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Wärmeübergang von Wasser in vertikalen Rohrströmungen bei überkritischem Druck
(2007) Löwenberg, Matthias Ferdinand; Laurien, Eckart (Prof. Dr.-Ing. habil.)
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.