Μελέτη των ιδιοτήτων λεπτών φιλμ υγρού κατά την ελεύθερη ισοθερμική και μη ισοθερμική ροή

Εισαγωγή

Ο όρος φιλμ υγρού προσδιορίζει μία ειδική ξεχωριστή κατηγορία ροής στην οποία το υγρό έχει τουλάχιστον μία επιφάνεια ελεύθερη, χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα μικρό πάχος (0.1 - 1.0 mm) και ρέει κάτω από την επίδραση των βαρυτικών δυνάμεων και των δυνάμεων συνεκτικότητας.

Το επιστημονικό ενδιαφέρον για τη συμπεριφορά των φιλμ υγρών πηγάζει από το ευρύ πεδίο εφαρμογών τους σε διατάξεις όπου απαιτείται ενίσχυση των μηχανισμών μετάδοσης θερμότητας και μάζας όπως:

• Πύργοι ψύξης
• Συμπυκνωτές ψυκτικών εγκαταστάσεων
• Ηλιακοί πύργοι (Direct Absorption Receiver)
• Πύργοι απορρόφησης και εκρόφησης αερίων
• Εξατμιστές υγρών
• Υδρόψυκτοι Πυρηνικοί Αντιδραστήρες Ισχύος

Σημαντικός αριθμός θεωρητικών αλλά και πειραματικών ερευνών καταδεικνύει ότι οι μηχανισμοί αυτοί επηρεάζονται από τα χαρακτηριστικά των φιλμ και ιδιαίτερα από τα κύματα στην ελεύθερη επιφάνειά τους.

Στην περίπτωση κανονικής λειτουργίας των Πυρηνικών Αντιδραστήρων Ισχύος Ζέοντος Ύδατος (BWR), λόγω της υψηλής τιμής του κλάσματος κενού της ροής του ψυκτικού μέσου, η επιφάνεια των στοιχείων του Πυρηνικού Καυσίμου ψύχεται ουσιαστικά από ένα φιλμ ψυκτικού υγρού. Το θερμικό όριο ασφαλείας της κρίσιμης θερμικής ροής, στην περίπτωση των BWRs ορίζεται από την εξαφάνιση του υγρού φιλμ από την επιφάνεια των στοιχείων του ΠΚ. Η οριακή αυτή κατάσταση ισχύος κατά την οποία στεγνώνει το ΠΚ αναφέρεται στη διεθνή βιβλιογραφία με τον όρο Dryout. Ο μηχανισμός εξάτμισης του φιλμ και η αλληλεπίδραση του με την αέρια φάση, οι θερμοϋδραυλικές ιδιότητες του καναλιού ροής και η γεωμετρία των ράβδων του ΠΚ αποτελούν βασικά στοιχεία του σχεδιασμού των BWRs. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον της συμπεριφοράς των φιλμ υπάρχει στις περιπτώσεις ατυχημάτων απώλειας ψυκτικού μέσου (LOCA) υδρόψυκτων Πυρηνικών Αντιδραστήρων Ισχύος. Στις περιπτώσεις αυτές ενεργοποιείται ένα σύστημα ψύξης εκτάκτου ανάγκης (ECCS), το οποίο στοχεύει στην εγκατάσταση ενός φιλμ ψυκτικού υγρού στην υπερθερμανθείσα επιφάνεια των στοιχείων του ΠΚ προκειμένου να αποφευχθεί η τήξη τους.

Πειραματική εγκατάσταση

Πειραματική εγκατάσταση για τη μελέτη λεπτών φιλμ υγρού

Για την μελέτη των ιδιοτήτων των λεπτών φιλμ υγρού χρησιμοποιείται κυλινδρικό Τμήμα Δοκιμών (ΤΔ) τοποθετημένο κατακόρυφα, το οποίο τροφοδοτείται με νερό από την υπάρχουσα θερμοϋδραυλική εγκατάσταση του ΕΠΤ.

Το ΤΔ είναι κατασκευασμένο έτσι ώστε το νερό τροφοδοσίας να διαμορφώνεται σε ένα λεπτό φιλμ, το οποίο διαβρέχει κατά μήκος την εξωτερική επιφάνεια του. Κατασκευάσθηκε από ράβδο διάτρητου ανοξείδωτου χάλυβα ANSI SS 304, εξωτερικής διαμέτρου 100 mm, εσωτερικής διαμέτρου 56 mm και μήκους 1,500 mm. Η εξωτερική του επιφάνεια υπέστη κατεργασία τορνιρίσματος και φινιρίσματος, με σκοπό αφενός την καλύτερη δυνατή ακρίβεια στη γεωμετρία της ράβδου και αφετέρου μικρότερη τραχύτητα στην επιφάνεια αυτής.

Η μορφοποίηση του φιλμ γίνεται στην ειδικά κατασκευασμένη κεφαλή του ΤΔ, μέσω ενός διακένου 0.25 mm περιμετρικά της ράβδου. Το ΤΔ θερμαίνεται έμμεσα μέσω τριών ηλεκτρικών αντιστάσεων συνολικής ισχύος 6 kW. Οι αντιστάσεις μήκους 2,500 mm, εξωτερικής διαμέτρου 8 mm έχουν σχήμα φουρκέτας και είναι προσαρμοσμένες σε τάπα από ανοξείδωτο χάλυβα. Κάθε αντίσταση τροφοδοτείται με 220 V και αποδίδει ισχύ 2 kW.

Στο εσωτερικό της ράβδου και σε απόσταση 2 mm από την εξωτερική επιφάνεια της εμφυτεύθηκαν 4 θερμοστοιχεία τύπου Κ. Η τοποθέτηση έγινε σε ευθεία παράλληλη στον άξονα της ράβδου και σε αποστάσεις 150, 500, 850 και 1,250 mm από τη βάση της.

Διάταξη ζεύγους ιχνηλατών αγωγιμότητας

Το ΤΔ τοποθετείται σε κατακόρυφη θέση εδραιωμένο σε τετράγωνη βάση κατασκευασμένη από έλασμα ανοξείδωτου χάλυβα, η οποία διαθέτει 4 ρυθμιζόμενα καθ' ύψος πόδια. Η βάση του ΤΔ χρησιμοποιείται για τη συλλογή του νερού που ρέει στην εξωτερική επιφάνεια της ράβδου, το οποίο εν συνεχεία οδηγείται στο δοχείο συγκέντρωσης του ΘΥΚ.

Για τις πειραματικές μετρήσεις εφαρμόζεται η σημειακή τεχνική του ιχνηλάτη αγωγιμότητας, στην οποία ανιχνεύεται η δισταθής κατάσταση του ιχνηλάτη "εντός" ή "εκτός" του φιλμ για διάφορες αποστάσεις του ιχνηλάτη από την επιφάνεια ροής. Για την υλοποίηση της τεχνικής κατασκευάσθηκε διάταξη ζεύγους ιχνηλατών, οι οποίοι κινούνται με τη βοήθεια βηματικών κινητήρων απευθείας συνδεδεμένων σε ΗΥ.