Was ist Blasensieden – Definition

Das Blasensieden tritt bei signifikanten Strömungsraten durch den Reaktor auf. Beim Blasensieden bilden sich Dampfblasen an der Wärmeübertragungsfläche und brechen dann ab und werden in den Hauptstrom befördert

Blasensieden

Blasensieden - SiedemodiDie häufigste Art des lokalen Siedens in kerntechnischen Anlagen ist das Blasensieden . Im Falle von Kernreaktoren tritt jedoch ein Blasensieden bei signifikanten Durchflußraten durch den Reaktor auf. Beim Blasensieden bilden sich Dampfblasen an der Wärmeübertragungsfläche und brechen dann ab und werden in den Hauptstrom der Flüssigkeit befördert. Eine solche Bewegung verbessert die Wärmeübertragung, da die an der Oberfläche erzeugte Wärme direkt in den Fluidstrom geleitet wird. Sobald sie sich im Hauptfluidstrom befinden, kollabieren die Blasen, da die Massentemperatur des Fluids nicht so hoch ist wie die Temperatur der Wärmeübertragungsoberfläche, bei der die Blasen erzeugt wurden. Wie geschrieben wurde, kocht der KernAn der Oberfläche wird diese stagnierende Schicht effektiv gestört, und daher verbessert  das Blasensieden die Fähigkeit einer Oberfläche, Wärmeenergie auf das Schüttgut zu übertragen . Dieser Wärmeübertragungsprozess ist manchmal wünschenswert, weil die an der Wärmeübertragungsfläche erzeugte Energie schnell und effizient “abgeführt” wird.

In der Nähe der Wand ist die Situation komplex, da mehrere Mechanismen den Wärmefluss über den für die reine Leitung durch die Flüssigkeit hinaus erhöhen .

  1. Es ist zu beachten, dass selbst bei turbulenter Strömung eine stagnierende Flüssigkeitsfilmschicht (laminare Unterschicht) vorhanden ist, die die Oberfläche des Wärmetauschers isoliert. Der aufsteigende Fluss (aufgrund von Auftriebskräften) von Dampf von der Wand weg muss durch einen gleichen Massenfluss von Flüssigkeit ausgeglichen werden, und dies bringt kühlere Flüssigkeit näher an die Wand.
  2. Die Bildung und Bewegung der Blasen verwirbelt die Flüssigkeit in der Nähe der Wand und erhöht somit den Wärmeübergang von der Wand zur Flüssigkeit.
  3. Das Sieden unterscheidet sich von anderen Konvektionsformen dadurch, dass es von der latenten Verdampfungswärme abhängt, die für übliche Drücke sehr hoch ist, weshalb beim Sieden im Wesentlichen bei konstanter Temperatur große Wärmemengen übertragen werden können.

Siedekurve - SiedemodiDer Wärmefluss durch Blasensieden kann nicht auf unbestimmte Zeit erhöht werden. Bei einem gewissen Wert, den wir als „ kritischen Wärmefluss “ ( CHF ) bezeichnen, kann der erzeugte Dampf eine isolierende Schicht über der Oberfläche bilden, was wiederum den Wärmeübergangskoeffizienten verschlechtert. Dies liegt daran, dass ein großer Teil der Oberfläche von einem Dampffilm bedeckt ist, der aufgrund der im Vergleich zur Flüssigkeit geringen Wärmeleitfähigkeit des Dampfes als Wärmeisolierung wirkt. Unmittelbar nach Erreichen des kritischen Wärmestroms wird das Sieden instabil und es kommt zum Übergangssieden. Der Übergang vom Blasensieden zum Filmsieden wird als ” Siedekrise ” bezeichnet. Seit jenseits des CHFWenn der Wärmeübergangskoeffizient abnimmt, ist der Übergang zum Filmsieden normalerweise unvermeidlich.

Korrelationen des Blasensiedens für Freisieden

Die oben diskutierten Kochregime unterscheiden sich erheblich in ihrem Charakter. Es gibt auch verschiedene Korrelationen, die den Wärmeübergang beschreiben. In diesem Abschnitt werden einige der am häufigsten verwendeten Korrelationen für das Blasensieden beschrieben.

Blasensieden

Rohsenow-Korrelation

Die am weitesten verbreitete Korrelation für die Wärmeübertragungsrate beim Blasensieden wurde 1952 von Rohsenow vorgeschlagen :

Rohsenow-Korrelation

Rohsenow-Korrelation - Keimsieden

wo

  • q – Siedewärmefluss [W / m 2 ]
  • 1 – spezifische Wärme der Flüssigkeit J / kg K.
  • ΔT – Übertemperatur ° C oder K.
  • fg  – Verdampfungsenthalpie, J / kg
  • Pr – Prandtl Anzahl der Flüssigkeit
  • n – experimentelle Konstante gleich 1 für Wasser und 1,7 für andere Flüssigkeiten
  • sf – Oberflächenfluidfaktor, zum Beispiel Wasser und Nickel, haben einen C sf von 0,006
  • μ 1 – dynamische Viskosität der Flüssigkeit kg / ms
  • g – Gravitationsbeschleunigung m / s 2
  • 0 – Kraftumrechnungsfaktor kgm / Ns 2
  • ρ 1 – Dichte der Flüssigkeit kg / m 3
  • ρ v – Dampfdichte kg / m 3
  • σ – Grenzfläche zwischen Oberflächenspannung, Flüssigkeit und Dampf N / m

Wie zu sehen ist, ist ΔT ∝ (q)  . Diese sehr wichtige Proportionalität zeigt eine zunehmende Fähigkeit der Grenzfläche, Wärme zu übertragen.

Blasensieden – Fließsieden

Fließkochen - KochmodiBeim Fließsieden (oder beim erzwungenen Konvektionssieden ) wird der Flüssigkeitsstrom durch externe Mittel wie eine Pumpe sowie durch Auftriebseffekte über eine Oberfläche gedrückt. Daher wird das Fließsieden immer von anderen Konvektionseffekten begleitet. Die Bedingungen hängen stark von der Geometrie ab, die eine externe Strömung über beheizte Platten und Zylinder oder eine interne Strömung (Kanalströmung) beinhalten kann. In Kernreaktoren sind die meisten Siedesysteme nur erzwungenes Konvektionssieden. Das Fließsieden wird auch als externes und internes Fließsieden klassifiziert, abhängig davon, ob das Fluid gezwungen wird, über eine beheizte Oberfläche oder innerhalb eines beheizten Kanals zu fließen.

Das Sieden mit interner Strömung ist von Natur aus viel komplizierter als das Sieden mit äußerer Strömung, da es keine freie Oberfläche gibt, auf der der Dampf entweichen kann, und somit sowohl die Flüssigkeit als auch der Dampf gezwungen werden, zusammen zu fließen. Die Zweiphasenströmung in einem Rohr zeigt je nach den relativen Mengen der Flüssigkeits- und der Dampfphase unterschiedliche Strömungssiedezustände. Daher wird internes Zwangskonvektionssieden üblicherweise als Zweiphasenströmung bezeichnet .

Korrelationen des Blasensiedens – Fließsieden

McAdams-Korrelation

Bei voll entwickeltem Blasen mit gesättigtem Kühlmittel wird die Wandtemperatur durch lokalen Wärmefluss und Druck bestimmt und ist nur geringfügig von der Reynolds-Zahl abhängig . Für unterkühltes Wasser bei absoluten Drücken zwischen 0,1 und 0,6 MPa ergibt die McAdams-Korrelation :

Kernsieden - McAdams-Korrelation

Thom-Korrelation

Die Thom-Korrelation gilt für das Fließsieden (unterkühlt oder gesättigt bei Drücken bis zu etwa 20 MPa) unter Bedingungen, bei denen der Beitrag zum Blasensieden gegenüber der erzwungenen Konvektion überwiegt. Diese Korrelation ist nützlich für eine grobe Schätzung der erwarteten Temperaturdifferenz angesichts des Wärmeflusses:

Keimkochen - Thom-Korrelation

Chens Korrelation

1963 schlug Chen die erste Strömungssiedekorrelation für die Verdampfung in vertikalen Rohren vor, um eine weit verbreitete Verwendung zu erreichen. Chens Korrelation umfasst sowohl die Wärmeübergangskoeffizienten aufgrund des Blasensieden als auch erzwungene Konvektionsmechanismen. Es ist zu beachten, dass bei höheren Dampfanteilen der Wärmeübergangskoeffizient stark mit der Durchflussrate variiert. Die Strömungsgeschwindigkeit in einem Kern kann sehr hoch sein und sehr hohe Turbulenzen verursachen. Dieser Wärmeübertragungsmechanismus wurde als “erzwungene Konvektionsverdampfung” bezeichnet. Es wurden keine geeigneten Kriterien festgelegt, um den Übergang vom Blasensieden zur erzwungenen Konvektionsverdampfung zu bestimmen. Eine einzige Korrelation, die sowohl für das Blasensieden als auch für die erzwungene Konvektionsverdampfung gilt, wurde von Chen für gesättigte Siedebedingungen entwickelt und um das unterkühlte Sieden durch andere erweitert. Chen schlug eine Korrelation vor, bei der der Wärmeübergangskoeffizient die Summe einer erzwungenen Konvektionskomponente und eines Blasensiedens ist Komponente. Es muss angemerkt werden, dass die Korrelation des Siedepunktsiedens von Forster und Zuber (1955) verwendet wird, um den Wärmeübergangskoeffizienten des Siedens von Nukleaten zu berechnen , h FZ, und die Korrelation der turbulenten Strömung von Dittus-Boelter (1930) wird verwendet, um die Flüssigphase zu berechnen konvektiver Wärmeübergangskoeffizient, h l .

Chens-Korrelation - Forster-Zuber

Der faktor S ist das Verhältnis der effektiven Überhitzung zur Wandüberhitzung. Dies führt zu einer verringerten Wärmeübertragung beim Sieden, da die effektive Überhitzung über die Grenzschicht geringer ist als die Überhitzung basierend auf der Wandtemperatur. Der Zweiphasenmultiplikator F ist eine Funktion des Martinelli-Parameters χ tt .

Siedekrise – kritischer Wärmestrom

Dryout vs. DNBWie bereits geschrieben, sind in Kernreaktoren Einschränkungen des lokalen Wärmeflusses für die Reaktorsicherheit von höchster Bedeutung. Bei Druckwasserreaktoren und auch bei Siedewasserreaktoren gibt es thermohydraulische Phänomene, die zu einer plötzlichen Abnahme der Effizienz der Wärmeübertragung führen (genauer gesagt des Wärmeübergangskoeffizienten ). Diese Phänomene treten bei einem bestimmten Wert des Wärmeflusses auf, der als „ kritischer Wärmefluss “ bezeichnet wird. Die Phänomene, die die Verschlechterung der Wärmeübertragung verursachen, sind für PWRs und für BWRs unterschiedlich.

Bei beiden Reaktortypen ist das Problem mehr oder weniger mit der Abweichung vom Blasensieden verbunden. Der Wärmefluss beim Blasensieden kann nicht unbegrenzt erhöht werden. Bei einem bestimmten Wert, den wir als „ kritischen Wärmefluss “ (CHF) bezeichnen, kann der erzeugte Dampf eine Isolierschicht über der Oberfläche bilden, was wiederum den Wärmeübergangskoeffizienten verschlechtert. Unmittelbar nach Erreichen des kritischen Wärmeflusses wird das Sieden instabil und es tritt ein Filmsieden auf. Der Übergang vom Blasensieden zum Filmsieden wird als „ Siedekrise “ bezeichnet. Wie geschrieben wurde, sind die Phänomene, die die Verschlechterung der Wärmeübertragung verursachen, für PWRs und für BWRs unterschiedlich.

Abfahrt vom Blasensieden – DNB

DNBR - Abweichung vom KeimkochverhältnisIm Fall von PWRs wird das kritische Sicherheitsproblem als DNB ( Abweichung vom Blasensieden) bezeichnet, was zur Bildung einer lokalen Dampfschicht führt , was zu einer dramatischen Verringerung der Wärmeübertragungsfähigkeit führt. Dieses Phänomen tritt im unterkühlten Bereich oder im Bereich geringer Qualität auf. Das Verhalten der Siedekrise hängt von vielen Strömungsbedingungen (Druck, Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit) ab, aber die Siedekrise tritt bei relativ hohen Wärmeströmen auf und scheint mit der an die Oberfläche angrenzenden Blasenwolke verbunden zu sein. Diese Blasen oder Dampffilme reduzieren die Menge des einströmenden Wassers. Da dieses Phänomen den Wärmeübergangskoeffizienten verschlechtert und der Wärmefluss erhalten bleibt, sammelt sich Wärme anin dem Brennstab verursacht dramatischen Anstieg von Mantel- und Kraftstofftemperatur . Es ist einfach eine sehr hohe Temperaturdifferenz erforderlich, um den kritischen Wärmefluss, der von der Oberfläche des Brennstabs erzeugt wird, auf das Reaktorkühlmittel (durch die Dampfschicht) zu übertragen.

Im Fall von PWRs ist der kritische Fluss ein invertierter Ringfluss, während in BWRs der kritische Fluss normalerweise ein Ringfluss ist. Der Unterschied im Flussregime zwischen dem Fluss nach dem Austrocknen und dem Fluss nach dem DNB ist in der Abbildung dargestellt. 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 .

In Druckwasserreaktoren besteht eine der wichtigsten Sicherheitsanforderungen darin, dass während des stationären Betriebs, normaler Betriebstransienten und erwarteter Betriebsereignisse (AOOs) keine Abweichung vom Blasensieden (DNB) auftritt. Die Integrität der Kraftstoffverkleidung bleibt erhalten, wenn der Mindest-DNBR über dem 95/95-DNBR-Grenzwert für PWRs liegt (eine Wahrscheinlichkeit von 95% bei einem Konfidenzniveau von 95%). Das DNB-Kriterium ist eines der Akzeptanzkriterien in Sicherheitsanalysen und stellt eine der Sicherheitsgrenzen in technischen Spezifikationen dar.

Dryout – BWRs

Fließkochen - AustrocknenIn SWRs ist ein ähnliches Phänomen als „Austrocknung“ bekannt und steht in direktem Zusammenhang mit Änderungen des Strömungsmusters während der Verdampfung im Bereich hoher Qualität. Bei bestimmten Kombinationen der Strömungsgeschwindigkeit durch einen Kanal, Druck, Strömungsqualität und lineare Wärmerate, die Wand kann Flüssigkeitsfilm erschöpfen und die Wand wird ausgetrocknet . 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 a verschlechtert drastisch erhöhte Kraftstoffoberflächentemperatur . In der hochwertigen Region tritt die Krise bei einem geringeren Wärmefluss auf. Da die Strömungsgeschwindigkeit im Dampfkern hoch ist, ist die Wärmeübertragung nach CHF viel besser als bei einem kritischen Fluss geringer Qualität (dh bei PWRs sind die Temperaturerhöhungen höher und schneller).

 

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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.