenge in der Zeiteinheit und Temperaturdifferenz
des
Druckwassers über die Meßlänge.
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Fig. 4 die schematische Darstellung der Meßanordnung bei einem Reaktor,
dessen nühlschirm die Form einer mehrgängigen Wendel aus mehreren parallelen Rohren
hat Fig. 5 ein Detail der Thermoelementanordnung gemäß Fig. 4 Ausführungsbeispiel
1 er Reaktor einer Anlage zur Partialoxydation von Braunkohlenstaub mit technischem
Sauerstoff bei einem Druck von 4 MPa besteht nach Fig. 1 aus einem äußeren Druckgefäß
1, in dem mehrere zylindrisch gewickelte Rohrschlangen 2 übereinander angeordnet
sind, wobei, wie Fig. 2 zeigt, die Rohre auf der nach der Asche des Reaktors gerichteten
Seite mit einer feuerfesten Stampfmasse 3 versehen sind. Die Stahlstifte 4 auf der
Rohroberfläche geben der Stampfmasse Halt. Die mit Stampfmasse versehenen Rohrschlangen
umgeben den eigentlichen Reaktionsraum 5, in dem bei hoher Temperatur der Umsatz
der über den Brenner 6 zugeführten Reaktionspartner Braunkohlenstaub, technischer
Sauerstoff und (in geringer Menge) Wasserdampf erfolgt Die Brennstoffasche wird
im Reaktionsraum schmelzflüssig Ein Teil der flüssigen Asche verfestigt sich an
der durch die beschichteten Rohrschlangen 2 gebildeten Wand des Reaktionsraumes
und bildet eine Schlackenkruste 7, ein anderer Seil bildet einen schmelzflüssigen
Schlackenfilm 8 auf der Kruste 7, der nach unten abläuft und zusammen mit dem erzeugten
Rohgas über die Abzugsöffnung 9 aus dem Reaktor in nachgeschaltete Kühl- und Abscheideeinrichtungen
gelangt. Die Rohrschlangen werden zur Kühlung mit Wasser beaufschlagt, dessen Menge
so eingestellt wird, daß die Maximaltemperatur des Wassers unterhalb seines Siedepunktes
bei dem im Rohr herrschenden Druck bleibt. kt der Durchflußmeßeinrichtung 10 wird
- in Fig. 1 für eine Kühlschlange dargestellt -die in der Zeiteinheit durchfließende
Wassermenge gemessen.
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Gleichzeitig sind im Zulauf ii und im Ablauf 12 der betreffenden Rohrschlange
Thermoelemente 13 und 14 zur Messung der Wassertemperatur an diesen Seiten installiert0
Die
beiden Thermoelemente sind so gegeneinander geschaltet, daß nur eine, der femperaturdifferenz
zwischen beiden Meßstellen entsprechende Qhermospannung abgegeben wird. Mit Hilfe
logischer Bausteine werden in der Meßwert-Umformungseinrichtung 15 die Signale von
Durchflußmessung und Temperaturmessung so miteinander verknüpft, daß ein Signal
entsteht, das dem Produkt aus WAssermenge in der Zeiteinheit und Temperaturdifferenz
proportional ist. Dieses Signal wird als aß für die mittlere Temperatur im Reaktionsraum
in der ilöhe der betreffenden Rohrschlange am Schreiber 16 angezeigt und registriert.
Es wird weiter dem Regler 17 aufgegeben, der über das als Stellglied dienende Ventil
18 in der Sauerstoffzuleitung das Verhältnis von Sauerstoffmenge in der Zeiteinheit
zu Kohlenstaubmenge in der Zeiteinheit korrigiert, während mit der Dosiervorrichtung
19 ein vorgegebener Kohlenstaub-Mengenfluß konstant gehalten wird.
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Schließlich wird das Signal der iileßwert-dmformungseinrichtung 15
dem automatischen Notabschaltsystem (Notaus-System) 20 aufgegeben, das bei Überschreitung
eines oberen und Unterschreitung eines unteren Grenzwertes die Abschaltung uer Anlage
und die Überführung in einen ungefährlichen Zustand vornimmt. Neben anderen Schalthandlungen
wird dabei insbesondere durch das Schnellschlußventil 21 unverzüglich die Sauerstoffzufuhr
zum Reaktor gesperrt.
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Bür den im Beispiel behandelten Reaktor ergab sich bei Einsatz eines
Braunkohlenstaubes mit einer Schmelztemperatur der Asche von 1250 °C der in Fig.
3 - Kurve a - dargestellte Zusammenhang zwischen dem von der Meßwert-Umformungseinrichtung
15 erzeugten Signal und der mittleren Temperatur im Reaktionsraum in Höhe der betreffenden
XohrschlangeO Ein hinsichtlich des Schlackenabflusses einwandfreier Betrieb der
Anlage wird bei einer Reaktionsraumtemperatur an dieser Stelle von 1450 °C erreicht.
Das entspricht nach Fig. 3 einem Signal von 20 ». Bei Einsatz eines Braunkohl-enstaubes
mit einer um 200 K höheren Schmelztemperatur ergab sich die in Fig. 3 - Kurve b
- dargestellte Charakteristik.
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Die Kurve ist praktisch um 200 K nach rechts verschoben. Einwandfreier
Betrieb mit dieser Kohle wird ebenfalls bei einem Signal
von 20
%, also bei gleicher spezifischer Wärmeabgabe an die Rohrschlange des Kühlschirmes,
erreicht Ausführungsbeispiel 2 Bei einer anderen in Fig 4 dargestellten Ausführungsform
des drackwassergekühlten Reaktors sind mehrere9 parallel beaufschlagte Rohre 22
zu einer mehrgängigen, zylindrischen Wendel gewickelt, die im äußeren druckgefäß
1 untergebracht ist, auf der der Achse des Reaktors zugekehrten Seite mit feuerfester
Stampfmasse versehen ist und die Jmhüllung des lieaktionsraumes 5 bildet. Die unteren
und oberen Enden der einzelnen ohre werden über die Stutzen 23 druckdicht durch
Boden und Deckel des Druckgefäßes 1 herausgeführt und bilden den Zulauf 11 und den
Ablauf 12 des betreffenden Rohres.
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In Fig. 4 für ein Rohr dargestellt, ist im Zulauf 11 eine Durch flußmeßeinrichtung
für das Druckwasser installiert. Über die druckdichte Durchführung 24 an einem krümmer
des -.-iasserzulaufes in unmittelbarer Nähe des Stutzens 23 sind 5 dünne Mantelthermoelemente
25 unterschiedlicher Länge in das Rohr eingeführt.
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Die heißen Lötstellen 26 dieser Elemente sind in gleichmäßigen Abständen
über die ganze, innerhalb des Reaktors Liegende Länge des betreffenden Rohres verteilt
Die Differenz der Thermospannungen von jeweils zwei benachbarten Thermoelementen
wird auf die Meßwert-Umformungseinrichtung 15 Oeschaltet. Die übrige Anordnung entspricht
dem Ausführungsbeispiel 1. Das gleiche gilt für den Zusammenhang zwischen der Tempertur
im Xeaktionsraum und dem Relativwert des in der Zeßwert-Umformungseinrichtung 15
gewonnenen Signals als Produkt von Druckwassermenge in der Zeiteinheit und Temperaturdifferenz.
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Wie Fig. 5 weiter zeigt, sind die Mantelthermoelemente 25 mit einem
dünnen Stahlseil 27 durch Schellen 31 zu einem Bündel zusammengefaßt. Das Stahlseil
ist über die gesamte Länge des Rohres geführt und in einem Stutzen 28 am oberen
Ende des Rohres 22, außerhalb des Reaktor-Druckgefäßes 1, in gut zugänglicher Stelle
an einer Halterung 29 befestigt0 Der Stutzen 28 mit der Halterung ist durch die
Deckelkappe 30 verschlossen. Mit der Bündelung der dünnen, ca, 1 mm starken Ivlantelthermoelemente
und
dem Stahlseil wird ausreichende mechanische Stabilität der
Anordnung gegenüber den durch die Druckwasserströmung im Ruhr verursachten Beanspruchungen
erreicht. Die Standzeit der Thermoelementanordnung ist befriedigend. Zugleich dient
das Stahlseil als Hilfsmittel bei der Montage bzw. bei der Auswechslung des hermoelementbündels.