DE1279653B

DE1279653B - Vorrichtung zum Trennen von gas- oder dampffoermigen Stoffen, insbesondere Isotopen, nach dem Prinzip der Trennduese

Info

Publication number: DE1279653B
Application number: DE1966G0047154
Authority: DE
Inventors: Dr Konrad Bier; Dr-Ing Wilhelm Bier
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1966-06-14
Filing date: 1966-06-14
Publication date: 1968-10-10

Description

Vorrichtung zum Trennen von gas- oder dampffarrnigen Stoffen, insbesondere Isotopen, nach dem Prinzip der Trenndüse Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen von gas- oder dampfförmigen Stoffen mit unterschiedlichem Molekulargewicht und/oder unterschiedlichem gaskinetischem Wirkungsquerschnitt, insbesondere von Isotopen, nach dem Prinzip der Trenndüse mit Einströmkanal, gekrümmter äußerer Düsen- und Umlenkwand und Abschälblende.
Bei der Entmischung des Isotopengemisches nach dem Trenndüsenverfahren werden Oberschallstrahlen verwendet, die durch eine konkav gekrümmte Wand um etwa 1800 C umgelenkt werden, wobei dem schweren Isotopengemisch ein leichtes Zusatzgas zugesetzt wird. Die durch diese Maßnahmen erzielbare erhebliche Verbesserung des Verfahrens ist qualitativ damit zu erklären, daß die für die Entmischungsstromdichte maßgebliche Radialkomponente des Druckgefälles mit steigender Machzahl des schweren Isotopengemisches und mit zunehmender Krümmung der Stromfläche ansteigt und daß der integrale Entmischungsstrom durch eine Stromfläche mit dem gesamten Umlenkwinkel dieser Stromfläche zunimmt.
Hieraus folgt, daß eine Optimalisierung der Trenndüsenverfahren nur in dem Maße möglich ist, wie es gelingt, die mechanische Umlenkung eines tJberschallstrahles weitgehend verlustfrei, also mit möglichst kleiner Verminderung der Machzahl durchzuführen. Bekanntlich führt die Umlenkung einer Überschallströmung an einer konkaven Wand im allgemeinen zur Ausbildung eines Verdichtungsstoßes, dessen Stärke mit wachsender Krümmung zunimmt.
Aber auch eine zu schwache Krümmung der Umlenkwand kann nachteilig sein, weil bei gleichem Umlenkwinkel wegen der Zunahme des Strahlweges der negative Einfluß der Reibung ansteigt.
Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß bei der Umlenkung von anfänglich geraden Überschallstrahlen, die aus einer konvergenten Düse oder aus einer geraden Lavaldüse expandieren, im allgemeinen stromabwärts von der Düsenmündung Verdichtungsstöße auftreten und eine Ablösung des Strahles von der Umlenkwand stattfindet. Überraschenderweise ist es jedoch auch bei starker Wandkrümmung möglich, völlig glatte, störungsfreie Überschall-Ringstrahlen zu erzeugen, wenn man gekrümmte Lavaldüsen verwendet, d. h., wenn man die Beschleunigung auf Überschallgeschwindigkeit ganz oder teilweise mit der Strahlumlenkung kombiniert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei der eingangs bezeichneten Vorrichtung die innere Düsenwand in gleichem Sinne wie die äußere Düsen- und Umlenkwand gekrümmt ist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Krümmun- gen der Düsenwände und der Quotient aus Mündungsquerschnitt und engstem Düsenquerschnitt so aufeinander abgestimmt sind, daß das Düsenprofil an der Düsenmündung parallel oder nur schwach divergent ist.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden beschrieben.
Fig. 1 bis 4 zeigen Trenndüsen mit divergentem Düsenprofil, also Lavaldüsen, deren Düsenkanal beiderseits durch gekrümmte Flächen begrenzt wird, so daß die Beschleunigung des Gasgemisches auf Überschallgeschwindigkeit teilweise oder ganz mit der Strahlumlenkung kombiniert ist. Jede der in F i g. 1 bis 3 dargestellten Trenndüsen besteht aus einer äußeren Düsen- und Umlenkwand 1 und einer inneren Düsenwand 2, die jeweils aus einer ebenen Fläche und einem Teil einer Zylinderfläche gebildet werden.
Die ebenen Flächen von 1 und 2 bilden den Einströmkanal 4 des Gasgemisches, die Zylinderflächen von 1 und 2 die Lavaldüse 5. Das Abschälblech 3 trennt den Kerngasraum 6 von dem Mantelgasraum 7, der auf der anderen Seite von der inneren Düsenwand 2 begrenzt ist. Der Umlenkwinkel des Gasstrahles beträgt bei den dargestellten Beispielen 1800, kann jedoch auch größer oder kleiner als 1800 sein. Der engste Querschnitt der Lavaldüse ist mit aO, der Mündungsquerschnitt mit am bezeichnet.
Die Anordnungen nach Fig. 1 und 2 unterscheiden sich nur durch die Länge der Lavaldüsen. F i g. 2 ist ein Beispiel dafür, daß die innere Wand des erweiterten Düsenteils über den vollen Bereich der Umlenkung fortgesetzt ist. In diesem Fall wird der umgelenkte Strahl also auf seiner ganzen Länge beiderseitig in der gekümmten Lavaldüse geführt.
Fig. 3 stellt insofern einen Sonderfall der in F 1 g. 1 und 2 gezeigten Trenndüsenanordnungen dar, als hier die Krümmungsradien R der äußeren Düsen-und Umlenkwand 1 und R2 der inneren Düsenwand 2 übereinstimmen. Die Ausführung der Trenndüse nach der Erfindung ist nicht auf die angeführten Beispiele beschränkt, so kann z. B. der gekrümmte Teil der Lavaldüse auch von Flächen mit örtlich veränderlicher Krümmung begrenzt werden.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel dafür, daß Düsenprofile der erfindungsgemäßen Art auch durch Düsenwände mit örtlich veränderlicher Krümmung erhalten werden können.
Der Vorteil, der sich durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Trenndüsenanordnungen erzielen läßt, ist experimentell nachgewiesen. Bei diesenVersuchen wurden eine konvergente Düse und zwei gekriimrate~Lavaldüsen nach F i g. 1 und 2 bei gleichem Umlenkwinkel (3=1800) und gleichem Krümmungsradius der zylindrischen Umlenkwand (Rt = 1,5 mm) mit einem Gemisch aus 5 Molprozent Uranhexafiuorid und 95 Molprozent Helium bezüglich ihrer Trennwirkung auf die Uranisotope U235 und U238 verglichen. Bei allen drei Düsen ergaben sich unter jeweils optimalen Versuchsbedingungen zwar gleiche Werte für das spezifische Ansaugvolumen und die spezifische Kompressionsarbeit, überraschenderweise wurde jedoch dieses ResuItat bei der konvergenten Düse mit einem optimalen Expansionsverhältnis 6 bis 8, bei dem beiderseitig gekrümmten Lavaldüsen aber bereits mit einem solchen von 3 erzielt.

Claims

Patentansprüche: 1. Vorrichtung von gas- oder dampfförmigen Stoffen mit unterschiedlichem Molekulargewicht und/oder unterschiedlichem gaskinetischem Wirkungsquerschnitt, insbesondere von Isotopen, nach dem Prinzip der Trenndüse mit Einströmkanal, gekrümmter äußerer Düsen- und Umlenkwand und Abschälblende, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Düsenwand in gleichem Sinne wie die äußere Düsen- und Umlenkwand gekrümmt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungen der Düsenwände und der Quotient aus Mündungsquerschnitt und engstem Düsenquerschnitt, so aufeinander abgestimmt sind, daß das Düsenprofil an der Düsenmündung parallel oder nur schwach divergent ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 1096 875, 1 198 238 ; Zeitschrift für Naturforschung, 16 a (1961), S. 956.