DE2805958C3

DE2805958C3 - Düse zur adiabatischen Entspannung von Gasen

Info

Publication number: DE2805958C3
Application number: DE19782805958
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Klaus 8524 Neunkirchen Gregorius
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1978-02-13
Filing date: 1978-02-13
Publication date: 1981-03-19
Also published as: AU4414479A; CA1117166A; JPS6235806B2; GB2015141A; GB2015141B; DE2805958A1; JPS54117897A; FR2416716B1; AU526179B2; DE2805958B2; FR2416716A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düse zur adiabatischen Entspannung von Gasen bzw. Gasgemi- ι »Chen mit Düsenspalten, die z. B. schlitzförmig wie in der Uranisotopentrennung mit Hilfe der Lasertechnik ausgebildet sein können. Eine eingehende Beschreibung dieser Technik befindet sich in der deutschen Offenlegungsschrift 24 47 762. Die Abtrennung der mit Hilfe *< einer Laserstrahlung angeregten einen Isotopenvcrbn· dung — wie z. B. 235 UF₆ - erfolgt dort mit Hilfe einer chemischen Reaktion dieser Isotopenverbindung mit einem gleichzeitig zugeführten Reaktionspartner. Neben der chemischen Trennung von angeregten und nicht 4 ί angeregten Isotopenverbindungen sind jedoch auch physikalische Verfahren durchführbar, wie sie /. B. in der deutschen Offenlegungsschrift 23 11 584. beschrie ben sind. Die adiabatische Entspannung bewirkt eine Temperaturabsenkung des isotopenselektiv anzuregen- vi den !sotopengemisches. also z. B. der Verbindung UF₆ — wodurch eine sehr starke Verschmälerung der Absorptionsbanden der Isotopenmischung erreicht wird. Aut diese Weise ist erreichbar, daß sich die Q-Zweige der Absorptionsbanden der Isotopcnverbin- v> dung nicht mehr überlappen und somit nur die eint Isotopenverbindung mit Hilfe der Einstrahlung einer ihrem Q Zweig entsprechenden Frequenz einer Laserstrahlung selektiv angeregt wird, Mit Hilfe der adiabatischen Entspannung ist somit eine wesentliche mi Erhöhung des Trenneffektes bei der laserinduzierten Isotopentrennung möglich. Es ist dabei aber wichtig, daß diese Selektivität nicht durch Rückwärmung des Gasstromes während der Entspannung über die Düsenwand selbst verschlechtert wird. Diese Ver- μ schlechterung wird verursacht durch die Reibungswärme in der Grenzschicht sowie durch die von der Düsenwand dem Gasstrom zufließenden Wärme.

Es stellt sich daher die Aufgabe, von vornherein nach Maßnahmen zur Verhinderung einer solchen Rückwärmung des auf sehr tiefer Temperatur befindlichen Gasstromes zu suchen.

> Eine Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Düse zur adiabatischep Entspannung mit Einrichtungen zur Verringerung bzw. linkehrung des Wärmeüberganges zum Gasstrom versehen ist

Diese Einrichtungen können darin bestehen, daß die hi Düsenwandung aus einem Material schlechter Wärmeleitfähigkeit besteht und/oder konstruktiv so gestaltet ist daß ihre Wärmeleitfähigkeit möglichst klein wird.

Weiterbildungen der Erfindung sind noch in den Unteransprüchen 3 bis 6 dargelegL

ι "> Anhand der F i g. 1 —8 wird die vorliegende Erfindung näher erläutert wobei die F i g. 1 schematisch ein mögliches Beispiel für die Anwendung einer Entspan nungsdüse in einer Uranisotopentrennanlage darstellt und die übrigen Figuren verschiedene Ausführungsfor- -³O men dieser Düse zeigen.

Nach F i g. 1 ist in die Wandung eines Vakuumgefäßes 1 eine Düse 24 eingebaut, die aus Verteilerräumen 22 und 32 mit einer Mischung aus UF₆ Gas aus dem Vorratsbehälter 2 und dem Reaktionspartner, z. B. -'> Wasserstoffbromir*, aus dem Vorratsbehälter 3 gespeist wird. Über die Ventile 31 und 21 wird das gewünschte Mischungsverhältnis von UF₆ zu HBr von z. B. 1 : 10 eingestellt. Durch die Temperaturregelung im Vorratsbehälter 2 wird dabei der Dampfdruck des UF₆ auf etwa ι» 300 Torr eingestellt.

Das Gasgemisch gelangt aus dem Mischraum 23 in eine spaltförmigc Austrittsdüse 24. Der aus dieser Düse in die Vakuumkammer 1 austretende Dampfstrahl 8 ist bezüglich UF₆ stark unterkühlt und wird dort von dem '"■ Laserstrahl 4 durchsetzt, der in einer nicht dargestellten Lasereinrichiung cr/cugt wird.

Die Ausirittsdüse 24 hat im Düsenhals 5 z. B. eine Weite von einigen ¹Z₁₀₀ mm und etwa 50 cm Breite.

Durch die selektive Anregung nur der einen »> Isotopenverbindung des UF₆. also z. B. der Verbindung 235 UFi,, reagiert nur diese mit dem zugeführten Reaktionspartner, so daß diese Verbindung in 235 UF\ oder 235 UF₄ umgewandelt wird. Die nicht angeregten Teile des Gasstromes 8 werden durch die Wand Il abgeschalt und kondensieren an den Kühlwänden 14. Die Reaktionsprodukte 17 schlagen sich auf dei Auffangplatte 16 nieder. An den Kühlwänden 15 dagegen kondensieren hauptsächlich die nicht an der Reaktion beteiligten Anteile 238 UF*. Die flüchtigen " Produkte, wie /. B HF und HBr. werden über Pumpen abgesaugt.

Beispiele für die konstruktive Ausfuhrung der Düse 24 sind in den F ι g. 2 — 8 veranschaulicht. Aus ihnen gehl hervor, daß es viele Möglichkeiten gibt, die Rückwär '· mung des Gassiromes innerhalb der Düse möglichst zu verhindern. Diese Beispiele siellcn daher auch keine vollständige Auf/ählung dei Möglichkeiten dar \ inan der enlsprechende Bauteile sind in s.imiliihen Beispielen mit gleichen ht/.ugs/eichen versehen.

Die einfachste Form einer solchen Düse ist in F i g. 2 dargestellt. Die engste Stelle des Düsenspaltes ist mit 5 bezeichnet, die Wandung des Düscnauslasses mit 6. Die Richtung der durch die Düse strömenden Gasmischung ist durch einen Pfeil sowie das Be/.ugszeichcn 8 dargestellt. Der Düsenkörper 24 ist hier mit einem tiefen Einschnitt 61 versehen, so daß die Düsenwand 6 an der Austrittsseitc eine geringere Wandstärke aufweist, als in der Nähe des Düsenhalses 5. Durch diese Formi?eniinp

wird erreicht, daß die Wärmezufuhr nur vom Düsenhals 5 her möglich ist, wobei außerdem der Wärmeleitungswiderstand einstellbar ist Der Wärmeübergang durch den Einschnitt ti kann durch Einfügung eines Wärmeschutzschiides 64 praktisch unterbunden werden. Es sei aber darauf hingewiesen, daß die Düse 24 für Zwecke der Isotopentrennung im allgemeinen eine schlitzförmige Gestalt aufweist Selbstverständlich gelten die erwähnten Prinzipien aber auch für rotationssymmetrisch aufgebaute Düsen. Durch diesen Temperaturverlauf in der Düsenwandung, diese wird zum Austritt zu immer kälter, ist sichergestellt daß der Wärmefluß von der Düsenwand durch die Grenzschicht der Strömung zum Hauptgasstrom wesentlich verringert wird. Dieser Wärmefluß kann außerdem durch das Düseninaterial beeinflußt werden, das eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit haben sollte.

Eine andere Möglichkeit zur Einstellung des Verlaufes des Temperaturgradienten entlang der Düsenwandung 6 ist in der F i g. 3 dargestellt. F; er ist der Düsenkörper mi: Hohlräumen 62 versehen, die untereinander und mit dem Düsenaußenraum verbunden sein können. Diese Konstruktion hat gegenüber jener in Fig. 2 eine erheblich verbesserte mechanische Stabilität Über die durch die Hohlräume 62 gebildeten Materialstege ist nur ein beschränkter Wärmefluß vom Düsenkörper 24 her möglich, so daß in Verbindung mis der Kühlung durch den Hauptgasstrom 8 die Temperatur der Düsenwandung 6 bis zu ihrem Austrittsrand immer geringer wird.

Die F i g. 4 zeigt einen Ausschnitt dieser Düse entsprechend F i g. 3 aus der Sicht von vorne, also gegen den Gasstrahl. Hieraus ist zu ersehen, daß die Kammern

62 in der gesamten Düsenwandung 6 verteilt sind.
Diese Konstruktion mit den Hohlräumen 62 kann

noch dadurch verbessert werden, daß entsprechend F ι g. 5 das F.nde der Düsenwandung 6 mit einem Kühlkörper· 63 wärmeleitend verbunden ist. der z. B. von einem entsprechenden Kältemittel ständig durchströmt wird. Dadurch kann erreicht werden, daß die in der Grenzschicht entstehende Reibungswärme und evtl. sogar ein Teil der Restwärme des Hauptgasstromes 8 abgeführt werden. Die Grenze der zulässigen Wandabkühlung ist dabei in diesen Beispielen durch die Kondensationsiemperatur des Grenzschichtgases gegeben, die sich entlang der Düsenwand 6 infolge dos abnehmenden Druckes bei der Entspannung stark ändert Die Anpassung 'les Temperaturverlaufes an die örtliche Kondcnsationstcmperatut wird durch entsprechende Anordnung und Dimcpsionierung der Hohlräume 62 sowie der Kühleinrichtung 6Ϊ er/ielt. Durch eine zusätzliche Wärmeisolationsschichl 66 am Kühlkörper

63 kann cine dot t mögliche Kondensation vermieden

und der Wärmeübergang zwischen Umgebungsgas und Kühlkörper 63 reduziert werden.

Im Beispiel nach F i g. 6 ist eine Mehrfachdüse nach diesem Prinzip dargestellt, bei der eine Vielzahl von Düsenspalten S parallel zueinander angeordnet sind. Die benachbarten Düsen zugeordneten gemeinsamen Wände 65 sind ebenfalls mit Hohlräumen 62 versehen, von denen jeweils nur einer eingezeichnet ist. Selbstverständlich könnten auch, wie in den anderen Figuren, wabenförmige Hohlräume 6Z vorgesehen sein, von denen die der Düsenaustrittsseite am nächsten liegenden zusätzlich mit Hilfe eines Kühlmittels av' die erforderliche niedrige Temperatur gehalten werden können.

Zusätzlich zu den bisher beschriebenen konstruktiven Maßnahmen, aber auch für sich allein können entsprechend F" i g. 7 auf der Düseneintrittsseite Zufuhrungseinrichtungen 7 für ein Zr^ir<tzgas vorgesehen werden, das. wie dargestellt sozusagen als Grenzschicht die Düsenwandung bedeckt. Dieses Zusatzgas soll möglichst geringe Wärmeleitung haben, also ζ. Β aus Argon oder Xenon, bestehen, wenn eine Fremdkühlung des Hauptgasstromes nicht vorgesehen ist.

Dit in diesen Beispielen dargestellten Möglichkeiten zur Temperaturbeeinflussung der Düsenwände 6 auf ein durch die Wandkonzentration der durchtretenden Gasmischung begrenztes Maß, führt, infolge der dadurch bedingten /ähigkeitsverminderung in der Grenzschicht, zu einer erheblichen Minderung der Grenzschichtdicke. Dies wirkt sich wiederum auf die mittlere Gastemperaiur und außerdem auf die evtl. angewandte, an sich bekannte Druckrückgewinnung günstig aus.

Die F i g. 8 zeigt scnließhch eine Rntspannungsdüse 25 mit sozusagen aufgeklappten Wänden 6. die wieder mit Hohlräumen 62 versehen sind. Der die Düse verl-issende Gasstrom 8 weitet sich in der dargestellten Form auf und durchsetzt die hier im Querschnitt halbringartig gestaltete Bestrahlungszone. Anschließend tritt er in eine Anzahl kreisförmig um den Düsenaustritt angeordnete Dilfusoren 9 ein, in denen die Strömung in den Unterschallbereich überführt und damit in bekannter Weise cmc sogenannte Druckrückgtivinnung erzielt wird. Die eigentliche Abschcideeinrichiung für die Reaktionsprodukte ist nicht dargestellt, da diese mit der Düse selbst nichts zu tun hat.

Die Anwendung der beschriebenen Maßnahmen zur besseren Abkühlung eines Gases durch Hntspannung in einer Düse ist natürlich nicht auf die Urananreicherung beschränkt. Sie können /. B. auch bei Düsen gasdynamisch^ Laser angewendet werden /ur Vermeidung einer >tärKeten Besetzung Her unteren Knergieniveaus.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Düse zur adiabatischen Entspannung von Gasen bzw. Gasgemischen mit Düsenspalten, die z. B. schlitzförmig wie in der Uranisotopentrennung mit Hilfe der Lasertechnik ausgebildet sein können, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Einrichtungen (6, 61, 62, 7) zur Verringerung bzw. Umkehrung des Wärmeüberganges zum Gasstrom (8) versehen ist

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Düsenwandung (6) aus einem Material schlechter Wärmeleitfähigkeit besteht und/oder konstruktiv so gestaltet ist daß die Wärmeleitfähigkeit möglichst klein wird.

3. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dicke der Düsenwand (6) zum Düsenausgang zu verjüngt.

4. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Düsenwand (6) mit Hohlräumen (62) versehen ist.

5. Düse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Hohlräume (62) von einem Kühlmittel durchströmt sind.

6. Düse nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß sie vor ihrer engsten Stelle (5) auf der Gaseintrittsseite mit Zuführungsöffnungen (7) für ein eine Grenzschicht (71) an der Düsenwandung (6) bildendes Zusatzgas versehen ist.