DE2104525A1

DE2104525A1 - Kaltabscheider

Info

Publication number: DE2104525A1
Application number: DE19712104525
Authority: DE
Inventors: Lawrence Edwin Los Gatos Roy Prodyot Saratoga Calif Pohl (V St A )
Original assignee: United States Atomic Energy Commis ston, Washington, D C
Priority date: 1970-02-04
Filing date: 1971-02-01
Publication date: 1971-08-12
Also published as: FR2080956A1; GB1262439A; SE351510B; FR2080956B1; US3618770A; CA944145A

Description

Kaltabscheider

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abscheidung von Verunreinigungen aus einer Flüssigkeit nach Absenken der Temperatur (Kaltabscheider).

Beispielsweise beim Betrieb von Kernreaktoren mit einem flüssigen Natriumkreislauf entstehen durch Umsetzung des Natriums mit Fremdstoff en wie O₂, H₂O, N₂ und GO₂ mit Leckwasser des Sekundärkreises Verunreinigungen die entfernt werden müssen. Nach Erreichen des Sättigungszustands werden diese Verunreinigungen ausgefällt und gelangen in den Kreislauf und verursachen Korrosion, Verstopfen von Leitungen oder verfälschen Messergebnisse. Sie müssen daher abgeschieden werden. Dios geschieht meist durch Kaltabscheider bei entsprechend erniedrigter Temperatur. Hierbei wird meist ein Teil des Natriumstroms abgezweigt und durch einen Wärmeaustauscher geleitet. Mit abnehmender Temperatur tritt Sätti-

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ORlQHMAL INSfECTED

gung der Flüssigkeit mit den in dieser enthaltenen Verunreinigungen wie NaH, Na£, ® usw. ein, die bei weiterer Abkühlung in Übersättigung übergeht, so dass eine Kernbildung einsetzt und die Verunreinigungen sich auf geeigneten Kernbildungsstellen niederschlagen. Bisher war man zur Erhöhung der Leistung des Kaltabscheiders neben einer Vergrösserung der Abscheidefläche bestrebt, die Verweilzeit der verunreinigten Flüssigkeit in dem Abscheider möglichst auszudehnen, (5 Minuten und langer), um eine möglichst starke Kernbildung zu erreichen. Das hat aber den Nachteil eines entsprechend geringeren Durchsatzes.

Der Massentransportkoeffizient K für die auf den Wänden des Kalt ab scheiders niedergeschlagenen Verunreinigungen lässt sich durch die Gleichung ausdrucken:

-ff- - K

-~£- * g Niederschlag/Sek. A » Oberfläche

0 » Konzentration der übersättigten Verunre inigungen

0° - Sättigungslöslichkeit K, » Diffusions-Massentransportkoeffizient.

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Wie die Gleichung zeigt, kann die Leistung durch Vergrösserung der für die Kernbildung verfügbaren Fläche A oder durch Erhöhung des ftassentransportkoeffizienten K^ gesteigert werden. Für den diffusionsgesteuerten Massentransport ist bereits die Zunahme von K, mit steigender Geschwindigkeit (Reynold'sehe Zahl) gezeigt worden. Weiterhin wurde bereits nachgewiesen, dass Kernbildung und Ausfällung von Verunreinigungen bei gewöhnlichen Temperaturen und Durchsätzen des Kalt absehe iders diffusionsgesteuert sind. Die Verlängerung M der Verweilzeit ist also für die Leistungssteigerung nicht der ausschlaggebende Faktor. Die Ursache für die Steigerung des Massentransportkoeffizienten infolge steigender Turbulenz N-n lässt sich folgendermassen erklären:

Im Bereich der diffusionsgesteuerten Ausfällung steigt der Transport von Verunreinigungen durch die flüssige Grenzschicht zu den Kernbildungsstellen mit zunehmender Turbulenz Np und damit auch die Leistung. Dies kann man auch durch Erhöhung des Durchsatzes von Flüssigkeit (z. B. Na) erreichen, ™ aber nur in den durch die Wärmeaustauschkennlinie bei gegebenen Austauschflächen gesetzten Grenzen. Ausserdem erhöht die Steigerung des Durchsatzes, z. B. um den Faktor 10 die Reynold¹sehe Zahl nur um den gleichen Wert, macht aber auch den zehnfachen Wärmeaustausch erforderlich, bei entsprechend aufwendigerer Apparatur und höheren Verlusten.

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Erfindungsgemäss lässt sich die Leistung ohne Erhöhung des Durchsatzes dadurch erheblich^steigern, dass die Flüssigkeit im Durchlauf elektromagnetisch in einer Ringkammer des Kaltabscheiders mit steigender Geschwindigkeit bewegt wird. Die Vorrichtung der Erfindung ist im Einzelnen dadurch gekennzeichnet, dass ein in einem Behälter angeordneter Innenzylinder mit der Behälterinnenwand eine Ringkammer "bildet, ein Wärmeaustauscher über einen abnehmbaren Deckel des Behälters so mit diesem verbunden ist, dass die ungereinigte Flüssigkeit hoher Temperatur in die Eingkammer strömt und die gereinigte Flüssigkeit niederer Temperatur durch den Innenzylinder aus dem Behälter abströmt, und um den Behälter ein der durch die Hingkammer strömenden Flüssigkeit eine spiralförmige Rührbewegung mitteilender, ein Mehrphasen-Drehmagnetfeld erzeugender Stator oder dergleichen angeordnet ist, sowie Kühlmittel zum Kühlen des Behälters vorgesehen sind.

Die Reynold¹ sehe Zahl wird dadurch um einen Faktor von 100 oder mehr gesteigert. Das Rotationsfeld erzeugt in der durch die Ringkammer strömenden Flüssigkeit Wirbelströme, die mit dem Statorfeld magnetisch gekoppelt sind. Die Flüssigkeit ist bestrebt, dem Statorfeld synchron zu folgen, durch Trägheit entsteht aber ein Schlupf.

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Die Zeichnung zeigt die Vorrichtung der Erfindung im Längsschnitt .

Der Aussenbehälter 10 ist im Abstand in dem Träger oder Gehäuse 11 angeordnet, dass ein ringförmiger Kühlmitteldurchlass 13 entsteht, der mit einem Kühlmitteleinlass 12 verbunden ist. Das Kühlmittel fliesst in diesen in Pfeilrichtung ein. Ein ringförmiger Mehrphasenstator 14- ist im Gehäuse 11 um den unteren Teil des Behälters 10 angeordnet und wird über die Anschlüsse 16 durch eine Mehrphasen-Wechselstromquelle 15 betrieben. Über das offene obere Ende des Behälters 10 ist ein abnehmbarer Deckel 17 gelegt, an dessen Innenseite mittig ein Innenzylinder 18 befestigt ist. Im oberen 2/3 dieses Zylinders ist ein Maschengitter 19 z. B. aus rostfreiem Stahl oder dergleichen angebracht. Der Zylinder bildet mit dem Aussenbehälter 10 eine Ringkammer 20. Zwischen dem unteren Ende des Innenzylinders 18 und dem geschlossenen unteren Ende des Behälters 10 sind die Leitbleche 21 vorgesehen. Durch den Boden des Behälters 10 ist ein Thermoelement 22 geführt. Durch zwei Öffnungen 23» 24 in dem Deckel 17 sind die Anschlüsse eines Wärmeaustauschers 25 in das Innere des Behälters 10 geführt. Ein ausseres Rohr grösseren Durchmessers 26 des Wärmeaustauschers 25 ist mit einem Ende in der näher am Umfang des Deckels liegenden Öffnung 23 befestigt, während ein Rohr 27 mit einem Ende in der

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weiter nach der Deckelmitte zu liegenden zweiten Öffnung 24- und mit dem anderen Ende in einer öffnung 28 des Rohrs 26 "befestigt ist. Ein mit Abstand im Rohr 26 gelagertes Innenrohr 29 bildet mit dem Rohr 26 eine Ringkammer 30. Das obere Ende des Rohrs 26 ist um das als Einlass dienende Innenrohr 29 geschlossen und etwas darunter mit dem Auslaßstutzen 31 versehen. Nahe der Öffnung 23 hemmt ein Abdichtblock 33 zwischen den Aussen- und Innenrohren 26, 29 den Durchfluss vom Rohr 26 in die Ringkammer 20 des Behälters 10.

Im Betrieb der Vorrichtung wird die verunreinigte Flüssigkeit, z. B. Natrium vom Sekundärkreislauf eines Kernreaktors in Pfeilrichtung nach unten in das Innenrohr 29 des Wärmeaustauschers gepumpt und strömt in die Ringkammer 20 zwischen dem Aussenbehälter 10 und dem Innenzylinder 18. Hierbei nimmt die Strömung eine Spiralbahn an, die unter dem Einfluss des durch den Stator 14 erzeugten Drehmagnetfelds im Bereich A-A noch beschleunigt wird. Dabei wird die Flüssigkeit durch den über die lussenwand des Behälters 10 seichenden aufwärts gerichteten Luftstrom ständig weiter gekühlt, so dass die Verunreinigungen ausgeschieden werden und sich auf den Kernbildungsstellen 34 auf der Wand des Behälters 10 und gegebenenfalls dem Stahlgitter 19 niederschlagen.

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Am Punkt B des die Natriumströmung darstellenden Pfeils nahe dem unteren Ende des Zylinders 18 hat das Natrium seine niedrigste Temperatur erreicht und fliesst nach oben durch den Innenzylinder 18, wobei sich die restlichen Verunreinigungen absetzen.

Das gereinigte Natrium fliesst durch die öffnung 24- in dem Deckel 17 über das Rohr und die Ringkammer 30 des Wärmeaustauschers 25 und tritt durch den Auslass 31 aus der Vorrichtung. Beim Durchfluss durch die Ringkammer 30 findet zwischen dem einströmenden, ungereinigten und dem ausströmenden gereinigten Natrium ein Wärmeaustausch statt, durch den das erstere gekühlt, das letztere wieder erhitzt wird.

Ein Teil der an den Kernbildungsstellen 3^ angesammelten Verunreinigungen löst sich ab und sinkt entweder zum Boden oder wird durch die Strömung mitgerissen. Um einen Rückfluss der Verunreinigungen zu vermeiden, wird das Gitter 19 zweckmässig so fein ausgebildet, dass es diese zurückhält, während andererseits die Leitbleche 21 diese durchlassen. Das Thermoelement 22 kann mit Regelmitteln für den Kühlmitteldurchsatz und die Kühlmitteltemperatur zur Kühlung des Schalters 10 verbunden sein.

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Versuche mit dem erfindungsgemässen Kaltabscheider ergaben infolge der gesteigerten Turbulenz N„ erheblich beschleunigte Ausfällungen von Verunreinigungen, insbesondere korrodierender Stoffe. Weitere Vorteile sind z. B. bessere Abscheidung besonders von bisher schwer erfassbaren Stoffen wie z. B. Wasserstoff, die im Sekundärkreis von Kernreaktoren häufig vorkommen, höhere Kapazität bei gleicher Baugrösse oder bei gleicher Kapazität geringere Baugrössen,
durch bessere Ausnutzung der gekühlten Flächen als Kernbildungsstellen, bessere Einstellbarkeit der Leistung ohne Erhöhung des Durchflusses, was z. B. im Notfall bei Leckwerden des Dampfgeneratorkreises wichtig sein kann, u. a. Vorteile mehr.

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Claims

Patent an spräche

1. Vorrichtung zur Abscheidung von Verunreinigungen aus Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einem Behälter (10) angeordneter Inn&ylinder (18) mit der Behälterinnenwand eine Ringkammer (20) bildet, ein Wärmeaustauscher (25) über einen abnehmbaren Deckel (17) des Behälters (10) so mit diesem verbunden ist, dass die ungereinigte Flüssigkeit hoher Temperatur in die Ringkammer (20) strömt und die gereinigte Flüssigkeit niederer Temperatur durch den Innenzylinder aus dem Behälter abströmt, und um den Behälter ein der durch die Ringkammer stromenden Flüssigkeit eine spiralförmig· Rührbewegung mitteilender, ein Mehrphasen-Drehmagnetfeld erzeugender Stator oder dergleichen angeordnet ist, sowie Kühlmittel zum Kühlen des Behälters vorgesehen sind.

2. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss für die Flüssigkeitszufuhr durch eine mehr nach dem Umfang zu und der Anschluss für die Flüssigkeitsabfuhr durch eine mehr nach der Mitte zu gelegene öffnung (23 bzw· 24) des Deckels geführt ist.

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3. Vorrichtung gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Teil des InnAylinders ein für die Kernbildung der Verunreinigungen geeignetes Maschengitter (19) oder dergleichen angeordnet ist.

4. Vorrichtung gemäss Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter durch eine von dem dem Flüssigkeitseinlass entgegengesetzten Ende bis zu diesem Einlassende gerichteten Luftstrom gekühlt wird.

5· Vorrichtung gemäss Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts von dem Gitter die Verunreinigungen in Absetzrichtung im unteren Behälterteil hindurchlas«ende Leitbleche (21) angeordnet sind.

6. Vorrichtung gemäss Ansprüchen 1-5* dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter mit einem Temperaturmesser, Thermoelement (22) oder dergleichen versehen ist.

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