Validace CFD modelu pro vysokoteplotní helium

Kód výsledku v 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>

Výsledek na webu

—

DOI - Digital Object Identifier

—

Jazyk výsledku

čeština

Název v původním jazyce

Validace CFD modelu pro vysokoteplotní helium

Popis výsledku v původním jazyce

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.

Název v anglickém jazyce

Valiadation of CFD model for high-temperature helium

Popis výsledku anglicky

The motivation of this activity is based on experience with the design and operation of experimental facilities working with high-temperature helium in the Research Center Řež (CVR). These devices are mainly used for material research for the gas-cooled IV reactors (GFR and HTHR), i.e. in helium with pressure of 7 MPa and temperatures up to 900 °C. For this purpose, several experimental channels have already been operated in the CVR, the design of which always requires special solutions, especially with regard to the different temperature requirements imposed on the individual components. While very high temperatures (up to 900°C) are achieved in the test section of, the temperature of the pressure interface is limited by material requirements. The same applies to the circulator, which must be operated at temperatures up to 300°C. Therefore, it is always necessary to include in the device components that provide the desired temperature field in the experimental channel. Usually it is a system of thermal insulation, electric heaters, heat exchangers and coolers. The purpose of the cooler, which is addressed in this report, is to cool the hot helium entering the circulator to the desired temperature. Conventionally, a cooler is used in the form of shell-tube heat exchanger, where the tube is twisted into a double coil helix through which cooling water is flowing and taking a heat from the helium flowing on the shell side. Although design functionality has been demonstrated on several experimental devices, some components are still being developed to increase efficiency and reliability. One of these components is the cooler. The previous geometrical designs of this component were based mainly on the available empirical correlations for the heat transfer and the subsequent design of the heat transfer surface. However, these correlations are generally limited to a particular medium, the range of operating parameters (Reynolds and Prandtl numbers), and geometry. Due to the complicated geometry of the used cooler and unconventional operating parameters, the limited applicability of the already available correlations can be expected, which has been proved experimentally. In the case of designs according to these correlations, the convective heat transfer was underestimated (a possible explanation is the increased intensity of turbulence in the geometry of the cooler). This led to an oversizing of the cooler and thus to the subcooling of the exiting helium and the necessity of higher outputs for heating to the required temperatures. For this reason, a detailed 3D computational model of the heatsink geometry was prepared using the CFD method, which should be used to achieve more accurate design calculations. The aim of the output is to build a CFD model (using the CFD code ANSYS Fluent 19), compare it with experimental data from the HTHL loop channel operation and with available correlations and evaluate its usability. If the model is sufficiently accurate, it is possible to derive its own correlations to determine the convective heat transfer.

Druh

O - Ostatní výsledky

CEP obor

—

OECD FORD obor

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

Projekt

<a href="/cs/project/TE01020455" target="_blank" >TE01020455: Centrum pokročilých jaderných technologií (CANUT)</a><br>

Návaznosti

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

Rok uplatnění

2018

Kód důvěrnosti údajů

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