Was ist unterkühltes Sieden – Definition

Beim unterkühlten Sieden liegt die Temperatur des größten Teils der Flüssigkeit unter der Sättigungstemperatur, und an der Oberfläche gebildete Blasen können in der Flüssigkeit kondensieren . Diese Kondensation (Kollabieren) erzeugt einen Ton mit einer Frequenz von ~ 100 Hz – 1 kHz. Aus diesem Grund macht ein Wasserkocher die meisten Geräusche, bevor das Wasser gesättigt kocht. Der Begriff Unterkühlung bezieht sich auf eine Flüssigkeit, die bei einer Temperatur unterhalb ihres normalen Siedepunkts vorliegt .

Unterkühltes Sieden in PWRs

Obwohl die frühesten Kernkonstruktionen davon ausgegangen sind, dass  unterkühltes Oberflächensieden in PWRs nicht zulässig ist , wurde diese Annahme bald verworfen, und die zweiphasige Wärmeübertragung ist nun auch in PWRs ein normaler Wärmeübertragungsmechanismus. 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 kocht Wasser bei ca. 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, Sieden an der Oberfläche stört effektiv die stagnierende Schicht und daher erhöht das Blasensieden 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.

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 .

Fließsieden

Beim Fließsieden (oder 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 Zwangskonvektionssieden 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 Blasensieden 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 Blasensieden zur erzwungenen Konvektionsverdampfung zu bestimmen. Eine einzige Korrelation, die sowohl für das Blasensieden 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 .