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Das Forschungsvorhaben CIWA

(Condensation Induced Water Hammer)

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Dr.-Ing. Andreas Dudlik

Fraunhofer UMSICHT, Process Technology, Osterfelder Straße 3,

46067 Oberhausen. [email protected]

o Vorstellung des Verbundes

o Ziele und Inhalte

o Ausgewählte Ergebnisse

o Zusammenfassung

06.03.2013 1. Projektstatusgespräch zur BMBF-geförderten Nuklearen Sicherheitsforschung

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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


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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


Thematik von CIWA:

Kondensationsinduzierter Druckstoß

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• 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


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• 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


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

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Inhalte von CIWA


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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


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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


Auswahl repräsentativer Geometrien

• heiß- und kaltseitige Notkühleispeisung

• Abzweig einer Leitung

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höhenverstell-

bares Innenrohr

verschiedene

Einspeisedüsen

Einspeisegeometrien


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UniBW Testsektion DN 100, L = 5 m

TUHH Testsektion DN 50, L = 2,5 m

Versuchsstände


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

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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


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


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• 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


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http://www.tu-harburg.de/ciwa

Erstellung einer Projekt-Website


• International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermalhydraulics (NURETH)

14th: Minisymposium „Pressure

Surges in NPP“ (12 Vorträge)

15th: 2 gleichnamige Sitzungen

(ca. 10 Vorträge)

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• 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


• 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

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Zusammenfassung


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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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


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