Fluiddynamik bei Direkt-Dampfkondensation unter Druck (DENISE)

Hintergrund

Für die Bewertung der Sicherheit von Kernkraftwerken werden Strömungs- und Wärmeübergangsprozesse untersucht, die bei Kühlmittelverlust und der Einspeisung von kaltem Wasser auftreten. Für die dadurch entstehenden Dampf-Wasser-Mehrphasenströmungen müssen physikalisch fundierte und experimentell validierte Modelle entwickelt werden.

Ein zentrales Phänomen ist die Kontaktkondensation, die auftritt, wenn kaltes Wasser in Kontakt mit einer gesättigten Dampfatmosphäre kommt. Dies führt zu turbulenten Phasenwechsel- und Wärmeübergangsvorgängen. Experimentelle Einzeleffektstudien unter realistischen Drücken können grundlegende Mechanismen separat erfassen. Damit wird eine breite Datenbasis für die Weiterentwicklung von Turbulenz-, Wärme- und Stoffübergangsmodellen und für numerische Codes geschaffen.

Abbildung 1 zeigt die besonders relevanten Anwendungsfälle. Dies betrifft Kondensationsvorgänge an der Phasengrenze geschichteter Strömungen (A), als Freistrahl eintretendes Kaltwasser (B) und die Kondensation der durch einen eintauchenden Wasserstrahl mitgerissenen Dampfblasen (C).

Abbildung 1 - Kontaktkondensationsvorgänge A) bei geschichteter Strömung, B) an Freistrahlen und C) bei Dampfmitriss.

Die Untersuchungen zur Kontaktkondensation sind nicht nur für Reaktorsicherheitsanalysen relevant. Das Phänomen beeinflusst auch den Betrieb von Kondensationskammern in Siedewasserreaktoren, Entsalzungs- und Aufbereitungsverfahren sowie die Auslegung von Dampf-Rohrleitungen, in denen ein Kondensations-Wasserhammer auftreten kann. Zudem bietet der gut messbare Wärmeeintrag an der Phasengrenze ein wertvolles Modell für andere Mehrphasen- und Mischprozesse in der Industrie, der Reaktortechnik und sogar der Klimamodellierung, etwa beim Gas- und Aerosolaustausch an der Meeresoberfläche.

Versuchsaufbau

Die experimentellen Untersuchungen wurden in der Versuchsanordnung DENISE (Direct condensation and ENtrainment Installation for Steam Experiments) im Drucktank der TOPFLOW-Versuchsanlage durchgeführt. Das Bassin ist so ausgelegt, dass es in Kamerablickrichtung besonders flach ist und damit gute Beobachtungsbedingungen bietet. Die Wassertiefe von 50 mm hat sich als geeignet erwiesen, um dreidimensionale Strömungseffekte und Wandeinflüsse gering zu halten. Weitere Abmessungen sind an den Drucktank angepasst. Abbildung 2 zeigt die Versuchsanordnung im Inneren des Drucktankes.

Abbildung 2 - Vereinfachte Darstellung des Versuchsbassins im Drucktank der TOPFLOW-Anlage

Die Peripherie umfasst Dampfeinspeisung, Kondensation und einen geschlossenen Wasserkreislauf. Der aus der TOPFLOW-Anlage stammende Dampf strömt durch den oberen Teil des Bassins und wird im Kondensator vollständig kondensiert. Das Wasser im Kreislauf kann an zwei Punkten abgepumpt, über Heizer oder Kühler auf die Zieltemperatur gebracht und ebenfalls an zwei Stellen wieder eingespeist werden. Ventilstellungen und Pumpendrehzahlen regeln den jeweiligen Massenstrom.

Neben konventioneller Prozessmesstechnik wurde folgende Sondermesstechnik eingesetzt:

• schnelle Temperaturmesstechnik (500 Hz)
• Temperatur- und Druckmesslanzen zur positionierbaren Messung im Druckraum
• Bildoptische Untersuchungen mit Highspeedkamera über Spiegel-Reflektor-Anordnungen
• Infrarotkamera (0 bis 300°C, 10 fps bei 30mK, ca. 1mm/pixel) mit 1mm dünnem Edelstahlblech als optisches Fenster

Damit war es möglich, unikale Versuchsergebnisse zur Temperaturverteilung im Dampfraum oder der bilanzierten Kondensationsraten zu erfassen. Zur mehrdimensionalen Charakterisierung der Strömung wurde eine Spiegelanordnung im Umfeld des Experimentes installiert (Abbildung 3).

Abbildung 3 - Anordnung bildgebender Messverfahren (links) zur mehrdimensionalen Erfassung der Strömungsphänomene im Bassin (rechts) während Gasmitrissuntersuchungen.

Im Zentrum der Untersuchungen standen die im Folgenden beschriebenen Strömungsphänomene welche jeweils für Sättigungsbedingungen bei 25 bar und 50 bar durchgeführt wurden.

Gleichstrom-Experimente

Im Bassin wurden unterschiedliche Über- bzw. Durchströmungen mit Wasser (unterkühlt) im Gleichstrom mit Sattdampf realisiert. Temperatur- und Kameramessungen gaben Aufschluss über die Temperatur- und Turbulenzverteilung im Bassin (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4: Idealisierte Stromlinien bei a) Gleichstrom und b) partiellem Gegenstrom im Bassin

Die beobachteten Kondensationsraten bei dieser Form der Kontaktkondensation betrugen nur ca. 2.5 % des theoretisch möglichen Potentials.

Freistrahl - Experimente

Das Verhalten unterkühlter Freistrahlen in Sattdampf- und Stickstoffatmosphären wurde anhand bildgebender Messverfahren untersucht. Hierbei wurde die Entwicklung geometrischer Kenngrößen (Strahllänge, Strahldurchmesser, Wellengeschwindigkeit) wie am Beispiel von Abbildung 5 analysiert.

Abbildung 5 - Mittlerer Strahldurchmesser in Abhängigkeit von a) Massenstrom des Freistrahles und b) Atmosphärendruck

Die beobachteten Kondensationsraten bei dieser Form der Kontaktkondensation schöpften das theoretisch mögliche Potential vollständig aus. Eine Beschreibung war mit einem modifizierten Modell nach Celata möglich.

Gasmitrissuntersuchungen

Während mitgerissener Dampf bereits kurz nach Eintritt in das Wasserreservoir kondensiert, bilden nichtkondensierbare Gase eine charakteristische Blasentraube, wobei aufsteigende Gasblasen den eintretenden Strahl abbremsen (siehe Abbildung 6).

Abbildung 6 - Einzelbilder der Gasmitrissuntersuchungen von Stickstoff bzw. Dampf in Wasser

Die Eindringtiefe mitgerissener Dampfblasen steigt mit dem Massenstrom des Freistrahles. Die Kondensationsrate am Freistrahl steigt mit dessen Unterkühlung, was gleichzeitig zu einer niedrigeren Eindringtiefe und weniger Gasmitriss führt. Anhand der Untersuchungen konnte eine minimal nötige Auftreffgeschwindigkeit bestimmt werden, ab der mit Gasmitriss zu rechnen ist.

Die beobachteten Kondensationsraten bei dieser Form der Kontaktkondensation betrugen ca. 25 % des theoretisch möglichen Potentials.

Danksagung

Das dieser Arbeit zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unter den Förderkennzeichen 150 1411 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt liegt bei den Autoren.

Publikationen

• Seidel, T.; Beyer, M.; Lucas, D.; Hampel, U.
  Experimental Studies on high-pressure high-temperature Contact-Condensation at falling jets in the TOPFLOW Pressure-Tank
  Nuclear Engineering and Design 336(2018), 54-63
• Hampel, U.; Seidel, T.; Beyer, M.; Szalinski, L.; Lucas, D.
  Pressure-tank technology for steam-water two-phase flow experiments at elevated pressure and temperature
  Specialist Workshop on Advanced Instrumentation and Measurement Techniques for Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (SWINTH), 15.-17.06.2016, Livorno, Italy
• Seidel, T.; Beyer, M.; Lucas, D.
  Direct Condensation and Entrainment steam experiments at the TOPFLOW-DENISE facility
  The 16th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-16)
• Seidel, T.; Lucas, D.
  Dampf-Experimente zur Kontaktkondensation und zum Blasenmitriss in der TOPFLOW-Anlage
  Jahrestagung der Kerntechnischen Gesellschaft, 17.-19.05.2011, Berlin, Deutschland