Analysis and Modelling of Full-Range Post-Dryout Heat Transfer in Vertical Tubes
Creators: name: Yu, Dali
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: post-dryout
dryout
developing region
fully-developed region
fluid-to-fluid modeling

description: Die Forschung zur Wärmeübertragung nach dem Dryout hat sowohl im akademischen, als auch im industriellen Bereich großes Interesse hervorgerufen, da sie für die Bestimmung der maximalen Oberflächentemperatur von Bedeutung ist, die einer der Schlüsselfaktoren für die Auslegung von Dampferzeugern, die Sicherheitsanalyse von Kühlmittelverlustunfällen in nuklearen Reaktoren und die Leistungsevaluierung einiger fortschrittlicher Kernbrennstoffe ist. Der Bereich der Wärmeübertragung nach dem Dryout (Post-Dryout genannt) liegt vor, wenn der Kontakt zwischen dem Flüssigkeitsfilm und der erhitzten Oberfläche nicht aufrechterhalten werden kann und die flüssige Phase nur in Form dispergierter Tröpfchen vorliegt. Trotz umfangreicher Studien in den letzten Jahrzehnten fehlen zuverlässige Vorhersagemethoden für die Wärmeübertragung nach dem Dryout aufgrund der Komplexität der auftretenden Prozesse, insbesondere aufgrund der Schwierigkei-ten bei der Vorhersage des thermischen Ungleichgewichts. Daher werden in der vorliegenden Arbeit ein allgemeines, theoretisches Modell, sowie Skalierungsmethoden für die vollständige Wärmeübertragung nach dem Austrocknen in vertikalen Rohren entwickelt und bewertet. Der gesamte Bereich der Wärmeübertragung im Post-Dryout besteht aus einem „Entwicklungsbereich“ und einem „vollständig entwickelten Bereich“. Sowohl die Definition dieser Begriffe, als auch die Bestimmungsgleichung für die Länge des Entwicklungsbereichs werden in der vorliegenden Arbeit zur Unterscheidung und Quantifizierung dieser beiden Regionen vorgeschlagen. Für die theoretische Modellierung berücksichtigt das vorgeschlagene Modell drei Möglichkeiten der Wärmeübertragung, i) Wärmeübertragung von der erhitzten Wand zum Dampf, ii) vom Dampf zu den Tröpfchen und iii) Wärmeübertragung durch direkten Kontakt zwischen Wand und Tröpfchen. Alle Arten der Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung werden vernachlässigt. Die Forslund-Korrelation (Forslund and Rohsenow, 1966) wird für die Berechnung des konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten (HTC) zwischen Wand und Dampf modifiziert, wohingegen zur Berechnung der Wirksamkeit der Wand-Tr¨ opfchen-W¨ armeubertragung das Kendall-Modell (Kendall and Rohsenow, 1978) verwendet wird. Der Strömungsquerschnitt wird in einen Film- und einen Kernbereich unterteilt, wodurch die Auswirkung der Konzentrationsverteilung der Tröpfchen über den Querschnitt auf den Wärmeübergang im Bereich der Grenzflächen zwischen Dampf und Tröpfchen berücksichtigt werden kann. Der Grenzflächen-Wärmeüber-gangskoeffizient wird unter Verwendung der Hughmark-Korrelation (Hughmark, 1967) in Kombination mit einem Abschirmfaktor berechnet. Das vorgeschlagene theoretische Modell wird unter einer Vielzahl von Strömungsbedingungen in mehreren Arten von Flüssigkeiten bewertet. Im Wesentlichen werden vier weit verbreitete Modelle der Post-Dryout Wärmeübertragung, darunter GRO (Groeneveld and Delorme, 1976), CSO (Chen et al., 1979), LCS (Varone and Rohsenow, 1986) und das Modell im ATHLET-Code (Austregesilo et al., 2012) sowie drei Experimente, darunter zwei Versuchsreihen mit gleichmäßigem axialem Wärmestrom nach Becker (Becker et al., 1983) und KIT (Koeckert et al., 2018) sowie ein Experiment mit ungleichmäßigem axialem Wärmestrom nach BeckerII (Becker et al., 1992) zur Bewertung des Modells verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass das vorgeschlagene Modell den experimentellen Wärmeübergangskoeffizienten in den Becker-Versuchsreihen im Allgemeinen um 13,82% unterschätzt, wobei der Root-Mean-Square-Fehler (RMS) bei 20,05% liegt. Der experimentelle HTC nach KIT wird durch das vorgeschlagene Modell, bei einem RMS-Fehler von 10,32%, durchschnittlich um 6,86% überschätzt, während der experimentelle HTC in den BeckerII -Versuchsreihen durchschnittlich um 6,74% unterschätzt wird. Der RMS-Fehler liegt hierbei bei 17,65%. Die voranstehenden Abweichungen beziehen sich auf den vollständig entwickelten Post-Dryout Bereich. Die Fluid-zu-Fluid-Modellierung des Post-Dryout Wärmeübergangs zwischen R-134a und Wasser wird in der vorliegenden Arbeit ebenfalls untersucht. Die Skalierungsmethoden werden basierend auf Dimensionsanalysen unter Verwendung des Buckingham-Pi-Theorems entwickelt. Die Skalierungsarbeit beginnt mit der Ableitung dimensionsloser Kennzahlen. Im Anschluss erfolgt eine Auswahl von dimensionslosen Kennzahlen, basierend auf ihrer Bedeutung für die Post-Dryout Wärmeübertragung. Fünf verschiedene Varianten von Skalierungsmethoden können unterschieden und durch einen Optimierungsprozess bewertet werden, wofür eine neue Interpolationsmethode entwickelt und angewendet wird. Die optimierten Skalierungsmethoden werden abschließend anhand experimenteller Versuche überprüft.