Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3950
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 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%.
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 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.
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