Valiadation of CFD model for high-temperature helium

Result code in IS VaVaI

<a href="https://www.isvavai.cz/riv?ss=detail&h=RIV%2F26722445%3A_____%2F18%3AN0000154" target="_blank" >RIV/26722445:_____/18:N0000154 - isvavai.cz</a>

Result on the web

—

DOI - Digital Object Identifier

—

Result language

čeština

Original language name

Validace CFD modelu pro vysokoteplotní helium

Original language description

Motivace této aktivity vychází ze zkušeností s návrhem a provozem experimentálních zařízení pracujících s vysokoteplotním heliem v Centru výzkumu Řež (CVŘ). Tato zařízení jsou využívána převážně pro materiálový výzkum v prostředí plynem chlazených reaktorů IV (GFR a HTHR), tj. v helium o tlaku 7 MPa a teplotách až 900°C. Pro tyto účely bylo v CVŘ již provozováno několik experimentálních kanálů, jejichž konstrukce vždy vyžaduje speciální řešení, především s ohledem na různé teplotní požadavky kladené na jednotlivé komponenty. Zatímco v testovací sekci kanálů bývá dosahováno velmi vysokých teplot (až 900°C), teplota tlakového rozhraní je limitována materiálovými požadavky. To samé platí pro cirkulátor, který je nutné pro zařízení CVŘ provozovat na teplotách do 300°C. Proto je vždy nezbytné do zařízení zahrnout komponenty, které zajistí požadované teplotní pole v experimentálním kanálu. Zpravidla se jedná o systém tepelných izolací, elektrických ohříváků, výměníků a chladičů. Cílem chladiče, kterému je věnována pozornost v této zprávě, je dochlazení horkého helia vstupujícího do cirkulátoru na požadovanou teplotu. Běžně se používá chladič ve formě trubky stočené do dvouchodé šroubovice, kterou protéká voda odebírající teplo z helia proudícího na vnější straně. Ačkoliv byla prokázána funkčnost návrhu na několika experimentálních zařízení, některé komponenty jsou stále vyvíjeny za účelem zvyšování účinnosti a spolehlivosti. Jednou z těchto komponent je právě chladič. Předchozí geometrické návrhy této komponenty vycházely především z dostupných empirických korelací pro přestup tepla a následný návrh teplosměnné plochy. Tyto korelace jsou však zpravidla limitovány pro určité médium, oblast provozních parametrů (Reynoldsovo a Prandtlovo číslo) a geometrii. Vzhledem ke komplikovanosti geometrie používaného chladiče a nekonvenčním provozním parametrům lze očekávat limitovanou použitelnost již dostupných korelací, což se i experimentálně prokázalo. V případě návrhů dle těchto korelací docházelo k podhodnocování konvektivního přestupu tepla (možným vysvětlením je zvýšená intenzita turbulence v geometrii chladiče). To pak vedlo k předimenzování chladiče a tedy k podchlazování vystupujícího helia a nutnosti vyšších výkonů pro dohřev na požadované teploty. Z tohoto důvodu byl sestaven detailní 3D výpočetní model geometrie chladiče pomocí CFD metody, jehož pomocí by mělo být dosaženo zpřesněných návrhových výpočtů. Cílem výstupu je tedy sestavení CFD modelu (využito bylo CFD kódu ANSYS Fluent 19), jeho porovnání s experimentálními daty z provozu kanálu smyček HTHL a s dostupnými korelacemi a vyhodnocení jeho použitelnosti. V případě, že model bude dostatečně přesný, je možné odvodit vlastní korelace pro stanovení konvektivního přestupu tepla.

Czech name

Validace CFD modelu pro vysokoteplotní helium

Czech description

Motivace této aktivity vychází ze zkušeností s návrhem a provozem experimentálních zařízení pracujících s vysokoteplotním heliem v Centru výzkumu Řež (CVŘ). Tato zařízení jsou využívána převážně pro materiálový výzkum v prostředí plynem chlazených reaktorů IV (GFR a HTHR), tj. v helium o tlaku 7 MPa a teplotách až 900°C. Pro tyto účely bylo v CVŘ již provozováno několik experimentálních kanálů, jejichž konstrukce vždy vyžaduje speciální řešení, především s ohledem na různé teplotní požadavky kladené na jednotlivé komponenty. Zatímco v testovací sekci kanálů bývá dosahováno velmi vysokých teplot (až 900°C), teplota tlakového rozhraní je limitována materiálovými požadavky. To samé platí pro cirkulátor, který je nutné pro zařízení CVŘ provozovat na teplotách do 300°C. Proto je vždy nezbytné do zařízení zahrnout komponenty, které zajistí požadované teplotní pole v experimentálním kanálu. Zpravidla se jedná o systém tepelných izolací, elektrických ohříváků, výměníků a chladičů. Cílem chladiče, kterému je věnována pozornost v této zprávě, je dochlazení horkého helia vstupujícího do cirkulátoru na požadovanou teplotu. Běžně se používá chladič ve formě trubky stočené do dvouchodé šroubovice, kterou protéká voda odebírající teplo z helia proudícího na vnější straně. Ačkoliv byla prokázána funkčnost návrhu na několika experimentálních zařízení, některé komponenty jsou stále vyvíjeny za účelem zvyšování účinnosti a spolehlivosti. Jednou z těchto komponent je právě chladič. Předchozí geometrické návrhy této komponenty vycházely především z dostupných empirických korelací pro přestup tepla a následný návrh teplosměnné plochy. Tyto korelace jsou však zpravidla limitovány pro určité médium, oblast provozních parametrů (Reynoldsovo a Prandtlovo číslo) a geometrii. Vzhledem ke komplikovanosti geometrie používaného chladiče a nekonvenčním provozním parametrům lze očekávat limitovanou použitelnost již dostupných korelací, což se i experimentálně prokázalo. V případě návrhů dle těchto korelací docházelo k podhodnocování konvektivního přestupu tepla (možným vysvětlením je zvýšená intenzita turbulence v geometrii chladiče). To pak vedlo k předimenzování chladiče a tedy k podchlazování vystupujícího helia a nutnosti vyšších výkonů pro dohřev na požadované teploty. Z tohoto důvodu byl sestaven detailní 3D výpočetní model geometrie chladiče pomocí CFD metody, jehož pomocí by mělo být dosaženo zpřesněných návrhových výpočtů. Cílem výstupu je tedy sestavení CFD modelu (využito bylo CFD kódu ANSYS Fluent 19), jeho porovnání s experimentálními daty z provozu kanálu smyček HTHL a s dostupnými korelacemi a vyhodnocení jeho použitelnosti. V případě, že model bude dostatečně přesný, je možné odvodit vlastní korelace pro stanovení konvektivního přestupu tepla.

Type

O - Miscellaneous

CEP classification

—

OECD FORD branch

20305 - Nuclear related engineering; (nuclear physics to be 1.3);

Project

<a href="/en/project/TE01020455" target="_blank" >TE01020455: Centre for Advanced Nuclear Technologies (CANUT)</a><br>

Continuities

P - Projekt vyzkumu a vyvoje financovany z verejnych zdroju (s odkazem do CEP)

Publication year

2018

Confidentiality

S - Úplné a pravdivé údaje o projektu nepodléhají ochraně podle zvláštních právních předpisů