Kondenzace vodní páry za přítomnosti inertního plynu

Abstract

Tekutý kov PbLi17 je uvažován jako jeden z kandidátů pro chladivo množivého blanketu fúzního reaktoru DEMO. Důležitým faktorem jeho použití je množení tritia. Nicméně, tento kov způsobuje degradaci materiálů průtočného potrubí. Legury z těchto materiálů jsou odplavovány řečištěm tekutého kovu PbLi17 společně s korozními produkty. Takto znečištěný tekutý kov by se mohl v některých místech ucpávat, což je nežádoucí. Z těchto důvodu je potřeba použít zařízení, které by dokázalo znečištěný tekutý kov efektivně čistit. V CV Řež bylo v rámci projektu CANUT vyvíjeno zařízení Studená past, které pracuje na principu gravitační separace nečistot založené na podchlazení tekutého kovu a jeho výrazné změny hustoty. Zařízení obsahuje tři okruhy. Primární je naplněn tekutým kovem PbLi17. Sekundární okruh obsahuje primárně směs kapalné vody a páry, která přejímá teplo z primárního okruhu a odpařováním vody podél teplosměnné stěny je primární okruh efektivně chlazen. Tato odebraná energie je následně odváděna na kondenzační část sekundárního okruhu, kde odpařená pára kondenzuje a tím odvádí teplo do okruhu terciálního, tj. z tělesa zařízení. Z hlediska dosažení požadovaných provozních stavů je nutné řídit tlakové změny v sekundárním okruhu pomocí inertního nekondenzujícího plynu (argonu). Přítomnost tohoto plynu ve vodní páře však výrazně ovlivňuje přenos tepla a hmoty, což může mít negativní efekt na celkový odvod tepla z tělesa Studené pasti. Předkládaný výzkum analyzuje procesy přenosu tepla a hmoty v zařízení Studená past, kde každý proces je diskutován separovaně. Hlavní zaměření výzkumu se soustředí na podrobnou analýzu procesu kondenzace par za přítomnosti nekondenzujícího plynu ve směsi pro různé okrajové podmínky (celkový tlak, teplota, koncentrace plynu atd.), která je přítomností nekondenzujícího plynu negativně ovlivněna nejvíce. Na základě této analýzy byl vytvořen a na dostupných datech validován kondenzační model, který predikuje chování směsi a sdílení tepla při tomto druhu kondenzace s možnou aplikovatelností modelu na širší spektrum aplikací než pouze pro případ Studené pasti. Vytvořený kondenzační model je poté implementován do celkového analytického výpočetního modelu chlazení pasti, jehož tvorba byla také podstatnou částí výzkumu a dosažené výsledky jsou rovněž analyzovány i diskutovány.

The liquid metal PbLi17 is considered as the possible coolant of the DEMO fusion power reactor breeder blanket, where the important factor of its usage is tritium breeding. However, the flowing liquid metal dissolves alloying elements of the structural steels and thus causes their degradation and corrosion. Contaminated liquid metal could be plugged in some places, which is undesirable and a device that can effectively clean it is necessary to use. So the Cold trap is developed by CV Rez under the auspices of the CANUT project. It consists of three loops and extraction of the corrosion products from liquid metal is provided by gravity separation based on significant density changes principle due to subcooling of the liquid metal. The primary loop is designed for liquid metal flow purification and it is cooled by evaporation section of the secondary loop, which contains primarily a mixture of liquid water and steam. The thermal energy is then transferred to the condenser section of the secondary loop, where evaporated steam condenses and thus dissipates heat to the tertiary loop, ie. from the Cold trap body. In order to achieve the required operating conditions, it is necessary to control the pressure changes in the secondary loop by using an inert noncondensable gas (argon). However, the presence of this gas in the mixture with water vapour can significantly affect heat and mass transfer with a possible negative effect on the overall heat transfer from the Cold trap body. The presented research analyses separately the considered processes of heat and mass transfer in the Cold trap. The main focus of the research is dedicated to a detailed analysis of the vapour condensation process in the presence of the noncondensable gas for various boundary conditions (total pressure, temperature, gas concentration, etc.), which is affected by the gas presence most negatively. Based on this analysis, the condensation model was created and validated by the available data. It can predict the mixture behaviour and heat transfer in this type of condensation with the possible applicability to a wider range of applications than just for the Cold trap situation. The proposed condensation model is then implemented into the overall analytical computational model for heat transfer analysis in the Cold trap. This was also a substantial part of the research and the results are also analysed and discussed.