Einzel- und Integralexperimente sowie theoretische Analysen zu Verdampfung, Kondensation und Zweiphasen-Naturumlaufstabilität in einem passiven Wärmetransportsystem
Verbundprojekt: „Untersuchungen zu passiven Nachzerfallswärme-Abfuhrsystemen: Experimentelle Analyse, Modellbildung und Validierung für System- und CFD-Codes“ im Rahmen des Förderkonzeptes „Grundlagenforschung Energie 2020+“
| Projektleiter: | Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Hurtado |
| Verantwortlicher Mitarbeiter: | Dr.-Ing. Christoph Schuster |
| Wissenschaftliches Personal: |
Dipl.-Ing. Rene Manthey Dipl.-Ing. Frances Viereckl |
| Wissenschaftsunterstützendes Personal: | Ricardo Morelli |
| Laufzeit: | 07/2015 - 01/2022 |
| Fördermittelgeber: | BMBF |
| Förderkennzeichen: | 02NUK041A |
Kurzbeschreibung
PANAS 2015 - 2018
Die Versuchsanlage GENEVA (siehe Abb. 1) der Professur für Wasserstoff- und Kernenergietechnik der TU Dresden wurde 2012 innerhalb des gleichnamiges Projektes errichtet und bildet den Gebäudekondensator des Reaktorkonzepts KERENA in den wichtigsten Dimensionen im Maßstab 1:1 ab. Nach der Inbetriebnahme Anfang 2013 wurden bereits zahlreiche Experimente zur Naturumlaufstabilität durchgeführt. Diese Anlage steht für die experimentellen Untersuchungen im Verbundprojekt PANAS zur Verfügung. Um die Wärmeübertragungsvorgänge Kondensation an der Außenseite geneigter Rohre und Verdampfung innerhalb geneigter Rohre im Detail zu untersuchen, wurde eine deutliche Verbesserung der Instrumentierung im Bereich der Wärmeübergangszone in der Dampfkammer der Versuchsanlage (siehe Abb. 2) vorgenommen.
Abb. 1: Technische Darstellung der Versuchsanlage GENEVA als Nachbildung des Gebäudekondensators des Reaktorkonzeptes KERENA
Abb. 2: Längsschnitt durch die technische Darstellung der Dampfkammer der Versuchsanlage GENEVA mit innenliegendem Rohrbündel für die Wärmeübertragung
Anhand der experimentellen Daten werden die bisher im Systemcode ATHLET verwendeten Wärmeübergangsmodelle überprüft und validiert sowie Korrelationen zur Bestimmung des Wärmeübergangs weiterentwickelt. Darüber hinaus stehen die experimentellen Daten den Projektpartnern für die CFD-Modellierung zur Verfügung.
In einem zweiten Schwerpunkt werden die Stabilitätseigenschaften dieses Naturumlaufsystems mit der an der Professur für Wasserstoff- und Kernenergietechnik entwickelten RAM-ROM-Methodik untersucht. Vorteil dieser Methodik ist die Anwendung nichtlinearer Algorithmen, womit charakteristische Eigenschaften beschrieben werden können, die linearen Analysen nicht zugänglich, aber aus experimentellen Daten extrahierbar sind. Die Integralexperimente an der Versuchsanlage GENEVA liefern die notwendigen Daten.
PANAS Aufstockung 2019 - 2020
Der Sicherheitsbehälter des KERENA ist während des Betriebes mittels einer Stickstoffatmosphäre inertisiert. Durch spezielle physikalische/chemische Prozesse kann sich Wasserstoff in der Sicherheitsbehälteratmosphäre anreichern. Diese nichtkondensierbaren Gase beeinflussen die Wärmeübertragung bei Kondensation am Gebäudekondensator. Die quantitative Erfassung steht im Mittelpunkt der Einzelphänomen-Experimente an der Versuchsanlage GENEVA und der nachfolgenden Modellanalyse auf Integralebene. Um den Einfluss der nichtkondensierbaren Gase im Detail zu untersuchen, ist eine deutliche Erweiterung der Instrumentierung und Infrastruktur vorgesehen. Neben dem Wasserdampf werden die Experimentiergase Helium, das als Wasserstoffsubstitut verwendet wird, und Stickstoff in die Dampfkammer geleitet und anschließend die Verteilung und der Einfluss auf den Wärmeübergang analysiert. Die experimentellen Daten dienen erneut zur Überprüfung und Validierung der bisher im Systemcode ATHLET verwendeten Modelle sowie der Weiterentwicklung von Wärmeübergangskorrelationen.
Der zweite Forschungsschwerpunkt, der sich der Stabilitätsuntersuchung zweiphasiger Naturumlaufströmungen widmet, wird fortführend mittels Integralexperimenten an der Versuchsanlage GENEVA und der Weiterentwicklung der RAM-ROM-Methode im Bereich von Niedrigdrucksystemen bearbeitet. Zur Untersuchung der Stabilitätseigenschaften wird das im laufenden Vorhaben entwickelte ordnungsreduzierte Modell im Hinblick auf die Wiedergabe gezielter Instabilitätsphänomene modifiziert sowie der Einfluss sich ausbildender Strömungsformen auf das Instabilitätsverhalten untersucht.