Was ist gesättigtes sieden – Bulksieden – Definition

Gesättigtes sieden – Massensieden

Beim gesättigten Sieden (auch als Massensieden bezeichnet ) übersteigt die Temperatur der Flüssigkeit geringfügig die Sättigungstemperatur. Massensieden kann auftreten, wenn die Systemtemperatur ansteigt oder der Systemdruck auf den Siedepunkt abfällt. Zu diesem Zeitpunkt kollabieren die in den Kühlmittelkanal eintretenden Blasen nicht. Die Blasen neigen dazu, sich zu verbinden und größere Dampfblasen zu bilden. Dampfblasen werden dann durch Auftriebskräfte durch die Flüssigkeit geschleudert und entweichen schließlich aus einer freien Oberfläche.

Massensieden in SWRs

In SWRs tritt das sieden von Kühlmittel im Normalbetrieb auf und es ist ein sehr erwünschtes Phänomen. Typische Fließqualitäten in BWR-Kernen liegen in der Größenordnung von 10 bis 20%. 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 im Bereich hoher Qualität. 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 .

Massensieden in PWRs

Bei PWRs im Normalbetrieb befindet sich im Reaktorkern, in den Kreisläufen und in den Dampferzeugern komprimiertes flüssiges Wasser . Der Druck wird bei ungefähr 16 MPa gehalten . Bei diesem Druck siedet Wasser bei ungefähr 350 ° C (662 ° F), was einen Unterkühlungsspielraum (die Differenz zwischen der Druckbeaufschlagungstemperatur und der Kühlmittelaustrittstemperatur im Reaktorkern) von 30 ° C ergibt. Bemerkenswerterweise betrifft diese Unterkühlungsspanne die Massentemperatur, da das sieden in großen Mengen in jedem Fall verboten ist.

Die Unterkühlungsspanne ist ein sehr wichtiger Sicherheitsparameter von PWRs, da das Massensieden im Reaktorkern ausgeschlossen werden muss. Die Grundkonstruktion des  Druckwasserreaktors  beinhaltet eine solche Anforderung, dass das Kühlmittel (Wasser) im Reaktorkühlsystem nicht sieden darf. Um dies zu erreichen, wird das Kühlmittel im Reaktorkühlmittelsystem auf einem Druck gehalten, der so hoch ist, dass bei den Kühlmitteltemperaturen, die während des Betriebs der Anlage oder in einem analysierten Übergang auftreten, kein sieden auftritt.

Wie im Beispiel berechnet wurde , stellt die Oberflächentemperatur T _{Zr, 1} = 325 ° C sicher, dass auch unterkühltes sieden nicht auftritt. Es ist zu beachten, dass unterkühltes sieden T _Zr erfordert _{, 1} = T _sat . Da die Einlasstemperaturen des Wassers normalerweise etwa 290 ° C (554 ° F) betragen , ist es offensichtlich, dass dieses Beispiel dem unteren Teil des Kerns entspricht. In höheren Lagen des Kerns kann die Massentemperatur bis zu 330 ° C erreichen. Der Temperaturunterschied von 29 ° C führt dazu, dass unterkühltes Oberflächensieden auftreten kann (330 ° C + 29 ° C> 350 ° C). Auf der anderen Seite siedende Keimean der Oberfläche stört effektiv die stagnierende Schicht und daher erhöht das sieden von Keimen die Fähigkeit einer Oberfläche, Wärmeenergie auf Schüttgut zu übertragen, erheblich . Infolgedessen steigt der konvektive Wärmeübergangskoeffizient signifikant an und daher nimmt in höheren Lagen die Temperaturdifferenz (T _{Zr, 1} – T _Volumen ) signifikant ab.

Kernsieden – Fließsieden

Beim 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 erzwungene konvektionssieden üblicherweise als Zweiphasenströmung bezeichnet .

Korrelationen des Siedens von Keimen – Fließsieden

McAdams-Korrelation

Bei voll entwickeltem Keimen 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 :

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 sieden der Keime gegenüber der erzwungenen Konvektion überwiegt. Diese Korrelation ist nützlich für eine grobe Schätzung der erwarteten Temperaturdifferenz angesichts des Wärmeflusses:

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 Siedens von Keimen 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 sieden der Keime zur erzwungenen Konvektionsverdampfung zu bestimmen. Eine einzige Korrelation, die sowohl für das sieden von Keimen 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 Siedens der Keime istKomponente. 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), um die Flüssigphase zu berechnen konvektiver Wärmeübergangskoeffizient, h _l .

Der Keimunterdrückungsunterdrückungsfaktor 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 .