Berechnung von Rohrleitungsbelastungen durch Füllvorgänge

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1 Berechnung von Rohrleitungsbelastungen durch Füllvorgänge Harald Swidersky, Thomas Thiele TÜV SÜD Industrie Service GmbH, München JAHRESTAGUNG KERNTECHNIK, ANNUAL MEETING ON NUCLEAR TECHNOLOGY Mai May 2012, Stuttgart TÜV SÜD Industrie Service GmbH H. Swidersky, Th. Thiele, Jahrestagung Kerntechnik, Mai, Stuttgart 1

2 Übersicht 1. Entstehungsmechanismen 2. Berechnungsmethoden 3. Nachrechnung der Versuche von Owen et al. 4. Zusammenfassung 2

3 1 Entstehungsmechanismen Impulskräfte durch beschleunigte Fluidmassen und Strömungsumlenkung. Schäden an Halterungen durch fremderregte, nicht periodische Schwingungsanregung. Betroffen z.b.: Entleerte Sprühleitungen, Entwässerungsleitungen, Abschlämmsysteme, Kühlwassersysteme. Anlagenstillstand und Instandsetzungsmaßnahmen hohe Kosten. Frage: Sind 1D-Systemcodes geeignet zur Simulation solcher Vorgänge? 3

4 2 Berechnungsmethoden Vorteile: Nachteile: - Analytisch - einfach - Handabschätzung, hohe Unsicherheiten - 1D Thermohydraulik - schnell - viel Empirie bzgl. Phasenverteilung - 3D CFD-Codes - genaue - aufwendig Phasenverteilung Ergebnisse aus: E. C. Rogero, PhD Thesis, Technische Universität München (2009). 4

5 3 Nachrechnungen der Versuche von Owen et al. Owen I., Hussein I.B., Amini A.M.: "The impact of water slugs on wet steam flowmeters", Flow Meas. Instrum., Vol 2, April L = 13 m T= 20 C P0 = 1 bar (abs.) A= 1.963e-03 m² (DN50) L0 = 2.16 m, 3.15 m P1 = 3 bar bar (abs.) A0 = 0.25; 0.375; 0.50 x A TDV 1 P1 L=1,0 m L=2,056 L=0,104 L=2,193 m dx=0,5xd dx=0,5xd dx=0,5xd dx=0,5xd L=0,0554 m dx=0,5xd L=1,0 m dx=0,5xd ms 5 10 ms a= 0,250 0,375 0,500 u P TDV 2 P0 5

6 3 Nachrechnungen der Versuche von Owen et al. Rechencode: RELAP5/MOD 3.3, Version iy Information System Laboratories, "RELAP5/MOD3.3 Code Manual", NUREG/CR-5535, Slug Velocity at 10.9 m (D=0.05 m, L0=2.16 m) v [m/s] 40 Analytical 30 Experiment,free end Experiment,a= RELAP,a=0.25,dx/D=0.25 RELAP,a=0.25,dx/D= RELAP,a=0.50,dx/D=0.25 RELAP,a=0.50,dx/D= Tank Pressure [bar], abs. 6

7 3 Nachrechnungen der Versuche von Owen et al. Ergebnis: Deutlicher Einfluss der Diskretisierung auf die Höhe und Breite der Amplitude. Auflösen der scharfen Phasenfront je gröber die Diskretisierung ist. 7

8 3 Nachrechnungen der Versuche von Owen et al. Keine plausiblen Ergebnisse für P 1 > 3 bar und dx/d < 1 bei a=0.25 Deutliche Unterschätzung der gemessenen Druckamplituden Pressure Impact P (D=0.05 m, L0=2.16 m, a=a0/a=0.25) Experiment RELAP,dx/D=0.25 RELAP,dx/D=1.00 P [bar] Tank Pressure [bar], abs. 8

9 3 Nachrechnungen der Versuche von Owen et al. Unterschätzung der gemessenen Druckamplituden um ca. Faktor 2 Ursache: Auflösen der Phasenfront, zu geringe Endgeschwindigkeit P [bar] Pressure Impact P (D=0.05 m, L0=2.16 m, a=a0/a=0.50) Experiment RELAP,dx/D=0.25 RELAP,dx/D=0.50 RELAP,dx/D= Tank Pressure [bar], abs. 9

10 4 Zusammenfassung 1. Das Befüllen von leeren Rohrleitungssystemen kann zu erheblichen dynamischen Belastungen durch Impulskräfte führen. 2. Anlagenstillstand und Instandsetzungsmaßnahmen verursachen hohe Kosten. 3. Analytische Berechnung von Slug-Strömungen bzw. freien Oberflächen beschränken sich auf wenige Spezialfälle. 4. In 1D- Thermohydraulikcodes wird die Ausbildung der Strömungsform aus experimentell ermittelten Korrelationen ( Regime-Karten ) abgeleitet. 5. Die allgemeingültige Übertragung der empirischen Modelle auf technische Dimensionen im Kraftwerks- und Anlagenbau ist nicht immer möglich. 6. Für kurze, unverzweigte Rohrleitungssysteme und kurze Simulationszeiten geben die Berechnungsergebnisse qualitativ die erwarteten Vorgänge wieder. 7. Die mit RELAP5/MOD3.3 berechneten Belastungen sind um Größenordnungen geringer als die Ergebnisse nach der Joukowsky Gleichung. 8. Die Simulationsergebnisse liegen allerdings deutlich unter den experimentellen Ergebnissen nach Owen et al. Es besteht Bedarf an weiterer Forschung und Programmentwicklungen. 10

11 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Harald Swidersky, Thomas Thiele TÜV SÜD Industrie Service GmbH, München JAHRESTAGUNG KERNTECHNIK, ANNUAL MEETING ON NUCLEAR TECHNOLOGY Mai May 2012, Stuttgart TÜV SÜD Industrie Service GmbH H. Swidersky, Th. Thiele, Jahrestagung Kerntechnik, Mai, Stuttgart 11

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