Kondensationswärmeübertrager für passive Kühlsysteme

Hintergrund

Die Lagerung von Brennelementen in Wasserbecken, welche mit Hilfe von Pumpen aktiv gekühlt werden, ist übliche Praxis in Kernkraftwerken. Ein vielversprechender Ansatz zur Erhöhung der Sicherheit von Kraftwerken stellen zweiphasige, passive Wärmeübertragungssysteme für die Kühlung dar. Da dieses Konzept ohne aktive Komponenten wie Pumpen funktioniert, können die Wasserbecken auch unter auslegungsüberschreitenden Bedingungen, wie einem Totalausfall der Energieversorgung, gekühlt werden. In diesem System wird ein erster Wärmetauscher im Wasserbecken platziert, in dem ein Kühlmedium verdampft. In einem Rohrleitungssystem strömt der Dampf durch Auftrieb zu einem zweiten Wärmetauscher, der sich in der Umgebungsluft befindet, so dass das Kühlmedium wieder kondensiert. Über eine weitere Rohrleitung wird das Kondensat aufgrund von Gravitation zurück zum ersten Wärmetauscher geführt.

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Die Wärmeübertragungsleistung derartiger Systeme hängt unter anderem von der Leistung der beteiligten Komponenten ab. Daher bewirkt eine Reduzierung der einzelnen Wärmeübertragungswiderstände eine Verbesserung des Gesamtsystems.

Zielstellung

Der Fokus der Arbeiten liegt auf der Optimierung des zweiten Wärmeübertragers, der die unbegrenzte Wärmesenke Luft nutzt. Wesentlichen Anteil am thermischen Gesamtwiderstand hat der luftseitige, konvektive Wärmeübergang. Die Kühlung erfolgt durch Naturkonvektion und wird mit Hilfe von numerischen Methoden und einer Parameterstudie charakterisiert sowie optimiert. Darauf aufbauend werden innovative Rohrrippendesigns entwickelt und unter Anwendungsbedingungen in einem Strömungskanal untersucht.

Ergebnisse

Zu Beginn des Projektes wurden mittels CFD-Simulationen Vorauslegungen für ovale Rippenrohre unter Naturkonvektion durchgeführt. Dabei variieren die Temperaturen der Rippenrohre was unterschiedlichen Wasserbeckentemperaturen entspricht. Außerdem wurden weitere geometrische Parameter des Rippenrohres angepasst, um die thermische Übertragungsleistung zu optimieren.

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Anhand der Simulationsergebnisse wurden neue Rippenrohrdesigns entwickelt und anschließend in einem Strömungskanal experimentell untersucht. Temperaturmessungen an unterschiedlichen Stellen des Wärmetauschers durch Thermoelemente ermöglichen eine exakte Beschreibung der Wärmeübertragung der neuartigen Rippenrohre. Weiterhin wurde im Nachlaufgebiet der Rippenrohre die Temperatur- und Strömungsgeschwindigkeitsverteilung von anemometrischen Sensoren gemessen. Die Experimente zeigen eine um 10 % bis 30 % höhere Wärmeübertragungsleistung bei neuartigen Designs gegenüber konventionellen Rippenrohren.

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Förderung

AREVA 

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Publikationen

• Unger, S.; Beyer, M.; Pietruske, H.; Szalinski, L.; Hampel, U.

  Air-side heat transfer and flow characteristics of additively manufactured finned tubes in staggered arrangement

  International Journal of Thermal Sciences 161, 106752. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2020.106752 (2020)

• Unger, S.; Beyer, M.; Pietruske, H.; Szalinski, L.; Hampel, U.

  Natural convection heat transfer performance of additively manufactured tube bundle heat exchangers with novel fin design

  Journal of Heat and Mass Transfer 57, 1193-1203. DOI: 10.1007/s00231-020-03014-5 (2020)

• Unger, S.; Beyer, M.; Szalinski, L.; Hampel, U.

  Thermal and flow performance of tilted oval tubes with novel fin designs

  International Journal of Heat and Mass Transfer 153, 119621. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119621 (2020)

• Unger, S.; Arlit, M.; Beyer, M.; Hampel, U.

  Experimental study on the heat flux of a heat exchanger for passive cooling of spent fuel pools by temperature anemometry grid sensor

  Nuclear Engineering and Design 379, 111237. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2021.111237 (2020)

• Unger, S.; Krepper, E.; Beyer, M.; Hampel, U.

  Numerical optimization of a finned tube bundle heat exchanger arrangement for passive spent fuel pool cooling to ambient air

  Nuclear Engineering and Design 361, 110549. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2020.110549 (2020)

• Unger, S.; Beyer, M.; Gruber, S.; Willner, R.; Hampel, U.

  Experimental study on the air-side thermal-flow performance of additively manufactured heat exchangers with novel fin designs

  International Journal of Thermal Sciences 146, 106074. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2019.106074 (2019)

• Unger, S.; Beyer, M.; Thiele, J.; Hampel, U.

  Experimental study of the natural convection heat transfer performance for finned oval tubes at different tube tilt angles

  Experimental Thermal and Fluid Science 105, 100-108. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2019.03.016 (2019)

• Unger, S.; Beyer, M.; Arlit, M.; Stasch, P.; Hampel, U.

  An experimental investigation on the air-side heat transfer and flow resistance of finned short oval tubes at different tube tilt angles

  International Journal of Thermal Sciences 140, 225-237. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2019.02.045 (2019)

• Unger, S.; Krepper, E.; Hampel, U.

  Numerical analysis of heat exchanger designs for passive spent fuel pool cooling to ambient air

  Nuclear Engineering and Design 333, 224-234. DOI: 10.1016/j.nucengdes.2018.04.011 (2019)