DE3204391A1

DE3204391A1 - Verfahren und vorrichtung zur entnahme von gasproben aus einer aerosol-atmosphaere

Info

Publication number: DE3204391A1
Application number: DE19823204391
Authority: DE
Inventors: James E. Pittsburgh Pa. Bauerle
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1981-02-17
Filing date: 1982-02-09
Publication date: 1982-09-30
Also published as: JPS57153241A; GB2093181B; FR2500162A1; US4392388A; GB2093181A

Description

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VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ENTNAHME VON GASPROBEN AUS EINER AEROSOL-ATMOSPHÄRE

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entnahme von Gasproben nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es wird ein neues Verfahren und eine Vorrichtung zur Entnahme von Proben aus einem Gas beschrieben, das sich beispielsweise im Gebäude eines natriumgekühlten Leistungskernreaktors oder im Abzugskamin einer Fabrik befindet. Bei dem Gas, aus dem Proben zu entnehmen sind, kann es sich um ein aus Elementen bestehendes Gas handeln, oder um eine Mischung vieler Elemente oder gasförmiger Verbindungen. Der Zweclc der Probenentnahme aus dem Gas kann darin bestehen, die qualitative und quantitative Zusammensetzung des Gases zur Dokumentation oder Überwachung festzustellen.

In gewissen Umgebungen enthält das Gas, von dem Proben zu entnehmen sind, Mischungen, Suspensionen oder Aerosole, oder es besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit dafür, daß diese in dem Gas auftreten. Mit diesen Begriffen werden Bedingungen umschrieben, unter denen das Gas Festkörperteilchen oder Flussigkeitströpfchen enthält, die darin als Fremdmaterial aufzufassen sind und in dem Gas entweder gelöst, suspendiert, oder auch nur gemischt sind.

Die Abmessungen der festen Stoffe können über einen sehr großen Bereich s.treuen. Unter- dem Begriff "Fremdmaterial" werden Festkörperteilchen verstanden, die so groß wie Äsche sind, die üblicherweise im Kamingas enthalten ist, oder so klein wie Rauch

oder

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oder Staubteilchen. Das in dem Gas enthaltene Fremdmaterial kann die Probenentnahme auf vielerlei Weise stören. Die Abtastleitungen können verstopfen oder häufige Wartung erfordern. Das Fremdmaterial kann radioaktiv sein und so Strahlungsmessungen am Gas verhindern.

Das feste Fremdmaterial kann mit Filtern von der Probe ferngehalten werden. Dieser Weg ist jedoch für einige Bereiche der Größe des Fremdmaterials und dessen Konzentration nicht möglich. Sehr kleine Teilchen können durch ein Filter mit einer vorgegebenen Maschengröße durchtreten, während eine sehr starke Konzentration von Fremdmaterial ein Filter sehr schnell verstopfen oder sättigen kann.

Ein besonderes Problem bei der Probenentnahme könnte in der Folge eines Kühlmittellecks im Kreislauf eines natriumgekühlten Reaktors auftreten. Die Natriumkonzentration im Gas des Reaktorgebäudes, die in Form eines Aerosol vorliegt, könnte dann sehr hoch worden, und zwar genau dann, wenn die Probenentnahme am wichtigsten wird.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entnahme von Gasproben anzugeben, dessen Betrieb durch in dem Gas enthaltenes Fremdmaterial nicht beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 2 gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Mit dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann auf sichere Weise eine Probenentnahme unter Ausschluß von Fremdmaterial erfolgen, selbst wenn das Fremdmaterial in

hoher

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hoher Konzentration im Gas vorliegt. Dem Verfahren liegt der Unterschied in den Diffusionsraten des Gases und des Fremdmateriales zugrunde, mit dem die gewünschte Probenentnahme aus dem Gas und der Ausschluß des Premdmaterials erreicht wird.

In die Umgebung, aus der eine Probe zu entnehmen ist, wird eine erste Oberfläche einer Trennschicht gebracht, die eine oder eine Vielzahl von Diffusionsöffnungen zu einer zweiten Oberfläche der Trennschicht aufweist. Die Trennschicht kann eine feste zusammengesetzte Platte darstellen, in der die Diffusionsöffnungen Löcher sind, die gebohrt oder auf andere Weise eingebracht wurden. Die Trennschicht kann aber auch ein poröses oder aus Fiber bestehendes Material sein, dessen natürliche gasdurchlässige Kanäle dann die Dxffusxonsöffnungen darstellen. Der Durchmesser der öffnung ist größer als eine mittlere· freie Weglänge der Moliküle des Gases, aus dem eine Probe zu entnehmen ist, um die Gasdiffusion zu begünstigen. Die zweite Oberfläche dor Trennschicht ist einem Spülgasström ausgesetzt, der über diese zweite Oberfläche streicht. Ein Teil des Spülgases strömt durch die öffnungen in das Gebiet des zu untersuchenden Gases und reinigt somit laufend die öffnungen. Ein Teil des Gases diffundiert durch die Öffnungen (dieses diffunierte Gas wird im folgenden als "Probengas" bezeichnet) in den Spülgasstrom, der das Probengas aufnimmt und zu einem Proben-Analysator transportiert. Diese Diffusion wird als "Rückdiffusion" bezeichnet, da sie durch einen entgegengesetzt gerichteten Spülgasstrom erfolgt.

Ein Teil des Fremdmaterials kann unerwünschterweise ebenfalls in den Spülgasstrom rückdiffundieren. Dieser Effekt wird durch die entgegengesetzte Strömung des Spülgases durch die öffnungen stark herabgesetzt.

Eine

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Eine Gleichung zur Konzentration des Probengases (C ) oder
des Fremdmaterials (C.) das in dem Spülgas festgestellt werden kann, findet sich in W. Jost, Diffusion in Solids, Liquids,
Gases, Academic Press Inc., New York, 1952, Kapitel 10, Seiten 410 - 411.

^Cs,t = ^CO ^EXP ("^⁰S,t> ^{= C}0 " ^F

. wobei C die Gaskonzentration ist, V die Geschwindigkeit des
Spülgases, L die Länge der öffnung und D der entsprechende

S₁X.

Diffusionskoeffizient. Der exponentielle Term wurde mit F bezeichnet und stellt einen Faktor für die Abschwächung der Konzentration dar.

Der oben angegebene F-Faktor gilt für geringe Gasströmungsgeschwindigkeiten von der Vorrichtung zur Probenentnahme zum Ana lysator. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten tritt eine merkliche Verdünnung des entnommenen Gases durch das Spülgas auf.
. Eine Gasströmungsgeschwindigkeit "S" ist genügend gering, wenn sie gleich oder kleiner dem folgenden Ausdruck ist:

^{W S} S^D _s,t ' ^A/L

. wobei Λ die gesamte Fläche der Diffusionsöffnungen ist.

Durch geignete Auswahl der Art des Spülgases, der Geschwindigkeit des Spülgases und der Länge der öffnungen ist es möglich, die Vorrichtung zur Probenentnahme auf die besonderen Bedingungen abzustimmen, die bei der Probenentnahme vorliegen, wozu auch die besondere Art des Fremdmaterials und die Arten von Gasen in der betrachteten Umgebung gehören.

Ein

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 .eine schematische Darstellung der allgemeinen Anordnung der Komponenten der Vorrichtung zur Probenentnahme ,

Figur 2 einen Längsschnitt einer bevorzugten Ausführungsform eines Proben-Entnahmekopfes

und

Figur 3 einen Querschnitt durch die in Figur 2 dargestellte Trennschicht.

Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird die Anwendung der Erfindung auf den Fall eines natriumgekühlten Leistungskernreaktors beschrieben.

In Figur 1 umgibt ein Reaktorgebäude 5 einen (nicht dargestellten) Reaktor und einen Proben-Entnahmekopf 3. Das Gebäude stellt eine Umgebung dar, die eine Vielzahl von Gasarten enthält oder enthalten kann. Eine Spülgasquelle 1 liefert laufend eine Spülgasströmung 8 durch den Probenentnahmekopf 3 zu einem Analysator 2.r

Aus Figur 2, die einen Querschnitt durch den Probenentnahmekopf 3 darstellt, ist ersichtlich, daß ein Teil der Spülgasströmung durch die öffnungen 6 in den Raum 4 des Reaktorgebäudes austritt (Pfeile 10). Während eines größeren Natriumlecks ist anzunehmen, daß dieser Raum 4 ein Aerosol aus Natrium und Reaktionsprodukten des Natriums in dem Gas enthält, wobei diese Produkte Durchmesser von 0,01 μπι bis 1 000 μπι und Konzentrationen bis zu 100 Gramm/m³ aufweisen. Ein Teil des

Gases

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Gases und möglicherweise ein Teil des Natrium-Aerosols erfährt eine Rückdiffusion (Pfeil 9) durch die Trennschicht 7 mit ihren Löchern 6 in die Spülgasströmung 12 innerhalb des Proben-Entnahmekopfes 3. Von dort wird sie zusammen mit der Spülgasströmung 12 in den Analysator 2 mitgeschleppt (Pfeil 11).

Das Prinzip der Rückdiffusion ist in Figur 3 dargestellt. Die Spülgasströmung 12 streicht über die innere Oberfläche 13 der Trennschicht 7, wobei ein Teil dieser Strömung durch die öffnung 6 in den Raum des Reaktorgebäudes 4 tritt (Pfeil 10). Diese Strömung verhindert, daß die öffnung 6 durch Fremdmaterial verstopft wird, im Beispielsfall das im Raum 4 vorhandene Natrium-Aerosol, und stellt eine starke Schranke für die Diffusion von Fremdteilchen dar.

Ein Teil des Gases im Raum 4 erfährt eine Rückdiffusion (Pfeil 9) durch die öffnung 6 in die Spülgasströmung 12. Bei genügend geringen Strömungsgeschwindigkeiten des Spülgases, ausreichend kleinen Längen der öffnungen (Dicke der Trennschicht) L, gewissen Arten von Proben- und Spülgas und einem Größenbereich des Fremdmaterials ist im folgenden gezeigt, daß die Rück-"·* diffusionsrate des Probengases die Diffusion des Fremdmaterials weit übersteigt.

Die Wirksamkeit der hier beschrieben Vorrichtung beim Entnehmen von Gasproben und dem Ausschließen von Fremdmaterial beruht auf den relativen Diffusionsraten dieser beiden Stoffe durch die Trennschicht 7. Die Spülgasströmung durch die öffnungen hindert die Diffusion des Fremdmaterials durch die öffnungen in stärkerer Weise als die Diffusion des Probengases durch die öffnungen, da die Teilchengröße des Fremdmaterials größer ist.als die des Probengases.

Schwächungsfaktoren

Γ':\ ^: 32OA39 1

—' 9 — WS 303 Ρ-2442

Schwächungsfaktoren F für die Konzentration aus Gleichung 1 wurden mit einer willkürlich angenommenen Spülgasgeschwindiqkcil
von 1 cm/Sekunde und einer Länge der öffnungen (Dicke der Trennschicht) L von 0,1 cm berechnet und in den Tabellen 1 und 2 aufgeführt.

TABELLE 1

Probengas'

Diffusions-Spülgas koeffizient D

des Probengasls Probengasschwächungsfaktor F

H₂	AR	0,77
H₂	^N2	0,88
H₂	He	1,38
°2	Ar	0,20
°2	N₂	0_; 22
°2	He	0,71
TABELLE 2

0, 88 0_;88 ()_;93

0_;63 0_;87

Durchmesser der
Fremdteilchen

Diffusionskoeffizient D. der Fremdteilch'en LOG-.Q Fremdteilchen Konzentrat ionsschwächungsfaktor F

0,01 μΐη

0,1	6,8	X	10
1	2,8	X	10
10	2,4	X	10
100	2,4	X	10
1000	2_;4	X	10
Größer	Kleiner

5_f2 χ 10~⁴cm²/Sek. -6

—7 -8 -9 10 -83

sehr groß, negativ sehr groß, negativ sehr groß, negativ sehr groß, negativ sehr groß, negativ

weiter zunehmend groß, negativ

Die

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Die Probengasdiffusionskoeffizienten in Tabelle 1 wurden entnommen aus N.B. Vargaftik, Tables on the Thermophysical Properties of Liquids and Gases, John Wiley & Sons, Inc., 1975, Kapitel 11. Die Diffusionskoeffizienten für Fremdteilchen in Tabelle 2 wurden entnommen aus S.K. Friedlander, Smoke, Dust and Haze, John Wiley & Sons, Inc. 1977, Kapitel 2, Seiten 27 bis 34. Die verwendeten Arten von Spülgasen stellen vernünftige Möglichkeiten für die tatsächliche Verwendung in einem Natrium-Leistungsreaktor dar und die Durchmesser der Fremdteilchen entsprechen dem Bereich von Teilchengrößen, die bei einem Natriumleck in einem Natriumleistungsreaktor erwartet werden. Von den Probengasarten wird angenommen, daß sie für den Fall eines Natriumreaktors von besonderem Interesse sind.

Die Ergebnisse in den Tabellen 1 und 2 zeigen also die Wirksamkeit eines bevorzugten Ausführungsbeispiels bei der praktischen Anwendung. Der Probengasschwächungsfaktor ist groß (1,0 ist das theoretische Maximum) und zeigt, daß relativ hohe Diffusionsraten für das Probengas auftreten. Die extrem kleinen Konzentrationsschwächungsfaktoren für die Fremdteilchen (ausgedrückt in Tabelle 2 als sehr groß, negativ LOG.») zeigen, daß die Vorrichtung zur Probenentnahme dieses Material sehr erfolgreich ausschließt. Wie erwähnt, sollten die Gasströmungsgeschwindigkeiten vom Probenentnahmekopf zum Analysator gering gehalten werden, um eine übermäßige Verdünnung des entnommenen Gases durch das Spülgas zu verhindern.

Hier ist anzumerken, daß alle Arten von Gasen, die im Raum 4 vorhanden sind, eine Rückdiffusion erfahren, und zwar inMengen, die durch die jeweiligen Diffusionskoeffizienten bestimmt wird und dadurch in den Probenentnahmekopf und schließlich zum Analysator gelangen. Die Vorrichtung zur Probenentnahme ist nicht dafür vorgesehen für die Unterscheidung von

Gasen

»β *β

► · O ·

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Gasen zu dienen, deren Diffusionsvermögen gleich ist.

Die Geometrie des Proben-Entnahmekopfes 3 in Figur 2 kann in weiten Grenzen geändert werden. Die Trennschicht 7 kann als Zylinder ausgeführt werden, der konzentrisch innerhalb odor außerhalb anderer Zylinder angeordnet ist, die das Gehäuse des Probe-Entnahmekopfes 3 bilden; sie kann aber auch eine flache Platte darstellen. Wenn eine flache Platte verwendet *"*> wird, sollte sie so orientiert sein, daß die öffnungen nach unten zeigen, um zu verhindern, daß große Fremdteilchen infolge der Schwerkraft auf den öffnungen liegenbleiben.

Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Entnahme von Gasproben aus einem Aerosol mit in dem Gas enthaltenem Fremdmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückdiffusion des Gases durch eine Trennschicht (7) gegen einen Strom von Spülgas erfolgt, und daß durch geeignete Wahl der Strömung des Spülgases eine Diffusion des Premdmateri.aIs durch die Trennschicht: in die Gasprobe unterbunden und die Trennschicht kontinuierlich gereinigt wird.
2. Vorrichtung zur Entnahme von Gasproben aus einer Umgebung, die ein Aerosol von Fremdmaterial in dem Gas enthält, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- Eine Trennschicht (7) mit öffnungen (6), die zwischen ihren beiden Oberflächen verlaufen, wobei durch die öffnungen eine Rückdiffusion des zu entnehmenden Gases ermöglicht wird;

ν AOHOEREioHT I .:.*-." *.·**:·*

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- ein Probenentnahmekopf (3) in dem die Trennschicht in einer Weise gehalten ist, daß deren erste Oberfläche der Umgebung (4) zugewandt ist und der eine Spülgasströmung aus einer Spülgasquelle (1) empfängt um sie über eine zweite Oberfläche der Trennschicht so zu leiten, daß ein Teil der Spülgasströmung durch die öffnungen der Trennschicht tritt und dadurch die Diffusion des Fremdmaterials durch die öffnungen unterbindet und der restliche Teil der Spülgasströmung den Teil des Probengases aufnimmt, der durch die öffnungen der Trennschicht rückdiffundiert ist; und

- ein Analysator (2), der die Spülgasströmung aus dem Probenentnahmekopf empfängt, wobei die Spülgasströmung zu-

i
sätzlich die Menge* des Probengases enthält, die über die Trennschicht rückdiffundiert ist.

. Vorrichtung zur Probenentnahme nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen Bohrlöcher sind.

. Vorrichtung zur Probenentnahme nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen Poren in einem natürlichen gasdurchlässigen Trennmaterial sind.