DE1639239A1 - Kernkraftwerk - Google Patents
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- G21C1/08—Heterogeneous reactors, i.e. in which fuel and moderator are separated moderator being highly pressurised, e.g. boiling water reactor, integral super-heat reactor, pressurised water reactor
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Description
Anmelder: General Electric Company,
Schenectady, New York, U0S.A.
Kernkraftwerk
Die Erfindung betrifft die Umwandlung von Masse in thermische Energie in einem dampfgekühlten Kernspaltungsreaktor, der
als eine Wärmequelle in einem Kernkraftwerk verwendet wird, insbesondere ein Kernkraftwerk mit einem Dampferzeugungs- und Reinigungssystem.
Die Freisetzung hoher Energiebeträge durch Kernspaltungsreaktionen
ist bekannt. Allgemein absorbiert ein spaltbares Atom wie U-233, U-235, Pu-239 oder Pu-24-1 ein Neutron in seinem Kern
und der Kern erfährt häufig eine Spaltung. Dadurch werden im Mittel zwei Spaltfragmente geringeren Atomgewichts und großer kinetischer
Energie und gewöhnlich zwei oder drei Neutronen ebenfalls mit hoher Energie erzeugt. Beispielsweise werden bei der Spaltung
von U-235 ein leichtes Spaltfragment und ein schweres Spaltfragmenb
mit Masaenzahlen zwischen 80 und 110 beziehungsweise zwischen 125 und 155 und im Mittel 2,5 Neutronen erzeugt. Die Energiefreiaetiäung
liegt im Bereich von 200 MeV pro Spaltung.
Die kinetische Energie der Spaltfragmente ist schnell im
Brennstoff und anderem umgebenden Material in Wärme umgewandelt»
Mann v/ährnnd dienes Spaltprozesses im Mittel, ein Netbo-Neutron
xlbvifUlii'iAilf d'-iii eine nach folgend ο Spaltung einleitet, wLrd die
Ii pul. i,!uigfjr»ak tion ho ihn ttu'hul tend und die Würniüorzeugung erfoLtfb
BAD ORIGINAL
kontinuierlich. Die Wärme wird durch einen Kühlmitte!umlauf
abgeführt. Die Reaktion kann so lange fortgesetzt werden, wie .
ausreichendes spaltbares Material im System übrigbleibt um die =
■Effekte der Spaltprqdukte, die während des Betriebs erzeugt werden,
zu überdecken,,
Nutzbare mechanische oder elektrische Energie kann durch
Umwandlung der in solchen Kernspaltungsreaktionen freigesetzten Wärmeenergie erzeugt werden. Diese Energieerzeugung schließt ein
Reaktorcore ein, das einen Kernbrennstoff, ein Kühlmittel , das
man im Wärmetausch durch die Vorrichtung strömen läßt, und eine Regelung für den Kühlmittelstrom und die Betriebsbedingungen der
Vorrichtungen enthält, um entweder direkt oder indirekt ein aufgeheiztes Kühlmittel zu erzeugen. Diesee Kühlmittel wird einer
geeigneten Kraftmaschine zugeführt, das heißt, einer Einrichtung, die 'die Wärmeenergie entweder in mechanische oder elektrische
Energie oder beide Energiearten umwandelt, um mechanische oder elektrische Energie zu erzeugen. Angemessen hohe thermodynamische
Wirkungsgrade bei der Energieumwandlung werden dadurch gefordert,
daß die Abgabe des aufgeheizten Kühlmittels von der Kettenreaktions»
Vorrichtung zum Einlaß der Kraftmaschine bei einer Temperatur erfolgt,
die so hoch wie möglich liegt. Bei der üblichen industriellen Anwendung, bei der beispielsweise eine Wärmeumwandler-Temperaturdifferenz
von 580C (1000F) Verwendung findet, liegen die
niedrigsten, noch geeigneten Kühlmittuleinlaßtemperateuren am
Kraftmaschineneinlaß in den meisten Fällen im Bereich zwischen 9O0O (2000F) und 15O0G (3000F), aber die Wirkungsgrade der Umwandlung
sind ziemlich gering. Mit Kühlmittel temperature!! in der
Größenordnung von Ü2O°G (15000D1) erhäLt man hohe) thermodynamisch©
Wirkungsgrade, Die Anwendung noch höhe rot1 Einlaß tempera türen, um
weitere Steigerungen dea Wirlamgiigrades zu erreichen, ist primär
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durch, die angestiegenen Wärmeverluste des Systems und die
mechanischen oder chemischen Eigenschaften der im System verwendeten
Strukturmaterxalxen begrenzte
Das so erzeugte Hoclitemperatur-Kühlmittel kann in einer
oder in mehreren der verschiedenen Arten von Kraftmaschinen eingesetzt
werden. Sie schließen dampf- und gasgetriebene, hin- und hergehende oder rotierende Maschinen, wie Gas- oder Dampfkraftmaschinen,
Gas- oder Dampfturbinen und dergleichen mit oder ohne eine mechanisch angetriebene, elektrische Energieerzeugungsanlage
ein, die als Last mit der Kraftmaschine verbunden ist, um die mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Dampf
war d;.,s hauptsächliche Arbeitsfluid in solchen Kraftmaschinen, und da die thermodynamischen Wirkungsgrade mit einem Anstieg der
Einlaßtemperatur des Arbeitsfluids ansteigen, wurde lange Dampfüberhitzung
in Kraftwerksystemen angewendet, die ihre Wärme aus der Verbrennung von Fossil-Feuerungsmaterial ableiten. Ferner
bewirkt eine Überhitzung neben einem höheren Wirkungsgrad eine Herabsetzung der Kondensation innerhalb der Kraftmaschine und
folglich eine Verminderung der Abnutzungsproblemeo Der Aufbau der
Kraftmaschine wird ebenso beachtlich vereinfacht und ferner ist ein kleinerer Wärmeumwandler (Turbinen-Kondensator) erforderlich.
Bei der Anwendung von mehreren, verschiedenartigen Kernreaktoren für die Erzeugung nutzbarer Energie sind ebenso wünschenswerte
Auswirkungen bei einem Überhitzen des Arbeitsfluids vorhanden. Bei einem Druckwasserreaktor wird das dem Reaktor entnommene
Heißwasser-Kühlmittel gewöhnlich durch einen Wärmerteuscher
geführt, um das Wasser, das zum Reaktor zurückgeführt wird, zu kühlen und Dampf zu erzeugen, der der Kraftmaschine zugeführt
wird. Bei einem organisch moderierten und gekühlten Reaktor wird
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BAD
das dam Reaktor entnommene heiße organische Kühlmittel gewöhnlich durch einen Wärmetauscher geführt, um die organische Flüssigkeit,
die zum Reaktor zurückgeführt wird, zu kühlen und Dampf zu erzeugen, der der Antriebsmaschine zugeführt wird0 Bei einem Siedewasser-Reaktor
wird Dampf im Reaktor erzeugt und kann direkt dar Kraftmaschine zugeführt werden. Bei einem mit flüssigen
Metall gekühlten Reaktor wird das heiße Primärkühlmittel durch einen Wärmetauscher geführt, um das Primärkühlmittel zu kühlen
und ein heißes Sekundärnetallkühlmittel zu erzeugen, das heiße Sekundär-Flüssigtt.etall-Kühlmittel wird gewöhnlich durch einen
fe zweiten Wärmetauscher geführt, um Wasser für die Bildung von
Dampf zu verdampfen, der der Kraftmaschine zugeführt werden kann* Es ist ersichtlich, daß in jedem dieser repräsentativen Fälle
Dampf das Arbeitsfluid ist, das der Kraftmaschine zugeführt wird. In jedem dieser Fälle bewirkt die Überhitzung dieses Dampfes gesteigerte
Wirkungsgrade bei der mechanischen oder elektrischen Energieerzeugung.
Die Überhitzung von Dampf in einem Kernreaktor bringt Probleme mit sich, die sich von denen unterscheiden, die mit der Überhitzung
von Dampf durch Verbrennung von Fossil-Feuerungsmaterial zusammenhängen. Das hauptsächliche Problem bringt die mögliche
Wanderung von radioaktiven Materialien mit sich, die entweder aus einem Leok in einem defekten Brennstoff austreten, oder durch
Erosion oder Korrosion von Strukturflächen im Reaktorcore in Berührung mit dem Damp.fkühlmittel freigesetzt werden. Solche
Materialien werden in die Dampfturbine (oder einen anderen Wärmeumwandler)
und deren ziigehoriges Leitungssystem getragen und dort
abgelagert. Ein solches Vorkomnis erfordert zusätzliche Abschirmungen und eine ausgesprochen schwierige und kostspielige Anlagen-Dekontaminntion.
Ein Weg, dieses Problem zu vermeiden, besteht
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darin, auf ein indirektes Umlaufsystem auszuweichen, in dem ein
Fluid als Reaktorkühlmittel in Verbindung mit einem zweiten Kühlmittel verwendet wird, das das Turbinen-Arbeitsfluid ist,
wobei die beiden Fluids in einen indirekten Wärmetausch miteinander gebracht werden.
Sin anderes Problem bringt die Verwendung von solchen kontaminierten,
überhitzten Dampf für die Verdampfung von Kondensat-Speisewasser, um Sattdampf zu erzeugen, der als Kühlmittel
in den Eeaktor eingeführt wird, mit sich. Der zweckmäßige Direktkontakt-Verdampfer
wie der bekannte Loeffler-Kessel ist nicht von sich aus in der Lage, genügend dekontaminiertes Sattdampfkühlmittel
zu erzeugen»
Ein Ziel der Erfindung ist ein Kraftwerksystem, das einen dampfgekühlten Kernreaktor als Wärmequelle verwendet, und in dem
eine radioaktive Kontaminierung des Wärmeumwandlers und dessen
zugehörigen Leitungs. ystems und anderer Einrichtungen vermieden
wird, indem ein verbessertes Verfahren und eine besondere Vorrichtung für die Erzeugung von gereinigtem Sattdampf ohne die liacfeteile
bei der Verwendung von zwei Kühlmittelfluiden in einem indirekten Kreislauf verwendet wird.
Die Erfindung v/ird im folgenden anhand der Zeichnung im
einz-elnen erläutert. Es zeigen:
Fig,1 ein ochaltschemu des Kraftwerksystems gemäß der Erfindung,
Fi;.,.2 ein Schaltschema einer modifizierten Form des Dampferzeiu^imgo-
und Dekont'iminati-Lonaaystems der Erfindung, und
PU,.3 und 4 'juürnc.rub taansiohten der Einrichtung Tür die
jjr'i'.f.-M^uii,; und iJutcunUamLn h.rung von Dampf gcüiiäü der Erfindung,
Ji- in ii'iii.i geze.· i,',b, u Lrid die wooemüL Lohtm TeLIe des h.ru£b-Wtu.
:; /j L ;i!ti', cl-ui din v.c t i nduu^ anv/endet, d tu1 Ikiakborkofiiitil H),
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der Wärmetauscher 12, der Heißdampfkühler 14, der Dampftrockner 16, der Dampfrückförderer 18, die V/asserreinigungseinrichtung 20,
die Rückförder «pumpe 24, das Dampffilter 26, die Turbine 28,
der Generator 30, der Kondensator 32, die Kondensat-Speisewasserpumpe 34 und die zugeordneten Ventile und Rohrleitungen„
Der Heaktorkessel 10 enthält ein dampfgekühltes Kernspaltungscore
36, das ein Core eines schnellen Reaktors sein kann«, Sattdampf wird über die Leitung 38 eingeführt, und nachdem er
im Wärmetausch mit den Brennelementen durch das Reaktorcore 36 geströmt' ist, wird er in einem stark überhitzten Zustand durch
P die Leitung 40 entnommen. Typische Dampftemperaturen für ein
System, das mit 105,5 at (1500 psi) Druck arbeite^ sind näherungsweise
3200C (6000F) an der "Einlaßleitung 38 und 5100C
(95O0F) an der Auslaßleitung 40. Dieser Dampf kann möglicherweise
mit radioaktiven Materialien kontaminiert sein, wie oben erläutert.
Der überhitzte Dampf von der Leitung 40 wird über die Leitung 42 durch die Mantelseite des Wärme tauschers 12, wo der Dampf
ein wenig abgekühlt wird, und weiter durch die Leitung 44 in den
fc Heißdampfkühler 14 geführt. Der Heißdampfkühler hat zwei Wassereinlässe
46 und 48, durch die Kondensat-Speisewasser und zurückgeführtes, gereinigtes Wasser in direkte Berührung mit dem überhitzten
Dampf gebracht wird. Diese Berührung kühlt den Heißdampf
vollständig ab, verdampft eine Was3ermenge im Bereich von 25-35 "
Gewichtsprozenten der eingeführten Heißdampfmenge und erzeugt
nassen Sattdampf, derailt^erisaeneö Wasser enthält.
Dieser riuüiiu out tdaiiipf wird dom HuißdampfkiLhlor 14 über die
Loiiuny ri0 cutnnnuiif.ti und Ln den D-impf trockner 1 fi geführt, iii r
wird dan mitf)-t:r Liwit-ne ',luiiunv abguisohiwlen und (hu1 Ό impf ^u troukn-j b,
Ihm ab^cii.iaLüiLütit. l.r ij.iijr1 wird geuuinniüLt urui übt. r dio i,t,-i uun^ v·«.'
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BAD ORkGINAL
·» 7 H
in die 7/asserreinigungseinrieb.tung 20 geführt, wo unerwünschte
Kontaminiirungsanteile einschließlich radioaktiver Materialien
durch Filtern, Ionenaustausch, oder eine andere Reinigungsbehandlung, die für den besonderen, vorhandenen Koηtaminierungsanteil
geeignet ist, entfernt. Das so gereinigte Wasser wird
mittels der Pumpe 24 über die Leitung 54 und das Ventil 56 zum Heißdampfkühler 14 für eine Wiederverdampfung zurückgeführt.
In Abhängigkeit vom Grad der vorhandenen Kontaminierung kann das abgeschiedene Wasser vom Abscheide-Trockner 16 direkt ohne
Reinigung mittels der Pumpe 22 über die Leitung 58 und das Ventil
mittels der Pumpe 24 über die Leitung 54 und das Ventil 56 zum Heißdampfkühler 14 für eine Wiederverdampfung zurückgeführt.
In Abhängigkeit vom Grad der vorhandenen Kontaminierung kann das abgeschiedene Wasser vom Abscheide-Trockner 16 direkt ohne
Reinigung mittels der Pumpe 22 über die Leitung 58 und das Ventil
60 zurückgeführt werden.
Der Battdampf wird vom Abscheide-Trockner über die Leitung
62 abgezogen und in zwei Teile geteilt. Der Hauptanteil, näherungsweise 75$ des Gesamten, wird mittels des Dampf-Eückförderers
durch die Leitung 38 und das Ventil 64 als eintretendes Sattdampf
kühlmittel zum Reaktorkessel 10 zurückgeführt. Der übrige
kleinere anteil, näherungsweise 257», wird durch die Leitung 82
und das Ventil 86 durch den Rohrteil des Wärmetauschers 12 im
Gegenstrom-Wärmetausch mit dem überhitzten Dampf geführt, der
vom Reaktor kommend durch den Hantelteil strömt. Hier wird der kleinere Lampfanteil im wesentlichen überhitzt und erreicht ziemlich öen;..u eine Temperatur gleich der Reaktorkühlmittel-Auslaßtemperatur. Das- erfolgt zum großen Teil aufgrund der Tatsache, daß das Strömung«verhältnis des vom Reaktor ausströmenden Dampfes im Hantelteil zum kleineren Dampfanteil im Rohrteil nähorungsweise vier ist.
Gegenstrom-Wärmetausch mit dem überhitzten Dampf geführt, der
vom Reaktor kommend durch den Hantelteil strömt. Hier wird der kleinere Lampfanteil im wesentlichen überhitzt und erreicht ziemlich öen;..u eine Temperatur gleich der Reaktorkühlmittel-Auslaßtemperatur. Das- erfolgt zum großen Teil aufgrund der Tatsache, daß das Strömung«verhältnis des vom Reaktor ausströmenden Dampfes im Hantelteil zum kleineren Dampfanteil im Rohrteil nähorungsweise vier ist.
Der im Rohrteil des Wärmetauscners 12 überhitzte Dampf strömt
i-.urch die Leitungen 72 und 74 einschließlich eines abschaltbaren
DampfZylinders 26 in die Turbine 28, die den Generator 30, der
Ausgangsklemmen Tb hat, antreibt. Der Abdampf kondensiert im
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Kondensator 32,und das Kondensat wird mittels einer Kondensat-Speisewasserpumpe
34 durch die Leitungen 78, 46, das Ventil 47
und eine wahlweise einschalfbare Kondensat-Reinigungseinrichtung 33 in den Heißdampfkühler 14 gefördert»
In dem oben erläuterten System sind beide Umgehungsleitungen 80 und 66, die jeweils Ventile 84 und 86 haben, geschlossen. Der
gesamte Anteil an überhitztem Dampf, der die Turbine 28 treibt,
kann im Heißdampfkühler 14 erzeugt und in Wärmetauscher 12 überhitzt werden; es ist kein direkter Strom vom Reaktorkessel
zur Turbine erforderlich. Irgendwelche radioaktiven, im Reaktor-
core freigesetzten Kontaminationsanteile werden durch den Wärmetauscher
12 in den Heißdampfkühler 14 getragen, in dem sie, da
der Dampf durch Direktkontakt mit einem gesteuerten Überschuß von zurückgeführtem Speisewasser und Kondensat gekühlt wird, im
wesentlichen vollständig in der Wasserphase gehalten werden. Es wurde festgestellt, daß die Radioaktivität des erzeugten Sattdampfes
nach der Abscheidung des mitgerissenen kontaminierten Wassers einen Pegel hat, der ein Bruchteil in der Größenordnung von
1·10 bis 1·10 des Pegels ist, der in dem aus dem Reaktor
ausströmenden Dampf existieren kann. Auf diese Weise ist der überhitzte Dampf, der die Turbine 28 treibt, frei von radioaktiven
Kontaminationsanteilen, und hat doch eine Temperatur, die der Temperatur des aus dem Reaktor ausströmenden Dampfes sehr
nahe kommt. Die Sammlung und Entfernung dieser Kontaminationsanteile wird durch eine sorgfältige Kontrolle der Arbeitsbedingungen,
die im Heißdampfkühler H und im Abscheidetrockner 16 bestehen, in Verbindung mit einer Wasserreinijung in der Einrichtung
20 ausgeführt,,
Wie in Fig.i gezeigt, arbeiten der Heißdampfkühler 14, der
Abscheidetrockner 16, die Wasserreinigungtu'iiirichtung 20 und das
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zugeordnete Bückfördersystem beim Betrieb zusammen, um eine Erzeugung
mit hohem Wirkungsgrad von dekontaminiertem, trockenem Sattdampf aus kontaminiertem, überhitzten Dampf, der durch die
Leitung 44 zugeführt wird, und wenigstens teilweise gereinigtem Eüekfcirderwasser, das durch die !leitungen 46 und 48 zugeführt
wird, zu ermöglichen. Die wesentlichen Schritte in Zusammenhang damit sind, (ie) die Einführung von Wasser in disperser Form
(wie einen Sprühnebel) in den Heißdampfkühler 14 und mit einer Rate mit einem gesteuerten Überschuß der Menge, die erforderlich
ist, den gleichzeitig eingeführten, kontaminierten, überhitzten Dampf vollständig abzukühlen und so nassen Sattdampf zu erzeugen,
(2„) die Abscheidung von mitgerissenem Wasser aus dem nassen Satt— dampf im Abscheidetrockner 16, um dekontaminierten trockenen Sattdampf
und kontaminiertes Wasser zu erzeugen, und (3.) die Behandlung des kontaminierten Wassers, um Kontaminationsanteile zu entfernen,
bevor dieses Wasser zusammen mit zurückgefördertem Kondensat-Speisewasser
in den Heißdampfkühler 14 zurückgefördert wird.
Es wurde gefunden, daß durch Zerstäuben des Wassers, das in den Heißdampfkühler 14 eingeführt wird, und durch Steuern der
relativen Dampf- und Wasserstromraten eine bedeutende Steigerung im Grad der Dampfdekontaminierung erreicht wird (oberhalb dessen,
was durch Verteilen des Dampfes in einem Körper eureichfc x^ird)·
Kontaminierter, überhitzter Dampf strömt hinter den Streudüsen (oder anderen Zerstäubereinrichtungen), die an die Enden der
Wassereinlaßleitungen 46 und 48 angeschlossen sind, mit hoher
lceit durch den Heißdampfkühler 14· Es besteht eine
!strömung und die Wassertröpfaheri und der überhitzte
wurden in enge „SeFührung gebracht, wodurch ein, sthr }-..=<;?]
itftLo 'f-jo. v/'i;.;uer l^^öpfoheaoberfläohs ku '/
Ώαο f''dij?'ü z\x einet' ''ilVwmiv'^-·-^·:tr-·-■ uu;·: rm-.
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Wirkungsgrad, um den überhitzten Dampf abzukühlen und einen wesentlichen Teil aber nicht alle der Wassertröpfchen zu verdampfen
Es schafft ebenso in dem resultierenden nassen Sattdarapf mitgerissene
Wassertröpfchen nit großer G-esamtberührungsf lache , die als
Kerne für eine Ansammlung von fein verteilten Kontaminationsanteilen dienen und einen Wascheffekt auf den Dampf ausüben,. Dies©
Gemisch wird durch die leitung 50 entnommen und in den Abscheidetrockner 16 geführt, wo das überschüssige, mitgerissene Wasser,
das Kontaminationsanteile enthält, für eine Reinigung in der Reinigungseinrichtung
20 und für eine Rückforderung abgeschieden wird.
Die in der Reinigungseinrichtung 20 durchgeführte Wasserbehandlung
kann· entweder aus einer Wasserfiltration oder einem
Ionenaustausch oder beiden oder anderen Verfahren zur Entfernung
der vorhandenen Kontaminationsanteile feestehen. Ls wurde gefunden,
daß Betten von staubförmigen, gemischten Anionenaustausch-Harzen
eine Entfernung sowohl von fein verteilten, partikelförmigen
wie auch gelösten, ionenförmigen Kontaminationsanteilen mit hohem Wirkungsgrad bewirken. Das gereinigte Wasser wird zurück
in den Heißdampfkühler 14 durch die Leitungen 44 und 48 in einer durch ein Yentil 56 gesteuerten Rate zurückgepumpt.
Das Ausmaß der erreichten Dekon amination ist eine komplexe
Punktion von (1.) der zum Heißdampfkühler 14 zurückgeforderten Wassermenge, die über die Menge hinausgeht, die für die Kühlung
des einströmenden, überhitzten Dampfes erforderlich ist, (2„)
der Mongo des mitgerissenen Wassers, das im öattdampf verbleibt,
der deii : bHoii^irlei.iockner 16 entnommen wir$, und (3.) der Fluß-
-vafcü YO:.. aeieon .t aminiert em Wasser, dau /on dor Reinigungbeinrich-'-•la=,:
2ü t;'im Hüi LJu-η j/f kühl er H Kiuuafc£:;.ftisd4jr t wi :1, -^ ^- i&.-fc£
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; BAD
die relativen Ströme von überhitztem Dampf und rückgefördertem
Kondensat-Speisewasser in den Heißdampfkühler 14 einigen Schwankungen unterworfen sind, schafft dieses Verfahren für die Dekontaminierung
von überhitztem Dampf und die Erzeugung von Sattdampf eine große Flexibilität, um großen Schwankungen im Reaktorsystem
gerecht zu werden·
In einer Modifikation der Erfindung kann das in Fig.1 dargestellte
Kraftwerksystem mit geschlossenem Ventil 86 uiid offenem
Ventil 68 in der Umgehungsleitung 68 betrieben werden, wobei das Ventil 84 in der Umgehungsleitung 80 ebenso geschlossen
bleibt. Das führt zu einem merklichen Druckanstieg des überhitzten Dampfes, der vom Wärmetauscher 12 durch die Leitungen
und 74 in die Turbine 28 geführt wird, aber steigert natürlich auda.
cten. Leistungsbedarf für den Antrieb des Dampfrückförderers 18
um näherungsweise 25-35$. Das hängt mit der Tatsache zusammen, «Idaß der Leistungsbedarf für den Rückförderer 18 auf den Dampfstrom,
der als Kühlmittel des Reaktorcores 36 durch die Leitung 38 und das Ventil 64 geführt wird, wie auch auf den Sattdampf,
der in den Wärmetauscher 12 eingeführt wird, bezogen ist. Der Druck des der Turbine 28 zugeführten überhitzten Dampfes ist im
wesentlichen gleich dem des Sattdampfes am Eingang zum Reaktorcore
36 abzüglich Dampfleitungs-Druckgefallen. Bei dieser modifizierten
Betriebsweise, wie bei der oben erläuterten Betriebsweise werden jegliche vom Reaktorcore 36 herübergebrachte, radioaktive
Kontaminationsanteile im wesentlichen vollständig in der mitgerissenen Wasserphase gesammelt, die im Heißdampfkühler 14
gebildet und aufrechterhalten wird, und im Abscheidetrockner zurückgehalten, und werden so daran gehindert, die Turbine 28
zu erreichen.
Bei einer weiteren Modifikation der Erfindung, einer ModIfi-
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kation, die insbesondere während des Betriebs mit neuem, in das Reaktorcore 36 geladenem Brennstoff, oder wenn im wesentlichen
alles von irgendwelchem defekten Brennstoff, der sich vorher im Oore befand, entfernt und durch fehlerfreien, wiederbeladenen
Brennstoff ersetzt ist, anwendbar ist, kann das System in Pig.1 mit dem Ventil 68 in der Umgehungsleitung 66 und dem Ventil 86
in der leitung 82 beide geschlossen und dem Ventil 84 in der Umgehungsleitung 80 geöffnet betrieben werden. Bei einer solchen
Betriebsweise wird kein überhitzter Dampf im Wärmetauscher 12 erzeugt und der überhitzte Dampf wird direkt vom Reaktorkessel
durch die Leitungen 40, 80 und 74 zur Turbine 28 geführt. Eine solche Betriebsweise ist ziemlich gleich dem bekannten Loeffler-Kessel,
außer das die Betriebsweise des Heißdampfkühlers 14 und des Abscheidetrocknen 16 eine in hohem Maße vorteilhafte
Reinigung und Dekontamination des Sattdampfkühlmittels, das in
das Reaktorcore 36 eingeführt wird, gewährleisten. Das System gemäß der Erfindung kann in dieser Art und Weise so lange, wie
der Brennstoff im Reaktorcore 36 frei von Defekten ist, die umfassend
genug sind, eine nicht mehr annehmbare Kontaminierung des
Dampfes zu verursachen, mit den zugehörigen Vorteilen maximaler Dampftemperatur am Eingang der Turbine 28 und maximaler thermodynamisoher
Wirkungsgrade betrieben werden. Sobald ein nicht mehr annehmbarer Pegel radioaktiver Kontaminierung in der Dampfauslaßleitung 40 gemessen wird, kann das Ventil 84 in der Umgehungsleitung
80 teilweise oder vollständig geschlossen werden (in Abhängigkeit vom Grad der Kontaminierung), und das Ventil 86 in der
Leitung 82 kann teilweise oder vollständig geöffnet werden, um nicht kontaminierten, überhitzten Dampf im Wärmetauscher 12 zu
erzeugen und den Grad der Kotaminierung in der Dampfmischung,
die zur Turbine geführt wird, zu reduzieren. Bei einer dritten Modifikation der ErJ^ad^iga i:arui«das gerade erläuterte Verfahren
so geändert werden, daß das Ventil 68 in der Umgehungsleitung 66 eher als das Ventil 86 in der Leitung 82 geöffnet wird. Dadurch "
werden der Druck am Turbineneingang und der Leistungsbedarf
für die förderung, wie in der Beschreibung der ersten Modifikation erläutert, erhöht.
für die förderung, wie in der Beschreibung der ersten Modifikation erläutert, erhöht.
Im folgenden wird ein spezielles Beispiel der Betriebsweise des Systems gemäß der Erfindung, wie es in Verbindung mit der
Fig.1 erläutert wurde, angegeben.
Fig.1 erläutert wurde, angegeben.
Leistung
Kühlmittelstrom(x10"~ ) Eintrittstemperatur
Austrittstemperatur jiinströmungsdruck
Ausströmungsdruck
Wärmeleistung(x10"~ ) Rohrteil
Dampfstrom(x10"" )
Austrittstemperatur Ausströmungsdruck
Dampfstrom(x10 ) Austrittstemperatur
Ausströmungßdruck
Wärmeleistung(x10" )
EinLaßströmung
Überhitzter Dampf Strüwun^arabe(x10" )
139|OMWth(mwt) 0,79Kg/h (1.735lb/hr)
32O0O
510O
0O (95O0F) 105,5 at (1500psia)
98,4at (HOOpsia)
35kcal/h (139.0Btu/hr)
0,79 kg/h (1.735lb/hr) 4360O
94,2at (i340psia)
0,243 kg/h (O.5361b/hr) 4820O (9000F)
84,4at (1200psia)
93kcalA (366.0Btu/hr)
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Eintrittstemperatur
•Einströmungsdruck Speisewasser
Strömungsrate (x10~b) Eintr i11 s temp eratur Einströmungsgasdruck Wasserreinigungseinriohtung Wasserreinigungsströmung (x10~ ) Eintrittstemperatur Eins trömungsdruck umgeleitete (Leitung 58)Strömung Auslaßströmung Strömungsrate (x10 ) Dampfanteil (Quality) Temperatur
Druck
Strömungsrate (x10~b) Eintr i11 s temp eratur Einströmungsgasdruck Wasserreinigungseinriohtung Wasserreinigungsströmung (x10~ ) Eintrittstemperatur Eins trömungsdruck umgeleitete (Leitung 58)Strömung Auslaßströmung Strömungsrate (x10 ) Dampfanteil (Quality) Temperatur
Druck
Dampf-Abscheide-Trookner
Einlaß strömung Strömungsrate (x10 ) Dampfanteil
Temperatur
Druok
Temperatur
Druok
Auslaßströmung Sattdampf
Strömungsrate (x10 ) Temperatur
Druok
Druok
Dampf anteil
Abgeschiedenes Waaaer S fcr ömung a ra t e (χ 1 ü "* )
Abgeschiedenes Waaaer S fcr ömung a ra t e (χ 1 ü "* )
(309883/07U
437°0 (8180I1)
94,2at (134Opsia)
0,243 kg/h (O.5361b/hr) 2710C (5200P)
98,4at (i400psia)
114 kg/h (252113Ar)
2940C
(5610P)
94,2at (1340psia) 0 kg/h (0 lb/hr)
1,14 kg/h (2.5231b/hr) 90%
302,50O (5770F)
92,1at (1310psia)
1,14 kg/h (2.5231b/hr)
302,50C (577°P)
92,1at (1310psia)
1,03kg/h (2.271lb/hr) 302,50C (5770F)
91,4at (1300psia) 99.99°/
0,114 kg/h (0.2521b/hr
BAD ORIGINAL
Temperatur Druck
Dampf-Dekontaminationsfaktoren Waschsystem in Betrieb
Waschsystem nicht in Betrieb
Strömungsrate (x10~ ) Kopfteil (Head) Einlaß
Druck
Temperatur Auslaß
Druck
Temperatur Turbine 28 Strömungsrate (x10 ) Einlaßtemperatur
Einströmungsdruck Grenaator
Leistung
Wärmeleistung (x10 )
Kühlwasser-Strömungsrate (x10~6) 0,14kg/h (0.31b/hr)
Verhältnis der Menge der Kontaminationsanteile im Dampf, de^dji den
Heißdampfkühler (Leitung 44) eintritt, zur Menge im Dampf, der den
Trockner verläßt (Leitung,. .62 )
009883/0744
302,50O (5770F)
91,4at (i300psia)
(Strömungsraten wie oben) 1000
(keine Strömung durch Leitung 48, 100$ ©ampf (quality)
in'Leitung 50) 1;
0,79kg/h (1.735lb/hr) 14,8at (210psia)
91,4at (1300psia) 3040C (5800I)
1o6,2at (1510psia) 32O0C (6080F)
0,243 kg/h (O.5361b/hr) 4820C (90O0F)
82,3at (1170psia)
68,8kcal/h (2 73Btu/hr
In Mg. 2 ist eine Modifikation der Heißdampfkühler- und Dekontaminationseinrichtung
von Mg.1 gezeigt, in der Vielfach-Wassereinspritz und Wasserabscheide-Trocknereinrichtungen verwendet
werden. Der Heißdampfkühler/und der erste Abscheidetrockner 16
in Mg.2 entsprechen den in Pig.1 dargestellten Einrichtungen
und stehen über Leitungen 52 und 48 mit einer nicht gezeigten Wasserreinigungseinrichtung in YerMndung, die der Einrichtung
in Mg.1 entspricht. In Mg.2 sind eine zweite Dampf-Wasserberührungseinrichtung
100 und eine zweite Abscheidetrocknereinrich-•tung
102 hinzugefügt, so daß der Dampfstrom von der Einlaßleitung
44 für überhitzten Dampf nacheinander durch den Heißdampfkühler 14 durch die Leitung 50, durch den ersten Abscheidetrockner 16,
durch die Leitung 104, durch die zweite Dampf-Wasserberührungseinrichtung
102, durch die Leitung 106, durch den zweiten AbscheideiiDckner
102 und die Auslaßleitung 62 für gesättigten Dampf verläuft. Gewünschtenfalls können eine größere Anzahl von
in Serie verbundenen abwechselnden Dampf-Wasserberührungseinrichtungen und Abscheide-Trocknereinrichtungen hinzugefügt werden,
aber für die Erläuterung ist nur eine solche hinzugefügte Einrichtung angegeben.
Eondensat-Speisewasser wird wie oben durch die Leitung 46
und das Ventil 47 in den Heißdampfkühler 14 eingeführt. Rückgefördertes
Wasser, das durch die Leitung 48 fließt, wird in zwei Ströme aufgeteilt, einer fließt durch die Leitung 48 in das Ventil
110 in den Heißdampfkühler 14 und der andere durch die Leitung 112 und daß Ventil 114 in die Dampf-Wasserberührungseinriohtung
100. Im Dampf mitgerissenes Wasser, das in die Abscheidetrookner 16 und 102 eintritt, wird abgeschieden und duroh die
Leitungen 116 und das Ventil 118 beziehungsweise die Leitung 120 und das Ventil 122 für eine Rückforderung duroh die Leitung 52
abgeführt. In dieser Art und Weise kann überhitzter Dampf gekühlt
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und dekontaminiert werden, kann Kondensat-Speisewasser verdampft werden, um gesättigten Dampf zu erzeugen, und der gesät- ·
tigte Dampf kann einer Anzahl von abwechselnden Wasch- und Trockenbehandlungen unterworfen werden, um einen praktisch
trockenen und völlig dekontaminierten Dampf zu erzeugene
In den Pig. 3 und 4 sind eine Draufsicht beziehungsweise
eine horizontale Querschnittsansicht einer modifizierten Form eines Heißdampfkühlers und einer Trockeneinrichtung gemäß der
Erfindung zusammen (im Falle der Fig. 3) mit einer schematischen Darstellung des Wasserreinigungs- und Rückförderungesystems, das
in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 erläutert wurde, gezeigt. Die Hauptteile der Einrichtung sind ein Absoheide-Trocknerkessel
130 mit einem Hadialflügel-Dampf-Wasser-Abscheider 132, ein
Dampftrockner 134, eine Dampfauslaßleitung 136» eine Dampfeinlaß
- und Abkühlleitung 138, eine Wassereinlaßleitung 140, eine Ansaugeeinrichtung 142 und eine Wasserauslaßleitung 144·
In dieser Modifikation wird kontaminierter, überhitzter Dampf, der durch die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Leitung 44
strömt, nach oben geführt und mit unterkühltem Kondensat-Speisewasser
vermisdfc, das durch die Leitung 150 zusammen mit dekontaminiertem,
rückgefördertem Wasser von der Einrichtung 20 und durch das Ventil 152 in die Einlaßleitung HO eingeführt
wird. Ein Teil dieses WasserstromeB kann ebenso duroh die Leitung 154 und das Ventil 156 direkt in den Kessel 130 geführt
werden, um den Wasserkörper 170 zu unterkühlen und den Pegel 184 zu halten. Auf diesem Wege kann aufgrund von Verdampfung
im Kessel 130 verlorengegangenes Wasser ersetzt werden und eine
in
Blasenbildung/cTer Aneaugleitung 166, die nachfolgend erläutert wird, wird verhindert. Der teilweise abgekühlte Dampf strömt weiter durch die Ansaugeinriohtung 142, die dur.oh eine Kammer
Blasenbildung/cTer Aneaugleitung 166, die nachfolgend erläutert wird, wird verhindert. Der teilweise abgekühlte Dampf strömt weiter durch die Ansaugeinriohtung 142, die dur.oh eine Kammer
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gebildet wird, die einen Abschnitt der Abkühlleitung 138 umschließ^
der Öffnungen 162 und ein Strömungsflächen-Reduzierstück 164
hat. Durch die Leitung 166 und das Ventil 168 kann eine Ansaugwasserströmung
vom Körper 170 von abgeschiedenem Wasser im Kessel 130 gesteuert werden. Dieser AnsaugsChrist überwindet viele
Schwierigkeiten, die andernfalls im Zusammenhang mit dem Pumpen von praktisch gesättigtem Wasser vom Körper 170 verbunden wären»
Die resultierende Wasserströmung wird in die Ansaugeinrichtung 142 und weiter durch die Öffnungen 162 in eine Vermischung mit
der Mischung, die in der Abkühlleitung 138 strömt, gezogen. Dadurch
wird die Dampfabkühlung vollständig erreicht und es wird eine Mischung von Sattdampf mit mitgerissenem Wasser erzeugt,
wobei die Kontaininierungsanteile primär in der Wasserphase enthalten sind. Der Hauptabkühleffekt wird durch Einführen vöä einer
Mischung von Kondensat-Speisewasser, das durch die Leitung 150 strömt 1 und von dekontaminiertem Rückförderwasser, das von der
Einrichtung 20 durch die Leitung 54 strömt, am Einlaß 140 erreicht. Auf diese Weise und aufgrund des Unterkühlungseffektes
dea Wassers, das in dem Körper I70 durch die Leitung 154 eingeführt
wird, wird das Verdampfen von kontaminiertem Rückförderwasser in der Ansaugeinrichtung 142 auf ein Minimum beschränkt.
Die vollständig abgekühlte Dampf-Wassermischung strömt nach
oben in den Radialflügel-Abscheider 132, der ein zentrales Einlaßrohr 176 mit in Längsrichtung verlaufenden, radial versetzten
Schlitzen oder Düsen 17-8, mehrere gekrümmte Radialflügel 180, die daran befestigt sind und um das Rohr 176 herum angeordnet sind,
und eine äußere Leitfläche 182 hat, die an den Enden offen ist und sioh von einem Niveau oberhalb der oberen Enden" der Flügel
180 zu einer Stelle unterhalb des unteren Endes der Flügel und unter den Pegel 184 des V/asserkörpers 170 erstreckt* In dem
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zentralen Einlaßrohr 176 befindet sich ein bewegliches Absperrorgan
186, das eine Welle 188, eine Dichtung 190, einen Anschlag 192 und eine Vorspannfeder I94 hat, die den Anschlag 192 nach
unten gegen die Dichtung 190 spannt, an welchem Punkt sich das Absperrorgan 186 unterhalb der unteren Enden der Düsen 178 befindet
und das Ausgangsende des zentralen Einlaßrohres 176 schließt ο (G-ewünschtenfalls kann ein nicht gezeigtes Gewicht
an die Absperrorgan 186-¥ellen--188-Kombination als eine Rückstellkraft
für die Feder 194 angebracht werden.)
Die nasse Sattdampfmischung strömt vom zentralen Rohr 176
radial nach außen durch den offenen Teil der Düsen 178 unterhalb des Absperrorgans 186 über die inneren gekrümmten Flächen
der Radialflügel 180, wodurch ein Abscheiden des mitgerisesnen Wassers bewirkt wird und ein Wasserwirbel auf der Innenfläche
der Ableitfläche 182 erzeugt wird. Das abgeschiedene Wasser strömt nach unten und sammelt sich als Körper 170 an und der
abgeschiedene Dtimpf strömt nach oben und tritt in den Trockner
134 durch die Öffnungen 196 ein und strömt praktisch frei von
mitgerissenem Wasser und Kontaminationsanteilen durch die Öffnung 198 und den Auslaß 136, Wenn das Dampf-Wasseigemisch in das
zentrale Einlaßrohr 176 mit höheren oder geringeren Strömungs-. raten eintritt, bewegt sich das Absperrorgan 186 entsprechend
nach oben oder unten in Abhängigkeit von den höheren oder geringeren Drücken, wodurch eine variable Länge und variable
offene Strömungsfläche der Düsen 178 geschaffen wird. Auf diese Art und Weise werden näherungsweise konstante Strömungsgeschwindigkeiten
durch die Düsen und über die Flügel über einen sehr weiten Bereich von Strömungsraten bei sehr hohen Abscheidewirkungsgraden
aufrechterhalten·
Patentansprüche 0Ö9883/07U
Claims (1)
- °* Meine Aktes 2048RA.OOB-353—5.1.68PatentansprücheΐΛ Verfahren für die Erzeugung von nutzbarer Energie aus einer Kernspaltungskettenreaktion, "bei dem eine Kernspaltungskettenreaktion unterhalten wird, um thermische Energie freizusetzen, bei dem Dampf, der durch Aufnahme der thermischen Energie überhitzt .wird, verwendet wird, die nutzbare Energie und Dampfkondensat zu erzeugen, wobei wenigstens ein Teil des überhitzten Dampfes mit dem Kondensat direkt gemischt wird, um das Kondensat zu verdampfen und trockenen Sattdampf zu erzeugen, und bei dem wenigstens ein !eil des Sattdampfes verwendet wird, die thermische Energie von der Reaktion aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des überhitzten Dampfes und des Kondensates in einer Heißdampfkühlereinrichtung (14) gesteuert vermischt werden, um den überhitztes Dampf vollständig abzukühlen und nassen Sattdampf zu erzeugen, daß das mitgerissene Wasser von dem nassen Sattdampf in einer Dampf-Wasser-Abscheideeinrichtung (16) abgeschieden wird, um trockenen Sattdampf zu erzeugen» daß Kontaminationsanteile aus wenigstens einem Teil des in der Abscheideeinriohtung (16) wiedergewonnenen Wassere entfernt werden, und daß das Wasser in die Heißdampfkühlereinrichtung geführt wird» · Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h gekenn 2 ei cn·* η e t, daß das Verhältnis der Strömung des Wassers zur Strömung des überhitzten Dampfes, der in den Heißdam#:ühlär{14) eingeführt wird bei einem Wert gesteuert wird» der über dem Wert liegt, der für eine vollständige Abkühlung dt* überhitzten Dampfes, der in den Heißdampfkühler eingeführt wird, erforderlich ist,009883/0744fc Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Sattdampf, der von dem Dampf-Wasser-Abscheider (16) abgezogen wird, wenigstens .einer zusätzlichenFolge von Behandlungen unterworfen wird, bei denen zuerst zudemsätzliches Wasser in/Dampf zerstäub^ wird und dann das zerstäubte Wasser aus dem Gemisch abgeschieden wird, wobei trockener Sattdampf übrigbleibt«^ Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaminationsanteile aus dem Wasser, das vom Dampf-Wasser-Abscheider abgezogen wird, durch Berühren des Wassers mit einem Ionenaustauscherharz entfernt wird.Su Kernkraftwerk zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4, mit einem Sattdampferzeuger, einer Einrichtung für den Umlauf des Dampfes vom Dampferzeuger aufeinanderfolgend durch die Wärmequelle, um überhitzten Dampf zu erzeugen, undwenigstens eines Teiles zurück zum Dampferzeuger, mit einer dampfgetriebenen Kraftmaschine, die mit einem Verbraucher und einem Abdampfkondensator verbunden ist, mit einer Einrichtung für die !Führung des Dampfes, der durch die Aufnahme der in der Wärmequelle freigesetzten thermischen Energie überhitzt ist, zu der Kraftmaschine, und mit einer Einrichtung für die Rückführung des Kondensats vom Kondensator zum Dampferzeuger, d a duroh gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger (18) einen Direktkontakt-Heißdampfkühler (18) hat, der eine Strömungaverbindung mit einem Dampf-Wasser-Abscheider (16) hat, daß er eine Wasser-Dekontaminationseinriohtung (20) hal·, diefür eine Wasseraufnähme mit dem Absoheider (16) und für eine Wasserabgabe mit dem Heißdampfkühler (18) verbunden ist, und daß er eine Einrichtung (132) hat, mit der daa Verhältnis der Wae-009883/0 74Aserströmung zum Heißdampfstrom, der in den Heißdampfkühler eingeführt wird, über dem Wert gehalten wird, der erforderlich ■ · ist, den überhitzten Dampf zu Sattdampf abzukühlen, wodurch Kontaminationsanteile des überhitzten Dampfes in dem mitgerissenen Überschußwasser injdem erzeugten nassen Sattdampf gesammelt und von dem Sattdampf in das Wasser abgeschieden werden, das demAbscheider entnommen und in die Dekontaminationseinrichtung geführt wird.6. Vorrichtung nach Anspruch 5, da durch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle so angeschlossen ist, daß^ sie einen größeren Anteil des überhitzten Dampfes zum Dampferzeuger und einen kleineren Anteil zur dampfgetriebenen kraftmaschine liefert.7. Vorrichtung nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem indirektem Wärmetauscher zwei Strömungsbahnen hat, von denen eine Strömungsbahn Dampf von der • Wärmequelle aufnimmt und Dampf zum Dampferzeuger abgibt und von denen die andere Strömungsbahn Dampf vom Dampferzeuger aufnimmt und Dampf zur Kraftmaschine weitergibt.8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn-™ zeichnet, daß der Heißdampfkühler Kondensat vom Abdampfkondensator an einem Punkt oberhalb des Strömungspunktes relativ zur Strömungsrichtung des überhitzten Dampfes darin, an dem der Heißdampfkühler rüokgefördertes Wasser vom Abscheider aufnimmt, aufnimmt,9· Vorrichtung nach Anspruch 5,gekennzeichnet durch wenigstens eine Dampf-Wasser-Berührungseinrichtung, von denen jede Dampf an einen zweiten Dampf-Wasser-Abscheider abgibt und Wasser von der Dekontaminationseinrichtung aufnimmt, welche Berührungseinrichtung und welcher Abscheider Sattdampf vom erstgenannten Dampf-Wasserabscheider aufnehmen und trooknen Satt-009883/0744dampf an die Wärmequelle abgeben.1Oe Vorrichtung nach Anspruch 5, !gekennzeichnet durch eine Wasseransaugeinrichtung (142), die Dampf zwischen dem Heißdampfkühler und dem Abscheider fördert und Wasser vom Abscheider aufnimmt und durch eine Einrichtung für die Einführung des Wassers, das von der Wasserdekontaminationseinrichtung zum Abscheider abgegeben wird.11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung für die Vereinigung des Kondensats mit dem Wasser, das von der Wasserdekontaminatiönseinrichtung vor der Abgabe an den Heißdampfkühler und den Abscheider abgegeben wirdt,β Vorrichtung nach Anspruch 5,dadurch gekenn* ζ e i'chne t, daß der Dampf-Wasser-Abscheider einen Radialflügel-Abscheider (132) mit einem vorgespannten, beweglichen, druckempfindlichen Absperrorgan (186) hat, das die offene Strömungsfläche, durch die das Dampf-Wasser-Gemisch gegen die Flügel des Abscheiders austritt, verändert werden kann, um die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches auf einem praktisch konstanten Wert über die Flügel zu halten*009883/0744. ΛΜ..Leerseite
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