SE502765C2 - Separator - Google Patents

Description

502 10 15 20 25 30 35 2 ligtvis ång-vatten-blandningen, som städse följer minsta motståndets lag, att leta sig igenom de sistnämnda, medan de förstnämnda skulle förbli overksamma eller fungera med dålig verkningsgrad. Detta undviks om tryckfallet över samtliga separatorer är ungefär lika stort. Det totala tryckfallet över varje enskild separator bestäms i huvud- sak av två faktorer, nämligen dels det strömningsmotstånd som bladdonet erbjuder, dels den sammanlagda arean hos perforeringshålen i huvudröret. Om strömningsmotståndet i bladdonet är litet och hålarean är stor blir det totala tryckfallet litet och vice versa. I praktiken begränsas dock den totala hålarean av det faktum att ånga icke får medfölja vattnet ut genom hålen (om hålarean vore alltför stor skulle ànga komma att medfölja vattnet ut genom hålen och gå förlorad).

Teknikens ståndpunkt En separator av ingressvis beskriven typ är tidigare känd genom SE patentet 7309949-l. Denna kända separator grundar sig på tanken att utföra vattenevakueringshålen med begränsad total area i syfte att förhindra genomsläpp- ning av ànga genom desamma samtidigt som bladdonet är ut- fört med ett tämligen litet strömningsmotstånd för att icke förorsaka ett alltför stort totalt tryckfall över separatorn. I praktiken uppgår sålunda den totala hålarean hos de separatorer som tillverkats enligt nämnda patent till 36-38% av huvudrörets tvärsnittsarea. Det begränsade genomströmningsmotstàndet hos bladdonet har åstadkommits genom att de enskilda bladen är utförda med en tämligen liten axiell utsträckning i förhållande till bladens bredd. I grova drag kan sägas att bladens axiella längd är mindre än eller högst lika med bladens bredd. Dessutom är den centralkropp med vilken bladen är gemensamt förenade väsentligen cylindrisk och har en liten diameter i för- hållande till det omgivande rörets diameter, varjämte bladen har förhållandevis stor stigning (eller med andra ord liten krökning). Dessa faktorer sammantagna gör att den förbipasserande tvåfasblandningen, som rusar fram med 10 15 20 25 30 502 765 3 stor hastighet (t ex i storleksordningen 50-150 l/sek), kommer att passera bladdonet utan att effektivt omlänkas till den eftersträvade rotations- eller vridrörelsen.

Bladens krökning är så medioker att en undre inloppskant på ett godtyckligt blad icke ens överlappar den övre ut- loppskanten på ett närbeläget blad, innebärande att den inkommande tvåfasblandningen kan åtminstone partiellt röra sig i en väsentligen axiell bana utan att komma i kontakt med bladen. Denna mediokra vridförmåga hos bladen innebär att någon distinkt sammanhållen vattenfilm icke bildas på Tvärtom bibehåller delar av blandningen sin ursprungliga, indifferenta karaktär även efter passage av bladdonet, innebärande att en förhållandevis stor andel vatten kommer att medfölja ångan ut genom utloppsröret. rörets insida.

Uppfinningens syften Föreliggande uppfinning tar sikte på att undanröja ovannämnda nackdelar hos den kända separatorn och skapa en separator med förbättrad verkningsgrad. Ett grundläggande syfte med uppfinningen är sålunda att utforma separatorn på ett sådant sätt att andelen ångan medföljande vatten kraftigt reduceras. Ett annat syfte är att utforma sepa- ratorn så att densamma vid sidan av den förbättrade verk- ningsgraden ger ett totalt tryckfall som är mindre än eller högst lika med tryckfallet över konventionella ång- separatorer för att på så sätt möjliggöra ersättande av befintliga ångseparatorer utan behov av att ersätta samt- liga separatorer i ett batteri.

Kort redogörelse för uppfinningstanken Ovan angivna syften ernàs enligt uppfinningen medelst de särdrag som är angivna i patentkravets 1 kännetecknande del.

E30? 10 15 20 25 30 35 765 Uppfinningen grundar sig på tanken att i och för sig tillåta ett ökat tryckfall eller genomströmningsmotstånd över just bladdonet i syfte att åstadkomma en distinkt vattenfilm på rörets insida, allt dock under bibehållande av ett och samma eller till och med ett reducerat totalt tryckfall över separatorn. Detta i sin tur ernås genom att den totala arean hos perforeringshàlen ökas så att den uppgår till åtminstone 50% av huvudrörets tvärsnittsarea.

Denna ökning av hàlarean är möjlig att genomföra till följd av det faktum att en distinkt vattenfilm utbildas på rörets insida, innebärande att själva vattenfilmen på ett effektivare sätt än tidigare hindrar ånga från att evakue- ras genom perforeringshålen.

Ytterligare redogörelse för teknikens ståndpunkt Genom EP 0 203 896 är tidigare känd en separator med ett filmgenererande bladdon vars enskilda blad i och för sig är utformade på det sätt som stipuleras i kravet 1.

Denna separator arbetar emellertid med axiell separation av de båda faserna, närmare bestämt pà så sätt att vätske- fasen genom påförande av centrifugalkrafter på densamma pressas ut genom perforeringshålen i den undre delen av ett stående rör, medan gas- eller ångfasen evakueras via resterande perforeringshål i rörets övre del. Vid denna konstruktion förekommer sålunda ej någon optimering av den totala hàlarean i avskiljarröret på ett sådant sätt att en sammanhängande film bildas utmed rörets insida. Därest det genom EP O 203 896 kända bladdonet skulle insättas i sepa- ratorkonstruktionen enligt SE 373 451 skulle det totala tryckfallet över separatorn bli alltför stort för att medge insättning av separatorn såsom ersättning för en- skilda separatorer i ett batteri av många separatorer.

Kort beskrivning av bifogade ritningar På ritningarna är FIG 1 en partiell längdsektion genom en separator enligt uppfinningen, FIG 2 en förstorad, partiell sektion genom en vägg till 10 15 20 25 30 35 'S02 765 5 separatorns huvudrör illustrerande en föredragen utformning av perforeringshålen i denna, FIG 3 en i förhållande till fig l förstorad genomskär- ning genom det i separatorn ingående bladdonet, FIG 4 en ändvy visande bladdonets inloppsände, FIG 5 en analog ändvy visande bladdonets utloppsände, och FIG 6 ett diagram som åskådliggör verkningsgraden hos tre olika separatorer, nämligen en separator enligt känd teknik och två separatorer utförda enligt föreliggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföranden av upp- finningen I fig l betecknar 1 generellt ett huvudrör vilket är vertikalt monterbart i övre plenum till en vattenkyld kärnreaktor. Detta huvudrör l inbegriper dels ett cylind- riskt parti 2 som upptill övergår i ett avsmalnande eller koniskt parti 3, dels en inloppssektion 4. I huvudröret ingår ett i sin helhet med 5 betecknat bladdon vilket har till uppgift att försätta en axiellt genom inloppssektio- nen 4 framrusande blandning av ånga och vatten i en rota- tions- eller vridrörelse. I praktiken är detta vriddon 5, såsom visas i fig 1, med fördel monterat i en särskild rörsektion 6 vilken är förbunden med sektionerna 2 och 4 via flänsförband 7. I huvudrörets vägg är urtagna en mång- fald små hål 8.

I den övre, smala änden av det koniska rörpartiet 3 är monterat ett med huvudröret koaxiellt utloppsrör 9 med mindre diameter än huvudrörets cylindriska parti 2. Med fördel kan detta utloppsrör nedtill uppvisa ett svagt koniskt format parti 9' vilket vidgar sig i riktning nedåt. Diametern vid utloppsrörets inloppsmynning 10 är påtagligt mindre än cylinderrörets 2 diameter så att mellan respektive rör utbildas en ringformig spalt ll.

Såsom framgår av fig 3-5 inbegriper bladdonet 5 ett antal krökta blad 12, l2', 12", etc, vilka sträcker sig väsentligen radiellt från en central kropp 13 till insidan 502 10 15 20 25 30 35 765 av rörsektionen 6.

Ett rörformigt hölje 14 omsluter huvudröret 1. Detta rörhölje har större diameter än huvudröret så att mellan desamma utbildas en ringformig spalt 15 vilken tjänar såsom en returpassage för vatten som passerat ut genom evakueringshålen 8. Upptill avslutas rörhöljet 14 av en ringformig gavelvägg 16 som tillsluter överdelen av höljet.

Så långt den visade separatorn hittills beskrivits är densamma i allt väsentligt tidigare känd genom SE 7309949-l.

I fig 3 är en främre ände eller inloppsände till den bladdonet 5 inneslutande rörsektionen 6 betecknad 17, medan en bakre ände eller utloppsände är betecknad 18.

Såsom framgår av fig 3-5 är vart och ett av de i donet 5 ingående bladen 12 utformade med en axiell utsträckning som är àtminstone dubbelt så stor som bladens största bredd. I enlighet med ett annat för uppfinningen karaktä- ristiskt särdrag har varje blad en krökning som är àtmins- tone så stor att en bakre ändkant 19 hos ett godtyckligt blad, t ex bladet l2', befinner sig vridvinkelmässigt för- skjutet.förbi ett tänkt radialplan i axiell förlängning av en främre ändkant 20 hos ett närbeläget blad, t ex bladet 12. På så sätt utbildas mellan varje par av närbelägna blad en passage som sträcker sig partiellt skruvformigt kring rörets centrumaxel på ett sådant sätt att den en- skilda passagens inloppsmynning är vridvinkelmässigt sido- förskjuten så långt i förhållande till passagens utlopps- mynning att den framrusande tvåfasblandningen icke under några omständigheter kan ens partiellt passera axiellt genom bladdonet. Tvärtom kommer blandningen att på ett tillförlitligt sätt försättas i rotation vid sin passage genom bladdonet. Till detta bidrar i hög grad även det faktum att bladen uppvisar en progressivt ökande krökning i riktning från donets inloppsände mot dess utloppsände.

Det främre partiet av varje blad är sålunda inledningsvis endast svagt krökt och följer därmed i huvudsak den in- 10 15 20 25 30 35 5022 765 7 kommande tvåfasblandningens rörelseriktning, varefter bladet successivt blir mer och mer krökt för att slutligen uppvisa en i förhållande till axialriktningen mycket vinkelställd krökningsyta.

Centralkroppen 13 är utförd med i huvudsak stympat konisk form. Närmare bestämt avgränsas kroppen av en koniskt av- smalnande mantelyta 21, en främre, kalottformig eller halvsfärisk yta 22 samt en bakre plan ändyta 23. Konici- teten hos denna kropp är i och för sig större än konici- teten hos den omgivande rörsektionen 6. Dock är konvink- larna hos centralkroppen respektive rörsektionen så av- passade i förhållande till varandra att den ringformiga passage som bildas mellan centralkroppens utsida och rör- sektionens insida erhåller i huvudsak lika stor tvär- snittsarea vid utloppet som vid inloppet (räknat i nivå med bladens bakre respektiv främre ändkanter 19, 20).

Genom sin koniska form medverkar centralkroppen 13 till att styra ut den passerande tvåfasblandningen mot huvud- rörets l periferi då blandningen passerar och lämnar blad- donet. Såsom framgår av fig 3 och É tillsammans uppvisar den koniska centralkroppen 13 vid sin bakre ände en ring- formig fläns 24 med stympat konisk form vilkens konvinkel är något större än själva centralkroppens 13 konvinkel.

Denna ringfläns 24 bidrar ytterligare till att styra ut den passerande tvåfasblandningen mot huvudrörets periferi då blandningen lämnar bladdonet.

Ett ytterligare särdrag som bidrar till att styra ut blandningen mot huvudrörets periferi framgår av fig 5.

Sålunda sträcker sig den bakre ändkanten 19 av varje blad snett i förhållande till en tänkt radie mellan central- kroppens centrum C och en yttre eller periferiskt belägen punkt P på ändkanten 19. Närmare bestämt är ändkanten 19 snedställd på ett sådant sätt att en inre punkt P' lokali- seras ett stycke framför sagda tänkta radie betraktat i bladens vridriktning. Genom denna från radialriktningen förskjutna snedställning av bladens ändkanter kommer dessa 502 10 15 20 25 30 35 765 8 att sträva efter att ytterligare styra ut den passerande tváfasblandningen i riktning mot huvudrörets periferi, snarare än att endast släppa blandningen i en tangentiell riktning.

Genom den beskrivna utformningen av bladdonet 5 kommer detta att försätta den passerande tvàfasblandningen i kraftig rotations- eller vridrörelse och genom verkan av centripetalkraften kommer vattnet i blandningen att bringas till anliggning mot insidan av rörväggen 1 under bildande av en distinkt, väl sammanhållen film 25 pà denna. Detta resulterar i att blandningen under sin passa- ge genom huvudrörets cylindriska sektion 2 delas i en vätskefas och en gasfas i vilken andelen medföljande vätska är mycket liten i jämförelse med den genom SE 7309949-l kända konstruktionen. Den speciella utformningen av bladdonet 5 i syfte att erná denna distinkta filmbild- ning har naturligtvis utförts till priset av ett ökat strömningsmotstànd i bladdonet. För att kompensera detta och åstadkomma en separator i vilken det totala tryck- fallet blir högst lika med eller till och med mindre än det totala tryckfallet i separatorn enligt SE 7309949-1 har den uppfinningsenliga separatorn utförts med ett be- tydligt större antal evakueringshàl 8 än den tidigare kända konstruktionen. Enligt ett för uppfinningen väsent- ligt särdrag uppgår därför den totala arean av de perfore- rade hálen 8 till 50-65, lämpligen 55-60% av tvärsnitts- arean i huvudrörets cylindriska sektion 2. Vid ett prak- tiskt modellförsök har sålunda den totala hàlarean uppgått till 58% av cylindersektionens 2 tvärsnittsarea.

Enligt ett föredraget utförande av uppfinningen är de enskilda evakueringshàlen 8, såsom framgår av fig 2, sned- fasade vid sin mot huvudrörets inre vända inloppsmynning.

I praktiken kan denna snedfasning 26 löpa i 45° vinkel mot hàlets centrumaxel. I praktiken kan rörväggen ha en tjocklek av 3 à 4 mm, varvid hålen 8 har en diameter av 5 à 6 mm. Härvid kan snedfasningens 26 djup uppgà till l à 1,5 mm, dvs cirka l/3 av väggtjockleken. Genom sned- 10 15 20 25 30 35 9 fasningen av hålens inloppsmynningar kommer det mot rör- väggens insida anpressade, såväl axiellt som skruvformigt framrusande vattnet att lättare ta sig ut genom hålen i det att vattnet smidigare böjer av över den snedfasade kanten än över en skarpkantad mynning. I I detta sammanhang skall även påpekas att evakue- ringshålen 8 förefinns icke blott utmed huvudrörets konis- ka sektion 3 utan även utmed delar av den cylindriska sek- tionen 2. Detta innebär att evakueringen av vatten ur filmen påbörjas på ett tidigt stadium, närmare bestämt på en nivå betydligt under inloppsmynningen 10 till utlopps- röret 9.

I praktiken kan huvudröret 1 i sin cylindriska sek- tion 2 ha en diameter av 300 mm, varvid cylindersektionens 2 längd uppgår till 700-900, lämpligen cirka 800 mm, medan den koniskt formade sektionens 3 längd uppgår till 500- 600, lämpligen 550 mm. Härvid kan rörsektionens 6 längd ligga inom området 200-250 mm. Koniciteten hos rörsektio- nen 6 kan då vara sådan att sektionens diameter vid in- loppsänden 17 är 20-40, lämpligen cirka 30 mm mindre än diametern vid utloppsänden 18. Om det antas att rörväggen har en tjocklek av 3 mm blir innerdiametern hos den cy- lindriska rörsektionen 294 mm, innebärande att tvärsnitts- arean hos denna rörsektion 2 i absoluta tal uppgår till cirka 680 cmz. Med denna dimension hos huvudröret bör den totala arean av samtliga evakueringshål 8 uppgå till cirka 395 cmz, dvs omkring 58% av huvudrörets tvärsnittsarea. Om det vidare antas att hålen 8 har en diameter av 6 mm bör antalet hål uppgå till cirka 1.400 st fördelade mellan den övre änden av den koniska rörsektionen 3 och ett område ungefär mitt på den cylindriska rörsektionen 2.

Relationstalet mellan hålarean 8 och rörsektionens 2 tvärsnittsarea kan givetvis avvika såväl uppåt som nedåt från det angivna värdet 58%. I praktiken bör värdet dock icke underskrida 50% ty då skulle det totala tryckfallet över separatorn bli alltför stort. Å andra sidan bör rela- tionstalet icke överskrida cirka 65% ty då uppstår risk 10 15 20 25 30 35 10 att vattenfilmens distinkta sammanhållning går förlorad så att ånga kan komma att medfölja ut genom hålen 8.

Nu hänvisas till fig 6 som i diagramform illustrerar resultaten av försök som utförts med tre olika typer av separatorer betecknade A, B och C. versionen A utgjordes av en separator utförd i allt väsentligt enligt SE paten- tet 7309949-1, version B av en separator enligt före- liggande uppfinning utförd med cylinderformade, skarpkan- tade evakueringshål 8, varjämte version C utgjordes av en uppfinningsenlig separator utförd med evakueringshål 8 som snedfasats i enlighet med fig 2. Försöken utfördes med en blandning av luft och vatten. Denna tvàfasblandning är i allt väsentligt analogt jämförbar med en blandning av ånga och vatten. Diagrammets abskissaxel visar vätskeflödet genom separatorn räknat i liter per sekund (l/s), medan ordinataxeln visar det s.k. "carry-over"-värdet i liter per sekund, dvs den mängd vätska som medföljer gasen ut genom utloppsröret 9. Såsom framgår av diagrammet ligger nämnda värde avsevärt högre för den konventionella sepa- ratorn A än för de båda versionerna B och C av separatorn enligt föreliggande uppfinning. Vfd exempelvis en vätske- genomflödeshastighet på 80 l/s medföljer vid separatorn A sålunda cirka 27 l/s vätska, medan motsvarande värden för separatorerna B resp C är cirka 17,5 resp 15 l/s. Särskilt fördelaktig är versionen C vid höga genomflödeshastig- heter, i det att carryover-värdet här i allt väsentligt halveras i jämförelse med den kända tekniken.

Claims (4)

10 20 25 30 35 5032 765 11

1. Separator för åtskiljande av de båda faserna i en blandning av ett gasformigt medium, t ex vattenånga, och ett vätskefor- migt medium, innefattande ett huvudrör (1) i vil- ket ingår ett don (5) bestående av en sats krökta blad (12) sträcker sig mellan rörets vägg och en centralt i röret lokali- (13) bladdonet passerande tvàfasblandningen i en rotations- eller t ex vatten, SOTTI serad kropp och har till uppgift att försätta den genom vridrörelse i syfte att bringa vätskan i denna till anliggning mot rörväggens insida under bildande av en film (25) på denna, i området efter bladdonet (5) och vilket huvudrör (1) uppvisar ett väsentligen cylindriskt parti (2) som övergår i ett avsmal- nande eller koniskt parti (3) i vilket är monterat ett med huvudröret koaxiellt, för evakuering av gasen avsett utloppsrör (9) med mindre tvärsnittsarea än huvudrörets cylindriska parti (2), varvid i huvudrörets vägg - men ej i utloppsröret - är ur- tagna en mångfald perforerade hål (8) genom vilka vätskan ur sagda film kan passera ut under avskiljning av vätskan från gasen, k ä n n e t e c k n a d av den kombinationen att det enskilda bladet (12) har en axiell utsträckning som är åtminstone dubbelt så stor i sagda don (5) på i och för sig känt sätt som bladets största bredd och en krökning som är åtminstone så stor att en bakre ändkant (19) hos ett godtyckligt blad befin- ner sig vridvinkelmässigt förskjutet förbi ett tänkt radialplan_ i axiell förlängning av en främre ändkant (20) hos ett närbelä- (13) med vilken bladen (12) är förbundna har i huvudsak stympat konisk form och är riktad med get blad, att den centrala kropp sin konspets mot tvåfasblandningens flödesriktning, och att den totala arean av de perforerade hålen (8) uppgår till 50-65, lämpligen 55-60 % av tvärsnittsarean i huvudrörets (1) cylind- riska parti (2), varvid de perforerade hålen (8) förefinns icke blott utmed huvudrörets (1) (3), utan även utmed dess cylindriska parti avsmalnande eller koniska parti (2).

2. Separator enligt krav l, varvid det parti (6) av huvudröret (1) som omsluter bladdonet (5) uppvisar stympat konisk form med rörpartiets smala ände (17) bildande ett inlopp och den grova 10 15 20 502 765 12 änden (18) bildande ett utlopp, k ä n n e t e c k n a d därav, att den centrala konkroppen (13) har större konvinkel än sagda rörparti (6) för att mellan kroppens utsida och rörpartiets (6) insida bilda en ringformig passage vars tvärsnittsarea vid in- loppet är i huvudsak lika stor som tvärsnittsarean vid utlop- pet.

3. Separator enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att sagda centralkropp (13) vid sin grova utloppsände (18) uppvisar en ringformig fläns (24) med stympat konisk form, vilkens konvinkel är något större än själva centralkroppens (13) konvinkel och vilken har till uppgift att ytterligare styra ut den passerande tváfasblandningen mot huvudrörets peri- feri.

4. Separator enligt krav 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a d därav, att det enskilda bladets (12) vid utloppet (18) befint- (19) tänkt radie mellan centralkroppens centrum och ändkantens yttre liga ändkant sträcker sig snett i förhållande till en eller periferiskt belägna punkt (P), närmare bestämt pá sä sätt att ändkantens (19) inre punkt (P') är belägen ett stycke fram- för sagda radie sett i bladens vridriktning för att ytterligare bidraga till att styra ut den passerande tváfasblandningen mot huvudrörets periferi.