Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-3950
Li, Weihua
Kondensation von Wasserdampf oder eines Wasserdampf / Stickstoff - Gemisches in einem horizontalen Rohr
III, 136 S., 2002

Mit der thermohydraulischen Versuchsanlage NOKO sind wichtige Komponenten für passive Sicherheitssysteme als Teil des Sicherheitskonzepts zukünftiger Leichtwasserreaktoren hinsichtlich deren Wirksamkeit untersucht worden.

In dieser Arbeit wird die Kondensation von Wasserdampf bzw. Dampf/Stickstoff- Gemischen in einem langen horizontalen Rohr analytisch und experimentell untersucht. Dazu wurden an der NOKO-Versuchsanlage insgesamt 35 Versuche durchgeführt und ein zwei-dimensionales Rechenmodell KANIWAR entwickelt. Bei den Experimenten wurden neben Temperaturen, Drücken, Druckdifferenzen auch die lokalen Kondensatfilmdicken durch verstellbare Nadelsonden gemessen.

Die Experimente zur Kondensation von Wasserdampf bei verschiedenen Drücken (1, 3, 7 MPa) haben gezeigt, dass die Filmdicken am Umfang des Rohres sehr unterschiedlich waren; sie erreichten Werte von mehr als 10 mm im Sumpf im Vergleich zu rund 1 mm am übrigen Umfang. Mit steigender Dampfgeschwindigkeit verringerten sich die Filmdicken. In einigen Versuchen konnten auch Wellen an der Filmoberfläche des Sumpfes beobachtet werden. In den Experimenten zur Kondensation von Dampf/Stickstoff-Gemischen wurde im Grundsatz dieselbe Abhängigkeit der Filmdicken vom Umfang festgestellt, nur waren sie kleiner wegen der geringeren Kondensatmenge. Zwischen den Dampf/Stickstoff-Gemischen im Kernbereich und der Kondensatfilmoberfläche wurden Temperaturdifferenzen bis zu einigen 10 K gemessen; sie waren unten und oben geringer als an den Seiten.

Das Rechenmodell KANIWAR beschreibt die Kondensation von Wasserdampf bzw. von Wasserdampf/Stickstoff-Gemischen in einem langen waagerechten Rohr. Schubspannung, Wellenrauhigkeit und die Saugwirkung an der Phasengrenze werden berücksichtigt. KANIWAR kann die lokalen Werte, z.B. die Filmdicke, den Wärmeübergangskoeffizienten, die Temperatur und die Inertgaskonzentration im Kernbereich sowie an der Kondensatfilmoberfläche berechnen. Das Rechenmodelllieferte auch Ergebnisse für einige messtechnisch nicht erfassbare Größen, so dass durch Parameterrechnungen weitere Erkenntnisse zum Verständnis der Kondensation gewonnen werden konnten. Insbesondere konnte die Abhängigkeit der Filmdicken vom Umfang quantitativ bestätigt werden. Die Kondensatgeschwindigkeit in Umfangsrichtung erreichte je nach axialer Gasgeschwindigkeit dieselbe Größenordnung wie die axiale Geschwindigkeit; die Abhängigkeit von der axialen Kerngeschwindigkeit war beträchtlich. Bei Anwesenheit von Inertgas wurden die durch die Diffusionsgrenzschicht bedingten Temperaturdifferenzen zwischen Kernströmung und Kondensatfilmoberfläche sowohl quantitativ als auch bzgl. der Abhängigkeit in Umfangsrichtung bestätigt.

Die Experimente sind auch mit dem Rechenprogramm ATHLET nachgerechnet worden. Der Vergleich der mit KANIWAR und ATHLET gerechneten Wärmestromdichten zeigte, dass die Übereinstimmung bei höherem Druck besser ist als bei niedrigerem, wobei sich Abweichungen bis zu etwa 40% ergeben.

In the thermal hydraulic test facility NOKO at the Research Center Juelich, several important components of passive safety systems, which are foreseen to be installed as a part of the safety concept of the innovative boiling water reactor SWR- 1000, have been investigated.

In this work, the condensation of steam or steam/nitrogen-mixtures in a horizontal tube has been analytically and experimentally studied. A total of 35 tests has been carried out, where besides temperatures, pressures, pressure drops and flow rates, also the local distribution of the condensate film thickness was measured using moving needle probes. In a concomitant effort, a two-dimensional analysis model KANIWAR has been developed.

The experiments with condensation of steam at different pressures (1, 3, 7 MPa) have shown that the film thickness varies significantly over the circumference inside the tube reaching values of more than 10 mm in the accumulated condensing layer in comparison to about 1 mm in the condensing thin film layer. The film thickness in the accumulated condensing layer decreases with increasing steam velocity at the inlet. Also the waviness at the surface of the accumulated condensing layer has been observed in some of the tests. In the experiments with condensation of a steam/nitrogen-mixture, the same dependency on the circumference was verifies in principle, too. However, they were smaller due to lower condensation rates. The temperature difference between the bulk of the mixture and the interface was measured to be in the order of a few 10 K; they were lower at the bottom and top of the tube than on the sides.

The analysis model KANIWAR describes the condensation of steam or steam/nitrogen mixtures in a long horizontal tube. It considers shear stresses, waviness, and the suction effect at the interface. KANIWAR allows the calculation of the local distribution, e.g., of the film thickness, the heat transfer coefficient, the temperature and the inert gas concentration in the bulk of the mixture as weil as at the interface. The analysis model also provides data, which could not be gathered in the experiments due to inappropriate measuring devices, thus, by means of parameter calculations, enables the study and improves the understanding of condensation processes. In particular, the dependency of film thickness on the circumference could be quantitatively verified. The condensation velocity in the circumference has been found to reach the same magnitude as that in axial direction. The condensation velocity in the circumference substantially depends on the axial steam velocity. At the presence of non-condensable gases, the temperature difference between the bulk of the mixture and the interface due to diffusion layer as well as the dependence on circumference could be quantitatively verified.

The experiments have also been calculated using the ATHLET code. The comparison between the calculated heat flux using KANIWAR and ATHLET showed that at higher pressures, the heat flux values are in better agreement than at lower pressures; the maximum deviation is about 40%.

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Letzte Änderung: 07.06.2022