Was ist die Zweiphasenströmung – Definition

Zweiphasenströmung

Per 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:

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

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.

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 statische Druckabfall ∆p _statisch ( Höhenkopf )
• der Impulsdruckabfall ∆p _Mutter ( Flüssigkeitsbeschleunigung )
• der Reibungsdruckabfall ∆p _Reibung

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 :

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:

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 ²  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:

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.

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.