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Die vorliegende Erfindung betrifft ein
Dampfstrahlpumpensystem für hohe Drücke, insbesondere bis zu etwa 9 MPa, das
speziell eine Dampfstrahlpumpe aufweist, um die
Einspritzung einer Flüssigkeit in einen Behälter zu erreichen, der
eine unter Druck befindliche Flüssigkeit enthält, wie es in
Notfällen sowohl in einem Siedewasserreaktor, dessen
Betriebsdruck in der Nähe von 7 MPa liegt, als auch in einem
sekundären Dampferzeuger vom Typ einer Druckwasserstation
notwendig werden kann, in welche die Einspritzung von
Wasser mit Drücken erforderlich ist, die in der Nähe der oben
angegebenen liegen. Die erwähnten Notfälle sind zum
Beispiel solche, die durch einen Bruchschaden des
Primärsystems eines Siedewasserreaktors und den darauf folgenden
Verlust von Kühlflüssigkeit verursacht werden.
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Zum Stand der Technik gehört die US-A-4 440 719, in der ein
System zur Einspritzung von Notwasser in den Kessel eines
Siedewasserreaktors offenbart ist, das den reinen Dampf aus
dem Reaktor nutzt. Dieses System besteht im wesentlichen
aus zwei in Reihe angeordneten Dampfstrahlpumpen; wobei das
die erste Dampfstrahlpumpe verlassende Wasser teilweise zu
einer Strahlpumpe geschickt wird, die das in die gleiche
Dampfstrahlpumpe eintretende Wasser unter Druck setzt,
nachdem es in einem Wärmetauscher gekühlt wurde. Der
übrig
bleibende Teil des Wassers wird in einem anderen
Wärmetauscher gekühlt und tritt in eine zweite Dampfstrahlpumpe
ein. In dieser letzteren Dampfstrahlpumpe wird das Wasser,
dessen Druck bereits in der ersten Dampfstrahlpumpe erhöht
wurde, weiter mit Druck beaufschlagt und schließlich in den
Reaktorbehälter eingespritzt.
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Eine vereinfachte Version dieses Systems wird in dem
Artikel "The First JSME/ASME Joint International Conference on
Nuclear Engineering, 4. bis 7. November 1991, Band 1"
vorgestellt: Ein zweistufiges Dampfstrahlpumpensystem, das
keine Wärmetauscher und Strahlpumpen wie in dem genannten
Patent verwendet. Dieses System umfaßt zwei in Reihe
angeordnete Dampfstrahlpumpen, wobei das Wasser die erste Stufe
mit einem Druck von etwa 2 MPa verläßt und anschließend in
eine zweite Dampfstrahlpumpe eintritt, in der dessen Druck
auf Bezugsdrücke und höher erhöht wird.
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Es wurden zwei unterschiedliche Typen von Dampfstrahlpumpen
verwendet: Während in der ersten Stufe eine
Dampfstrahlpumpe mit zentral injiziertem Dampf und seitlich
eingespritztem Wasser verwendet wurde, nutzte die zweite Stufe
eine von C. Nicodemus of Helios Research Corporation
patentierte Dampfstrahlpumpe mit zentralem Wasser und seitlichem
Dampf (US-A-4 569 635). In einem weiteren Experiment wurde
diese patentierte Dampfstrahlpumpe durch eine
Dampfstrahlpumpe mit seitlich eingespritzem Wasser, jedoch mit einem
zweifachen Dampfeintritt (zentral und seitlich, aber
außenliegender als das Wasser) ersetzt.
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Auch in diesem Falle ergab das System, das wiederum zwei in
Reihe befindliche Dampfstrahlpumpen umfaßt, gute
Ergebnisse.
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Eine in der Verwendung einer einzigen Dampfstrahlpumpe (die
auch in diesem Falle das System von Wärmetauscher und
Dampfstrahlpumpe ablöst) bestehende weitere Vereinfachung
wurde 1990 von General Electric versucht.
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Einige Versuche im reduzierten Maßstab mit einer von
Penberthy Corp. hergestellten Dampfstrahlpumpe hatten
ermutigende Ergebnisse geliefert (erzielter maximaler Druck am
Austritt: 6 MPa, etwa 30% mehr als der Dampf am Eintritt).
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Stattdessen ergab eine weitere Reihe von Versuchen, die mit
einer Dampfstrahlpumpe in natürlicher Größe von Helios
Research Corp. durchgeführt wurden, nicht so gute Ergebnisse
her: Tatsächlich betrug der bei verhältnismäßig niedrigen
Dampfdrücken erzielte maximale Druck am Austritt 3 MPa (bis
zu 40% mehr als der Dampf am Eintritt), aber durch Erhöhung
des Dampfdruckes erzielte man einen Verdichtungsdruck der
Dampfstrahlpumpe, der immer niedriger als der Dampf am
Eintritt war.
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Ein Nachteil in der vereinfachten Version, die in dem oben
erwähnten Artikel von JSME/ASME dargestellt wurde, ist die
Komplexität der zweistufigen Dampfstrahlpumpe, welche die
Kosten und das Ausfallsrisiko erhöht; wobei die Erfindung
einem Teil dieses Nachteils begegnet, da das System eine
zuverlässige Dampfstrahlpumpe aufweist, deren Konstruktion
einfacher und billiger ist.
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Außerdem hatte S. Suurmann (Ontario Hydro) mit einer
einstufigen Dampfstrahlpumpe zum Einspritzen von Notwasser in
die sekundäre Phase eines Candu-Reaktors experimentiert
(1986). Die Dampfstrahlpumpe war in der Lage, im Betrieb
Wasser in den Dampferzeuger mit einem maximalen Druck von 4
MPa einzuspritzen. Jedoch war ihre Leistung nicht länger
gewährleistet bei Wassereintrittstemperaturen über 80ºF
(27ºC).
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Aus dem obigen kann man feststellen, daß bei
Dampfstrahlpumpen zum Pumpen von Wasser mit "niedrigen" Drücken (0,1
bis 0,2 MPa) bis zu den hohen Drücken erzielt wird, wie sie
beim "Druckbehälter" von Siedewasserreaktoren vorliegen,
zwei oder mehrere in Reihe verbundene Dampfstrahlpumpen
erforderlich sind.
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Das führt, soweit es untersucht ist, zu einer gewissen
Komplizierung der Not-Dampfstrahlpumpensysteme, und als
Konsequenz zu einer Reduzierung der Merkmale "Passivität" und
Zuverlässigkeit der gleichen Systeme.
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Das Druckschrift US-A-4 569 635 offenbart außerdem eine
Niederdruck-Dampfstrahlpumpe, in welcher der Betriebsdruck
etwa 1 MPa und der maximale Auslaßdruck 3 MPa beträgt.
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Die Erfindung begegnet den Nachteilen des Stands der
Technik und bietet die Vorteile eines höchst wirksamen
einstufigen Dampfstrahlpumpensystems und die eines Systems, das
durch Passivität gekennzeichnet ist, daher gewährleistet
das Gesamtsystem eine minimal mögliche Funktionsstörung
und, obwohl in einer kostspieligen Nuklearanlage relativ
unwichtig, eine maximale Ökonomie bei den Kosten und im
Management.
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Eine Reduzierung der Kompliziertheit dieser Anlagen kann im
Prinzip erzielt werden, indem eine einzige
Dampfstrahlpumpe, wie beschrieben, verwendet wird, soweit nicht
einstufige Dampfstrahlpumpen verwirklicht wurden, die in der
Lage sind, Wasser mit den Bezugsdrücken von
Siedewasserreaktoren zu liefern, die Eintrittswasser mit niedrigen
Drükken verwenden.
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Das erfindungsgemäße Hochdruck-Dampfstrahlpumpensystem
umfaßt eine erste Kammer, eine Zuführleitung zum Einführen
eines Flüssigkeitsstromes in die erste Kammer mit einem
Druck, der knapp oberhalb Atmosphärendruck liegt, eine
Überschalldüse mit einer konvergierend divergierenden Form
zum Einführen eines Dampfstrahls unter Druck in eine
Eintrittsöffnung einer zweiten Kammer, in welche der
Dampfstrahl diesen Flüssigkeitsstrom mitreißt, wobei die zweite
Kammer durch einen ersten konvergierenden konischen Teil in
Richtung nach der Mischung von Flüssigkeit und Dampf und
durch einen zweiten divergierenden konischen Teil gebildet
ist, der als Diffusor für die aus der Dampfstrahlpumpe
austretende Flüssigkeit wirkt, wobei dieser erste konische
Teil eine erste Öffnung aufweist, die mit einer ersten
Auslaßleitung in Verbindung steht, die ein erstes Startventil
enthält, welches durch den Druck in der Pumpe so gesteuert
wird, daß es öffnet, wenn der Druck in der zweiten Kammer
über einen gegebenen Druckwert stromabwärts des ersten
Ventils ansteigt, um den Auslaß eines Teils dieser Mischung zu
ermöglichen, und automatisch schließt, wenn der Druck in
der zweiten Kammer unter diesen vorgegebenen Druckwert
abfällt, wobei das System durch eine zweite Öffnung im ersten
konischen Teil stromabwärts dieser ersten Öffnung
gekennzeichnet ist, wobei die zweite Öffnung mit einer zweiten
Auslaßleitung in Verbindung steht, die ein zweites Ventil
enthält, das gesteuert wird, um dessen Öffnung bei Abnahme
des Dampfdruckes und umgekehrt zu erhöhen, so daß eine
maximale Leistung der Dampfstrahlpumpe erzielt wird, was
bedeutet, einen maximalen Auslaßdurchsatz zu erreichen, der
mit dem gewünschten Auslaßdruck übereinstimmt.
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Obwohl allgemein bekannt, sei klargestellt, daß mit
"Überschall-Düse" eine Düse gemeint ist, in die Dampf mit hohem
Druck (9 MPa) und geringer Geschwindigkeit (25 m/s)
eintritt und bei niedrigem Druck (z. B. 0,1 MPa) und hoher
Geschwindigkeit (z. B. 2,5 Mach) austritt. Die
Dampfstrahlpumpe arbeitet wie folgt: Zum Zeitpunkt eines Notfalls, bei
dem die Dampfstrahlpumpe arbeiten soll, sind die die erste
und die zweite Auslaßleitung steuernden Ventile offen und
weil das System am Anfang nur Flüssigkeit enthält, tritt
diese hauptsächlich durch die erste Öffnung aus; sobald
dagegen das System durch das Eintreffen von Dampf zum
Ansaugen gebracht wird, fällt die Durchsatzrate durch die erste
Öffnung wegen des Druckabfalls drastisch ab und das
dazugehörige Ventil kann geschlossen werden. Das zweite Ventil
wird als Funktion des Dampfeintrittsdruckes eingestellt,
daß der Auslaßdurchsatz und der Druck am Austritt optimiert
werden. Daher kann das zweite Ventil entsprechend den
Betriebsbedingungen teilweise geöffnet oder vollständig
geschlossen sein.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen ausführlich
erläutert, in denen zeigen
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Fig. 1 eine schematische Zeichnung der Dampfstrahlpumpe,
die in einem erfindungsgemäßen
Dampfstrahlpumpensystem verwendet wird;
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Fig. 2 eine schematische Zeichnung eines ersten, die
Dampfstrahlpumpe nutzenden Systems; und
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Fig. 3 die schematische Zeichnung eines zweiten Systems,
welches die Dampfstrahlpumpe verwendet.
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Fig. 1 zeigt eine Dampfstrahlpumpe wie oben beschrieben, in
der die Bezugszeichen darstellen: 1 die erste Kammer, 2 den
Flüssigkeitsstrom; 3 die Überschalldüse; 4 den Dampfstrahl;
5 ist die Eintrittsöffnung einer zweiten Kammer 6, in
welcher der erste konvergierende konische Teil 7 und der
zweite divergierende konische Teil 8 ist; die erste Öffnung
im ersten konischen Teil ist 9 und steht mit der Leitung 10
in Verbindung, die das Startventil 11 enthält, wobei die
zweite Öffnung 12 im ersten konischen Teil mit der Leitung
13 in Verbindung steht, die das Ventil 14 enthält.
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Die Abmessungen der Hauptteile betragen in Millimeter:
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- D1 73
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- D2 22
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- D3 60
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- D4 44
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- D5 21
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- D6 97
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- L1 5,7
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- L2 387
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- L3 27
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- L4 250
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- L5 1300
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Fig. 2 zeigt schematisch ein System zum Einspritzen von
Wasser unter Hochdruck in den Druckbehälter eines
Siedewasserreaktors, bei dem ein Dampfstrahlpumpensystem
entsprechend der Erfindung verwendet wird. Die Dampfstrahlpumpe 20
verwendet Wasser, das durch die von einem Rückschlagventil
22 gesteuerte Flüssigkeitszuführleitung 21 zur
Dampfstrahlpumpe aus einem Behälter 23 ankommt, dessen Boden sich etwa
10 m oberhalb des Eintritts der Leitung 21 in die
Dampfstrahlpumpe 20 befindet, und nutzt den aus der
Dampfaustritt-Hauptleitung 24 vom Reaktor 25 und über die vom
Ventil 27 gesteuerten Abzweigleitung 26 kommenden Dampf.
Berücksichtigt man, daß die Dampfstrahlpumpe bereits mit
Flüssigkeit gefüllt ist, kann das die Dampfzuführung zur
Dampfstrahlpumpe steuernde Ventil 27 geöffnet werden, um
die Dampfstrahlpumpe zu starten. Es ist zu erwähnen, daß in
der Anlaufperiode der Druck in der zweiten Kammer der
Dampfstrahlpumpe (Bezugszeichen 6 in Fig. 1), die auch als
Mischkammer definiert werden kann, ansteigt und damit die
Auslaßventile 11 und 14 offen sind. Ferner sind die beiden
Auslässe mit einem Behälter 28 verbunden, der Wasser
enthält und in der gleichen Höhe wie der Behälter 23
angebracht ist, um bei normalen Betriebsbedingungen des Systems
(das heißt nicht im Notfall) die Drücke in der
Dampfstrahlpumpe auszugleichen, um somit den ständigen Austritt von
Flüssigkeit aus der Dampfstrahlpumpe zu vermeiden.
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Während das erste Auslaßventil 11 automatisch wieder
schließt, nachdem das System angefahren worden ist, paßt
infolge des Druckabfalls in der Mischkammer 6 das zweite
Auslaßventil 14 seinen Öffnungsquerschnitt auf Basis des
Dampfeintrittsdruckes an. Die punktierte Linie 30 stellt
die hydraulische Verbindung zwischen dem Ventil 14 und der
stromabwärts vom Ventil 27 befindlichen Leitung 26 dar. Sie
gewährleistet optimale Leistungen unter dem Aspekt von
Austrittsgeschwindigkeiten und Drücken bei verschiedenen
Betriebsbedingungen. Das System ist mit zwei
Rückschlagventilen ausgerüstet, wobei das erste mit dem Bezugszeichen 22
in der Zuführleitung 21 für Flüssigkeit zur
Dampfstrahlpumpe bereits dargestellt ist, und sich ein zweites
Rückschlagventil 29 zur Entleerung der Flüssigkeit aus der
gleichen Dampfstrahlpumpe in der Leitung 31 befindet. Diese
übernehmen Sicherheitsfunktionen, um den Verlust von
Flüssigkeit und Dampf im Falle der Ungleichheit von Drücken zu
vermeiden.
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Fig. 3 zeigt schematisch mit der gleichen Bezugsnumerierung
für gleiche Teile gemäß Fig. 2, wie die Leistung bei
unterschiedlichen Drücken durch Anpassung der in die
Dampfstrahlpumpe eintretenden Wassermenge mit Hilfe des
dampfgesteuerten geeigneten Ventils (32) erzielt werden kann; dies
erlaubt eine Reduzierung der verwendeten Wassermenge, die
gegenüber Menge des durch die Dampfstrahlpumpe
ausgelassenen Wassers gleich bleibt. Die punktierte Linie 33 stellt
die hydraulische Verbindung zwischen der Leitung 26 und dem
Ventil 32 dar.
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Experimente an Modellen von Dampfstrahlpumpen haben dazu
beigetragen, und können bei jedem zu konstruierenden Typ
von Dampfstrahlpumpen dazu beitragen, die beste Art der
kombinierten Verwendung der beiden Öffnungen im ersten
konischen Teil, die beste Einstellung der zweiten Öffnung und
die besten wechselseitigen Stellungen der beiden Öffnungen
und ihre Größe zu ermitteln. Experimente haben zum Beispiel
gezeigt, daß die zweckmäßigste Länge von L3 (Fig. 1), der
Abstand zwischen der Mitte der zweiten Öffnung 12 und dem
engen Abschnitt, dem Durchgang zwischen den Teilen 7 und 8,
das Ergebnis eines Kompromisses ist zwischen der
Notwendigkeit, die Druckabfälle in dem konvergierenden Gebiet 7 zu
verringern und der Notwendigkeit, den Wiederaufbau des
Druckes soweit wie möglich nach stromabwärts zu
verschieben. Tatsächlich würde die Notwendigkeit einer Reduzierung
dieser Druckabfälle durch den Wegfall eines Teils der
enthaltenen Flüssigkeit zu höheren Werten von L3 führen,
während die Wiederherstellung des Druckes, der umso größer
ist, je enger dieser Durchgangsabschnitt ist, zu niedrigen
Werten von L3 führen würde.
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Andere Vorteile der Erfindung liegen in der Tatsache, daß
sie es zuläßt, eine Flüssigkeit zu Anfang bei geringen
Drücken zu pumpen, bis ein Druck erreicht ist, der
erheblich höher liegt als der des Dampfes bei Bezugsbedingungen
eines Siedewasserreaktors oder der Sekundärstufe eines
Druckwasserreaktors. Ferner gewährleistet die
Dampfstrahlpumpe in diesem System die Leistung von normalen
Dampfstrahlpumpen, die mit verhältnismäßig niedrigen
Dampfdrükken arbeiten.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der Tatsache,
daß ein System mit dieser Dampfstrahlpumpe auch im
Primärkreislauf eines Druckwasserreaktors arbeiten kann.