Untersuchungen zu Kondensationsschlägen in Rohrleitungssystemen

Untersuchungen zu Kondensationsschlägen in Rohrleitungssystemen Exemplarische Vorstellung der Versuchsergebnisse an der Technischen Universität Hamburg-Harburg Dipl.-Ing. Christian Urban Prof. Dr.-Ing. Michael Schlüter Institut für Mehrphasenströmungen Technische Universität Hamburg-Harburg

Agenda Zielsetzung der Forschungsarbeiten an der TUHH Lösungsansätze Beschreibung der Versuchsanlage Ergebnisse Schlussfolgerung Optische Untersuchungen Aussicht Danksagung 06.03.2013 2

Zielsetzung der Forschungsarbeiten an der Technischen Universität Hamburg-Harburg Projektpartner im Verbundprojekt CIWA: Partner aus Forschungseinrichtungen In Genehmigungs- und Aufsichtsverfahren involvierte Partner Experimentelle Untersuchungen und numerische Simulationen Fraunhofer UMSICHT Oberhausen Universität der Bundeswehr München Technische Universität München Technische Universität Hamburg-Harburg DN100 Versuchsstand DN100 Versuchsstand Code-Entwicklung DN50 Versuchsstand CFD-Validierung TÜV NORD SysTecGmbH & Co. KG TÜV SÜD Industrie Service GmbH Code-Evaluierung Verbindung zur technischen Anwendung Projektträger Karlsruhe (PTKA) Projektbetreuung 06.03.2013 3

Zielsetzung der Forschungsarbeiten an der Technischen Universität Hamburg-Harburg Experimentelle Erfassung und Berechnung von lokalen Phänomenen bei Kondensationsschlägen: Experimentelle Untersuchungen im Technikumsmaßstab zur quantitativen Erfassung von Kondensationsschlägen (Druck- und Temperaturmessungen) Visualisierung von Schlüsselphänomenen (Phasengrenzenverteilung) detaillierten Validierung von Modellen (1D bis 3D) Maßstabsübertragung (in Verbindung mit den Ergebnissen der Projektpartner) CFD Simulationen mit OpenFOAM (open sourcecode) in verschiedenen Detaillierungsgraden 06.03.2013 4

Lösungsansätze: Simulation & Experiment CFD Simulation mit OpenFOAM Eignung öffentlich zugänglicher Software zur Berechnung von Kondensationsschlägen Code Validierung in Zusammenarbeit mit der TUM Experimentelle Untersuchungen Dimensionierung der Versuchsanlage: Länge / Breite / Höhe: 4.5 m x 0.8 m x 3.5 m Druckbereich: 1 bis 10 bar Temperaturbereich: bis zu 180 C Abtastrate des Drucks: 50.000 Hz 06.03.2013 5

Beschreibung der Versuchsanlage Teststrecke mit Separatoren: ruhender Sattdampf Spezifikation der Teststrecke: 5 Druckmessstellen mit einer Abtastrate von 50.000 Hz 8 Temperaturmessstellen für Dampf- und Flüssigphase Durchmesser: 51,3 mm Länge: 2,5 m L/D: 49 Beidseitig begrenzt durch Separatoren (Volumen: 25 l) Variable Einspeisegeometrie Kaltwasser 06.03.2013 6

Ergebnisse Versuchsparameter Versuchsparameter: Geometrie der Kaltwassereinspeisung: 90 Umlenkung Neigungswinkel der Versuchsanlage: β = 0,5 (nahezu horizontal) Unterkühlung der Flüssig- zur Dampfphase: T = 27 K Systemdruck: p = 4,2 bar Kaltwasser Einspeiserate: V = 1,4 m³/h Gefälle: 0,5 T= Sättigungstemperatur - Einspeisetemperatur 06.03.2013 7

Ergebnisse Modellvorstellung der Phasengrenzfläche 06.03.2013 8

Ergebnisse Druckverlauf 06.03.2013 9

Ergebnisse Druckverlauf 06.03.2013 10

Ergebnisse Druckverlauf t 1 t 1 06.03.2013 11

Ergebnisse Druckverlauf Druckfront 06.03.2013 12

Ergebnisse Druckverlauf Druckfront Entspannungsfront 06.03.2013 13

Ergebnisse Druckverlauf t 2 Druckfront Entspannungsfront t 2 06.03.2013 14

Ergebnisse Druckverlauf Schallgeschwindigkeit a eff, th t m =347µs m a m = 1400s = 1 2 a th 1 ρ. + di E.s..Ψ a eff th =, 1439 m s 360 µs 340 µs 340 µs 240 µs 280 µs 300 µs 240 µs Ort der Implosion t m =265µs l S a. m tm = 2 = 186mm Eingrenzung des Ursprungsortes auf 300 mm links von p2 l S 06.03.2013 17

Schlussfolgerung der Druckmessungen Die durchgeführten zeitlich hochauflösenden Druckmessungen lassen folgende Aussagen zu: Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Druckwelle eines Kondensationsschlags ist bestimmbar. Der Ursprungsort eines Kondensationsschlages kann eingegrenzt werden. Die Phasengrenzenverteilung kann rekonstruiert werden. Jedoch: Maßgebliche Parameter während einer schlagartigen Kondensation sind weiterhin unbekannt (Austauschfläche, HTC, T) Zur vollständigen Aufklärung der grundlegenden Phänomene sind weitere Informationen notwendig Optische Untersuchungen. 06.03.2013 18

Optische Untersuchungen: Transparenter Rohrabschnitt Untersuchung von lokalen Phänomenen: Identifizierung besonders relevanter Strömungsabschnitte Einbau eines transparenten Rohrabschnitts Gegenlichtaufnahmen, LIF, PIV Modellvalidierung Γ= ( α. A. T). h 1 v Temperaturdifferenz Dampf/Wasser: TU Hamburg-Harburg Austauschfläche: TÜV Nord SysTec GmbH & Co. KG, TUHH Wärmeübergangskoeffizient: TU München Γ: Kondensationsmassenstrom : Verdampfungsenthalpie h v 06.03.2013 19

Optische Untersuchungen: Aufnahmen im Gegenlichtverfahren Beispiel: Voruntersuchungen im Gegenlichtverfahren: Ermöglicht die Validierung von Modellen für die Austauschfläche. Ermöglicht die Validierung von 1D und 3D Codes. Kann für Demonstrationszwecke in Lehrveranstaltungen genutzt werden. Zunahme der Gasphasengeschwindigkeit 06.03.2013 20

Ausblick Optische Untersuchungen Highspeedkamera-Aufnahmen der Phasengrenzenverteilungzur Validierung und Verbesserung von Modellen (z.b. Phasengrenzflächenmodell in Entwicklungan der TÜV NORD SysTec GmbH & Co. KG) Laseroptische Untersuchungen (LIF-T, PIV) Variation ausgesuchter Versuchsparameter Geschwindigkeit der Kaltwassereinspeisung Temperatur der Kaltwassereinspeisung Entwicklung von neuen Kriterien zur Vermeidung von Kondensationsschlägen Austauschfläche T Fluid T Sat Dampf Flüssigkeit Dampf Γ Flüssigkeit 06.03.2013 21

Danksagung 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. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 06.03.2013 22