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Überwachungsvorrichtung für flüssige Metalle Die Erfindung bezieht
sich auf Uberwachungsvorrichtungen (im nachfolgenden » Überwacher« genannt) für
flüssige Metalle, wie diese bei der Bestimmung der Reinheit eines Flüssigkeitsmetalls
Verwendung finden. Die Messung der Verunreinigung eines flüssigen Metalls ist insbesondere
in den Fällen von Bedeutung, in denen das flüssige Metall als Kühlmittel oder Wärmeüberträger
in einem Wärmeaustauschkreislauf verwendet wird, weil die in dem flüssigen Metall
gelösten Verunreinigungen das Korrosionsausmaß von in Berührung mit dem flüssigen
Metall stehenden Materialien beschleunigen und auch Schwierigkeiten durch Ausfällung
der Verunreinigungen in den Kühl abschnitten des Kreislaufs mit sich bringen können.
Flüssiges Natrium ist ein solches herkömmliches Flüssigkeitsmetall-Kühlmittel, das
zur Verunreinigung durch Natriumoxid neigt.
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Bei einer Reihe von Überwachungsgeräten für flüssige Metalle, die
als Verstopfungsmesser bekannt sind, beruht die Arbeitsweise auf der Ausfällung
einer Verunreinigung bei einer gemessenen Temperatur, so daß eine in dem Kreislauf
befindliche Engstelle, durch die das flüssige Metall hindurch muß, verlegt oder
verstopft wird. Durch Bezugnahme auf das Temperatur-Löslichkeits-Verhältnis für
diese Verunreinigung kann die gemessene Temperatur bei der Verstopfung auf die Verunreinigungskonzentration
in dem flüssigen Metall bezogen werden.
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Diese Instrumente werden in herkömmlicher Weise durch abwechselndes
Zustöpseln und Entstöpseln der Einengung oder Engstelle betrieben. Es ist auch schon
vorgeschlagen worden, diese Instrumente kontinuierlich zu betreiben durch Einrichtung
einer Teilverlegung der Engstelle und Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen, aber
verminderten Durchflußmenge des flüssigen Metalls durch die Engstelle.
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Unter diesen Bedingungen wäre das flüssige Metall an der Engstelle
mit der löslichen Verunreinigung gesättigt, so daß im wesentlichen kein Präzipitat
der Abscheidung an der Engstelle zugefügt oder aus dieser Abscheidung abgezogen
würde. Der Betrieb eines Verstopfungsmessers unter diesen Bedingungen der Teilverengung
ist abhängig von der genauen Regelung und Messung der Variablen des Instruments
oder in diesem, namentlich der Temperatur und der Flußgeschwindigkeit des flüssigen
Metalls, und die Entwicklung des Instruments ist auf dieses Ziel ausgerichtet.
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Durch die vorliegende Erfindung wird gemäß einem ihrer Aspekte ein
überwachen für ein flüssiges Metall geschaffen, bei dem eine Engstelle in dem Kreislauf
des flüssigen Metalls teilweise durch aus
dem flüssigen Metall ausgefällte Verunreinigungen
beim Durchgang durch die Engstelle verlegt oder verstopft wird, bei welchem stromaufwärts
der Engstelle ein passender Temperaturregler eingebaut ist, um die Temperatur des
flüssigen Metalls durch eine Kombination von elektrischer Beheizung und zwangläufiger
Kühlung einzuregeln.
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Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Überwachers für flüssige
Metalle werden nun unter Bezugnahme auf die die Erfindung beispielsweise wiedergebenden
schematischen Zeichnungen beschrieben werden, und zwar zeigt F i g. 1 einen Aufriß
schnitt durch eine Ausführungsform des Überwachers, F i g. 2 einen Schnitt im vergrößerten
Maßstab nach der Linie II-II der F i g. 1, Fig. 3 einen Aufrißschnitt durch eine
wahlweise Ausführungsform des Überwachers, F i g. 4 eine vergrößerte fragmentarische
Aufsicht einer wahlweisen Ausführungsform zu dem Teil 16 der Fig. 1, während F i
g. 5 und 6 Ansichten im Schnitt von wahlweisen Anordnungen von Teilen der F i g.
1 wiedergeben.
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Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte überwachen für flüssige Metalle
weist ein langes, aufrecht stehendes Rohrll auf, durch das das flüssige Metall in
Abwärtsrichtung fließen muß. Im Betrieb ist das Rohr in einen Kreislaufstrom aus
flüssigem Natrium eingebaut, in den Kühlkreislauf eines Wärmeaustauschersystems,
und
ein kontinuierlicher Teilstrom des Kühlmittels aus flüssigem Natrium wird durch
das Rohr entnommen. Gegen das untere Ende des Rohrs zu befindet sich eine Flüssigkeitsdrossel-oder
Engstelle 16, die sich dadurch auszeichnet, daß sie sehr klein gehalten ist, um
eine möglichst niedrige Wärmekapazität zu haben, wodurch die Empfindlichkeit des
Überwachers verbessert wird. Die Drossel 12 ist mit einem Thermoelement 13 kombiniert,
durch das die Temperatur des flüssigen Metalls an der Engstelle angezeigt wird.
Die Engstellel2 besteht aus einer Rohrwand 14, die als eine innere ringförmige Fortsetzung
des Rohrs 11 ausgebildet ist und in die die Heißstelle des Thermoelements 13 eingebettet
ist.
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Eine zentrale Öffnung 16 ist innerhalb der Rohrwand 14 mit vier Aussparungen
17 (F i g. 2) in ihrer Peripherie ausgebildet. Eine Nadel 18 ist so angeordnet gezeigt,
wie ihre Spitze die Öffnung 16 verschließt, während die Aussparungen 17 für den
Durchfluß des flüssigen Metalls durch das Rohr offenbleiben. Die Öffnung 16 hat
einen Durchmesser, der 2,5mal größer ist als der der Aussparungen 17. Mit der Nadel
18 in dieser Normalstellung verschließt die Drosselstelle 12 das Rohrll gegenüber
dem Flüssigkeitsstrom, abgesehen von den vier Ausmündungen, die durch die vier Aussparungen
17 vorgesehen sind. Ein elektromagnetischer Durchflußmesser 19 für flüssiges Metall
ist stromauf von der Drosselstelle eingebaut, um die Durchflußgeschwindigkeit an
flüssigem Metall durch das Rohr 11 und die Engstelle 12 anzuzeigen.
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Die Nadel 18 ist in Richtung ihrer Achse in Hinblick auf die Engstelle
12 beweglich, so daß die Drosselmündungen vergrößert werden können, um sie zu reinigen,
wenn sie durch Ablagerungen aus dem flüssigen Metall blockiert werden. Für diesen
Zweck ist die Nadel 18 an ihrem oberen Ende durch eine Armatur 21 gesichert, die
sich innerhalb eines fest angeordneten Solenoids 22, das außerhalb des Rohrs 11
montiert ist, befindet. Die Nadel kann durch Erregung des Solenoids gegen die Wirkung
der Schwerkraft von der Engstelle abgehoben werden.
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Ein Temperaturregler für das flüssige Metall ist stromauf von der
durch die Drossel 12 gelieferten Engstelle angeordnet. Um eine genaue und schnelle
Regelung der Temperatur des flüssigen Metalls und seiner Geschwindigkeit zu gestatten,
ist der Regelapparat so konstruiert, daß er die Temperatur des flüssigen Metalls
durch eine Kombination von elektrischer Beheizung und Zwangskühlung regelt.
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Zwangskühlung des flüssigen Natriums wird erreicht durch einen kühlenden
Luftstrom, der oberhalb mittels eines Gebläses (nicht gezeigt) innerhalb einer gleichachsigen
Umhüllung 23, die das Rohr 11 für das flüssige Metall umschließt, in Zirkulation
versetzt wird. Innerhalb der Umhüllung und zwischen deren Einlaß- und Auslaßabschnitten
trägt das Rohr 11 für das flüssige Metall Rippen 24, die den Kühleffekt des Luftstroms
auf das flüssige Metall verstärken. Bei dem vorliegenden überwachen erfolgt die
elektrische Beheizung durch eine Vorrichtung in Gestalt einer elektrischen Heizspule
25, die rund um das Rohr auf der Einlaßseite der Drosselstelle gewickelt ist und
mit ihren Windungen in enger Berührung mit dem Rohr 11 zwischen den Wärmeaustauschrippen
24 steht. Wahlweise kann die elektrische Beheizung des flüssigen Metalls im Rohr
11 durch Hindurchschicken eines niedriggespannten elektrischen Stroms durch das
flüssige Metall zwi-
schen den Elektroden 26, die in die Rohrwand des Rohrs 11 eingebettet
sind, vorgenommen werden.
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Das Ansprechen der Temperatur des flüssigen Metalls auf änderungen
in der elektrischen Beheizung durch eine Heizspule oder durch Hindurchschicken eines
Stromes durch das Metall erfolgt - wie festgestellt wurde - schnell und ist genau
bestimmbar.
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Wenn auch eine Temperaturregelung durch Einregelung der Geschwindigkeit
des kühlenden Luftstromes möglich wäre, beispielsweise durch Einstellen der Drehzahl
des Gebläses oder durch Jalousien im Luftstrom, so pflegt eine solche Regelung doch
im allgemeinen ungenau zu sein, da dieser unregelmäßige Charakteristiken in der
Arbeitsweise des Gebläses oder der Jalousien eigentümlich sind. Bei der vorliegenden
Überwachungsapparatur wird die Geschwindigkeit der Zwangskühlung im wesentlichen
konstant gehalten, und eine veränderliche Größe in der elektrischen Beheizung wird
auf das flüssige Metall angewandt oder übertragen, um die gleichförmige Kühlgeschwindigkeit
zu einer solchen veränderlichen Ausmaßes zu machen. Es ist möglich, mittels der
Kombination von elektrischer Beheizung und Zwangskühlung ausgewählte Temperatursteigerungs-
oder -verminderungsgeschwindigkeiten des flüssigen Metalls über einen weiten Bereich
einzurichten.
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Der überwachen ist mit einer Reglereinheit ausgestattet, in der herkömmliche
elektronische technische Maßnahmen angewendet werden, um das gewünschte Programm
für die Tätigkeit des Überwachers durchzuführen. Eingangströme zu der Reglereinheit
bilden die Signale von dem Durchflußmesser 19 und des Thermoelements 13, während
ausgehende Ströme von der Reglereinheit die elektrische Beheizung der Heizspule
25 und das Solenoid 22 einregeln. Die Reglereinheit ist so programmiert, daß sie
eine gleichmäßige, vorgewählte Temperaturverminderungsgeschwindigkeit des flüssigen
Metalls bewirkt. Wenn der Durchflußmesser eine vorgewählte Reduktion der Durchflußmenge
von z. B. 25 0/o meldet, regelt die Reglereinheit die Strombeschikkung der Heizspule
für die Aufrechterhaltung der.
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Durchflußgeschwindigkeit gleichförmig auf diese verminderte Menge
ein. Unter diesen Bedingungen (wie oben erläutert) arbeitet der überwachen in einem
teilweise verstopften Zustand mit Sättigungsbedingungen in der Engstelle. Die von
dem Thermoelement angezeigte Temperatur entspricht der Sättigungstemperatur der
Lösung an Verunreinigungen in dem flüssigen Metall und kann leicht in Beziehung
gesetzt werden zu der Konzentration der Verunreinigungen in dem flüssigen Metall.
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Die Reglereinheit ist so programmiert, daß sie Sättigungsbedingungen
an der Engstelle aufrechterhält, und zwar trotz der Veränderlichkeiten in der Verunreinigungskonzentration
in dem flüssigen Metall, das durch den überwachen hindurchgeht. Diese Veränderlichkeiten
werden als Sättigungstemperaturvarianten von dem Thermoelement angezeigt. Im Fall,
daß die Engstelle durch Ablagerungen von Verunreinigungen gänzlich blockiert wird,
ist die Reglereinheit so eingerichtet, daß die Blockierung durch Steigerung der
Temperatur des flüssigen Metalls und durch Erregung des Solenoids zwecks Anhebung
der Nadel, um die Öffnung 16 freizugeben, aufgehoben wird. Die Öffnung 16 besitzt
typischerweise einen Durchmesser von 3,17 mm, während
die Aussparungen
17 mit einem Durchmesser von 1,37 mm auf einem Kreis mit dem Durchmesser von 3,97
mm liegen.
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F i g. 3 zeigt eine wahlweise Ausführungsform eines Überwachungsgerätes,
das zwei koaxiale, mit Zwischenraum angeordnete Leitkanäle 30 und 31 besitzt, wobei
der innere Kanal 30 an seinem unteren Ende offen und der äußere Kanal 31 an seinem
unteren Ende durch eine Endplatte 32 geschlossen ist.
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Der innere Kanal 30 enthält im Inneren die Engstelle 12, die von der
Rohrwandung 14 gebildet wird, und der Fluß des flüssigen Natriums erfolgt abwärts
in dem Ringraum zwischen den Leitkanälen 30 und 31 und sodann aufwärts durch die
Engstelle 12 und das Rohr 30. Die glatte Außenwand des Rohrs 30 trägt die schneckenförmig
gewundene Heizspirale 25, während der Leitkanal 31 mit außen angebrachten Wärmeaustauschrippen
24 versehen ist. Die Ummantelung 23 rund um die Leitkanäle 30 und 31 ist an ein
Gebläse 33 für die Luftzirkulation aufwärts durch den Ringraum zwischen dem Leitkanal
31 und der Ummantelung 23 angeschlossen. Der Leitkanal 31 besitzt ein Abflußventil
V. Das Gebläse bildet eine Ausführungsform der Zwangskühlung.
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Die Wirkungsweise ist ähnlich der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform,
wobei die Anordnung nach Fig. 3 so getroffen ist, daß die Heizspirale 25 in flüssiges
Natrium eingetaucht ist auf der Einlaßseite der Engstelle 12, d. h. in den in dem
Ringraum zwischen den Leitkanälen 30 und 31 abwärts fließenden Strom flüssigen Natriums,
wodurch der Grad oder das Ausmaß des Ansprechens verbessert wird, d. h. das Ausmaß,
mit dem die Temperatur des flüssigen Natriums Änderungen des elekfrischen Heizstroms
nachfolgt. Dies stimmt mit der Anordnung der F i g. 1 überein, bei der das Erhitzen
des flüssigen Metalls an der Einlaßseite der Engstelle durch Wärmetransport von
der Heizschlange 25 durch die Wand des Rohrs 11 erfolgt.
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Es sei darauf hingewiesen, daß Überwacher für flüssige Metalle, die
unter Sättigungsbedingungen mit bzw. bei einer teilweise verstopften Engstelle betrieben
werden, eine Empfindlichkeit besitzen, die von der Genauigkeit der Temperaturmessung
des flüssigen Metalls und der Durchflußgeschwindigkeit abhängt. Wie bereits oben
beschrieben, wird die Genauigkeit der Messung der Temperatur des flüssigen Metalls
durch das Zusammenwirken des Thermoelements 13 mit der Engstelle 12 erreicht. Diese
Idee könnte noch weiter entwickelt werden dadurch, daß die Engstelle selbst aus
den Werkstoffen hergestellt wird, die für das Thermoelement verwendet werden. In
diesem Fall ist die Engstellenwand geteilt ausgebildet, und zwar beispielsweise
an ihrer zentralen Radialebene in die aneinander anliegenden Hälften 40 und 41 (F
i g. 4, die eine vergrößerte Teildraufsicht auf die Engstelle ist) aus verschiedenartigen
Thermoelementmaterialien. Die Thermoelementverbindung 42 wird an der Verbindung
zwischen den beiden Hälften gebildet, und diese Verbindung, die mit den Ausmündungslöchern
in der Engstelle integriert, ist außerordentlich empfindlich für die Temperatur
des flüssigen Metalls in der Engstelle. Die Hälften 40 und 41 können beispielsweise
aus Platin und Platin-Rhodium-Legierung angefertigt und durch elektronische Balkenschweißung
verbunden sein. Mit einer gleichen Zielsetzung, nämlich für die Konzentration der
Variablenmessung des
flüssigen Metalls in der Engstelle 12 kann der Durchflußmesser
19 stromaufwärts der Meßstelle durch zwei Druckumformer 43 (F i g. 5) ersetzt werden,
und zwar einer auf jeder Seite und der Engstelle anliegend, und somit den Druckabfall
quer durch die Engstelle bzw. längs derselben messen als eine Anzeige der Durchflußmenge
des flüssigen Metalls durch die Engstelle. Die Druckumformer oder -wandler 43 können
beispielsweise solche der elektrischen Kapazitanztype sein, die aus einer inneren
zylindrischen Elektrode und einer äußeren rohrförmigen Elektrode, auf die der von
außen einwirkende Druck so wirkt, daß sie elastisch verformt wird, sowie aus einer
zusammengesetzten festen und gasförmigen dieelektrischen Schicht in Ringform zwischen
den Elektroden bestehen. Das feste Dielektrikum ist vorzugsweise aus einem keramischen
Material, wie Aluminiumoxyd, das auf der inneren Elektrode niedergeschlagen ist,
und die elastische Deformation der äußeren umgebenden röhrenförmigen Elektrode verändert
die Dicke des gasförmigen Dielektrikums und somit die Kapazitanz des Druckumformers.
Wahlweise kann die Durchflußmenge des flüssigen Metalls auch durch einen Durchflußmesser
an der Engstelle gemessen werden. So zeigt die F i g. 6 zwei diametral gegenüberliegende
Magnete 44 eines elektromagnetischen Durchflußmessers, wobei die Pole 45 der Magnete
in einer Nachbarschaft zur Engstelle 12 vorgesehen sind. Die Magnete 44 sind in
einem Haltering 46 untergebracht, der in einem normalerweise verschlossenen, zugänglichen
Durchlaß 47, durch den die elektrischen Verbindungsleitungen hindurchgehen, untergebracht
ist. Der Leitkanal für den Fluß des flüssigen Metalls wird in Fig. 6 gezeigt, und
zwar zur Erläuterung der Behälterausbildung, in doppelwandiger Ausführung, bei der
ein innerer Leitkanalll:' und ein äußerer Leitkanal 112 vorhanden sind, so daß jedes
Leckaustreten aus dem Leitkanal 111 in den Leitkanal 112 hinein erfolgt. Auch wird
ein Auslaßrohr 48 gezeigt.