Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7320
Wärmeübergang von Wasser in vertikalen Rohrströmungen bei
überkritischem Druck
Matthias Ferdinand Löwenberg
Zusammenfassung
Ein neues Konzept eines
Leichtwasserreaktors mit überkritischen Dampfzuständen wird derzeit im Rahmen
des europäischen Projektes „High Performance Light Water Reactor“ (HPLWR)
untersucht. Kennzeichnend für diesen Reaktor ist, dass sich der Systemdruck und
die Kernaustrittstemperatur oberhalb des kritischen Punktes von Wasser befinden.
Wasser wird in diesem überkritischen Zustand als einphasig betrachtet und weist
eine hohe Energiedichte auf, diese Vorteile sollen technisch genutzt werden.
Dadurch ergeben sich im Vergleich zur heutigen Generation von Kernkraftwerken
einige konstruktive Einsparungen. So können beispielsweise gegenüber
Siedewasserreaktoren Dampftrockner oder Wasserabscheider vermieden werden. Ein
thermischer Wirkungsgrad von etwa 44% kann durch die Aufheizung des Wassers,
bei einem Systemdruck von 25MPa, von 280°C auf etwa 510°C erreicht werden. Zur Gewährleistung
dieses großen Temperaturanstiegs innerhalb des Reaktorkerns sind zuverlässige Vorhersagen
bezüglich der Wärmeübertragung notwendig. Das Arbeitsmedium Wasser ändert seine
Stoffeigenschaften gravierend während der Aufheizung im Kern, so nimmt
beispielsweise die Dichte etwa um den Faktor sieben ab. Die Motivation, eine
Wärmeübergangstabelle zur Vorhersage der Wärmeübertragung in überkritischem
Wasser zu entwickeln, liegt in der besonderen Temperaturabhängigkeit der
Stoffeigenschaften von Wasser in diesem Bereich.
Durch das systematische Zusammenführen von
experimentellen Daten und die Weiterentwicklung von Methoden zur Erstellung von
Vorhersagetabellen konnte eine Wärmeübergangstabelle zur Vorhersage der
Wärmeübertragung in überkritischem Wasser in vertikalen Rohrströmungen erarbeitet
werden. Die Wärmeübergangstabelle beschreibt für verschiedene Randbedingungen
(Bsp. Druck oder Wärmestromdichte) die Wärmeübertragung durch tabellierte Werte.
Sie tabelliert Wandtemperaturen für vollentwickelte turbulente Strömungen und kann
durch Verwenden hydraulischer Durchmesser auf verschiedene Geometrien
angewendet werden. Mittels der Wärmeübergangstabelle entfällt die schwierige
Auswahl aus der Vielzahl vorhandener Korrelationen, die Schwächen bei starken
Gradienten der Stoffeigenschaften aufweisen. Die starken Gradienten können
gekoppelt mit einer hohen Wärmestromdichte zu einer Verschlechterung des
Wärmeübergangs führen, wodurch sich die Wandtemperatur stark erhöht und
kritische Werte annehmen kann. Das entwickelte Verständnis der Mechanismen, die
zu dieser Verschlechterung des Wärmeübergangs führen, wurde verwendet, um
sichere Bereiche zu identifizieren und diese in der Wärmeübergangstabelle zu
berücksichtigen. Vergleiche der Wärmeübergangstabelle mit experimentellen Daten
zeigen, dass Wandtemperaturen mit einem mittleren Fehler von 4% und einer
Standardabweichung von 17% wiedergegeben werden können. Durch die jetzt
vorliegende Wärmeübergangstabelle kann die Wandtemperatur in überkritischem
Wasser mit einer hohen Genauigkeit in einem weiten Parameterbereich berechnet
werden.
Heat Transfer in Vertical Pipe Flow at Supercritical
Pressures of Water
Abstract
A new reactor concept with light water at supercritical
conditions is investigated in the framework of the European project „High
Performance Light Water Reactor“ (HPLWR). Characteristics of this reactor
are the system pressure and the coolant outlet temperature above the critical
point of water. Water is regarded as a single phase fluid under these
conditions with a high energy density. This high energy density should be
utilized in a technical application. Therefore in comparison with up to date
nuclear power plants some constructive savings are possible. For instance,
steam dryers or steam separators can be avoided in contrast to boiling water
reactors. A thermal efficiency of about 44% can be accomplished at a system pressure
of 25MPa through a water heat-up from 280°C to 510°C. To ensure this heat-up within
the core reliable predictions of the heat transfer are necessary. Water as the
working fluid changes its fluid properties dramatically during the heat up in
the core. As such; the density in the core varies by the factor of seven. The
motivation to develop a look-up table for heat transfer predications in
supercritical water is due to the significant temperature dependence of the
fluid properties of water.
A systematic consolidation of experimental data was performed. Together
with further developments of the methods to derive a look-up table made it
possible to develop a look-up table for heat transfer in supercritical water in
vertical flows. A look-up table predicts the heat transfer for different
boundary conditions (e.g. pressure or heat flux) with tabulated data. The tabulated
wall temperatures for fully developed turbulent flows can be utilized for
different geometries by applying hydraulic diameters. With the developed
look-up table the difficulty of choosing one of the many published correlations
can be avoided. In general, the correlations have problems with strong fluid
property variations. Strong property variations combined with high heat fluxes
can lead to deterioration of heat transfer. This results in high wall temperatures
which can reach critical values. Due to the developed understanding of the mechanisms
involved in the deterioration of heat transfer, it became possible to exclude
these unsafe areas for the look-up table. Comparisons of the look-up table with
experimental data demonstrated a predication that exhibits a mean error of 4%
with a standard deviation of 17%. The predictions of wall temperatures in
supercritical water can be accurately achieved over a wide range of parameters.
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