DE102012201129A1

DE102012201129A1 - Vorrichtung zur Separation eines Fluid-Massenstroms

Info

Publication number: DE102012201129A1
Application number: DE201210201129
Authority: DE
Inventors: Dr.rer.nat. Schulze Günther; Robert Büttner; Ralf Walterskötter
Original assignee: Areva NP GmbH
Current assignee: Areva GmbH
Priority date: 2012-01-26
Filing date: 2012-01-26
Publication date: 2013-08-01
Also published as: US20140090730A1; ES2536220B2; CH706529B1; WO2013110370A1; JP2015512014A; ES2536220R1; ES2536220A2

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) zur Separation eines Fluid-Massenstroms (M0) in einer kerntechnischen Anlage angegeben, mit einem primären Endstück (3) zur Durchführung des Fluid-Massenstroms (M0) und mit einer Mehrzahl von sekundären Endstücken (4, 6) zur Durchführung einer Mehrzahl von separaten Teilströmen (M1, M2, M3) des Fluid-Massenstroms (M0), wobei eine Anzahl von Trennungselementen (2, 8) im Bereich innerhalb des primären Endstückes (3) vorgesehen ist, und jeder der durch das Trennungselement (2, 8) oder die Trennungselemente (2, 8) definierten Teilbereiche (V1, V2, V3) in einem dem Teilbereich (V1, V2, V3) eindeutig zugeordneten sekundärem Endstück (4, 6) mündet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Separation eines Fluid-Massenstroms, insbesondere zum Einsatz in einer kerntechnischen Anlage.
Derartige Vorrichtungen sind in der Regel als Teilsegmente von Rohrleitungen bildenden Mehrwegeverteilern ausgebildet und werden eingesetzt, um in Rohrleitungen geführte Flüssigkeits-, Gas- oder Dampfströme (Fluid-Massenströme) voneinander zu trennen und in eine Mehrzahl von Teilströmen aufzuspalten. In entsprechender Weise können sie bei Umkehr der Strömungsverhältnisse auch zur Zusammenführung separater Teilströme verwendet werden.
In einer kerntechnischen Anlage, beispielsweise in einer Kernkraftwerksanlage, werden in den Wasserkreisläufen – beispielsweise im primären Reaktor-Kühlkreislauf oder in den Turbinenkreisläufen – Rohrleitungssysteme mit derartigen Verteilern eingesetzt, insbesondere 3-Wege-Verteiler. Innerhalb der Kreisläufe können Druck und Temperatur hohe Werte erreichen oder das Wasser kann mit Ionen oder mit radioaktiven Feststoffpartikeln vermischt sein, so dass die Rohrleitungssysteme insgesamt, und in den Rohrleitungssystemen insbesondere die Verteiler, hohen Beanspruchungen ausgesetzt sind, unter denen sie langfristig dicht sein und sehr zuverlässig funktionieren müssen. An Verteiler ist zudem die Forderung gestellt, einen Flüssigkeitsstrom in Teilströme mit einem vorgegebenen Massenstromverhältnis zu separieren, welches auch bei veränderlichen Drücken, Temperaturen und Strömungsgeschwindigkeiten möglichst gleichbleibend ist.
Für Mehrwegeverteiler werden üblicherweise Rohrverschneidungen umfassende Verbindungselemente eingesetzt. So stellt insbesondere ein Kreuzstück eine bekannte und standardmäßig verwendete Bauform für einen 3-Wege-Verteiler dar. Ein durch ein Endstück des Kreuzstückes einströmender Fluid-Massenstrom verteilt sich bei gleichbleibender Strömungsrichtung auf die restlichen drei Endstücke, über die die separierten Teilströme abfließen. Das Massenverhältnis der Teilströme wird dabei im Wesentlichen durch die Verhältnisse der Rohrdurchmesser der Endstücke und durch die Winkel zwischen den Endstücken und des Weiteren durch die Druckverluste in den Rohrleitungen der drei Teilströme eingestellt.
Nachteiligerweise bildet eine Strömung innerhalb eines Kreuzstückes an den Kanten der Rohrverzweigungen Instabilitäten aus, so dass sich je nach Druck- und Geschwindigkeitsverteilung in der Strömung Verwirbelungen und Turbulenzen ausbilden, die zu einem zeitlich veränderlichen Massenverhältnis der Teilströme führen können. Zwar kann die Turbulenzbildung an den Kanten durch eine Glättung der Rohrprofile im Bereich der Kanten vermindert werden, allerdings bilden sich Instabilitäten und Verwirbelungen allein schon durch die Aufteilung der laminaren Primärströmung im Mittelteil des Kreuzstückes aus. Durch eine Winkelung der Rohrendstücke des Kreuzstückes in Strömungsrichtung kann diese Wirkung zwar vermindert, jedoch nicht komplett vermieden werden. Durch Verwirbelungen und Turbulenzen ist die Reibung in der Strömung im Vergleich zu einer laminaren Strömung erhöht. Das Kreuzstück ist im Vergleich zu einem geraden Rohrsegment einer hohen Belastung ausgesetzt. Insbesondere im Bereich der Kanten des Kreuzstückes ist die Belastung besonders hoch.
Ein Kreuzstück wird in der Regel aus mehreren Rohrendstücken zusammengeschweißt. Die Schweißnähte müssen daher besonders stabil ausgeführt sein. Zudem sind in definierten Zeitabständen Untersuchungen erforderlich, um den Zustand der Schweißnähte zu überprüfen. Bei der Verwendung von Kreuzstücken als 3-Wege-Verteiler hat dies insbesondere einen erhöhten Prüf- und Wartungsaufwand zur Folge.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung anzugeben, mit der ein Fluid-Massenstrom – insbesondere in einer kerntechnischen Anlage – in Teilströme mit einem vorgegebenen Massenstromverhältnis separiert werden kann, wobei das Massenstromverhältnis der Teilströme unter veränderlichen Druck-, Temperatur-, und Geschwindigkeitsverteilungen im Fluid-Massenstrom möglichst gleichbleibend ist. Ferner wird angestrebt, dass die Teilströme möglichst stabil und turbulenzarm sind, so dass die Vorrichtung möglichst geringen Belastungen ausgesetzt ist, somit möglichst zuverlässig ist und wartungsarm im sicherheitskritischen Umfeld, etwa in einer kerntechnischen Anlage eingesetzt werden kann. Eine besondere Herausforderung stellt die Aufgabe dar, die Strömungsseparation so zu gestalten, dass es nicht zu schwankenden oder hin und her pendelnden Teilströmen kommt, sondern dass jeder Teilstrom für sich zeitlich stabil bleibt.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach wird eine Vorrichtung zur Separation eines Fluid-Massenstroms, insbesondere zum Einsatz in einer kerntechnischen Anlage, vorgeschlagen, mit einem primären Endstück zur Durchführung des Fluid-Massenstroms und mit einer Mehrzahl von sekundären Endstücken zur Durchführung einer Mehrzahl von separaten Teilströmen des Fluid-Massenstroms, wobei eine Anzahl von Trennungselementen im Bereich innerhalb des primären Endstückes vorgesehen ist, und jeder der durch das Trennungselement oder die Trennungselemente definierten Teilbereiche in einem dem Teilbereich eindeutig zugeordneten sekundären Endstück mündet.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, den Fluid-Massenstrom im laminaren Bereich des Strömungsfeldes mit Hilfe von Trennungselementen geometrisch zu separieren, so dass die Teilströme unmittelbar in den durch das Trennungselement oder die Trennungselemente vorgegebenen Teilbereichen entstehen und von dort an wechselwirkungsfrei weitergeführt und in die jeweiligen Endstücke geleitet werden (sogenannte hydraulische Entkopplung). Bei dieser Art der Separation wird die Strömung im Nahbereich der Aufteilung nicht gestört, so dass eine weitgehend homogene und störungsfreie Aufteilung des Gesamtmassenstromes in eine Mehrzahl von Teilströmen möglich ist. Durch die jeweils getrennte Weiterführung jedes Teilstromes findet keine wechselseitige Beeinflussung der Teilströme statt, so dass – anders als im zentralen Bereich eines Kreuzstückes – keine großräumigen Verwirbelungen und Turbulenzen in der Strömung auftreten, die zu einer erhöhten inneren Reibung in der Strömung und zu zeitlich veränderlichen Massenstromverhältnissen der Teilmassenströme zueinander führen würden. Die Massenverhältnisse der Teilmassenströme sind zeitlich weitgehend konstant und hängen im Wesentlichen nur noch von den Größenverhältnissen der durch die Trennungselemente definierten Teilbereiche und von dem Gesamtmassenstrom selbst ab.
In entsprechender Weise können – bei einer Umkehrung der Strömungsrichtung – mit Hilfe der Vorrichtung eine Mehrzahl von Fluid-Massenströmen zu einem Gesamtmassenstrom zusammengeführt werden. Das Trennungselement oder die Trennungselemente führen in diesem Fall dazu, dass die unterschiedlichen Teilströme erst an einem Ort zusammenfließen, an dem sie im Wesentlichen parallel zueinander geführt sind. Entsprechend dem Fall der Massenstromseparation wird dadurch die wechselseitige Beeinflussung der Teilströme reduziert, so dass im Strömungsfeld des Gesamtmassenstroms im Bereich der Zusammenführung weniger Instabilitäten auftreten als bei der Zusammenführung mit Hilfe eines Kreuzstückes.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Anzahl der Teilbereiche gleich der Anzahl der sekundären Endstücke. Damit ist jedem Teilmassenstrom genau ein sekundäres Endstück der Vorrichtung zugeordnet, in das der jeweilige Teilmassenstrom geleitet wird.
Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung eine ausgezeichnete Symmetrieachse auf. Eine derartige Symmetrieachse ist vorzugsweise identisch zu der zentralen Längsachse des primären Endstückes. Weiterhin weist vorzugsweise die Vorrichtung mit den sekundären Endstücken bezüglich Drehungen der Vorrichtung um diese Symmetrieachse eine diskrete Symmetrie auf. Dies bedeutet, dass die Vorrichtung bei einer Drehung um die Symmetrieachse aus einer Ausgangsposition um einen ganzzahligen Bruchteil von 360° die Vorrichtung identisch aussieht wie in der Ausgangsposition. In einer besonders bevorzugten Variante liegt die Symmetrieachse in einer Symmetrieebene, bezüglich derer der die Vorrichtung spiegelsymmetrisch ist.
Mittels einer möglichst symmetrischen Formgebung kann die Vorrichtung besonders kompakt und platzsparend realisiert werden, was insbesondere für Transport, Installation und Wartung in einer sicherheitskritischen Umgebung – wie in einer kerntechnischen Anlage – von besonderer Bedeutung ist.
In einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung ist die Vorrichtung als ein 3-Wege-Verteiler ausgebildet. Ein 3-Wege-Verteiler weist drei sekundäre Endstücke auf, wobei in der Regel zumindest zwei der sekundären Endstücke im Wesentlichen gleichartig ausgebildet sind. Bei einer besonders bevorzugten Formgebung eines 3-Wege-Verteilers ist eines der sekundären Endstücke in Fortsetzung des primären Endstückes ausgebildet, so dass die Symmetrieachse der Vorrichtung und die zentrale Längsachse des primären Endstückes auch die zentrale Längsachse dieses sekundären Endstückes darstellt. Die weiteren beiden Endstücke sind im Wesentlichen gleichartig geformt und bzgl. der Symmetrieachse einander gegenüberliegend angeordnet, so dass die Vorrichtung insgesamt eine 180°-Rotationssymmetrie bzw. eine Spiegelsymmetrie aufweist.
Zweckdienlicherweise ist zumindest ein Endstück in Form eines Führungsrohres ausgebildet. Insbesondere können das primäre Endstück und/oder zumindest ein sekundäres Endstück in Form eines Führungsrohres ausgebildet sein. In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Vorrichtung sind das primäre Endstück und die sekundären Endstücke in Form von Führungsrohren ausgebildet, die jeweils für eine geeignete Verbindung mit jeweils einer passenden Rohrleitung vorgesehen sind.
In der zuletzt dargelegten Ausführungsform der Vorrichtung weist das oder jedes Führungsrohr bevorzugt eine glatte Krümmung auf. Daraus folgt insbesondere, dass dem jeweiligen Führungsrohr keine die Strömung störenden Ecken, Kanten und Vorsprünge eingeprägt sind, und/oder dass das Führungsrohr nicht ohne eine kontinuierliche Formanpassung aus einem anderen Rohr abzweigt, im Gegensatz zu der bei einem Kreuzstück üblicherweise existierenden Gestaltung. An einer Ecke oder Kante oder allgemein an einer diskontinuierlichen Formänderung der Oberfläche lösen sich Strömungen in bevorzugter Weise ab, und das Strömungsfeld der Strömung in einem Bereich um die jeweilige Ecke bzw. Kante bzw. diskontinuierliche Formänderung geht von einer laminaren in eine chaotische (turbulente) Phase über. Durch eine glatte Oberflächenkrümmung wird eine derartige Turbulenzneigung weitgehend minimiert, so dass die Strömung in dem Rohr weitgehend störungsfrei fließt und somit eine vergleichsweise geringe Belastung auf das Rohr ausgeübt wird.
Demgegenüber kann – beispielsweise durch eine gezielte Oberflächenstrukturierung auf der Innenseite des oder jeden Führungsrohres – eine Bildung von Mikroturbulenzen durchaus erwünscht sein, da solche Mikroturbulenzen die Ausbildung einer charakteristischen Grenzschicht zwischen einem laminaren Strömungsfeld und einer Grenzfläche – in diesem Fall die Innenfläche des Führungsrohres – unterdrücken können, wodurch eine Übertragung von Strömungskräften auf das Rohr im Vergleich zur laminaren Grenzschicht weiter vermindert werden kann. Solche Mikroturbulenzen sind jedoch im Wesentlichen auf den unmittelbaren Grenzbereich der Strömung zur Rohrinnenfläche beschränkt, so dass das gesamte Strömungsfeld des Fluid-Massenstroms im Wesentlichen laminar ausgebildet ist. Die gezielte Herbeiführung von Mikroturbulenzen zur Verminderung von Dissipationskräften im Grenzbereich zwischen Strömungen und Grenzflächen durch eine Mikrostrukturierung der jeweiligen Oberfläche ist auch als Haifischhaut-Effekt bekannt.
Zumindest ein Trennungselement ist zweckmäßigerweise in Form eines konzentrisch zu dem primären Endstück angeordneten inneren Führungsrohres ausgebildet. Dabei wird durch das Verhältnis des Querschnittes des primären Endstückes und des Querschnittes des inneren Führungsrohres bzgl. einer zu der Symmetrieachse orthogonalen Querschnittsebene das Verhältnis der Teilmassenströme reguliert, welche aus dem gesamten Fluid-Massenstrom separiert werden.
Weiterhin bildet vorzugsweise das innere Führungsrohr ein sekundäres Endstück aus. Somit ist in dieser Weiterbildung der Vorrichtung das Trennungselement unmittelbar als ein Teil dieses sekundären Endstückes ausgebildet. Der Teilstrom des Fluid-Massenstroms, der parallel zur Symmetrieachse geführt wird, wird somit innerhalb des inneren Führungsrohres abgeleitet. Die anderen Teilströme des Fluid-Massenstroms werden um das innere Führungsrohr herum geleitet und jeweils an einer geeigneten Position von der Symmetrieachse in unterschiedliche Richtungen abgezweigt.
Zweckdienlicherweise ist zumindest ein Trennungselement in Form einer Trennflosse ausgebildet. Eine derartige Trennflosse stellt ein im Wesentlichen ebenes Flächensegment dar, wobei das Flächensegment im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung des gesamten Fluid-Massenstroms ausgerichtet ist. In einer alternativen Ausführungsform der Vorrichtung kann die Trennflosse kontinuierlich gekrümmt sein und/oder die Ausrichtung der Trennflosse eine Neigung zur Hauptströmungsrichtung des gesamten Fluid-Massenstroms aufweisen, so dass, ähnlich wie bei einer feststehenden Turbinenschaufel, das Strömungsfeld – kontinuierlich zunehmend – in eine Rotationsbewegung versetzt wird, und dass bei entsprechender Ausformung der durch das Trennungselement definierten Teilbereiche die Teilströme mit einer Windung bzgl. der Symmetrieachse der Vorrichtung in die jeweiligen sekundären Endstücke einmünden.
In einer besonders geeigneten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Trennflosse oder sind die Trennflossen zwischen dem primären Endstück und dem inneren Führungsrohr angeordnet. Auf diese Weise kann mit einer Mehrzahl von Trennflossen der Bereich zwischen der Innenwand des primären Endstückes und dem inneren Führungsrohr in – zweckmäßigerweise gleich große – Sektoren aufgeteilt werden.
In einer ganz besonders geeigneten Ausführungsform der Vorrichtung umschließt das zu dem primären Endstück konzentrisch angeordnete und ein erstes sekundäres Endstück ausbildende innere Führungsrohr die Symmetrieachse, und sind zwei bzgl. der Symmetrieachse einander gegenüberliegend angeordnete Trennflossen vorgesehen, und die beiden bzgl. einer zur Symmetrieachse orthogonalen Querschnittsebene im Bereich des primären Endstückes halbkreisringförmigen Teilbereiche münden in zwei gleichartige und bzgl. der Symmetrieachse einander gegenüberliegend angeordnete sekundäre Endstücke.
Diese zuletzt genannte Ausführungsform bildet einen 3-Wege-Verteiler, wobei die durch die beiden gleichartigen sekundären Endstücke geführten Teilmassenströme des gesamten Fluid-Massenstroms im Wesentlichen gleich groß sind und die Größe dieser Teilmassenströme jeweils durch das Produkt aus einer der Querschnittsflächen der halbkreisringförmigen Teilbereiche und aus der Strömungsgeschwindigkeit des Fluid-Massenstroms bestimmt ist. Die Größe des parallel zur Symmetrieachse geführten Teilstroms des Fluid-Massenstroms ist durch das Produkt aus der Querschnittsfläche des inneren Führungsrohres im Bereich des primären Endstückes und aus der Strömungsgeschwindigkeit des Fluid-Massenstroms bestimmt.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Vorrichtung nimmt der Innendurchmesser des rohrförmig ausgebildeten primären Endstückes im Bereich der Trennflossen einen Wert im Wesentlichen zwischen 500 mm und 600 mm an, und/oder nimmt der Innendurchmesser des inneren Führungsrohres im Bereich des primären Endstückes einen Wert im Wesentlichen zwischen 180 mm und 200 mm annimmt, und/oder nimmt der Innendurchmesser des inneren Führungsrohres im endseitigen Bereich gegenüberliegend dem Bereich des primären Endstückes einen Wert im Wesentlichen zwischen 180 mm und 300 mm an, und/oder nimmt der Innendurchmesser der gleichartigen sekundären Endstücke einen Wert zwischen 300 mm und 400 mm an.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Vorrichtung betreffen ihre Ausbildung als einstückiges Formteil oder ihre Zusammensetzung aus einer Mehrzahl von einstückig ausgebildeten Formteilen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Vorrichtung als ein einstückiges Formteil ausgebildet. Ein solches einstückig ausgebildetes Formteil wird vorzugsweise in einem Guss gefertigt und ist daher besonders robust und somit besonders wartungsarm. Insbesondere weist ein einstückig ausgebildetes Formteil keine Schweißnähte auf, welche als potentiell schwächste Bereiche einer Konstruktion besonders häufig überprüft werden müssen.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Vorrichtung aus einer Mehrzahl von einstückig ausgebildeten Formteilen zusammengesetzt. Zwar zeichnen sich einstückige Formteile durch ein besonders hohes Maß an Robustheit und Stabilität aus, jedoch kann die Herstellung der Vorrichtung aus einem Guss bei einer hohen Komplexität der Formgebung aufwendig und dementsprechend kostenintensiv sein, so dass eine Zusammensetzung der Vorrichtung aus mehreren einstückigen ausgebildeten, jedoch jeweils in sich weniger komplex geformten Formteilen bevorzugt sein kann.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der zuletzt genannten Ausführungsvariante der Vorrichtung in Form eines 3-Wege-Verteilers ist dieser aus einem inneren Führungsrohr und einer äußeren Rohrverzweigung zusammengesetzt, wobei das Innere Führungsrohr durch eine Aussparung in der Rohrverzweigung durch die Rohrverzweigung geführt ist, und wobei die Aussparung bzgl. der Symmetrieachse dem primären Endstück gegenüberliegend angeordnet ist. Darüber hinaus sind vorzugsweise die Trennflossen mit dem Führungsrohr und/oder mit der Rohrverzweigung fest verbunden und sind beispielsweise in schienenförmigen Aussparungen in der Rohrverzweigung bzw. in dem Führungsrohr mit der Rohrverzweigung bzw. mit dem Führungsrohr verbunden.
Weiterhin ist zweckmäßigerweise für eine Verbindung von zumindest zwei der einstückig ausgebildeten Formteile eine Schraub-, Steck- und/oder Bajonettverbindung vorgesehen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass ein in einer zentralen Rohrleitung geführter Fluid-Massenstrom durch die für eine konsequente hydraulische Entkopplung ausgelegte neuartige Verteilergeometrie auf engstem Raum verlustarm in drei zeitlich stabile (konstante) Teil-Massenströme aufgeteilt und in drei separate Rohrleitungen überführt werden kann. Verallgemeinerungen auf Vier- oder Mehr-Wege-Verteiler sind möglich. Fertigungstechnisch kann bei der Herstellung dieses Verteilers auf Schweißarbeiten verzichtet werden. Ein mögliches Einsatzgebiet liegt insbesondere bei Siedewasserreaktoren mit externer Treibwasserschleife, bei denen durch die geringeren zeitlichen Fluktuationen im Verteiler geringere Schwankungen im Kerndurchsatz und somit in der thermischen Leistung erreichbar sind.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand einer Zeichnung erläutert.
Dabei zeigen jeweils in schematischer und semitransparenter Darstellung:
1 eine Vorrichtung zur Separation eines Fluid-Massenstroms in einer perspektivischen Darstellung,
2 die Vorrichtung gemäß 1 in seitlicher Draufsicht,
3 noch einmal die Vorrichtung gemäß 1 in perspektivischer Darstellung, mit exemplarischen geometrischen Kenngrößen, und
4 eine Skizze, die den Aufbau der Vorrichtung gemäß 1 auf alternative Weise veranschaulicht.
Gleiche Teile in 1 bis 4 sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine auch als Verteiler bezeichnete Vorrichtung 1 zur Separation eines Fluid-Massenstroms M₀ perspektivisch dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst ein konisch zulaufendes inneres Führungsrohr 2, welches am schmäleren Ende von einem rohrförmigen primären Endstück 3 konzentrisch umschlossen ist. Das primäre Endstück 3 ist mit zwei gleichartig geformten und bzgl. des inneren Führungsrohres 2 einander gegenüberliegend angeordneten sekundären Endstücken 4 verbunden, so dass das primäre Endstück 3 mit den beiden sekundären Endstücken 4 eine Rohrverzweigung 5 ausbildet. Im breiteren endseitigen Bereich des inneren Führungsrohres 2, der bzgl. der Symmetrieachse X dem primären Endstück 3 gegenüberliegend angeordnet ist, bildet das innere Führungsrohr ein weiteres sekundäres Endstück 6 aus. Dabei ist das innere Führungsrohr 2 durch eine passgenaue, am Rand dicht abschließende Öffnung 7 aus der Rohrverzweigung 5 herausgeführt.
Die Symmetrieachse X der Vorrichtung 1 entspricht der Längsachse des inneren Führungsrohres 2 sowie der Längsachse des primären Endstückes 3. Aufgrund der Anordnung der beiden gleichartig geformten sekundären Endstücke 4 ist die Vorrichtung 1 symmetrisch bezüglich einer Rotation um die Symmetrieachse X um 180°.
Zwischen dem inneren Führungsrohr 2 und dem primären Endstück 3 sind bzgl. der Symmetrieachse X einander gegenüberliegend zwei Trennflossen 8 ausgebildet, wobei jede Trennflosse 8 mit jedem der gleichartig geformten sekundären Endstücke 4 bzgl. einer zur Symmetrieachse X orthogonalen Querschnittsebene einen im Wesentlichen rechten Winkel ausbildet. Die Mantelfläche des inneren Führungsrohres 2 im Bereich des primären Endstückes 3 und die beiden Trennflossen 8 definieren drei Teilbereiche V₁, V₂, V₃ innerhalb des primären Endstückes 3, wobei der erste Teilbereich V₁ im Querschnitt gesehen im Wesentlichen halbringförmig ausgebildet ist und das innere Führungsrohr 2 halbseitig konzentrisch umschließt, der zweite Teilbereich V₂ das zylinderförmige Innenvolumen des inneren Führungsrohres darstellt, und der dritte Teilbereich V₃ der Form des ersten Teilbereiches V₁ entspricht und dem ersten Teilbereich V₁ gegenüberliegend angeordnet ist. Jeder Teilbereich V₁, V₂, V₃ mündet in einem der sekundären Endstücke 4, 6, 4 respektive.
Das innere Führungsrohr 2 hat von der einen Endseite im Bereich des primären Endstückes 3 hin zu der anderen Endseite des sekundären Endstückes 6 einen kontinuierlich anwachsenden Durchmesser und nimmt dadurch eine leicht konische Form an. Die Rohrverzweigung 5 weist im Bereich des Übergangs von dem primären Endstück 3 zu den sekundären Endstücken 4 ein im Wesentlichen gleichmäßig gekrümmtes Profil auf und besitzt somit insbesondere keine strömungsbrechenden Kanten.
2 zeigt in einer seitlichen Projektion die Vorrichtung 1 gemäß 1. In dieser Darstellung ist der in die Vorrichtung 1 im Bereich des primären Endstückes 3 einströmende Fluid-Massenstrom M₀ symbolisch durch Pfeile gekennzeichnet. Durch das innere Führungsrohr 2 und durch die Trennflossen 8 wird der Fluid-Massenstrom M₀ geometrisch separiert und auf die drei Teilbereiche V₁, V₂, V₃ innerhalb des primären Endstückes 3 verteilt (in der hier gewählten Ansicht stehen die Trennflossen 8 senkrecht auf der Ansichtsebene, nur eine Trennflosse 8 ist als vertikale Linie erkennbar dargestellt).
Die in den Teilbereichen V₁, V₂, V₃ gebildeten Teilmassenströme M₁, M₂, M₃ werden in getrennten Richtungen zu jeweils einem sekundären Endstück abgeleitet: Der Teilmassenstrom M₂ wird durch das innere Führungsrohr 2 parallel zur Symmetrieachse X abgeführt und somit dem sekundären Endstück 6 zugeleitet; die anderen beiden Teilmassenströme M₁, M₃ werden innerhalb der Rohrverzweigung 5 um das innere Führungsrohr 2 herum und über die sekundären Endstücke 4 abgeleitet. Durch die geometrische Separation des Fluid-Massenstrom M₀ im Bereich des primären Endstückes 3 bleibt das Strömungsfeld der Teilmassenströme M₁, M₂, M₃ im Wesentlichen laminar ausgeprägt.
Alle weiteren Details sind der Beschreibung von 1 zu entnehmen.
Entsprechend den verschiedenen denkbaren Einsatzzwecken können die geometrischen Parameter der Vorrichtung 1 stark variieren. Bei der in 3 dargestellten, für den Einsatz im Kühlflüssigkeitskreislauf eines Siedewasserreaktors vorgesehenen Variante beträgt der Durchmesser D1 des schmalen Endes des inneren Führungsrohres 2 beispielsweise rund 190 mm, und der Durchmesser D2 am außen liegenden breiten Ende des Führungsrohres 2 rund 290 mm. Der Durchmesser D3 des primären Endstücks 3 beträgt rund 530 mm, und der Durchmesser D4 der beiden sekundären Endstücke 4 im Bereich ihrer Auslassöffnungen beträgt jeweils rund 350 mm. Der Krümmungsradius R der beiden sich zwischen dem primären Endstück 3 und dem jeweiligen sekundären Endstück 4 erstreckenden Rohrbögen beträgt rund 600 mm.
Aus 4 geht hervor, dass sich – gedanklich und/oder real – die Vorrichtung 1 wie folgt aufbauen lässt: Zwei vorzugsweise identische Rohrbögen 9 werden jeweils parallel zu der Mittelachse M durch eine ihrer endseitigen Öffnungen entlang der Schnittkante S angeschnitten. Des Weiteren wird eine passende Aussparung A für das Führungsrohr 2 in den verbleibenden Teil des jeweiligen Rohrbogens 9 eingebracht. Die verbleibenden Teile der Rohrbögen 9 werden anschließend in der durch Richtungspfeile gezeigten Weise zusammengeführt und an den Schnittkanten S miteinander verbunden / zusammengefügt. Ferner wird das Führungsrohr 2 in die Aussparung A eingebracht und dort in der Endlage fixiert. Schließlich werden noch die hier nicht dargestellten, passgenau konturierten Trennflossen in den Verbund eingesetzt und fixiert. Die Verbindungsstellen zwischen Rohrbögen 9, Führungsrohr 2 und den Trennflossen sind spaltfrei und gegeneinander abgedichtet.
Selbstverständlich lassen sich auch Abwandlungen der dargestellten Grundform realisieren. So könnte beispielsweise ein entsprechender 4-Wege-Verteiler mit einem geradlinigen inneren Führungsrohr und mit drei aus einem gemeinsamen primären Endstück (Einlassöffnung) hervorgehenden, nach außen gebogenen Rohrbögen ausgebildet werden, welche bevorzugt nach Art einer Gleichteilung des 360°-Vollwinkels jeweils im 120°-Winkelabstand zueinander anzuordnen wären. Dabei wären drei Trennflossen vorzusehen. Des Weiteren muss dass innere Führungsrohr nicht unbedingt konisch ausgebildet sein. Es könnte stattdessen einen konstanten Innenquerschnitt haben. Alternativ könnte im Fall einer konischen Ausführung das breite Ende innerhalb des primären Endstücks angeordnet sein und das schmale Ende aus der Rohrverzweigung nach außen ragen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Inneres Führungsrohr
3: Primäres Endstück
4: Sekundäres Endstück
5: Rohrverzweigung
6: Sekundäres Endstück
7: Öffnung
8: Trennflosse
9: Rohrbogen
A: Aussparung
M: Mittelachse des Rohrbogens
S: Schnittkante
M₀: Fluid-Massenstrom
M_i: Teilströme des Fluid-Massenstroms (i = 1, 2, 3)
V_i: Teilbereiche der Teilströme des Fluid-Massenstroms (i = 1, 2, 3)
X: Symmetrieachse der Vorrichtung

Claims

Vorrichtung (1) zur Separation eines Fluid-Massenstroms (M₀), insbesondere zum Einsatz in einer kerntechnischen Anlage, mit einem primären Endstück (3) zur Durchführung des Fluid-Massenstroms (M₀) und mit einer Mehrzahl von sekundären Endstücken (4, 6) zur Durchführung einer Mehrzahl von separaten Teilströmen (M₁, M₂, M₃) des Fluid-Massenstroms (M₀), wobei eine Anzahl von Trennungselementen (2, 8) im Bereich innerhalb des primären Endstückes (3) vorgesehen ist, und jeder der durch das Trennungselement (2, 8) oder die Trennungselemente (2, 8) definierten Teilbereiche (V₁, V₂, V₃) in einem dem Teilbereich (V₁, V₂, V₃) eindeutig zugeordneten sekundären Endstück (4, 6) mündet.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der Teilbereiche (V₁, V₂, V₃) gleich der Anzahl der sekundären Endstücke (4, 6) ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung (1) eine ausgezeichnete Symmetrieachse (X) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ausgebildet in Form eines 3-Wege-Verteilers (1) mit drei sekundären Endstücken (4, 6).
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zumindest ein Endstück (6) in Form eines Führungsrohres (2) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei das oder jedes Führungsrohr (2) eine glatte Krümmung aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zumindest ein Trennungselement (2) in Form eines konzentrisch zu dem primären Endstück (3) angeordneten inneren Führungsrohres (2) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei das innere Führungsrohr (2) ein sekundäres Endstück (6) ausbildet.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zumindest ein Trennungselement (8) in Form einer Trennflosse (8) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8 in Verbindung mit Anspruch 9, wobei die jeweilige Trennflosse (8) zwischen dem primären Endstück (3) und dem inneren Führungsrohr (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 3, 4, 5 und 7 in Verbindung mit Anspruch 10, wobei • das zu dem primären Endstück (3) konzentrisch angeordnete und ein erstes sekundäres Endstück (6) ausbildende innere Führungsrohr (2) die Symmetrieachse (X) umschließt, und • zwei bezüglich der Symmetrieachse (X) einander gegenüberliegend angeordnete Trennflossen (8) vorgesehen sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, wobei zwei bezüglich einer zur Symmetrieachse (X) orthogonalen Querschnittsebene im Bereich des primären Endstückes (3) halbkreisringförmige Teilbereiche (V₁, V₃) existieren, die in zwei gleichartige und bezüglich der Symmetrieachse (X) einander gegenüberliegend angeordnete sekundäre Endstücke (4) münden.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, wobei • der Innendurchmesser des rohrförmig ausgebildeten primären Endstückes (3) im Bereich der Trennflossen (8) einen Wert zwischen 500 mm und 600 mm annimmt, und/oder • der Innendurchmesser des inneren Führungsrohres (2) im Bereich des primären Endstückes (3) einen Wert zwischen 180 mm und 200 mm annimmt, und/oder • der Innendurchmesser des inneren Führungsrohres (2) im endseitigen Bereich gegenüberliegend dem Bereich des primären Endstückes (3) einen Wert zwischen 180 mm und 300 mm annimmt, und/oder • der Innendurchmesser der gleichartigen sekundären Endstücke (4) einen Wert zwischen 300 mm und 400 mm annimmt.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, die als einstückiges Formteil ausgebildet und insbesondere durch Gießen hergestellt ist.