Dinamika isparavanja u velikim zapreminama tečnosti izloženim velikim specifičnim toplotnim protocima u generatorima pare

Abstract

Predmet istraživanja ove doktorske disertacije je generisanje pare u velikim zapreminama tečnosti i razvoj odgovarajućih modela generisanja pare u uslovima bazenskog ključanja i modela generisanja pare u uslovima ključanja na spoljašnjoj površini cevnog snopa generatora pare. Razvijeni model generisanja pare u uslovima bazenskog ključanja je zasnovan na trodimenzijskoj numeričkoj simulaciji oblasti bazena i rešen je modelom dva fluida, kao i odgovarajućim bilansnim jednačinama mase, količine kretanja i energije, dok je oblast zida rešena trodimenzijskom numeričkom simulacijom temperaturskog polja. Sprezanje ove dve oblasti je izvedeno razdvajanjem na odgovarajući način mesta na zagrejačkom zidu gde nastaju mehurovi i mesta gde tečni film hladi zagrejački zid. Kao rezultati simulacije dobijeni su pouzdani rezultati neuniformne raspodele temperature u zagrejačkom zidu, kao i polja zapreminskog udela pare i nivoa dvofazne mešavine u bazenu. Model bazenskog ključanja je validiran za eksperimentalne uslove dostupne u literaturi koji odgovaraju ključanju vode na atmosferskom pritisku. Kao rezultat istraživanja bazenskog ključanja predložena je nova korelacija za bazensko ključanje zasnovana na gustini mesta nukleacije, kao i na dve karakteristične oblasti koje su istraživane. Drugi razvijen model u doktorskoj disertaciji je model generisanja pare u uslovima ključanja na spoljašnjoj površini cevnog snopa. Model je zanovan na numeričkoj simulaciji dvofaznog strujanja sekudarnog fluida oko snopa cevi generatora pare. Međufazni procesi na razdelnim površinama su modelirani odgovarajućim konstitutivnim korelacijama za dvofaznu mešavinu. Model je validiran na dve eksperimentalne instalacije generatora pare koje rade sa različitim vrstama radnih fluida. Oba modela razvijena u disertaciji daju detaljan uvid u složene uslove koji vladaju pri različitim uslovima ključanja i imaju značaj pri projektovanju i analizama sigurnosti generatora pare i isparivača.

The subject of this thesis is vapour generation in pool boiling conditions and development of corresponding pool boiling model and boiling model for vapour generation around a tube bundle on the secondary side of steam generator. The modelling approach is based on the two fluid model of two-phase flow in the pool region, with corresponding governing equations for mass, momentum and energy balance for each phase and the closure laws for interfacial transport due to friction and phase transition, and the transient heat conduction within the heated wall. The coupling between these two regions is achieved through a heat transfer from the heated wall to the growing bubble and the conjugate heat transfer between the heated wall and the liquid on the wetted surface. Obtained results show reliable nonuniform wall temperature distribution, as well as void fraction field and the swell level position in the pool. Pool boiling model is validated against experimental conditions, available in the literature, which corresponds pool boiling at the atmospheric pressure. As a result of pool boiling investigations, new pool boiling correlation is proposed based on nucleation site density and considering two characteristic areas of the heat transfer. The second developed model in this thesis is boiling model for two-phase flow around tubes in a bundle of steam generator. The applied approach numerically solves vapor-liquid flow with vapour generation at secondary side of steam generator. Interface transport is modelled with closure laws. The model is validated on two experimental instalations of steam generator with two different types of working fluid. The both boiling models give detail insight in complex conditions in boiling and have importance for different design of steam generators and evaporators.