Siedekrise
In diesem Kapitel werden wir das Fließsieden in einem vertikal beheizten Kanal untersuchen. Die Siedebedingungen und die Wärmestromkurve sind ähnlich (nicht gleich) wie beim Freisieden. Das Verfahren tritt auch bei modernen Hochdruck-Zwangsumlaufkesseln auf.
Die Pionierarbeit zum Freisieden wurde 1934 von S. Nukiyama geleistet , der in seinen Experimenten elektrisch beheizte Nichrom- und Platindrähte verwendete, die in Flüssigkeiten eingetaucht waren. Nukiyama war der erste, der mit seinem Apparat verschiedene Systeme zum Sieden identifizierte. Er bemerkte, dass das Sieden unterschiedliche Formen annimmt, abhängig vom Wert der Wandüberhitzungstemperatur ΔT sat (auch als Übertemperatur bekannt) , die als Differenz zwischen der Wandtemperatur T wall und der Sättigungstemperatur T sat definiert ist .
Es werden vier verschiedene Siedebedingungen des Poolsiedens (basierend auf der Übertemperatur) beobachtet:
- Natural Convection Boiling AT saß <5 ° C
- Blasensieden 5 ° C < AT saß <30 ° C
- Übergangssieden 30 ° C <& Dgr ; T gesättigt <200 ° C
- Filmsieden 200 ° C < ΔT ges
Diese Zustände sind in der Siedekurve in der Figur dargestellt, die eine Auftragung des Wärmeflusses gegen die Übertemperatur ist. Obwohl die in dieser Abbildung angegebene Siedekurve für Wasser gilt, bleibt die allgemeine Form der Siedekurve für verschiedene Kühlmittel gleich. Beachten Sie, dass die spezifische Form der Kurve auch von den Systemparametern wie Druck und Kühlmitteldurchfluss abhängt, jedoch praktisch unabhängig von der Geometrie der Heizfläche ist. Beim Flowsieden wie im Kraftstoffkanal ist die Kurve unterschiedlich, die wichtigsten Ergebnisse sind jedoch ähnlich.
In BWR tritt das Sieden des Kühlmittels bei normalem Betrieb auf und es ist ein sehr erwünschtes Phänomen. Typische Fließqualitäten in BWR-Kernen liegen in der Größenordnung von 10 bis 20%.
Obwohl die frühesten Kernkonstruktionen davon ausgegangen sind, dass Oberflächensieden in PWRs nicht zulässig ist , wurde diese Annahme bald zurückgewiesen, und die zweiphasige Wärmeübertragung ist nun auch in PWRs einer der normalen Wärmeübertragungsmechanismen.
Bei beiden Konstruktionen kann der Wärmefluss durch Blasensieden 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. Dynamische Änderungen des Siedeverhaltens, die mit dem Überschreiten des kritischen Wärmestroms verbunden sind, sind allgemein als “Siedekrise” bekannt.
In beiden Konstruktionen kann der Wärmefluss der Keime 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. Dynamische Änderungen des Siederegimes, die mit dem Überschreiten des kritischen Wärmeflusses verbunden sind, werden allgemein als „Siedekrise“ bezeichnet.
Die Siedekrise kann klassifiziert werden als:
- Austrocknung (wird nachstehend DNB beschrieben) in der Region hoher Qualität
- Abweichung vom Keimsieden (DNB) im unterkühlten oder minderwertigen Bereich (ungefährer Qualitätsbereich: von –5% bis + 5%).
Der kritische Wärmefluss wird jedoch für beide Regime verwendet.
Es ist zu beachten, dass das entgegengesetzte Phänomen zu DNB als Rückkehr zum Keimen der Keime (RNB) bekannt ist und am Punkt D auftritt, der als Leidenfrostpunkt bekannt ist .
Kritischer Wärmestrom
Wie 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 Sieden der Keime 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
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. 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 Keimsieden (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.
Eine wichtige Aufgabe des Anlagenbetreibers besteht darin, die Anlagenparameter so zu steuern, dass ein sicherer Abstand zu DNB (oder ein Abstand von DNB auf der Wärmeübertragungskurve) eingehalten wird. Jede plötzliche, große Änderung der folgenden Anlagenparameter / -richtungen verringert die Marge auf DNB:
- Abnahme des Reaktorkühlmitteldrucks
- Verringerung des Reaktorkühlmitteldurchflusses
- Erhöhung der Reaktorleistung
- Erhöhung der Reaktorkühlmitteleintrittstemperatur
Daher besteht die Funktion der Bediener und des Anlagendesigns darin, eine plötzliche, große Änderung dieser Anlagenparameter zu verhindern.
Kritischer Wärmestrom für DNB – Korrelationen
Wie geschrieben, die Siedekrise können wie folgt eingestuft werden Austrocknen im hochwertigen Bereich und (wird weiter unten beschrieben DNB) Abfahrt von Blasensieden (DNB) in der unterkühlten oder minderwertigen Region (ungefährer Qualitätsbereich: -5% bis + 5%). Der kritische Wärmefluss wird jedoch für beide Regime verwendet.
DNB – W-3 Korrelation
Eine der bekanntesten Konstruktionskorrelationen zur Vorhersage der Abweichung vom Sieden von Keimen ist die W-3-Korrelation , die Tong in der Westinghouse Atomic Power Division entwickelt hat . Sie ist anwendbar für die unterkühlten und niedriger bis mäßiger Qualität flows.The W-3 Korrelation ist eine Funktion der Kühlmittel Enthalpie (gesättigt und Einlass), Druck , Qualität und der Kühlmittelmassenstrom:
Die Korrelation W-3 gilt für den kritischen Wärmefluss in gleichmäßig beheizten Kanälen. Um ungleichmäßige Wärmeströme zu berücksichtigen, führte Tong den Korrekturfaktor F ein.
Besondere Referenz: Tong, LS, Weisman, Joel. Thermische Analyse von Druckwasserreaktoren. Amer Nuclear Society, 3. Auflage, 5/1996. ISBN-13: 978-0894480386.
Cold Wall Factor – CWF
Tong, LS und Weisman, Joel führen auch einen neuen Faktor ein, der als „ Kaltwandfaktor “ bekannt ist und CHF in einem Kanal korrigiert, der eine nicht beheizte Wand enthält (z. B. Kanal neben dem Führungsrohr der Steuerstange). In diesen Kanälen baut sich entlang der kalten Wand ein Flüssigkeitsfilm auf, und dieses Fluid kühlt die erhitzte Oberfläche nicht wirksam, und das die erhitzte Oberfläche kühlende Fluid weist eine höhere Enthalpie auf als ohne Annahme einer kalten Wand berechnet. Es ist zu beachten, dass angenommen wird, dass die kalte Wand die Wärmeübertragung im Vergleich zum Kanal verschlechtert, wenn alle Seiten mit der gleichen Volumenaustrittsenthalpie erwärmt werden .
CHF Nachschlagetabellen
CHF-Nachschlagetabellen werden häufig zur Vorhersage des kritischen Wärmeflusses (CHF) verwendet. Die CHF-Nachschlagetabelle ist im Grunde eine normalisierte Datenbank für ein vertikales wassergekühltes 8-mm-Rohr. Die CHF-Nachschlagetabelle von 2006 basiert auf einer Datenbank mit mehr als 30.000 Datenpunkten und deckt die Bereiche von 0,1–21 MPa Druck, 0–8000 kg.m –2 .s -1 ab ( Nullfluss bezieht sich auf Freisieden Bedingungen) Massenfluss und –0,5 bis 1 Dampfqualität (negative Eigenschaften beziehen sich auf unterkühlte Bedingungen).
Spezielle Referenz: GROENEVELD, DC et al., Nachschlagetabelle 2006, Nuclear Engineering and Design 237 (2007), 1909–1922.
Abweichung vom Nucleate Boiling Ratio – DNBR
Wie bereits geschrieben, wird im Fall von PWRs das kritische Sicherheitsproblem als DNB ( Abweichung vom Blasensieden) bezeichnet, was zur Bildung einer lokalen Dampfschicht führt und die Wärmeübertragungsfähigkeit dramatisch verringert. Beachten Sie, dass auch bei BWRs, die ein Axialleistungsprofil mit deutlich niedrigerer Spitze aufweisen, das DNB-Risiko berücksichtigt werden muss.
DNB tritt auf, wenn der lokale Wärmefluss den Wert des kritischen Wärmeflusses erreicht. Dieses Phänomen tritt im Bereich unterkühlter oder minderwertiger Qualität auf (ungefährer Qualitätsbereich: von –5% bis + 5%). Das Verhalten dieser Art von Krise siedenden hängt von vielen Strömungsbedingungen (Druck, Temperatur, Durchfluss), da der kritische Wärmefluß allgemeines eine Funktion der Kühlmittel – Enthalpie (gesättigt und Einlass), Druck , Qualität und dem Kühlmittelmassenstrom:
Diese Art der Siedekrise tritt bei relativ hohen Wärmeströmen auf und scheint mit der Blasenwolke neben der Oberfläche verbunden zu sein. Diese Blasen oder Dampffilme reduzieren die Menge des einströmenden Wassers. Da dieses Phänomen der Wärmeübergangskoeffizient und der Wärmefluss bleibt verschlechtert, dann Wärme akkumuliert in dem Brennstab verursacht dramatischen Anstieg der 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.
In Druckwasserreaktoren besteht eine der wichtigsten Sicherheitsanforderungen darin, dass während des stationären Betriebs, normaler Betriebstransienten und erwarteter Betriebsereignisse (AOOs) keine Abweichung vom Keimsieden (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. Es ist unnötig zu erwähnen, dass die Festlegung eines minimalen DNB-Verhältnisses die Auslegung wassergekühlter Reaktoren erheblich einschränkt. Dieses Phänomen begrenzt die maximale Wärmeleistung jedes PWR.
Das DNB-Verhältnis (DNBR – Abweichung vom Nucleate Boiling Ratio) ist das Maß für den Abstand zum kritischen Wärmefluss. DNBR ist definiert als:
der kritische Wärmefluss an einem bestimmten Ort und bestimmte Kühlmittelparameter geteilt durch den lokalen Betriebswärmefluss an diesem Ort .
Der Reaktorkern muss so ausgelegt sein, dass der DNBR während des stationären Betriebs, normaler Betriebstransienten und erwarteter Betriebsereignisse (AOOs) größer als der minimal zulässige Wert (als Korrelationsgrenze bezeichnet) bleibt. Zur Vorhersage der Abweichung vom Sieden der Keime kann CHF beispielsweise unter Verwendung der W-3-Korrelation bestimmt werden, die bei der Westinghouse Atomic Power Division entwickelt wurde. Wenn diese Korrelation perfekt wäre (ohne Unsicherheiten), wäre das Kriterium einfach:
Der lokale Wärmefluss muss niedriger als der kritische Wärmefluss sein (dh DNBR muss höher als eins sein).
In Wirklichkeit ist jedoch keine Korrelation perfekt und es müssen Unsicherheiten in diese Berechnung einbezogen werden. Diese Unsicherheitsbänder oder Fehlergrenzen legen einen akzeptablen Mindestwert für das DNB-Verhältnis fest, der erheblich größer als eins sein kann, wie in der Abbildung angegeben. Die Unsicherheiten können etwa 20% erreichen, und daher muss der DNBR größer sein als beispielsweise DNBR lim = 1,2 .
Wie aus der Figur ersichtlich ist, nimmt der CHF mit zunehmender Kühlmittelenthalpie signifikant ab, daher liegt der minimale Wert von DNBR nicht notwendigerweise in der Mitte des Kerns. Das minimale DNB-Verhältnis (MDNBR) tritt an der Stelle auf, an der der kritische Wärmefluss und der Betriebswärmefluss am nächsten sind, und befindet sich normalerweise im oberen Teil des Kerns. Darüber hinaus würden wir an dem Kanaleinlass, an dem die Kühlmittelunterkühlung am höchsten ist, erwarten, dass der Wärmefluss, der erforderlich ist, um DNB an dieser Stelle zu verursachen, extrem hoch ist. Andererseits sollte am Kanalausgang, wo die Kühlmittelenthalpie am höchsten ist, der Wärmefluss, der erforderlich ist, um DNB zu verursachen, am niedrigsten sein.
Besondere Referenz: Tong, LS, Weisman, Joel. Thermische Analyse von Druckwasserreaktoren. Amer Nuclear Society, 3. Auflage, 5/1996. ISBN-13: 978-0894480386.
Wärmeübertragung nach DNB
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. Dies liegt daran, dass ein großer Teil der Oberfläche von einem Dampffilm bedeckt ist, der aufgrund der im Vergleich zu der Flüssigkeit geringen Wärmeleitfähigkeit des Dampfes als Wärmedämmung wirkt. Unmittelbar nach Erreichen des kritischen Wärmeflusses wird das Sieden instabil und es tritt ein Übergangssieden auf. Der Übergang vom Blasensieden zum Filmsieden wird als „ Siedekrise “ bezeichnet. Da jenseits des CHF-Punktes der Wärmeübergangskoeffizient abnimmt, ist der Übergang zum Filmsieden normalerweise unvermeidlich.
Eine weitere Erhöhung des Wärmeflusses ist nicht erforderlich, um das Filmsieden aufrechtzuerhalten. Ein Dampffilm bedeckt die Oberfläche vollständig. Dies verringert den Konvektionskoeffizienten erheblich, da die Dampfschicht eine wesentlich geringere Wärmeübertragungsfähigkeit aufweist. Infolgedessen schießt die Übertemperatur auf einen sehr hohen Wert. Jenseits des Leidenfrostpunkts bedeckt ein kontinuierlicher Dampffilm die Oberfläche und es besteht kein Kontakt zwischen der flüssigen Phase und der Oberfläche. In dieser Situation erfolgt die Wärmeübertragung sowohl durch Strahlung als auch durch Leitung zum Dampf. Die beheizte Oberfläche stabilisiert stabilisiert die Temperatur am Punkt E (siehe Abbildung). Wenn das Material nicht stark genug ist, um dieser Temperatur standzuhalten, versagt das Gerät durch Beschädigung des Materials.
Kritisches Leistungsverhältnis – Austrocknung
In 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).
Typische Strömungssiedemodi in einem vertikalen Kanal sind in der Figur dargestellt. Diese Abbildung zeigt die typische Reihenfolge der Strömungsregime, die vom Einlass zum Auslass eines beheizten Kanals auftreten . Am Einlass tritt die Flüssigkeit unterkühlt ein (bei einer niedrigeren Temperatur als der Sättigung). In diesem Bereich ist die Strömung einphasig. Wenn sich die Flüssigkeit erwärmt, steigt die Wandtemperatur entsprechend an. Wenn die Wandtemperatur die Sättigungstemperatur überschreitet (z. B. 285 ° C bei 6,8 MPa), beginnt das unterkühlte Blasensieden. Blasen bilden Keime in der überhitzten thermischen Grenzschicht an der erhitzten Wand, neigen jedoch dazu, in der unterkühlten Masse zu kondensieren .
Ein weiterer Anstieg der Flüssigkeitstemperatur führt dazu, dass die flüssige Masse ihre Sättigungstemperatur erreicht und der konvektive Siedevorgang durch den Blasenstrom in den Schwallstrom übergeht . Ein zunehmender Hohlraumanteil führt dazu, dass die Struktur der Strömung instabil wird. Der Siedevorgang geht durch den Butzen- und Abwanderungsstrom in das Ringströmungsregime mit seinem charakteristischen Ringfilm der Flüssigkeit über. Bei bestimmten Kombinationen der Strömungsgeschwindigkeit durch einen Kanal, Druck, Strömungsqualität und lineare Wärmerate, die Wand kann Flüssigkeitsfilm erschöpfen und die Wand wird ausgetrocknet. Am Austrocknungspunkt steigt die Wandtemperatur deutlich an, um den angelegten Wärmefluss abzuleiten. Die Strömung nach dem Austrocknen ( Nebel- oder Tropfenströmung ) in dem beheizten Kanal ist unerwünscht, da das Vorhandensein eines solchen Strömungsregimes mit signifikant höheren Wandtemperaturen und starken Schwankungen der Wandtemperaturen einhergeht.
In diesem Fall definieren die Ingenieure Parameter, die als Minimum Critical Power Ratio (MCPR) anstelle von DNBR bezeichnet werden. Das kritische Leistungsverhältnis (CPR) wird zur Bestimmung der thermischen Grenzen von Siedewasserreaktoren verwendet.
Definition von CPR:
Die CPR ist die Leistung in der Baugruppe, die durch Anwendung der entsprechenden Korrelation (en) berechnet wird, um zu bewirken, dass an einem bestimmten Punkt in der Baugruppe ein Siedeübergang auftritt, geteilt durch die tatsächliche Betriebsleistung der Baugruppe.
Besondere Referenz: Tong, LS, Weisman, Joel. Thermische Analyse von Druckwasserreaktoren. Amer Nuclear Society, 3. Auflage, 5/1996. ISBN-13: 978-0894480386.
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