Was ist Durchflussmuster – Zweiphasen-Durchfluss – Definition

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

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 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:

• BWR – 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.