NO134018B - - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte for kontinuerlig fremstilling av en fibrøs bane.

Description

Brenselsskjede i form av en sylinder med sparreformig anordnede ribber.

Hensynet til energivirkningsgraden

gjør det nødvendig å få ut den varme som

avgis av atomreaktorers brenselelementer,

ved høyest mulig temperatur.

Det er således av interesse å få samtidig:

1) Høy temperatur i brenselet, og

2) lite temperaturfall mellom brenselet og kjølefluidet.

Den temperatur som foreligger i brenselet, må ikke overstige en viss verdi, som

er avhengig av brenselets art og forenlig

med en god stabilitet av skjeden.

For å bedre virkningsgraden søker man

derfor å minske temperaturforskjellen mellom brenselet, resp. skjeden, og kjøle-fluidet.

Som første tilnærmelse er varmeut-vekslingen mellom skjeden og kjølefluidet

som kommer i berøring med det, bestemt

ved formelen:

<D = hAØS eller A6 = ^

Sh

hvor

$ er varmestrømmen gjennom skjedens

overflate S,

h == varmeoverføringskoeffisienten som

avhenger av kjølefluidets art og strøm-ningsforhold og skjedens art, og

A@ = forskjellen mellom skjedens temperatur og den midlere temperatur av

kjølefluidet som sirkulerer i den kanal

som inneholder brenselelementet som

skal kjøles.

Forskjellige kjente metoder gjør det mulig å redusere temperaturforskjellen

AØ:

1) Man forsyner skjeden med langsgående ribber. Disse øker varmeoverfø-ringsflaten, noe som ytrer seg ved en minskning av varmestrøm pr. flate-en-O

het-

2) Man skaffer en turbulens av kjøle-fluidet, noe som fører til en økning av varmeoverføringskoeffisienten h. 3) Man påvirker samtidig begge fak- torene — og h ved hjelp av tversgående

o

eller skruefomede ribber.

a) Tversgående ribber: Turbulensen og kjøleflaten økes, men kjølefluidet li-der et stort tap i strømningsmengde (charge). b) Skruef ormede ribber: Ribbene inn-grenser én eller flere skrueformede ba-ner på overflaten av skjeden. Varme-overføringskoeffisienten blir bare svakt øket. I virkeligheten blir turbulensen sterkt begrenset, idet hver delstrøm av fluidum som sirkulerer i skrueform, praktisk talt blir uavhengig av den utvendige ringformede fluidumpassa-sje som begrenses av veggene av fluidets sirkulasjonskanal og omkretsfla-ten langs konturen av ribbene. En følge av dette spesielle strømningssystem blir at de forskjellige delstrømmer av fluidum i tilfellet av flere skruekana-ler blir praktisk talt uavhengige av hverandre.

Oppfinnerne har vist at man på en gang kunne få både en stor overgangs-flate og en høy overgangskoeffisient ved å benytte en utformning som er avledet fra systemet med skrueformede ribber.

Oppfinnelsen går ut på en skjedeut-førelse med sylindrisk hovedlegeme og sparreformig anordnede ribber for kjerne-reaktorers brenselelementer, hvorved det blir mulig å avhjelpe manglene ved syste-mene med langsgående, tversgående eller skrueformede ribber.

Den nye utførelse er i første rekke karakterisert ved at ribbene på skjedens hoved-legeme skiftevis følger to slags rekker (også kalt rader) av skruelinjestykker og hver rekke (rad), hvis hovedretning er langsgående, er sammensatt av innbyrdes parallelle skruelinjestykker med motsatt stigningsretning til dem i den tilgrensende rekke, slik at der mellom på hinannen føl-gende rekker dannes trange rette eller brukne korridorer uten ribber, eller slik at ribbene i én rekke er forbundet med dem i de tilgrensende rekker for å danne kom-plette sparrer helt rundt skjeden.

A1; B,, A2, B2 skal betegne rekkene (radene) av skruelinjestykker som er piasert efter hverandre rundt skjeden, idet skruelihjene for de forskjellige rekker At, A2 alle har samme stigningsretning og er venstregj enget, mens skruelinjene for rekkene B,,B2 går i motsatt retning, altså er høyregjenget.

I alminnelighet blir ribbene i én rekke ikke forbundet med dem i den tilgrensende rekke og der fremkommer en trang korridor mellom to og to på hinannen følgende rekker. C1( C2, C3 skal betegne de korridorer, frie for ribber, som levnes mellom henholdsvis A, og B,, B, og A2, A2og Bj, osv.

Rekke Aj er sammensatt av et visst antall ribber, og de ender a av disse som befinner seg ved siden av korridoren CT kan stå rett overfor de ender b av ribbene i rekke B3, som vender mot samme korridor. Ligger endene henholdsvis a og b på linje langs to forskjellige generatriser G, og G'j hvorav generatrise G, begrenser raden A-, og generatrisen G^ begrenser raden Bj, blir korridoren mellom radene A, og B, rettlinjet. Det samme vil være tilfelle hvis man stadig lar ribbe-endene ligge på linje som nevnt, men lar endene a av ribbene i rekke A, være forskjøvet i forhold til endene b av ribbene i rekke Br Det er også mulig å anordne forskjellige mellomrum mellom ribbene i de forskjellige rekker.

Lar man generatrisene G, og G', falle sammen uten å plasere endene a og b overfor hverandre, kan forholdet betraktes som om der stadig foreligger en korridor langs grensen mellom rekkene A, og B 1 og forløpende i sik-sak om en midtlinje som er denne felles generatrise for ribbe-endene a og b. En slik korridor vil bli betegnet som brukket korridor av første type.

Er ribbene anordnet slik at generatrisen GL skjærer ribbene i rekke B, og generatrisen G', skjærer ribbene i rekke A-,, foreligger der stadig en «korridor» mellom rekkene og B,. Knekkene i denne korridor blir mer utpreget enn i den foregående type. En slik korridor vil bli betegnet som brukket korridor av type nr. 2.

I utførelse med brukket korridor kan man også mellom de forskjellige rekker på samme skjede anordne forskjellig store mellomrum.

I en utførelsesvariant er ribbene i hver rekke forbundet med dem i de tilgrensende rekker, slik at der dannes en sluttet sparre-form på tvers av skjedekroppen og med et lengdeprofil i form av en brukket linje. I denne variant forekommer der ingen langsgående korridor på skjedekroppen.

Ennvidere kan man realisere alle mu-lige mellomtyper ved å forbinde flere rib-berekker innbyrdes og la de således dan-nede grupper av rekker være innbyrdes adskilt ved rette eller brukne trange korridorer.

F. eks. vil man således kunne få tversgående sparrer som hver dannes av fire innbyrdes forbundne ribber tilhørende fire på hinannen følgende rekker, det hele slik at der på et vilkårlig nivå av skjeden forekommer tre således sammensatte ' sparrer mellom hvilke der er levnet langsgående korridorer frie for ribber.

Sagt meget generelt kan man i det hele tatt realisere variable mellomrum mellom ribbene i samme rekke eller mellom ribbene i forskjellige rekker hos samme skjede. Likeledes kan man la ribbenes skråning i forhold til generatrisene på skjedeover-flaten variere. Ennvidere kan man forsyne samme skjede med én eneste eller forskjellige typer av korridorer (rett, brukket av type nr. 1, brukket av type nr. 2). Hoved-retningen av disse korridorer langsetter skjeden kan være retningen for en generatrise eller retningen for en skruelinje med påtagelig større stigning enn stigningen av de enkelte ribber.

Ribbene har i alminnelighet alle samme høyde og er rettet normalt til skjedekroppen. Med høyden menes dimensjonen loddrett på skjedekroppen. Imidlertid kan man også innføre forskjeller i høyde mellom skjedens forskjellige ribber. Likeledes kan man la ribbenes plan skråne så ribbene ikke lenger står loddrett på skjedekroppen.

Det skal antas at ribbene i en rekke alle er anordnet i like avstander fra hverandre og følger stykker av n skruelinjer (sagt generelt én eller flere). Innfører man betegnelsene: e = ribbeavstanden p = skruelinjenes stigehøyde, og a = skruelinjens vinkel med en gene ratrise, får man relasjonen:

De variable størrelser som har størst interesse i fysisk henseende, er e og a. Er helningsvinkelen a gitt, vil det ses at man kan la e variere diskontinuerlig ved å for-andre n. For en gitt avstsand e mellom ribbene vil man kunne få forskjellige mu-lige verdier av a, alt efter det antall skruelinjer man velger.

Utformningen i henhold til oppfinnelsen gjør det mulig å skaffe en turbulens i kjølefluidet hvorved der fås en høy varme-overføringskoeffisient mellom skjeden og kjølefluidet.

Man velger vilkårlig en sirkulasjons-retning for kjølefluidet i forhold til brenselelementet i en gitt stilling av dette. F. eks. kan brenselelementet være plasert vertikalt og sirkulasjonen skje nedenfra og oppover. Der blir alltid levnet et rum mellom veggene av kanalen som kjøleflui-det sirkulerer i, og sylinderflaten langs ytterkonturen av ribbene. Da sirkulasjons-kanalen for kjølefluidet er stort sett sylindrisk, vil dette mellomrum bli betegnet som «ytre ringformet rum». Er dette rum null eller meget lite, finnes der ingen mu-lighet for bevegelse mellom det fluidum som sirkulerer mellom ribbene, og fluidet i det ytre ringformede rum. Er rummet til-strekkelig stort, vil der danne seg hvirvler, og fluidet som sirkulerer mellom ribbene, vil kunne fornyes takket være utbytnin-gen med fluidet i det ringformede ytre rum. I virkeligheten forårsaker den opp-adstigende bevegelse av fluidet mellom ribbene fluidstrømmer med skrått oppstigende retning dels mot venstre, dels mot høyre, alt efter retningen av skruelinjene i hver rekke. Herav følger at delstrømmene av fluidum langs de motsatt rettede skruelinjestykker i to tilgrensende rader vil støte sammen og skape turbulens.

Disse hvirveldannelser oppstår likeså-vel ved utførelsen med sluttede sparreformede ribber som ved utførelsen med langsgående korridorer.

I tilfellet av ribber som danner sluttede sparreformer, kan man regne at fluidet på forbindelsesstedet mellom oppstigende delstrømmer med motsatte stigningsretninger blir tvunget ut — i første tilnærmelse loddrett på skjedekroppen — i det ytre ringformede rum. Forsyningen av delstrømmene skjer ved den nedre ende av de skruelinjeformede kanaler som inn-grenses av de sparreformede ribber, fra fluidet i det ytre ringformede rum.

I tilfellet av utførelsen med langsgående korridorer kan disse anses å være av to typer i funksjonell henseende: Den ene gruppe, som vil bli betegnet som bortfø-ringskorridorer, er dem som delstrømmene med motsatte stigningsretninger konverge-rer mot, og den annen gruppe, som vil bli kalt matningskorridorer, er dem som bare forsynes fra den ytre ringformede strøm-ningsbane.

På sammenløpsstedet for fluidstrøm-mer med motsatte stigningsretninger fort-setter en del av fluidet fra disse strømmer sin oppstigende bevegelse ved å avgis til bortføringskorridoren på sammenløpsste-det. Imidlertid vil hovedparten av fluidet fra disse delstrømmer, som ikke kan avgis til denne strømningsvei fordi korridoren ikke er istand til å føre alt det fluidum som kommer ut fra de forskjellige skrueformede kanaler, blande seg med det fluidum som stiger opp i det ytre ringformede rom. Innløpet av fluidum i de skrueformede kanaler skjer ved deres nedre ende direkte fra det ytre ringformede rom og/ eller via fluidumstrømmene i matnings-korridorene.

I begge tilfeller blir således fluidets oppstigende bevegelse modifisert i detalj ved mange lokale bevegelser av tversgående karakter, som innstiller seg langs hele skjedekroppen, noe som sikrer en ypperlig, intens omhvirvling i hele mas-sen av kjølefluidum.

Det vil bemerkes at man ved utførelser i henhold til oppfinnelsen unngår den ro-tasjonsvirkning som nødvendigvis forekommer ved anvendelse av skruelinjef ormede kjøleribber med én og samme stigningsretning.

Under henvisning til tegningen vil der bli beskrevet forskjellige ikke-begrensende utførelseseksempler på en skjedeutformning med sylindrisk hovedkropp og sparreformig anordnede ribber overensstemmen-de med oppfinnelsen. Fig. 1 og 2 er prinsippskjemaer som an-skueliggjør hvorledes der skapes hvirvler i utførelser i henhold til oppfinnelsen. Fig. 3 er et perspektivriss av en ut-førelsesform med rette langsgående korridorer. Fig. 4 og 5 viser utfoldet i plan en del av skjedens sylindriske overflate med hvert sitt ribbemønster for utførelser med brukket langsgående kanal. Fig. 6 viser utfoldet i plan skjedens sylindriske overflate med ribbemønster for en utførelse med sluttede sparreformer. Fig. 7 er et kurvediagram som viser temperaturfordelingen i kjølefluidet ved anvendelse av en skjedeutformning i henhold til oppfinnelsen.

På figurene er bare vist de elementer som behøves for forståelsen av oppfinnelsen. Fig. 1 anskueliggjør en utførelse med langsgående korridorer. Sirkulasjonen av kjølefluidum i kanalen som inneholder brenselelementet foregår nedenfra på fi-guren. Strømningsretningen for fluidet i de skruelinjef ormede kanaler som inngren-ses av ribbene 1, 2, 3 og 4 i rekke (rad) A-,, 5, 6, 7 og 8 i rekke (rad) BT og 9, 10, 11 og 12 i rekke (rad) A2 er som vist ved pilene. Delstrømmene av fluidum som sirkulerer i kanalene, møtes i bortføringskorridoren C,, kryssene i sirkel angir tilløpene for fluidum fra det ringformede ytre rom i matningskorridoren C2 og de skruelinjeformede kanaler, og prikkene i sirkel angir utstrømning av fluidum til det ringformede ytre rom. Fig. 2 anskueliggjør tilfellet av en ut-førelse med fullstendig sparreformede ribber. Der er bare vist tre på hinannen følgende linjestykker av de enkelte sparrer. Fornyelsen av fluidum langsefter elemen-tet skjer bare ved hjelp av tversgående bevegelser. Betegnelser og tegn på denne fi-gur har samme betydning som på fig. 1.

På fig. 3 ses korridoren Ct og C2 hvis hovedretning følger generatriser av skjeden, som er vist ved 13. Skjeden er vist perspektivisk og gjennomskåret. Ribbene er anordnet i rekker (rader) og følger stykker av skruelinjer. Således ligger der en enkelt slik rekke mellom korridorene Cx og C2. Ribbene, f. eks. 14, i denne rekke har alle samme retning. Ribbene i en tilgrensende rekke har motsatt stigningsretning. Dette gjelder f. eks. ribben 15 som står overfor ribben 14. Avstanden mellom ribbene i de to rekker innbyrdes er den samme over hele skjeden og bestemmer bredden av de langsgående korridorer. Planene for alle ribbene står loddrett på overflaten av skjeden 13, og avstanden mellom på hinannen følgende parallelle ribber er likeledes den samme over hele skjeden, og det samme gjelder den posi-tive eller negative vinkel som hver av ribbene danner med generatrisene.

På fig. 4 er der anordnet langsgående korridorer C, av brukket forløp. Disse korridorer er dannet ved begrenset taklagt utførelse av ribbene, eksempelvis henholdsvis 16, 17 og 18, 19, i to og to på hinannen følgende rekker. Avstanden mellom to og to på hinannen følgende ribber, eksempelvis 16 og 17 er overalt den samme.

På fig. 5 tiltar avstanden mellom ribbene i samme rekke suksessivt, og retningen for denne økning er den samme for de forskjellige rekker. På samme tversgående nivå er avstanden stadig den samme. Korridorene i denne utførelse er av samme art som i den foregående. Da turbulensen er sterkere i sonene med mindre ribbeav-stand, kan denne utførelse benyttes når varmestrømmen er ujevnt fordelt over lengden av skjeden.

På fig. 6 vil det ses at ribber på samme nivå er innbyrdes forbundet for å danne sluttede tversgående sparreformer rundt skjedekroppen. Således dannes sparren 21 av ribbene 22, 23, 24, 25, 26 og 27, hvorav ribbene 22, 24, 26 følger skruelinjer på sylinderflaten med motsatt stigningsretning til ribbene 23, 25 og 27. En slik utførelse har ikke langsgående korridorer.

En variant ville bestå i å innføre enkelte langsgående korridorer, slik at spar-rene ble skåret opp i flere deler hver sammensatt av minst to ribber med motsatt stigningsretning.

Den fullt opptrukne kurve 28 på fig. 7 viser hvorledes temperaturen T i kjøle-fluidet i en utførelse som vist på fig. 3, varierer over tverrsnittet AB av kanalen hvori fluidet sirkulerer. Brenselelementet som skal kjøles, er begrenset til stykket CD når ribbene ikke regnes med, og til stykket EF når ribbene innbefattes. Det ringformede ytre rom tilsvarer stykkene AE og FB. Den prikkede kurve 29 viser for samme middeltemperatur Tin av kjøle-fluidet temperaturfordelingen i kanalen AB for det tilfelle at der anvendes en ut-førelse som skiller seg fra utformningen i henhold til oppfinnelsen ved at den ikke er forsynt med ribber altså har form av en glatt sylinder. Det ses hvorledes kurven

28 er avflatet i forhold til kurven 29. Av-vikelsen mellom skjedetemperaturen og

fluidets middeltemperatur Tm er T,—Tm

for kurve 28 og T2—Tm for kurve 29. Man

ser at den blir betydelig minsket ved anvendelse av utformningen i henhold til

oppfinnelsen.

Claims (10)

1. Skjede med sylindrisk hovedkropp

og ribber for brenselelementer til kjerne-reaktorer, karakterisert ved at ribbene avvekslende danner to slags langsgående rader av skruelinjestykker på ho-vedkroppen, nemlig slik at skruelinje-stykkene i hver rad er innbyrdes parallelle og har motsatt stigningsretning til dem i den tilgrensende rad.

2. Skjede som angitt i påstand 1, karakterisert ved at der mellom til hinannen grensende rader er levnet rette korridorer uten ribber.

3. Skjede som angitt i påstand 1, karakterisert ved at ribbene i en rad er direkte forbundet med dem i de tilgrensende rader for å danne sammenhengende sparremønstre rundt skjeden.

4. Skjede som angitt i påstand 2, karakterisert ved dels at ribbene i visse rader er forbundet med ribbene i tilgrensende rader, dels at der på skjedekroppen er levnet et visst antall rettlinjede korridorer uten ribber og slik plasert at to på hinannen følgende korridorer begrenser tversgående sparremønstre dannet av minst to ribber med motsatt stigningsretning.

5. Skjede som angitt i påstand 2, karakterisert ved at den mellom to tilgrensende rader levnede korridor har et hovedforløp sammenfallende med en generatrise for skjedens sylindriske overflate.

6. Skjede som angitt i påstand 2, karakterisert ved at korridoren mellom to tilstøtende rader har brukket forløp.

7. Skjede som angitt i påstand 2, karakterisert ved at korridoren mellom to tilstøtende rader stort sett føl-ger en skruelinje med betydelig større stigning enn de skruelinjer ribbene følger.

8. Skjede som angitt i påstand 1, karakterisert ved at ribbeavstanden tiltar gradvis i en retning langsefter skjeden.

9. Skjeden som angitt i påstand 1, karakterisert ved at ribbenes høyde normalt på skjedekroppen varierer.

10. Skjede som angitt i påstand 1, karakterisert ved at skråningen av ribbene på skjedekroppen varierer.