Kondensierende Strömungen in horizontalen Rohren

Motivation

Kondensation in horizontalen Rohren spielt in vielen ingenieurtechnischen Gebieten, wie Kühlung, Ölförderung, Chemie und Energieerzeugung eine wichtige Rolle. Im Wesentlichen kann Kondensation definiert werden als ein Vorgang der Umwandlung gesättigten Dampfes in Flüssigkeit, was mit einer Energieumwandlung in latente Wärme einhergeht. Die Enthalpie sinkt vom Dampf-Niveau auf das viel niedrigere Wasser-Niveau. Kondensation tritt auf, wenn Dampf (bei Sättigungstemperatur oder höher) mit einer Flüssigkeits-Grenzfläche oder einer festen Oberfläche niedrigerer als Sättigungstemperatur in Kontakt kommt. Dann kommt es zum Phasenübergang. Dieser Phasenübergang ist für den Abtransport von Wärme sehr wichtig, was das Hauptphänomen von Wärmetauschern darstellt. Dieses Phänomen wird auch in Sicherheitssystemen moderner Auslegungen von Kernreaktorsystemen genutzt. Bild 1 zeigt das Schema eines KERENA-Reaktors. Das passive Notkühlsystem, welches die Kühlung in einem hypothetischen Leck-Störfall gewährleistet, besteht aus vier Notkondensatoren. „Passiv“ bedeutet, dass zur Funktionssicherung keine externe Energiequelle erforderlich ist. Die Funktion beruht auf physikalischen Phänomenen wie Naturumlauf oder durch Schwerkraft angetriebene Strömung.

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Um die Leistungsfähigkeit dieser Systeme zu optimieren, werden eindimensionale Systemcodes, wie ATHLET, RELAP oder TRACE eingesetzt. Diese Codes haben sich zur Beschreibung der meisten Phänomene in Kraftwerken bewährt. Sie sind jedoch nicht in der Lage, dreidimensionale Phänomene darzustellen. Hierfür sind Computational Fluid Dynamics Codes bestens geeignet. Ungeachtet der erreichten Fortschritte in der Vergangenheit bei der Anwendung dieser Codes ist noch viel weitere Arbeit erforderlich.

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Bild 2 zeigt die schematische Darstellung der Kondensationsvorgänge in horizontalen Rohren. Am Eintritt befindet sich reiner Dampf. Infolge des Phasenübergangs und der Wärmeübertragung an die Wände kondensiert der Dampf und es bildet sich ein Flüssigkeitsfilm an der Wand. Mit weiterem Durchgang durch das Rohr kondensiert mehr Dampf und verschiedene Strömungs-Morphologien, wie geschichtete Strömung, Pfropfenströmung, und Schwallströmung können im Innern des Rohres beobachtet werden.

Das Ziel der vorliegenden Arbeiten besteht in der Beschreibung des Übergangs zwischen den einzelnen Morphologien im Rohr. Teilmodelle, wie iMUSIG, AIAD und GENTOP wurden bereits in vorhergehenden Arbeiten im HZDR in Kooperation mit ANSYS realisiert. Das inhomogene multiple size group (iMUSIG)-Modell berücksichtigt die Blasengrößenverteilung und wird für die Beschreibung von Blasenströmung verwendet [1]. Das algebraic interfacial area density (AIAD)-Modell identifiziert lokale Grenzflächen zwischen den Phasen und beeinflusst entsprechend die Impulsaustasuchmodelle zwischen den Phasen [2]. Es hat sich zur Beschreibung horizontaler Strömungen bewährt. Das kürzlich entwickelte generalized two-phase flow (GENTOP)-Modell kombiniert beide Ansätze. Dieses Modell ist damit in der Lage, sowohl großskalige Gas/Flüssig-Strukturen mit Auflösung der Grenzfläche als auch kleinskalige polydisperse Strukturen im Euler-Ansatz gleichzeitig darzustellen. Bisher wurden diese Ansätze für adiabatische Anwendungen ohne Phasenübergang eingesetzt.

Der Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeiten ist daher die Einbeziehung von Wärme- und Massenübergang. Auf dieser Basis lassen sich dann die in Bild 2 dargestellten Phänomene  darstellen. Im ersten Schritt wurde dabei von AIAD-Ansatz der Beschreibung zweier kontinuierlicher Flüssig- und Gasphasen unter Einbeziehung des Phasenübergangs ausgegangen. Dann wird disperses Gas im Sinne des GENTOP-Ansatzes einbezogen.

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Acknowledgments

Dieses Projekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

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References

1. Krepper, E.; Frank, Th.; Lucas, D.; Prasser, H.-M.; Zwart, P.J. “The Inhomogeneous MUSIG model for the simulation of poly-dispersed flow”. Nuclear Engineering Design 238: 1690-1702 (2008).
2. Höhne, T.; Deendarlianto; Lucas, D.  “Numerical simulations of counter-current two-phase flow experiments in a PWR hot leg model using an area density model”. International  Journal of  Heat and Fluid Flow 31 (5): 1047-1056 (2011).
3. Hänsch, S.; Lucas, D.; Krepper, E.; Höhne, T. “A multi-field two-fluid concept for transitions between different scales of interfacial structures”. International Journal of Multiphase Flow 47:171-182(2012).