Was ist natürliche Zirkulation – Definition

Natürliche Zirkulation

Die natürliche Zirkulation ist die Zirkulation von Flüssigkeiten in Rohrleitungssystemen oder offenen Becken , die auf Dichteänderungen aufgrund von Temperaturunterschieden zurückzuführen ist. Für die natürliche Zirkulation sind keine mechanischen Geräte erforderlich, um den Durchfluss aufrechtzuerhalten.

Dieses Phänomen ähnelt der natürlichen Konvektion, aber in diesem Fall ist der Wärmedurchgangskoeffizient kein Untersuchungsobjekt. In diesem Fall ist der Volumenstrom durch die Schleife Gegenstand der Untersuchung. Dieses Phänomen ist eher ein hydraulisches Problem als ein Wärmeübertragungsproblem, obwohl infolgedessen die natürliche Zirkulation Wärme von der Quelle abführt und zur Wärmesenke transportiert und für die Reaktorsicherheit von höchster Bedeutung ist.

Erforderliche Bedingungen für die natürliche Zirkulation

Ähnlich wie für natürliche Konvektion , natürliche Zirkulation im Wesentlichen arbeitet nicht in der Umlaufbahn der Erde. Die natürliche Zirkulation erfolgt in einer Schleife nur unter bestimmten Bedingungen. Selbst nachdem die natürliche Zirkulation begonnen hat, führt die Beseitigung einer dieser Bedingungen dazu, dass die natürliche Zirkulation stoppt . Die Bedingungen für den natürlichen Kreislauf sind wie folgt:

• Vorhandensein einer angemessenen Beschleunigung. Natürliche Zirkulation kann nur in einem Gravitationsfeld oder in Gegenwart einer anderen geeigneten Beschleunigung auftreten, wie z. B. Beschleunigung, Zentrifugalkraft.
• Vorhandensein von Wärmequelle und Kühlkörper . Wärmequelle und Kühlkörper sind aufgrund der natürlichen Zirkulation erforderlichwird durch Dichteunterschiede in der Flüssigkeit erzeugt, die aufgrund von Temperaturunterschieden auftreten. In eine Wärmequelle eintretende Flüssigkeit erhält Wärme und wird durch Wärmeausdehnung weniger dicht und steigt auf. Die Wärmeausdehnung der Flüssigkeit spielt eine entscheidende Rolle. Der Prozess in einem Wärmesingen ist entgegengesetzt, der Wärmesingen erhält Wärme und die Flüssigkeit wird dichter. Der Dichteunterschied ist die treibende Kraft für den natürlichen Zirkulationsfluss. Der Temperaturunterschied muss beibehalten werden, damit die natürliche Zirkulation fortgesetzt werden kann. Die Wärmezufuhr durch eine Wärmequelle muss im Hochtemperaturbereich erfolgen. Im Niedertemperaturbereich muss eine kontinuierliche Wärmeabfuhr durch einen Kühlkörper erfolgen. Andernfalls würden sich die Temperaturen schließlich ausgleichen und es würde keine weitere Zirkulation auftreten.
• Richtige Geometrie. Das Vorhandensein und die Größe der natürlichen Zirkulation hängen auch von der Geometrie des Problems ab. Das Vorhandensein eines Fluiddichtegradienten in einem Gravitationsfeld gewährleistet nicht die Existenz natürlicher Konvektionsströme. Die natürliche Zirkulation in einem mit Flüssigkeit gefüllten geschlossenen Kreislauf wird hergestellt, indem ein Kühlkörper in dem Kreislauf auf einer Höhe angeordnet wird, die höher als die Wärmequelle ist. Die zirkulierende Flüssigkeit entzieht der Quelle Wärme und transportiert sie zur Spüle. Die Strömung kann einphasig oder zweiphasig sein, wobei Dampf entlang der Flüssigkeit strömt. Der Temperaturunterschied muss beibehalten werden, damit die natürliche Zirkulation fortgesetzt werden kann. Die Wärmezufuhr durch eine Wärmequelle muss im Hochtemperaturbereich erfolgen. Im Niedertemperaturbereich muss eine kontinuierliche Wärmeabfuhr durch einen Kühlkörper erfolgen. Andernfalls würden sich die Temperaturen schließlich ausgleichen, und es würde keine weitere Zirkulation auftreten. Es ist möglich, dass eine natürliche Zirkulation in einer Zweiphasenströmung stattfindet, aber es ist normalerweise schwieriger, die Strömung aufrechtzuerhalten.
• Flüssigkeiten in Kontakt . Die beiden Bereiche müssen in Kontakt sein, damit ein Fluss zwischen den Bereichen möglich ist. Wenn der Strömungsweg blockiert oder blockiert ist, kann keine natürliche Zirkulation auftreten.

Natürliche Zirkulation – Durchflussrate

Die natürliche Zirkulationsströmungsrate in der Schleife wird im stationären Zustand aus dem Gleichgewicht zwischen den Antriebs- und den Widerstandskräften bestimmt . Die Antriebskraft ergibt sich aus dem Dichteunterschied zwischen dem heißen und dem kalten Bein der Schleife. Der zur Kompensation der Kopfverluste erforderliche Kopf wird durch Dichtegradienten und Höhenänderungen erzeugt.

Thermischer Antriebskopf

Der thermische Antriebskopf ist die Kraft, die eine natürliche Zirkulation bewirkt . Es wird durch den Dichteunterschied zwischen zwei Körpern oder Flüssigkeitsbereichen verursacht. Betrachten Sie zwei gleiche Volumina derselben Flüssigkeitsart. Wenn die beiden Volumina nicht die gleiche Temperatur haben , hat das Volumen mit der höheren Temperatur auch eine geringere Dichte und daher weniger Masse. Es ist bekannt, dass die Dichte von Gasen und Flüssigkeiten von der Temperatur abhängt und im Allgemeinen (aufgrund der Fluidexpansion) mit zunehmender Temperatur abnimmt. Da das Volumen bei der höheren Temperatur eine geringere Masse hatEs wird auch weniger Kraft durch die Schwerkraft auf ihn ausgeübt. Dieser Unterschied in der auf die Flüssigkeit ausgeübten Schwerkraft führt dazu, dass die heißere Flüssigkeit aufsteigt und die kältere Flüssigkeit sinkt. Der thermische Antriebskopf kann einfach anhand der Differenz der hydrostatischen Drücke berechnet werden:

Wie zu sehen ist, ist der thermische Antriebskopf und die resultierende Durchflussrate umso größer, je größer der Temperaturunterschied zwischen den heißen und kalten Bereichen des Fluids ist.

Hydraulische Widerstandskraft

Wie geschrieben wurde, wird die natürliche Zirkulationsströmungsrate V in der Schleife unter stationären Bedingungen aus dem Gleichgewicht zwischen dem Antriebskopf und den Widerstandskräften bestimmt. Wie Rohrreibung, die Gesamtdruckverluste sind proportional zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit , und daher können sie leicht in die integriert Gleichung Darcy-Weisbach . Ingenieure nutzen häufig die Druckverlustbeiwert , PLC . Es wird K oder ξ (ausgesprochen “xi”) notiert . Dieser Koeffizient kennzeichnet den Druckverlusteines bestimmten Hydrauliksystems oder eines Teils eines Hydrauliksystems. Es kann leicht in Hydraulikschleifen gemessen werden. Der Druckverlustkoeffizient kann sowohl für gerade Rohre als auch insbesondere für lokale (geringfügige) Verluste definiert oder gemessen werden . Da der Darcy-Reibungsfaktor eine Funktion der Geschwindigkeit ist (in Reynolds-Zahl), ist die Berechnung des Druckverlustkoeffizienten ein iterativer Prozess.

Natürliche Zirkulation in der Reaktortechnik

In der Reaktortechnik ist die natürliche Zirkulation ein sehr erwünschtes Phänomen, da sie in der Lage ist, nach dem Verlust von RCPs (z. B. nach dem Verlust der Offsite-Leistung – LOOP) eine Reaktorkernkühlung bereitzustellen . In DWR stellt Anlagen einen Höhenunterschied , h , von etwa 12 Metern zwischen der Mittellinie des Dampfgenerators und der Mittellinie des Reaktorkerns . Das Layout des Systems muss die natürliche Zirkulationsfähigkeit nach einem Flussverlust sicherstellen, um eine Abklingzeit zu ermöglichen, ohne den Kern zu überhitzen. Darüber hinaus ist die Verbindungsleitung vom ReaktordruckbehälterDie Dampferzeuger müssen intakt und frei von Hindernissen wie nicht kondensierbaren Gasen (z. B. Dampftaschen) sein. Auf diese Weise stellt die natürliche Zirkulation sicher, dass die Flüssigkeit weiter fließt, solange der Reaktor heißer als der Kühlkörper ist, auch wenn die Pumpen nicht mit Strom versorgt werden können.

RCPs sind normalerweise keine definierten „Sicherheitssysteme“. Nach dem Verlust von RCPs (z. B. nach dem Verlust der Offsite-Leistung – LOOP) muss der Reaktor sofort abgeschaltet werden, da RCPs langsam auf die Durchflussrate Null abrollen. Eine ausreichende und sichere Restwärmeabfuhr wird dann durch einen natürlichen Zirkulationsstrom durch den Reaktor sichergestellt . Ohne erzwungenen Durchfluss beginnt sich das Kühlmittel im Kern zu erwärmen. Die Erhöhung der Kühlmitteltemperatur führt zu einer Verringerung der Kühlmitteldichte, wodurch das Kühlmittel in den Dampferzeuger geleitet wird. Es ist zu beachten, dass die natürliche Zirkulation nicht ausreicht, um die Wärme zu entfernen, die erzeugt wird, wenn der Reaktor mit Strom versorgt wird.

Moderne Reaktorkonstruktionen nutzen die natürliche Zirkulation als sehr wichtiges Sicherheitsmerkmal . Viele passive Sicherheitssysteme in modernen Reaktorkonstruktionen arbeiten ohne Verwendung von Pumpen, was die Konstruktionssicherheit, Integrität und Zuverlässigkeit erhöht und gleichzeitig die Gesamtkosten des Reaktors senkt.

Indikatoren der natürlichen Zirkulation

In PWRs können verschiedene Parameter verwendet werden, um anzuzeigen oder zu überprüfen, ob eine natürliche Zirkulation auftritt. Dies ist abhängig von Anlagentyp und Anlagensystemen. Beispielsweise können für einen PWR folgende Parameter ausgewählt werden, die verwendet werden können:

• Idealerweise kann die Durchflussrate in jeder der Schleifen gemessen werden.
• ΔT ( T _heiß – T _kalt ). Der Temperaturunterschied zwischen heißen und kalten Beinen sollte 25-80% des vollen Leistungswerts betragen und entweder stetig oder langsam abnehmen. Dies zeigt an, dass die Zerfallswärme mit einer angemessenen Geschwindigkeit aus dem System abgeführt wird, um die Kerntemperaturen aufrechtzuerhalten oder zu senken.
• Die Temperaturen an heißen und kalten Beinen sollten konstant sein oder langsam sinken. Dies zeigt wiederum an, dass Wärme abgeführt wird und die abnehmende Wärmebelastung erwartungsgemäß abnimmt.
• Der Dampfdruck des Dampferzeugers (sekundärseitiger Druck) sollte der Temperatur des Reaktorkühlmittelsystems entsprechen. Dies stellt sicher, dass der Dampferzeuger dem RCS-Kühlmittel Wärme entzieht.

Besondere Referenz: Natürliche Zirkulation in wassergekühlten Kernkraftwerken, IAEA-TECDOC-1474. IAEO, 2005. ISBN 92–0–110605 – X.