Published June 29, 2017 | Version v1
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Experimental study of flow boiling in porous media: dryout and critical heat flux

Description

This work is motivated by the need to better understand the phenomena occurring while some water is injected into a heated porous debris bed. This re-flooding operation is a part of the planned mitigation procedure used during a Loss Of Coolant Accident (LOCA) that may occur into a nuclear power plant and results into a severe core damage. Our experimental study aims to characterize the boiling crisis that can happen in a boiling flow taking place within a heat-generating model porous medium. The test section is a two-dimensional model porous medium, composed of an array of 276 cylinders placed between two ceramic plates spaced from one another by 3 mm, one of which is transparent and allows visualizations of the flow. The 2 mm diameter cylinders are Pt100 resistance temperature detectors that perform a dual function: they act as heating elements (heated by Joule effect) and are also used as temperature probes. A fluid loop allows controlling the liquid injection flow rate, its inlet temperature as well as its pressure. The test section is held vertically, the liquid injected from bottom at a temperature close to the saturation temperature. In a first series of experiments, the thermal power applied to a bundle of heating cylinders is progressively increased until a dry zone is detected in the porous medium. Two kinds of phenomenology are observed during these 'dryout experiments'. First, at low liquid injection rate (4 kg.m-2.s-1 maximum mass flux), reaching the dryout power results into a liquid front receding down to the upper limit of the heated zone, while downstream the heated zone, the porous medium is vapour-saturated. Second, at higher flow rate, the boiling crisis happens at the surface of a single heating element, resulting in a local film boiling, whereas a two-phase flow still go through the whole test section. High-speed visualizations allow characterizing the flow regimes. Other experiments focus on determining the local critical heat flux on a given cylinder, for different upstream flow configurations. The inlet liquid flow rate is fixed. A thermal power is uniformly applied to a line of heating cylinders, upstream the cylinder under study. Results show that the local critical heat flux decreases as the power applied to the heated line increases. The distance from the cylinder under study to the heated line seems not to have a significant effect on the critical heat flux. Visualizations are used to characterize the two-phase flow upstream the heated line, aiming at expressing the critical heat flux as a function of the hydrodynamic parameters (saturations, phase velocities). The image analysis is particularly challenging. In order to calibrate the image processing parameters, we use a second model porous medium with the same geometry as the heat generating one, but where an isothermal two-phase flow is obtained by injecting gas into the liquid flow rather than generated by boiling. The gas injection flow rate is controlled and measured. Isothermal two-phase flow visualizations provide a reference case and are compared to flow boiling visualizations. (author)

Abstract (French)

Cette these est motivee par le besoin de completer les connaissances actuelles des phenomenes ayant lieu lors d'un renvoi d'eau dans un lit de debris radioactifs, operation appelee 'renoyage' et qui intervient dans une sequence d'accident grave ou un coeur de reacteur nucleaire est degrade suite a une perte prolongee de refrigerant primaire. Notre etude, de nature experimentale, vise a mieux caracteriser la crise d'ebullition en convection forcee, dans un milieu poreux chauffant. Le coeur du dispositif experimental est un milieu poreux modele quasi-bidimensionnel, compose de 276 cylindres disposes entre deux plaques de ceramique distantes de 3 mm, dont l'une, transparente, permet de visualiser les ecoulements. Les cylindres, de 2 mm de diametre, sont des sondes thermoresistives qui ont une double fonction: elles sont utilisees comme elements chauffants et comme capteurs de temperature. Une boucle fluide permet de controler le debit d'injection de liquide dans la section test, la temperature d'injection ainsi que la pression. La section test est placee verticalement, le liquide est injecte par le bas a une temperature proche de la saturation. Dans une premiere serie d'experiences, la puissance thermique dissipee globalement par un ensemble de cylindres chauffants est augmentee de facon progressive jusqu'a atteindre l'assechement d'une zone du milieu poreux. Les resultats montrent deux types de phenomenologies dans le declenchement de la crise d'ebullition. Pour des debits d'injection faibles (densites de flux massique de l'ordre de 4 kg.m-2.s-1 maximum), l'atteinte de la puissance d'assechement se traduit par un lent recul du front diphasique jusqu'a sa stabilisation en haut de la zone chauffee; en aval de la zone chauffee, l'ecoulement est monophasique vapeur. Pour des debits d'injection plus eleves, la crise d'ebullition apparait autour d'un des elements chauffants, conduisant a une ebullition en film localisee, tandis qu'un ecoulement diphasique liquide-vapeur continue de parcourir l'aval de la section test. Les visualisations de ces experiences permettent d'identifier qualitativement la structure des ecoulements. D'autres experiences consistent a mesurer le flux critique local autour d'un cylindre choisi, pour differentes configurations d'ecoulements. Le debit d'injection est fixe. Une puissance de chauffe est imposee a une ligne horizontale de cylindres en amont du cylindre choisi. Les resultats montrent que le flux critique sur ce cylindre diminue en fonction de la puissance delivree a la ligne chauffee. La distance du cylindre etudie a la ligne chauffee semble avoir peu d'influence sur le flux critique. Des visualisations experimentales sont utilisees pour caracteriser l'ecoulement diphasique en aval de la ligne chauffee, dans le but de mettre en relation le flux critique local avec des parametres hydrodynamiques (saturations, vitesses des phases). Les images obtenues sont difficiles a exploiter. Afin de calibrer les parametres des algorithmes de traitement d'images, nous avons reproduit une cellule d'essai de geometrie identique a l'originale, mais ou l'on injecte du gaz par une ligne de cylindres en amont de la section test dans une configuration d'ecoulement diphasique isotherme. Dans ce dispositif, le debit d'injection de gaz est controle et mesure. Les visualisations obtenues servent alors de references auxquelles sont comparees les visualisations d'ebullition convective. (auteur)

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Additional details

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Original title (French)
Etude experimentale de l'ebullition convective en milieu poreux: assechement et flux critique

Publishing Information

Imprint Pagination
223 p.
Report number
FRNC-TH--10467

Optional Information

Notes
141 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses