Estudo do experimento de quebra de sifão e simulação para um Reactor de investigação

Summary

O sifão quebrando o fenômeno foi investigado experimentalmente e foi proposto um modelo teórico. Foi desenvolvido um programa de simulação baseado no modelo teórico e os resultados do programa de simulação foram comparados com resultados experimentais. Concluiu-se que os resultados do programa de simulação comparados os resultados experimentais bem.

Abstract

Sob as condições de projeto de um reator de pesquisa, o fenômeno de sifão induzido pela ruptura do tubo pode causar contínuo fluxo para fora da água. Para evitar esta saída, um dispositivo de controle é necessário. Um disjuntor de sifão é um tipo de dispositivo de segurança que pode ser utilizado para controlar a perda de líquido de arrefecimento de água efetivamente.

Para analisar as características de sifão quebrando, foi realizado um experimento em escala real. Os resultados do experimento, verificou-se que existem vários fatores de design que afetam o sifão quebrando o fenômeno. Portanto, há uma necessidade de desenvolver um modelo teórico capaz de prever e analisar o sifão quebrando o fenômeno sob diferentes condições de projeto. Usando os dados experimentais, foi possível formular um modelo teórico que prediz com precisão o progresso e o resultado do sifão quebrando o fenômeno. O modelo teórico estabelecido baseia-se na mecânica dos fluidos e incorpora o modelo de Chisholm para analisar o fluxo de duas fases. Da equação de Bernoulli, a velocidade, a quantidade, a subestimativa altura, nível de água, pressão, coeficiente de atrito e fatores relacionados ao fluxo de duas fases poderia ser obtida ou calculado. Além disso, para utilizar o modelo estabelecido neste estudo, foi desenvolvido um programa de análise e projeto de disjuntor do sifão. O programa de simulação opera com base no modelo teórico e retorna o resultado como um gráfico. O usuário pode confirmar a possibilidade do sifão quebrando, verificando a forma do gráfico. Além disso, salvar o resultado de toda simulação é possível e pode ser usada como um recurso para analisar o sifão real, quebrando o sistema.

Em conclusão, o usuário pode confirmar o status do sifão quebrando e projeto do sistema de quebra de sifão usando o programa desenvolvido neste estudo.

Introduction

O número de reactores usando combustível tipo placa, tais como pesquisa de Jordan e reator de treinamento (JRTR) e KiJang Research Reactor (KJRR), tem aumentado recentemente. Para conectar-se o combustível do tipo placa facilmente, o reactor de investigação requer um fluxo descendente do núcleo. Desde que os reatores de pesquisa exigem a cabeça de sucção positiva líquida do sistema primário de refrigeração, alguns componentes do sistema refrigerando poderiam potencialmente ser instalados abaixo do reator. No entanto, se a ruptura de tubulação ocorre no sistema de arrefecimento primário abaixo o reator, o efeito de sifão provoca drenagem contínua de refrigerante que pode resultar na exposição do reator ao ar. Isto significa que o calor residual não pode ser removido, o que poderia levar a um acidente grave. Portanto, em caso de perda do acidente do líquido refrigerante (LOCA), um dispositivo de segurança que pode impedir que um acidente grave é necessário. Um disjuntor de sifão é tal um dispositivo de segurança. Pode efetivamente impedir drenagem da água usando um pico de ar. Todo o sistema é chamado o sifão quebrar o sistema.

Foram realizados vários estudos para a melhoria da segurança dos reactores de investigação. McDonald ' s e Marten¹ realizado um experimento para confirmar o desempenho de um sifão, quebrando a válvula como um disjuntor operando ativamente. Neill e Stephens² realizaram um experimento usando um disjuntor de sifão como um dispositivo passivamente operado em uma tubulação de pequeno porte. Sakurai³ propôs um modelo analítico para analisar o sifão quebrando onde aplicou-se um modelo de fluxo de ar-água totalmente separado.

Sifão quebrando é extremamente complexo, porque há muitos parâmetros que precisam ser considerados. Além disso, porque não foram realizados os experimentos para reatores de pesquisa real-escala, é difícil aplicar estudos anteriores para reatores de pesquisa contemporânea. Portanto, estudos anteriores não apresentaram um modelo teórico satisfatório para sifão quebrando. Por este motivo, realizou-se um experimento em escala real para estabelecer um modelo teórico.

Para investigar o efeito do disjuntor sifão em um reactor de investigação, foram realizados experimentos de escala real verificação pelo Pohang Universidade de ciência e tecnologia (POSTECH) e Instituto de pesquisa de energia atómica de Coreia (KAERI)^{4,5 ,6}. A Figura 1 é a instalação real para o experimento de quebra de sifão. A Figura 2 mostra um diagrama esquemático da instalação e inclui a marca de instalação.

Figura 1. Facilidade para o sifão quebrando experimento demonstração. O tamanho do cano principal é 16 em e uma janela de acrílico é instalada para observação. O orifício é um dispositivo preparado para descrever a queda de pressão. Portanto, há uma parte de montagem do orifício na parte inferior do reservatório superior. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2. Diagrama esquemático da instalação experimental. A localização dos pontos de medição é apresentada. Os números indicam esses locais relevantes; Posicione o ponto de 0 significa a entrada do disjuntor sifão, ponto 1 significa o nível de água, ponto 2 significa a parte conectada do disjuntor o sifão e a tubulação principal e ponto 3 significa o LOCA. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A instalação experimental de quebra de sifão é composto por um reservatório superior, um reservatório inferior, um sistema de tubulação e uma bomba de retorno. A capacidade do reservatório superior é de 57,6 m³. A área inferior e a profundidade são 14,4 m² (4 m x 3,6 m) e 4 m, respectivamente. O tanque inferior e a posição de LOCA estão localizado 8,3 m abaixo do tanque superior. A capacidade do reservatório inferior é de 70 m³. O reservatório inferior é usado para armazenar a água durante o experimento. O reservatório inferior é conectado à bomba de retorno. A água do reservatório inferior é bombeada para o reservatório superior. O tamanho da tubulação principal do sistema de tubulação é 16 no. O fim da linha de disjuntor o sifão (SBL) é localizado 11,6 m de altura acima do tubo inferior ponto de ruptura. Além disso, janelas de acrílico são instaladas no tubo para visualização, como mostrado na Figura 1.

Vários dispositivos foram instalados para medir os sinais físicos. Foram utilizados dois transdutores de pressão absoluta (aptos) e três transdutores de pressão diferencial (DPTs). Para medir a taxa de fluxo de massa de água, utilizou-se um medidor de Vazão Ultrassônico. Um sistema de aquisição de dados foi usado para obter todos os dados de medição no ms 250 intervalos de tempo. Além do equipamento de medição, as câmeras foram instaladas para observação e um governante foi anexado na parede interna do tanque superior para verificar o nível de água.

Vários tamanhos de disjuntor (SB) LOCA e sifão, tipos de disjuntor de sifão (linha furo) e a presença do orifício de combustível do reator e o ponto de ruptura de tubulação foram considerados no experimento. A fim de verificar o efeito do tamanho LOCA e SBL, vários tamanhos de LOCA e SBL foram usados. Os tamanhos LOCA variou de 6 a 16 em e os tamanhos SBL variou de 2 a 6 em. No experimento, tipo de linha e buraco de disjuntores de sifão foram usados, mas o seguinte conteúdo deste estudo considera apenas o tipo SBL usado no JRTR e KJRR. Como um exemplo dos resultados experimentais, a Figura 3 é um gráfico que inclui os dados de taxa de fluxo de pressão e água. O experimento foi conduzido em 4 de outubro de 2013 e a amostra de dados experimentais é LN23 (linha tipo SB, sem orifício, 12 em LOCA, 2.5 no SBL).

A partir dos dados do experimento, foi estabelecido o modelo teórico que pode prever o sifão quebrando o fenômeno. O modelo teórico começa com a equação de Bernoulli. A velocidade do fluido é obtida a partir da equação de Bernoulli e a vazão volumétrica pode ser obtida multiplicando a velocidade do fluido pela área da tubulação. Além disso, o nível da água pode ser obtido usando a vazão volumétrica. O conceito básico do modelo teórico é como acima. No entanto, desde o sifão quebrando o fenômeno é um fluxo de duas fases, existem pontos adicionais a ser considerado. Para considerar um modelo de análise de fluxo de duas fases, realizou-se um teste de verificação de precisão. Desde que o modelo de Chisholm era mais preciso do que um modelo homogêneo, o modelo de Chisholm é usado para analisar o fenômeno. De acordo com o modelo de Chisholm, a fórmula do multiplicador bifásico é expresso como a equação 1⁷. Nesta equação, ф representa o multiplicador de duas fases, ρ representa a densidade e X representa a qualidade.

(1)

classe p = "jove_content" > modelo em the Chisholm, um coeficiente B que varia com a vazão mássica foi incluído. Em última análise, a derivação de uma fórmula de correlação entre o coeficiente de Chisholm B e as condições de projeto do reator é um ponto importante do modelo teórico. Em outras palavras, uma outra finalidade do experimento era obter dados para estabelecer a relação entre as condições de projeto e coeficiente de Chisholm B. Partir dos resultados de teste, estabeleceu-se uma fórmula de correlação entre as condições de projeto e coeficiente de Chisholm B. O modelo teórico resultante foi desenvolvido para prever o sifão quebrando bem o fenômeno.

Além disso, foi desenvolvido um programa de simulação com uma Interface de usuário gráfica (GUI). Pela transição dos dados de pressão absoluta na Figura 3, o fenômeno pode ser dividido em três fases: a perda de líquido de arrefecimento (fluxo monofásico), quebra de sifão (fluxo bifásico) e estado estacionário. Portanto, o processo de cálculo principal do algoritmo inclui um processo de três etapas, correspondentes às três etapas do fenômeno real. Incluindo o processo de cálculo, o algoritmo inteiro para descrever o processo de simulação é mostrado na Figura 4⁸.

Usando o software (ver vídeo suplementar 1) para iniciar a simulação, o usuário insere os parâmetros de entrada correspondente às condições de projeto e os parâmetros de entrada são armazenados como valores fixos. Se o usuário prossegue com a simulação depois de introduzir os parâmetros, o programa executa o cálculo passo primeiro. O primeiro passo é o cálculo monofásico, o que é o cálculo de perda de refrigerante devido ao efeito de sifão depois da ruptura da tubulação. As variáveis são calculadas automaticamente pelo modelo teórico (como a equação de Bernoulli, preservação de fluxo de massa, etc.), e o cálculo locações a parâmetros de entrada pelo usuário. Os resultados do cálculo são sequencialmente armazenados na memória do computador de acordo com a unidade de tempo designada pelo usuário.

Se o nível da água cai abaixo posição 0, significa que o fluxo monofásico termina, porque o ar começa a precipitar a SBL neste momento. Portanto, o primeiro passo para o fluxo da fase monofásica prossegue até o nível da água atinge a posição 0. Quando o nível da água está na posição 0, isto significa que a altura undershooting é zero. A altura undershooting é a diferença de altura entre a entrada da SBL e o nível de água do tanque superior após a quebra de sifão. Em outras palavras, subestimativa altura indica quanto o nível da água diminuiu durante o sifão quebrando. Portanto, a altura undershooting é um parâmetro importante, porque permitirá a determinação direta da quantidade de perda de líquido de arrefecimento. Por conseguinte, o programa determina o fim do primeiro passo cálculo de acordo com a altura undershooting.

Se a altura undershooting for maior que zero, o programa realiza um segundo cálculo de passo que pode simular o fluxo de duas fases. Porque o fluxo de água e o ar estão presentes no sifão quebrando o palco, as propriedades físicas de ambos os fluidos devem ser consideradas. Portanto, os valores do multiplicador de duas fases, a qualidade e a fração de vazio são considerados nesta etapa de cálculo. Especialmente, o valor de fração de vazio é usado como terminando o critério do cálculo segundo passo. A fração de vazio pode ser expressa como a razão de fluxo de ar para a soma do ar e a água flui. O segundo cálculo passo continua até o valor de fração de vazio (α) é mais de 0,9. Quando α é sobre 0,9, o terceiro cálculo passo procede que descreve o estado estacionário. Teoricamente, o critério final para sifão quebrando é α = 1, desde que somente o ar existe na tubulação neste momento. No entanto, neste programa, os critérios de fim de sifão quebrando é α = 0,9 para evitar qualquer erro no processo de cálculo. Portanto, uma perda parcial de resultados é inevitável, mas esse erro pode ser insignificante.

Cálculo de estado estacionário prossegue durante o tempo definido pelo usuário. Porque não há mudança, o estado estacionário é caracterizado em que os valores de resultado de cálculo são sempre constantes. Se sifão quebrando for bem-sucedida, o último nível da água no tanque superior permanecerá em um valor específico, não zero. No entanto, se a quebra de sifão não é executada com êxito, o líquido de arrefecimento será quase perdido, e o nível final da água se aproxima de zero valor. Portanto, se o valor de nível de água é igual a zero no estado estacionário, ele indica que as condições de determinado projeto não são adequadas para completar a quebra de sifão.

Após o cálculo, o usuário pode confirmar os resultados de várias maneiras. Os resultados mostram o status do sifão quebrando, quebrando o progresso e singularidade de sifão. O programa de simulação pode prever e analisar o fenômeno de forma realista e ajudar na concepção do sistema de quebra de sifão. Neste papel, o protocolo do experimento, os resultados da experiência e da aplicação do programa de simulação são apresentados.

Protocol

1. procedimento experimental ^{4 , 5 , 6}

1. preparação passo
   1. Verifique a instalação experimental. Com base na matriz de teste, verifique cuidadosamente as condições de teste de matriz de teste, tais como tamanho LOCA, tamanho SBL, tipos de disjuntor de sifão e a presença do orifício, antes do experimento. Também, o teste para confirmar que os componentes da instalação e instrumentações funcionam corretamente sem ruído de dados ou avarias.
   2. Encher o reservatório superior com água usando a bomba retorno instalada no interior do reservatório inferior.
   3. Remover o ar residual dentro SBL. Usar uma bomba de vácuo e câmara reserva para remover o ar residual da SBL.
   4. Verificar o nível inicial de água do reservatório superior. Use o governante anexado ao tanque.
2. Etapa de teste
   1. abrir a válvula no final do sistema de tubulação.
   2. Usando o sistema de aquisição de dados na sala de controle, verificar os dados medidos, tais como o nível de água, taxa de fluxo e alterações de pressão, durante o fenômeno de quebra de sifão. Se não há nenhuma saída de líquido de arrefecimento, termina o primeiro experimento. Finalmente, gravar os resultados experimentais obtidos com as condições de determinado teste.
3. Alterar as variáveis de teste (tamanho SBL, tamanho LOCA, presença de orifício e posição LOCA) como segue.
   1. Mudança a SBL sucessivamente tamanho de 2, 2.5, 3, 4, 5 e 6 em; a SBL determinado está ligado ao tubo principal por uma junta flange na posição 2 na Figura 2.
      Nota: As variáveis experimentais, tais como tamanho SBL, tamanho LOCA e a presença do orifício, forem alteradas usando a junção de flange com parafusos e porcas. Portanto, estes processos são realizados manualmente.
   2. Repita etapas 1.1.1 - 1.2.2 até que todas as experiências de tamanhos SBL são feitas.
   3. Com a LOCA na posição 1, mudar o tamanho LOCA sucessivamente para 6, 8, 10, 12, 14 e 16 polegadas; o redutor determinado está ligado ao tubo principal por uma junta flange na posição 3, na Figura 2.
   4. Repita etapas 1.1.1 - 1.3.2 até que todas as experiências de tamanhos LOCA são feitas.
   5. Instalar o orifício (ou remover o orifício) conectado à tubulação principal por uma junta flange na parte inferior do reservatório superior.
      Nota: Experiências da etapa anterior tenham sido realizadas com a ausência (ou presença) do orifício. Portanto, o orifício deve ser instalado (ou removido) para o próximo experimento.
      1. Para fazer este trabalho, certifique-se de que não há água no interior do reservatório superior.
   6. Repita etapas 1.1.1 - 1.3.4. Para confirmar o efeito do tamanho SBL e LOCA sob a presença (ou ausência) do orifício, repita a etapa anterior.
   7. Mudar o LOCA para a posição 2, como experiências da etapa anterior tenham sido realizadas com posição LOCA 1. Alterar a posição de LOCA para próximo experimento.
      Nota: No menu configuração experimental, são construídas duas posições de LOCA. Cada LOCA com uma válvula de borboleta é ligada a um sistema de tubagem principal.
      1. Para alterar a posição de LOCA, feche a válvula de borboleta de isolamento na posição LOCA 1 e abra a válvula na posição LOCA 2.
   8. Repita etapas 1.1.1 - 1.3.6.

2. Executando o programa de simulação

1. clique no ícone do programa para executar o programa de simulação de quebra de sifão.
   Nota: O procedimento é demonstrado no vídeo suplementar 1. Como mostrado, a tela inicial do programa de simulação consiste de 4 botões (Mostrar parâmetro, executar, Manual e saída). Quando o usuário clica o ' mostrar parâmetros ' botão, uma nova janela de comando abre e inclui a lista de parâmetros. O usuário é capaz de modificar e confirmar os valores numéricos das variáveis. O ' executar ' botão executa os cálculos, substituindo os parâmetros de entrada para as fórmulas incluídas. O ' Manual ' botão é para notificar o uso e o programa de versão e o ' saída ' botão fecha o programa. Os resultados são mostrados na ' mostrar resultados ' windows.
2. Clique o " parâmetro Show " botão.
3. Alterar os dados de entrada, considerando as condições de determinada simulação.
4. Clique o " executar " botão.
5. Verificar a forma de gráfico de nível de água ' mostrar resultados ' janela. O programa organiza os valores de resultado com o tempo e traça o gráfico automaticamente.
   1. Com a forma do gráfico, confirmar visualmente a possibilidade de quebra de sifão; se o nível de água ou subestimativa altura tem o mesmo valor consistentemente até o fim, sifão quebrando é possível sob as condições de determinado. Veja a Figura 3.
6. Outras saídas de check-in a ' mostrar resultados ' janela. Note que existem oito opções (nível de água, subestimativa altura, pressão, velocidade da água, velocidade do ar, velocidade de mistura de duas fases, quantidade e atrito) para verificar a saída. Selecione o tipo de gráfico usando a caixa de seleção.
   Nota: É fácil de compreender o fenômeno de quebra de sifão de relance, porque a mudança de cada valor com o tempo pode ser vista através do gráfico.
7. Confirmar o valor específico de saída dependendo da hora clicando o " calcular em tempo específico " botão. Digite o tempo desejado e verificar os resultados de acordo com a hora.
8. Salvar todos os dados de resultados de simulação clicando a " salvar os dados " botão.
   Nota: Os resultados são salvos no formato de arquivo de texto, e condições simuladas são salvos juntos.

Results

Todo o processo de quebra de sifão consiste de três estágios. A primeira fase é a saída do líquido de arrefecimento devido ao efeito de sifão. A segunda etapa é o processo de iniciar o fluxo de ar através da SBL para bloquear a perda de líquido de arrefecimento, chamado de quebra de sifão. O fenômeno de quebra de sifão pode ser visto como um aumento acentuado da pressão absoluta na Figura 3. Depois que a pressão absoluta aumenta rapidamente, é gradualmente re...

Discussion

Um disjuntor de sifão é um dispositivo de segurança passiva-operado usado para prevenir a perda de líquido de arrefecimento, quando ocorre um acidente de ruptura do tubo. No entanto, é difícil aplicar para reatores de pesquisa contemporânea, porque não há nenhuma experiência para os reactores de investigação de escala real. Por esta razão, a experiência real-escala foi conduzida por POSTECH e KAERI. O objetivo do experimento foi confirmar que a quebra de sifão é viável para o tamanho da escala real, e para identificar os...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Transdutor de pressão absoluta	Sensor Technics	CTE9000	0,05% de erro em escala real
Transdutor de pressão diferencial	Setra	C230	0,25% de erro em escala real
Medidor de vazão ultrassônico	Tokyo Keiki	UFP-20	Resolução 0,01 m ^ 3 / h
Visual Studio 2012	Microsoft	Windows 8	Microsoft Foundation Class
EWW aço tubo	Hyundai Hysco KS	D 3507 (SPP)	400A (diâmetro externo) x 7,9 mm (espessura)