Effects of a flow obstacle on liquid film thickness in relation with CHF enhancement

R. J. Belt; R. F. Mudde; T. H. J. J. Van Der Hagen

doi:10.1515/kern-2003-0044

Artikel

Effects of a flow obstacle on liquid film thickness in relation with CHF enhancement

R. J. Belt , R. F. Mudde und T. H. J. J. Van Der Hagen

Veröffentlicht/Copyright: 11. März 2022

Veröffentlicht von

Veröffentlichen auch Sie bei De Gruyter Brill

Manuskript einreichen Informationen für Autor*innen

Aus der Zeitschrift Kerntechnik Band 68 Heft 3

Abstract

There is evidence in literature that the insertion of flow obstacles in the coolant flow of a boiler flowing in an annular regime postpones the film dryout emergence on the heated surfaces. Specifically, the obstacle is believed to force the deposition of droplets to the wall, hence to increase the film flow rate, and therefore to delay dryout. The two objectives of the present research are (i) to confirm the increase in the film flow rate due to the obstacle, by (ii) building an appropriate flow-loop equipped with suited techniques for film thickness and film velocity measurements. A solid cylinder is inserted in the center of a vertical water-air annular tube flow. Variations in liquid film characteristics, e. g. film thickness and interfacial parameters (disturbance waves velocity and frequency), are measured through a local conductance probes technique. This work shows that the presence of an obstacle in an annular flow leads to an increase in the film thickness, specifically the substrate thickness, and does not affect the interfacial behavior of the film. An increase in the droplet deposition constant is observed and agrees reasonably well with predictions from the Windecker et al. (1999) correlation. The flow-loop and the measurements techniques are suited for extensive droplet deposition measurements.

Abstract

In der Literatur wird berichtet, dass Hindernisse, die in den Strömungsweg eines Verdampferkanals eingebracht werden, bei Vorhandensein einer Ringströmung das Austrocknen des Flüssigkeitsfilms an der beheizten Oberfläche verzögern können. Im Detail wird angenommen, dass das Hindernis die Ablagerung von Tröpfchen an die Wand verstärkt. Auf diese Weise wächst die Flüssigkeitsmenge im Film an und das Austrocknen wird verzögert. Die zwei Ziele der vorliegenden Forschung sind (1) eine experimentelle Bestätigung der Vergrößerung des Flüssigkeitsdurchsatzes im Film durch den Störkörper, (2) der Aufbau einer geeigneten Versuchsschleife, die mit einer entsprechenden Messtechnik für die Filmdicken- und Geschwindigkeitsmessung ausgestattet ist. Als Störkörper dient ein zylindrischer Körper, der zentrisch in das Rohr eingesetzt wird, in dem eine Luft-WasserRingströmung erzeugt wird. Veränderungen der Filmparameter, wie Filmdicke und Charakteristika der Phasengrenzfläche (Geschwindigkeit und Frequenz von Störungswellen) werden mit Hilfe eines lokalen elektrischen Leitfähigkeitssensors gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anwesenheit des Störkörpers in der Ringströmung zu einer Erhöhung der Filmdicke, speziell der Dicke des Grundfilms unterhalb der überlagerten Wellen führt. Das Grenzflächenverhalten des Films, d. h. Frequenz und Geschwindigkeit der Wellen, wird nicht beeinflusst. Es wurde eine Erhöhung der Tropfenablagerungskonstante beobachtet, die gut mit den Vorhersagen der Korrelation von Windecker et al. (1999) übereinstimmt. Die Versuchsschleife und die verwendete Messtechnik sind für weitergehende, intensivere Untersuchungen zur Tropfenablagerung geeignet.

References

1 Doerffer, S.; Groeneveld, D. C. and Schenk, J. R.: Experimental study on the effects on flow inserts on heat transfer and critical heat flux. Proc. Int. Conf. Nucl. Eng. ASME, 1, Part A, 41–49 (1996)Suche in Google Scholar

2 Pioro, J. L.; Groeneveld, D. C.; Cheng, S. C.; Doerffer, S. and Vasic, A. Z.: Effect of flow obstruction shape on the critical heat flux. Proc. Int. Conf. Nucl. Eng. ICONE 8, 6(A), 135–149 (2000)Suche in Google Scholar

3 Fore, L. B. and Dukler, A. E.: Droplet deposition and momentum transfer in annular flow. AIChE J. 41 (1995) 204010.1002/aic.690410904Suche in Google Scholar

4 Schadel, S. A.; Leman, G. W.; Binder, J. L. and Hanratty, T. J.: Rates of atomization and deposition in vertical annular flow. Int. J. Multiphase Flow 16 (1990) 36310.1016/0301-9322(90)90069-USuche in Google Scholar

5 Coney, M. W. E.: The theory and application of conductance probes for the measurement of liquid film thickness in two-phase flow. J. Physics, E: Sci. Instrum., 6, 903–91010.1088/0022-3735/6/9/030Suche in Google Scholar

6 Asali, J. C.; Hanratty, T. J. and Andreussi, P.: Interfacial drag and film height for vertical annular flow. AIChE J 31 (1973) 89510.1002/aic.690310604Suche in Google Scholar

7 Prasser, H. M.: Personnal communication (2001)Suche in Google Scholar

8 Prasser, H. M.; Boettger, A. and Zschau, J.: A new electrode-mesh tomograph for gas-liquid flows. Flow Meas. and Instrum. 9 (1998) 11110.1016/S0955-5986(98)00015-6Suche in Google Scholar

9 Brown, R. C.; Andreussi, P. and Zanelli, S.: The use of wire probes for the measurement of liquid film thickness in annular gas-liquid flows. Can. J. Chem. Eng. 130 (1978) 75410.1002/cjce.5450560618Suche in Google Scholar

10 Binder, J. L. and Hanratty, T. J.: A diffusion model for droplet deposition in gas/liquid annular flow. Int. J. Multiphase Flow 17 (1991) 110.1016/0301-9322(91)90066-CSuche in Google Scholar

11 Guo, Y.; Groeneveld, D. C. and Cheng, S. C.: Prediction of CHF enhancement due to flow obstacles. Internal report (2001)10.1016/S0017-9310(01)00088-6Suche in Google Scholar

12 Belt, R. J.: Experimental study on the effects of a flow obstacle on annular flow in relation with CHF. Ms.C. thesis, Delft University of Technology (2002).Suche in Google Scholar

Received: 2003-02-18

Published Online: 2022-03-11

Sie haben derzeit keinen Zugang zu diesem Inhalt.

Artikel in diesem Heft

https://doi.org/10.1515/kern-2003-0044