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Sebastian Unger
Experimental Thermal Fluid Dynamics
s.ungerAthzdr.de
Phone: +49 351 260 - 3225

Prof. Dr. Uwe Hampel
Head
u.hampel@hzdr.de
Phone: +49 351 260 - 2772
Fax: 12772, 2383

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.



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.



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 


Publikationen

  • S. Unger, D. Sarker, U. Harm, U. Hampel
    Enhanced drainage during condensation in passive safety systems for spent fuel pools by SAM coating.
    Proceedings 47th Annual Meeting on Nuclear Technology (AMNT), 10.-12.05.2016, Hamburg, Germany
  • S. Unger, R. Oertel, U. Hampel
    Numerical Investigation of Passive Heat Transfer to Ambient for Cooling of Nuclear Spent Fuel Pools
    Proceedings 48th Annual Meeting on Nuclear Technology (AMNT), 16.-17.05.2017, Berlin, Germany
  • S. Unger, E. Krepper, U. Hampel
    Numerical analysis of heat exchanger designs for passive spent fuel pool cooling to ambient air
    Nuclear Engineering and Design, 2017. Submitted

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