Forschungsziel

Die Versuchsanlage COSMOS-L (Critical Heat Flux on Smooth and Modified Surfaces – Low Pressure) wurde gebaut, um Untersuchungen zur kritischen Wärmestromdichte (CHF) unter Strömungssieden zu untersuchen. Die krit. Wärmestromdichte kann für bestimmte Geometrien und Randbedingungen mithilfe von experimentellen Messungen bestimmt werden. Allerdings ist die Gültigkeit dieser Ergebnisse auf die jeweilige Geometrie und verwendeten Randbedingungen begrenzt. Eine Übertagbarkeit auf andere Anwendungsfälle ist ohne weiteres nicht möglich. Der genaue Entstehungsmechanismus der kritischen Wärmestromdichte ist noch nicht geklärt und Gegenstand aktueller Forschung. Neben einigen mechanistischen Modellansätzen (z.B.  „Near Wall Bubble Crowding Model“, „Sublayer Dryout Model“ oder „Interfacial Lift-Off Model“), gibt es auch Ansätze mit Korrelationen, sogenannte „Lumped Parameter Codes“, die auf Kennfeldern beruhen. Ein neuer Ansatz wird in dem Verbundprojekt  „CFD-Methoden zur Berechnung der kritischen Wärmestromdichte“ verfolgt. Die Verbundpartner TU-München, KIT-Karlsruhe, TU Dresden, ANSYS Germany GmbH und GRS-Garching haben das Ziel CFD-basierte Modelle zu entwickeln, um ein allgemeingültiges, geometrieunabhängiges Werkzeug zur Berechnung der kritischen Wärmestromdichte zu erhalten.

Versuchsanlage COSMOS-L:

Die Versuchsanlage ist in einer Gesamtübersicht in Abbildung 1 zu sehen.

In diesem Wasserkreislauf kann die kritische Wärmestromdichte unter Variation der Parameter Druck, Eintrittsunterkühlung und Massenstrom untersucht werden. Der Druckbereich am Austritt kann dabei zwischen 1 bis 3 bar variiert werden. Eine Eintrittsunterkühlung ist im Bereich zwischen 20 und 50 Kelvin möglich. Die Massenstromdichte der durchströmten Teststrecken variiert von 250 kg/(m² s) bis zu 1.000 kg/(m² s).

Im Versuch wird Wasser von der Versuchspumpe P1 mit dem gewünschten Volumenstrom zum Vorerhitzer gepumpt, wobei im Anschluss an die Pumpe die Wassertemperatur, der O2-Gehalt, die Leitfähigkeit und der Volumenstrom gemessen werden. Im Vorerhitzer wird das Wasser auf die gewünschte Eintrittstemperatur erhitzt und gelangt nach Durchströmen eines Drosselventils über vier flexible Schläuche in den Eintritt der Teststrecke (siehe Abb. 2). Im Anschluss an die Teststrecke strömt das Wasser-Dampfgemisch in einen Kondensator und von dort zum Kühler, der im Vorlauf der Pumpe sitzt. Ein Druckhalter zwischen Kühler und Kondensator stabilisiert den Anlagendruck. Im Kreislauf verteilt sind zahlreiche Temperatur- und Druckmessstellen. Zudem gibt es einen Sekundärkreislauf für die Kühlung des Kondensators und des Kühlers.

Abb. 1: Gesamtanlage COSMOS-L

Die Teststrecke der COSMOS-L ist aktuell ein Ringspalt mit innerem Durchmesser von 9,5 mm und äußerem Maß von 18 mm. In Abbildung ist eine Übersicht der Teststrecke dargestellt. Über vier flexible Schläuche strömt das Wasser in das untere Anschlussstück und von dort in den Ringspalt. Die Beheizung des Ringspalts erfolgt elektrisch über einen Transformator, der mit Anschlusselementen aus Kupfer, die wiederum mit dem Hüllrohr aus Zircaloy verbunden sind. 

Abbildung 2: Übersichtsbild Teststrecke

Nach Durchströmen des Ringspalts gelangt das Wasser-Dampfgemisch dann über ein horizontales Rohr zum Kondensator. Am Austritt werden dann ebenfalls noch einmal der Druck (p2 ) und die Temperatur (T28) gemessen, sowie die Außentemperatur am oberen Drittel des Glasrohrs (T4) (vgl. Abb.1 Und Abb.4).

Die COSMOS-L Versuchsanlage bietet aufgrund der hohen Instrumentierung die Möglichkeit Daten bereitzustellen, die als Validierungsdaten für CFD-Rechnungen dienen. Neben der exakten Erfassung der Randbedingungen, wie Eintrittstemperatur, Massenstrom und Austrittsdruck, erlaubt die Versuchsanlage auch die Überwachung der Temperatur auf dem verwendeten Heiz-Versuchsrohr. Durch eine Schnellabschaltung der elektrischen Beheizung des Versuchsrohrs, kann bei Auftreten der kritischen Heizflächenbelastung, die Leistung unmittelbar reduziert werden, um Schäden am Versuchsrohr und der Anlage zu vermeiden. Dies erlaubt auch eine statistische Betrachtung des Auftretens der krit. Heizflächenbelastung.
Neben einer Ringspalt-Teststrecke, kann in der Anlage auch eine Stabbündelteststrecke getestet werden. Die Ringspalt-Teststrecke setzt sich aus einem direkt beheizten Zircaloy-4 Hüllrohr und einem Glasrohr zusammen, das das Hüllrohr umgibt. Das Versuchsmedium, VE-Wasser, strömt im gebildeten Ringspalt aus Heizrohr und Glasrohr. Dabei beträgt der innere Durchmesser des Ringspalts 9,5 mm (Außendurchmesser Hüllrohr) und der äußere Durchmesser 18 mm (Innendurchmesser Glasrohr), seine Länge ist 345 mm. Das Material des Glasrohrs ist Borosilicatglas 3.3. Dadurch, dass ein Glasrohr für den Ringspalt verwendet wird, ist eine optische Betrachtung der Strömung möglich. So können Rückschlüsse auf das Strömungsverhalten gezogen werden. Mit laseroptischen Messverfahren, wie z.B. LDA lässt sich eine Geschwindigkeit von aufsteigenden Blasen bestimmen. Über optische Fasersonden sind Messungen des lokalen Dampfgehalts möglich. Shadowgraphy-Messungen geben zudem Aufschluss, wie weit die Blasen in die unterkühlte Flüssigkeit eindringen können.

Neben der vorhandenen Ringspaltteststrecke wird eine Teststrecke verwendet, die eine 3x3 Rohranordnung erlaubt. Die Rohre haben dabei einen Pitch von 14,5 mm und sollen alle direkt elektrisch beheizt werden. Aufgrund der stärkeren Beheizung des mittleren Rohrs wird sichergestellt, dass die kritische Wärmestromdichte stets an diesem Rohr auftritt. Optische Zugänge von vier Seiten des Versuchskanals sollen eine Visualisierung der Strömung erlauben.

Abbildung 3: 3x3 Stabbündelteststrecke