DE3929327C1 - Hydrogen spark igniter for nuclear power station - has spark path safety device with catalyst for controlled combustion - Google Patents

Abstract

A spark igniter for hydrogen has been developed for nuclear power stations, where hydrogen is released in quantities, in case of a catastrophe, into a safety container for ignition at the lowest possible hydrogen concn. The igniter causes the recombination with oxygen at low H2 concns. below the explosive limits due to a protective cap for the spark gap. A catalyst (Pd or Pt) is present and the heating of the cap caused by the catalytic combustion of hydrogen reduces the risk of chemical break-off reactions. The hydroxyl radicals produced by the catalytic combustion are utilised to raise the ignitability of the hydrogen mixt. ADVANTAGE - This is a reliable method of preventing the flame extinction and ensures the desired controlled combustion of H2.

Description

Die Erfindung betrifft Funkenzünder für Wasserstoff und insbesondere Schutzvorrichtungen für die Zündfunkenstrecke der Wasserstoff-Funkenzünder.The invention relates to spark igniters for hydrogen and in particular protective devices for the spark gap the hydrogen spark igniter.

Funkenzünder zur Zündung von Wasserstoff werden beispielsweise in Kernkraftwerken benötigt, wobei sie Wasserstoff, der bei einem schweren Unfall in größeren Mengen gebildet und in den Sicherheits­ behälter freigesetzt werden kann, bereits bei möglichst niedrigen Wasserstoffkonzentrationen kontrolliert zünden sollen. Dies ist notwendig, weil die bei einer Verbrennung des Wasserstoffs bei hoher Konzentration unter Umständen auftretenden zerstörenden Auswirkungen wie Deflagrationen und Detonationen auf jeden Fall vermieden werden müssen.Spark igniters for the ignition of hydrogen are used, for example, in nuclear power plants needed, being hydrogen, which in a heavy Accident formed in larger quantities and in safety container can be released, if possible ignite low hydrogen concentrations in a controlled manner should. This is necessary because of burning of hydrogen at high concentration under certain circumstances destructive effects such as deflagrations and detonations must definitely be avoided.

Gaszünder allgemein sind für unterschiedlichste Anwendungs­ bereiche vorgeschlagen worden. So beschreibt z.B. die DE 84 36 764 U1 ein Handgasfeuerzeug mit einem in einem runden Zündrohr aufgenommenen Brenner, der mit einem Piezoschlagwerk gezündet wird. Die DE-PS 1 81 765 gibt Schutzhülsen für Gasselbstzünder in Form mit Löchern versehener kappenartiger Schutzvorrichtungen an, die die jeweilige Zündpille umgeben. Aus der US 32 43 631 ist ein Funkenzünder für Gasturbinen bekannt, bei dem die in den Verbrennungsraum ragende Spitze einer typischen Zündkerze mit einer Platinkatalysatorbeschichtung versehen ist, um nach Erlöschen der Flamme infolge kurzer Unterbrechnungen der Treibstoff-Luftgemischzufuhr eine erneute Zündung zu bewirken.Gas igniters in general are for a wide variety of applications areas have been proposed. For example, the DE 84 36 764 U1 a handheld gas lighter with one in one round ignition tube, burner with a Piezo hammer mechanism is ignited. DE-PS 1 81 765 gives Protective sleeves for gas igniters in the form of holes provided cap-like protective devices that the surround each squib. From US 32 43 631 is a  Spark igniter known for gas turbines, in which the in the Combustion chamber tip of a typical spark plug is provided with a platinum catalyst coating in order after the flame goes out due to short interruptions the fuel-air mixture supply re-ignites cause.

Darüber hinaus sind eine Reihe von Funkenzündern für Wasserstoff speziell für die Sicherheitsbehälter von Kernkraftwerken vorgeschlagen worden. Die DE 38 33 401 A1 und die DE 38 20 187 A1 verwenden Zündkerzen oder Kombina­ tionen von Zünd- und Glühkerzen, die in durch siebartige Wandungen und Metallkäfige begrenzten Gasräumen angeordnet sind. Durch diese Maßnahme soll die Ausbreitung einer explosionsartigen Gasreaktion in den übrigen Gasraum des Sicherheitsbehälters vermieden werden. Als Zündquellen zum Abfackeln des Wasserstoff-Luftgemischs werden in der DE 30 04 677 C2 neben Glüh- und Zündkerzen auch katalyti­ sche Zündquellen angegeben, wobei die Zündquellen in einem das Gefährdungspotential berücksichtigenden Raster angeord­ net sind.In addition, a number of spark igniters are available for Hydrogen especially for the safety containers from Nuclear power plants have been proposed. DE 38 33 401 A1 and DE 38 20 187 A1 use spark plugs or Kombina tions of spark and glow plugs, which are in sieve-like Walls and metal cages arranged in limited gas spaces are. This measure aims to spread a explosive gas reaction in the remaining gas space of the Security container can be avoided. As ignition sources for Flaring of the hydrogen-air mixture is carried out in the DE 30 04 677 C2 in addition to glow and spark plugs also catalytic specified ignition sources, the ignition sources in one arranged grid taking into account the hazard potential are not.

Die DE 37 05 193 A1 beschreibt ein Zündsystem zur Zündung von niedrigen Wasserstoffkonzentrationen, das mit einem piezoelektrischen Wandler, der über ein temperaturabhängig betätigtes Federwerk gespeist wird, gezündet wird, wobei das Zündsystem unabhängig von externen Energiequellen arbeitet. Ferner ist angegeben, daß die Zündung in einer nicht näher erläuterten Spritzwasserschutzvorrichtung stattfinden soll. Aus der Zeitschrift "Kerntechnik", Bd. 53, 1988 No. 1, Seiten 56 bis 58, ist ein Wasserstoff-Funken­ zünder mit einer Schutzvorrichtung für die Funkenstrecke ersichtlich (Fig. 3). Darüber hinaus wird in dieser im Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 gewürdigten Schrift, die eine frühzeitige Verbrennung des Wasserstoffs und dessen Rekombination mit Sauerstoff bei niedrigen Wasserstoffkon­ zentrationen unterhalb der Explosionsgrenze anstrebt, als alternative Lösung ein katalytischer Wasserstoffgaszünder erläutert. In diesem erwärmt sich durch Rekombination des eindringenden Wasserstoffs das katalytische Zündelement in Form mit dem Katalysator integral ausgebildeter Drähte, wodurch das das Element umgebende Gas entzündet wird.DE 37 05 193 A1 describes an ignition system for igniting low hydrogen concentrations, which is ignited with a piezoelectric transducer, which is fed via a temperature-dependent spring mechanism, the ignition system working independently of external energy sources. Furthermore, it is indicated that the ignition should take place in a spray water protection device which is not explained in more detail. From the magazine "Kerntechnik", Vol. 53, 1988 No. 1, pages 56 to 58, a hydrogen spark igniter with a protective device for the spark gap can be seen ( Fig. 3). In addition, in this in the preamble of claim 1 document, which strives for an early combustion of the hydrogen and its recombination with oxygen at low hydrogen concentrations below the explosion limit, a catalytic hydrogen gas igniter is explained as an alternative solution. In this, the recombination of the penetrating hydrogen heats up the catalytic ignition element in the form of wires which are integrally formed with the catalyst, as a result of which the gas surrounding the element is ignited.

Um die offene Verbrennung des Wasserstoffs bei der Abfacke­ lung gänzlich zu vermeiden, ist in der DE 37 27 207 A1 vorgeschlagen, den Wasserstoff lediglich durch eine kata­ lytische Rekombination zu beseitigen. Die am Katalysator­ körper auftretende, an sich unerwünschte und im Vergleich zur Funkenzündung geringe Erwärmung wird dazu genutzt, die Zirkulation des Wasserstoffgemischs durch das den Katalysa­ torkörper umgebende Rohr anzufachen. Ferner ist ausgeführt, daß durch Beschichtung der Innenseite dieses Rohrs mit Katalysatormaterial die Katalysatorwirkung ohne nennenswer­ te Erwärmung verbessert werden kann.About the open combustion of hydrogen in the flaring process To avoid altogether is in DE 37 27 207 A1 suggested the hydrogen only through a kata eliminate lytic recombination. The one on the catalytic converter body occurring, in itself undesirable and in comparison low heating is used to ignite the spark Circulation of the hydrogen mixture through the catalytic converter Fan tube surrounding the body. It is also stated that by coating the inside of this tube with Catalyst material the catalyst effect without significant te warming can be improved.

In der Praxis stellte sich heraus, daß eine Beseitigung des Wasserstoffs durch die katalytische Rekombination allein oft nicht ausreicht und auf die Abfackelung mit Hilfe von Funkenzündern nicht verzichtet werden kann. In den oben erwähnten Funkenzündern mit Schutzvorrichtung um die Funkenstrecke wurde bisher jedoch ein im folgenden erläu­ terter nachteiliger Effekt nicht erkannt und nicht berücksichtigt.In practice, it was found that removal of the Hydrogen through catalytic recombination alone often not sufficient and the flaring with the help of Spark igniters can not be dispensed with. In the above mentioned spark igniters with protective device around the Spark gap has so far been explained in the following terter adverse effect not recognized and not considered.

Die entwickelten Funkenzünder in Form batteriegetriebener Einheiten weisen z.B. die aus der Figur ersichtliche Form auf. Eine perforierte metallische Schutzkappe 1 umgibt zum Schutz vor Beschädigungen die eigentliche Funkenstrecke, in der bei einem schweren Unfall selbsttätig Funken erzeugt werden sollen. Die Schutzkappe ist üblicherweise am Funken­ zündergehäuse 2 mittels nicht dargestellter Schrauben be­ festigt. Das Gehäuse 2 enthält die Batterien, die Elektro­ nik und Druck- und Temperaturschalter, von denen letzterer in der angedeuteten Weise aus dem Gehäuse herausragt.The spark igniters developed in the form of battery-operated units have, for example, the shape shown in the figure. A perforated metallic protective cap 1 surrounds the actual spark gap for protection against damage, in which sparks are to be generated automatically in the event of a serious accident. The protective cap is usually fastened to the spark igniter housing 2 by means of screws, not shown. The housing 2 contains the batteries, the electronics and pressure and temperature switches, the latter of which protrudes from the housing in the manner indicated.

Die Zündeinrichtung erzeugt bei Vorhandensein eines zünd­ fähigen Wasserstoff-Luft-Dampf-Gemisches innerhalb der Schutzkappe eine fortschreitende Flamme. In dieser Flammen­ front finden komplexe chemische Kettenreaktionen von Radi­ kalen statt. Eine Abbruchreaktion mit einem stark exo­ thermen Charakter tritt dann auf, wenn Stoßparameter z.B. in Form von Molekülen oder Wänden vorhanden sind, welche die freiwerdende Reaktionsenthalpie aufnehmen. Die hierbei freigesetzte erhebliche Wärmemenge trägt ganz wesentlich zu den hohen Temperaturen bei, die bei der Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser entstehen.The ignition device generates an ignition capable hydrogen-air-vapor mixture within the Cap a progressive flame. In this flame front find complex chemical chain reactions from Radi kalen instead. A termination reaction with a strongly exo thermal character occurs when shock parameters e.g. are in the form of molecules or walls, which absorb the released enthalpy of reaction. The one here released considerable amount of heat contributes significantly the high temperatures involved in the implementation of Hydrogen and oxygen are created in water.

Infolgedessen finden vermehrt Abbruchreaktionen, die eine Erwärmung der Schutzvorrichtung zur Folge haben, statt, wenn die von der Zündeinrichtung erzeugte Flammenfront die Wände der Schutzvorrichtung erreicht. Bei geringen Wasserstoffkonzentrationen entzieht dieser Vorgang der Flamme soviel Energie, daß eine weitere Ausbreitung der Flammenfront außerhalb der Schutzvorrichtung unterbunden wird und damit die angestrebte kontrollierte Verbrennung des Wasserstoff-Luft-Gemisches verhindert wird.As a result, there are more termination reactions, one Cause the protective device to heat up instead of if the flame front generated by the igniter Walls of the protection device reached. At low This process removes hydrogen concentrations from the Flame so much energy that a further spread of the Flame front prevented outside the protective device and thus the desired controlled combustion of the hydrogen-air mixture is prevented.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Funkenzünder für Wasserstoff mit einer Schutzvor­ richtung für die Zündfunkenstrecke anzugeben, bei dem das geschilderte Erlöschen der Flamme zuverlässig verhindert ist und die angestrebte kontrollierte Verbrennung des Wasserstoffs bzw. Wasserstoff-Luft-Gemisches gewährleistet ist.The present invention is based on the object a spark igniter for hydrogen with a protection to indicate direction for the spark gap in which the described extinguishing of the flame reliably prevented is and the desired controlled combustion of the Hydrogen or hydrogen-air mixture guaranteed is.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Lösung beruht auf der Schaffung einer sich selbsttätig erwärmenden Schutzvorrichtung, wodurch die Anzahl der durch die Wandungen der Schutzvorrichtung bedingten Kettenabbruchreaktionen deutlich herabgesetzt ist, da die Reaktionsenthalpie von der selbsttätig erwärm­ ten Schutzvorrichtung nicht mehr aufgenommen wird. Durch eine weitgehende Unterbindung der Kettenabbruchreaktionen wird auch das Erlöschen der Flamme verhindert.This object is the subject of the claim 1 solved. The solution is based on creating yourself self-heating protection device, thereby the  Number of through the walls of the protection device conditioned chain termination reactions significantly reduced is because the reaction enthalpy heats up automatically th protective device is no longer included. By extensive suppression of chain termination reactions it also prevents the flame from extinguishing.

Die Maßnahme zur Erzielung der selbsttätigen Erwärmung wird technisch einfach und mit zusätzlichen Vorteilen erzielt. Es wird die Eigenschaft des Wasserstoffs, auch in geringen, unterhalb der Zündgrenze liegenden Konzentrationen beim Vorhandensein eines Katalysators chemisch mit Sauerstoff unter Abgabe von Wärme zu reagieren, ausgenutzt. Diese Reaktion führt zu einer katalytischen Verbrennung des Wasserstoffs und einer Erwärmung der Schutzvorrichtung durch die hierbei freigesetzte Energie.The measure to achieve self-heating is technically simple and achieved with additional advantages. The property of hydrogen, even in low, concentrations below the ignition limit at Presence of a catalyst chemically with oxygen to react while giving off heat, exploited. These The reaction leads to a catalytic combustion of the Hydrogen and a heating of the protective device through the energy released in the process.

Als weitere vorteilhafte Wirkung kommt hinzu, daß bei der katalytischen Verbrennung des Wasserstoffs Hydroxyl-Radi­ kale gebildet werden, die die Zündfähigkeit des Wasser­ stoffs bzw. Wasserstoffgemisches erhöhen. Somit wird nicht nur ein Erlöschen der Flamme an den Wandungen der Schutz­ vorrichtung durch Kettenabbruchreaktionen verhindert, sondern darüber hinaus eine Erhöhung der Zündfähigkeit des Gemisches erreicht. Da der Katalysator die obigen Reaktio­ nen mit den damit verbundenen Wirkungen bereits bei geringen Wasserstoffkonzentrationen auslöst, sind eine angestrebte gesicherte Zündung und fortschreitende Verbren­ nung eines Wasserstoff-Luft-Gemisches bei niedriger Wasser­ stoffkonzentration und damit eine kontrollierte Verbrennung gewährleistet. Somit wird durch die katalytische Erwärmung der modifizierten Schutzvorrichtung nicht nur der erläuterte negative Effekt der Kettenabbruchreaktionen vermieden, sondern es wird gleichzeitig das Zündverhalten verbessert. Another advantageous effect is that the catalytic combustion of the hydrogen hydroxyl-radi kale are formed, which are the ignitability of the water Increase substance or hydrogen mixture. So it won't just an extinguishing flame on the walls of protection device prevented by chain termination reactions, but also an increase in the ignitability of the Mixture reached. Since the catalyst does the above reaction with the associated effects low hydrogen concentrations are one targeted ignition and progressive burning a mixture of hydrogen and air at low water concentration and thus a controlled combustion guaranteed. Thus, by the catalytic heating the modified protection device not only the explained negative effect of chain termination reactions avoided, but at the same time the ignition behavior improved.  

Als Katalysatoren sind unter anderem Palladium und Platin verwendbar. Diese sind an sich bekannt, wurden jedoch bislang entweder nur für die katalytische Rekombination als alternative Maßnahme zur Abfackelung mittels Funkenzündern mit einer geringen an sich unerwünschten Erwärmung des Katalysatormaterials oder wie im Fall des oben erwähnten Artikels aus der Zeitschrift "Kerntechnik" zur alternativen katalytischen Zündung angewandt, bei der sich jedoch die katalytischen Zündelemente selbst erwärmen, die anstelle der Zündelektroden einer Funkenstrecke vorgesehen sind. Für eine einfache Nachrüstung bereits vorhandener kappen­ förmiger Schutzvorrichtungen empfiehlt sich deren Beschichtung durch Aufbringen einer katalytischen Schicht auf der Außen- und/oder Innenfläche. Ein Austausch der Schutzkappen bereits installierter Funkenzünder der in der Figur gezeigten Art ist einfach, da hierzu lediglich die Verschraubung zu lösen ist. Die Schichten können galvanisch oder auch z.B. mit einem Sputterverfahren aufgebracht werden. Palladium and platinum are among the catalysts usable. These are known per se, but have been so far either only for catalytic recombination as alternative measure for flaring with spark igniters with a slight undesirable warming of the Catalyst material or as in the case of the above Article from the magazine "Kerntechnik" on alternative catalytic ignition applied, but in which the heat catalytic ignition elements themselves, which instead the ignition electrodes of a spark gap are provided. For simple retrofitting of existing caps shaped guards are recommended Coating by applying a catalytic layer on the outside and / or inside surface. An exchange of the Protective caps of spark ignitors already installed in the Figure shown type is simple, since only this Loosen screw connection. The layers can be galvanically or also e.g. applied with a sputtering process will.  

Die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung ist jedoch nicht auf diese spezielle Form beschränkt, sondern ist mit beliebiger Formgebung und Anbringung des Katalysators durch andere Ausführungsbeispiele realisierbar. So ergaben anfängliche Experimente, daß mit Katalysa­ toren beschichtete Bleche und metallische Folien eine katalytische Verbrennung des Wasserstoffs auch bei geringen Konzentrationen er­ möglichen.However, the protective device according to the invention is not based on this special shape is limited, but is of any shape and attachment of the catalyst by other embodiments realizable. Initial experiments showed that with catalyze coated sheets and metallic foils a catalytic Combustion of hydrogen even at low concentrations possible.

Bei diesen Untersuchungen erwärmten sich die Bleche um einige 100°C. Es wurden hierzu Bleche verwendet, die man versuchsweise in Sicherheitsbehältern von Kernreaktoren zu einem anderen Zweck, nämlich zur Beseitigung von Wasserstoff durch Rekombination, ein­ setzt. Dabei sind die beobachtete Erwärmung der Bleche und eine Selbstzündung und Verbrennung gerade nicht beabsichtigt, weshalb man bemüht ist, an den sehr großen Blechen für eine ausreichende Wärmeabfuhr zu sorgen.During these tests, the sheets warmed up by a few 100 ° C. Sheets were used for this purpose, which one tries in Safety containers of nuclear reactors for another purpose, namely to remove hydrogen by recombination puts. The observed warming of the sheets and one Ignition and combustion are not intended, which is why one tries to work on the very large sheets for sufficient To ensure heat dissipation.

Die obigen Untersuchungen zeigten, daß als bevorzugtes, da ein­ faches Ausführungsbeispiel eine Beschichtung bereits entwickelter Metallkappen mit dem Katalysatormaterial die erfindungsgemäßen Merkmale erbringt. Der bei einem schweren Kernschmelzunfall in der Atmosphäre vorhandene Wasserstoff reagiert mit dem in der Atmosphäre vorhandenen Sauerstoff an der Katalysatorschicht. Die dabei freiwerdende Energie erwärmt die metallische Schutzkappe, so daß ein Löschen der Flamme durch vermehrte Kettenabbruchreak­ tionen verhindert und eine Zündung des Wasserstoff-Luft-Gemisches schon bei geringen Konzentrationen möglich wird.The above studies showed that as a preferred one multiple embodiment of a coating already developed Metal caps with the catalyst material according to the invention Provides characteristics. The one with a severe meltdown in Hydrogen present in the atmosphere reacts with that in the Atmosphere present oxygen on the catalyst layer. The released energy heats up the metallic protective cap, so that the flame is extinguished by an increased chain termination crack prevents and ignition of the hydrogen-air mixture becomes possible even at low concentrations.

Grundsätzlich eignet sich demnach jede Schutzvorrichtung, z.B. auch netz- oder spiralartige Gebilde, gegebenenfalls aus anderen Materialien, sofern sie sich durch die katalytischen Reaktionen erwärmen läßt. Der Katalysator kann auch in Form von auf oder in der Schutzvorrichtung angebrachten, entsprechend beschichteten Teilen hinzugefügt werden. So sind beschichtete Rippen an den Schutzvorrichtungswandungen denkbar. Auch können die Innen- und/oder Außenseiten der Schutzvorrichtungen mit beschichteten Netzen überzogen werden. Ferner sind eine Aufrauhung oder andere Bear­ beitung der Schutzvorrichtungswandungen vor der Beschichtung mög­ lich. Auch kann z.B. die Außenseite der Schutzvorrichtung wärme­ isoliert werden, um eine Wärmeabfuhr zu verhindern.In principle, any protective device, e.g. also net or spiral structures, possibly from others Materials provided they are characterized by the catalytic reactions can be heated. The catalyst can also be in the form of on or in attached to the protective device, coated accordingly  Parts to be added. So are coated ribs on the Protective walls are conceivable. The interior and / or Outside of the protective devices with coated nets be covered. Furthermore, a roughening or other bear processing of the protective device walls before coating possible Lich. Also e.g. the outside of the protective device is warm be insulated to prevent heat dissipation.

Grundsätzlich ist ferner eine Legierung mit Katalysatorkomponente als Material für die Schutzvorrichtung denkbar. Bei den bislang bekannten, sehr teuren Katalysatoren sind jedoch Beschichtungen vorzuziehen.An alloy with a catalyst component is also fundamentally conceivable as a material for the protective device. With the so far However, known, very expensive catalysts are coatings preferable.

Claims (3)

1. Funkenzünder für Wasserstoff zu dessen Rekombination mit Sauerstoff bei niedrigen Wasserstoffkonzentrationen unter­ halb der Explosionsgrenze, mit einer Schutzvorrichtung für die Funkenstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß an der Schutzvorrichtung (1) bekannte Katalysatorma­ terialien angebracht sind, daß durch die katalytische Verbrennung des Wasserstoffs verursachte Erwärmung der Schutzvorrichtung chemische Abbruchreaktionen an der Schutzvorrichtung vermindert werden und daß die infolge der katalytischen Verbrennung entstehenden Hydroxyl-Radikale zur Erhöhung der Zündfähigkeit des Wasserstoffgemisches ausgenützt werden.1. Spark igniter for hydrogen to recombine it with oxygen at low hydrogen concentrations below half the explosion limit, with a protective device for the spark gap, characterized in that known materials are attached to the protective device ( 1 ) that known catalyst materials that cause heating caused by the catalytic combustion of the hydrogen the protective device, chemical termination reactions on the protective device are reduced and that the hydroxyl radicals formed as a result of the catalytic combustion are used to increase the ignitability of the hydrogen mixture. 2. Funkenzünder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatormaterialien vorzugsweise Palladium und/oder Platin sind und der Schutzvorrichtung in Form einer Oberflächenbeschichtung oder auch in oder auf dieser angeordneter, Katalysatormaterial aufweisender Teile hinzugefügt ist.2. spark igniter according to claim 1, characterized, that the catalyst materials are preferably palladium and / or platinum and the protective device in the form a surface coating or in or on top of it arranged parts having catalyst material is added. 3. Funkenzünder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatormaterialien an vorhandenen Schutz­ vorrichtungen in Form perforierter Kappen durch Beschich­ tung deren äußerer und/oder innerer Oberfläche vorzugsweise mit Hilfe galvanischer Verfahren oder Sputterverfahren angebracht werden.3. spark igniter according to claim 2, characterized, that the catalyst materials at existing protection devices in the form of perforated caps by coating tion of the outer and / or inner surface preferably with the help of galvanic processes or sputtering processes be attached.