Was ist Reynolds-Zahlenformel – Definition

Reynolds-Zahlenformel. Die Reynoldszahl ist das Verhältnis von Trägheitskräften zu viskosen Kräften und ist ein Parameter zur Vorhersage, ob eine Strömung laminar oder turbulent sein wird. Wärmetechnik

Reynolds-Zahlenformel

Die Reynolds-Zahl ist das Verhältnis von Trägheitskräften zu viskosen Kräften und ein geeigneter Parameter zur Vorhersage, ob ein Strömungszustand laminar oder turbulent sein wird . Es kann interpretiert werden, dass wenn die viskosen Kräfte dominieren (langsamer Fluss, niedrige Re), sie ausreichen, um alle Flüssigkeitsteilchen in einer Linie zu halten, der Fluss laminar ist. Selbst ein sehr niedriges Re zeigt eine viskose Kriechbewegung an, bei der Trägheitseffekte vernachlässigbar sind. Wenn die Trägheitskräfte die viskosen Kräfte dominieren (wenn das Fluid schneller fließt und Re größer ist), ist die Strömung turbulent.

Reynolds Nummer

Es ist eine dimensionslose Zahl, die sich aus den physikalischen Eigenschaften der Strömung zusammensetzt. Eine zunehmende Reynolds-Zahl zeigt eine zunehmende Strömungsturbulenz an.

Die Reynolds-Zahlenformel lautet:
Reynolds Nummer

wobei:
V die Strömungsgeschwindigkeit ist,
D eine charakteristische lineare Abmessung ist (zurückgelegte Länge des Fluids; hydraulischer Durchmesser usw.)
ρ Fluiddichte (kg / m 3 ),
μ dynamische Viskosität (Pa.s),
ν kinematische Viskosität ( m 2 / s); ν = μ / ρ.

Laminare vs. turbulente Strömung

Laminare Strömung:

  • Re <2000
  • “niedrige” Geschwindigkeit
  • Flüssigkeitsteilchen bewegen sich in geraden Linien
  • Wasserschichten fließen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten praktisch ohne Vermischung zwischen den Schichten übereinander.
  • Das Strömungsgeschwindigkeitsprofil für laminare Strömung in kreisförmigen Rohren ist parabolisch geformt, mit einer maximalen Strömung in der Rohrmitte und einer minimalen Strömung an den Rohrwänden.
  • Die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit beträgt ungefähr die Hälfte der Maximalgeschwindigkeit.
  • Eine einfache mathematische Analyse ist möglich.
  • Selten in der Praxis in Wassersystemen .

Turbulente Strömung:

  • Re> 4000
  • ‘hohe Geschwindigkeit
  • Die Strömung ist durch die unregelmäßige Bewegung von Flüssigkeitsteilchen gekennzeichnet.
  • Die durchschnittliche Bewegung erfolgt in Strömungsrichtung
  • Das Strömungsgeschwindigkeitsprofil für turbulente Strömungen ist über den Mittelabschnitt eines Rohrs ziemlich flach und fällt extrem nahe an den Wänden schnell ab.
  • Die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit entspricht ungefähr der Geschwindigkeit in der Rohrmitte.
  • Die mathematische Analyse ist sehr schwierig.
  • Häufigste Art der Strömung .

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.

Was ist Reynolds Zahl – Definition

Die Reynolds-zahl ist das Verhältnis von Trägheitskräften zu viskosen Kräften und ein geeigneter Parameter zur Vorhersage, ob ein Strömungszustand laminar oder turbulent sein wird. Wärmetechnik

Reynolds Zahl

Die Reynolds-Zahl ist das Verhältnis von Trägheitskräften zu viskosen Kräften und ein geeigneter Parameter zur Vorhersage, ob ein Strömungszustand laminar oder turbulent sein wird . Es kann interpretiert werden, dass wenn die viskosen Kräfte dominieren (langsamer Fluss, niedrige Re), sie ausreichen, um alle Flüssigkeitsteilchen in einer Linie zu halten, der Fluss laminar ist. Selbst ein sehr niedriges Re zeigt eine viskose Kriechbewegung an, bei der Trägheitseffekte vernachlässigbar sind. Wenn die Trägheitskräfte die viskosen Kräfte dominieren (wenn das Fluid schneller fließt und Re größer ist), ist die Strömung turbulent.

Reynolds Zahl

Es ist eine dimensionslose Zahl, die sich aus den physikalischen Eigenschaften der Strömung zusammensetzt. Eine zunehmende Reynolds-Zahl zeigt eine zunehmende Strömungsturbulenz an.

Es ist definiert als:
Reynolds Zahl

wobei:
V die Strömungsgeschwindigkeit ist,
D eine charakteristische lineare Abmessung ist (zurückgelegte Länge des Fluids; hydraulischer Durchmesser usw.)
ρ Fluiddichte (kg / m 3 ),
μ dynamische Viskosität (Pa.s),
ν kinematische Viskosität ( m 2 / s); ν = μ / ρ.

Laminare vs. turbulente Strömung

Laminare Strömung:

  • Re <2000
  • “niedrige” Geschwindigkeit
  • Flüssigkeitsteilchen bewegen sich in geraden Linien
  • Wasserschichten fließen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten praktisch ohne Vermischung zwischen den Schichten übereinander.
  • Das Strömungsgeschwindigkeitsprofil für laminare Strömung in kreisförmigen Rohren ist parabolisch geformt, mit einer maximalen Strömung in der Rohrmitte und einer minimalen Strömung an den Rohrwänden.
  • Die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit beträgt ungefähr die Hälfte der Maximalgeschwindigkeit.
  • Eine einfache mathematische Analyse ist möglich.
  • Selten in der Praxis in Wassersystemen .

Turbulente Strömung:

  • Re> 4000
  • ‘hohe Geschwindigkeit
  • Die Strömung ist durch die unregelmäßige Bewegung von Flüssigkeitsteilchen gekennzeichnet.
  • Die durchschnittliche Bewegung erfolgt in Strömungsrichtung
  • Das Strömungsgeschwindigkeitsprofil für turbulente Strömungen ist über den Mittelabschnitt eines Rohrs ziemlich flach und fällt extrem nahe an den Wänden schnell ab.
  • Die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit entspricht ungefähr der Geschwindigkeit in der Rohrmitte.
  • Die mathematische Analyse ist sehr schwierig.
  • Häufigste Art der Strömung .

Reynolds-Zahlenregime

StrömungsregimeLaminare Strömung. Aus praktischen Gründen ist die Strömung laminar , wenn die Reynolds-Zahl weniger als 2000 beträgt. Die akzeptierte Reynolds-Übergangszahl für die Strömung in einem kreisförmigen Rohr ist Re d, krit = 2300.

Übergangsfluss. Bei Reynolds-Zahlen zwischen etwa 2000 und 4000 ist die Strömung infolge des Einsetzens von Turbulenzen instabil. Diese Flüsse werden manchmal als Übergangsflüsse bezeichnet.

Turbulente Strömung. Wenn die Reynoldszahl größer als 3500 ist , ist die Strömung turbulent. Die meisten Fluidsysteme in kerntechnischen Anlagen arbeiten mit turbulenter Strömung.

Reynoldszahl und interner Fluss

Interner Fluss
Quelle: White Frank M., Strömungsmechanik, McGraw-Hill Education, 7. Ausgabe, Februar 2010, ISBN: 978-0077422417

Die Konfiguration der internen Strömung (z. B. Strömung in einem Rohr) ist eine geeignete Geometrie für Heiz- und Kühlflüssigkeiten, die in Energieumwandlungstechnologien wie Kernkraftwerken verwendet werden .

Im Allgemeinen ist dieses Strömungsregime in der Technik von Bedeutung, da kreisförmige Rohre hohen Drücken standhalten können und daher zum Fördern von Flüssigkeiten verwendet werden. Nicht kreisförmige Kanäle werden zum Transport von Niederdruckgasen wie Luft in Kühl- und Heizsystemen verwendet.

Für das interne Strömungsregime ist ein Eingangsbereich typisch. In diesem Bereich konvergiert eine nahezu nichtviskose stromaufwärtige Strömung und tritt in das Rohr ein. Zur Charakterisierung dieser Region wird die hydrodynamische Eintrittslänge eingeführt, die ungefähr gleich ist:

hydrodynamische Eingangslänge

Die maximale hydrodynamische Eintrittslänge bei Re D, krit  = 2300 ( laminare Strömung ) beträgt L e = 138d, wobei D der Durchmesser des Rohrs ist. Dies ist die längste mögliche Entwicklungslänge. Bei turbulenter Strömung wachsen die Grenzschichten schneller und L e  ist relativ kürzer. Für jedes gegebene Problem muss e  / D überprüft werden , um festzustellen , ob L e  im Vergleich zur Rohrlänge vernachlässigbar ist. In einem endlichen Abstand vom Eingang können die Eingangseffekte vernachlässigt werden, da die Grenzschichten verschmelzen und der nichtviskose Kern verschwindet. Der Rohrstrom ist dann voll entwickelt .

Hydraulikdurchmesser

Da die charakteristische Abmessung eines kreisförmigen Rohrs ein gewöhnlicher Durchmesser D ist und insbesondere Reaktoren nicht kreisförmige Kanäle enthalten, muss die charakteristische Abmessung verallgemeinert werden.

Für diese Zwecke ist die Reynolds-Zahl definiert als:

Reynoldszahl - hydraulischer Durchmesser

wobei D h ist der hydraulische Durchmesser :

Hydraulikdurchmesser - Gleichung

HydraulikdurchmesserDer hydraulische Durchmesser D h ist ein häufig verwendeter Begriff bei der Handhabung des Durchflusses in nicht kreisförmigen Rohren und Kanälen . Der hydraulische Durchmesser wandelt unrunde Kanäle in Rohre mit gleichem Durchmesser um . Mit diesem Begriff kann man viele Dinge auf die gleiche Weise berechnen wie mit einem runden Rohr. In dieser Gleichung ist A die Querschnittsfläche und P ist der benetzte Umfang des Querschnitts. Der benetzte Umfang für einen Kanal ist der Gesamtumfang aller Kanalwände, die mit der Strömung in Kontakt stehen.

Reynoldszahl und externer Fluss

Die Reynolds-Zahl beschreibt natürlich auch den externen Fluss . Wenn ein Fluid über eine stationäre Oberfläche fließt , z. B. die flache Platte, das Flussbett oder die Wand eines Rohrs, wird das die Oberfläche berührende Fluid im Allgemeinen durch die Scherbeanspruchung an der Wand zur Ruhe gebracht . Der Bereich, in dem sich die Strömung von der Geschwindigkeit Null an der Wand bis zu einem Maximum im Hauptstrom der Strömung einstellt, wird als Grenzschicht bezeichnet .

Grundlegende Eigenschaften aller laminaren und turbulenten Grenzschichten werden in der sich entwickelnden Strömung über eine flache Platte gezeigt. Die Stadien der Bildung der Grenzschicht sind in der folgenden Abbildung dargestellt:

Grenzschicht auf flacher Platte

Grenzschichten können je nach Wert der Reynolds-Zahl entweder laminar oder turbulent sein .

Auch hier stellt die Reynolds-Zahl das Verhältnis von Trägheitskräften zu viskosen Kräften dar und ist ein geeigneter Parameter zur Vorhersage, ob ein Strömungszustand laminar oder turbulent sein wird. Es ist definiert als:

Reynolds Zahl

wobei V die mittlere Strömungsgeschwindigkeit ist, D eine charakteristische lineare Abmessung, ρ Fluiddichte, μ dynamische Viskosität und ν kinematische Viskosität.

Bei niedrigeren Reynolds-Zahlen ist die Grenzschicht laminar und die Geschwindigkeit im Strom ändert sich gleichmäßig, wenn man sich von der Wand entfernt, wie auf der linken Seite der Figur gezeigt. Wenn die Reynolds-Zahl zunimmt (mit x), wird die Strömung instabil und schließlich ist bei höheren Reynolds-Zahlen die Grenzschicht turbulent und die Strömungsgeschwindigkeit ist durch instationäre (sich mit der Zeit ändernde) Wirbelströmungen innerhalb der Grenzschicht gekennzeichnet.

Der Übergang von der laminaren zur turbulenten Grenzschicht erfolgt, wenn die Reynolds-Zahl bei x Re x ~ 500.000 überschreitet . Der Übergang kann früher erfolgen, hängt jedoch insbesondere von der Oberflächenrauheit ab . Die turbulente Grenzschicht verdickt sich aufgrund der erhöhten Scherbeanspruchung an der Körperoberfläche schneller als die laminare Grenzschicht.

Der externe Fluss reagiert auf den Rand der Grenzschicht genauso wie auf die physikalische Oberfläche eines Objekts. Die Grenzschicht verleiht jedem Objekt eine „effektive“ Form, die sich normalerweise geringfügig von der physischen Form unterscheidet. Wir definieren die Dicke der Grenzschicht als den Abstand von der Wand bis zu dem Punkt, an dem die Geschwindigkeit 99% der Geschwindigkeit des „freien Stroms“ beträgt.

Um die Dinge verwirrender zu machen, kann sich die Grenzschicht vom Körper abheben oder „trennen“ und eine effektive Form erzeugen, die sich stark von der physischen Form unterscheidet. Dies geschieht, weil die Strömung in der Grenze eine sehr niedrige Energie (relativ zum freien Strom) aufweist und leichter durch Druckänderungen angetrieben wird.

Siehe auch: Grenzschichtdicke

Siehe auch: Rohr im Querstrom – externer Durchfluss

Besonderer Hinweis: Schlichting Herrmann, Gersten Klaus. Grenzschichttheorie, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2000, ISBN: 978-3-540-66270-9

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Was ist die Zweiphasenströmung – Definition

Zweiphasenströmung ist per Definition der interaktive Fluss von zwei unterschiedlichen Phasen mit gemeinsamen Schnittstellen, beispielsweise in einer Leitung. Zweiphasen-Flüssigkeitsstrom – Gas-Flüssigkeitsstrom. Wärmetechnik

Zweiphasenströmung

Zweiphasen-FlüssigkeitsstromPer Definition ist der Mehrphasenfluss der interaktive Fluss von zwei oder mehr unterschiedlichen Phasen mit gemeinsamen Schnittstellen in beispielsweise einer Leitung. Jede Phase, die einen Volumenanteil (oder Massenanteil) an festem, flüssigem oder gasförmigem Material darstellt, hat ihre eigenen Eigenschaften, Geschwindigkeit und Temperatur .

Ein Mehrphasenfluss kann ein gleichzeitiger Fluss sein von:

  • Materialien mit unterschiedlichen Zuständen oder Phasen (zB Wasser-Dampf-Gemisch).
  • Materialien mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften, jedoch im gleichen Zustand oder in derselben Phase (z. B. Öltröpfchen in Wasser).

In industriellen Prozessen gibt es viele Kombinationen, aber die häufigste ist der gleichzeitige Fluss von Dampf und flüssigem Wasser (wie er bei Dampferzeugern und Kondensatoren auftritt ). In der Reaktortechnik wurden zahlreiche Untersuchungen zur Art der Zweiphasenströmung im Falle eines Kühlmittelverlustunfalls ( LOCA ) durchgeführt, der für die Reaktorsicherheit und für alle thermohydraulischen Analysen von Bedeutung ist ( DNBR-Analysen ).

Eigenschaften des zweiphasigen Flüssigkeitsflusses

Alle Zweiphasenströmungsprobleme weisen Merkmale auf, die sich charakteristisch von denen unterscheiden, die bei Einphasenproblemen auftreten.

  • Bei Dampf und flüssigem Wasser unterscheidet sich die Dichte der beiden Phasen um den Faktor 1000 . Daher ist der Einfluss der Gravitationskörperkraft auf mehrphasige Strömungen von viel größerer Bedeutung als bei einphasigen Strömungen.
  • Die Schallgeschwindigkeit ändert sich dramatisch für Materialien, die einer Phasenänderung unterliegen, und kann um Größenordnungen unterschiedlich sein. Dies beeinflusst einen Durchfluss durch eine Öffnung erheblich .
  • Die relative Konzentration verschiedener Phasen ist normalerweise ein abhängiger Parameter von großer Bedeutung in Mehrphasenströmungen, während sie in Einphasenströmungen keine Bedeutung hat.
  • Die Phasenänderung bedeutet, dass strömungsinduzierte Druckabfälle eine weitere Phasenänderung verursachen können (z. B. kann Wasser durch eine Öffnung verdampfen), wodurch das relative Volumen des gasförmigen, komprimierbaren Mediums erhöht und die Ausströmgeschwindigkeiten erhöht werden, im Gegensatz zu einer einphasigen inkompressiblen Strömung, bei der eine abnimmt Die Öffnung würde die Ausflussgeschwindigkeiten verringern.
  • Die räumliche Verteilung der verschiedenen Phasen im Strömungskanal beeinflusst das Strömungsverhalten stark.
  • Es gibt viele Arten von Instabilitäten im Mehrphasenfluss.

Grundlegende Parameter des zweiphasigen Flüssigkeitsflusses

In diesem Abschnitt betrachten wir den gleichzeitigen Fluss von Gas (oder Dampf) und flüssigem Wasser (wie er in Dampferzeugern und Kondensatoren auftritt) bei gleichzeitiger Strömung durch einen Kanal mit Querschnittsfläche A. Die Indizes “v” und “ℓ” geben an die Dampf- bzw. Flüssigphase . Grundlegende Parameter, die diesen Fluss charakterisieren, sind:

  • Hohlraumanteil
  • Statische Qualität
  • Durchflussqualität
  • Mischungsdichte
  • Schlupfverhältnis – Geschwindigkeitsverhältnis
  • Oberflächengeschwindigkeit

 

Strömungsmuster – Zweiphasenströmung

Einer der schwierigsten Aspekte beim Umgang mit Zweiphasenströmungen oder Mehrphasenströmungen ist die Tatsache, dass sie viele verschiedene Formen annehmen können . Räumliche Verteilungen und Geschwindigkeiten der Flüssigkeits- und Dampfphase im Strömungskanal sind in vielen technischen Bereichen ein sehr wichtiger Aspekt. Druckabfälle und auch Wärmeübergangskoeffizienten hängen stark von der lokalen Strömungsstruktur ab und sind daher für die Konstruktion von Kernreaktoren von Bedeutung . Die beobachteten Strömungsstrukturen sind als zweiphasige Strömungsmuster definiert und weisen besondere identifizierende Eigenschaften auf. Diese unterschiedlichen Strömungsmuster warenkategorisiert nach der Strömungsrichtung relativ zur Gravitationsbeschleunigung.

  • Strömungsmuster in vertikalen Rohren
  • Strömungsmuster in horizontalen Rohren
Strömungsmuster
Tabelle der grundlegenden Strömungsmuster in vertikalen Rohren.

Die Hauptströmungsregime in vertikalen Rohren sind in der Tabelle gezeigt. Es ist zu beachten, dass die Werte für Durchflussqualität und Durchflussrate von Flüssigkeit und Druck abhängen. In horizontalen Rohren kann es auch zu einer Schichtströmung kommen (insbesondere bei niedrigen Durchflussraten), bei der sich die beiden Phasen unter dem Einfluss der Schwerkraft trennen .

Bei einer konstanten Flüssigkeitsströmungsrate neigt die Dampf / Gas-Phase dazu, sich bei kleinen Dampfströmungsraten als kleine Blasen zu verteilen . Eine Erhöhung des Hohlraumanteils führt zur Agglomeration von Blasen zu größeren Stopfen und Butzen . Eine weitere Agglomeration von Butzen, die durch eine weitere Erhöhung des Hohlraumanteils verursacht wird, bewirkt eine Trennung der Phasen in ringförmige Muster, wobei sich Flüssigkeit an der Kanalwand konzentriert und Dampf im zentralen Kern des vertikalen Kanals strömt .

Bei einem horizontalen Kanal neigt die Gravitationskraft dazu, den Flüssigkeitsring zum Boden des Kanals hin abzuleiten, was zu einer geschichteten Strömung führt . Die auf die flüssige Phase wirkende Gravitationskraft kann durch kinetische Kräfte bei hohen Strömungsraten überwunden werden, wodurch geschichtete Strömungen zu ringförmigen Strömungen zurückkehren. Bei sehr hohen Durchflussraten wird der Ringfilm durch die Scherung des Dampfkerns verdünnt und die gesamte Flüssigkeit wird als Tröpfchen in der Dampfphase mitgerissen. Dieses Strömungsregime wird üblicherweise als Nebelströmung bezeichnet .

Siehe auch:  Engineering Data Book III, JR Thome, Wolverine Tube Inc, 2004.

Strömungsmuster – vertikale Rohre

  • Sprudelnder Fluss
  • Schwallströmung
  • Abwanderungsfluss
  • Ringströmung
  • Nebelfluss
Sprudelnd - Schnecke - Kanne - Ring - Nebel - Fluss
Skizzen von Strömungsregimen für die Zweiphasenströmung in einem vertikalen Rohr. Quelle: Weisman, J. Zweiphasenströmungsmuster. Kapitel 15 im Handbuch der in Bewegung befindlichen Flüssigkeiten, Cheremisinoff NP, Gupta R. 1983, Ann Arbor Science Publishers.
Strömungsmuster - vertikale Strömung - Hewitt
Die vertikale Strömungsregimekarte von Hewitt und Roberts (1969) für die Strömung in einem Rohr mit 3,2 cm Durchmesser, validiert sowohl für die Luft / Wasser-Strömung bei atmosphärischem Druck als auch für die Dampf / Wasser-Strömung bei hohem Druck. Quelle: Brennen, CE, Grundlagen mehrphasiger Strömungen, Cambridge University Press, 2005, ISBN 0521 848040

Strömungsmuster – Horizontale Rohre

  • Sprudelnder Fluss
  • Geschichtete Strömung
  • Plug Flow und Slug Flow
  • Ringströmung
  • Nebelfluss
Blase, Stopfen, Schnecke, Ring, Nebel, geschichtete oder gewellte Strömung
Skizzen von Strömungsregimen für die Zweiphasenströmung in einem horizontalen Rohr. Quelle: Weisman, J. Zweiphasenströmungsmuster. Kapitel 15 im Handbuch der in Bewegung befindlichen Flüssigkeiten, Cheremisinoff NP, Gupta R. 1983, Ann Arbor Science Publishers.
Strömungsmuster - horizontale Strömung
Eine Strömungsregime-Karte für die Strömung eines Luft / Wasser-Gemisches in einem horizontalen Rohr mit 2,5 cm Durchmesser bei 25 ° C und 1 bar. Durchgezogene Linien und Punkte sind experimentelle Beobachtungen der Übergangsbedingungen, während die schraffierten Zonen theoretische Vorhersagen darstellen. Quelle: Mandhane, JM, Gregory, GA und Aziz, KA (1974). Eine Strömungsmusterkarte für die Gas-Flüssigkeitsströmung in horizontalen Rohren. Int. J. Mehrphasenströmung

Strömungsmuster während der Verdunstung

Der vorherige Abschnitt beschreibt verschiedene Flussmuster und beschreibt kurz ihr Verhalten. Es wurde angenommen, dass diese Strömungsmuster einen konstanten Hohlraumanteil und konstante Oberflächengeschwindigkeiten aufweisen . Es gibt jedoch viele industrielle Anwendungen, die einen variablen Hohlraumanteil und variable Oberflächengeschwindigkeiten berücksichtigen müssen . In der Nuklearindustrie müssen wir uns mit Strömungsmustern während der Verdampfung (dh während Änderungen der Hohlraumfraktion ) befassen .

Detaillierte Kenntnisse über Phasenänderungen und das Verhalten der Strömung während des Phasenwechsels sind eine der wichtigsten Überlegungen bei der Auslegung eines Kernreaktors , insbesondere bei folgenden Anwendungen:

  • konvektive Verdunstung - vertikaler KanalBWR – Siedewasserreaktoren
    • Ein Siedewasserreaktor wird wie ein PWR durch Wasser gekühlt und moderiert , jedoch mit einem niedrigeren Druck (7 MPa), wodurch das Wasser im Druckbehälter sieden kann und den Dampf erzeugt, der die Turbinen antreibt . Die Verdampfung erfolgt daher direkt in Kraftstoffkanälen. Daher sind BWRs das beste Beispiel für diesen Bereich, da im Normalbetrieb Verdunstung des Kühlmittels auftritt und dies ein sehr erwünschtes Phänomen ist.
    • In SWR gibt es ein Phänomen, das für die Reaktorsicherheit von höchster Bedeutung ist . Dieses Phänomen ist als “Austrocknung” bekannt und steht in direktem Zusammenhang mit Änderungen des Strömungsmusters während der Verdampfung. Normalerweise wird die Kraftstoffoberfläche durch siedendes Kühlmittel effektiv gekühlt. Wenn der Wärmefluss jedoch einen kritischen Wert überschreitet (CHF – kritischer Wärmefluss), kann das Flussmuster die Austrocknungsbedingungen erreichen (dünner Flüssigkeitsfilm verschwindet). Die Wärmeübertragung von der Kraftstoffoberfläche in das Kühlmittel wird durch eine drastisch erhöhte Kraftstoffoberflächentemperatur verschlechtert .
  • PWR – Druckwasserreaktoren
    • Bei PWRs im Normalbetrieb wird der Durchfluss als einphasig betrachtet. Es wurden jedoch zahlreiche Studien zur Art der Zweiphasenströmung bei Transienten und Unfällen (z. B. Unfall mit Kühlmittelverlust – LOCA oder Auslösung von RCPs ) durchgeführt, die für die Reaktorsicherheit und für die Reaktorsicherheit von Bedeutung sind muss im Sicherheitsanalysebericht (SAR) nachgewiesen und deklariert werden . Bei PWRs ist das problematische Phänomen nicht das Austrocknen. Bei PWRs ist der kritische Fluss ein invertierter Ringfluss . Diese Strömung tritt auf, wenn eine Brennstabummantelungsfläche überhitzt ist, was zur Bildung einer lokalen Dampfschicht führtDies führt zu einer dramatischen Verringerung der Wärmeübertragungsfähigkeit. Dieses Phänomen ist als Abweichung vom Sieden der Keime – DNB – bekannt . Der Unterschied im Flussregime zwischen dem Fluss nach dem Austrocknen und dem Fluss nach dem DNB ist in der Abbildung dargestellt.
    • Bei PWRs tritt die Verdampfung auch bei Dampferzeugern auf. Dampferzeuger sind Wärmetauscher , mit denen Speisewasser aus Wärme, die in einem Kern eines Kernreaktors erzeugt wird, in Dampf umgewandelt wird . Der erzeugte Dampf treibt die Turbine an.

konvektive Verdunstung - horizontaler Kanal

Zweiphasiger Druckabfall

Bei der praktischen Analyse von Rohrleitungssystemen ist der Druckverlust aufgrund von viskosen Effekten entlang der Länge des Systems sowie zusätzliche Druckverluste aufgrund anderer technologischer Geräte wie Ventile, Bögen, Rohrleitungseingänge, Armaturen und T-Stücke von größter Bedeutung .

Im Gegensatz zu einphasigen Druckabfällen ist die Berechnung und Vorhersage von zweiphasigen Druckabfällen ein viel komplexeres Problem, und die führenden Methoden unterscheiden sich erheblich. Experimentelle Daten zeigen, dass der Reibungsdruckabfall im Zweiphasenstrom (z. B. in einem Siedekanal) wesentlich höher ist als der für einen Einphasenstrom mit gleicher Länge und gleichem Massenstrom. Erklärungen hierfür sind eine scheinbar erhöhte Oberflächenrauheit aufgrund von Blasenbildung auf der erhitzten Oberfläche und erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten.

Druckabfall – Homogenes Strömungsmodell

Der einfachste Ansatz zur Vorhersage von Zweiphasenströmungen besteht darin, die gesamte Zweiphasenströmung so zu behandeln, als ob sie alle flüssig wäre , außer dass sie mit der Geschwindigkeit des Zweiphasengemisches fließt . Die zweiphasigen Druckabfälle für Strömungen in Rohren und Kanälen sind die Summe von drei Beiträgen:

Der Gesamtdruckabfall des Zweiphasenstroms beträgt dann:

∆p total = ∆p statisch + ∆p Mutter + ∆p Reibung

Die statischen und Impulsdruckabfälle können ähnlich wie bei einphasiger Strömung und unter Verwendung der homogenen Gemischdichte berechnet werden :

Gemischdichte - Definition

Der problematischste Begriff ist der Reibungsdruckabfall ∆p Reibung , der auf dem einphasigen Druckabfall basiert, der mit dem Zweiphasenkorrekturfaktor multipliziert wird ( homogener Reibungsmultiplikator – Φ lo 2 ). Durch diesen Ansatz ist die Reibungskomponente des zweiphasigen Druckabfalls:

zweiphasiger Druckabfall - Gleichung

wobei (dP / dz) 2f der  Reibungsdruckgradient der Zweiphasenströmung ist und (dP / dz) 1f der  Reibungsdruckgradient ist, wenn die gesamte Strömung (der Gesamtmassenströmungsrate G) als Flüssigkeit in den Kanal fließt ( Standard-Einphasendruck) fallen lassen ). Der Term Φ lo  ist der homogene Reibungsmultiplikator , der nach verschiedenen Methoden abgeleitet werden kann. Einer der möglichen Multiplikatoren ist gleich Φ lo 2  = (1 + x g (ρ l / ρ g – 1))  und daher:
zweiphasiger Druckabfall - Gleichung2

Wie zu sehen ist, legt dieses einfache Modell nahe, dass die zweiphasigen Reibungsverluste auf jeden Fall höher sind als die einphasigen Reibungsverluste. Der homogene Reibungsvervielfacher steigt mit der Strömungsqualität schnell an .

Typische Fließqualitäten in Dampferzeugern und BWR-Kernen liegen in der Größenordnung von 10 bis 20%. Der entsprechende Zweiphasen-Reibungsverlust wäre dann 2- bis 4- mal so hoch wie in einem äquivalenten Einphasensystem.

Strömungsinstabilität

Im Allgemeinen gibt es eine Reihe von Instabilitäten , die in Zweiphasensystemen auftreten können . In der Nukleartechnik ist die Untersuchung der Mehrphasenströmungsstabilität beim Unfallmanagement von Druckwasserreaktoren von größter Bedeutung und bei normalen / abnormalen Bedingungen in Siedewasserreaktoren von höchster Bedeutung .

Bei PWRs im Normalbetrieb wird der Durchfluss als einphasig betrachtet. Es wurden jedoch zahlreiche Studien zur Strömungsinstabilität bei Transienten und Unfällen (z. B. Unfall mit Kühlmittelverlust – LOCA oder Auslösen von RCPs mit natürlicher Zirkulation ) durchgeführt , bei denen Strömungsschwankungen oder Strömungsumkehrungen auftreten können auftreten.

Strömungsschwingungen sind Strömungsschwankungen, die insbesondere durch Hohlraumformationen verursacht werden und aus mehreren Gründen unerwünscht sind.

  • Strömungsschwingungen können unerwünschte mechanische Belastungen der Kraftstoffkomponenten (z. B. Abstandsgitter) verursachen. Dies kann zum Ausfall dieser Komponenten aufgrund von Ermüdung führen.
  • Strömungsschwingungen beeinflussen die lokalen Wärmeübertragungseigenschaften . Im Fall von PWRs wird das kritische Sicherheitsproblem als DNB ( Abweichung vom Sieden der Keime ) bezeichnet, was zur Bildung einer lokalen Dampfschicht führt , was zu einer dramatischen Verringerung der Wärmeübertragungsfähigkeit führt. Durch Tests wurde festgestellt, dass der kritische Wärmefluss (CHF) , der für die Abweichung vom Blasensieden (DNB ) erforderlich ist, bei oszillierendem Fluss um bis zu 40% gesenkt werden kann. Dies verringert die thermische Grenze und die Leistungsdichte entlang der Länge des Reaktorkerns erheblich .

Strömungsschwingungen können während natürlicher Zirkulationsvorgänge (z. B. nach Auslösung aller RCPs) ein Problem sein . Die natürliche Zirkulation ist ein wichtiges Konstruktionsmerkmal und der ultimative Wärmeabfuhrmechanismus. Aufgrund der geringen Durchflussraten kann es zum sieden des Kühlmittels kommen und es können Durchflussschwingungen entstehen. Während der natürlichen Zirkulation können die während einer Strömungsschwingung gebildeten Dampfblasen eine ausreichende Wirkung haben, um tatsächlich eine vollständige Strömungsumkehr im betroffenen Kanal zu bewirken.

BWR - Strömungsinstabilität
Instabilitätsbereich in der Leistungsflusskarte für den BWR-Reaktor. Quelle: Francesco D’Auria, The BWR Stability Issue, THICKET 2008 – Sitzung IX – Papier 26

Bei SWR tritt im Normalbetrieb eine Verdampfung des Kühlmittels auf , was ein sehr erwünschtes Phänomen ist. Andererseits bewirkt die konvektive Verdampfung im Kraftstoffkanal, dass sich das Strömungsmuster entlang des Kraftstoffkanals in Abhängigkeit von der Strömungsrate und der Wärmeleistung ändert. Es wurde gefunden, dass es Instabilitätsbereiche gibt , in denen Zweiphasenströmungsinstabilitäten auftreten können. Diese zweiphasigen Strömungsinstabilitäten sind unerwünscht, da sie zu mechanischen Vibrationen und Systemsteuerungsproblemen führen, den normalen Betrieb beeinträchtigen, Betriebsparameter einschränken und die Reaktorsicherheit beeinflussen können. Es muss angemerkt werden, dass die Strömungsstabilität in SWR für viele Jahre kein großes Problem darstellt, da es sich um ein bekanntes Phänomen handelt.

Im Allgemeinen gibt es viele Klassifikationen von Strömungsinstabilitäten. Die folgende Klassifizierung basiert auf thermohydraulischen Grundmechanismen:

Die statischen Instabilitäten sind:

  • Strömungsexkursion
  • siedende Krise
  • Entspannungstypen, einschließlich Flussmusterübergang

Die dynamischen Instabilitäten sind:

  • Dichtewellenschwingungen
  • Druckabfallschwingungen
  • Thermische Schwingungen .

Die richtige Charakterisierung der Instabilitäten und die Bedingungen für ihr Auftreten können den optimalen und sicheren Betrieb der Systeme bestimmen. Die am meisten akzeptierte Erklärung für das Auftreten des dynamischen Typs von Instabilitäten, die als Dichtewellenoszillationen (DWO) bezeichnet werden .

Die Dichtewelle verursacht eine Verzögerung des lokalen Druckabfalls , die durch eine Änderung des Einlassstroms verursacht wird. Aufgrund dieser Verzögerung kann die Summe aller lokalen Druckabfälle zu einem Gesamtabfall führen, der mit dem Einlassstrom phasenverschoben ist. Der grundlegende Mechanismus, der Strömungsinstabilitäten in SWRs verursacht, ist die Dichtewelle. Die charakteristischen Perioden dieser Schwingungen hängen mit der Zeit zusammen, die ein Fluidteilchen benötigt, um sich durch die gesamte Schleife zu bewegen.

In SWR beobachtete Arten von Instabilitäten

  • Instabilitäten des Steuerungssystems. Instabilitäten des Steuersystems hängen mit der Wirkung von Reglern zusammen, die über Aktuatoren versuchen, einige der Variablen des Reaktors zu regulieren.
  • Kanalflussinstabilitäten. Diese Art von Instabilität kann wie folgt beschrieben werden: Nehmen wir eine Strömungsstörung an. Diese Störung verursacht eine “Welle” von Hohlräumen, die sich durch den Kanal nach oben bewegen und einen zweiphasigen Druckabfall erzeugen (der Druckabfall nimmt mit zunehmendem Hohlraumanteil signifikant zu), der gegenüber der ursprünglichen Störung verzögert ist. Ein Anstieg des Kanaldruckabfalls (Dichtewelle) kann zu einer Instabilität der Durchflussrate führen.
  • Gekoppelte neutronisch-thermohydraulische Instabilität. Die dominierende Art von Instabilitäten in kommerziellen BWRs ist die gekoppelte neutronisch-thermohydraulische Instabilität (auch als Reaktivitätsinstabilität bekannt ). Die Energieerzeugung in Siedewasserreaktoren ist direkt mit dem Kraftstoff im Zusammenhang Neutronenfluß , die stark auf den durchschnittlichen zusammenhängt Hohlraumanteil in den Kernkanälen durch. Dieser Effekt wird als Reaktivitätsrückkopplung bezeichnet . Die durch Änderungen des Hohlraumanteils ( Hohlraumkoeffizient ) verursachte Rückkopplung der Reaktivität wird verzögert, wenn sich die Hohlräume durch den Kraftstoffkanal nach oben bewegen. In einigen Fällen kann die Verzögerung lang genug sein und die Rückmeldung ungültig machenkann stark genug sein, dass die Reaktorkonfiguration instabil wird. In diesem Fall kann der Neutronenfluss schwingen.

Besondere Referenzen:

  • Francesco D’Auria, Das BWR-Stabilitätsproblem, THICKET 2008 – Sitzung IX – Papier 26
  • Dag Strømsvåg, Grundlegende Mechanismen von Dichtewellenschwingungen und der Effekt der Unterkühlung, NTNU, 2011.
  • J. March-Leuba, Dichte-Wellen-Instabilitäten in Siedewasserreaktoren. NUREG / CR-6003, ORNL, 1992.

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Lokale Verluste – Definition

Kleinere Druckverluste sind lokale Druckverluste oder Druckabfälle verschiedener Hydraulikelemente wie Bögen, Armaturen, Ventile, Bögen, T-Stücke oder beheizte Kanäle. Wärmetechnik

Lokale Verluste

In der Industrie enthält jedes Rohrsystem verschiedene technologische Elemente wie Biegungen, Armaturen, Ventile oder beheizte Kanäle . Diese zusätzlichen Komponenten tragen zum Gesamtkopfverlust des Systems bei. Solche Verluste werden im Allgemeinen als geringfügige Verluste bezeichnet , obwohl sie häufig einen großen Teil des Kopfverlusts ausmachen . Bei relativ kurzen Rohrsystemen mit einer relativ großen Anzahl von Biegungen und Formstücken können geringfügige Verluste größere Verluste leicht übersteigen (insbesondere bei einem teilweise geschlossenen Ventil, das einen größeren Druckverlust verursachen kann als ein langes Rohr, tatsächlich wenn ein Ventil geschlossen ist oder fast geschlossen, der kleine Verlust ist unendlich).

Die geringen Verluste werden üblicherweise experimentell gemessen. Die Daten, insbesondere für Ventile, hängen in gewissem Maße von der Konstruktion des jeweiligen Herstellers ab.

Wie bei der Rohrreibung sind die geringfügigen Verluste in etwa proportional zum Quadrat der Durchflussmenge und können daher leicht in die Darcy-Weisbach-Gleichung integriert werden . K ist die Summe aller Verlustkoeffizienten in der Rohrlänge, die jeweils zum Gesamtdruckverlust beitragen.kleiner Kopfverlust - Gleichung

Es gibt verschiedene Methoden zur Berechnung des Druckverlusts aus Armaturen, Biegungen und Ellbogen. Im folgenden Abschnitt werden diese Methoden in der Reihenfolge vom einfachsten bis zum anspruchsvollsten zusammengefasst.

 

Methode mit äquivalenter Länge

Die Methode der äquivalenten Länge ( die L e / D-Methode ) ermöglicht es dem Benutzer, den Druckverlust durch einen Winkel oder eine Armatur als Länge eines geraden Rohrs zu beschreiben .

Diese Methode basiert auf der Beobachtung, dass die Hauptverluste auch proportional zum Geschwindigkeitskopf ( 2 / 2g ) sind.

Methode mit äquivalenter Länge

Die L e / D-Methode erhöht einfach den Multiplikationsfaktor in der Darcy-Weisbach-Gleichung (dh ƒ.L / D ) um eine Länge eines geraden Rohrs (dh e ), was zu einem Druckverlust führen würde, der den Verlusten in der entspricht Armaturen, daher der Name “äquivalente Länge”. Der Multiplikationsfaktor wird daher zu ƒ (L + L e ) / D und die Gleichung zur Berechnung des Druckverlusts des Systems lautet daher:

äquivalente Länge

Tabelle der äquivalenten Längen - Ventile, Bögen, BiegungenAlle Armaturen, Bögen und T-Stücke können zu einer Gesamtlänge zusammengefasst und der Druckverlust aus dieser Länge berechnet werden. Es wurde experimentell gefunden, dass, wenn die äquivalenten Längen für einen Bereich von Größen eines gegebenen Armaturentyps durch die Durchmesser der Armaturen geteilt werden, ein nahezu konstantes Verhältnis (dh L e / D) erhalten wird. Der Vorteil der Methode mit äquivalenter Länge besteht darin, dass ein einzelner Datenwert ausreicht, um alle Größen dieser Anpassung abzudecken , und daher die Tabellierung von Daten mit äquivalenter Länge relativ einfach ist. Einige typische äquivalente Längen sind in der Tabelle aufgeführt.Siehe auch: Software zur Rohrgrößen- und Durchflussberechnung

Widerstandskoeffizientenmethode – K-Methode – Überschusskopf

Tabelle der K-Werte - Ventile, Bögen, BiegungenDie Widerstandskoeffizientenmethode (oder K-Methode oder Überkopfmethode) ermöglicht es dem Benutzer, den Druckverlust durch einen Winkel oder eine Armatur durch eine dimensionslose Zahl – K – zu beschreiben . Diese dimensionslose Zahl (K) kann auf sehr ähnliche Weise wie die Methode der äquivalenten Länge in die Darcy-Weisbach-Gleichung aufgenommen werden. Anstelle von Daten gleicher Länge wird in diesem Fall die dimensionslose Zahl (K) verwendet, um die Armatur zu charakterisieren, ohne sie mit den Eigenschaften des Rohrs zu verknüpfen.

Der K-Wert stellt das Vielfache der Geschwindigkeitsköpfe dar , die durch durch die Armatur fließende Flüssigkeit verloren gehen. Die Gleichung zur Berechnung des Druckverlustes des Hydraulikelements lautet daher:
K-Wert-MethodeDaher lautet die Gleichung zur Berechnung des Druckverlusts des gesamten Hydrauliksystems:
K-Wert - Kopfverlust
Der K-Wert kann für verschiedene Strömungsregime charakterisiert werden (dh gemäß der Reynolds-Zahl ), und dies führt dazu, dass er genauer ist als die Methode mit äquivalenter Länge.

Es gibt verschiedene andere Methoden zur Berechnung des Druckverlusts für Armaturen. Diese Methoden sind ausgefeilter und auch genauer :

  • 2K-Methode . Die 2K-Methode ist eine von Hooper BW entwickelte Technik, um den Kopfverlust in einem Ellbogen, Ventil oder T-Stück vorherzusagen. Die 2K-Methode verbessert die Überkopfmethode, indem die Änderung des Druckverlusts aufgrund variierender Reynolds-Zahlen charakterisiert wird . Das 2-K-Verfahren ist gegenüber anderen Verfahren insbesondere im laminaren Strömungsbereich vorteilhaft .2K-Methode
  • 3K-Methode . Die 3K-Methode (von Ron Darby im Jahr 1999) verbessert die Genauigkeit der Druckverlustberechnung weiter, indem auch die Änderung der geometrischen Proportionen einer Armatur bei Änderung ihrer Größe charakterisiert wird . Dies macht die 3K-Methode besonders genau für ein System mit großen Armaturen .3K-Methode

Zusammenfassung:

  • Der Druckverlust des Hydrauliksystems wird in zwei Hauptkategorien unterteilt :
    • Großer Kopfverlust – aufgrund von Reibung in geraden Rohren
    • Geringer Druckverlust – aufgrund von Komponenten wie Ventilen, Biegungen…
  • Eine spezielle Form der Darcy-Gleichung kann verwendet werden, um geringfügige Verluste zu berechnen .
  • Die geringfügigen Verluste sind ungefähr proportional zum Quadrat der Durchflussrate und können daher durch den Widerstandskoeffizienten K leicht in die Darcy-Weisbach-Gleichung integriert werden .
  • Als lokaler Druckverlust kann auch eine Flüssigkeitsbeschleunigung in einem beheizten Kanal in Betracht gezogen werden.

Es gibt folgende Methoden:

  • Methode mit äquivalenter Länge
  • K-Methode (Widerstandskoeffizientenmethode)
  • 2K-Methode
  • 3K-Methode

Warum ist der Kopfverlust sehr wichtig?

Wie aus dem Bild ersichtlich ist, ist der Druckverlust ein wesentliches Merkmal eines jeden Hydrauliksystems. In Systemen, bei denen einige bestimmte Fließgeschwindigkeit eingehalten werden ( zum Beispiel eine ausreichende Kühlung oder Wärmeübertragung von einem bereitzustellen Reaktorkern ), das Gleichgewicht der Druckverlust und dem  Kopf hinzugefügt durch eine Pumpe , um die Fließgeschwindigkeit durch das System bestimmt.

QH-Kennfeld der Kreiselpumpe und der Rohrleitung
QH-Kennfeld der Kreiselpumpe und der Rohrleitung

Flow durch Elbow – Minor Loss

Durchfluss durch den Ellbogen - geringer VerlustDer Fluss durch die Ellbogen ist ziemlich kompliziert . Tatsächlich verursacht jedes gekrümmte Rohr immer einen größeren Verlust als das einfache gerade Rohr. Dies liegt an der Tatsache, dass sich in einem gekrümmten Rohr die Strömung an den gekrümmten Wänden trennt . Bei einem sehr kleinen Krümmungsradius kann die ankommende Strömung an der Biegung nicht einmal die Kurve machen, daher trennt sich die Strömung und stagniert teilweise gegen die gegenüberliegende Seite des Rohrs. In diesem Teil der Kurve steigt der Druck (aufgrund des Bernoulli-Prinzips ) und die Geschwindigkeit nimmt ab.

Ein interessantes Merkmal der K-Werte für Ellbogen ist ihr nicht monotones Verhalten mit zunehmendem R / D-Verhältnis . Die K-Werte umfassen sowohl die lokalen Verluste als auch die Reibungsverluste des Rohrs. Die lokalen Verluste, die durch Strömungstrennung und Sekundärströmung verursacht werden, nehmen mit R / D ab, während die Reibungsverluste zunehmen, weil die Biegelänge zunimmt. Daher gibt es ein Minimum im K-Wert nahe dem normalisierten Krümmungsradius von 3.

Flüssigkeitsbeschleunigung

Diagramm - Dichte - Wasser - Temperatur
Dichte von flüssigem (komprimiertem) Wasser als Funktion der Wassertemperatur

Es ist bekannt, dass sich das Fluid beim Erhitzendes Fluids (z. B. in einem Kraftstoffkanal) ausdehnt(Änderung der Fluiddichte) und seine Strömungsgeschwindigkeitinfolge der Kontinuitätsgleichungerhöht (der Kanalquerschnitt bleibt gleich). Für ein Steuervolumen mit einem einzelnen Einlass und einem einzelnen Auslass besagt diese Gleichung, dass für einen stationären Durchfluss der Massenstrom in das Volumen gleich dem Massenstrom aus sein muss.

Flüssigkeitsbeschleunigung - Druckabfall
Masseeintritt pro Zeiteinheit = Massenaustritt pro Zeiteinheit

Siehe auch: Eigenschaften von unterkühltem Wasser

Ein weiteres sehr wichtiges Prinzip besagt ( Bernoulli-Prinzip ), dass die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im beheizten Kanal die Absenkung des Flüssigkeitsdrucks bewirkt . Dieser Druckverlust kann auch als lokaler Druckverlust betrachtet und aus der folgenden Gleichung berechnet werden:
Flüssigkeitsbeschleunigung - Gleichung

Durchflussmenge durch einen Reaktorkern – Kühlmittelbeschleunigung

Es ist ein veranschaulichendes Beispiel, die folgenden Daten entsprechen keinem Reaktordesign.

Kontinuitätsgleichung - Durchflussraten durch den Reaktor
Beispiel für Durchflussraten in einem Reaktor. Es ist ein veranschaulichendes Beispiel, Daten repräsentieren kein Reaktordesign.

Druckwasserreaktoren werden durch flüssiges Hochdruckwasser (z. B. 16 MPa) gekühlt und moderiert . Bei diesem Druck kocht Wasser bei ungefähr 350 ° C (662 ° F). Die Einlasstemperatur des Wassers beträgt ca. 290 ° C (~ 720 kg / m 3 ). Das Wasser (Kühlmittel) wird im Reaktorkern auf ungefähr 325 ° C (~ 654 kg / m 3 )erhitzt,während das Wasser durch den Kern fließt.

Der Primärkreislauf typischer PWRs ist in 4 unabhängige Kreisläufe (Rohrdurchmesser ~ 700 mm) unterteilt. Jeder Kreislauf besteht aus einem Dampferzeuger und einer Hauptkühlmittelpumpe . Im Reaktordruckbehälter (RPV) fließt das Kühlmittel zunächst außerhalb des Reaktorkerns (durch das Fallrohr) nach unten. Vom Boden des Druckbehälters wird die Strömung durch den Kern umgekehrt, wo die Kühlmitteltemperatur ansteigt, wenn sie durch die Brennstäbe und die von ihnen gebildeten Baugruppen fließt.

Berechnung:

  • Druckverlust durch Kühlmittelbeschleunigung in einem isolierten Kraftstoffkanal

 wann

  • Die Strömungsgeschwindigkeit des Kanaleinlasses beträgt 5,17 m / s
  • Die Strömungsgeschwindigkeit des Kanalauslasses beträgt 5,69 m / s

Lösung:

Der Druckverlust aufgrund der Kühlmittelbeschleunigung in einem isolierten Kraftstoffkanal beträgt dann:

Kühlmittelbeschleunigung - Beispiel

Diese Tatsache hat wichtige Konsequenzen. Aufgrund der unterschiedlichen relativen Leistung von Brennelementen in einem Kern weisen diese Brennelemente einen unterschiedlichen hydraulischen Widerstand auf. Dies kann zu einem lokalen seitlichen Fluss des Primärkühlmittels führen und muss bei thermohydraulischen Berechnungen berücksichtigt werden.

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Was ist Moody-Diagramm – Definition

Das Moody-Diagramm (auch als Moody-Diagramm bezeichnet) ist ein Diagramm in nicht-dimensionaler Form, das den Darcy-Reibungsfaktor, die Reynolds-Zahl und die relative Rauheit in Beziehung setzt. Wärmetechnik

Moody-Diagramm

Das Moody-Diagramm (auch als Moody-Diagramm bekannt) ist ein Diagramm in nicht-dimensionaler Form, das den Darcy-Reibungsfaktor , die Reynolds-Zahl und die relative Rauheit für eine voll entwickelte Strömung in einem kreisförmigen Rohr in Beziehung setzt .

Stimmungsvolles Diagramm
Quelle: Donebythesecondlaw in der englischsprachigen Wikipedia, CC BY-SA 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4681366

Beispiel: Stimmungsvolles Diagramm

Bestimmen Sie den Reibungsfaktor (f D ) für den Flüssigkeitsfluss in einem Rohr mit einem Durchmesser von 700 mm, das eine Reynolds-Zahl von 50 000 000 und eine absolute Rauheit von 0,035 mm aufweist.

Lösung:

Die relative Rauhigkeit ist gleich = 0,035 / 700 = 5 x 10 bis & epsi; -5 . Unter Verwendung des Moody-Diagramms schneidet eine Reynolds-Zahl von 50 000 000 die Kurve, die einer relativen Rauheit von 5 × 10 –5 bei einem Reibungsfaktor von 0,011 entspricht .

Stimmungsvolles Diagramm, stimmungsvolles Diagramm
Beispiel: Stimmungsvolles Diagramm.
Quelle: Donebythesecondlaw in der englischsprachigen Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4681366

Darcy-Reibungsfaktor für verschiedene Strömungsregime

Die häufigste Klassifizierung von Strömungsregimen erfolgt nach der Reynolds-Zahl. Die Reynolds-Zahl ist eine dimensionslose Zahl, die sich aus den physikalischen Eigenschaften der Strömung zusammensetzt und bestimmt, ob die Strömung laminar oder turbulent ist . Eine zunehmende Reynolds-Zahl zeigt eine zunehmende Strömungsturbulenz an. Wie aus dem Moody-Diagramm ersichtlich ist, hängt auch der Darcy-Reibungsfaktor stark vom Strömungsregime ab (dh von der Reynolds-Zahl).

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Was ist Pumpenkopfberechnung – Berechnung der Pumpenleistung – Definition

In diesem Beispiel wird gezeigt, wie der Pumpenkopf und andere Pumpeneigenschaften vorhergesagt werden können. Pumpenkopfberechnung – Pumpenleistungsberechnung

Pumpenkopfberechnung – Berechnung der Pumpenleistung

PumpenkopfberechnungIn diesem Beispiel werden wir sehen, wie man vorhersagt

einer Kreiselpumpe . Diese Leistungsdaten werden aus der Euler-Turbomaschinengleichung abgeleitet:

    Wellendrehmoment : T Welle = ρQ (r 2 V t2 – r 1 V t1 )

Wasserleistung: P w         = ω. T Welle        = ρQ (u 2 V t2 – u 1 V t1 )

Pumpenkopf : H = P w / ρgQ = (u 2 V t2 – u 1 V t1 ) / g

Gegeben sind folgende Daten für eine Kreiselwasserpumpe:

  • Durchmesser des Laufrads am Einlass und Auslass
    • 1 = 10 cm
    • 2 = 20 cm
  • Geschwindigkeit = 1500 U / min (Umdrehungen pro Minute)
  • der Schaufelwinkel am Einlass β 1 = 30 °
  • der Schaufelwinkel am Auslass β 2 = 20 °
  • Angenommen, die Schaufelbreiten am Einlass und Auslass betragen: 1 = b 2 = 4 cm .

Lösung:

Zuerst müssen wir die Radialgeschwindigkeit der Strömung am Auslass berechnen . Aus dem Geschwindigkeitsdiagramm ist die Radialgeschwindigkeit gleich (wir nehmen an, dass die Strömung genau normal zum Laufrad eintritt, sodass die tangentiale Geschwindigkeitskomponente Null ist):

r1 = u 1 tan 30 ° = & ohgr; r 1 tan 30 ° = 2 & pgr; x (1500/60) x 0,1 x tan 30 ° = 9,1 m / s

Die radiale Komponente der Strömungsgeschwindigkeit bestimmt, wie stark der Volumenstrom in das Laufrad eintritt . Wenn wir also r1 am Einlass kennen, können wir den Ausstoß dieser Pumpe gemäß der folgenden Gleichung bestimmen . Hier bedeutet b 1 die Schaufelbreite des Laufrads am Einlass.

Q = 2π.r 1 .b 1 .V r1 = 2π x 0,1 x 0,04 x 9,1 = 0,229 m 3 / s

Um die erforderliche Wasserleistung (P w ) zu berechnen , müssen wir die Tangentialströmungsgeschwindigkeit V t2 des Auslasses bestimmen , da angenommen wurde, dass die Tangentialgeschwindigkeit V t1 des Einlasses gleich Null ist.

Die radiale Auslassströmungsgeschwindigkeit ergibt sich aus der Erhaltung von Q :

Q = 2π.r 2 .b 2 .V r2  ⇒ r2 = Q / 2π.r 2 .b 2 = 0,229 / (2π x 0,2 x 0,04) =  4,56 m / s

Aus der Figur ( Geschwindigkeitsdreieck ) kann der Auslassschaufelwinkel β 2 leicht wie folgt dargestellt werden.

cot β 2 = (u 2 – V t2 ) / V r2

und daher ist die tangentiale Strömungsgeschwindigkeit V t2 am Auslass :

t2 = 2 – V r2 . 20 ° cot = ω r 2 – V r2 . Kinderbett 20 ° = 2 & pgr; x 1500/60 x 0,2 – 4,56 x 2,75 = 31,4 – 12,5 = 18,9 m / s.

Die erforderliche Wasserleistung beträgt dann:

w  = ρ Q U 2 V t2 = 1000 [kg / m 3 ] 0,229 x [m 3 / s] 31,4 x [m / s] 18,9 x [m / s] = 135900 W = 135,6 kW

und der Pumpenkopf ist:

H ≤ w / (ρ g Q) = 135900 / (1000 × 9,81 × 0,229) = 60,5 m

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Was ist Kreiselpumpe – Definition

Kreiselpumpen sind Vorrichtungen, mit denen Flüssigkeiten durch Umwandlung von kinetischer Rotationsenergie in hydrodynamische Energie transportiert werden. Kreiselpumpen

Kreiselpumpen

Kreiselpumpen sind Vorrichtungen, die zum Transport von Flüssigkeiten durch Umwandlung von kinetischer Rotationsenergie in hydrodynamische Energie des Flüssigkeitsstroms verwendet werden. Die Rotationsenergie stammt typischerweise von einem Elektromotor oder einer Dampfturbine (bei turbinengetriebenen Speisewasserpumpen). Kreiselpumpen werden in mehr industriellen Anwendungen als jede andere Art von Pumpe eingesetzt. Die gebräuchlichste Kreiselpumpe ist die Spiralpumpe.

Wie funktioniert es?

In der Spirale der Pumpe tritt Flüssigkeit axial durch das Auge des Laufrads ( Niederdruckbereich ) in die Pumpe ein, das sich mit hoher Geschwindigkeit dreht. Wenn sich das Laufrad und die Schaufeln drehen, übertragen sie den Impuls auf die ankommende Flüssigkeit. Die Flüssigkeit beschleunigt von der Pumpenverfolgung radial nach außen und am Laufradauge wird ein Vakuum erzeugt, das kontinuierlich mehr Flüssigkeit in die Pumpe zieht. Mit zunehmender Geschwindigkeit der Flüssigkeit nimmt ihre kinetische Energie zu . Flüssigkeit mit hoher kinetischer Energie wird aus dem Laufradbereich gedrückt und tritt in die Spirale ein . In der Spirale fließt das Fluid durch eine kontinuierlich ansteigende Querschnittsfläche , wo diekinetische Energie wird in Flüssigkeitsdruck umgewandelt (nach dem Bernoulli-Prinzip ).

Die Laufradschaufeln sind normalerweise rückwärts gekrümmt, es gibt jedoch auch radial und vorwärts gekrümmte Schaufelkonstruktionen. Der Ausgangsdruck ändert sich je nach verwendetem Design geringfügig. Die Klingen können offen oder geschlossen sein . Der Diffusor kann auch mit festen Flügeln ausgestattet sein, um die Strömung zum Ausgang zu leiten . Die auf die Flüssigkeit übertragene Energie entspricht der Geschwindigkeit am Rand des Laufrads. Je schneller sich das Laufrad dreht oder je größer das Laufrad ist, desto höher ist der Geschwindigkeitskopf .

Prinzipien von Kreiselpumpen-minLaufrad und Diffusor

Hauptteile einer Kreiselpumpe

Kreiselpumpe-minJede Kreiselpumpe besteht aus Hunderten von Teilen. Es gibt einige Komponenten, die praktisch jede Kreiselpumpe gemeinsam hat. Diese Komponenten können in das nasse Ende und das mechanische Ende unterteilt werden .

Das nasse Ende der Pumpe enthält diejenigen Teile, die die hydraulische Leistung der Pumpe bestimmen . Die beiden primären nassen Enden sind das Laufrad und das Gehäuse . In einigen Fällen kann das erste Radiallager wassergeschmiert werden. In diesem Fall gehört auch die Lagerdose zu den nassen Enden.

Das mechanische Ende umfasst diejenigen Teile, die das Laufrad innerhalb des Gehäuses tragen . Das mechanische Ende der Pumpe umfasst die Pumpenwelle , die Dichtung, die Lager und die Wellenhülse .

Diese Komponenten dienen zur Ausführung bestimmter Aufgaben:

  • Laufrad und DiffusorLaufrad. Das Laufrad ist ein Rotor, mit dem die kinetische Energie der Strömung erhöht wird.
  • Gehäuse (Volute). Das Gehäuse enthält die Flüssigkeit und wirkt als Druckbehälter , der den Flüssigkeitsstrom in die und aus der Kreiselpumpe leitet . Die Spirale ist ein gekrümmter Trichter, dessen Fläche zunimmt, wenn er sich der Auslassöffnung nähert. Die Spirale einer Kreiselpumpe ist das Gehäuse, das die vom Laufrad gepumpte Flüssigkeit aufnimmt und die Durchflussrate der Flüssigkeit verlangsamt. Daher nach Bernoullis PrinzipDie Spirale wandelt kinetische Energie in Druck um, indem sie die Geschwindigkeit verringert und gleichzeitig den Druck erhöht. Einige Kreiselpumpen enthalten Diffusoren. Ein Diffusor ist ein Satz stationärer Flügel, die das Laufrad umgeben. Der Diffusor lenkt den Durchfluss, ermöglicht eine allmählichere Expansion und erhöht somit den Wirkungsgrad der Kreiselpumpe.
  • Welle (Rotor). Das Laufrad ist auf einer Welle montiert. Die Welle ist eine mechanische Komponente zur Übertragung des Drehmoments vom Motor auf das Laufrad.
  • Wellenabdichtung. Kreiselpumpen sind mit Packungsringen oder Gleitringdichtung versehen, um das Austreten der gepumpten Flüssigkeit zu verhindern.
  • Lager. Lager beschränken die Relativbewegung der Welle (Rotor) und verringern die Reibung zwischen der rotierenden Welle und dem Stator. Es gibt mindestens 5 gängige Lagertypen, von denen jeder nach unterschiedlichen Prinzipien arbeitet:
    • Gleitlager
    • Wälzlager
    • Juwelenlager
    • Flüssigkeitslager
    • Magnetlager

Laufradtypen in Kreiselpumpen

offenes, halboffenes, geschlossenes LaufradDas Laufraddesign ist der wichtigste Faktor für die Bestimmung der Leistung einer Kreiselpumpe. Ein richtig entworfenes Laufrades optimiert fließen , während Turbulenzen minimiert und die Effizienz maximiert .

Das Laufrad einer Kreiselpumpe kann von drei Grundtypen sein :

  • Laufrad öffnen.  Offene Laufräder haben die Flügel auf beiden Seiten frei. Offene Laufräder sind strukturell schwach. Sie werden typischerweise in kostengünstigen Pumpen mit kleinem Durchmesser und Pumpen verwendet, die suspendierte Feststoffe fördern.
  • Halboffenes Laufrad . Die Flügel sind auf der einen Seite frei und auf der anderen geschlossen. Die Abdeckung erhöht die mechanische Festigkeit. Sie bieten auch höhere Wirkungsgrade als offene Laufräder. Sie können in Pumpen mit mittlerem Durchmesser und mit Flüssigkeiten verwendet werden, die geringe Mengen an suspendierten Feststoffen enthalten. Aufgrund der Minimierung der Rezirkulation und anderer Verluste ist es sehr wichtig, dass zwischen den Laufradschaufeln und dem Gehäuse ein geringer Abstand besteht.
  • Geschlossenes Laufrad . Die Flügel befinden sich zwischen den beiden Scheiben, alle in einem einzigen Guss. Sie werden in großen Pumpen mit hohem Wirkungsgrad und geringem erforderlichen positiven Nettosaugkopf eingesetzt . Die Kreiselpumpen mit geschlossenem Laufrad sind die am weitesten verbreiteten Pumpen, die klare Flüssigkeiten fördern. Sie stützen sich auf Verschleißringe mit engem Spiel am Laufrad und am Pumpengehäuse. Das geschlossene Laufrad ist nicht nur wegen des Laufrads komplizierter und teurer, sondern es werden auch zusätzliche Verschleißringe benötigt.

Die Laufradschaufeln können sein:

  • Rückwärts gekrümmte Klingenkonstruktion (bevorzugte Konstruktion aufgrund negativer Steigung der Leistungskurve)
  • Radialmesser Design
  • Vorwärts gekrümmte Schaufelkonstruktion (aufgrund positiver Neigungsbedingungen kann diese Konstruktion einen Pumpenstoß verursachen)

Laufräder können entweder sein:

  • Einfachsaugen . Ein einfach saugendes Laufrad lässt Flüssigkeit nur aus einer Richtung in die Mitte der Schaufeln gelangen.
  • Doppelsaugung . Durch ein doppelt saugendes Laufrad kann Flüssigkeit von beiden Seiten gleichzeitig in die Mitte der Laufradschaufeln gelangen. Dies reduziert die auf die Welle ausgeübten Kräfte.

Einfaches oder doppeltes Saugrad min

Laufrad und DiffusorDer Ausgangsdruck ändert sich je nach verwendetem Design geringfügig. Die Klingen können offen oder geschlossen sein. Der Diffusor kann auch mit festen Flügeln ausgestattet sein, um die Strömung zum Ausgang zu leiten. Die auf die Flüssigkeit übertragene Energie entspricht der Geschwindigkeit am Rand des Laufrads. Je schneller sich das Laufrad dreht oder je größer das Laufrad ist, desto höher ist der Geschwindigkeitskopf.

Im Allgemeinen können Kreiselpumpen anhand der Art und Weise klassifiziert werden, in der Flüssigkeit durch die Pumpe fließt. Die Klassifizierung basiert nicht nur auf dem Laufrad, sondern auch auf der Konstruktion des Pumpengehäuses und des Laufrads . Die drei Arten der Strömung durch eine Kreiselpumpe sind:

  • radiale Strömung
  • Mischströmung (teils radial, teils axial)
  • Axialströmung (Propellertyp)

Leistungsmerkmale von Kreiselpumpen

Obwohl die Theorie der Kreiselpumpen viele qualitative Ergebnisse liefert, liegt der wichtigste Indikator für die Leistung einer Pumpe in umfangreichen hydraulischen Tests .

In der Industrie werden die Eigenschaften aller Pumpen normalerweise anhand ihrer QH-Kurve  oder Leistungskurve  (Durchflussrate – Höhe) abgelesen . Wie zu sehen ist, verwenden die Leistungsdiagramme einen Ausstoß – Q (normalerweise in m 3 / h) und einen Pumpenkopf – H (normalerweise in m) als grundlegende Leistungsvariablen.

Systemkopf

Systemkopf - ohne statischen KopfIm Kapitel über Druckverluste wurde festgestellt, dass sowohl Hauptverluste als auch Nebenverluste in Rohrleitungssystemen proportional zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit sind . Es ist offensichtlich, dass der Systemkopfverlust direkt proportional zum Quadrat des Volumenstroms sein muss, da der Volumenstrom direkt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist.

Es muss hinzugefügt werden, dass das offene Hydrauliksystem nicht nur den Reibkopf, sondern auch den Elevationskopf enthält , was berücksichtigt werden muss. Der Elevationskopf (statischer Kopf) repräsentiert die potentielle Energie eines Fluids aufgrund seiner Elevation über einem Referenzniveau.
Elevation Head

Systemkopf - mit statischem KopfIn vielen Fällen ist der Gesamtkopf eines Systems eine Kombination aus Elevationskopf und Reibkopf, wie in der Abbildung gezeigt.

In der Nukleartechnik sind die meisten Hydrauliksysteme geschlossene Hydraulikkreise, und diese Systeme haben nur einen Reibkopf (kein statischer Kopf).

Pumpenkopf – Leistungskurve

In der Fluiddynamik wird der Begriff Pumpenkopf verwendet, um die kinetische Energie zu messen, die eine Pumpe erzeugt. Die Förderhöhe ist ein Maß für die Höhe der inkompressiblen Flüssigkeitssäule, die die Pumpe aus der kinetischen Energie erzeugen kann, die die Pumpe an die Flüssigkeit abgibt. Die Förderhöhe und die Durchflussmenge bestimmen die Leistung einer Pumpe, die in der Abbildung grafisch als Leistungskurve oder Pumpenkennlinie dargestellt ist . Der Hauptgrund für die Verwendung von Förderhöhe anstelle von Druck zur Bestimmung der Leistung einer Kreiselpumpe ist, dass dieDie Höhe der Flüssigkeitssäule hängt nicht vom spezifischen Gewicht (Gewicht) der Flüssigkeit ab , während sich der Druck einer Pumpe ändert. In Bezug auf den Druck ist der Pumpenkopf ( ΔP- Pumpe ) die Differenz zwischen dem Systemgegendruck und dem Eingangsdruck der Pumpe.

Pumpenkopf - Leistungskurve - DiagrammDie maximale Pumpenhöhe einer Kreiselpumpe wird hauptsächlich durch den Außendurchmesser des Pumpenlaufrads und die Wellenwinkelgeschwindigkeit  – Drehzahl der rotierenden Welle bestimmt. Die Förderhöhe ändert sich auch, wenn der Volumenstrom durch die Pumpe erhöht wird.

Wenn eine Kreiselpumpe mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit arbeitet , bewirkt eine Erhöhung der Systemhöhe (Gegendruck) auf den strömenden Strom eine Verringerung des Volumenstroms , den die Kreiselpumpe aufrechterhalten kann.

Die Beziehung zwischen dem Pumpenkopf und dem Volumenstrom (Q) , die eine Kreiselpumpe aufrechterhalten kann, hängt von verschiedenen physikalischen Eigenschaften der Pumpe ab:

  • die der Pumpe zugeführte Leistung
  • die Winkelgeschwindigkeit der Welle
  • Art und Durchmesser des Laufrads

und die verwendete Flüssigkeit:

  • Flüssigkeitsdichte
  • Flüssigkeitsviskosität

Diese Beziehung ist sehr kompliziert und ihre Analyse liegt in umfangreichen hydraulischen Tests bestimmter Kreiselpumpen. Wie aus dem Bild unten ersichtlich.

Betriebseigenschaften eines Hydraulikkreislaufs

Wenn wir die Reibungseigenschaften  (Systemkopf) eines Hydraulikkreislaufs und die Leistungskurve zusammenstellen, beschreibt das Ergebnis die Eigenschaften des gesamten Systems (z. B. eine Schleife des Primärkreises ). Die folgende Abbildung zeigt eine typische Leistungskurve für eine Kreiselpumpe in Bezug auf den Reibkopf des Systems.

QH-Kennfeld der Kreiselpumpe und der Rohrleitung
QH-Kennfeld der Kreiselpumpe und der Rohrleitung

Der Pumpenkopf auf der vertikalen Achse ist die  Differenz zwischen dem Systemgegendruck und dem Eingangsdruck der Pumpe ( ΔP- Pumpe ). Der Volumenstrom (Q) auf der horizontalen Achse ist die Geschwindigkeit, mit der Flüssigkeit durch die Pumpe fließt. Wie zu sehen ist, ist der Kopf bei geringer Entladung ungefähr konstant und fällt dann bei max auf Null ab . Bei geringer Fördermenge können die Eigenschaften instabil sein (mit positiver Neigung des Pumpenkopfes). Dies ist eine unerwünschte Eigenschaft, da eine instabile Pumpe zwischen den beiden möglichen Kombinationen der Durchflussrate zu schwingen beginnen kann und die Rohrleitung vibrieren kann.

Bei der Durchflussrate Q1 gewinnt die Pumpe mehr Förderhöhe als die Reibungsverluste verbraucht, daher steigt die Durchflussrate durch das System . Die Durchflussmenge stabilisiert sich an dem Punkt, an dem die Reibungsverluste die Pumpeneigenschaften schneiden .

Um die Leistung von Kreiselpumpen zu charakterisieren, werden folgende Begriffe definiert:

  • Absperrkopf
  • Pumpeneffizienz
  • Bester Effizienzpunkt
  • Bremsleistung
  • Positiver Netto-Saugkopf

 

Serienbetrieb von Kreiselpumpen (Booster)

Um den Volumenstrom in einem System zu erhöhen oder große Haupt- oder Nebenverluste auszugleichen , werden Kreiselpumpen häufig parallel oder in Reihe geschaltet .

Der Serienbetrieb von Kreiselpumpen wird verwendet, um einen großen Systemkopfverlust zu überwinden oder um einen großen Druckanstieg zu erzielen, wenn Flüssigkeit in ein Hochdrucksystem eingespritzt wird (z. B. Hochdruck-Sicherheitsinjektionssysteme in PWRs , in denen mehrstufige Pumpen verwendet werden).

Wenn eine Kreiselpumpe in einem geschlossenen Kreislauf betrieben wird, ist der resultierende Förderdruck einfach die Summe aus dem Saugdruck und dem Druck, den die Pumpe normalerweise entwickelt, wenn sie bei einem Saugdruck von Null arbeitet. Daher eignet es sich gut für den Einsatz als Druckerhöhungspumpe bei Serienbetrieb. Die von zwei oder mehr Pumpen erzeugte Förderhöhe entspricht der Summe der einzelnen Förderhöhen . Der Volumenstrom vom Einlass der ersten Pumpe zum Auslass der zweiten Pumpe bleibt gleich. In der praktischen Anwendung werden die mehrstufigen Pumpen ( Mehrfachradpumpe ) gebaut, um eine höhere Pumpenhöhe zu erreichen.

Serienbetrieb von Kreiselpumpen

Parallelbetrieb von Kreiselpumpen

Um den Volumenstrom in einem System zu erhöhen oder große Haupt- oder Nebenverluste auszugleichen, werden Kreiselpumpen häufig parallel oder in Reihe geschaltet .

Der Parallelbetrieb von Kreiselpumpen wird verwendet, um die Durchflussrate durch das System zu erhöhen . Parallel arbeitende Pumpen saugen von einem gemeinsamen Verteilerkopf ab und entladen sich in einen gemeinsamen Auslass . Während sich der Kopf nur geringfügig ändert, wird der Durchfluss an jedem Punkt fast verdoppelt . Es ist zu beachten, dass der Volumenstrom tatsächlich weniger als doppelt so hoch ist wie der Durchfluss, der mit einer einzelnen Pumpe erzielt wird. Dies wird durch einen größeren Systemkopfverlust verursacht, der aus einer höheren Durchflussrate resultiert.

Parallelbetrieb von Kreiselpumpen

Hauptausfallmodi von Kreiselpumpen

Da Kreiselpumpen einer der weltweit am häufigsten verwendeten Pumpentypen sind, sind ihre Betriebsparameter und auch ihre Schwachstellen bekannt. Dieser Artikel bespricht die wichtigsten Fehlerarten , die in gefunden werden Kreiselpumpen . Im Allgemeinen führen Pumpenausfälle zu Betriebsänderungen, die den Wirkungsgrad verringern oder zu einem Ausfall der Pumpe führen können. Die Zuverlässigkeit von Hydrauliksystemen und auch Kreiselpumpen ist in der Nukleartechnik von höchster Bedeutung .

Die Ausfallarten von Kreiselpumpen können in drei Kategorien eingeteilt werden:

Hydraulikausfallmodi

  • Hohlraumbildung. Kavitation ist in vielen Fällen ein unerwünschtes Ereignis. Bei Kreiselpumpen verursachen Kavitation Schäden an Bauteilen (Erosion des Materials), Vibrationen, Geräusche und einen Wirkungsgradverlust.
  • Druckpulsation.  Druckpulsationen sind Schwankungen des Grunddrucks. Bei Hochdruckpumpen können Saug- und Förderdruckpulsationen zu Instabilitäten der Pumpensteuerung, Vibrationen der Saug- und Druckleitungen und zu hohen Pumpengeräuschen führen.
  • Pumpenumwälzung. Eine Pumpe, die mit einer geringeren Leistung als den Auslegungsgrenzen arbeitet, kann unter einer Umwälzung leiden, die intern in den Pumpen auftritt. Die Umwälzung der Pumpe kann zu Spannungsspitzen und Kavitation führen, selbst wenn das verfügbare NPSHa das NPSHr des Lieferanten erheblich überschreitet.
  • Radial- und Axialschub. Ein hoher Radialschub, der zu übermäßigen Wellenauslenkungen führt, kann zu anhaltenden Packungs- oder Gleitringdichtungsproblemen und möglicherweise zu einem Wellenversagen führen. Axialschub wird entlang der Wellenachse ausgeübt. Ein hoher Axialschub kann das Lager übermäßig belasten.

Mechanische Fehlermodi

  • Festfressen oder Brechen der Welle
  • Versagen des Kugellagers
  • Dichtungsfehler
  • Vibrationen
  • Ermüden

Andere Fehlermodi

  • Erosion
  • Korrosion

Kavitation in Kreiselpumpen

Kavitation - beschädigtes Laufrad-minDie wichtigsten Orte , an denen Kavitation auftritt , sind in Pumpen, auf Laufräder oder Propeller . Bei Kreiselpumpen resultiert Kavitation aus einer Verringerung des Saugdrucks , einer Erhöhung der Saugtemperatur oder einer Erhöhung der Durchflussmenge über die für die Pumpe vorgesehene.

Es gibt zwei Grundtypen der Pumpenkavitation :

  • Saugkavitation
  • Entladungskavitation

Kavitationsnummer

Die Kavitationszahl (Ca) oder der Kavitationsparameter ist eine dimensionslose Zahl, die bei Durchflussberechnungen verwendet wird. Es ist üblich, anhand der Kavitationszahl zu charakterisieren, wie nahe der Druck im Flüssigkeitsstrom am Dampfdruck (und damit am Kavitationspotential) liegt.

Die Kavitationszahl kann ausgedrückt werden als:

Kavitationszahl - Gleichung

wo

CA = Kavitationsnummer

p = lokaler Druck (Pa)

v = Dampfdruck der Flüssigkeit (Pa)

ρ = Dichte der Flüssigkeit (kg / m 3 )

v = Flüssigkeitsgeschwindigkeit (m / s)

Kavitationsschäden

Kavitation ist in vielen Fällen ein unerwünschtes Ereignis. Bei Kreiselpumpen verursacht Kavitation Schäden an Bauteilen (Erosion des Materials), Vibrationen, Geräusche und einen Wirkungsgradverlust.

Quelle: Wikipedia, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turbine_Francis_Worn.JPG
Quelle: Wikipedia, CC BY 2.5,
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turbine_Francis_Worn.JPG

Vielleicht das wichtigste durch Kavitation verursachte technische Problem ist die materiellen Schäden , dass Kavitationsblasen verursachen kann , wenn sie zusammenbrechen in der Nähe einer festen Oberfläche. Das Zusammenfallen von Kavitationsblasen ist ein heftiger Prozess, der stark lokalisierte Stoßwellen und Mikrojets erzeugt . Sie zwingen energetische Flüssigkeit in sehr kleine Volumina, wodurch Flecken hoher Temperatur entstehen, und diese intensiven Störungen erzeugen stark lokalisierte und vorübergehende Oberflächenspannungen auf einer festen Oberfläche. Anzeichen von Erosion treten aufgrund der Wasserschlagwirkung der kollabierenden Dampfblasen als Lochfraß auf. Es wurde festgestellt, dass die Kavitationsschadensraten schnell ansteigen mit der Erhöhung des Volumenstroms.

Weichere Materialien können auch durch kurzfristiges Auftreten von Kavitation beschädigt werden . Einzelne Gruben können nach einem einzelnen Blasenkollaps beobachtet werden. Daher werden für Kreiselpumpen härtere Materialien verwendet . Bei den härteren Materialien, die in den meisten Anwendungen verwendet werden, kann die zyklische Beanspruchung aufgrund wiederholter Zusammenbrüche zu einem lokalen Versagen der Oberflächenermüdung führen . Kavitationsschäden an Metallen haben daher normalerweise den Anschein eines Ermüdungsversagens .

Kavitation - Blasenkollaps-minWenn die Kavitationsblasen zusammenfallen, zwingen sie energetische Flüssigkeit in sehr kleine Volumina, wodurch Flecken mit hoher Temperatur erzeugt werden und Stoßwellen emittiert werden, von denen letztere eine Geräuschquelle sind. Obwohl das Zusammenfallen eines kleinen Hohlraums ein Ereignis mit relativ niedriger Energie ist, können stark lokalisierte Zusammenbrüche Metalle wie Stahl im Laufe der Zeit erodieren. Die durch das Zusammenfallen von Hohlräumen verursachte Lochfraßbildung führt zu einem starken Verschleiß der Bauteile und kann die Lebensdauer eines Propellers oder einer Pumpe erheblich verkürzen.

Kavitation wird normalerweise auch begleitet von:

  • Lärm. Typisches Geräusch wird durch kollabierende Hohlräume verursacht. Der Geräuschpegel, der durch Kavitation entsteht, ist ein Maß für die Schwere der Kavitation.
  • Vibration . Pumpenschwingungen aufgrund von Kavitation sind charakteristisch niederfrequente Schwingungen, die üblicherweise im Bereich von 0 bis 10 Hz auftreten.
  • Reduzierung des Pumpenwirkungsgrades . Eine Abnahme des Wirkungsgrades der Pumpe ist ein zuverlässigeres Zeichen für das Auftreten von Kavitation.

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.

Was ist ein zweiphasiger Druckabfall – Definition

Die Berechnung und Vorhersage von zweiphasigen Druckverlusten (oder Kopfverlusten) einschließlich Reibungsverlusten und geringfügigen Kopfverlusten ist ein weitaus komplexeres Problem. Wärmetechnik

Zweiphasiger Druckabfall

Bei der praktischen Analyse von Rohrleitungssystemen ist der Druckverlust aufgrund von viskosen Effekten entlang der Länge des Systems sowie zusätzliche Druckverluste durch andere technologische Ausrüstungen wie Ventile, Bögen, Rohrleitungseingänge, Armaturen und T-Stücke von größter Bedeutung .

Im Gegensatz zu einphasigen Druckverlusten ist die Berechnung und Vorhersage zweiphasiger Druckverluste ein weitaus komplexeres Problem, und die führenden Methoden unterscheiden sich erheblich. Experimentelle Daten zeigen, dass der Reibungsdruckabfall in der Zweiphasenströmung (z. B. in einem Siedekanal) wesentlich höher ist als der für eine Einphasenströmung mit derselben Länge und Massenströmungsrate. Erklärungen hierfür sind eine scheinbar erhöhte Oberflächenrauheit aufgrund von Blasenbildung auf der erwärmten Oberfläche und erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten.

Druckabfall – Homogenes Strömungsmodell

Der einfachste Ansatz zur Vorhersage von Zweiphasenströmungen besteht darin, die gesamte Zweiphasenströmung so zu behandeln, als ob sie vollständig flüssig wäre , mit Ausnahme der Strömung mit der Geschwindigkeit des Zweiphasengemischs . Die zweiphasigen Druckverluste für Strömungen in Rohren und Kanälen sind die Summe von drei Beiträgen:

Der Gesamtdruckverlust des Zweiphasenstroms beträgt dann:

∆p gesamt = ∆p statisch + ∆p Mutter + ∆p Reibung

Der statische und der Impulsdruckabfall können ähnlich wie bei einphasiger Strömung und unter Verwendung der homogenen Gemischdichte berechnet werden :

Mischungsdichte - Definition

Der problematischste Begriff ist der Reibungsdruckabfall ∆p Reibung , der auf dem einphasigen Druckabfall basiert, der mit dem Zweiphasenkorrekturfaktor multipliziert wird ( homogener Reibungsmultiplikator – Φ lo 2 ). Durch diesen Ansatz ist die Reibungskomponente des zweiphasigen Druckabfalls:

zweiphasiger Druckabfall - Gleichung

wobei (dP / dz) 2f der  Reibungsdruckgradient der Zweiphasenströmung ist und (dP / dz) 1f der  Reibungsdruckgradient ist, wenn die gesamte Strömung (der Gesamtmassenströmungsrate G) als Flüssigkeit in den Kanal fließt ( Standard-Einphasendruck) fallen lassen ). Der Term Φ lo  ist der homogene Reibungsmultiplikator , der nach verschiedenen Methoden abgeleitet werden kann. Einer der möglichen Multiplikatoren ist gleich Φ lo 2  = (1 + x g (ρ l / ρ g – 1))  und daher:
zweiphasiger Druckabfall - Gleichung2

Wie zu sehen ist, legt dieses einfache Modell nahe, dass die zweiphasigen Reibungsverluste auf jeden Fall höher sind als die einphasigen Reibungsverluste. Der homogene Reibungsvervielfacher steigt mit der Strömungsqualität schnell an .

Typische Fließqualitäten in Dampferzeugern und BWR-Kernen liegen in der Größenordnung von 10 bis 20%. Der entsprechende Zweiphasen-Reibungsverlust wäre dann 2- bis 4- mal so hoch wie in einem äquivalenten Einphasensystem.

Zweiphasiger geringfügiger Verlust

In der Industrie enthält jedes Rohrsystem verschiedene technologische Elemente wie B- Enden, Armaturen, Ventile oder beheizte Kanäle . Diese zusätzlichen Komponenten tragen zum Gesamtkopfverlust des Systems bei. Solche Verluste werden im Allgemeinen als geringfügige Verluste bezeichnet , obwohl sie häufig einen großen Teil des Kopfverlusts ausmachen . Bei relativ kurzen Rohrsystemen mit einer relativ großen Anzahl von Biegungen und Formstücken können geringfügige Verluste größere Verluste leicht übersteigen (insbesondere bei einem teilweise geschlossenen Ventil, das einen größeren Druckverlust verursachen kann als ein langes Rohr, tatsächlich wenn ein Ventil geschlossen ist oder fast geschlossen, der kleine Verlust ist unendlich).

Einphasige geringfügige Verluste werden üblicherweise experimentell gemessen. Die Daten, insbesondere für Ventile, hängen in gewissem Maße von der Konstruktion des jeweiligen Herstellers ab. Der zweiphasige Druckverlust aufgrund lokaler Strömungshindernisse wird ähnlich wie die einphasigen Reibungsverluste behandelt – über den lokalen Verlustmultiplikator .

Weitere Informationen : ZWEIPHASIGER REIBUNGSDRUCKVERLUST IM HORIZONTALEN BUBBLY-DURCHFLUSS MIT 90-GRAD-BIEGE 

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.

Was ist Durchflussmuster – Zweiphasen-Durchfluss – Definition

Die beobachteten Strömungsstrukturen sind als zweiphasige Strömungsmuster definiert und weisen besondere identifizierende Eigenschaften auf. Strömungsmuster – Zweiphasenströmung

Strömungsmuster – Zweiphasenströmung

Einer der schwierigsten Aspekte beim Umgang mit Zweiphasenströmungen oder Mehrphasenströmungen ist die Tatsache, dass sie viele verschiedene Formen annehmen können . Räumliche Verteilungen und Geschwindigkeiten der Flüssigkeits- und Dampfphase im Strömungskanal sind in vielen technischen Bereichen ein sehr wichtiger Aspekt. Druckabfälle und auch Wärmeübergangskoeffizienten hängen stark von der lokalen Strömungsstruktur ab und sind daher für die Konstruktion von Kernreaktoren von Bedeutung . Die beobachteten Strömungsstrukturen sind als zweiphasige Strömungsmuster definiertund diese haben besondere identifizierende Eigenschaften. Diese unterschiedlichen Strömungsmuster wurden nach der Strömungsrichtung relativ zur Gravitationsbeschleunigung kategorisiert .

  • Strömungsmuster in vertikalen Rohren
  • Strömungsmuster in horizontalen Rohren
Strömungsmuster
Tabelle der grundlegenden Strömungsmuster in vertikalen Rohren.

Die Hauptströmungsregime in vertikalen Rohren sind in der Tabelle gezeigt. Es ist zu beachten, dass die Werte für Durchflussqualität und Durchflussrate von Flüssigkeit und Druck abhängen. In horizontalen Rohren kann es auch zu einer Schichtströmung kommen (insbesondere bei niedrigen Durchflussraten), bei der sich die beiden Phasen unter dem Einfluss der Schwerkraft trennen .

Bei einer konstanten Flüssigkeitsströmungsrate neigt die Dampf / Gas-Phase dazu, sich bei kleinen Dampfströmungsraten als kleine Blasen zu verteilen . Eine Erhöhung des Hohlraumanteils führt zur Agglomeration von Blasen zu größeren Stopfen und Butzen . Eine weitere Agglomeration von Butzen, die durch eine weitere Erhöhung des Hohlraumanteils verursacht wird, bewirkt eine Trennung der Phasen in ringförmige Muster, wobei sich Flüssigkeit an der Kanalwand konzentriert und Dampf im zentralen Kern des vertikalen Kanals strömt .

Bei einem horizontalen Kanal neigt die Gravitationskraft dazu, den Flüssigkeitsring zum Boden des Kanals hin abzuleiten, was zu einer geschichteten Strömung führt . Die auf die flüssige Phase wirkende Gravitationskraft kann durch kinetische Kräfte bei hohen Strömungsraten überwunden werden, wodurch geschichtete Strömungen zu ringförmigen Strömungen zurückkehren. Bei sehr hohen Durchflussraten wird der Ringfilm durch die Scherung des Dampfkerns verdünnt und die gesamte Flüssigkeit wird als Tröpfchen in der Dampfphase mitgerissen. Dieses Strömungsregime wird üblicherweise als Nebelströmung bezeichnet .

Siehe auch:  Engineering Data Book III, JR Thome, Wolverine Tube Inc, 2004.

Strömungsmuster – vertikale Rohre

  • Sprudelnder Fluss
  • Schwallströmung
  • Abwanderungsfluss
  • Ringströmung
  • Nebelfluss
Sprudelnd - Schnecke - Kanne - Ring - Nebel - Fluss
Skizzen von Strömungsregimen für die Zweiphasenströmung in einem vertikalen Rohr. Quelle: Weisman, J. Zweiphasenströmungsmuster. Kapitel 15 im Handbuch der in Bewegung befindlichen Flüssigkeiten, Cheremisinoff NP, Gupta R. 1983, Ann Arbor Science Publishers.
Strömungsmuster - vertikale Strömung - Hewitt
Die vertikale Strömungsregimekarte von Hewitt und Roberts (1969) für die Strömung in einem Rohr mit 3,2 cm Durchmesser, validiert sowohl für die Luft / Wasser-Strömung bei atmosphärischem Druck als auch für die Dampf / Wasser-Strömung bei hohem Druck. Quelle: Brennen, CE, Grundlagen mehrphasiger Strömungen, Cambridge University Press, 2005, ISBN 0521 848040

Strömungsmuster – Horizontale Rohre

  • Sprudelnder Fluss
  • Geschichtete Strömung
  • Plug Flow und Slug Flow
  • Ringströmung
  • Nebelfluss
Blase, Stopfen, Schnecke, Ring, Nebel, geschichtete oder gewellte Strömung
Skizzen von Strömungsregimen für die Zweiphasenströmung in einem horizontalen Rohr. Quelle: Weisman, J. Zweiphasenströmungsmuster. Kapitel 15 im Handbuch der in Bewegung befindlichen Flüssigkeiten, Cheremisinoff NP, Gupta R. 1983, Ann Arbor Science Publishers.
Strömungsmuster - horizontale Strömung
Eine Strömungsregime-Karte für die Strömung eines Luft / Wasser-Gemisches in einem horizontalen Rohr mit 2,5 cm Durchmesser bei 25 ° C und 1 bar. Durchgezogene Linien und Punkte sind experimentelle Beobachtungen der Übergangsbedingungen, während die schraffierten Zonen theoretische Vorhersagen darstellen. Quelle: Mandhane, JM, Gregory, GA und Aziz, KA (1974). Eine Strömungsmusterkarte für die Gas-Flüssigkeitsströmung in horizontalen Rohren. Int. J. Mehrphasenströmung

Strömungsmuster während der Verdunstung

Der vorherige Abschnitt beschreibt verschiedene Flussmuster und beschreibt kurz ihr Verhalten. Es wurde angenommen, dass diese Strömungsmuster einen konstanten Hohlraumanteil und konstante Oberflächengeschwindigkeiten aufweisen . Es gibt jedoch viele industrielle Anwendungen, die einen variablen Hohlraumanteil und variable Oberflächengeschwindigkeiten berücksichtigen müssen . In der Nuklearindustrie müssen wir uns mit Strömungsmustern während der Verdampfung (dh während Änderungen der Hohlraumfraktion ) befassen .

Detaillierte Kenntnisse über Phasenänderungen und das Verhalten der Strömung während des Phasenwechsels sind eine der wichtigsten Überlegungen bei der Auslegung eines Kernreaktors , insbesondere bei folgenden Anwendungen:

  • konvektive Verdunstung - vertikaler KanalBWR – Siedewasserreaktoren
    • Ein Siedewasserreaktor wird wie ein PWR durch Wasser gekühlt und moderiert , jedoch mit einem niedrigeren Druck (7 MPa), wodurch das Wasser im Druckbehälter sieden kann und den Dampf erzeugt, der die Turbinen antreibt . Die Verdampfung erfolgt daher direkt in Kraftstoffkanälen. Daher sind BWRs das beste Beispiel für diesen Bereich, da im Normalbetrieb Verdunstung des Kühlmittels auftritt und dies ein sehr erwünschtes Phänomen ist.
    • In SWR gibt es ein Phänomen, das für die Reaktorsicherheit von höchster Bedeutung ist . Dieses Phänomen ist als “Austrocknung” bekannt und steht in direktem Zusammenhang mit Änderungen des Strömungsmusters während der Verdampfung. Normalerweise wird die Kraftstoffoberfläche durch siedendes Kühlmittel effektiv gekühlt. Wenn der Wärmefluss jedoch einen kritischen Wert überschreitet (CHF – kritischer Wärmefluss), kann das Flussmuster die Austrocknungsbedingungen erreichen (dünner Flüssigkeitsfilm verschwindet). Die Wärmeübertragung von der Kraftstoffoberfläche in das Kühlmittel wird durch eine drastisch erhöhte Kraftstoffoberflächentemperatur verschlechtert .
  • PWR – Druckwasserreaktoren
    • Bei PWRs im Normalbetrieb wird der Durchfluss als einphasig betrachtet. Es wurden jedoch zahlreiche Studien zur Art der Zweiphasenströmung bei Transienten und Unfällen (z. B. Unfall mit Kühlmittelverlust – LOCA oder Auslösung von RCPs ) durchgeführt, die für die Reaktorsicherheit und für die Reaktorsicherheit von Bedeutung sind muss im Sicherheitsanalysebericht (SAR) nachgewiesen und deklariert werden . Bei PWRs ist das problematische Phänomen nicht das Austrocknen. Bei PWRs ist der kritische Fluss ein invertierter Ringfluss . Diese Strömung tritt auf, wenn eine Brennstabummantelungsfläche überhitzt ist, was zur Bildung einer lokalen Dampfschicht führtDies führt zu einer dramatischen Verringerung der Wärmeübertragungsfähigkeit. Dieses Phänomen ist als Abweichung vom Sieden der Keime – DNB – bekannt . Der Unterschied im Flussregime zwischen dem Fluss nach dem Austrocknen und dem Fluss nach dem DNB ist in der Abbildung dargestellt.
    • Bei PWRs tritt die Verdampfung auch bei Dampferzeugern auf. Dampferzeuger sind Wärmetauscher , mit denen Speisewasser aus Wärme, die in einem Kern eines Kernreaktors erzeugt wird, in Dampf umgewandelt wird . Der erzeugte Dampf treibt die Turbine an.

konvektive Verdunstung - horizontaler Kanal

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Was ist Dampf – Definition

Was ist Dampf – Eigenschaften von Dampf. Dampf ist ein unsichtbares Gas, das aus verdampftem Wasser besteht. Die Eigenschaften von Dampf sind in sogenannten “Dampftabellen” aufgeführt. Wärmetechnik

Was ist Dampf?

Dampf ist ein unsichtbares Gas, das aus verdampftem Wasser besteht, das beim sieden von Wasser entsteht. Wenn Dampf sichtbar ist, enthält er den sichtbaren Nebel von Wassertropfen. Solcher Dampf wird als ” Nassdampf ” bezeichnet, ” Trockendampf ” ist jedoch immer unsichtbar. Bei niedrigeren Drücken, wie beispielsweise in der oberen Atmosphäre oder im Kondensator von Wärmekraftwerken, kann Dampf bei Normaltemperatur und -druck eine niedrigere Temperatur als die nominellen 100 ° C aufweisen.

Phasendiagramm von Wasser
Phasendiagramm von Wasser.
Quelle: wikipedia.org CC BY-SA

Da Wasser und Dampf ein gängiges Medium für den Wärmeaustausch und die Energieumwandlung sind, wird Dampf in großem Umfang von Energiesystemen erzeugt, wie beispielsweise in Wärmekraftwerken. Wie in allen herkömmlichen Wärmekraftwerken üblich, wird die Wärme zur Erzeugung von Dampf verwendet, der eine Dampfturbine antreibt, die an einen Generator angeschlossen ist, der Elektrizität erzeugt. Beachten Sie, dass mit modernen Dampfturbinen mehr als 80% des weltweiten Stroms erzeugt werden.

Dampf wird im Allgemeinen nach der Dampf / (Flüssigkeit + Dampf) -Fraktion eingeteilt. Dieser Anteil ist ein sehr wichtiger Parameter des Dampfes und wird als Dampfqualität bezeichnet.

Siehe auch: Eigenschaften von Wasser

 

Dampfqualität – Trockenheitsanteil

Nass-Dampf-Dampf-Flüssigkeits-Gemisch-minWie aus dem Phasendiagramm von Wasser ersichtlich ist , wird in den Zweiphasenbereichen (z. B. an der Grenze der Dampf- / Flüssigphasen) durch alleinige Angabe der Temperatur der Druck und durch Angabe des Drucks die Temperatur eingestellt. Diese Parameter definieren jedoch nicht das Volumen und die Enthalpie, da wir den relativen Anteil der beiden vorhandenen Phasen kennen müssen .

Der Massenanteil des Dampfes in einem zweiphasigen Flüssig-Dampf-Bereich wird als Dampfqualität (oder Trockenheitsanteil) x bezeichnet und ist nach folgender Formel gegeben:

Dampfqualität

Der Wert der Qualität reicht von Null bis Eins . Obwohl als Verhältnis definiert, wird die Qualität häufig als Prozentsatz angegeben. Unter diesem Gesichtspunkt unterscheiden wir drei grundlegende Arten von Dampf. Es muss hinzugefügt werden, bei x = 0 handelt es sich um einen gesättigten flüssigen Zustand (einphasig).

Diese Klassifizierung von Dampf hat ihre Grenzen. Berücksichtigen Sie das Verhalten des Systems, das auf den Druck erwärmt wird, der höher als der kritische Druck ist . In diesem Fall würde sich die Phase von Flüssigkeit zu Dampf nicht ändern . In allen Staaten würde es nur eine Phase geben. Verdampfung und Kondensation können nur auftreten, wenn der Druck unter dem kritischen Druck liegt. Die Begriffe Flüssigkeit und Dampf verlieren tendenziell ihre Bedeutung. Bei einem Druck, der  höher als der kritische Druck ist, befindet sich   Wasser in einem speziellen Zustand, der als überkritischer Flüssigkeitszustand bekannt ist .

Siehe auch: Sättigung

Siehe auch: Überkritische Flüssigkeit

Siehe auch: Drosselung von Dampf

Eigenschaften von Dampf – Dampftabellen

Wasser und Dampf sind eine übliche Flüssigkeit, die für den Wärmeaustausch im Primärkreis (von der Oberfläche der Brennstäbe zum Kühlmittelstrom) und im Sekundärkreis verwendet wird. Es wird aufgrund seiner Verfügbarkeit und hohen Wärmekapazität sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen verwendet. Aufgrund seiner sehr großen latenten Verdampfungswärme ist es besonders effektiv, Wärme durch Verdampfung und Kondensation von Wasser zu transportieren .

Ein Nachteil ist, dass wassermoderierte Reaktoren einen Hochdruck-Primärkreislauf verwenden müssen, um Wasser in flüssigem Zustand zu halten und um einen ausreichenden thermodynamischen Wirkungsgrad zu erreichen. Wasser und Dampf reagieren auch mit Metallen, die üblicherweise in Industrien wie Stahl und Kupfer vorkommen und durch unbehandeltes Wasser und Dampf schneller oxidiert werden. In fast allen Wärmekraftwerken (Kohle, Gas, Kernkraftwerke) wird Wasser als Arbeitsmedium (in einem geschlossenen Kreislauf zwischen Kessel, Dampfturbine und Kondensator) und als Kühlmittel (zum Austausch der Abwärme an einen Wasserkörper) verwendet oder durch Verdunstung in einem Kühlturm wegtragen).

Eigenschaften von Wasserdampftabellen
Dampftabellen – gemeinsame Parameter in Energiesystemen

Wasser und Dampf sind ein gängiges Medium, da ihre Eigenschaften sehr bekannt sind. Ihre Eigenschaften sind in sogenannten „ Dampftabellen “ aufgeführt. In diesen Tabellen sind die Grund- und Schlüsseleigenschaften wie Druck, Temperatur, Enthalpie, Dichte und spezifische Wärme entlang der Dampf-Flüssigkeits-Sättigungskurve als Funktion von Temperatur und Druck tabellarisch aufgeführt. Die Eigenschaften werden auch einphasige Zustände (tabellarisch für Druckwasseroder Heißdampf bis 2000 erstreckt) auf einem Raster von Temperaturen und Drücken ºC und 1000 MPa.

Weitere umfassende maßgebliche Daten finden Sie auf der NIST-Webseite zu den thermophysikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten.

Siehe auch: Dampftabellen

Besondere Referenz: Allan H. Harvey. Thermodynamische Eigenschaften von Wasser, NISTIR 5078. Abgerufen von https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm

 

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.