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Matthias Beyer
Experimental Thermal Fluid Dynamics
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TOPFLOW Drucktank

Der Drucktank ist einer von drei Versuchsständen der TOPFLOW Anlage, der 2005 in Betrieb genommen wurde. Er besteht aus einem liegenden zylindrischen Behälter mit einem Innendurchmesser von 2,4 m und einer Länge von 6 m, der an einer Stirnseite mit einem Deckel verschlossen werden kann. Im Drucktank können Testsektionen im Druckausgleich mit der Behälteratmosphäre betrieben werden. Dadurch ist es möglich, die Testsektion aus dünnwandigen Edelstahlblechen aufzubauen und bei Bedarf großflächige Glasfenster zu integrieren, so dass optische Beobachtungen von Strömungsvorgängen im Inneren des Versuchsaufbaus möglich sind. Außerdem können Infrarotkameras zur Bestimmung von Temperaturfeldern auf der Oberfläche der Testsektion eingesetzt werden.

Der TOPFLOW Drucktank kann bei Drücken bis zu 5 MPa und Innentemperaturen bis 50 °C betrieben werden, so dass sowohl Luft/Wasser - als auch Dampf/Wasser Experimente möglich sind. Beim Dampfbetrieb können Tests bis zur Sättigungstemperatur von 264 °C durchgeführt werden. Aus diesem Grund ist eine effektive thermische Isolation an der Außenwand der Testsektion erforderlich, um die maximale Behältertemperatur nicht zu überschreiten. Da trotzdem Wärmeverluste auftreten, ist der Drucktank mit einem Kühlsystem ausgerüstet, das die Wärme aus der Behälteratmosphäre in die Umgebung abführt.

Bild TOPFLOW Drucktank

TOPFLOW Stickstoff Anlage

Offener TOPFLOW Drucktank mit eingefahrener Testsektion

Hochdruck Stickstoffanlage

Für die Durchführung von Dampfexperimenten ist der Behälter mit einer Dampfeinspeisung für den maximalen Dampfmassenstrom der TOPFLOW Anlage ausgerüstet. Demzufolge steht auch ein Kondensator im Drucktank bereit, der den Dampf nach Durchströmen der Testsektionen zuverlässig kondensiert und dabei gleichzeitig den Druckausgleich mit der Behälteratmosphäre sicherstellt.

Des Weiteren ist der Drucktank mit zwei Zirkulationsschleifen ausgerüstet, die ebenfalls für 5 MPa und 264 °C ausgelegt sind. Mit ihnen können Wasservolumenströme bis 40 bzw. 7 m³/h gefördert werden. Das Medium kann schleifenspezifisch entweder gekühlt oder mit Dampf bzw. elektrisch aufgeheizt werden. Zum Füllen bzw. Entleeren der Versuchsaufbauten stehen zwei entsprechende Anschlüsse im Behälter bereit, die mit der TOPFLOW Anlage verbunden sind und sowohl für kaltes – als auch für Sattwasser genutzt werden können.

Um Experimente bei Überdruck durchführen zu können, ist der Drucktank mit zwei Gasversorgungsanlagen ausgerüstet. Für kalte Experimente steht eine 3 stufige Kompressoranlage bereit, die durch Lufteinspeisung das Behältervolumen von ca. 33 m³ in 5 Stunden bis auf den Maximaldruck verdichtet. Für Dampfversuche wird der Drucktank mit Stickstoff befüllt, der in der TOPFLOW Hochdruck-Vergaseranlage bei Bedarf erzeugt wird.

Zur Kommunikation der Messtechnik im Drucktank mit entsprechenden elektronischen nicht druckfesten Geräten außerhalb stehen 3 Leiterkartenflansche mit diversen Kontakten (z.B. Gbit LAN) sowie 2 Flansche für den direkten Anschluss von 28 Thermoelementen zur Verfügung. Außerdem können 3 weitere Schaugläser für visuelle Kontrollen oder zum Beispiel zur Durchleitung von Licht (LWL) genutzt werden.

Seit der Errichtung des TOPFLOW Drucktanks wurden 3 Testsektionen aufgebaut, instrumentiert und in Betrieb genommen:

HSM Versuchsstand

Ein Versuchsstand, an dem Untersuchungen von horizontalen Gleich- und Gegenstromprozessen im Modell eines heißen Stranges und einer Dampferzeuger-Eintrittskammer aus dem Primärkreislauf eines Druckwasserreaktors durchgeführt wurden (TOPFLOW-II Projekt);

PTS Versuchsstand

Eine Testanordnung zur Untersuchung von Temperaturschock-Effekten am Modell eines Ringspaltes (Reaktordruckgefäß) mit angeschlossenem kalten Strang und Pumpensimulator (TOPFLOW-PTS Projekt);

DENISE Versuchsstand

Ein Testbassin zur Untersuchung von Strömungsvorgängen, Wärmeübertragungs- und Kondensationseffekten an freien Oberflächen bzw. an einem Wasserstrahl (DENISE im Rahmen des TOPFLOW-III Projektes).

Die ersten beiden Testsektionen lieferten Daten für die nukleare Sicherheitsforschung, während das Ziel der Versuche im Testbassin die Bereitstellung von generischen Daten zum grundlegenden Verständnis der Strömungsvorgänge ist. Alle Daten stehen zur CFD code Validierung zur Verfügung.


Während der experimentellen Arbeiten im TOPFLOW-Drucktank wurden zahlreiche technologische Lösungen entwickelt, so zum Beispiel:

  • Container für den Betrieb von Hochgeschwindigkeits- und Infrarotkameras in Hochdruckatmosphäre mit Luftkühlung und der notwendigen Kabelkommunikation,
  • thermische Isolation für ebene und gekrümmte Flächen für den Einsatz unter Drucktank Betriebsbedingungen,
  • zugelassene Leiterplattenflansche mit verschiedenen geschirmten elektrischen Durchführungen,
  • leistungsstarke druckfeste LED Lichtquellen für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen und
  • druckfeste Elektronikeinheit zur schnellen Erfassung von bis zu 200 Thermoelementen Typ K

Alle diese Verfahren sind einsatzbereit und stehen für die Nutzung bei weiteren Projekten zur Verfügung.


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