Wärmeübergang von Wasser in vertikalen Rohrströmungen bei überkritischem Druck

Abstract

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.

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.