Published February 3, 1989 | Version v1
Miscellaneous

Investigation on vibration excitation of heat exchanger pipes by sub-cooled boiling on the jacket side

Description

The external transverse and longitudinal flow, pulsating internal flow and hydro-dynamic coupling are regarded as the exciting mechanisms for vibration of pipe bundles in heat exchanger units. The aim of this work is to prove the excitation of vibration of pipes loaded with high heat flow densities by the condensation pressure pulses occurring during sub-cooled boiling. A special single pipe test rig was designed, whose geometric dimensions and heat flow density are comparable with those of a fuel rod in a modern pressurized water reactor. Experimental results from the literature of growth and condensation behaviour of steam bubbles in subcooled liquids were confirmed by test. In a narrow subcooling interval, a synchronisation of the separating and condensing steam bubbles is observed in sub-cooled boiling. The effects of fluid speed, fluid sub-cooling, heating surface load and surface roughness of the heating rod on the frequency and amplitude of the periodic pressure pulses was shown in a reproduceable way. Resonance vibrations of the heating rod, which were found in variations of the test parameters, could be identified as forced vibrations due to the periodic condensation pressure pulses occurring during sub-cooled boiling. (orig.)

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Abstract (German)

Als Anregungsmechanismen fuer Rohrbuendelschwingungen in waermetauschenden Aggregaten werden im wesentlichen die aeussere Quer- und Laengsanstroemung, pulsierende Innenstroemung und hydrodynamische Kopplung angesehen. Ziel dieser Arbeit ist es, die Schwingungsanregung von mit hohen Waermestromdichten belasteten Rohren durch die beim Unterkuehlten Sieden auftretenden Kondensationsdruckpulse nachzuweisen. Es wurde ein spezieller Einzelrohrversuchsstand entworfen, dessen geometrische Abmessungen sowie Waermestromdichte mit den Werten eines Brennstabes in einem modernen Druckwasserreaktor vergleichbar sind. Experimentelle Ergebnisse aus der Literatur zum Wachstums- und Kondensationsverhaltens von Dampfblasen in unterkuehlten Fluessigkeiten konnten im Versuch bestaetigt werden. In einem eng begrenzten Unterkuehlungsintervall wurde bei Unterkuehltem Sieden eine Synchronisation der sich abloesenden und kondensierenden Dampfblasen beobachtet. Einfluesse von Fluidgeschwindigkeit, Fluidunterkuehlung, Heizflaechenbelastung und Oberflaechenrauhigkeit des Heizstabes auf Frequenz und Amplitude der periodischen Druckpulse konnten reproduzierbar nachgewiesen werden. Resonanzschwingungen des Heizstabes, die bei Variation der Versuchsparameter festgestellt wurden, konnten als zwangserregte Schwingungen infolge der beim Unterkuehlten Sieden auftretenden periodischen Kondensationsdruckpulse identifiziert werden. (orig.)

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Original title (German)
Untersuchung der Schwingungsanregung von Waermetauscherrohren durch mantelseitiges unterkuehltes Sieden

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109 p.