04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Experimental investigation on heat transfer and pressure drop of supercritical carbon dioxide cooling in small diameter tubes(Stuttgart : Institut für Kernenergetik und Energiesysteme, 2022) Wahl, Andreas; Starflinger, Jörg (Prof. Dr.-Ing.)Kraftwerkskreisläufe mit überkritischem Kohlendioxid (sCO2) als Arbeitsmittel haben hohes Potenzial in Hinsicht von Effizienz- und Flexibilitätssteigerungen im Vergleich zu konventionell wasserdampfbetriebenen Kraftwerken. Das kompaktere Anlagenlayout reduziert den Materialeinsatz, was wiederum zu niedrigeren Investitionskosten führt. Bei der Wärmeabfuhr nahe dem kritischen Druck durchlaufen die thermophysikalischen Stoffeigenschaften abrupte Änderungen. Daher variieren die Wärmeübertragung und die hydraulischen Eigenschaften innerhalb eines engen Temperaturbereichs stark. Die vorliegende Arbeit untersucht die Wärmeübertragung und den Druckverlust von sCO2 in Rohrströmungen mit kleinem Durchmesser, um eine Designempfehlungen für neuartige Konzepte kompakter Wärmeübertrager zu liefern. Der Einsatz kompakter Wärmeübertrager hat das Potential die Effizienz, Lastwechselgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit eines Kraftwerkskreislauf unter hohem CO2-Druck und kleiner Differenztemperatur zu verbessern. Es wurden zwei Teststrecken in Form eines Doppelrohrwärmeübertrager konzipiert und aufgebaut. Die sCO2-Rohrströmung, mit jeweils 2 mm und 3 mm Innendurchmesser, wird durch das Kühlmedium im Ringspalt abgekühlt. Temperaturmessungen in der Wandung des Innenrohres ermöglichen die quantitative Bewertung des Wärme-übertragungskoeffizienten der sCO2 Strömung. Die Arbeit wurde thematisch in vier Kaptitel unterteilt. In jedem Abschnitt wird eine Messkampagne vorgestellt und die Ergebnisse mit entsprechenden Literaturdaten verglichen. Mit dem 2 mm-Versuchsrohr wurde die turbulente Wärmeübertragung untersucht. Unter weitreichender Variation der Betriebsbedingungen von sCO2 (Druck, Temperatur, Massenfluss) und Kühlmedium (Volumenstrom, Temperatur) wurde der Einfluss auf den Wärmeübertragungskoeffizient untersucht. Die signifikanten Einflüsse aller Parametern wurden aufgezeigt und eine neue Nusselt-Wärmeübertragungs-gleichung wurde entwickelt. Die Wärmeübertragung in vertikaler Strömungsausrichtung wurde mit beiden Versuchsrohren untersucht. Eine deutliche Verschlechterung der Wärmeübertragung in der Abwärtsströmung wurde festgestellt, welche durch Beschleunigungs- und Auftriebseffekte verursacht wird. In den horizontalen Versuchsreihen mit dem 3 mm Rohr wurden Messungen doppelt durchgeführt mit jeweils Temperaturmessungen oben und unten in der Rohrwandung. Bei Variation von CO2-Massenfluss und CO2-Temperatur wurde eine Temperaturschichtung festgestellt. Mit beiden Versuchrohren wurde der Druckverlust untersucht. Mit jeweils einer isothermen Versuchskampagne wurden eine Gleichung für den Reibungs-koeffizienten validiert. Basierend darauf wurde die Vorhersagbarkeit des Druckverlustes beim Kühlen untersucht. Die Berechnung der Druckverluste mit den Stoffeigenschaften bei Kernströmungstemperatur zeigten die beste Übereinstimmung mit den experimentellen Messungen.Item Open Access Thermo-hydraulic analysis of wall bounded flows with supercritical carbon dioxide using direct numerical simulation(Stuttgart : Institute of Nuclear Technology and Energy Systems, 2018) Pandey, Sandeep; Laurien, Eckart (Prof. Dr.-Ing. habil.)The power cycle based on supercritical carbon dioxide technologies promises a higher thermal efficiency and a compact plant layout. However, heat transfer and hydraulic characteristics are peculiar in the near-critical region due to the sharp variation of thermophysical properties in a narrow temperature and pressure range. Therefore, this works presents the results of several direct numerical simulations (DNS) of turbulent wall-bounded flow at supercritical pressure. The spatially developing pipe flows are simulated with the low Mach number approximation to characterize the cooling process of supercritical carbon dioxide. The upward and downward flow of carbon dioxide in vertical orientation has been considered. Heat transfer deterioration followed by recovery is observed in the downward flow while enhancement occurs in the upward flow as compared to forced convection. During the heat transfer deterioration, sweep and ejection events are decreased greatly, triggering the reduction in turbulence. The recovery in turbulence is brought by the Q1 and Q3 (also known as outward and inward interaction) events, contrary to the conventional belief about turbulence generation. The turbulence anisotropy of the Reynolds stress tensor showed that the turbulence structure becomes rod-like during the deteriorated heat transfer regime in the downward flow and disc-like for the upward flow. In addition to low Mach number DNS, a framework for using fully-compressible discontinuous Galerkin spectral element method for DNS of supercritical carbon dioxide is presented. A turbulent channel flow is considered to demonstrate the ability of this framework and to observe the effects of Mach number in the supercritical fluid regime. The increase in the Mach number increases the turbulence in the flow for a given Reynolds number. Finally, a computationally light data-driven approach for heat transfer and hydraulic characteristics modeling of supercritical fluids is presented based on the deep neural network. This innovative approach has shown remarkable prediction capabilities.Item Open Access Application of a new resonance formalism to pressurized water reactors(2010) Oberle, Philipp; Lohnert, Günther (Prof., Ph.D.)Application of a new resonance formalism to Pressurized Water Reactors In the presented study a new neutron scattering formalism is integrated into an established deterministic simulation system. With this energy- and temperature dependent scattering approach a more accurate form of the energy dependent neutron flux form can be determined. The neutron flux form is needed as weighting function for the calculation of effective multi group cross sections. The new scattering approach leads to an improved energy discretization in multi group calculations and therefore to more accurate results of nuclear reactor simulations. The impact of the improved description of the scattering process is demonstrated in the results. The new model takes account for neutron up scattering. The up scattering and the energy dependent scattering kernels are causing changes in the neutron flux form in the energy region of resonances. The validation of the implementation of the energy- and temperature dependent scattering approach into the KAPROS fine flux module ULFISP has been applied by pressurized water reactor pin cell comparison calculations with the existing solution of the Monte Carlo code MCNPX. The used scattering model in MCNPX is based on an analog method. For both solutions absorption- and reactivity changes as well as changes of the safety relevant fuel Doppler coefficient are compared. Good agreement between both methods was observed. An additional new method which combines the standard and the new scattering model has been developed to analyze which specific isotopes lead to significant changes in the neutron flux form when the new approach is applied. For the most relevant isotopes an analysis of the reasons for their importance is included. A special significance was determined for the isotopes uranium-238 and oxygen-16. The long term impact of the new scattering approach to the fuel inventory and for this reason to burnup dependent reactivity changes are shown by fuel pin cell and fuel assembly burnup calculations. The vectors of some important isotopes changed significantly during burnup. The application of the new scattering approach leads to a 1% higher fission material fuel inventory in a UO2 pin cell burnup simulation at 80 MWd/kg HM burnup. The relevance of the new scattering approach for complete reactor core simulations is investigated for a UO2/MOX reactor core benchmark of the OECD/NEA. For this purpose a new interface module has been developed between KAPROS and the core simulator PARCS . For the reactivity results compensating effects were observed while the absolute value of the safety relevant negative Doppler coefficient raises for 9 %.Item Open Access Experimentelle Untersuchung von geschlossenen Zwei-Phasen-Thermosiphons zur passiven Kühlung von Nasslagerbecken(Stuttgart : Institut für Kernenergetik und Energiesysteme, 2021) Graß, Claudia Katharina; Starflinger, Jörg (Prof. Dr.-Ing.)In mehreren Versuchsaufbauten wurde schrittweise die passive Kühlung eines Nasslagerbeckens durch geschlossene Zwei-Phasen-Thermosiphons experimentell untersucht. Durch die Verdampfung und Kondensation von Wasser in einem geschlossenen Rohr wird latente Wärme von einem Wasserbecken an die Umgebungsluft abgegeben. Die Temperatur des Nasslagerbeckens darf im Normalbetrieb 45°C nicht überschreiten. Untersucht wurden verschiedene Aufbau und Rohrkonfigurationen und -modifikationen, sowie mehrere Arbeitsmedien und thermisch variable Randbedingungen.