View
219
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Das Forschungsvorhaben CIWA
(Condensation Induced Water Hammer)
1
Dr.-Ing. Andreas Dudlik
Fraunhofer UMSICHT, Process Technology, Osterfelder Straße 3,
46067 Oberhausen. andreas.dudlik@umsicht.fraunhofer.de
o Vorstellung des Verbundes
o Ziele und Inhalte
o Ausgewählte Ergebnisse
o Zusammenfassung
06.03.2013 1. Projektstatusgespräch zur BMBF-geförderten Nuklearen Sicherheitsforschung
2
6 Projekt-Partner:
Organisation zur Förderung der angewandten Forschung
Fraunhofer UMSICHT
Hochschulen
- Technische Universität Hamburg-Harburg
- Technische Universität München
- Universität der Bundeswehr München
Gutachter
im kerntechnischen Aufsichts- und Genehmigungsverfahren
- TÜV NORD
- TÜV SÜD
Projektbegleitender
Ausschuss:
TECHNIP Germany
KFKI / AEKI
GESTRA
Vorstellung des Verbundes
06.03.2013 1. Projektstatusgespräch zur BMBF-geförderten Nuklearen Sicherheitsforschung
3
0,25 s
1,5 s
3 s
4,5 s
4,52 s
4,54 s
4,56 s
An der Stelle der höchsten Phasenrelativ-
geschwindigkeit tritt Slugging auf.
blau = Wasser
Druckstoß
rot = Dampf unterkühltes Wasser strömt in eine
dampfgefüllte, horizontale Rohrleitung
Ausbildung einer Schichtenströmung
Kondensation von Dampf an der
Phasengrenze, Druckgefälle
Dampfnachströmung zur
Phasengrenzfläche
Slugbildung, Slugbewegung nach links
Einschluss eines Dampfgebietes
Kollaps des Dampfgebietes
spontanes Abbremsen der Wasser-
säule, Druckstoß (z.T. > 200 bar),
stochastisches Phänomen
06.03.2013 1. Projektstatusgespräch zur BMBF-geförderten Nuklearen Sicherheitsforschung
Thematik von CIWA:
Kondensationsinduzierter Druckstoß
4
• zahlreiche Ereignisse im In- und Ausland aufgrund von kondensationsinduzierten
Druckstößen (Condensation Induced Water Hammer) CIWH
• Halbierung der Anzahl der CIWH / Jahr / Anlage durch
- Wissensgewinn auf Basis experimenteller Untersuchungen,
- Optimierung der Systemauslegung und der Betriebsweise sowie
- der Schulung der Operatoren
• in keinem Regelwerk gibt es derzeit Vorgaben für die Berechnung von CIWH
• derzeitige Strategie:
1. CIWH ausschließen (Kriterien von z.B. Griffith, Chun a. Yu)
2. experimentelle oder analytische Absicherung
trotzdem treten CIWH in den Anlagen auf
• Defizite
a) Experimente: stochastische Prozesse bei der
Oberflächenveränderung und der Slug-Bildung,
Einflussgrößen nicht verstanden, große
Streuung der Ergebnisse
b) bislang unzureichende Modelle (z.B. Slug-Bildung),
fehlende experimentelle Absicherung
Motivation und Stand von W+T
06.03.2013 1. Projektstatusgespräch zur BMBF-geförderten Nuklearen Sicherheitsforschung
5
• Forschung - Weiterentwicklung des Standes von Wissenschaft und Technik zu
kondensationsinduzierten Druckstößen (CIWH)
- Schaffung einer experimentellen Datenbasis an drei Testanlagen
- Entwicklung neuer Modelle zur Berechnung von CIWH
- Einbindung der neuen Modelle in bestehende numerische Rechenwerkzeuge
• akademische Grund- und Fachausbildung - 3 Promotionen, zahlreiche Studien- und Diplomarbeiten
- Versuchsstände u.a. nutzbar für studentische Praktika
• Weiterbildung bei Behörden, Betreibern
- 2 Seminare als Training u.a. für Berufsanfänger
• Vorträge und Publikationen
- Minisymposium / Sitzungen auf NURETH 14 und 15, Jahrestagung Kern-
technik, KTG-Fachtag, Sonderheft(e) der Zeitschrift Kerntechnik
Gesamtziele
06.03.2013 1. Projektstatusgespräch zur BMBF-geförderten Nuklearen Sicherheitsforschung
Beantwortung der Fragen:
1.) Unter welchen Bedingungen kommt es zu einem CIWH, unter welchen
Bedingungen definitiv nicht?
2.) Mit welchen Belastungen ist hierbei zu rechnen?
Arbeitsprogramm:
• Literaturrecherche (Experimente und Modelle zu kondensationsinduzierten
Druckstößen, Umschlag von Schichten- auf Schwallströmung (Slugging) sowie
Phasentransfer und Wärmeübergang bei Direktkontaktkondensation)
• Planung, Durchführung und Auswertung von Experimenten
• Modellentwicklung
• Einbindung in bestehende Codes (1D und 3D)
• Modellvalidierung und -qualifizierung für kerntechnische Verfahren
• Seminare, Website, Veröffentlichungen
6
Inhalte von CIWA
06.03.2013 1. Projektstatusgespräch zur BMBF-geförderten Nuklearen Sicherheitsforschung
7
D = 0,073 m
L = 2,87 m
• Durchführung einer umfangreichen Literaturrecherche zu experimentellen und
analytischen Arbeiten
• ca. 10 Experimente wurden mit Bezug zu CIWH identifiziert
(u.a. HDR, Wasserkanone, TPTF, LSTF, Pulser, PMK-2 ….)
• Aufbau einer Versuchsdatenbank
• Schwierigkeiten bei der Auswertung der Veröffentlichungen:
- Qualität der veröffentlichten Daten ist limitiert (nicht alle Einflussgrößen
wurden betrachtet bzw. sind beschrieben)
- Messtechnik (zeitlich / räumlich) nicht hochauflösend
Beispiel:
PMK-2 Versuch (KFKI-AEKI in Budapest)
• mit Sattdampf gefülltes Rohr
• Einspeisen von kaltem Wasser
• stochastische Kondensationsschläge
Dp = 1 …210 bar
Literaturrecherche
06.03.2013 1. Projektstatusgespräch zur BMBF-geförderten Nuklearen Sicherheitsforschung
8
Anhand der Literaturrecherche wurde eine Vorauswahl von Anfangs- und
Randbedingungen vorgenommen:
• horizontales oder leicht gegenüber der Horizontalen geneigtes Rohr
(-5° bis +5° / Kriterium nach Griffith: < 2,4 °)
• Einspeisung von Wasser in ruhenden / strömenden Dampf oder in
teilgefülltes Rohr
• Einspeisegeometrie (T-Stück, Hutze …)
• Länge der Testsektion bezogen auf den Durchmesser L/D
(~50 / Kriterium nach Griffith: L/D > 24)
• Durchmesser der Testsektion (50 mm, 100 mm)
• Systemdrücke (1 - 10 bar)
• Unterkühlungen (1 - 150 K / Kriterium nach Griffith: > 20 K)
• Froude-Zahl (0,01 bis 1,1 / Kriterium nach Griffith Fr < 1)
Planung von Experimenten
06.03.2013 1. Projektstatusgespräch zur BMBF-geförderten Nuklearen Sicherheitsforschung
Auswahl repräsentativer Geometrien
• heiß- und kaltseitige Notkühleispeisung
• Abzweig einer Leitung
9
höhenverstell-
bares Innenrohr
verschiedene
Einspeisedüsen
Einspeisegeometrien
06.03.2013 1. Projektstatusgespräch zur BMBF-geförderten Nuklearen Sicherheitsforschung
10
UniBW Testsektion DN 100, L = 5 m
TUHH Testsektion DN 50, L = 2,5 m
Versuchsstände
06.03.2013 1. Projektstatusgespräch zur BMBF-geförderten Nuklearen Sicherheitsforschung
UMSICHT Testsektion DN 100, L = 6 m
TUHH: integrale Versuche und Experimente zu
Einzelphänomenen (u.a. Phasengrenzenver-
teilung mit Gegenlichtaufnahmen)
UniBW: integrale Versuche mit
unterschiedlichen Einspeisemöglichkeiten auch
bei teilgefüllter Testsektion
UMSICHT: integrale Versuche auch bei starker
Unterkühlung
11
blau = Wasser
Druckstoß
rot = Dampf
Slugging
• zu modellierende Phänomene, insbes.:
- Umschlag von Wellen- in
Schwallströmung
- Direktkontaktkondensation von Dampf
an einer unterkühlten Flüssigkeit
• Implementierung der Modelle in
- 1D Codes (DYVRO, ATHLET)
- 3D Codes (CFX, OpenFOAM)
)T(TAαQ WasserDampfi
Wärmeübergangskoeffizient
1. Schritt: α = konstant
2. Schritt: α = variabel
Phasengrenzfläche
Modellentwicklung
06.03.2013 1. Projektstatusgespräch zur BMBF-geförderten Nuklearen Sicherheitsforschung
Schwerpunkte der Modellentwicklung
- Wärmeübergangskoeffizient:
Berechnung anhand eines
Oberflächenerneuerungsmodells
- Phasengrenzfläche:
für Wellen-/Schwallströmung (geometrischer Ansatz)
für ein Tropfenfeld am Wellenberg
11.10.2012 12
CFD-Simulation eines Experiments
an der PMK-2 Versuchsanlage
1. Projektstatusgespräch zur BMBF-geförderten Nuklearen Sicherheitsforschung
13
Nachrechnung eines PMK2-Versuches
mit dem 1D Druckstoß-Code DYVRO
06.03.2013 1. Projektstatusgespräch zur BMBF-geförderten Nuklearen Sicherheitsforschung
14
• Weiterbildung bei Behörden, Betreiber, Aufbau und Training von
Berufsanfängern
- 1. Seminar am 24. und 25. Februar 2011 beim TÜV NORD in Hamburg
- 2. Seminar in 2013: Neue CIWH Modelle und deren Anwendung
ca. 35 Teilnehmer
(Hochschulen, Be-
hörden, Sachver-
ständige, Indus-
trie, Forschung)
18 Vorträge und
eine Vorführung
CIWA Seminare
06.03.2013 1. Projektstatusgespräch zur BMBF-geförderten Nuklearen Sicherheitsforschung
15
http://www.tu-harburg.de/ciwa
Erstellung einer Projekt-Website
06.03.2013 1. Projektstatusgespräch zur BMBF-geförderten Nuklearen Sicherheitsforschung
• International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermalhydraulics (NURETH)
14th: Minisymposium „Pressure
Surges in NPP“ (12 Vorträge)
15th: 2 gleichnamige Sitzungen
(ca. 10 Vorträge)
16
• KTG-Fachtag „Aktuelle Themen der
Reaktorsicherheitsforschung in Deutschland“
Toronto, Canada
25.-30. September 2011
• „Kompetenzerhalt in der Kerntechnik“, 14.-16. Mai,
2013 in Berlin
Pisa, Italien
12.-16. Mai 2013
Independent
J. for Nuclear
Engineering
Vorträge und Publikationen
06.03.2013 1. Projektstatusgespräch zur BMBF-geförderten Nuklearen Sicherheitsforschung
• Eine umfangreiche Literaturrecherche wurde vorgenommen.
• Die experimentell zu untersuchenden Geometrien sowie die AB und RB wurden
spezifiziert. Die Ziele der Versuchsreihen sind: a) Ausschlusskriterien belegen,
b) hochauflösende Daten für die Modellentwicklung bereitstellen.
• Die Versuchsanlagen wurden aufgebaut / modifiziert und in Betrieb genommen.
• Es wurden Voruntersuchungen durchgeführt: Bedingungen, bei denen Druck-
stöße auftreten, sind reproduzierbar. Die Druckhöhen sind unterschiedlich.
• 1D / 3D-Modellentwicklungen wurden vorgenommen. Die Simulationen können
die zeitliche Phasenverteilung incl. Slugging wiedergeben. Die Berechnung der
Druckhöhen sind noch mit Unsicherheiten behaftet.
• Strategien für die Validierung und Qualifizierung der Modelle / Codes für die
kerntechnischen Verfahren wurden entwickelt.
• Eine Projektwebsite wurde aufgebaut, das erste CIWA Seminar durchgeführt,
zahlreiche Veröffentlichungen, 1 Sonderheft zu Druckstößen in KKW
Ziele des Förderkonzeptes „Grundlagenforschung Energie 2020+“ werden erreicht:
ca. 30 Personen forschen intensiv an dem Thema CIWH
Einsatz der Versuchsanlagen in der Lehre (Praktika), studentische Arbeiten
17
Zusammenfassung
06.03.2013 1. Projektstatusgespräch zur BMBF-geförderten Nuklearen Sicherheitsforschung
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
18
Das dieser Präsentation zugrundeliegende Vorhaben wurde mit
Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter
dem Förderkennzeichen 02NUK011 gefördert. Die Verantwortung für
den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.
Förderung
06.03.2013 1. Projektstatusgespräch zur BMBF-geförderten Nuklearen Sicherheitsforschung
Recommended