DE19646232A1 - Verfahren zum Pumpen eines fluiden Mediums und Pumpe für ein fluides Medium - Google Patents
Verfahren zum Pumpen eines fluiden Mediums und Pumpe für ein fluides MediumInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Pumpen eines
fluiden Mediums und eine Pumpe für ein fluides Medium, insbe
sondere um Kühl- oder Notkühlwasser in einen Reaktordruckbe
hälter eines Kernkraftwerkes zu pumpen.
Die Sicherheitsaspekte für ein Kernkraftwerk fordern, daß der
Reaktor zu jeder Zeit kontrollierbar ist. Bei allen ernsteren
Störungen bzw. Störfällen des Reaktorbetriebes muß daher die
Nachzerfallswärme mittel- bzw. langfristig abgeführt werden,
um eine Kernschmelze mit ihren gravierenden Folgen zu vermei
den. Dazu ist es erforderlich, den Kernreaktor zu kühlen, in
dem ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser, in den Reaktor
druckbehälter bzw. in die Dampferzeuger eingespeist wird bzw.
der entstehende Dampf abgeführt wird. Moderne Entwicklungen
für die Sicherheitskomponenten zielen darauf ab, möglichst
passive, d. h. ohne bewegliche Teile ausgestattete Sicher
heitssysteme einzusetzen, die ohne externe Versorgung funkti
onsfähig sind. Für ein solches Sicherheitssystem besteht die
Forderung, daß es ohne jegliche elektrische Energie oder ex
terne Eingriffe zur Steuerung auskommt. Der Vorteil von pas
siven gegenüber aktiven Bauelementen ist ihre auch in Grenz
situationen hohe Zuverlässigkeit. So werden heutzutage Si
cherheitskonzepte entwickelt, bei denen die Sicherheitsbau
gruppen ihre nötige Energie beispielsweise aus Gravitations
kräften oder aus der bei einem Störfall frei werdenden Ener
gie beziehen, um von externen Versorgungsquellen unabhängig
zu sein. Dies hat zur Folge, daß selbst bei einem Ausfall al
ler externen Versorgungen die Sicherheitskomponenten funkti
onsfähig bleiben und damit eine Kernschmelze verhindern hel
fen.
Zur Kühlung eines Kernreaktors bei einem Störfall bietet es
sich an, die bei dem Störfall entstehende Wärmeenergie und
insbesondere den entstehenden Dampf zum Betreiben von bei
spielsweise Notkühlpumpen einzusetzen. Ein bekanntes Konzept
zum Pumpen einer Flüssigkeit mittels eines Dampfes bietet
hierzu die Dampfstrahlpumpe, wie sie beispielsweise aus
Meyers Lexikon "Technik und exakte Naturwissenschaften", 1.
Band, Mannheim 1969, Seiten 519 bis 520, bekannt ist.
Bei einem Siedewasserreaktor treten bei einem Störfall Be
triebsdrücke zwischen 70 und 3 bar auf, für die die Pumpe
ausgelegt sein muß. Zudem muß sie in der Lage sein, gegen den
im Reaktordruckbehälter herrschenden Druck Kühlwasser aus ei
nem Kühlwasserreservoir selbständig zu fördern, ohne auf eine
externe Starthilfe angewiesen zu sein. Die Dampfstrahlpumpe
ist hierfür nur bedingt geeignet. Problematisch ist der hohe
Betriebsdruck, der bei Störfällen starken Schwankungen unter
worfen ist. Darüber hinaus ist auch der Startvorgang bei ei
ner Dampfstrahlpumpe problematisch, da bis zum Aufbau des nö
tigen Gegendruckes für die Einspeisung von Kühlwasser in den
Reaktordruckbehälter sogenanntes Schlabberwasser über ein
Schlabberventil abgeführt werden muß. Erst bei ausreichend
hohem Druck kann auf das druckführende System umgeschaltet
werden, wozu eine Regelung des Startvorganges nötig wird. Die
Leistung einer Dampfstrahlpumpe ist von der Ausbildung der
verwendeten Düse sowie vom Druck und der Temperatur des Damp
fes abhängig.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren zum Pumpen
eines fluiden Mediums und eine Pumpe für ein fluides Medium
anzugeben, wobei die Pumpwirkung zuverlässig und unabhängig
von der Zufuhr externer Hilfsenergie ist.
Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß
gelöst durch ein Verfahren zum Pumpen eines fluiden Mediums
gemäß Patentanspruch 1. Bei diesem Verfahren wird das fluide
Medium durch Kontakt mit einem rotierenden Pumpfluid geför
dert. Dem Verfahren liegt die prinzipielle Idee zugrunde, ein
zu pumpendes fluides Medium in Kontakt mit einem rotierenden
Pumpfluid zu bringen, um den Impuls des Pumpfluides aus der
Rotationsströmung auf das fluide Medium zu übertragen. Da
durch wird das fluide Medium ebenfalls in eine Rotationsströ
mung versetzt und erfährt dabei Zentrifugalkräfte, die das
fluide Medium radial nach außen drücken. So entsteht ein ra
diales Druckgefälle, das zum Fördern des fluiden Mediums ver
wendet wird. Die Bedeutung dieses Verfahrens ist darin zu se
hen, daß der Druck zum Fördern des fluiden Mediums vorrangig
durch Zentrifugalkräfte aufgebaut wird.
Vorteilhafterweise strömt bei dem Verfahren das Pumpfluid un
ter Ausbildung einer Rotationsströmung entlang einer von der
Rotationsströmung gebildeten Rotationsachse durch eine im we
sentlichen gerundete Kammer, die mit wenigstens einem Auslaß
an ihrem Mantel versehen ist. Die gerundete, beispielsweise
rotationssymmetrische Kammer dient hierbei in einfacher Weise
der Ausbildung einer weitgehend reibungsfreien Rotationsströ
mung. Infolge der Zentrifugalkräfte baut sich an ihrer radial
angeordneten Mantelfläche ein Druck auf, der im wesentlichen
von der Dichte des fluiden Mediums und der Zentrifugalbe
schleunigung abhängt. An dem Mantel der Kammer bildet sich
eine aus dem fluiden Medium bestehende ringförmige Schicht.
Mit zunehmender Schichtdicke wächst der Druck in dieser
Schicht. Dieser Druck wird als Pumpdruck zum Fördern des
fluiden Mediums verwendet und kann den Druck des Pumpfluides
um ein Vielfaches übersteigen.
Bevorzugt strömt das Pumpfluid tangential in die Kammer, um
den Aufbau der Rotationsströmung zu unterstützen und zusätz
lich Rotationsenergie in Druckenergie umzuwandeln.
In einer weiteren vorteilhaften Weise wird bei dem Verfahren
die Rotationsgeschwindigkeit und damit die Zentrifugalkraft
durch eine Querschnittsverengung der Kammer erhöht. Aufgrund
der Drehimpuls-Erhaltung für das strömende Pumpfluid bietet
die Pumpe daher in einfacher Weise die Möglichkeit, die Ge
schwindigkeit des Pumpfluides und damit die Pumpwirkung zu
erhöhen. Gegenüber einer Dampfstrahlpumpe, bei der die Ge
schwindigkeit des Pumpfluides durch die Form der Düse be
grenzt wird, können durch die Querschnittsverengung bei einer
solchen Pumpe selbst hohe Überschallgeschwindigkeiten mühelos
erreicht werden.
Insbesondere strömt bei dem Verfahren das fluide Medium be
vorzugt tangential aus der Kammer. Dadurch wird zum Fördern
des fluiden Mediums der statische Druck, der durch die Zen
trifugalkräfte entsteht, um einen zusätzlichen Staudruck in
folge der Rotationsgeschwindigkeit erhöht. Die kinetische
Energie des fluiden Mediums wird dadurch weitgehend in Druck
energie umgewandelt.
Vorteilhafterweise wird bei dem Verfahren das fluide Medium
durch einen aufgrund der Rotationsströmung entstehenden Un
terdruck angesaugt, wodurch das fluide Medium aus einem tie
fer liegenden Reservoir gefördert werden kann.
Die auf die Pumpe gerichtete Aufgabe wird gelöst durch eine
Pumpe für ein fluides Medium mit einem Einlaß für ein Pump
fluid, wobei Mittel zum Erzeugen einer Rotationsströmung des
Pumpfluides vorgesehen sind, um das fluide Medium durch Im
pulsübertrag ebenfalls in eine Rotationsströmung zu verset
zen, um es unter Ausnutzung von Zentrifugalkräften zu pumpen.
Vorteilhafterweise weist die Pumpe eine im wesentlichen ge
rundete Kammer auf, wobei im Bereich des Mantels wenigstens
ein Auslaß angeordnet ist. Durch die gerundete Kammer wird
der Aufbau einer Rotationsströmung unterstützt. Die gerunde
te Kammer kann ein rotationssymmetrischer Körper, beispiels
weise ein Zylinder, sein. Anstatt eines kreisrunden Quer
schnittes der Kammer kann dieser aber auch beispielsweise
oval, also nicht rotationssymmetrisch, sein. Die Anordnung
eines oder mehrerer Auslässe im Bereich des Mantels stellt
sicher, daß die entstehenden Zentrifugalkräfte zum Pumpen für
das fluide Medium optimal ausgenutzt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Kammer entlang
der Rotationsachse in einem Teilbereich eine Querschnitts
verengung auf, um die Rotationsgeschwindigkeit und damit die
Pumpwirkung zu erhöhen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung umfaßt die Kammer
eine Eintritts- und eine Austrittskammer für das Pumpfluid
sowie eine dazwischen angeordnete Wechselwirkungskammer, wo
bei die Wechselwirkungskammer eine geringere Querschnittsflä
che als die Eintrittskammer aufweist. Damit wird eine Erhö
hung der Geschwindigkeit der Rotationsströmung in der Wech
selwirkungskammer erreicht, wodurch die Pumpleistung erhöht
wird.
Vorzugsweise strömt das Pumpfluid unter Druck durch wenig
stens einen als Düse ausgebildeten Einlaß in die Eintritts
kammer, um eine Rotationsströmung mit möglichst hoher Ge
schwindigkeit zu erzeugen. Da die Geschwindigkeit bei dieser
pumpe zusätzlich durch eine Querschnittsverengung der Kammer
erhöht werden kann, muß die Düse, beispielsweise eine La
valdüse, nicht zwingend auf maximale Geschwindigkeit ausge
legt sein. Denn die Optimierung von solchen Lavaldüsen, wie
sie i.d.R. in Dampfstrahlpumpen eingesetzt werden, ist bei
spielsweise für Sattdampf problematisch. Des weiteren ist es
für die Pumpwirkung nicht wie bei der Dampfstrahlpumpe aus
schlaggebend, daß das eingeströmte Medium vollständig auskon
densiert. Daher ist die Pumpwirkung von der Temperatur des
fluiden Mediums und des pumpfluides weitgehend unabhängig.
Auch ist das Massenstromverhältnis zwischen Pumpfluid und
fluidem Medium im Vergleich zur Dampfstrahlpumpe in weiteren
Grenzen wählbar.
Bevorzugt ist zum Aufbau der Rotationsströmung der Einlaß
tangential zum Mantel der Kammer und annähernd senkrecht zur
Rotationsachse angeordnet.
Vorteilhafterweise ist in der Wechselwirkungs- und in der
Eintrittskammer jeweils mindestens ein Auslaß angeordnet, um
das dort abzentrifugierte fluide Medium aus der Pumpe heraus
führen zu können.
Insbesondere ist es von Vorteil, den Auslaß für das fluide
Medium tangential zum Mantel der Kammer und in Strömungsrich
tung des Pumpfluides anzuordnen, um den dadurch entstehenden
zusätzlichen Staudruck des fluiden Mediums ebenfalls zum Pum
pen heranzuziehen.
Vorzugsweise ist im Auslaß ein Rückschlagventil, beispiels
weise eine Rückschlagklappe, angeordnet, wodurch das fluide
Medium auch gegen einen äußeren Druck selbstregulierend ge
pumpt werden kann. Dieses Merkmal erlangt im Hinblick auf Si
cherheitstechnische Aspekte eine wesentlich Bedeutung, da der
Startvorgang bei einer Pumpe mit einer solch relativ einfa
chen Rückschlagklappe vollkommen unproblematisch ist und kei
ne aufwendigen Regelmechanismen notwendig sind.
Vorteilhafterweise ist zwischen Wechselwirkungs- und Ein
trittskammer und/oder zwischen Wechselwirkungs- und Aus
trittskammer ein Übergangsbereich angeordnet, dessen Quer
schnittsfläche zur Querschnittsfläche der Wechselwirkungskam
mer reduziert ist. Hierdurch kann sich in der Wechselwir
kungskammer im Bereich des Mantels das abzentrifugierte flui
de Medium ansammeln, wodurch der zum pumpen zur Verfügung
stehende statische Druck erhöht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich
eine Zuleitung für das fluide Medium entlang der Rotations
achse in die Wechselwirkungskammer und ist mit einer Anzahl
von radialen Bohrungen versehen. Durch die zentrale Anordnung
der Zuleitung wird der dort bestehende Unterdruck zum Fördern
des fluiden Mediums aus beispielsweise einem Reservoir be
wirkt. Durch die radialen Bohrungen wird das fluide Medium
beim Eintritt in die Pumpe zerstäubt.
Vorteilhafterweise wird eine solche Pumpe in einem Kraft
werksreaktor beispielsweise als Einspeisepumpe eingesetzt, um
Kühlmittel in den Reaktor zu pumpen. Für weitere Anwendungs
zwecke, bei denen beispielsweise der Druck des Pumpfluides
vor dem Einströmen in die Pumpe konstant ist, kann die Pumpe
für die jeweiligen Einsatzgebiete beispielsweise auf maxima
len Förderdruck oder auf maximales Massenstromverhältnis op
timiert werden.
Es ist insbesondere vorteilhaft, eine solche Pumpe als Not
pumpe für Kühlwasser in einem Kernkraftwerk einzusetzen, da
die Pumpe bei einem Störfall selbsttätig und ohne äußere An
triebs- oder Energiequellen ein Kühlmittel in den Reaktor
block pumpt. Insbesondere ist hierbei der vollkommen unpro
blematische Startvorgang, die automatische Regulierung des
nötigen Druckaufbaues in der Pumpe für das fluide Medium so
wie die Unabhängigkeit von externen, beispielsweise elektri
schen, Versorgungsleitungen bzw. Hilfsaggregaten hervorzuhe
ben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Ausführungsbei
spiele der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Pumpe gemäß der Erfindung, die schematisch in
einem Längsschnitt veranschaulicht ist;
Fig. 2 bis Fig. 4 alternative Ausführungsformen der Pumpe mit
einfachem konstruktiven Aufwand in einer schemati
schen Darstellung.
Fig. 5 veranschaulicht schematisch ein Kühl- oder Notkühlsy
stem eines Kernkraftwerkes.
Gemäß der Fig. 1 umfaßt die Pumpe 2 eine rotationssymmetri
sche, hohle Kammer 14, die aus einer Eintrittskammer 4, einer
Wechselwirkungskammer 6 und einer Austrittskammer 8 gebildet
wird. Die Eintritts- 4 und Austrittskammer 8 sind jeweils mit
der Wechselwirkungskammer 6 in axialer Richtung entlang einer
Rotationsachse 16 der Kammer 14 verbunden. Durch einen Einlaß
10 tritt ein Pumpfluid v in die Eintrittskammer 4 ein und
strömt durch die Wechselwirkungskammer 6 in die Austrittskam
mer 8, wo das Pumpfluid v durch eine Austrittsöffnung 12 aus
der Rotationspumpe 2 wieder austritt. Das Pumpfluid v kann
beispielsweise Wasserdampf aus einem Reaktordruckbehälter ei
nes Siedewasserreaktors sein. Dieser Dampf kann nach dem
Durchströmen der Pumpe 2 beispielsweise einer Kondensations
kammer zugeleitet oder abgeblasen werden. Eine solche Pumpe
2, bei der Dampf als Pumpfluid v verwendet wird, kann in Ana
logie zur Dampfstrahlpumpe als Dampfrotationspumpe bezeichnet
werden.
Die aus den drei Einzelkammern 4, 6, 8 gebildete Kammer 14
umfaßt einen Mantel 141 und je eine Stirnseite 142, die die
Eintrittskammer 4 bzw. die Austrittskammer 8 begrenzt. Eine
Zuleitung 18 für ein fluides Medium f mündet durch die Stirn
seite 142 auf der Seite der Eintrittskammer 4 in die Kammer
14 und erstreckt sich entlang der Rotationsachse 16 bis in
die Wechselwirkungskammer 6. Das fluide Medium f kann bei
spielsweise Wasser aus einer Kondensationskammer eines Kraft
werkes sein. Prinzipiell können eine Vielzahl von Gasen und
Flüssigkeiten als fluides Medium f oder Pumpfluid v dienen,
sofern zumindest die spezifische Dichte des fluiden Mediums f
höher ist als die des Pumpfluides v. Die Zuleitung 18 ist
vorteilhafterweise zylindrisch und wird an ihrem Ende in der
Wechselwirkungskammer 6 von einer geschlossenen Stirnseite
181 begrenzt. Das fluide Medium f strömt bevorzugt aus einer
Anzahl von radial angeordneten Bohrungen 183 oder Öffnungen
durch einen Zylindermantel 182 im Bereich der Wechselwir
kungskammer 6 in die Kammer 14 ein.
Die Eintrittskammer 4 weist einen maximalen Radius r0 auf,
der größer ist als der maximale Radius r3 der Wechselwir
kungskammer 6. Die Austrittskammer 8 weist einen Radius r4
auf, der ebenfalls größer als der Radius r3 ist, wobei der
Radius r4 mit dem Radius r0 der Eintrittskammer 4 überein
stimmen kann. Die Querschnittsfläche der Kammer 14, deren
Flächennormale von der Rotationsachse 16 gebildet ist, wird
in je einem Übergangsbereich 20 zwischen der Eintritts- 4 und
der Wechselwirkungskammer 6 bzw. zwischen der Wechselwir
kungs- 6 und der Austrittskammer 8 auf einen Radius r2, der
kleiner ist als der Radius r3 der Wechselwirkungskammer 6,
reduziert. Der Radius der Querschnittsfläche im Übergangsbe
reich 20 zwischen Eintritts- 4 und Wechselwirkungskammer 6
muß dabei nicht zwingend mit dem Radius im Übergangsbereich
20 zwischen der Austrittskammer 8 und der Wechselwirkungskam
mer 6 übereinstimmen.
Der Einlaß 10 für das Pumpfluid v ist in der Eintrittskammer
4 bevorzugt in einem Abstand r1 von der Rotationsachse 16,
der kleiner als der Radius r0 der Eintrittskammer 4 ist, an
der Stirnseite 142 der Kammer 14 angeordnet. Um den Aufbau
einer Rotationsströmung des Pumpfluides v, die auch als
Drallströmung bezeichnet werden kann, zu begünstigen, ist der
Einlaß 10 insbesondere tangential zum Mantel 141 oder zur
Wand der Eintrittskammer 4 und annähernd senkrecht zur Rota
tionsachse 16 angeordnet, so daß die Rotationsachse 16 der
Kammer 14 zugleich auch die Rotationsachse der Rotationsströ
mung des Pumpfluides v ist. Besonders vorteilhaft ist die
Ausbildung des Einlasses 10 als Düse, die beispielsweise eine
Lavaldüse sein kann. Zum Zwecke einer optimalen Förderlei
stung der Pumpe ist die Düse dahingehend optimiert, daß das
Pumpfluid v mit einer möglichst hohen Geschwindigkeit in die
Eintrittskammer 4 eintritt. Mit einer einfachen Düse ist bei
überkritischem Druckgefälle schon eine Geschwindigkeit von
ca. 450 m/s zu erreichen.
Ist das Pumpfluid v Dampf, so kondensiert dieser infolge der
Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit teilweise aus und es
entstehen in der Eintrittskammer 4 Wassertröpfchen. Diese
werden aufgrund der hohen Rotationsgeschwindigkeit und der
damit verbundenen Zentrifugalkraft abzentrifugiert und sam
meln sich am Außenrand der Eintrittskammer 4 an der Innensei
te des Mantels 141. Es bildet sich also eine ringförmige Was
serschicht mit einer Dicke Δs, in der sich der statische
Druck erhöht. In dem speziellen Fall, in dem das Pumpfluid v
und das fluide Medium f die gleiche stoffliche Zusammenset
zung besitzen und eventuell lediglich als verschiedene Phasen
vorliegen, können sich das fluide Medium f und das Pumpfluid
v ununterscheidbar vermischen. Ein Teil des Pumpfluides v
kann dann zugleich als fluides Medium f, das gepumpt werden
soll, verwendet werden. Für diesen Teil des Pumpfluides v ist
dann eine Unterscheidung zwischen fluidem Medium f und Pump
fluid v nicht mehr möglich.
Der Druckaufbau Δpf eines fluiden Mediums f in einer solchen
ringförmigen Schicht 22 wird bestimmt von dem Produkt aus der
Dichte ρf des fluiden Mediums f, der Zentrifugalkraft bz und
der Höhe Δs der Schicht 22 gemäß folgender Gleichung:
wi ist hierbei die Rotationsgeschwindigkeit und ri der Radius
des rotierenden fluiden Mediums f.
Der Druckaufbau Δpf nimmt demnach mit zunehmender Dicke Δs
der Schicht 22 zu. In der Eintrittskammer 4 ist bevorzugt bei
dem Maximalradius r0 an der Kammerwand bzw. am Mantel 141,
ein Auslaß 24 für das fluide Medium f vorgesehen. Durch die
sen Auslaß kann die abzentrifugierte Flüssigkeit austreten.
In einer besonders bevorzugten Ausführung wird der Auslaß 24
tangential an der Kammerwand und zwar in Strömungsrichtung
des Pumpfluides v angeordnet, so daß die auskondensierte
Flüssigkeit direkt in den Auslaß 24 strömen kann. Der Auslaß
24 kann hierzu auch in die Kammer 14 hineinreichen. Mit die
ser Anordnung wird eine Erhöhung des Förderdruckes erzielt,
da die kinetische Energie weitgehend in Druckenergie in Form
eines Staudruckes umgewandelt wird. Durch den zusätzlichen
Staudruck wird eine wesentliche Effizienzsteigerung der Pumpe
2 erreicht.
Die Drall- oder Rotationsströmung in der Pumpe 2 entspricht
weitgehend einem Potentialwirbel und ist daher nahezu rei
bungsfrei. Lediglich aufgrund von Reibungsverlusten an der
Kammerwand oder an der Oberfläche der aus dem fluiden Medium
f gebildeten Schicht 22 oder auch an einzelnen beispielsweise
auskondensierten Tropfen verliert ein gewisser Anteil der Ro
tationsströmung kinetische Energie, d. h. die Rotationsge
schwindigkeit dieses Anteiles verringert sich. Aufgrund der
dann geringeren Zentrifugalkräfte gleitet dieser Anteil des
Pumpfluides v entlang der beispielsweise nach außen gekrümm
ten Stirnseite 142 in Richtung Rotationsachse 16. Somit steht
grundsätzlich der Anteil des Pumpfluides v aus der Rotations
strömung mit der höchsten Geschwindigkeit in Kontakt mit der
Schicht 22. Daher wird trotz der Reibungsverluste eine hohe
Rotationsgeschwindigkeit des fluiden Mediums f aufrecht er
halten.
Aus der Eintrittskammer 4 strömt das Pumpfluid v dann durch
den Übergangsbereich 20 in die Wechselwirkungskammer 6, die
einen kleineren Radius aufweist. Durch die Verringerung des
Querschnittes in der Wechselwirkungskammer 6 und im Über
gangsbereich 20 wird die Geschwindigkeit der Rotationsströ
mung erhöht. Sie kann hierbei hohe Überschallgeschwindigkei
ten erreichen. Vernachlässigt man zunächst eventuelle Rei
bungs- bzw. Kondensationseffekte, so muß aufgrund der Erhal
tung des Strömungsdrehimpulses das Produkt aus Strömungsge
schwindigkeit wi und Radius ri konstant sein. Dies bedeutet
bei einer Reduzierung des Radius um den Faktor 2 eine Erhö
hung der Geschwindigkeit um denselben Faktor. Da für den
Druckaufbau Δpf der Quotient aus dem Quadrat der Geschwindig
keit wi und des Radius ri bestimmend ist, ist eine Geschwin
digkeitserhöhung anzustreben.
Infolge der Rotationsströmung um die Rotationsachse 16 nimmt
der statische Druck mit Annäherung an die Rotationsachse 16
immer weiter ab. In der Nähe der Rotationsachse besteht ein
Unterdruck. Aufgrund dieses Unterdruckes wird das fluide Me
dium f aus den Bohrungen der Zuleitung 18 angesaugt. Es las
sen sich somit mehrere Meter Steighöhe überwinden. So kann
beispielsweise Kühlwasser aus einem Reservoir, z. B. aus einer
Kondensationskammer, ohne externe Pumpen automatisch ange
saugt werden.
Das aus der Zuleitung 18 durch die Bohrungen 183 in die Wech
selwirkungskammer 6 versprühte fluide Medium f, beispielswei
se Wasser, tritt dort in Kontakt mit der Rotationsströmung
des Pumpfluides v und vermischt sich teilweise mit ihm. Dabei
wird das in die Kammer gesprühte fluide Medium f, beispiels
weise Wassertropfen, zum einen wegen der anfänglich hohen Ge
schwindigkeitsunterschiede weiter zerstäubt, zum anderen wird
der Strömungsimpuls der Rotationsströmung auf das fluide Me
dium f übertragen, das dadurch stark beschleunigt wird. Die
Umfangsgeschwindigkeit beispielsweise von Wassertropfen kann
einige 100 m/s erreichen. Zudem kondensiert ein Teil des
Pumpfluides v, beispielsweise Wasserdampf, an den kalten Was
sertropfen aus. Gleichzeitig heizt der Dampf diese bis auf
Sättigungstemperatur auf. Für die Pumpwirkung ist es dabei
jedoch nicht notwendig, daß der Dampf vollständig konden
siert.
Analog zu den Prozessen in der Eintrittskammer 4 werden die
versprühten oder auskondensierten Tropfen in der Wechselwir
kungskammer 6 abzentrifugiert, so daß sich an der Innenseite
des Mantels 141 zwischen den beiden Übergangsbereichen 20
ebenfalls eine Schicht 22 bildet. Durch die Übergangsbereiche
20 wird ein Übertritt des fluiden Mediums f in die benachbar
te Eintritts- 4 oder Austrittskammer 8 vermieden und die Aus
bildung der Schicht 22 mit der Dicke Δs unterstützt. In der
Wechselwirkungskammer 6 sind wiederum ein oder mehrere Aus
lässe 24 für das fluide Medium f angeordnet. Bevorzugt befin
det sich der Auslaß 24 an der Innenseite des Mantels 141 und
ist tangential und in Strömungsrichtung des Pumpfluides v
bzw. des fluiden Mediums f ausgerichtet, d. h. der Auslaß 24
ist so angeordnet, daß das zu pumpende fluide Medium f in den
Auslaß 24 hineinströmt, so daß ein Staudruck entsteht und die
kinetische Energie aus der Rotationsströmung zumindest teil
weise in Druckenergie umgewandelt wird. Anstatt der in der
Fig. 1 gezeigten kreisförmigen Auslässen kann natürlich auch
ein über den gesamten Bereich der Wechselwirkungskammer 6
langgestreckter Auslaßspalt angeordnet werden.
Im Anschluß an die Wechselwirkungskammer 6 strömt das Pump
fluid v in die Austrittskammer 8. Zuvor wird es durch die
Querschnittsverengung im Übergangsbereich 20 beschleunigt, so
daß noch einmal Tropfen abzentrifugiert werden können. Die
Austrittskammer 8 entspricht in ihrer Geometrie weitgehend
der Eintrittskammer 4. Durch die Vergrößerung des Radius auf
den Radius r4 der Austrittskammer 8 nimmt die Rotationsge
schwindigkeit des Pumpfluides v ab. Das Pumpfluid v tritt
durch die Austrittsöffnung 12 aus der Pumpe 2 wieder aus. Ist
eine Austrittsvorrichtung mit einer Austrittsöffnung 12 tan
gential und in Richtung der Rotationsströmung angeordnet, so
wird die kinetische Energie der Rotationsströmung wiederum
weitgehend in Druckenergie zurückverwandelt. Da das Pumpfluid
v in der Wechselwirkungskammer 6 allerdings kinetische Ener
gie an das fluide Medium f abgegeben hat, ist nun der Druck
beim Austritt aus der Pumpe 2 geringer als beim Eintritt. Ist
das Pumpfluid v ursprünglich Sattdampf, so ist dieser beim
Verlassen der Pumpe 2 praktisch trocken und leicht überhitzt.
Fig. 2 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform einer
Rotationspumpe 2, bei der der konstruktive Aufwand reduziert
ist. Die Kammer 14 dieser Rotationspumpe 2 ist zylinderförmig
mit konstantem Radius r0. Das Pumpfluid v tritt an einem Ende
der Kammer 14 in diese unter Ausbildung einer Rotationsströ
mung durch einen oder mehrere Einlässe 10 ein. Die Einlässe
10, die vorteilhafterweise als Düsen ausgebildet sind, sind
im Abstand r1 zur Rotationsachse 16 und tangential zum Mantel
141 der Kammer 14 und annähernd senkrecht zur Rotationsachse
16 angeordnet. Der Einlaß 10 kann beispielsweise als Rohr
ausgebildet sein, das in die Kammer 14 hineinreicht. Das
fluide Medium f tritt durch radial angeordnete Bohrungen 183
aus der Zuleitung 18 in die Kammer 14 ein. In der Nähe des
der Einlaßseite gegenüberliegenden zweiten Endes der Kammer
14 befindet sich eine Austrittsöffnung 12 für das Pumpfluid
f. Die Austrittsöffnung 12 ist in einem Abstand r5 zur Rota
tionsachse 16 und tangential zum Mantel 141 angeordnet. Der
Abstand r5 ist kleiner als der Radius r0 der zylinderförmigen
Kammer 14 und ist so zu wählen, daß durch die Austrittsöff
nung 12 für das Pumpfluid f kein fluides Medium v, das sich
in der Schicht 22 ansammelt, austreten kann. Am Mantel 141
sind eine oder mehrere Auslässe 24 für das fluide Medium f
angeordnet. Je nach Bedarf können die Auslässe 24 tangential
am Mantel 141 der zylindrischen Kammer 14 angeordnet werden,
um die kinetische Energie der Rotationsströmung zusätzlich in
Druckenergie umzuwandeln. Zu diesem Zweck kann der Auslaß 24
auch als Spalt über die gesamte Zylinderlänge ausgebildet
werden.
Ist es nötig, daß das fluide Medium f gegen einen äußeren
Druck gefördert werden muß, so kann im Auslaß 24 eine Rück
schlagklappe 23 oder -ventil angeordnet werden. Übertrifft
der Außendruck, beispielsweise der Druck in einem Reaktor
druckbehälter, in den eine Kühlflüssigkeit eingepumpt werden
soll, den Druck oder auch Förderdruck des fluiden Mediums im
Inneren der Kammer 14, so schließt die Rückschlagklappe 23.
Gleichzeitig erhöht sich die Dicke Δs der Schicht 22 und da
mit auch der Förderdruck gemäß obiger Gleichung, bis dieser
den äußeren Druck übertrifft. Dann öffnet die Rückschlagklap
pe 23 und die Kühlflüssigkeit kann in den Reaktordruckbehäl
ter fließen. Dabei reduziert sich die Dicke Δs und somit der
Förderdruck und die Rückschlagklappe 23 schließt wieder, wenn
der Förderdruck den äußeren Druck unterschreitet. Bei ge
schlossener Rückschlagklappe baut sich der Förderdruck in der
Kammer 14 wieder auf. Aufbau eines Förderdruckes und Fördern
eines fluiden Mediums wiederholen sich daher in einem konti
nuierlichen Prozeß. Dabei ist das Umschalten zwischen der
Förderphase und der Druckaufbauphase selbstregulierend. Äuße
re Steuersysteme oder Eingriffe sind daher nicht notwendig.
Solche Rückschlagklappen können natürlich auch in den Ausläs
sen 24 der Eintritts- 4 oder Wechselwirkungskammer 6 angeord
net sein.
In Fig. 3 ist die Kammer 14 in einer weiteren Ausführungs
form schematisch im Querschnitt skizziert. Die Kammer 14 wird
aus einer Anzahl von Kammersegmenten 145 gebildet. Die Kam
mersegmente 145 erstrecken sich entlang der Rotationsachse 16
über die gesamte Kammer. Sie weisen eine nahezu kreisförmige
Krümmung auf, und sind derart angeordnet, daß sie sich gegen
seitig unter Belassung eines Spaltes zwischen den einzelnen
Kammersegmenten überlappen. In anderen Worten: sich überlap
pende Mantelsegmente eines Zylinders bilden die zylinderför
mige Kammer 14. Die Kammersegmente 145 sind dabei so angeord
net, daß bei einem definierten Drehsinn 147 ein bestimmtes
Kammersegment 145 das vorhergehende Kammersegment 145 über
lappt und von einem nachfolgenden überlappt wird. Rotiert das
Pumpfluid f mit gleichem Drehsinn, so erfüllen die einzelnen
von den sich überlappenden Kammersegmenten 145 gebildeten
Spalte 146 die Funktion eines tangential angeordneten Auslas
ses 24, der in Richtung der Rotationsströmung angeordnet ist.
Gemäß der Fig. 3 ist die Kammer 14 von einem Gehäuse 26 um
geben. In diesem Gehäuse 26 wird das fluide Medium f aufge
fangen und kann es über einen Auslaß 24 verlassen. Ist das
fluide Medium f gegen einen äußeren Druck zu pumpen, kann in
dem Auslaß 24 eine Rückschlagklappe 23 angeordnet werden, so
daß sich das fluide Medium f innerhalb des Gehäuses 26 ansam
melt. Es bildet sich innerhalb der Kammer 14 eine Schicht mit
der Dicke Δs, so daß bei einem ausreichenden Druck das fluide
Medium f die Pumpe 2 über die Austrittsöffnung 12 verläßt.
Gemäß der Fig. 4, die die Kammer 14 im Querschnitt zeigt,
ist der Mantel 141 der Kammer 14 offen. Der Mantel 141 weist
also einen Anfang und ein Ende auf. Anfang und Ende des Man
tels 141 überlappen sich, so daß der Mantel 141 eine schnec
kenförmige Gestalt annimmt. Die Öffnung des Mantels 141 er
füllt die Funktion des Auslasses 24. In Längsrichtung der Ro
tationsachse 16 betrachtet erstreckt sich daher zumindest in
einem Teilbereich der Kammer 14 an dem Mantel 141 ein Spalt,
der als Auslaß ausgebildet ist. Um den Pumpdruck für das
fluide Medium f um einen Staudruck zu erhöhen, ist die Öff
nung im Mantel 141, d. h. der Spalt, in Strömungsrichtung des
fluiden Mediums f angeordnet. In der Fig. 4 ist der Drehsinn
147 einer solchen Rotationsströmung angedeutet.
In Fig. 5 wird ein Kühlkreislauf bzw. ein Notkühlkreislauf
in einem Kernkraftwerk schematisch veranschaulicht. Bei einem
Störfall oder auch im Normalbetrieb wird der im Reaktordruck
behälter 31, beispielsweise eines Siedewasserreaktors, ent
stehende Dampf, das Pumpfluid v, über eine Leitung 301 in die
Pumpe 2 geleitet. Durch den in der Pumpe 2 entstehenden Un
terdruck wird Wasser, das fluide Medium f, über eine Leitung
302 aus einem Kühlmittelreservoir 32, das beispielsweise ein
Kondensationsbecken sein kann, in die Pumpe 2 gesaugt. Über
steigt der Druck in der Pumpe 2 den im Reaktordruckbehälter
31 herrschenden Druck, so wird das Kühlwasser über eine Lei
tung 303 von der Pumpe 2 in den Reaktordruckbehälter 31 ge
pumpt. Der Dampf verläßt die Pumpe 2 und wird über eine Lei
tung 304 entweder über Dach abgeblasen oder über eine Leitung
305 beispielsweise in die Kondensationskammer 32 zurückgelei
tet.
Claims (19)
1. Verfahren zum Pumpen eines fluiden Mediums (f), bei dem
das fluide Medium (f) durch Kontakt mit einem rotierenden
Pumpfluid (v) gefördert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Pumpfluid (v) unter
Ausbildung einer Rotationsströmung entlang einer von der
Rotationsströmung gebildeten Rotationsachse (16) durch eine
im wesentlichen gerundete Kammer (14) strömt, die mit
wenigstens einem Auslaß (24) an ihrem Mantel (141) versehen
ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Pumpfluid (v)
tangential in die Kammer (14) strömt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Rotations
geschwindigkeit durch eine Querschnittsverengung der Kammer
(14) erhöht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das
fluide Medium (f) tangential aus der Kammer (14) strömt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem das
fluide Medium (f) durch einen aufgrund der Rotationsströmung
entstehenden Unterdruck angesaugt wird.
7. Pumpe (2) für ein fluides Medium (f), mit einem Einlaß
(10) für ein Pumpfluid (v), wobei Mittel zum Erzeugen einer
Rotationsströmung des Pumpfluides (v) vorgesehen sind.
8. Pumpe (2) nach Anspruch 7, die eine im wesentlichen ge
rundete Kammer (14) aufweist, wobei im Bereich des Mantels
(141) wenigstens ein Auslaß (24) angeordnet ist.
9. Pumpe (2) nach Anspruch 8, bei der die Kammer (14) entlang
der Rotationsachse (16) in einem Teilbereich eine
Querschnittsverengung aufweist.
10. Pumpe (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 9, bei der die
Kammer (14) eine Eintritts- (4) und eine Austrittskammer (8)
für das Pumpfluid (v) und eine dazwischen angeordnete
Wechselwirkungskammer (6) umfaßt, wobei die Wechselwirkungs
kammer (6) eine geringere Querschnittsfläche als die Ein
trittskammer (4) aufweist.
11. Pumpe (2) nach Anspruch 10, bei der das Pumpfluid (v)
unter Druck durch wenigstens einen als Düse ausgebildeten
Einlaß (10) in die Eintrittskammer (4) einströmt.
12. Pumpe (2) nach Anspruch 11, bei der der Einlaß (10)
tangential zum Mantel (141) der Kammer (14) und annähernd
senkrecht zur Rotationsachse (16) angeordnet ist.
13. Pumpe (2) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der in
der Wechselwirkungs- (6) und in der Eintrittskammer (4) je
weils mindestens ein Auslaß (24) angeordnet ist.
14. Pumpe (2) nach Anspruch 13, bei der der Auslaß (24)
tangential zum Mantel (141) der Kammer (14) und in
Strömungsrichtung des Pumpfluides (v) angeordnet ist.
15. Pumpe (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 14, bei der im
Auslaß (24) ein Rückschlagventil (23) angeordnet ist.
16. Pumpe (2) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, bei der
zwischen Wechselwirkungs- (6) und Eintrittskammer (4)
und/oder zwischen Wechselwirkungs- (6) und Austrittskammer
(8) ein Übergangsbereich (20) angeordnet ist, dessen Quer
schnittsfläche zur Querschnittsfläche der Wechselwirkungs
kammer (6) reduziert ist.
17. Pumpe (2) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, bei der
sich eine Zuleitung (18) für das fluide Medium (f) entlang
der Rotationsachse (16) in die Wechselwirkungskammer (6) er
streckt und mit einer Anzahl von radialen Bohrungen (183)
versehen ist.
18. Verwendung einer Pumpe (2) nach einem der Ansprüche 7 bis
17 in einem Kraftwerksreaktor.
19. Verwendung einer Pumpe (2) nach einem der Ansprüche 7 bis
17 als Notpumpe für Kühlwasser in einem Kernkraftwerk.
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