DEVICE FOR THE DETERMINATION OF THE SATURATION TEMPERATURE OF A HOT LIQUID UNDER PRESSURE AND CIRCUIT TO GUARD THE DIFFERENCE WITH RESPECT TO THE SATURATION TEMPERATURE AND THE VAPORISATION WHEN USING THIS DEVICE

Abstract: 1. Device for determination of the saturation temperature of a hot, pressurized liquid (1), characterized in that a heating element (3), a first temperature sensor (4) and a second temperature sensor (19) are surrounded by a common housing (2), the second temperature sensor (19) being provided in the vicinity of the heating element (3) or integrated in it, in that the housing dips into the liquid (1) and is provided with at least one opening (6) and in that a third temperature sensor (11) is arranged outside the housing.

Description: Einrichtung zur Bestimmung der Sättigungstemperatur einer heissen, unter Druck stehenden Flüssigkeit und Schaltungsanordnung zur Uberwachung des Abstandes zur Sättigungstemperatur und der Dampfbildung unter Verwendung dieser Einrichtung. Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Sättigungstemperatur einer heissen, unter Druck stehenden Flüssigkeit. Auf verschiedenen Anwendungsgebieten, wie z.B. bei chemischen und kerntechnischen Anlagen, ist es von grosser Bedeutung über den Zustand von heissen Flüssigkeiten bezüglich der Sättigungstemperatur, dem Temperaturabstand zur Sättigung und einer unerwünschten Dampfbildung genau Bescheid zu wissen. Zur Erreichung dieses Ziels muss bisher der absolute Druck und die absolute Temperatur der Flüssigkeit gemessen und ausgewertet werden. Je nach der Art des zu überwachenden Anlagentyps sind Messgeräte mit einem grossen Messbereich, deren Bandbreite z.B. über 1000C und 100 bar hinausgehen erforderlich. Verschiedene MeBarten zusammen mit derartig grossen Bandbreiten schaffen zwangsläufig MeBunsicherheiten, die als Aussage für die Steuerung und Sicherheit der eingangs genannten Anlagen nicht verwendbar sind. Umgebungseinflüsse der Messwertumformer bringen weitere Ungenauigkeiten der Messergebnisse. Eine zusätzliche Ungenauigkeit ergibt sich dadurch, dass die Sättigungstemperatur seither nicht direkt ermittelt werden kann. Sie muss vielmehr unter Verwendung einer Sättigungskurve von den Flüssigkeitsdruckwerten abgeleitet werden. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur direkten Messung der Sättigungstemperatur anzugeben um von dieser Basis aus den Abstand zur Sättigungstemperatur und eine Dampfblasenbildung in der Flüssigkeit überwachen zu können. Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäss dadurch, dass ein Heizelement und ein Temperaturfühler von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben sind, dass das Gehäuse in die Flüssigkeit eingetaucht und mit wenigstens einer Öffnung versehen ist, dass innerhalb und/oder ausserhalb des Gehäuses mindestens ein weiterer Temperaturfühler angeordnet ist und dass ein Temperaturfühler in der Nähe des Heizelements vorgesehen oder in diesem integriert ist. Dabei macht man sich den physikalischen Grundsatz zu nutzen, dass Wasser nicht über seine Sättigungstemperatur erwärmt werden kann. So wird bei Zufuhr einer bestimmten Heizleistung innerhalb des Gehäuses Sättigungstemperatur herrschen. Weist die ausserhalb des Gehäuses befindliche Flüssigkeit die gleiche Temperatur auf, so ist dort Sättigung eingetreten. Die Grösse der Temperaturdifferenz zwischen dem dem Heizelement zugeordneten und dem innerhalb des Gehäuses befindlichen Temperaturfühler gibt eindeutig Aufschluss darüber, ob in dem Bereich des Heizelements und dadurch in der Umgebung des Detektors eine Dampfblase aufgetreten ist. Die Grobe der Temperaturdifferenz zwischen dem innerhalb und dem ausserhalb des Gehäuses angeordneten Temperaturfühler gibt eindeutig Aufschluss darüber, ob die Flüssigkeit ausserhalb des Gehäuses unterkühlt ist. Eine andere Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass in einem von einer Rohrleitung auskragenden Rohrstummel ein Heizelement und ein Temperaturfühler angeordnet ist, dass innerhalb des Rohrstummels und/oder der Rohrleitung mindestens ein weiterer Temperaturfühler vorgesehen ist und dass einer dieser Temperaturfühler in der Nähe des Heizelements angeordnet ist. Diese Lösung hat den Vorteil, dass die Fühler und das Heizelement in dem Rohrstummel und damit ausserhalb des Flüssigkeitsstromes angeordnet sind und somit die Strömungsgeschwindigkeit bezüglich Abfuhr der zugeführten Wärme nicht beachtet werden muss. Eine besondere Ausgestaltung sieht vor, dass das Heizelement eine die Mantelfläche des Rohrstummels teilweise umgebende Heizspirale ist. Dadurch ist das Heizelement zu Reparaturarbeiten leichter zugänglich. Eine Schaltungsanordnung zur Oberwachung des Temperaturabstandes zur Sättigung und der Dampfblasenbildung in einer derartigen Flüssigkeit unter Verwendung einer vorgehend angegebenen Einrichtung sieht vor, dass zur Bildung der Differenzwerte zwischen dem ausserhalb des Gehäuses bzw. des Rohrstummels angeordneten Temperaturfühler sowie dem die Sättigungstemperatur innerhalb des Gehäuses bzw. des Rohrstummels messenden Temperaturfühler (Sättigungstemperaturfühler) einerseits und diesem Sättigungstemperaturfühler sowie dem dem Heizelement zugeordneten Temperaturfühler andererseits je ein Differenzmessumformer vorgesehen ist und dass die Signale dieser Umformer in einem Summierverstärker zusammenführbar sind, der mit einem Anzeige- und/ oder Kontrollgerät verbunden ist. Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist zur Überwachung des Arbeitsbereichs des Sättigungs temperaturfühlers derselbe über einen Temperaturmessumformer und einen analogen Schalter mit einem Sättigungstemperaturanzeiger verbunden, der abhängig von den Signalen der Differenztemperaturmessumformer zur Anzeige freigegeben ist. Eine vorteilhafte Ausbildung sieht vor, dass in Abhängigkeit des Differenzwertes zwischen dem Sättigungstemperaturfühler und dem ausserhalb des Gehäuses angeordneten Temperaturfühler die Leistung des Heizelements regelbar ist. Mit dieser Mass- nahme wird die Messeinrichtung auf eine andere Strömungsgeschwindigkeit der das Gehäuse umgebenden Flüssigkeit eingestellt. Anhand der Figuren 1-7 und verschiedener Ausführungsbeispielen wird die Einrichtung und die zugehörige Schaltungsanordnung beschrieben. Als Anwendungsbeispiel wird das Primärkühlmittel einer wassergekühlten Kernreaktoranlage gewählt. Dabei zeigen Fig. 1, 2 und 3 verschiedene Ausbildungen der Einrichtung, Fig. 4 und 4a eine andere Ausgestaltung der Einrichtung, Fig. 5 ein Schaubild zur Verdeutlichung der Funktion der Einrichtung, Fig. 6 eine Schaltungsanordnung mit in einem Heizelement konstanter Leistung integriertem Temperaturfühler und Fig. 7 eine Schaltungsanordnung mit in der Nähe eines Heiz elements variabler Leistung angeordnetem Temperatur fühler. Indas Kühlmittel 1 einer nicht weiter dargestellten Kernreaktoranlage ragt gem. Fig. 1 ein Gehäuse 2 in dessen Innenraum ein Heizelement 3 und ein Temperaturfühler 4 angeordnet ist. Das Heizelement und der Temperaturfühler ist jeweils von einem Schutzmantel 5 umgeben. Damit Kühlmittel in das Innere des Gehäuses gelangen und sich innerhalb desselben der gleiche Druck aufbauen kann wie ausserhalb, weist das Gehäuse zwei Öffnungen 6 auf. Wird dem Heizelement über die elektrische Zuleitung 7 Wärme zugeführt, so wird innerhalb des Gehäuses eine höhere Temperatur herrschen als ausserhalb desselben. Ändert sich die Temperatur ausserhalb des Gehäuses so wird sie sich entsprechend auch innerhalb des Gehäuses ändern. Die Temperaturdifferenz (Delta T3 bleibt jedoch solange gleich wie der Temperaturabstand zur Sättigungs temperatur grösser ist als diese Temperaturdifferenz Delta T. Das Schaubild gemäss Fig. 5 zeigt im Bereich "A" diesen Vorgang. Dabei soll die Linie 8 den Sättigungstemperaturwert des Kühlmittels darstellen. Die Schräge 9 verdeutlicht den Verlauf der innerhalb des Gehäuses vom Temperaturfühler 4 gemessenen Temperatur und die Schräge 10 den Verlauf der KUhlmittel- temperatur die vom ausserhalb des Gehäuses angeordneten Temperaturfühler 11 ermittelt wird. Die Strecke 12 stellt den Abstand zum Sättigungstemperaturwert der Linie 8 dar und zeigt deutlich, dass sie grösser ist als die Strecke 13, welche das Delta T zwischen den Temperaturfühlern 4,11 darstellt. Beim Schnittpunkt 14 der Schräge 9 mit der Linie 8 ist Sättigungstemperatur innerhalb des Gehäuses 2 eingetreten. Der Tempe raturfühler 4 wird daher im weiteren Verlauf der Beschreibung als Sättigungstemperaturfühler 4 bezeichnet. Bei konstanter Heizleistung, die natürlich der Grösse des Gehäuses und der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels angepasst ist, steigt die Temperatur innerhalb des Gehäuses nicht weiter an, da Wasser nicht über seine Sättigungstemperatur erwärmt werden kann. Sobald die Schräge 10 in den Bereich "B" des Schaubildes der Fig. 5 eintritt wird bei steigender Temperatur des das Gehäuse umgebenden Kühlmittels 1 das Delta T kleiner als das Delta T im Bereich "A" des Schaubildes. Das Delta T im Bereich 'XB" ist nunmehr gleich dem Abstand zur Sättigungstemperatur des Kühlmittels und wird durch die Strecke 15 angedeutet. Er wird immer kleiner, bis beim Schnittpunkt 16 der Schräge 10 mit der Linie 8 das Kühlmittel die Sättigungstemperatur erreicht hat und das Delta T gleich Null ist. Das Delta T bleibt solange Null (Bereich "C" des Schaubildes) bis entweder das Heizelement 3 nicht mehr wasserbedeckt ist und nach Passieren des Schnittpunkts 17 in den Bereich IlDit eintritt (Kurve 18), was einer Dampf- oder Dampfblasenbildung im Kühlmittel entspricht, oder das Kühlmittel abkühlt und wieder in den Bereich "B gelangt. Damit das Ansteigen des Delta T nach Erreichen der Sättigungstemperatur durch das Kühlmittel (Delta T = Null) eindeutig als erwünschte Abkühlung des Kühlmittels oder gefährliche Dampfbildung identifiziert werden kann, weisen die Ausbildungen der Einrichtung gemäss Fig. 2 und 3 einen weiteren Temperaturfühler 19,19a auf. Er ist entweder in der Nähe des Heizelements (Fig. 2) oder innerhalb des Schutzmantels 5 des Heizelements (Fig. 3) angeordnet. Mit dieser Ausbildung ist es möglich die Differenz zwischen der Temperatur in der Nähe des Heizelements und derjenigen am Sättigungstemperaturfühler 4 zu bestimmen. Bildet sich eine Dampfblase im Bereich des Gehäuses so wird sich auch das Gehäuse selbst entleeren. Da die Wärmeleitfähigkeit von Dampf kleiner ist als diejenige von Wasser, wird die Differenz zwischen dem tÅattigungstemperaturfUhler 4 und dem dem ,, Heizelement zugeordneten Temperaturfühler 19 bzw. 19a grösser sein als bei einem wassergefüllten Gehäuse. Die Fig. 4 zeigt eine Einrichtung bei der ein von einer das Kühlmittel führenden Rohrleitung 38 auskragender, ein geschlossenes Ende 39 aufweisender Rohrstummel 40 vorgesehen ist. Innerhalb des Rohrstummels sind zwei Temperaturfühler 19, 4 und ein Heizelement 3 angeordnet. Der Temperaturfühler 19 befindet sich in der Nähe des HeizXelements 3 und dient im Vergleich mit dem als Sättigungstemperaturfühler dienenden Temperaturfühler 4 zur Feststellung einer Dampfbildung. Die Temperatur des Fühlers 4 dient zur Feststellung der Sättigungstemperatur und der Vergleich der Messwerte von Temperaturfühler 4 und des in der Rohrleitung 38 eingebauten Temperaturfühlers 11 zur Ermittlung des Sättigungstemperaturabstandes. Der Sättigungstemperaturfühler 4 ist soweit von der Zutrittsöffnung 41 entfernt, dass der Einfluss der Temperatur des in der Leitung 38 fliessenden Kühlmittels auf den Sättigungstemperaturfühler gering ist. Dabei übernimmt der Rohrstummel 40 die Funktion des Gehäuses 2 ohne dass er in das Kühlmittel eingetaucht ist. Der Vergleich mit dem restlichen Kühlmittel wird durch den in die Rohrleitung 38 ragenden Fühler 11 herbeigeführt. Gemäss der Ausbildung nach Fig. 4a ist aus Platzgründen und zum Zwecke der besseren Zugänglichkeit das Heizelement 3 als Heizspirale ausgebildet und umgibt dabei ein Teil des Rohrstummel mantels. Das Heizelement ist auch bei dieser Ausgestaltung dem Temperaturfühler 19 näher zugeordnet als dem Temperaturfühler 4. Das Heizelement und die Temperaturfühler nach Fig. 4 und 4a können selbstverständlich auch mit einem Schutzmantel 5 umgeben sein. Ausserdem ist die integrierte Anordnung von Heizelement 3 und Temperaturfühler 19 möglich. Die Fig. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Überwachung des Abstandes zur Sättigungstemperatur und der Dampfblasenbildung unter Verwendung einer vorgehend beschriebenen Einrichtung. Dabei wird das Heizelement 3 mit einer konstanten Heizleistung beaufschlagt und der Temperaturfühler 19a ist innerhalb des Schutzmantels 5 des Heizelements integriert. Das Kühlmittel 1 der nichtdargestellten Kernreaktoranlage ist nur andeutungsweise dargestellt. Ein Differenztemperaturmessumformer 20 liefert ein analoges Signal, das umgekehrt proportional zur Differenz aus den Messwerten des ausserhalb des Gehäuses 2 angeordneten Temperaturfühlers 11 und des Sättigungstemperaturfühlers 4 ist. Bei Delta T gleich Null gemäss Bereich "C" aus Fig. 5 entsteht das stärkste Signal und treibt den Zeiger 21 in die Stellung "0" (gestrichelt dargestellter Zeiger) des Anzeigegerätes 22 und zeigt somit an, dass das Kühlmittel die Sättigungstemperatur erreicht hat. Ein Signal entsprechend einem Delta T gemäss Bereich "B" aus Fig. 5 treibt den Zeiger 21 lediglich in den Abstandsbereich zur Sättigungstemperatur, der in dem Beispiel zwischen 0 und 200 liegen kann. Ein anderer Differenztemperaturmessumformer 20a liefert ein der Differenz des im Schutzmantel des Heizelements 3 integrierten Temperaturfühlers 19a und des Sättigungstemperaturfühlers 4 proportionales Signal. Ein nachgeschalteter Grenzwertgeber 23 überprüft, ob die Temperaturdifferenz eine Dampfbildung oder Wasser innerhalb des Gehäuses 2 anzeigt. Bei Dampfanzeige wird das Signal dem Summierverstärker 24 zugeleitet und dem dort eingehenden Sättigungsabstandssignal aufgeschaltet. Die Addierung der beiden Signale treibt den Zeiger in den Bereich 42 "Dampfbildung". Unabhängig davon bewirkt das Dampfbildungssignal des Grenzwertgebers 23 das Auslösen einer Alarmvorrichtung 25. Dem Summierverstärker 24 sind als Kontrollgeräte Sicherheitsschaltungen 26,27,28,29,30 nachgeordnet, die nach dem Auftreten bestimmter Abstandswerte zur Sättigungstemperatur, der Sättigungstemperatur selbst oder einer Dampfbildung bestimmte Regelfunktionen der Kernreaktoranlage ansteuern. Somit werden rechtzeitig Gegenmassnahmen eingeleitet, die schädliche Einwirkungen auf die Anlage ausschliessen. Der Sättigungstemperaturfühler 4 ist über einen Temperaturmessumformer 31 und einem analogen Schalter 32 mit einem Sättigungstemperaturanzeiger 33 verbunden. Die Anzeige ist jedoch nur freigegeben, wenn der Grenzwertgeber 34, der das Signal des Differenztemperaturmessumformers 20 überprüft bestätigt, dass die Einrichtung bereits ihren Funktionsbereich (Bereich "B" und "C" aus Fig. 4) erreicht und der Grenzwertgeber 23 über seine Verbindungsleitung signalisiert, dass keine Dampfbildung vorliegt. Die Fig. 7 verwendet gegenüber der nach Fig. 6 beschriebenen Ausführung ein in der Leistung variierbares Heizelement das durch einen in seiner Nähe angeordneten Temperaturfühler 19 indirekt überwacht wird (Fig.2). Der Differenztemperaturmessumformer 20 liefert ein Signal, das umgekehrt proportional zur Differenz aus den Messwerten des ausserhalb des Gehäuses 2 angeordneten Temperaturfühlers 11 und des Sättigungstemperaturfühlers 4 ist. Das Signal gelangt nur dann zum Anzeigegerät 22 wenn der analoge Schalter 35 bestätigt, dass der Sättigungstemperaturfühler 4 innerhalb seines Funktionsbereichs liegt. Der Differenztemperaturmessumformer 20a liefert ein proportionales Signal der Differenz aus den Werten des Sättigungstempe raturfühlers 4 und dem Temperaturfühler 19. Ein Wert, der eine Dampfbildung signalisiert gelangt in gleicher Weise durch den Grenzwertgeber 23, zur Alarmvorrichtung 25, zum Summierverstärker 24 und zu der Anzeigevorrichtung 22 oder den als Kontrollgeräte wirkenden Sicherheitsschaltungen 26,27,28,29,30 wie bei der Ausführung nach Fig. 6. Ist die Temperaturdifferenz zwischen den Fühlern 4 und 19 gleich Null,so bedeutet dies,dass innerhalb des Gehäuses Sättigungs temperatur erreicht ist. Dieses Signal wertet der Grenzwertgeber 36 aus und signalisiert den analogen Schaltern 32 und 35, dass die über den Temperaturmessumformer hereingegebene Sättigungstemperatur an den Sättigungstemperaturanzeiger 33 weitergegeben werden kann. Damit bei der Eichung der Einrichtung die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels und somit der Wärmeübergang von Gehäuse an das Kühlmittel nicht berücksichtigt werden muss ist eine variable Leistung des Heizelements in Abhängigkeit des Differenztemperaturmessumformers 20 regelbar. Die Kontrolleinrichtung 37 ist hierzu Illit dem Differenztemperaturmessumformer 20 verbunden. Für die Einrichtung nach Fig. 4, 4a lässt sich sinngemäss die Schaltungsanordnung nach Fig. 6 und 7 einsetzen. Mit den vorgeschlagenen Einrichtungen zur Sättigungstemperaturermittlung lassen sich auf einfache Weise präzise Messwerte zur Ermittlung des Abstandes zur Sättigungstemperatur und der Dampfbildung in einer heissen,unter Druck stehenden Flüssigkeit ermitteln. Bezugszeichenliste Kühlmittel 2 Gehäuse 3 Heizelement 4 Temperaturfühler (Sättigungstemperaturfühler) 5 Schutzmantel 6 Öffnung 7 Zuleitung 8 Linie 9,10 Schräge 11,19 Temperaturfühler 12,13,15 Strecke 14,16,17 Schnittpunkt 18 Kurve 20,20a Differenztemperaturmessumformer 21 Zeiger 22 Anzeigegerät 23,34,36 Grenzwertgeber 24 Summierverstärker 25 Alarmvorrichtung 26,27,28,29,30 Sicherheitsschaltungen 31 Temperaturmessumformer 32,35 analoger Schalter 33 Sättigungstemperaturanzeiger 37 Kontrolleinrichtung 38 Rohrleitung 39 geschlossenes Ende 40 Rohrstummel 41 Zutrittsöffnung 42 Bereich "Dampfbildung"

Claims: Patentansrüche 1. Einrichtung zur Bestimmung der Sättigungstemperatur einer heissen, unter Druck stehenden Flüssigkeit, dadurch gekenn zeichnet, dass ein Heizelement (53 und ein Temperaturfühler (4) von einem gemeinsamen Gehäuse (2) umgeben sind, dass das Gehäuse in die Flüssigkeit eingetaucht und mit wenigstens einer Öffnung (6) versehen ist, dass innerhalb und/oder auBer- halb des Gehäuses mindestens ein weiterer Temperaturfühler (11,19) angeordnet ist und dass ein Temperaturfühler (19,19a) in der Nähe des Heizelements (3) vorgesehen oder in diesem integriert ist. 2. Einrichtung zur Bestimmung der Sättigungstemperatur einer heissen, unter Druck stehenden Flüssigkeit, dadurch gekenn zeichnet, dass in einem von einer Rohrleitung (38) auskragenden Rohrstummel (40) ein Heizelement (3) und ein Temperaturfühler (4) angeordnet ist, dass innerhalb des Rohrstummels (40) und/oder der Rohrleitung (38) mindestens ein weiterer Temperaturfühler (11,19) vorgesehen ist und dass der Temperatur fühler (19) in der Nähe des Heizelements (19) angeordnet ist. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) eine die MantelflEche des Rohrstummels (403 teilweise umgebende Heizspirale ist. 4. Schaltungsanordnung zur Überwachung des Abstandes zur Sättigungstemperatur und der Dampfblasenbildung in einer heissen, unter Druck stehenden Flüssigkeit unter Verwendung der Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Differenzwerte zwischen dem ausserhalb des Gehäuses (2) bzw. Rohrstummels (40) ange ordneten Temperaturfühler (713 sowie dem die Sättigungs temperatur innerhalb des Gehäuses bzw. des Rohrstummels messenden Temperaturfühler (43 (Sättigungstemperaturfühler) einerseits und diesem Sättigungstemperaturfühler (4) sowie dem dem Heizelement zugeordneten Temperaturfühler (19,19a) andererseits je ein Differenztemperaturmessumformer (20,20a) vorgesehen ist und dass die Signale dieser Umformer in einem Summierverstärker (24) zusammenführbar sind, der mit einem Anzeige-(22) und/oder Kontrollgerät (26-30) verbunden ist. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, dass der Sättigungstemperaturfühler (4) über einen Temperaturmessumformer (31) und einen analogen Schalter (32) mit einem Sättigungstemperaturanzeiger (33) verbunden ist, der abhängig von den Signalen der Differenztemperaturmess- umformer (20,20a) zur Anzeige freigebbar ist. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, dass in Abhängigkeit des Differenzwertes zwischen dem Sättigungstemperaturfühler (4) und dem ausserhalb des Gehäuses (2) angeordneten Temperaturfühler (11) die Leistung des Heizelements (3) regelbar ist.

Inventors: DAY, BOBBY L., SCHEMMEL, RICHARD
Applicants: BROWN BOVERI REAKTOR GMBH
Application year: 1982
Main classification: G01K3
IPC codes: G01K3, G01N25