Modellierung und experimentelle Untersuchungen zur Optimierung eines Wärmeübertragers in zweiphasigen passiven Kühlsystemen
Hintergrund:
Die Lagerung von Brennelementen in aktiv gekühlten Wasserbecken ist übliche Praxis in Kernkraftwerken. Ein vielversprechender Ansatz zur Erhöhung der Sicherheit von Kraftwerken stellen zweiphasige passive Wärmeübertragungssysteme für die Kühlung dar. Dieses Konzept funktioniert selbst unter auslegungsüberschreitenden Bedingungen, wie einem Totalausfall der Stromversorgung. Die Wärmeübertragungsleistung solcher Systeme hängt unter anderem von der Leistung der beteiligten Wärmeübertrager ab. Daher bewirkt eine Reduzierung der einzelnen Wärmeübertragungswiderstände eine Verbesserung des Gesamtsystems.
Zielstellung:
Der Fokus der Arbeiten liegt auf der Optimierung des Wärmeübertragers seitens der Wärmesenke. Im Wärmeübertrager wird das Wärmeträgermedium kondensiert und die entstehende Wärme wird an die Luft abgegeben. Die wesentlichen Wärmewiderstände sind der Wärmeübergang bei der Kondensation im Rohr und der luftseitige, konvektive Wärmeübergang. Durch eine hydrophobe Nanobeschichtung der Rohrinnenwand wird die Benetzbarkeit der Oberfläche reduziert. Dies führt zu einer Tropfenkondensation, was einer Vergrößerung des Wärmeübergangskoeffizienten entspricht. Die Wärmeabgabe an Luft wird durch eine Untersuchung unterschiedlicher Rohrrippendesigns optimiert.
Methoden und Ergebnisse:
Eine Oberflächenmodifikation sollte möglichst dünn sein, um den Strömungsquerschnitt nicht zu reduzieren und keinen zusätzlichen thermischen Widerstand zu erzeugen. Weiterhin ist eine starke Bindung der Beschichtung zum Grundmaterial erforderlich, um über einen langen Betriebszeitraum stabil zu sein. Eine zusätzliche Herausforderung stellt die Beschichtung von Rohrinnenwänden aufgrund der beschränkten Zugänglichkeit dar. Um die benannten Anforderungen zu erfüllen, werden Nanobeschichtungen untersucht. Experimentelle Analysen zur Oberflächenfunktionalisierung wurden auf Edelstahloberflächen durchgeführt, um eine wenig benetzbare Wärmeübertragungsoberfläche zu erzeugen.
Mittels CFD-Simulationen wurden Vorauslegungen für Rippenrohre unter dem Einfluss von Naturkonvektion durchgeführt. Anhand der Simulationsergebnisse wurden neue Rippenrohrdesigns entwickelt, welche in einem Strömungskanal experimentell unter Anwendungsbedingungen untersucht wurden. Unterschiedliche Einflussparameter des Rippenrohres und des Strömungskanals wie Rippenhöhe, Rippenstärke, Rippenabstand, Geschwindigkeit und Temperaturdifferenz, wurden betrachtet und für unterschiedliche Betriebs- und Störfallbedingungen in nuklearen Kraftwerken optimiert.
Einfluss von unbehandelter Metalloberfläche (links) und nanobeschichteter Metalloberfläche (rechts) auf das Kondensationsverhalten (Mitte)
CAD-Zeichnung der Teststrecke des Strömungskanals und des Versuchsrohrs (links). CFD-Simulation des Temperaturprofils eines von Luft umströmten Rippenrohres (rechts)
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