Counter Current Slug Flow İn A Vertical To Horizontal Tube Simulating Header Feeder System Having Obstructions İn Candu Reactors

Abstract

Slug flow regime in a vertical to horizontal test section with an obstruction in the horizontal leg for counter-current flow has been investigated in order to understand the phenomena in header-feeder system during the cooling process after a loss of coolant accident (LOCA) in CANDU reactors. After the signals were collected by three electrodes which were installed in the horizontal leg of the test section in between elbow and the flanges, the data were treated to obtain fundamental information on slug frequency and propagation velocity. Subsequently, the data of void fraction, height of gas, superficial liquid and gas velocities, slug frequency and slug velocity were compared with several models and correlations.

Gaz-sıvı iki fazlı akışının uygulama alanının yaygınlaşmasıyla, flooding'e olan ilgi artmaktadır. İşlem endüstrisinde; paketleme kulesi, düşey tüp kondenser gibi çeşitli ünite işlemlerinde flooding meydana gelebilir. Flooding bu durumlarda, sıvının istenmeyen şekilde taşınmasıyla sonuçlanır. Nükleer endüstride, eğer buharın yukarı akışı reaktör kalbine giden aşağı akışlı acil soğutucu akışkanın akışını sınırlar ve böylece yakıtların erime olasılığını arttırırsa, soğutucu akışkan kaybı kazası (LOCA), flooding durumu yaratabilir. Flooding terimi, bir çok açıdan ters akıştan düz akışa geçiş olarak tanımlamada kullanılır. Genel olarak ters akış ve özel olarak ters akış sınırlaması nükleer reaktör güvenlik analizinde çok önemli bir yer tutar. Canadian Deuteurium Uranium (CANDU) reaktöründe oluşabileceği öngörülen soğutucu akışkan kaybı kazası esnasında, giriş ve çıkış kollektörlerinden gelen su, besleyici borular vasıtasıyla yakıt kanallarına girer. Besleyici borular düşey ve yatay bölümlerden oluşur. Bazı besleyici borulara ölçüm yapmak ve akışı ayarlamak için akış sınırlandırıcılar ve/veya venturi tipi akış engelleyiciler yerleştirilmiştir. Besleyicilerde ve/veya yakıt kanallarında oluşan buhar, besleyici borularda düşey ve yatay ters iki fazlı akış yaratarak suyun ters yönünde akabilir. Bu koşullar altında, yakıt kanallarına girebilen soğutma suyunun hızı, flooding olayı ile kısıtlanabilir. Flooding, su kısmen buhar akış istikametinde akabilir. Suyun akışı, besleyici boruların geometrisi, yakıt kanalına bağlantı elemanı, akış alan sınırlayıcıları ve besleyici boruların kollektöre ve yakıt kanal bağlantı eleman sonuna bağlanma şeklinden etkilenir. XX Bir CANDU reaktöründeki kollektör-besleyici sistemine benzer bir geometride flooding olayı hakkında bilgi, yakıt kanallarının yeniden doldurulmasında acil soğutma enjeksiyon sistemi için gereken zamanı tahmin etmek için nükleer reaktör güvenlik analizinde birinci derecede önemlidir. Besleyicilerde ve/veya yakıt kanallarında oluşan acil soğutma suyuna ters akışlı buhar, flooding durumunda geçiş problemi yaratabilir. Reaktördeki kanallarda böyle geçiş problemlerinden birisi de öbekli akıştır. Yatay borularda öbekli akış, gazla sıvının katmanlı olarak aktığı akış bölgesinden ayrılarak yüksek hızda hareket eden içinde hava kütlesinin bulunduğu öbeklerin akışı olarak tanımlanabilir. Yüksek hızda uzun kümeler halinde hareket eden sıvı öbeklerin varlığı, gaz-sıvı taşınımında pek tercih edilmeyen bir durum olduğundan, genellikle öbekli akış istenmeyen bir akış biçimidir. Bu nedenlerden ötürü öbekli akış durumu, nükleer reaktör güvenlik analizinde besleyici borularda, soğutucu akışkan kaybı kazası esnasında, besleyici borularda bir miktar sıvının buhar tarafından geriye taşınması olarak değerlendirilmekte ve bu çalışmada bu kapsam altında gerçekleştirilmektedir. Gaz-sıvı akışının ana özelliği; geçiş ve düzensiz akış olmasıdır. Her bir öbek ünitesi, tübün eğimine bağlı olarak katmanlı veya halkalı akış biçimine sahip uzun hava kabarcık bölgesi ve sıvı içinde dağılmış hava kabarcıklarını içeren bir sıvı öbekten oluşur. Öbekli akışın düzensiz ve gelişen doğasından ötürü, öbeğin frekansı, hızı ve ve sıvı öbeğin uzunluğunun bilinmesi nükleer reaktörlerin güvenlik analizinde önemli yer tutmaktadır. XXI Bütün bu nedenlerden ötürü, bu tezin amacı bir CANDU nükleer reaktöründeki kollektör-besleyici sistemine benzer geometriye sahip bir sisteme ters ve öbekli akış uygulandığında, bu olayların borular içindeki davranışının anlaşılmasına yardımcı olmaktır. Bu çalışma için; 63.5 mm çapa sahip akışı gösterir yatay ve düşey tüpler kullanılmıştır. Bu yatay ve düşey ayaklar 90° açılı bir opak dirsekle birbirine bağlıdır. Düşey ayak 2022 mm uzunluğundadır. Yatay ayağın uzunluğu ise 3327 mm olup, dirsekten 1 1 10 ve 2217 mm uzakta iki tane flanş mevcuttur. Deney esnasında, yatay ayakta bulunan bu flanşlardan birine, bazı besleyici borularda bulunan akış engelleyiciler göz önüne alınarak, 0.72, 0.77, 0.83 /? (Dengeiieyici/Dtüp) oranına sahip, 1.5 mm kalınlığında paslanmaz çelik plakalar yerleştirildi. Bundan başka engelleyicilerin yatay ayaktaki yeri değiştirilerek dirseğe göre engelleyicilerin konum etkisi incelenmiştir. Deneylerde, akış hızı 0.05 m3/saat ile 4.54 m3/saat arasında değişen "Akış teknolojisi" türbin akış ölçeri ile ölçülmüş, gaz akış hızı ise 2 bar iç basıncında 0.085 m /saat ile 132.5 m3/saat arasında değişen 5 adet "Brooks" rotameters ile ölçülmüştür. Alt tanktaki mutlak basınç 0 bar ile 0.14 bar arasında değişen "Sensotec" basmç transistörüyle ölçülmüştür. Boşluk oranının ölçümü ve öbekli akışın algılanması için veri kazanım sistemine bağlı 3 takım hareketli kapasitans prob kullanılmıştır. Veri kazanım sistemi, 20 ms lik örnekleme zamanı ile, bir çalışmada 660000 veri noktasını (13200*5 kanal) toplama ve saklama yeteneğine sahiptir. Beş veri kanalı, öbeklerin algılanması için 3 ve alt tanktaki basıncın ölçülmesi içinde 1 tane elektrot içerir. Bu deneylerden elde edilen veriler, öbekli akışın frekansına ve ilerleme hızına dair temel bilgilerin alınması için kullanılmıştır. Bunun ötesinde sinyallerin analizi sonucu elde edilen bu bilgiler, açık literatürdeki bir kaç modelle karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmanın sonuçları şu şekilde özetlenebilir. XX11 Elde edilen sinyaller ortalama boşluk oranını tayin etmek için analiz edilmiş; daha sonrada Wallis & Dobson (1973), Siddiqui et al. (1986) ve Hori et al. (1985) in boşluk oranı ile boyutsuz gaz akış hızı arasında kurdukları bağıntılar kullanılarak mukayese edilmiştir. Mukayese sonunda Hori et al. m kullanmış olduğu bağıntının en iyi sonuç verdiği görülmüştür. Tüp içindeki gaz yüksekliği, Lockhart-Martinelli parametresi, Mishima ve İshii modeli ve boşluk oranı-gaz yüksekliği arasındaki bağıntılar kullanılarak hesaplanmış; Lockhart- Martinelli parametresi ve boşluk oranı-gaz yüksekliği bağıntılarının birbiriyle uyuşur sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Öbekli ters akış için bu zamana kadar çok az çalışma yapıldığından dolayı; flooding durumundaki gaz ve sıvı akış hızlan ile öbekli akışa geçiş durumundaki gaz ve sıvı akış hızlan karşılaştırılarak, flooding durumunda kullanılan bağıntıların öbekli akışa geçiş durumunda da kullanılıp kullanılamayacağı incelenmiştir. Bunun sonucu olarak, iki geçiş durumunda da akış hızlan arasında bir fark olmadığı görülmüş ve flooding için kullanılan bağıntıların öbekli akışa geçiş durumunda da kullanılabileceğine karar verilmiştir. Böylelikle Ardron ve Banerjee (1986)'nin akış engelleyiciler içermeyen ters akışlı yatay kanalda flooding durumu için kullanmış olduğu bağıntı, akış engelleyiciler içeren öbekli akış durumuna göre yeniden ilişiklendirilmiştir. Sonuçta türbülanslı akış için kullanılan n katsayısının 0.2 yerine 0.14 alınması en iyi sonucu vermiştir. Öbeğin frekansı, verilerin analizi sonunda, Gregory & Scott (1969), Stapelberg & Mewes (1994), Tronconi (1990)-Mishima & ishii (1980) ve tek boyutlu dalga modelleri ile kıyaslanmış ve tek boyutlu dalga modelinin kıyaslama sonunda en iyi uyuşmayı gösterdiği saptanmıştır. XX111 Verilerin analizi sonucu elde edilen öbek hızlan, yine bir boyutlu dalga modeli kullanılarak mukayese edilmiş ve dinamik dalga için yazılan denklemlerin (3 oranı 0.83 olan akış engelleyici dışındaki tüm diğer akış engelleyiciler için yapılan deneylerde en iyi sonucu verdiği görülerek, konsantrasyon gradyanının etkisi altında hidrostatik basıncın değişimiyle ilgili olduğu saptanmıştır.