EP0841486A2 - Vorrichtung und Verfahren zum Pumpen eines fluiden Mediums - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Pumpen eines fluiden Mediums Download PDF

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EP0841486A2
EP0841486A2 EP97118953A EP97118953A EP0841486A2 EP 0841486 A2 EP0841486 A2 EP 0841486A2 EP 97118953 A EP97118953 A EP 97118953A EP 97118953 A EP97118953 A EP 97118953A EP 0841486 A2 EP0841486 A2 EP 0841486A2
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EP
European Patent Office
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pump
chamber
fluid
fluid medium
rotation
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EP97118953A
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EP0841486B1 (de
EP0841486A3 (de
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Johann Dr. Meseth
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Areva GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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Publication of EP0841486A3 publication Critical patent/EP0841486A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F1/00—Pumps using positively or negatively pressurised fluid medium acting directly on the liquid to be pumped
    • F04F1/06—Pumps using positively or negatively pressurised fluid medium acting directly on the liquid to be pumped the fluid medium acting on the surface of the liquid to be pumped
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F1/00—Pumps using positively or negatively pressurised fluid medium acting directly on the liquid to be pumped
    • F04F1/18—Pumps using positively or negatively pressurised fluid medium acting directly on the liquid to be pumped the fluid medium being mixed with, or generated from the liquid to be pumped

Definitions

  • the invention relates to a method for pumping a fluid medium and a pump for a fluid medium, in particular around cooling or emergency cooling water in a reactor pressure vessel to pump a nuclear power plant.
  • From GB 2 259 329 A is a device for taking one Fluids known in which a first entraining fluid in a Rotation is set. In the center of the rotation flow arises a negative pressure through which a second fluid is sucked in and is mixed with the driver fluid. The pumping action this device is therefore limited to suction of the second fluid.
  • the object of the invention is a method for pumping a to specify fluid medium and a pump for a fluid medium, the pumping action being reliable and independent of the Supply of external auxiliary energy is.
  • the object of the method is achieved according to the invention solved by a method for pumping a fluid medium according to claim 1.
  • the fluid Medium conveyed by contact with a rotating pump fluid.
  • the principle underlying the procedure is a fluid medium to be pumped in contact with a rotating medium Pump fluid to bring the pulse of the pump fluid out of the To transmit rotational flow to the fluid medium.
  • the fluid medium also turns into a rotational flow displaces and experiences centrifugal forces that the Accelerate fluid medium radially outwards. This is how it is created a radial pressure drop that is used to convey the fluid medium is used.
  • the fluid medium is separated from the pumped fluid and can be pumped against a pressure will. The importance of this process can be seen in that the pressure to convey the fluid medium primarily through Centrifugal forces are built up.
  • the speed of rotation is advantageous in the method and thus the centrifugal force by a Narrowing of the flow cross-section, i.e. the flowed through Cross-sectional area perpendicular to the axis of rotation, increased. Due to the conservation of angular momentum for the flowing pump fluid the pump therefore offers the possibility in a simple manner the speed of the pump fluid and thus the pumping effect to increase. Compared to a steam jet pump, in which the Pump fluid speed limited by the shape of the nozzle can, by narrowing the cross-sectional area with such a pump even high supersonic speeds can be easily reached.
  • the rotational speed is preferably determined by an in Direction of the axis of rotation subsequent expansion of the Flow cross section reduced again, so that the centrifugal acceleration is reduced.
  • the pump fluid is advantageously tangential to the rotational flow and substantially perpendicular to the axis of rotation fed to support the establishment of the rotational flow and additionally convert rotational energy into pressure energy.
  • the fluid medium is preferred in the method tangential to the rotational flow and in the direction of flow of the pump fluid removed. This will promote the fluid medium the static pressure caused by the centrifugal forces arises due to an additional back pressure the rotational speed increases. The kinetic energy of the fluid medium is thereby largely in pressure energy transformed.
  • the fluid medium is advantageously used in the method due to a negative pressure resulting from the rotational flow preferably in the area of the narrowing of the flow cross section sucked in, whereby the fluid medium from a deeper reservoir can be promoted.
  • the fluid medium is preferably collected after separation.
  • the task aimed at the pump is solved by a Pump for a fluid medium with a chamber that has a supply line for the fluid medium and an inlet for a pump fluid which, through this inlet under training a rotational flow is inflow.
  • the fluid medium is radial to the axis of rotation due to contact with the pump fluid the rotational flow can be accelerated outwards and at one jacket of the chamber spaced radially from the axis of rotation there is an outlet through which the fluid medium is separated of the pump fluid can be removed from the chamber.
  • the chamber of the pump is preferably a substantially rounded chamber. Especially is it rotationally symmetrical or cylindrical. Instead of A circular cross section of the chamber can but also, for example, oval, i.e. not rotationally symmetrical, be.
  • This essentially rounded chamber enables in a simple way the formation of a largely frictionless Rotational flow. Taking advantage of this acting centrifugal forces build up in the chamber radially arranged lateral surface to a pump pressure with which the fluid medium can be pumped or pumped. Of the Pump pressure essentially depends on the density of the fluid Medium and the centrifugal acceleration.
  • the chamber On the coat the chamber is formed by a fluid medium annular layer, i.e. the fluid medium is collected or collected. The grows with increasing layer thickness Pressure in this layer.
  • This pressure is called the pump pressure Conveying the fluid medium used and the pressure of the Exceed pumping fluids many times over.
  • the arrangement of a or several outlets in the area of the radial from the axis of rotation spaced and around them Mantels ensures that the resulting centrifugal forces optimally used for pumping for the fluid medium.
  • the chamber points along the axis of rotation in a partial area a cross-sectional narrowing on the rotation speed and thus the Pump effect to increase.
  • the inlet is preferred for establishing the rotational flow tangential to the shell of the chamber and approximately perpendicular to the Rotation axis arranged.
  • the chamber comprises an inlet and an outlet chamber for the pump fluid and an interaction chamber disposed therebetween, wherein the interaction chamber has a smaller cross-sectional area than the entry chamber. This is an increase the speed of the rotational flow in the interaction chamber reached, which increases the pumping capacity becomes.
  • interaction chamber and the inlet chamber and / or between the interaction and exit chamber arranged a transition area, its cross-sectional area to the cross-sectional area of the interaction chamber is reduced. This can result in the interaction chamber the centrifuged fluid in the area of the jacket Accumulate medium, making it available for pumping standing static pressure is increased.
  • it extends the supply line for the fluid medium along the axis of rotation into the interaction chamber and is with a number provided by radial bores. Due to the central arrangement of the supply line, the negative pressure existing there for conveying of the fluid medium from, for example, a reservoir. Through the radial holes, the fluid medium atomized when entering the pump.
  • the pumping fluid flows through at least under pressure an inlet designed as a nozzle into the inlet chamber, a rotational flow at the highest possible speed to create.
  • the nozzle for example a Laval nozzle, not necessarily designed for maximum speed be.
  • Laval nozzles such as they usually are used in steam jet pumps, for example problematic for saturated steam.
  • the pumping effect is dependent on the temperature of the fluid medium and the pump fluid largely independent.
  • the mass flow ratio between pump fluid and fluid medium compared to the steam jet pump in others Limits selectable.
  • each arranged at least one outlet lead the centrifuged fluid out of the pump to be able to.
  • a check valve in the outlet for example a check valve, arranged, which causes the fluid Medium also pumped self-regulating against external pressure can be.
  • This characteristic is achieved in terms of safety technology Aspects are of essential importance since the Starting process with a pump with such a relatively simple one Check valve is completely unproblematic and none complex control mechanisms are necessary.
  • Such a pump is advantageously used in a power plant reactor used as a feed pump, for example Pump coolant into the reactor.
  • the pump can for the respective areas of application, for example to the maximum Delivery pressure or optimized for maximum mass flow ratio will.
  • the pump 2 comprises a rotationally symmetrical, hollow chamber 14, which consists of an inlet chamber 4, a Interaction chamber 6 and an outlet chamber 8 are formed becomes.
  • the inlet 4 and outlet 8 are each with the interaction chamber 6 in the axial direction along a Rotation axis 16 of the chamber 14 connected.
  • a pump fluid v enters the inlet chamber 4 and flows through the interaction chamber 6 into the outlet chamber 8, where the pumping fluid v exits through an outlet opening 12 the rotary pump 2 emerges again.
  • the pump fluid v can for example, water vapor from a reactor pressure vessel Be boiling water reactor. This steam can after Flow through the pump 2, for example, a condensation chamber fed or blown off.
  • Such a pump 2 where steam is used as the pumping fluid v, can be done in analogy referred to the steam jet pump as a steam rotary pump will.
  • the chamber 14 formed from the three individual chambers 4, 6, 8 comprises a jacket 141 and one end face 142, which the Entry chamber 4 and the exit chamber 8 limited.
  • a Supply line 18 for a fluid medium f opens through the end face 142 on the entrance chamber 4 side into the chamber 14 and extends along the axis of rotation 16 to in the interaction chamber 6.
  • the fluid medium f can, for example Water from a condensation chamber in a power plant be.
  • gases and Liquids serve as fluid medium f or pumping fluid v, if at least the specific density of the fluid medium f is higher than that of the pump fluid v.
  • the lead 18 is advantageously cylindrical and is at its end in the Interaction chamber 6 from a closed end face 181 limited.
  • the fluid medium f preferably flows from one Number of radially arranged bores 183 or openings through a cylinder jacket 182 in the area of the interaction chamber 6 in the chamber 14.
  • the inlet chamber 4 has a maximum radius r 0 , which is larger than the maximum radius r 3 of the interaction chamber 6.
  • the outlet chamber 8 has a radius r 4 , which is also larger than the radius r 3 , the radius r 4 including can match the radius r 0 of the inlet chamber 4.
  • the cross-sectional area of the chamber 14, the surface normal of which is formed by the axis of rotation 16, is in each case in a transition region 20 between the inlet chamber 4 and the interaction chamber 6 or between the interaction chamber 6 and the outlet chamber 8 to a radius r 2 , which is smaller than the radius r 3 of the interaction chamber 6, reduced.
  • the radius of the cross-sectional area in the transition region 20 between the inlet chamber 4 and the interaction chamber 6 does not necessarily have to match the radius in the transition region 20 between the outlet chamber 8 and the interaction chamber 6.
  • the inlet 10 for the pump fluid v is preferably arranged in the inlet chamber 4 at a distance r 1 from the axis of rotation 16, which is smaller than the radius r 0 of the inlet chamber 4, on the end face 142 of the chamber 14.
  • the inlet 10 is arranged in particular tangentially to the jacket 141 or to the wall of the inlet chamber 4 and approximately perpendicular to the axis of rotation 16, so that the axis of rotation 16 of the chamber 14 is also the axis of rotation of the rotational flow of the pump fluid v.
  • the inlet 10 is particularly advantageous to design the inlet 10 as a nozzle, which can be a Laval nozzle, for example.
  • the nozzle is optimized such that the pump fluid v enters the inlet chamber 4 at the highest possible speed.
  • a speed of approx. 450 m / s can be achieved with a supercritical pressure drop.
  • the pump fluid v If the pump fluid v is vapor, it condenses as a result of the Increase in flow rate partially out and it 4 water droplets are created in the inlet chamber. This are due to the high rotation speed and the centrifugal force associated with it and collect itself on the outer edge of the inlet chamber 4 on the inside of the jacket 141. An annular ring is thus formed Water layer with a thickness ⁇ s in which the static Pressure increased.
  • the pumping fluid v and the fluid medium f the same material composition own and possibly only as different phases are present, the fluid medium f and the pump fluid v indistinguishably mix.
  • Part of the pump fluid v can then also be pumped as a fluid medium f should be used. For this part of the pump fluid v is then a distinction between fluid medium f and pump fluid v no longer possible.
  • the pressure build-up ⁇ p f accordingly increases with increasing thickness ⁇ s of the layer 22.
  • An outlet 24 for the fluid medium f is preferably provided in the inlet chamber 4 at the maximum radius r 0 on the chamber wall or on the casing 141. The centrifuged liquid can escape through this outlet.
  • the outlet 24 tangential to the chamber wall in the direction of flow of the pump fluid v arranged so that the condensed Liquid can flow directly into the outlet 24.
  • the outlet 24 can also extend into the chamber 14 for this purpose.
  • the swirl or rotational flow in the pump 2 corresponds largely a potential vortex and is therefore almost frictionless. Only due to frictional losses on the Chamber wall or on the surface of the fluid medium f formed layer 22 or on individual for example condensed drops lose a certain proportion of the rotational flow kinetic energy, i.e. the rotational speed this proportion decreases. Due to the then lower centrifugal forces, this portion of the Pump fluids v along, for example, curved outwards End face 142 in the direction of the axis of rotation 16. Thus stands basically the proportion of the pump fluid v from the rotational flow at the highest speed in contact with the Layer 22. Therefore, despite the friction losses, a high one Maintain rotational speed of the fluid medium f.
  • the pump fluid v then flows from the inlet chamber 4 through the transition region 20 into the interaction chamber 6, which has a smaller radius.
  • the speed of the rotational flow is increased. It can reach high supersonic speeds. If one initially neglects any friction or condensation effects, the product of flow velocity w i and radius r i must be constant due to the preservation of the flow angular momentum. If the radius is reduced by a factor of 2, this means an increase in speed by the same factor. Since the quotient of the square of the speed w i and the radius r i is decisive for the pressure build-up ⁇ p f , an increase in speed should be aimed for.
  • fluid medium f for example Water
  • fluid medium f for example Water
  • the fluid medium f sprayed into the chamber for example Drops of water
  • the pump fluid condenses v, for example water vapor, on the cold water drops out.
  • the steam heats them up Saturation temperature. It is there for the pumping action however, it is not necessary that the steam condense completely.
  • the transition areas 20 becomes a transfer of the fluid medium f into the neighboring one Entry 4 or exit chamber 8 avoided and the Formation of the layer 22 with the thickness ⁇ s supported.
  • one or more Outlets 24 for the fluid medium f are arranged.
  • the outlet 24 on the inside of the casing 141 and is tangential and in the flow direction of the pump fluid v or the fluid medium f aligned, i.e.
  • outlet 24 is arranged so that the fluid medium f to be pumped into the Outlet 24 flows in, so that a dynamic pressure arises and the kinetic energy from the rotational flow at least partially is converted into pressure energy.
  • circular outlets shown can of course also one over the entire area of the interaction chamber 6 elongated outlet gap can be arranged.
  • the pump fluid v flows into the outlet chamber 8. Before this, it is accelerated by the narrowing of the cross section in the transition region 20, so that drops can be centrifuged off again.
  • the geometry of the outlet chamber 8 largely corresponds to that of the inlet chamber 4. By increasing the radius to the radius r 4 of the outlet chamber 8, the rotational speed of the pump fluid v decreases.
  • the pump fluid v exits the pump 2 through the outlet opening 12. If an outlet device with an outlet opening 12 is arranged tangentially and in the direction of the rotational flow, the kinetic energy of the rotational flow is in turn largely converted back into pressure energy.
  • the pump fluid v in the interaction chamber 6 has given kinetic energy to the fluid medium f, the pressure at the outlet from the pump 2 is now lower than at the inlet. If the pump fluid v is originally saturated steam, it is practically dry and slightly overheated when it leaves the pump 2.
  • FIG. 2 shows schematically a further embodiment of a rotary pump 2, in which the design effort is reduced.
  • the chamber 14 of this rotary pump 2 is cylindrical with a constant radius r 0 .
  • the pump fluid v enters the chamber 14 at one end to form a rotational flow through one or more inlets 10.
  • the inlets 10, which are advantageously designed as nozzles, are arranged at a distance r 1 from the axis of rotation 16 and tangentially to the casing 141 of the chamber 14 and approximately perpendicular to the axis of rotation 16.
  • the inlet 10 can be designed, for example, as a tube which extends into the chamber 14.
  • the fluid medium f enters the chamber 14 through radially arranged bores 183 from the feed line 18.
  • outlet opening 12 for the pump fluid f.
  • the outlet opening 12 is arranged at a distance r 5 from the axis of rotation 16 and tangentially to the casing 141.
  • the distance r 5 is smaller than the radius r 0 of the cylindrical chamber 14 and is to be selected such that no fluid medium v which accumulates in the layer 22 can escape through the outlet opening 12 for the pump fluid f.
  • One or more outlets 24 for the fluid medium f are arranged on the casing 141.
  • the outlets 24 can be arranged tangentially on the jacket 141 of the cylindrical chamber 14 in order to additionally convert the kinetic energy of the rotational flow into pressure energy.
  • the outlet 24 can also be formed as a gap over the entire length of the cylinder.
  • a check valve can be in the outlet 24 23 or valve can be arranged.
  • Exceeds the external pressure for example the pressure in a reactor pressure vessel, into which a coolant is pumped should, the pressure or delivery pressure of the fluid medium in the The check valve 23 closes inside the chamber 14.
  • the thickness ⁇ s of the layer 22 increases and thus also the delivery pressure according to the above equation, until this exceeds the external pressure.
  • the non-return valve opens 23 and the coolant can be in the reactor pressure vessel flow. This reduces the thickness ⁇ s and thus the delivery pressure and the non-return valve 23 closes again, when the discharge pressure falls below the external pressure.
  • the chamber 14 is in a further embodiment schematically sketched in cross section.
  • the chamber 14 will formed from a number of chamber segments 145.
  • the chamber segments 145 extend along the axis of rotation 16 over the entire chamber. They have an almost circular shape Curvature, and are arranged so that they are mutually leaving a gap between each Chamber segments overlap.
  • overlapping Shell segments of a cylinder form the cylindrical one Chamber 14.
  • the chamber segments 145 are arranged so that with a defined sense of rotation 147 a certain one Chamber segment 145 overlaps the previous chamber segment 145 and is overlapped by a subsequent one.
  • FIG. 4 which shows the chamber 14 in cross section
  • the casing 141 of the chamber 14 is open.
  • the jacket 141 has So a beginning and an end. Beginning and end of the coat 141 overlap so that the casing 141 is helical Takes shape.
  • the opening of the casing 141 is fulfilled the function of the outlet 24.
  • To the pump pressure for that fluid medium f to increase a dynamic pressure is the opening in the coat 141, i.e. the gap, in the flow direction of the fluid medium f arranged.
  • the direction of rotation 147 of such a rotational flow is indicated.
  • FIG. 5 is a cooling circuit or an emergency cooling circuit schematically illustrated in a nuclear power plant.
  • the reactor pressure vessel 31 for example a boiling water reactor Steam
  • the pump fluid v via a line 301 into the Pump 2 directed.
  • the fluid medium f via a pipe 302 from a coolant reservoir 32, for example a Condensation basin can be sucked into the pump 2.
  • the steam leaves the pump 2 and is fed via a line 304 either blown off over the roof or over a line 305, for example, returned to the condensation chamber 32.

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Abstract

Bei dem Verfahren zum Pumpen eines fluiden Mediums (f) gemäß der Erfindung wird das fluide Medium (f) gefördert, indem es mit einem rotierenden Pumpfluid (v) in Kontakt gebracht wird. Dadurch wird das fluide Medium (f) in eine Rotationsströmung versetzt und erfährt dabei Zentrifugalkräfte, infolge derer der Druck zum Fördern des fluiden Mediums (f) aufgebaut wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Pumpen eines fluiden Mediums und eine Pumpe für ein fluides Medium, insbesondere um Kühl- oder Notkühlwasser in einen Reaktordruckbehälter eines Kernkraftwerkes zu pumpen.
Die Sicherheitsaspekte für ein Kernkraftwerk fordern, daß der Reaktor zu jeder Zeit kontrollierbar ist. Bei allen ernsteren Störungen bzw. Störfällen des Reaktorbetriebes muß daher gewährleistet sein, daß der Kernreaktor ausreichend gekühlt wird. Hierzu wird ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser, in den Reaktordruckbehälter bzw. in die Dampferzeuger eingespeist und der entstehende Dampf abgeführt. Moderne Entwicklungen für die Sicherheitskomponenten zielen darauf ab, möglichst passive, d.h. ohne bewegliche Teile ausgestattete Sicherheitssysteme einzusetzen, die ohne externe Versorgung funktionsfähig sind. Für ein solches Sicherheitssystem besteht die Forderung, daß es ohne jegliche elektrische Energie oder externe Eingriffe zur Steuerung auskommt. Der Vorteil von passiven gegenüber aktiven Bauelementen ist ihre auch in Grenzsituationen hohe Zuverlässigkeit. So werden heutzutage Sicherheitskonzepte entwickelt, bei denen die Sicherheitsbaugruppen ihre nötige Energie beispielsweise aus Gravitationskräften oder aus der bei einem Störfall frei werdenden Energie beziehen, um von externen Versorgungsquellen unabhängig zu sein. Dies hat zur Folge, daß selbst bei einem Ausfall aller externen Versorgungen die Sicherheitskomponenten funktionsfähig bleiben.
Zur Kühlung eines Kernreaktors bei einem Störfall bietet es sich an, die bei dem Störfall entstehende Wärmeenergie und insbesondere den entstehenden Dampf zum Betreiben von beispielsweise Notkühlpumpen einzusetzen. Ein bekanntes Konzept zum Pumpen einer Flüssigkeit mittels eines Dampfes bietet hierzu die Dampfstrahlpumpe, wie sie beispielsweise aus Meyers Lexikon
Figure 00020001
Technik und exakte Naturwissenschaften", 1. Band, Mannheim 1969, Seiten 519 bis 520, bekannt ist.
Aus der GB 2 259 329 A ist eine Vorrichtung zum Mitnehmen eines Fluids bekannt, bei der ein erstes Mitnehmerfluid in eine Rotation versetzt wird. Im Zentrum der Rotationsströmung entsteht dabei ein Unterdruck, durch den ein zweites Fluid angesaugt und mit dem Mitnehmerfluid vermischt wird. Die Pumpwirkung dieser Vorrichtung beschränkt sich daher auf das Ansaugen des zweiten Fluids.
Bei einem Siedewasserreaktor treten bei einem Störfall Betriebsdrücke zwischen 70 und 3 bar auf, für die die Pumpe ausgelegt sein muß. Zudem muß sie in der Lage sein, gegen den im Reaktordruckbehälter herrschenden Druck Kühlwasser aus einem Kühlwasserreservoir selbständig zu fördern, ohne auf eine externe Starthilfe angewiesen zu sein. Die Dampfstrahlpumpe ist hierfür nur bedingt geeignet. Problematisch ist der hohe Betriebsdruck, der bei Störfällen starken Schwankungen unterworfen ist. Darüber hinaus ist auch der Startvorgang bei einer Dampfstrahlpumpe problematisch, da bis zum Aufbau des nötigen Gegendruckes für die Einspeisung von Kühlwasser in den Reaktordruckbehälter sogenanntes Schlabberwasser über ein Schlabberventil abgeführt werden muß. Erst bei ausreichend hohem Druck kann auf das druckführende System umgeschaltet werden, wozu eine Regelung des Startvorganges nötig wird. Die Leistung einer Dampfstrahlpumpe ist von der Ausbildung der verwendeten Düse sowie vom Druck und der Temperatur des Dampfes abhängig.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Pumpen eines fluiden Mediums und eine Pumpe für ein fluides Medium anzugeben, wobei die Pumpwirkung zuverlässig und unabhängig von der Zufuhr externer Hilfsenergie ist.
Die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Pumpen eines fluiden Mediums gemäß Patentanspruch 1. Bei diesem Verfahren wird das fluide Medium durch Kontakt mit einem rotierenden Pumpfluid gefördert. Dem Verfahren liegt die prinzipielle Idee zugrunde, ein zu pumpendes fluides Medium in Kontakt mit einem rotierenden Pumpfluid zu bringen, um den Impuls des Pumpfluides aus der Rotationsströmung auf das fluide Medium zu übertragen. Dadurch wird das fluide Medium ebenfalls in eine Rotationsströmung versetzt und erfährt dabei Zentrifugalkräfte, die das fluide Medium radial nach außen beschleunigen. So entsteht ein radiales Druckgefälle, das zum Fördern des fluiden Mediums verwendet wird. Das fluide Medium wird dabei getrennt von dem Pumpfluid abgeführt und kann gegen einen Druck gefördert werden. Die Bedeutung dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß der Druck zum Fördern des fluiden Mediums vorrangig durch Zentrifugalkräfte aufgebaut wird.
In einer vorteilhaften Weise wird bei dem Verfahren die Rotationsgeschwindigkeit und damit die Zentrifugalkraft durch eine Verengung des Strömungsquerschnitts, d.h. der durchströmten Querschnittsfläche senkrecht zur Rotationsachse, erhöht. Aufgrund der Drehimpuls-Erhaltung für das strömende Pumpfluid bietet die Pumpe daher in einfacher Weise die Möglichkeit, die Geschwindigkeit des Pumpfluides und damit die Pumpwirkung zu erhöhen. Gegenüber einer Dampfstrahlpumpe, bei der die Geschwindigkeit des Pumpfluides durch die Form der Düse begrenzt wird, können durch die Verengung der Querschnittsfläche bei einer solchen Pumpe selbst hohe Überschallgeschwindigkeiten mühelos erreicht werden.
Bevorzugt wird die Rotationsgeschwindigkeit durch eine in Richtung der Rotationsachse nachfolgende Erweiterung des Strömungsquerschnitts wieder erniedrigt, so daß die Zentrifugalbeschleunigung verringert wird.
Das Pumpfluid wird vorteilhafterweise tangential zur Rotationsströmung und im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse zugeführt, um den Aufbau der Rotationsströmung zu unterstützen und zusätzlich Rotationsenergie in Druckenergie umzuwandeln.
Insbesondere wird bei dem Verfahren das fluide Medium bevorzugt tangential zur Rotationsströmung und in Strömungsrichtung des Pumpfluids abgeführt. Dadurch wird zum Fördern des fluiden Mediums der statische Druck, der durch die Zentrifugalkräfte entsteht, um einen zusätzlichen Staudruck infolge der Rotationsgeschwindigkeit erhöht. Die kinetische Energie des fluiden Mediums wird dadurch weitgehend in Druckenergie umgewandelt.
Vorteilhafterweise wird bei dem Verfahren das fluide Medium durch einen aufgrund der Rotationsströmung entstehenden Unterdruck bevorzugt im Bereich der Verengung des Strömungsquerschnitts angesaugt, wodurch das fluide Medium aus einem tiefer liegenden Reservoir gefördert werden kann.
Zur Erhöhung des Pumpdrucks, also des Drucks, mit dem das fluide Medium gegen einen äußeren Druck gepumpt werden kann, wird das fluide Medium nach dem Trennen bevorzugt gesammelt.
Die auf die Pumpe gerichtete Aufgabe wird gelöst durch eine Pumpe für ein fluides Medium mit einer Kammer, die eine Zuleitung für das fluide Medium und einen Einlaß für ein Pumpfluid aufweist, welches durch diesen Einlaß unter Ausbildung einer Rotationsströmung einströmbar ist. Das fluide Medium ist durch Kontakt mit dem Pumpfluid radial zur Rotationsachse der Rotationsströmung nach außen beschleunigbar und an einem radial von der Rotationsachse beabstandeten Mantel der Kammer ist ein Auslaß angeordnet, durch den das fluide Medium getrennt von dem Pumpfluid aus der Kammer abführbar ist.
Durch den Kontakt des fluiden Mediums mit dem Pumpfluid erfährt das fluide Medium einen Impulsübertrag und wird ebenfalls in eine Rotationsströmung versetzt. Die Kammer der Pumpe ist bevorzugt eine im wesentlich gerundete Kammer. Insbesondere ist sie rotationssymmetrisch oder zylindrisch. Anstatt eines kreisrunden Querschnittes der Kammer kann dieser aber auch beispielsweise oval, also nicht rotationssymmetrisch, sein. Diese im wesentlichen gerundete Kammer ermöglicht in einfacher Weise die Ausbildung einer weitgehend reibungsfreien Rotationsströmung. Unter Ausnutzung der dabei wirkenden Zentrifugalkräfte baut sich in der Kammer an ihrer radial angeordneten Mantelfläche ein Pumpdruck auf, mit dem das fluide Medium gepumpt oder gefördert werden kann. Der Pumpdruck hängt im wesentlichen von der Dichte des fluiden Mediums und der Zentrifugalbeschleunigung ab. An dem Mantel der Kammer bildet sich eine aus dem fluiden Medium bestehende ringförmige Schicht, d.h. das fluide Medium wird aufgefangen oder auch gesammelt. Mit zunehmender Schichtdicke wächst der Druck in dieser Schicht. Dieser Druck wird als Pumpdruck zum Fördern des fluiden Mediums verwendet und kann den Druck des Pumpfluides um ein Vielfaches übersteigen. Die Anordnung eines oder mehrerer Auslässe im Bereich des radial von der Rotationsachse beabstandeten und um diese herum verlaufenden Mantels stellt sicher, daß die entstehenden Zentrifugalkräfte zum Pumpen für das fluide Medium optimal ausgenutzt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Kammer entlang der Rotationsachse in einem Teilbereich eine Querschnittsverengung auf, um die Rotationsgeschwindigkeit und damit die Pumpwirkung zu erhöhen.
Bevorzugt ist zum Aufbau der Rotationsströmung der Einlaß tangential zum Mantel der Kammer und annähernd senkrecht zur Rotationsachse angeordnet.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung umfaßt die Kammer eine Eintritts- und eine Austrittskammer für das Pumpfluid sowie eine dazwischen angeordnete Wechselwirkungskammer, wobei die Wechselwirkungskammer eine geringere Querschnittsfläche als die Eintrittskammer aufweist. Damit wird eine Erhöhung der Geschwindigkeit der Rotationsströmung in der Wechselwirkungskammer erreicht, wodurch die Pumpleistung erhöht wird.
Vorteilhafterweise ist zwischen Wechselwirkungs- und Eintrittskammer und/oder zwischen Wechselwirkungs- und Austrittskammer ein Übergangsbereich angeordnet, dessen Querschnittsfläche zur Querschnittsfläche der Wechselwirkungskammer reduziert ist. Hierdurch kann sich in der Wechselwirkungskammer im Bereich des Mantels das abzentrifugierte fluide Medium ansammeln, wodurch der zum Pumpen zur Verfügung stehende statische Druck erhöht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich die Zuleitung für das fluide Medium entlang der Rotationsachse in die Wechselwirkungskammer und ist mit einer Anzahl von radialen Bohrungen versehen. Durch die zentrale Anordnung der Zuleitung wird der dort bestehende Unterdruck zum Fördern des fluiden Mediums aus beispielsweise einem Reservoir bewirkt. Durch die radialen Bohrungen wird das fluide Medium beim Eintritt in die Pumpe zerstäubt.
Vorzugsweise strömt das Pumpfluid unter Druck durch wenigstens einen als Düse ausgebildeten Einlaß in die Eintrittskammer, um eine Rotationsströmung mit möglichst hoher Geschwindigkeit zu erzeugen. Da die Geschwindigkeit bei dieser Pumpe zusätzlich durch eine Querschnittsverengung der Kammer erhöht werden kann, muß die Düse, beispielsweise eine Lavaldüse, nicht zwingend auf maximale Geschwindigkeit ausgelegt sein. Denn die Optimierung von solchen Lavaldüsen, wie sie i.d.R. in Dampfstrahlpumpen eingesetzt werden, ist beispielsweise für Sattdampf problematisch. Des weiteren ist es für die Pumpwirkung nicht wie bei der Dampfstrahlpumpe ausschlaggebend, daß das eingeströmte Medium vollständig auskondensiert. Daher ist die Pumpwirkung von der Temperatur des fluiden Mediums und des Pumpfluides weitgehend unabhängig. Auch ist das Massenstromverhältnis zwischen Pumpfluid und fluidem Medium im Vergleich zur Dampfstrahlpumpe in weiteren Grenzen wählbar.
Vorteilhafterweise ist in der Wechselwirkungs- und in der Eintrittskammer jeweils mindestens ein Auslaß angeordnet, um das dort abzentrifugierte fluide Medium aus der Pumpe herausführen zu können.
Insbesondere ist es von Vorteil, den Auslaß für das fluide Medium tangential zum Mantel der Kammer und in Strömungsrichtung des Pumpfluides anzuordnen, um den dadurch entstehenden zusätzlichen Staudruck des fluiden Mediums ebenfalls zum Pumpen heranzuziehen.
Vorzugsweise ist im Auslaß ein Rückschlagventil, beispielsweise eine Rückschlagklappe, angeordnet, wodurch das fluide Medium auch gegen einen äußeren Druck selbstregulierend gepumpt werden kann. Dieses Merkmal erlangt im Hinblick auf Sicherheitstechnische Aspekte eine wesentlich Bedeutung, da der Startvorgang bei einer Pumpe mit einer solch relativ einfachen Rückschlagklappe vollkommen unproblematisch ist und keine aufwendigen Regelmechanismen notwendig sind.
Vorteilhafterweise wird eine solche Pumpe in einem Kraftwerksreaktor beispielsweise als Einspeisepumpe eingesetzt, um Kühlmittel in den Reaktor zu pumpen. Für weitere Anwendungszwecke, bei denen beispielsweise der Druck des Pumpfluides vor dem Einströmen in die Pumpe konstant ist, kann die Pumpe für die jeweiligen Einsatzgebiete beispielsweise auf maximalen Förderdruck oder auf maximales Massenstromverhältnis optimiert werden.
Es ist insbesondere vorteilhaft, eine solche Pumpe als Notpumpe für Kühlwasser in einem Kernkraftwerk einzusetzen, da die Pumpe bei einem Störfall selbsttätig und ohne äußere Antriebs- oder Energiequellen ein Kühlmittel in den Reaktorblock pumpt. Insbesondere ist hierbei der vollkommen unproblematische Startvorgang, die automatische Regulierung des nötigen Druckaufbaues in der Pumpe für das fluide Medium sowie die Unabhängigkeit von externen, beispielsweise elektrischen, Versorgungsleitungen bzw. Hilfsaggregaten hervorzuheben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Ausführungsbeispiele der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1
eine Pumpe gemäß der Erfindung, die schematisch in einem Längsschnitt veranschaulicht ist;
FIG 2 bis FIG 5
alternative Ausführungsformen der Pumpe mit einfachem konstruktiven Aufwand in einer schematischen Darstellung.
FIG 6
veranschaulicht schematisch ein Kühl- oder Notkühlsystem eines Kernkraftwerkes.
Gemäß der FIG 1 umfaßt die Pumpe 2 eine rotationssymmetrische, hohle Kammer 14, die aus einer Eintrittskammer 4, einer Wechselwirkungskammer 6 und einer Austrittskammer 8 gebildet wird. Die Eintritts- 4 und Austrittskammer 8 sind jeweils mit der Wechselwirkungskammer 6 in axialer Richtung entlang einer Rotationsachse 16 der Kammer 14 verbunden. Durch einen Einlaß 10 tritt ein Pumpfluid v in die Eintrittskammer 4 ein und strömt durch die Wechselwirkungskammer 6 in die Austrittskammer 8, wo das Pumpfluid v durch eine Austrittsöffnung 12 aus der Rotationspumpe 2 wieder austritt. Das Pumpfluid v kann beispielsweise Wasserdampf aus einem Reaktordruckbehälter eines Siedewasserreaktors sein. Dieser Dampf kann nach dem Durchströmen der Pumpe 2 beispielsweise einer Kondensationskammer zugeleitet oder abgeblasen werden. Eine solche Pumpe 2, bei der Dampf als Pumpfluid v verwendet wird, kann in Analogie zur Dampfstrahlpumpe als Dampfrotationspumpe bezeichnet werden.
Die aus den drei Einzelkammern 4, 6, 8 gebildete Kammer 14 umfaßt einen Mantel 141 und je eine Stirnseite 142, die die Eintrittskammer 4 bzw. die Austrittskammer 8 begrenzt. Eine Zuleitung 18 für ein fluides Medium f mündet durch die Stirnseite 142 auf der Seite der Eintrittskammer 4 in die Kammer 14 und erstreckt sich entlang der Rotationsachse 16 bis in die Wechselwirkungskammer 6. Das fluide Medium f kann beispielsweise Wasser aus einer Kondensationskammer eines Kraftwerkes sein. Prinzipiell können eine Vielzahl von Gasen und Flüssigkeiten als fluides Medium f oder Pumpfluid v dienen, sofern zumindest die spezifische Dichte des fluiden Mediums f höher ist als die des Pumpfluides v. Die Zuleitung 18 ist vorteilhafterweise zylindrisch und wird an ihrem Ende in der Wechselwirkungskammer 6 von einer geschlossenen Stirnseite 181 begrenzt. Das fluide Medium f strömt bevorzugt aus einer Anzahl von radial angeordneten Bohrungen 183 oder Öffnungen durch einen Zylindermantel 182 im Bereich der Wechselwirkungskammer 6 in die Kammer 14 ein.
Die Eintrittskammer 4 weist einen maximalen Radius r0 auf, der größer ist als der maximale Radius r3 der Wechselwirkungskammer 6. Die Austrittskammer 8 weist einen Radius r4 auf, der ebenfalls größer als der Radius r3 ist, wobei der Radius r4 mit dem Radius r0 der Eintrittskammer 4 übereinstimmen kann. Die Querschnittsfläche der Kammer 14, deren Flächennormale von der Rotationsachse 16 gebildet ist, wird in je einem Übergangsbereich 20 zwischen der Eintritts- 4 und der Wechselwirkungskammer 6 bzw. zwischen der Wechselwirkungs- 6 und der Austrittskammer 8 auf einen Radius r2, der kleiner ist als der Radius r3 der Wechselwirkungskammer 6, reduziert. Der Radius der Querschnittsfläche im Übergangsbereich 20 zwischen Eintritts- 4 und Wechselwirkungskammer 6 muß dabei nicht zwingend mit dem Radius im Übergangsbereich 20 zwischen der Austrittskammer 8 und der Wechselwirkungskammer 6 übereinstimmen.
Der Einlaß 10 für das Pumpfluid v ist in der Eintrittskammer 4 bevorzugt in einem Abstand r1 von der Rotationsachse 16, der kleiner als der Radius r0 der Eintrittskammer 4 ist, an der Stirnseite 142 der Kammer 14 angeordnet. Um den Aufbau einer Rotationsströmung des Pumpfluides v, die auch als Drallströmung bezeichnet werden kann, zu begünstigen, ist der Einlaß 10 insbesondere tangential zum Mantel 141 oder zur Wand der Eintrittskammer 4 und annähernd senkrecht zur Rotationsachse 16 angeordnet, so daß die Rotationsachse 16 der Kammer 14 zugleich auch die Rotationsachse der Rotationsströmung des Pumpfluides v ist. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des Einlasses 10 als Düse, die beispielsweise eine Lavaldüse sein kann. Zum Zwecke einer optimalen Förderleistung der Pumpe ist die Düse dahingehend optimiert, daß das Pumpfluid v mit einer möglichst hohen Geschwindigkeit in die Eintrittskammer 4 eintritt. Mit einer einfachen Düse ist bei überkritischem Druckgefälle schon eine Geschwindigkeit von ca. 450 m/s zu erreichen.
Ist das Pumpfluid v Dampf, so kondensiert dieser infolge der Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit teilweise aus und es entstehen in der Eintrittskammer 4 Wassertröpfchen. Diese werden aufgrund der hohen Rotationsgeschwindigkeit und der damit verbundenen Zentrifugalkraft abzentrifugiert und sammeln sich am Außenrand der Eintrittskammer 4 an der Innenseite des Mantels 141. Es bildet sich also eine ringförmige Wasserschicht mit einer Dicke Δs, in der sich der statische Druck erhöht. In dem speziellen Fall, in dem das Pumpfluid v und das fluide Medium f die gleiche stoffliche Zusammensetzung besitzen und eventuell lediglich als verschiedene Phasen vorliegen, können sich das fluide Medium f und das Pumpfluid v ununterscheidbar vermischen. Ein Teil des Pumpfluides v kann dann zugleich als fluides Medium f, das gepumpt werden soll, verwendet werden. Für diesen Teil des Pumpfluides v ist dann eine Unterscheidung zwischen fluidem Medium f und Pumpfluid v nicht mehr möglich.
Der Druckaufbau Δpf eines fluiden Mediums f in einer solchen ringförmigen Schicht 22 wird bestimmt von dem Produkt aus der Dichte ρf des fluiden Mediums f, der Zentrifugalkraft bz und der Höhe Δs der Schicht 22 gemäß folgender Gleichung: Δpf = ρf · bz · Δs = ρf · w2 i ri · Δs wi ist hierbei die Rotationsgeschwindigkeit und ri der Radius des rotierenden fluiden Mediums f.
Der Druckaufbau Δpf nimmt demnach mit zunehmender Dicke Δs der Schicht 22 zu. In der Eintrittskammer 4 ist bevorzugt bei dem Maximalradius r0 an der Kammerwand bzw. am Mantel 141, ein Auslaß 24 für das fluide Medium f vorgesehen. Durch diesen Auslaß kann die abzentrifugierte Flüssigkeit austreten.
In einer besonders bevorzugten Ausführung wird der Auslaß 24 tangential an der Kammerwand und zwar in Strömungsrichtung des Pumpfluides v angeordnet, so daß die auskondensierte Flüssigkeit direkt in den Auslaß 24 strömen kann. Der Auslaß 24 kann hierzu auch in die Kammer 14 hineinreichen. Mit dieser Anordnung wird eine Erhöhung des Förderdruckes erzielt, da die kinetische Energie weitgehend in Druckenergie in Form eines Staudruckes umgewandelt wird. Durch den zusätzlichen Staudruck wird eine wesentliche Effizienzsteigerung der Pumpe 2 erreicht.
Die Drall- oder Rotationsströmung in der Pumpe 2 entspricht weitgehend einem Potentialwirbel und ist daher nahezu reibungsfrei. Lediglich aufgrund von Reibungsverlusten an der Kammerwand oder an der Oberfläche der aus dem fluiden Medium f gebildeten Schicht 22 oder auch an einzelnen beispielsweise auskondensierten Tropfen verliert ein gewisser Anteil der Rotationsströmung kinetische Energie, d.h. die Rotationsgeschwindigkeit dieses Anteiles verringert sich. Aufgrund der dann geringeren Zentrifugalkräfte gleitet dieser Anteil des Pumpfluides v entlang der beispielsweise nach außen gekrümmten Stirnseite 142 in Richtung Rotationsachse 16. Somit steht grundsätzlich der Anteil des Pumpfluides v aus der Rotationsströmung mit der höchsten Geschwindigkeit in Kontakt mit der Schicht 22. Daher wird trotz der Reibungsverluste eine hohe Rotationsgeschwindigkeit des fluiden Mediums f aufrecht erhalten.
Aus der Eintrittskammer 4 strömt das Pumpfluid v dann durch den Übergangsbereich 20 in die Wechselwirkungskammer 6, die einen kleineren Radius aufweist. Durch die Verringerung des Querschnittes in der Wechselwirkungskammer 6 und im Übergangsbereich 20 wird die Geschwindigkeit der Rotationsströmung erhöht. Sie kann hierbei hohe Überschallgeschwindigkeiten erreichen. Vernachlässigt man zunächst eventuelle Reibungs- bzw. Kondensationseffekte, so muß aufgrund der Erhaltung des Strömungsdrehimpulses das Produkt aus Strömungsgeschwindigkeit wi und Radius ri konstant sein. Dies bedeutet bei einer Reduzierung des Radius um den Faktor 2 eine Erhöhung der Geschwindigkeit um denselben Faktor. Da für den Druckaufbau Δpf der Quotient aus dem Quadrat der Geschwindigkeit wi und des Radius ri bestimmend ist, ist eine Geschwindigkeitserhöhung anzustreben.
Infolge der Rotationsströmung um die Rotationsachse 16 nimmt der statische Druck mit Annäherung an die Rotationsachse 16 immer weiter ab. In der Nähe der Rotationsachse besteht ein Unterdruck. Aufgrund dieses Unterdruckes wird das fluide Medium f aus den Bohrungen der Zuleitung 18 angesaugt. Es lassen sich somit mehrere Meter Steighöhe überwinden. So kann beispielsweise Kühlwasser aus einem Reservoir, z.B. aus einer Kondensationskammer, ohne externe Pumpen automatisch angesaugt werden.
Das aus der Zuleitung 18 durch die Bohrungen 183 in die Wechselwirkungskammer 6 versprühte fluide Medium f, beispielsweise Wasser, tritt dort in Kontakt mit der Rotationsströmung des Pumpfluides v und vermischt sich teilweise mit ihm. Dabei wird das in die Kammer gesprühte fluide Medium f, beispielsweise Wassertropfen, zum einen wegen der anfänglich hohen Geschwindigkeitsunterschiede weiter zerstäubt, zum anderen wird der Strömungsimpuls der Rotationsströmung auf das fluide Medium f übertragen, das dadurch stark beschleunigt wird. Die Umfangsgeschwindigkeit beispielsweise von Wassertropfen kann einige 100 m/s erreichen. Zudem kondensiert ein Teil des Pumpfluides v, beispielsweise Wasserdampf, an den kalten Wassertropfen aus. Gleichzeitig heizt der Dampf diese bis auf Sättigungstemperatur auf. Für die Pumpwirkung ist es dabei jedoch nicht notwendig, daß der Dampf vollständig kondensiert.
Analog zu den Prozessen in der Eintrittskammer 4 werden die versprühten oder auskondensierten Tropfen in der Wechselwirkungskammer 6 abzentrifugiert, so daß sich an der Innenseite des Mantels 141 zwischen den beiden Übergangsbereichen 20 ebenfalls eine Schicht 22 bildet. Durch die Übergangsbereiche 20 wird ein Übertritt des fluiden Mediums f in die benachbarte Eintritts- 4 oder Austrittskammer 8 vermieden und die Ausbildung der Schicht 22 mit der Dicke Δs unterstützt. In der Wechselwirkungskammer 6 sind wiederum ein oder mehrere Auslässe 24 für das fluide Medium f angeordnet. Bevorzugt befindet sich der Auslaß 24 an der Innenseite des Mantels 141 und ist tangential und in Strömungsrichtung des Pumpfluides v bzw. des fluiden Mediums f ausgerichtet, d.h. der Auslaß 24 ist so angeordnet, daß das zu pumpende fluide Medium f in den Auslaß 24 hineinströmt, so daß ein Staudruck entsteht und die kinetische Energie aus der Rotationsströmung zumindest teilweise in Druckenergie umgewandelt wird. Anstatt der in der Figur 1 gezeigten kreisförmigen Auslässen kann natürlich auch ein über den gesamten Bereich der Wechselwirkungskammer 6 langgestreckter Auslaßspalt angeordnet werden.
Im Anschluß an die Wechselwirkungskammer 6 strömt das Pumpfluid v in die Austrittskammer 8. Zuvor wird es durch die Querschnittsverengung im Übergangsbereich 20 beschleunigt, so daß noch einmal Tropfen abzentrifugiert werden können. Die Austrittskammer 8 entspricht in ihrer Geometrie weitgehend der Eintrittskammer 4. Durch die Vergrößerung des Radius auf den Radius r4 der Austrittskammer 8 nimmt die Rotationsgeschwindigkeit des Pumpfluides v ab. Das Pumpfluid v tritt durch die Austrittsöffnung 12 aus der Pumpe 2 wieder aus. Ist eine Austrittsvorrichtung mit einer Austrittsöffnung 12 tangential und in Richtung der Rotationsströmung angeordnet, so wird die kinetische Energie der Rotationsströmung wiederum weitgehend in Druckenergie zurückverwandelt. Da das Pumpfluid v in der Wechselwirkungskammer 6 allerdings kinetische Energie an das fluide Medium f abgegeben hat, ist nun der Druck beim Austritt aus der Pumpe 2 geringer als beim Eintritt. Ist das Pumpfluid v ursprünglich Sattdampf, so ist dieser beim Verlassen der Pumpe 2 praktisch trocken und leicht überhitzt.
Figur 2 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform einer Rotationspumpe 2, bei der der konstruktive Aufwand reduziert ist. Die Kammer 14 dieser Rotationspumpe 2 ist zylinderförmig mit konstantem Radius r0. Das Pumpfluid v tritt an einem Ende der Kammer 14 in diese unter Ausbildung einer Rotationsströmung durch einen oder mehrere Einlässe 10 ein. Die Einlässe 10, die vorteilhafterweise als Düsen ausgebildet sind, sind im Abstand r1 zur Rotationsachse 16 und tangential zum Mantel 141 der Kammer 14 und annähernd senkrecht zur Rotationsachse 16 angeordnet. Der Einlaß 10 kann beispielsweise als Rohr ausgebildet sein, das in die Kammer 14 hineinreicht. Das fluide Medium f tritt durch radial angeordnete Bohrungen 183 aus der Zuleitung 18 in die Kammer 14 ein. In der Nähe des der Einlaßseite gegenüberliegenden zweiten Endes der Kammer 14 befindet sich eine Austrittsöffnung 12 für das Pumpfluid f. Die Austrittsöffnung 12 ist in einem Abstand r5 zur Rotationsachse 16 und tangential zum Mantel 141 angeordnet. Der Abstand r5 ist kleiner als der Radius r0 der zylinderförmigen Kammer 14 und ist so zu wählen, daß durch die Austrittsöffnung 12 für das Pumpfluid f kein fluides Medium v, das sich in der Schicht 22 ansammelt, austreten kann. Am Mantel 141 sind eine oder mehrere Auslässe 24 für das fluide Medium f angeordnet. Je nach Bedarf können die Auslässe 24 tangential am Mantel 141 der zylindrischen Kammer 14 angeordnet werden, um die kinetische Energie der Rotationsströmung zusätzlich in Druckenergie umzuwandeln. Zu diesem Zweck kann der Auslaß 24 auch als Spalt über die gesamte Zylinderlänge ausgebildet werden.
Ist es nötig, daß das fluide Medium f gegen einen äußeren Druck gefördert werden muß, so kann im Auslaß 24 eine Rückschlagklappe 23 oder -ventil angeordnet werden. Übertrifft der Außendruck, beispielsweise der Druck in einem Reaktordruckbehälter, in den eine Kühlflüssigkeit eingepumpt werden soll, den Druck oder auch Förderdruck des fluiden Mediums im Inneren der Kammer 14, so schließt die Rückschlagklappe 23. Gleichzeitig erhöht sich die Dicke Δs der Schicht 22 und damit auch der Förderdruck gemäß obiger Gleichung, bis dieser den äußeren Druck übertrifft. Dann öffnet die Rückschlagklappe 23 und die Kühlflüssigkeit kann in den Reaktordruckbehälter fließen. Dabei reduziert sich die Dicke Δs und somit der Förderdruck und die Rückschlagklappe 23 schließt wieder, wenn der Förderdruck den äußeren Druck unterschreitet. Bei geschlossener Rückschlagklappe baut sich der Förderdruck in der Kammer 14 wieder auf. Aufbau eines Förderdruckes und Fördern eines fluiden Mediums wiederholen sich daher in einem kontinuierlichen Prozeß. Dabei ist das Umschalten zwischen der Förderphase und der Druckaufbauphase selbstregulierend. Äußere Steuersysteme oder Eingriffe sind daher nicht notwendig. Solche Rückschlagklappen können natürlich auch in den Auslässen 24 der Eintritts- 4 oder Wechselwirkungskammer 6 angeordnet sein.
In Figur 3 ist die Kammer 14 in einer weiteren Ausführungsform schematisch im Querschnitt skizziert. Die Kammer 14 wird aus einer Anzahl von Kammersegmenten 145 gebildet. Die Kammersegmente 145 erstrecken sich entlang der Rotationsachse 16 über die gesamte Kammer. Sie weisen eine nahezu kreisförmige Krümmung auf, und sind derart angeordnet, daß sie sich gegenseitig unter Belassung eines Spaltes zwischen den einzelnen Kammersegmenten überlappen. In anderen Worten: sich überlappende Mantelsegmente eines Zylinders bilden die zylinderförmige Kammer 14. Die Kammersegmente 145 sind dabei so angeordnet, daß bei einem definierten Drehsinn 147 ein bestimmtes Kammersegment 145 das vorhergehende Kammersegment 145 überlappt und von einem nachfolgenden überlappt wird. Rotiert das Pumpfluid f mit gleichem Drehsinn, so erfüllen die einzelnen von den sich überlappenden Kammersegmenten 145 gebildeten Spalte 146 die Funktion eines tangential angeordneten Auslasses 24, der in Richtung der Rotationsströmung angeordnet ist. Gemäß der Figur 3 ist die Kammer 14 von einem Gehäuse 26 umgeben. In diesem Gehäuse 26 wird das fluide Medium f aufgefangen und kann es über einen Auslaß 24 verlassen. Ist das fluide Medium f gegen einen äußeren Druck zu pumpen, kann in dem Auslaß 24 eine Rückschlagklappe 23 angeordnet werden, so daß sich das fluide Medium f innerhalb des Gehäuses 26 ansammelt. Es bildet sich innerhalb der Kammer 14 eine Schicht mit der Dicke Δs, so daß bei einem ausreichenden Druck das fluide Medium f die Pumpe 2 über die Austrittsöffnung 12 verläßt.
Gemäß der Figur 4, die die Kammer 14 im Querschnitt zeigt, ist der Mantel 141 der Kammer 14 offen. Der Mantel 141 weist also einen Anfang und ein Ende auf. Anfang und Ende des Mantels 141 überlappen sich, so daß der Mantel 141 eine schneckenförmige Gestalt annimmt. Die Öffnung des Mantels 141 erfüllt die Funktion des Auslasses 24. In Längsrichtung der Rotationsachse 16 betrachtet erstreckt sich daher zumindest in einem Teilbereich der Kammer 14 an dem Mantel 141 ein Spalt, der als Auslaß ausgebildet ist. Um den Pumpdruck für das fluide Medium f um einen Staudruck zu erhöhen, ist die Öffnung im Mantel 141, d.h. der Spalt, in Strömungsrichtung des fluiden Mediums f angeordnet. In der Figur 4 ist der Drehsinn 147 einer solchen Rotationsströmung angedeutet.
In Figur 5 wird ein Kühlkreislauf bzw. ein Notkühlkreislauf in einem Kernkraftwerk schematisch veranschaulicht. Bei einem Störfall oder auch im Normalbetrieb wird der im Reaktordruckbehälter 31, beispielsweise eines Siedewasserreaktors, entstehende Dampf, das Pumpfluid v, über eine Leitung 301 in die Pumpe 2 geleitet. Durch den in der Pumpe 2 entstehenden Unterdruck wird Wasser, das fluide Medium f, über eine Leitung 302 aus einem Kühlmittelreservoir 32, das beispielsweise ein Kondensationsbecken sein kann, in die Pumpe 2 gesaugt. Übersteigt der Druck in der Pumpe 2 den im Reaktordruckbehälter 31 herrschenden Druck, so wird das Kühlwasser über eine Leitung 303 von der Pumpe 2 in den Reaktordruckbehälter 31 gepumpt. Der Dampf verläßt die Pumpe 2 und wird über eine Leitung 304 entweder über Dach abgeblasen oder über eine Leitung 305 beispielsweise in die Kondensationskammer 32 zurückgeleitet.

Claims (19)

  1. Verfahren zum Pumpen eines fluiden Mediums (f), bei dem ein Pumpfluid (v) unter Ausbildung einer Rotationsströmung entlang einer von der Rotationsströmung gebildeten Rotationsachse (16) strömt, wobei das fluide Medium (f) durch Kontakt mit dem Pumpfluid (v) radial zur Rotationsachse (16) nach außen beschleunigt und getrennt von dem Pumpfluid (v) abgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Rotationsgeschwindigkeit der Rotationsströmung entlang der Rotationsachse (16) durch eine Verengung des Strömungsquerschnitts erhöht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Rotationsgeschwindigkeit durch eine in Richtung der Rotationsachse (16) nachfolgende Erweiterung des Strömungsquerschnitts wieder erniedrigt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Pumpfluid (v) tangential zur Rotationsströmung und im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse zugeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das fluide Medium (f) tangential zur Rotationsströmung und in Strömungsrichtung des Pumpfluids (v) abgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das fluide Medium (f) im Bereich der Verengung des Strömungsquerschnitts in die Kammer (14) angesaugt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das fluide Medium (f) nach dem Trennen gesammelt wird.
  8. Pumpe (2) für ein fluides Medium (f) mit einer Kammer (14), die eine Zuleitung (18) für das fluide Medium (f) und einen Einlaß (10) für ein Pumpfluid (v) aufweist, welches durch diesen Einlaß (10) unter Ausbildung einer Rotationsströmung einströmbar ist, wobei das fluide Medium (f) durch Kontakt mit dem Pumpfluid (v) radial zur Rotationsachse (16) der Rotationsströmung nach außen beschleunigbar ist, und wobei an einem radial von der Rotationsachse beabstandeten Mantel (141) der Kammer (14) ein Auslaß (24) angeordnet ist, durch den das fluide Medium (f) getrennt von dem Pumpfluid aus der Kammer (14) abführbar ist.
  9. Pumpe (2) nach Anspruch 8, bei der die Kammer (14) entlang der Rotationsachse (16) mindestens in einem Teilbereich eine Querschnittsverengung aufweist.
  10. Pumpe (2) nach Anspruch 8 oder 9, bei der der Einlaß (10) tangential zum Mantel (141) der Kammer (14) und annähernd senkrecht zur Rotationsachse (16) angeordnet ist.
  11. Pumpe (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die Kammer (14) eine Eintritts- (4) und eine Austrittskammer (8) für das Pumpfluid (v) und eine dazwischen angeordnete Wechselwirkungskammer (6) umfaßt, wobei die Wechselwirkungskammer (6) eine geringere Querschnittsfläche und/oder einen geringeren Radius als die Eintrittskammer (4) aufweist.
  12. Pumpe (2) nach Anspruch 11, bei der zwischen Wechselwirkungs- (6) und Eintrittskammer (4) und/oder zwischen Wechselwirkungs- (6) und Austrittskammer (8) ein Übergangsbereich (20) angeordnet ist, dessen Querschnittsfläche gegenüber der Querschnittsfläche der Wechselwirkungskammer (6) kleiner ist.
  13. Pumpe (2) nach Anspruch 11 oder 12, bei der sich die Zuleitung (18) für das fluide Medium (f) entlang der Rotationsachse (16) in die Wechselwirkungskammer (6) erstreckt und mit einer Anzahl von radialen Bohrungen (183) versehen ist.
  14. Pumpe (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der das Pumpfluid (v) unter Druck durch den Einlaß (10) in die Eintrittskammer (4) einströmbar ist, wobei der Einlaß (10) als Düse ausgebildet ist.
  15. Pumpe (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei der in der Wechselwirkungs- (6) und in der Eintrittskammer (4) jeweils mindestens ein Auslaß (24) für das fluide Medium (f) angeordnet ist.
  16. Pumpe (2) nach Anspruch 15, bei der der Auslaß (24) tangential zum Mantel (141) der Kammer (14) und in Strömungsrichtung des Pumpfluides (v) angeordnet ist.
  17. Pumpe (2) nach Anspruch 15 oder 16, bei der im Auslaß (24) ein Rückschlagventil (23) angeordnet ist.
  18. Verwendung einer Pumpe (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 17 in einem Kraftwerksreaktor.
  19. Verwendung einer Pumpe (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 17 als Notpumpe für Kühlwasser in einem Kernkraftwerk.
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