Investigation of heat transfer near the critical point of R134a
Creators: name: Feuerstein, Florian
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: supercritical heat transfer
CHF
mixed convection
fluid-to-fluid scaling
experiment
R134a
CO2

description: Neue Kraftwerkskonzepte, wie zum Beispiel der sogenannte Supercritical Water Cooled Reactor (SCWR), nutzen überkritisches Wasser als Kühlmittel. Mit überkritischem Wasser ist ein vereinfachtes und kompaktes Kraftwerk mit einer enormen Steigerung des thermischen Wirkungsgrades möglich. Eine zuverlässige und genaue Vorhersage der Wärmeübertragung ist unerlässlich, um diese Kraftwerke zu entwerfen und sicher zu betreiben. Flüssigkeiten weisen bei einem Druck nahe dem kritischen Punkt starke Änderungen der thermophysikalischen Eigenschaften auf. Diese Änderungen können die Turbulenz reduzieren und somit den Wärmeübergang beeinträchtigen. Experimente sind notwendig, um diese Phänomene zu verstehen, Modelle für die Wärmeübertragungsvorhersage zu entwickeln und zu validieren. Experimente mit überkritischem Wasser erfordern Testeinrichtungen, die sehr kostspielig und komplex im Aufbau, Wartung und Betrieb sind. Daher werden die Experimente mit einem Modellfluid durchgeführt. Dies bedeutet jedoch, dass die Ergebnisse des Modellfluids auf Wasser übertragen werden müssen. Ziel dieser Studie ist es, Wärmeübergangsphänomene in der Nähe des kritischen Punktes zu untersuchen und Fluid-zu-Fluid-Skalierungsmodelle für den Wärmeübergang bei überkritischen Bedingungen zu bewerten. Zwei umfangreiche Versuchsreihen zum Wärmeübergang bei überkritischen Bedingungen für das Fluid R134a und CO2 werden durchgeführt. Der Einfluss von Druck, Eingangstemperatur, Massenstrom und Wärmestrom auf den Wärmeübergang werden im Detail untersucht. Darauffolgend werden die Effekte des Auftriebs und der thermisch induzierten Beschleunigung der Strömung auf den Wärmeübergang im Detail diskutiert. Die Entdeckung von neuen Phänomenen, wie dem Einfluss der Eintrittstemperatur, verbessert das Verständnis des Wärmeübergangs bei überkritischen Bedingungen. Zusätzlich werden Strömungsinstabilitäten mit unerwartetem Einfluss auf den Wärmeübergang beobachtet und diskutiert. Weitere Gründe für die hohe Abweichungen zu Daten aus der Literatur und die schwierige Reproduzierbarkeit nahe dem pseudokritischen Punkt werden identifiziert. Basierend auf den durchgeführten Experimenten dieser Studie werden zwei zuverlässige Datenbanken für R134a und CO2 vorgeschlagen. Diese werden verwendet, um Wärmeübertragungskorrelationen der Literatur zu bewerten, wobei die Korrelation von Chen und Fang die Daten am Besten reproduziert. Mit einer zusätzlichen Datenbank für Wasser werden die Datenbanken für die direkte Validierung von Fluid-to-Fluid- Skalierungsmodellen genutzt. Zu diesem Zweck wird eine neue und zuverlässige Methode für den Vergleich der skalierten Daten mit bestehenden experimentellen Daten entwickelt. Die Auswertung zeigt, dass die bisher entwickelten Modelle nur bestimmte Fluidkombinationen oder bestimmte beeinflusste Daten zuverlässig skalieren können. Die vorhandenen Datenbanken werden verwendet, um die Modelle von Cheng et al. und Tian et al. an die Fluidkombination R134a- Wasser und CO2-Wasser anzupassen. Zusätzlich werden Experimente zum kritischen Wärmestrom bei hohem unterkritischem Druck mit R134a durchgeführt. Die Einflüsse von Druck, Unterkühlung am Eingang und Massenstrom werden diskutiert. Die Daten werden zur Beurteilung von Korrelationen verwendet und mit einem Modell, das auf dem Modell von Ahmad basiert, zu Wasser skaliert. Die skalierten Daten sind gut mit der CHF-Look-up-Tabelle von Groeneveld et al. reproduzierbar. Die Korrelationen von Katto und Ohno sowie Shah sind in der Lage, den kritischen Wärmestrom selbst bei Druck nahe dem kritischen Punkt genau vorherzusagen.