Kleinskalige Siedeexperimente unter Einsatz zweidimensionaler Bildgebung mit High-Speed Kamera und Optischer Kohärenztomographie

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1 Kleinskalige Siedeexperimente unter Einsatz zweidimensionaler Bildgebung mit High-Speed Kamera und Optischer Kohärenztomographie Clemens Schneider 1, Rainer Hampel 1, Lars Kirsten, Sven Meißner, Antonio Hurtado, Edmund Koch 1 Hochschule Zittau/Görlitz Technische Universität Dresden

2 C. Schneider FG Messtechnik/Prozessautomatisierung Inhalt 1. Beitrag des IPM/Hochschule Zittau/Görlitz Hintergrund Versuchsanlage unterkühltes Sieden (UKS) Ermittlung von Kenngrößen Zusammenfassung. Beitrag des KSM/ TU Dresden Optische Kohärenztomographie (OCT) High-speed OCT Setup High-speed OCT am Beispiel des Blasensiedens Zusammenfassung 3. Ausblick

3 Hintergrund Siedevorgänge im Druckwasserreaktor (DWR) Normalbetrieb: unterkühltes Sieden an den Brennstäben (Wärmeströme bis 150W/cm²) Dampfblasen kondensieren nach Ablösung in Kernströmung Hypothetischer Störfall: kritische Siedezustände durch mögliche Nettodampfproduktion Übergang vom Blasen- zum Filmsieden (Siedekrise 1. Art bei DWR Parametern) Thermomechanisches Versagen der Brennstäbe Kernschmelze: Siedephänomene bei RDB- Außenkühlung Schema eines DWR [Informationskreis Kernenergie] C. Schneider FG Messtechnik/Prozessautomatisierung 3

4 C. Schneider FG Messtechnik/Prozessautomatisierung 4 Hintergrund Übergang Blasensieden-Filmsieden NUKIYAMA- Kurve [004 GOLSCHIDT]

5 5 Modellierungsansatz des Wandsiedens in CFX Aufteilung der Wärmeströme in Konvektion, Verdampfung und Quenching Hintergrund C. Schneider FG Messtechnik/Prozessautomatisierung Q E F W W t 1 A A A ) ( 1 L W F T T A pl l l l W l Q c t T T fa t / h f d g bw E 6 3

6 C. Schneider FG Messtechnik/Prozessautomatisierung 6 Versuchsanlage Kühler Entgaser Schaltschrank Filter Vorwärmer Messstrecke Bypass Pumpe Vorwärmer Versuchsanlage unterkühltes Sieden (UKS)

7 C. Schneider FG Messtechnik/Prozessautomatisierung 7 Versuchsanlage Messstrecke mit austauschbarer Heizelemente-Geometrie Erfassung des Siedevorganges im Durchlichtverfahren USB-Cam Kapillarrohr Hintergrundbeleuchtung ITO-Glas HS-Kamera beheiztes Kapillarrohr beheiztes ITO-Glas IR-Kamera

8 C. Schneider FG Messtechnik/Prozessautomatisierung 8 Ermittlung von Kenngrößen Erfassung des Blasenverhaltens HS-Video mit 13 khz Bildfreuenz Bilder pro Parameter Parametervariation: Eintrittsunterkühlung: 40K Massestromdichte: 100 kg/m²s (0,1 m/s) 100 kg/m²s (,0 m/s) Wärmestromdichte: W/cm² sub DBV zur Auswertung der Blasenparameter aus HS Videos Blasenwachstum und Ablösung auf der beheizten ITO-Schicht bei K Eintrittsunterkühlung: a) =8.6 W/cm², v=0.1 m/s; b) =17 W/cm², v=0.3 m/s Auswertung mit digitaler Bildverarbeitung (DBV) 1 Hintergrundsubtraktion Kontrastanreicherung 3 Binarisierung 4 Auffüllen 5 Abtrennung 6 Vermessung xls-datei

9 D [mm] H [-] C. Schneider FG Messtechnik/Prozessautomatisierung D [mm] H [-] 9 Ermittlung von Kenngrößen 4,0 3,5 3,0,5,0 1,5 1,0 0,5 0, ,0,0 4,0 6,0 8,0 10,0 1,0 t [ms] 1,75 -,0,0 -,5,5 -,5,5 -,75,75-3,0 d_det [mm] 3,0-3,5 3,5-3,5 3,5-3, ,0 3,5 3,0,5,0 1,5 1,0 0,5 0,0,5 -,5,5 -,75,75-3,0-3,0 3,5 d_max [mm] 3,5-3,5 3,5-3,75 Blase 1 Blase Blase 3 Blase 4 Näherung 0,0,0 4,0 6,0 8,0 10,0 1,0 t [ms] Ableitung einer Näherung der häufigsten Blasengrößenverläufe bis zur Ablösung bei 10 kg/m²s, 14, W/cm² und 4 K Unterkühlung

10 C. Schneider FG Messtechnik/Prozessautomatisierung 10 Ermittlung von Kenngrößen Particle Image Velocimetry (PIV) mit Inertgasen Bewegung nichtkondensierender Inertgasblasen bei 170W/cm², 04,4 kg/m²s und 68 K Unterkühlung Geschwindigkeitsprofil im Bereich des Kapillarrohres

11 d [mm] d [mm] ,1 5,4 10,7 16 1,3 6,6 31,9 37, 4,5 47,8 53,1 58,4 63, ,3 79,6 84,9 90, 95,5 0,1 5,1 10,1 15,1 0,1 5,1 30,1 35,1 40,1 45,1 50,1 55,1 60,1 65,1 70,1 75,1 80,1 85,1 90,1 95,1 C. Schneider FG Messtechnik/Prozessautomatisierung 11 Ermittlung von Kenngrößen Bestimmung der Siedefilmdicke bei Filmsieden ,34 0 5,56 y [mm] 1,78 0,00 t [ms] Dampffilmbildung während des Eintretens von CHF bei 1,0 m/s, 175 W/cm² und 4 K Unterkühlung ,34 0 5,56 y [mm] 1,78 0,00 t [ms] Dampffilmbildung nach Unterbrechung der Wärmezufuhr bei 1,0 m/s, 175 W/cm² und 4 K Unterkühlung

12 ,74,96 3,00 3,6 3,3 3,53 3,49 3,79 3,75 4,05 4,01 4,31 4,7 4,57 4,54 5,63 5,36 5,10 4,84 5,59 5,3 5,06 4,80 C. Schneider FG Messtechnik/Prozessautomatisierung void fraction [-] void fraction [-] 1 Ermittlung von Kenngrößen Bestimmung der Dampfkonzentration beim Sieden 0,38 4,13 7,88 y [mm] 11,63 15,38 19,13 1 0,8 0,6 0,4 0, 0 Siedestruktur und zeitlich gemittelter Dampfanteil bei,0 m/s, 100 W/cm² und 6 K Unterkühlung x [mm] 0,39 4,30 8,0 1,11 y [mm] 16,0 19,9 x [mm] 1 0,8 0,6 0,4 0, 0 Siedestruktur und zeitlich gemittelter Dampfanteil bei 0,5 m/s, 00 W/cm² und 8 K Unterkühlung

13 C. Schneider FG Messtechnik/Prozessautomatisierung 13 Zusammenfassung Versuchsanlage mit breiter Variation thermohydraulischer Parameter realisiert Umfangreiche Datenbasis für Blasensieden am Kapillarrohr und ITO-Beschichtung generiert Erfassung des Filmsiedens mit High-Speed-Videographie Auswertungsalgorithmen für Parameterextraktion mit DBV erstellt Ableitung des zeitlichen Blasenwachstumsverhaltens umfangreicher thermohydraulischer Parameter Bestimmung der Geschwindigkeitsprofils im wandnahen Bereich Bestimmung der Siedefilmdicke und Dampfkonzentration

14 Ausblick Optische Kohärenztomographie Schnittbildrate steigern Artefakte beseitigen (Brechung an Dampf-Fluid-Grenzschicht) Verbesserung der automatischen Vermessung der Blasengeometrie Validierung des OCT Messverfahrens mehrdimensionale Geschwindigkeitsmessung testen High-speed Videometrie und PIV Ableitung von signifikanten Größen aus Datenbasis Untersuchung des Übergangsverhaltens zum CHF Kombination von OCT mit high-speed Videometrie/PIV C. Schneider FG Messtechnik/Prozessautomatisierung 14

15 Kontakt Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Technische Universität Dresden Medizinische Fakultät Carl Gustav Carus Center for Regenerative Therapies Dresden Klinisches Sensoring und Monitoring Prof. Dr. rer. nat. Edmund Koch Fetscherstraße 74, Dresden, Germany Hochschule Zittau/Görlitz Institut für Prozesstechnik, Prozessautomatisierung und Messtechnik Prof. Dr.-Ing. habil. Rainer Hampel Theodor-Körner-Allee 16, 0763 Zittau Danksagung Bundesministerium für Bildung und Forschung innerhalb des Verbundprojektes Grundlagenforschung Energie 00+, Projektnummern 0NUK010C und 0NUK010I Micro-Epsilon Optronic GmbH, Germany Europäischer Sozialfonds (ESF) C. Schneider FG Messtechnik/Prozessautomatisierung 15