DE1539689A1 - Extrem kompaktes Bauelement fuer Kernreaktoren,chemische Reaktoren und konventionelle Waermeaustauscher - Google Patents

Description

• Extrem komEktes Bauelement fUr Kernreaktoren, chemische Reaktore und konventionelle Wärmeaustauscher das Wörmeaustauschproblem in Kernreaktoren; chemischen Reaktoren und köventionellen Warmeaustauschern besteht stets darin, innerhalb eines möglichst kleinen Volumens sehr viel Wcirme zu übertragen. Die ubertragene Wärme ist bekannten Gesetzen zufolge unmittelbar porportional der Warmeubergangszahl ot , der Übertragungs flache H und der treibenden: Temperaturdifferenz 8 2'. Für den Konstrukteur sind die beiden ersten Größen, ncimlich die WörmeUber--gangszahl :und die Heizflöche, von besonderer Bedeutung, da diese verhältnismalig leicht zu beeinflussen sind, Berechnet man für ein zylindrisches Rohr die Ubertragende Fläche H und bezieht sie auf das Volumen V des Rohres, so ergibt sich, daß dieses Verhältnis gleich 4/d ist, wenn d den Rohrdurchmesser be deutet. Wird also zur-Übertragung einer bestimmten Wärme eine bestimmte Fläche H benötigt, dann lüßt sich diese in einem um so kleineren Volumen unterbringen, je kleiner der Rohrdurchmesser d ist Bei sehr kleinen Rohrdurchmessern ist die- Strömung stets laminar und fur diesen Fall ergibt sich, daß die Wärmeübergangszahl porportional 1/d ist. Somit folgt also, daß die im Wörmeoustauscher mit dem Volumen V Ubertragene Warme Q proportional 1/d2 ist.. Verkleinert ma daher den -Rohrdurchmesser d, so steigt die Ubertragene Warme je Volumeneinheit außerordentlich stark an. Die damit aufgezeigte Möglic -keit, extrem,kompakte WUrmeaustauseher mit höchsten Wärmeleistungen zu bauen, läßt sich praktisch aber nicht ausnutzen, wenn man als Wörmeaustavschelemente Rohre von kleinster lichter Weite verwendet, da deren Herstellung und Weiterverarbeitung zu unwirtschaft lich sind.
• Ein Element, welches alle Forderungen bezüglich einer sehr große

  V. ärrnelcistung bei kleinstem Volumen und wirtschaftlichster Fertigung

  erfüllt und Für die Verwendung insbesondere in Kernreaktoren und

  chemis-hen Reaktoren als geeignet erscheint, ist ein poröser Sinter-

  körpL-r aus f Lrikörnigem Material, welches den speziellen Verwen-

  duri;szwecken angepafit ist: Der Durchmesser der in einem solchen

  .'Anterkörper vorhandenen Kapillaren ist dem Durchmesser des verweh-

  litten ;:ornmaterials unmitt._ (bar proportional. Der -Kopillarendurchmes-

  ser lö(it sich also in einfachster Form durch den Korndurchmesser fest-

  legen. Btrecluret man für einen solchen Sinterkörper die je Volumen-

  einheit übcrtragbare@ @` arme, so ist diese - ebenso wie -beim -Rohr -

  porpor tional 1/ü?. Beim Sintcrkörper k%innen aber,, im ,Gegensatt zum

  Rohr, nahezu beliebig kleine Kapillaren ohne Schwierigkeiten herge-

  stellt werden.

  Um eint Vorstellung von den wärmetechnischen Möglichkeiten eine porösen Sinterelementes zu erhalten, soll die -M ürme V berechnet wer den, die in dem Volumen V des porösen Elementes bei einer TemperaturdiFferenzA Jt'= 1 grd übertragen werden kann. Für diesen Zweck wird angenommen, daß der Korndurchrnesser 10 m = 10 ,sA m betrügt. Die V örme soll an Luft, an V.asser und an flüssiges Natrium übertragen werden. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle in den Einheiten des technischen und dcs internationalen Einheitensyste zusammengestellt.

  Luft 3,8 109 4 10 9

  Wasser 69,4 109 80,9 109

  Natrium 7590,0 139 üv50, 0 109

  Diese V. erte zeigen, dar in einem porösen Körper mit Korndurchmes-

  sern von 10' m eine so grobe Wärme je Zeit- und Volumeneinhait

  und Einheit der Temperaturdifferenz übertragen werden kann, wie es

  in bereits bekannten Konstruktionen für Wörmeaustauscher und Reakto-

  ren bisher nicht möglich war. -Anwendung des Elementes in Kernreaktoren Bei Anwendung des Vvärmeaustausch-Elementes in Kernreaktoren wird es gleichzeitig Brennstoffelement. Zu dem Zweck wird das spaltbare Material in dem porösen Körper untergebracht. Die gunstigste Art der Verteilung wird dann erreicht, wenn das spaltbare Material die gleiche Korngröße aufweist wie das nicht spaltbare Gerüstmaterial Die Korngrüße ist so zu wählen, daß sich in den verschiedenen Reck tortypen die jeweils gtinstigsten Bedingungen fUr den Ablauf des Gesamtprozesses ergeben. Da Ger Korndurchmesser im Vergleich zu den bisher verwendeten Abmessungen des Spaltmaterials sehr klein ist, wird sie in jedem Folie innerhalb des Brennstoffkornes nur ein sehr g4-ringer Temperaturabfall einstellen. Damit sind dann aber auch wesentlich höhere Temperaturen im Spaltmaterial zulässig als in lierkömmlichen Reaktoren. Unter Beachtung aller Bedingungen laßt sich mittels des porösem ßrennstoff-Wärmeaustausch-Elementes ein nahezu "homoge ner Reaktor" erreichen.
• Die einfachsten Bedingungen für die Anwendung des porösen Brenn stoff-Wärmeaustausch-Elementes ergeben sich dann; wenn als Wärmeträger .eia Medium verwendet wird; weiches beim Durchströmen des Elementes keine Phasenänderung erfährt, -eine Flüssigkeit also auch nicht verdampft. In diesem Falle hat man es mit normalen gas- und flüssigkeitsgekühlten Reaktoren zu tun. Sind fur den Wärmeträger bestimmte Austrittstempercturen vorgeschrieben, so lassen sich diese dadurch erreichen, daß man ein einzelnes Element großer Schichtdicke oder mehrere Elemente von jeweils geringer Schichtdicke verwendet. Da poröse Körper der geschilderten Art in nahezu beliebiger Form her[ gesteilt werden können, vermag der Konstrukteur die Form nach den verschiedensten Gesicht-.-punkten festzulegen: Von besonderer Bedeutung ist die Anwendung des Brennstoff-Warme asxttausch-Elementes in Reaktoren, in denen die KUhlflUssigkeit verdampft wird. Als KUhiflUssigkeiten kommen heute vornehmlich Wasser, aber auch organische Flüssigkeiten und flüssige Metalle infrage. Obgleich bei der Verdampfung sehr hohe Wcjrmeüberg:angszahlen erreicht werden, kann man davon in Reaktoren der konventionellen Bauart nur in begrenztem Maße Gebrauch machen. Der absolut oberen Grenze, die durch die kritische Heizflöchenbelastung (burn-out) gekennzeichn wird:, darf man sich aus Sicherheitsgründen nur mit großer Vorsicht nähern, da ihre genaue Bestimmung heute noch nicht möglich ist. Es wäre daher ein großer Vorteil, wenn man eine Verdampfungsform im Reaktor anwenden könnte, bei der die kritische Heizflüchenbelastung bedeutungslos wird. Das erweist sich mittels des Brennstoff-Wärmeaustausch-Elementes als .möglich. Darüber hinaus läßt sich in dem Element gleichzeitig der Dampf noch überhitzen.
• In Bild-1 ist ein sehr schmaler Ausschnitt aus einem Element dargestellt. Zur Vereinfachung wurde in schematisierter Form nur eine der im porösen Körper vorhandenen Kapillaren herausgegriffen. Die ini die Kapillare eindringende Flüssigkeit wird innerhalb der Erwärmungsstrecke bis auf Siedetemperatur erwärmt und anschließend verdampft: Innerhalb der Überhitzungsstrecke wird der Dampf überhitzt: Damit sich innerhalb- des porösen Elementes eine Überhitzungsstrecke ausbilden kann, müssen- die am Ende der Erwärmungsstrecke entstehenden Dampfblasen den gesamten Ouerschnitt der Kapillaren ausfüllen. Das heiter also, daE der Durchmesser der Kapillaren gleich dem Durchmesser der Blasen oder kleiner sein muß. Da der Blasendurchmesser be- kannt ist, muß der Sinterkörper so aufgebaut werden, daß sich die gef wünschten Kapillaren ergeben. Im allgemeinen wird man damit rechnen müssen; daß der Flüssigkeitsstand in den Kapillaren zeitlichen Schwankungen unterworfen ist. Sollten die Schwankungen für den Reaktorbetrieb nachteilig sein, so wird man die Verdampfung erst in unmittelbarer Nahe- des Kapillarenaustritts zulassen und die Überhitzung in einem nachgeschalteten Element vornehmen, wie es in Bild 2 angedeutet ist. Hierbei ergibt sich eine bequeme Möglichkeit, die Brentjstoffkonzentration und die Porositüt in beiden Elementen den besonderen Bedingungen anzupassen. Selbstverständlich ließe sich die Brennstoffkonzentration auch innerhalb eines einzelnen Elementes gemäß Bild 1 den beiden Zonen in ge eigneter Form anpassen. Die Veränderung der Porosität mit der Schicht dicke wäre ebrenfalls durch Verwendung von Korngemischen möglich, wodurch gleichzeitig eine Änderung -des Kapi-Ilardurchmessers herbeigeführt-wird, was von Vorteil sein kann. Anwendung des Elementes in Chemie-Reaktoren In Chernie-Reaktoren sollen chemische Umwandlungen innerhalb des Stoffes herbeigeführt werden, der den porösen Körper, nämlich das Re aktionselement, durchströmt. Die chemischen Umwandlungen können durch energiereiche Strahlung herbeigeführt werden, die von Stoffen ausgesandt wird, die als feinkörniges Material Bestandteil desr-Reaktians-Elementes sind. -Die Dosierung der Strahlung lößt sich in einfacher Weise dadurch erreichen, daß man die Konzentration des strahlenden Materials im ReaktionsäElement in geeigneter Weise bestimmt.
• Soll eine chemische Reaktion bei bestimmtem Druck und bestimmter) Temperatur unter Mitwirkung eines Katalysators durchgeführt werden, dann I.äßt sich für diesen Zweck der Katalysator entweder unmittelbar äls poröses Sinterelement ausbilden oder in geeigneter Konzentration mit einem nichtkatalytisch wirksamen Material zu einem Element verbinden. Selbstverständlich können in einem porösen Sinterelement aucE homogene Reaktionen durchgeführt werden: . Bei allen chemischen Reaktionen muß dem reagierenden Stoff zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Temperatur Wärme zugeführt oder entzogen werden. Das heißt also, daß glas Reaktions-Element gleichzeitig Wärmeaustausch-Element sein muß. Ein Reaktions-Wärmeaustausc -Element kann beispielsweise so aufgebaut sein, wie es die Schnittzeichnung in Bild 3 für zwei Fälle zeigt. Durch den porösen Sinterkö per ziehtn sich beliebig viele Rohre oder Kanäle, durch die das Küh-oder Heizmedium strömt. Anwendung für konventionellen u'ärmeaustausch Besteht die Aufgabe, Wärme zwischen einem Gas und einer Fllissig Lit auszutauschen, so hat man auf der Seite der Gasströmung für- -ein wesentlich größere Oberfläche zu sorgen als auf der Seite der Flüssigkeit. Bisher verwendet man für solche Zwecke Rippenrohre, wobei da Gas die berippte Seite der Rohre umströmt. Send Wärmeaustauscher oni extrem kleinem Volumen zu bauen, so kann man eine Bauart verwenden, wie sie bereits in den Bildern 3a und 3 b als Beispiele angegeben ist. Hierbei strömt das Gas durch =den porösen Körper und die Flüssigkeit durch die Rohre oder Kanäle. Der poröse Körper wirkt dabei wie eine Vielzahl von Nädelrippen, die auf den Rohren oder Kai nälen. befestigt sind. Die Oberflüche der Nadelrippen, bezogen auf das Volumen des porösen Körpers, ist um ein Vielfaches größer als bell üblichen R ippenrohr: n .
• Weiterhin lößt sich der poröse Körper, ohne eingebaute Rohre bzw Kanäle, auch für den Bau extrem kleiner Regeneratoren verwenden. Anwendung fur Sonderzwecke des Wärmeaustausches Der poröse Sinterkörper ldßt sich in sehr einfacher Weise zur extrem hohen Erwärmung von Gasen verwenden. Zu diesem Zweck wird das Element elektrisch beheizt. Das zu verwendende Material kann bis kurz unterhalb des Erweichungs- bzw. des Schmelzpunktes erwärmt werden. Bei geeigntter Auswahl des Materials lassen sich Temperaturen von einigen 1000 0K erreichen.- Wegen der günstigen Wdreneaustauschbedingungen kann das Gas nahezu die gleiche Temperatur anno men.

Claims (1)

1. Patentansprüche 1a Brennstoff-Wärmeaustausch-Element für Kernreaktoren: Es ist ein poröses Sinterelement, in dem das feinkörnige Spaltmaterial gleit: @Mig oder in vorgeschriebener Weise ungleichmäßig verteilt ist. Das körnig Spaltmaterial und Füllmaterial können gleiche oder ungleiche Durchmesser haben, Die Durchmesser des. Kornmaterials können so geändert werden, daß sich die fur den Betrieb jeweils günstigsten Porositöten und Kapillardurchmesser ergeben. Durch die in dieser Weise in ihrer Größe festlegbaren Kapillaren -strömt das Kühlmedium und führt die durch Kernumwandlung gebildete V""'cirme ab. i b. Mit dem beschriebenen porösen Brennstoff-Viärmeaustausch-Element wird ein nahezu homogener Kernreaktor von kleinsten Abmessungen erreicht. lce Das beschriebene Brennstoff-Wärmeaustausch-Element kann von beliebigen gasförmigen und flüssigen Medien durchströmt werden. 1d. In dem beschriebenen Brennstoff-Wörmeausfiausch-Element können belle bige Flüssigkeiten verdampft und im gleichen Elementoder in einem nachgeschalteten zweiten Element der Dampf überhitzt werden. 2a. Reaktions-Wörmeaustausch-Element fur Chemie-Reaktoren kleinster Abmessungen. Es ist ein poröses Sintereiement, bestehend aus feinkörnigem Material geeigneter Eigenschaften. Porositöt und Kapillardurchmesser lassen sich in der unter la beschriebenen Weise verändern. Di Verbindung des Elementes mit Kühl- oder Reitkanälen kann in der in Bild 3 skizzierten Weise erfolgen. 2b. -Sollen chemische Reaktionen unter der Einwirkung energiereicher Stra Jung ablaufen, dann wird das die Strahlung aussendende Material in feinkörniger Form im Sinter!,öraer in geeigneter Form verteilt. 2c. Zur Durchführung katalytischer Reaktionen wird der Katalysator in feinkörniger Form im Sinierelement eingebettet. 2d. Zur Durchführung homogener Reaktionen wird zurr Aufbau des Elemen tes ein Kornmaterial hoher Wärmeleitfahigkeit verwendet, welches de Reaktionsablauf Nicht beeinflußt. 3a. .Wärmeaustausch-Element fair Wärmeaustauscher kleinster Abmessungen. Der Aufbau `kann in Verbindung mit Kühl- und Heizkanälen in der Form .erfolgen, die in Bild 3 beispielsweise angegeben ist. 3b. Bei elektrischer Beheizung können gesonderte Kanäle entfallen. Zum Aufbau des Elementes wird feinkörniges Material mit geeignetem elektrischen Widerstand und hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet. In dieser Form ist das Wärmeaustauschelement vor allem zur Erhitzung von Gas bis auf sehr hohe Temperaturen geeignet: 3c. Das poröse Sinterelement läßt sich als Speichermasse in Regeneratoren* kleinster Abmessungen verwenden.