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Research Article
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El sifón rompiendo el fenómeno fue investigado experimentalmente y se propuso un modelo teórico. Se desarrolló un programa de simulación basado en el modelo teórico y los resultados del programa de simulación se compararon con los resultados experimentales. Se concluyó que los resultados del programa de simulación emparejó bien los resultados experimentales.
En las condiciones de diseño de un reactor de investigación, el fenómeno de sifón, inducido por la ruptura de la tubería puede causar flujo continuo hacia afuera del agua. Para evitar esta salida, un dispositivo de control se requiere. Un interruptor de sifón es un tipo de dispositivo de seguridad que puede ser utilizado para controlar con eficacia la pérdida de agua de refrigeración.
Para analizar las características del sifón rompiendo, se llevó a cabo un experimento de escala real. De los resultados del experimento, se encontró que existen varios factores de diseño que afectan el sifón rompiendo el fenómeno. Por lo tanto, es necesario desarrollar un modelo teórico capaz de predecir y analizar el sifón rompiendo fenómeno bajo diferentes condiciones de diseño. Utilizando los datos experimentales, es posible formular un modelo teórico que predice con precisión el progreso y el resultado del sifón rompiendo el fenómeno. El modelo teórico establecido se basa en la mecánica de fluidos e incorpora el modelo de Chisholm para analizar el flujo de dos fases. De la ecuación de Bernoulli, la velocidad, cantidad, contracción altura, caudal, presión, coeficiente de fricción y factores relacionados con el flujo de dos fases podría ser obtenida o calculada. Por otra parte, para utilizar el modelo establecido en el presente estudio, se desarrolló un programa de análisis y diseño de interruptor de sifón. El programa de simulación funciona sobre la base del modelo teórico y devuelve el resultado como un gráfico. El usuario puede confirmar la posibilidad del sifón rompiendo marcando la forma del gráfico. Además, guardar el resultado de toda simulación es posible y puede ser utilizado como un recurso para analizar el sifón real romper el sistema.
En conclusión, el usuario puede confirmar el estado del sifón rompiendo y diseño del sistema de triturador de sifón utilizando el programa desarrollado en este estudio.
Recientemente ha aumentado el número de reactores con combustible tipo placa, tales como la investigación de Jordania y Reactor de entrenamiento (JRTR) y Reactor de investigación de KiJang (KJRR). Para conectar fácilmente el combustible tipo placa, el reactor de investigación requiere un flujo hacia abajo de la base. Puesto que los reactores de investigación requieren carga de succión positiva neta el primario del sistema de enfriamiento, algunos componentes del sistema de enfriamiento podrían potencialmente instalarse debajo del reactor. Sin embargo, si la ruptura de la tubería se produce en el sistema de refrigeración primario por debajo del reactor, el efecto sifón causa drenaje continuo de líquido refrigerante que puede resultar en la exposición del reactor al aire. Esto significa que no puede extraerse el calor residual, que podría conducir a un grave accidente. Por lo tanto, en caso de una pérdida de accidente del líquido refrigerador (LOCA), es necesario un dispositivo de seguridad que puede evitar un accidente grave. Un interruptor de sifón es un dispositivo de seguridad. Puede prevenir con eficacia el drenaje del agua mediante el uso de una irrupción de aire. Todo el sistema se llama el sifón rompiendo el sistema.
Se han realizado varios estudios para la mejora de la seguridad del reactor de investigación. McDonald ' s y Marta1 llevó a cabo un experimento para confirmar el funcionamiento de un sifón rompiendo la válvula como un interruptor de funcionamiento activamente. Neill y Stephens2 realizaron un experimento utilizando un martillo rompedor de sifón como un dispositivo pasivo funcionado en un tubo de pequeño tamaño. Sakurai3 propuso un modelo analítico para analizar el sifón rompiendo donde se aplicó un modelo de flujo de aire-agua completamente separada.
Sifón rompiendo es extremadamente complejo porque hay muchos parámetros que necesitan ser considerados. Además, porque no se han realizado los experimentos para reactores de investigación de escala real, es difícil aplicar los estudios anteriores a reactores de investigación contemporáneo. Por lo tanto, los estudios anteriores no han presentado un modelo teórico satisfactorio para sifón rompiendo. Por esta razón, se realizó un experimento de escala real para establecer un modelo teórico.
Para investigar el efecto del interruptor de sifón en un reactor de investigación, se realizaron experimentos de verificación de la escala real Universidad Pohang de ciencia y tecnología (UMSNH) y el Instituto de investigación de energía atómica de Corea (KAERI)4,5 ,6. La figura 1 es la facilidad real para el experimento de interruptor de sifón. La figura 2 muestra un diagrama esquemático de la instalación e incluye la marca de la instalación.
Figura 1. Facilidad para el sifón rompiendo experimento demostración. El tamaño de la tubería principal es de 16 en y se instala una ventana de acrílico para la observación. El orificio es un dispositivo preparado para describir la caída de presión. Por lo tanto, hay una parte del conjunto de orificio en la parte inferior del tanque superior. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. Diagrama esquemático de la instalación experimental. Se presenta la ubicación de puntos de medida. Los números indican estos lugares pertinentes; posición de punto 0 significa la entrada del disyuntor de sifón, punto 1 indica el nivel de agua, punto 2 significa la parte conectada el interruptor del sifón y la tubería principal y punto 3 significa la LOCA. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La instalación experimental de interruptor de sifón consiste en un tanque superior, un tanque inferior, un sistema de tuberías y una bomba de retorno. La capacidad del tanque superior es de 57,6 m3. La zona inferior y la profundidad son 14,4 m2 (4 m x 3,6 m) y 4 m, respectivamente. El tanque inferior y la posición de LOCA están situado 8,3 m por debajo del tanque superior. La capacidad del tanque inferior es de 70 m3. El tanque inferior se utiliza para almacenar el agua durante el experimento. El tanque inferior se conecta a la bomba de retorno. El agua en el tanque inferior se bombea en el tanque superior. El tamaño de la tubería principal del sistema es 16. Al final de la línea de sifón de interruptor (SBL) esta situado 11,6 m de alto sobre el tubo inferior punto de ruptura. Además, acrílico windows se instalan en la tubería de la visualización, como se muestra en la figura 1.
Se instalaron varios dispositivos para medir las señales físicas. Se utilizaron dos transductores de presión absoluta (APTs) y tres transductores de presión diferencial (DPTs). Para medir el caudal másico de agua, se utilizó un medidor de flujo ultrasónico. Se utilizó un sistema de adquisición de datos para obtener todos los datos de medición en 250 ms en intervalos de tiempo. Además de los equipos para la medición, las cámaras fueron instaladas para la observación y un gobernante fue atado en la pared interior del tanque superior para comprobar el nivel del agua.
En el experimento se consideraron varios tamaños de interruptor (SB) LOCA y sifón, sifón interruptor tipos (agujero de línea) y la presencia de orificio de combustible del reactor y el punto de ruptura de la tubería. Con el fin de verificar el efecto de tamaño LOCA y SBL, varios tamaños de LOCA y SBL fueron utilizados. Los tamaños LOCA osciló entre 6 y 16 y los tamaños SBL varió de 2 a 6 en. En el experimento, tipo de línea y el agujero de interruptores de sifón fueron utilizados, pero el contenido siguiente de este estudio sólo considera el tipo SBL en el JRTR y KJRR. Como ejemplo de resultados experimentales, figura 3 es un gráfico que incluye los datos de tasa de flujo de presión y agua. El experimento se llevó a cabo en 04 de octubre de 2013 y la muestra de datos experimentales es LN23 (tipo de línea SB, sin orificio, 12 en LOCA, 2.5 en SBL).
De los datos del experimento, se estableció el modelo teórico que puede predecir el sifón rompiendo el fenómeno. El modelo teórico comienza con la ecuación de Bernoulli. La velocidad del fluido se obtiene de la ecuación de Bernoulli y el flujo volumétrico se puede obtener multiplicando la velocidad del fluido por el área de la tubería. Además, el nivel del agua puede obtenerse usando la tasa de flujo volumétrico. El concepto básico del modelo teórico es como arriba. Sin embargo, puesto que el sifón rompiendo el fenómeno es un flujo de dos fases, hay puntos adicionales a considerar. Para considerar un modelo de análisis de flujo bifásico, se realizó una prueba de verificación de exactitud. Puesto que el modelo de Chisholm era más preciso que un modelo homogéneo, el modelo de Chisholm se utiliza para analizar el fenómeno. Según el modelo de Chisholm, el fórmula del multiplicador de dos fases se expresa como ecuación 17. En esta ecuación, ф representa el multiplicador de dos fases, ρ representa la densidad, y X representa calidad.
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Además, se desarrolló un programa de simulación con una interfaz gráfica de usuario (GUI). Por la transición de los datos de presión absoluta en la figura 3, el fenómeno se puede dividir en tres etapas: la pérdida de refrigerante (flujo monofásico), rotura del sifón (flujo bifásico) y estado estacionario. Por lo tanto, el proceso de cálculo principales del algoritmo incluye un proceso de tres etapas correspondientes a las tres etapas del fenómeno real. Incluyendo el proceso de cálculo, el algoritmo entero para describir el proceso de simulación se muestra en la figura 48.
Utilizando el software (ver 1 Video suplementario) para comenzar la simulación, el usuario ingresa los parámetros de entrada correspondiente a las condiciones de diseño y los parámetros de entrada se almacenan como valores fijos. Si el usuario continúa con la simulación después de introducir los parámetros, el programa realiza el cálculo del primer paso. El primer paso es el cálculo monofásico, que es el cálculo de pérdida de refrigerante debido al efecto sifón después de la ruptura de la tubería. Las variables se calcularon automáticamente con el modelo teórico (como en la ecuación de Bernoulli, preservación del flujo de masa, etc.), y el cálculo procede de la entrada de parámetros por el usuario. Los resultados de cálculo se almacenan secuencialmente en la memoria del ordenador según la unidad de tiempo señalada por el usuario.
Si las gotas de nivel de agua abajo posición 0, significa que termina el flujo monofásico, porque aire comienza a precipitarse el SBL en este momento. Por lo tanto, el primer paso para el flujo monofásico procede hasta que el nivel del agua alcanza la posición 0. Cuando el nivel del agua está en la posición 0, esto significa que la altura undershooting es cero. La altura undershooting es la diferencia de altura entre la entrada de la SBL y el nivel de agua del tanque superior después de la ruptura de sifón. En otras palabras, contracción altura indica cuánto el nivel del agua disminuyó durante el sifón rompiendo. Por lo tanto, la altura undershooting es un parámetro importante, porque permitiría la determinación directa de la cantidad de pérdida de refrigerante. En consecuencia, el programa determina el final del primer paso de cálculo según la altura undershooting.
Si la altura undershooting es mayor que cero, el programa realiza un segundo cálculo de paso que puede simular el flujo de dos fases. Porque el flujo de aire y agua están presentes en el sifón rompiendo el escenario, se deben considerar las propiedades físicas de ambos fluidos. Por lo tanto, se consideran los valores de multiplicador de dos fases, la calidad y la fracción de vacío en este paso de cálculo. Especialmente, el valor de la fracción vacío se utiliza como fin criterio del cálculo del segundo paso. La fracción de vacía puede expresarse como el cociente del flujo de aire a la suma de aire y corrientes de agua. El segundo cálculo paso procede hasta que el valor de la fracción vacío (α) es 0.9. Cuando α es 0.9, el tercer cálculo paso procede que describe el estado estacionario. En teoría, el criterio final para sifón rompiendo es α = 1 puesto que el aire sólo existe en la tubería en este momento. Sin embargo, en este programa, el criterio final para sifón rompiendo es α = 0.9 para evitar cualquier error en el proceso de cálculo. Por lo tanto, una pérdida parcial de los resultados es inevitable, pero este error puede ser insignificante.
Cálculo de estado estacionario se desarrolla durante el tiempo establecido por el usuario. Porque no hay cambio, el estado estacionario se caracteriza en que los valores de resultado de cálculo están siempre constantes. Si romper sifón tiene éxito, el nivel final del agua en el tanque superior se mantendrá en un valor específico, no cero. Sin embargo, si la rotura del sifón no se realiza con éxito, el refrigerante será casi perdido, y el nivel final del agua acerca a cero valor. Por lo tanto, si el valor de nivel de agua es igual a cero en estado estacionario, indica que las condiciones de diseño dadas no son adecuadas para completar la rotura del sifón.
Tras el cálculo, el usuario puede confirmar los resultados de varias maneras. Los resultados muestran el estado del sifón rompiendo, sifón romper progreso y singularidad. El programa de simulación puede predecir y analizar el fenómeno de modo realista y asistir en el diseño del sistema de triturador de sifón. En este papel, el protocolo del experimento, resultados del experimento y la aplicación del programa de simulación se presentan.
1. procedimiento experimental 4 , 5 , 6
2. Ejecutar el programa de simulación
Todo el proceso de romper sifón consiste en tres etapas. La primera etapa es la salida del refrigerante debido al efecto de sifón. La segunda etapa es el proceso a partir de la entrada de aire a través del SBL para bloquear la pérdida de refrigerante, llamado sifón rompe. El fenómeno de rotura del sifón puede verse como un fuerte aumento de la presión absoluta en la figura 3. Después de la presión absoluta aumenta rápidamente, se reduce gradualmente debido a la disminución del nivel de agua. En el extremo del sifón rompiendo, desde algunas corrientes de agua residual hacia el tanque superior, la presión absoluta aumenta otra vez. Si se completa el sifón rompiendo, no hay más fugas de refrigerante y este estado se llama 'estado estacionario'. Porque no hay cambio de estado, la presión absoluta también se mantiene constante. La tasa de flujo, que se mantuvo en un valor alto durante la primera etapa, disminuye gradualmente como el sifón rompiendo comienza. Cuando el sifón rompiendo es completado con éxito, la fuga de refrigerante es gradualmente reducida y detenida como se muestra en el Video 1. La presión diferencial en la figura 3 muestran una tendencia a aumentar progresivamente después del inicio de la rotura del sifón.
Si la ruptura de la tubería se produce en la ausencia del disyuntor de sifón, el refrigerante se derramará por efecto sifón. El experimento que describe la ausencia del disyuntor de sifón se muestra en el Video 2 (XN; ausencia del disyuntor de sifón). Por otro lado, Video 3 (LN; interruptor de línea tipo sifón) y Video 4 (HN; interruptor de orificio tipo sifón) muestran que el interruptor de sifón previene con eficacia la pérdida de refrigerante. En ambos casos, se confirma que el refrigerante no gotea por debajo de un cierto nivel de agua. En consecuencia, los experimentos demostraron que el sifón el interruptor puede ser un dispositivo viable para evitar la pérdida de refrigerante.
Por otra parte, de los resultados experimentales, fue posible definir a la relación entre el coeficiente de Chisholm y las condiciones de diseño. Al principio, para reflejar las condiciones experimentales, el proceso de puesta a punto del coeficiente de pérdida de presión se llevó a cabo. Después de ajustar el coeficiente de pérdida de presión, coeficiente de Chisholm B fue deducido por un método de ensayo y error. Porque el flujo de masa de aire y el agua debe ser considerado cuando el valor del coeficiente B de Chisholm, un criterio para evaluar cuantitativamente el flujo de masa era necesario. Este criterio se deriva mediante un factor de tasa de flujo de aire y el caudal másico de agua. El criterio, llamado el factor C, se utiliza para determinar a la relación con el coeficiente de Chisholm B. La fórmula propuesta de factor C está dada por la ecuación 2 y el factor de tasa de flujo de aire está dada por la ecuación 39,10. En las siguientes fórmulas, ρ representa la densidad, y K02 representa el coeficiente de pérdida de presión entre la posición 0 y 2. Puesto que la densidad y el dígito '2' en la ecuación 3 son constantes, se puede eliminar. Por lo tanto, el tipo simplificado de factor de tasa de flujo de aire se denomina el factor F en la ecuación 2. El caudal másico de agua también debe ser evaluado; aumenta conforme aumenta de tamaño LOCA, pero el área también aumenta al mismo tiempo. Por lo tanto, el flujo másico con diverso tamaño LOCA está dividido por el área para obtener el caudal másico por unidad de área. Aquí, el valor de flujo de masa se calcula antes de aire entra en el tubo.
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Para encontrar a la relación entre el coeficiente de Chisholm B y factor C, se utilizó análisis de regresión. Como resultado, podrían derivar dos tipos de fórmulas de correlación (función exponencial y cuadráticas) y2 valores de R fueron 0.93 (función exponencial) y 0,97 (función cuadrática). Cada función se da como ecuación 4 y la ecuación 59. Ecuación 4 era capaz de predecir para un tamaño relativamente grande de LOCA, como el 12 y 16 en tamaños LOCA. Por otro lado, ecuación 5 fue capaz de predecir bien para tamaños relativamente pequeños de LOCA, como el 8 y 10 en tamaños LOCA. En consecuencia, la función exponencial se utiliza para predecir una relativamente gran tamaño de LOCA mayor que 11, y se utiliza la función cuadrática para que menor que 11.
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Es decir, el establecimiento del modelo teórico es significativo en que la predicción del sifón rompiendo el fenómeno, es posible derivar el coeficiente de Chisholm B de las condiciones de diseño. Por lo tanto, el desarrollo de un programa de simulación que incluye el modelo teórico sería útil para analizar el fenómeno y el diseño del interruptor de sifón.
El gráfico de comparación de la simulación y los resultados experimentales se muestra en la figura 5. Teniendo en cuenta el gráfico, el programa de simulación podría predecir los resultados obtenidos en el experimento de escala real. No sólo los resultados de altura undershooting, sino también los datos de flujo obtenidos en el programa de simulación muestran patrones similares a los obtenidos experimentalmente. Figura 6 es el gráfico del índice de flujo versus el tiempo LOCA tamaños de 12 y 16. Sin embargo, hay algunas diferencias al principio entre el experimento y simulación. De hecho, la evaluación de la tasa de flujo experimental en la fase de inicio se basó en la visualización de vídeo y los datos de tasa de flujo del experimento se obtuvieron calculando el nivel de agua inferior para 5 s. Este método era una forma alternativa porque el flujómetro ultrasónico no podría medir el caudal con precisión antes de que el flujo completamente desarrollado. La diferencia entre los resultados del experimento y simulación parece ser debido a este punto. Excepción de la fase de inicio, el caudal simulado era similar a los valores experimentales y el programa predijo con exactitud la tendencia según el tamaño LOCA.
Figura 3. Resultado experimental. Las variables medidas incluyen nivel de agua, contracción de altura, la presión y caudal. Entre los resultados, se presentan datos de tasa de presión y caudal. Teniendo en cuenta el cambio de presión, el fenómeno en gran parte se divide en tres secciones; Pérdida de refrigerante, rotura del sifón y de estado estacionario. La presióne, que cambia levemente cambios en la pérdida de sección de refrigerante, aumenta rápidamente en el sifón rompiendo sección. Además, la presión no cambia durante el estado estacionario. También, puede verse que el caudal disminuye gradualmente debido a la rotura del sifón. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4. Algoritmo del programa de simulación de. El algoritmo está desarrollado para aplicar el modelo teórico de9. Para reflejar el verdadero fenómeno, el proceso de cálculo principales del algoritmo consistió en tres etapas. Si se dan los parámetros de entrada que reflejan las condiciones de diseño, cada etapa se calcula automáticamente para los criterios dados. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5. Estimación de la validez. Para evaluar la exactitud de los resultados de la simulación, contracción de altura se compara con los resultados del experimento. Simulación se encontró que coincide razonablemente con los experimentos. En otras palabras, el programa de simulación tiene un buen rendimiento para el análisis de sifón rompiendo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6. Gráfico del índice de flujo. La tasa de flujo simulada (Sim) fue similar a los valores experimentales (Exp). Porque la simulación puede calcular relativamente exactamente las cantidades de tasa de flujo, los valores simulados de undershooting altura y nivel del agua son similares a los valores experimentales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Video de 1. Sifón éxito rompiendo (LOCA). Este video es un experimento con el interruptor de sifón. Cuando se abre la válvula de mariposa en la posición de LOCA, se fuga el refrigerante. Sin embargo, la fuga de refrigerante poco a poco reducida y detenida debido al interruptor de sifón. En otras palabras, este video muestra que ese interruptor de sifón puede prevenir la fuga de refrigerante. Por favor haga clic aquí para ver este video. (Clic derecho para descargar)
Video 2. Ausencia del disyuntor de sifón (XN). En la ausencia de un interruptor de sifón, el refrigerante sigue fluyendo hacia fuera, y finalmente el nivel del agua del tanque superior se convierte en cero. Por favor haga clic aquí para ver este video. (Clic derecho para descargar)
Video 3. Interruptor de línea tipo sifón (LN). El interruptor de sifón previene con eficacia la pérdida de refrigerante. Por favor haga clic aquí para ver este video. (Clic derecho para descargar)
Video de 4. Interruptor de orificio tipo sifón (HN). El interruptor de sifón previene con eficacia la pérdida de refrigerante. Por favor haga clic aquí para ver este video. (Clic derecho para descargar)
Video suplementario 1. Ejecutar el programa de simulación. La pantalla inicial del programa de simulación consta de 4 botones (ver parámetro, Run, Manual y salida). Cuando el usuario hace clic en el botón 'Mostrar parámetros', se abrirá una nueva ventana de comando e incluye la lista de parámetros. El usuario es capaz de modificar y confirmar los valores numéricos de las variables. El botón 'Ejecutar' realiza los cálculos mediante la sustitución de los parámetros de entrada en las fórmulas incluidas. 'Manual' es el botón para notificar a la versión del programa y uso, y 'Salir' es un botón para cerrar el programa. Los resultados se muestran en la ventana 'Mostrar resultados'. Por favor haga clic aquí para ver este video. (Clic derecho para descargar)
Los autores no tienen nada que revelar.
El sifón rompiendo el fenómeno fue investigado experimentalmente y se propuso un modelo teórico. Se desarrolló un programa de simulación basado en el modelo teórico y los resultados del programa de simulación se compararon con los resultados experimentales. Se concluyó que los resultados del programa de simulación emparejó bien los resultados experimentales.
Este trabajo fue financiado por la Fundación Nacional de investigación de concesión de Corea (NRF) financiado por el gobierno de Corea (MSIP: Ministerio de ciencia, TIC y planeación de futuro) (no. NRF-2016M2B2A9911771).
| Transductor de presión absoluta | Sensor Technics | CTE9000 | 0,05% de error de escala completa |
| Transductor de presión diferencial | Setra | C230 | 0,25% de error de escala completa |
| Caudalímetro ultrasónico | Tokyo Keiki | UFP-20 | Resolución 0,01m^3/h |
| Visual Studio 2012 | Microsoft | Windows 8 | Microsoft Foundation Class |
| E.R.W. acero tubo | Hyundai Hysco | KS D 3507 (SPP) | 400A (diámetro exterior) x 7,9 mm (espesor) |
