An experimental study of bubble parameters in subcooled flow boiling in vertical channel to validate different heat flux partitioning models
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Abstract
Pressurized water reactors (PWR) are safely operating below maximum heat flux
conditions because actual heat flux partitioning models fail to predict it accurately. Improving the
heat flux models will lead to more efficient performance of PWRs and in turn increase energy
output. In this work, two-phase flow is visualized in a scaled prototypical fuel element of a typical
PWR. The test section is composed of a vertical square polycarbonate tube with a concentric
cartridge heater resulting in a hydraulic diameter of 13.7 mm. Water is the working fluid at
atmospheric pressure. This investigation intends to measure experimentally the bubble parameters
that are required for heat flux partitioning calculations. The bubble parameters: (i) bubble
departure diameter, (ii) lift-off diameter, (iii) growth time, (iv) wait time, (v) active nucleation site
density and (vi) bubble release frequency; are measured experimentally using a high-speed camera.
A MATLAB algorithm was developed to analyze 2500 images captured for each of the 15 test
conditions conducted. Preliminary results have shown that isolated bubble regime can be achieved
at the proposed test section. The classic heat flux partitioning model (Griffith, Clark, and
Rohsenow 1958; Judd and Hwang 1976) and new (Basu 2003; Baglietto and Christon 2013) model
are tested for mass flux between 250 kg⁄s-m^2 to 500 kg⁄s-m^2 and heat flux from 200 kW⁄m^2 to
300 kW⁄m^2 for 15℃ of subcooling. The average values obtained with their corresponding
standard deviation are: a departure diameter of 0.348±0.036 mm, a lift-off diameter of 0.587±0.302
mm, a growth time of 0.935±0.062 ms, a wait time of 2.22±0.040 ms, a bubble release frequency
of 317.5±5.6 Hz and an active nucleation site density of 1.15×106±9.29×10^4 sites⁄m^2.The average
predicting error of the classic heat flux partitioning model was 35% ± 41% and in the new model
was 41% ± 37%. Basu’s models for growth time show good predictions with 36% of error. On the
other hand, Basu’s model for wait time (632% of prediction error) and release frequency (72% of
prediction error) did not capture the experimental data. Los reactores de agua a presión (PWR por sus siglas en inglés) funcionan de manera
segura por debajo de las condiciones de flujo de calor máximo porque los modelos de partición de
flujo de calor actuales no pueden predecirlo con precisión. Mejorar los modelos de flujo de calor
conducirán a un rendimiento más eficiente de los PWR y, a su vez, aumentará su producción de
energía. En este trabajo, flujo de dos fases se visualiza en un prototipo a escala de una barra
combustible de un PWR. La sección de prueba está compuesta por un tubo de policarbonato
cuadrado vertical con un calentador de cartucho concéntrico que da como resultado un diámetro
hidráulico de 13.7 mm. El agua es el fluido utilizado a presión atmosférica. Esta investigación
pretende medir experimentalmente cada parámetro requerido para los cálculos de partición de flujo
de calor. Los parámetros de la burbuja: (i) diámetro de salida de la burbuja, (ii) diámetro de
despegue, (iii) tiempo de crecimiento, (iv) tiempo de espera, (v) densidad de sitios de nucleación
activa y (vi) frecuencia de liberación de la burbuja; se miden experimentalmente utilizando una
cámara de alta velocidad. Se utiliza un algoritmo en MATLAB para analizar 2500 imágenes
capturadas para cada una de las 15 condiciones de prueba. Los resultados preliminares han
demostrado que se puede lograr un régimen de burbujas aisladas en la sección de prueba propuesta.
Los modelos de partición de flujo de calor son examinados para flujo de masa entre 250 kg⁄s-m^2
a 500 kg⁄s-m^2 y flujo de calor de 200 kW⁄m^2 a 300 kW⁄m^2 y 15 ℃ de subenfriamiento. Los
valores promedio obtenidos con su desviación estándar correspondiente son: un diámetro de salida
de 0.348 ± 0.036 mm, un diámetro de despegue de 0.587 ± 0.302 mm, un tiempo de crecimiento
de 0.935 ± 0.062 ms, un tiempo de espera de 2.22 ± 0.040 ms, una frecuencia de liberación de
burbujas de 317.5 ± 5.6 Hz y una densidad de sitio de nucleación activa de
1.15×106±9.29×10^4 sitios⁄m^2. el error de predicción promedio del modelo clásico de partición de
flujo de calor fue del 35% ± 41% y en el nuevo modelo fue del 41% ± 37%. Los modelos de Basu
para el tiempo de crecimiento muestran buenas predicciones con un 36% de error. Por otro lado,
el modelo de Basu para el tiempo de espera (632% del error de predicción) y la frecuencia de
liberación (72% del error de predicción) no capturó los datos experimentales.
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