An experimental study of bubble parameters in subcooled flow boiling in vertical channel to validate different heat flux partitioning models

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.