Kondensation am Freistrahl

Allgemein:

Die Kondensation in der Gegenwart nicht kondensierender Gase spielt in chemischen Prozessen, bei der Realisierung CO2 freier fossiler Kraftwerke (Kondensator), sowie in der Kern-Reaktorsicherheit im Falle der Notkühleinspeisung in den Primärkreis eine entscheidende Rolle. 


Der im Kühlmittel vorhandene Stickstoff löst sich bei der Notkühleinspeisung aus dem Not-Kühlwasser und reichert sich an der Phasengrenze zwischen Wasser und Dampf an, wo er einen zusätzlichen unerwünschten Stoff- bzw. Wärmeübergangswiderstand bildet.

Projektziel:

Ziel des Vorhabens ist die Erstellung von Benchmarks – also definierter Aufgabenstellungen für die Modellverifikation - für die Simulation von Strömungsformen mit Kondensation, die in der Reaktorsicherheit eine entscheidende Rolle spielen, sowie der Vergleich verschiedener Ansätze zur Modellierung von Kondensationsvorgängen.


Dazu wird die Kondensation von Wasserdampf in der Gegenwart nicht kondensierbarer Gase (meist Stickstoff) theoretisch (CFD-Rechnung) und praktisch (Laserspektroskopie) an verschiedenen Strömungsformen untersucht.


Als Beispiel für die praktische Untersuchung zeigt nachfolgendes Bild eine Messung der örtlichen Konzentrationsprofile von kondensierendem Wasserdampf, in Anwesenheit von Stickstoff als Inertgas.

In obigem Bild wird mit einem Laser auf die Phasengrenze einer geschichteten Wasser – Wasserdampf - Stickstoffströmung gezielt. Die dabei vom Laserstrahl getroffenen Moleküle geraten auf ein anderes Energieniveau und geben eine Streustrahlung ab. Es handelt sich dabei unter anderem um ein Raman-Streusignal. Dieses wird in einem Spektrographen in die verschiedenen Wellenlängen aufgespalten und von einer ICCD Kamera aufgenommen.

Das farbige Bild zeigt das spektral zerlegte Bild des 1 dimensionalen Laserstrahls, wie es von der CCD Kamera aufgenommen wird. Dieses wird numerisch ausgewertet und in Konzentrationen der beteiligten Stoffe über dem Laufweg des Laserstrahls umgerechnet (siehe rechtes Diagramm in obigem Bild). Aus den örtlichen Konzentrationsprofilen kann man anschließend den örtlichen Wärmeübergang berechnen.

 Zugehöriger Versuchsstand: Kondensationsversuchsanlage