Reaktoreiden termisen tehon laskennan epävarmuuksien kartoitus

Diplomityössä selvitettiin Fortum Power and Heat Oy:n Loviisan VVER-440 painevesireaktorilaitosten termisen tehon laskentaan liittyviä epävarmuuksia. Laitoksen turvallisuusteknisissä käyttöehdoissa (TTKE) määrätään reaktorin suurimmaksi sallituksi lämpötehoksi 1500 MW. Tähän perustuen haluttiin selvittää nykyiseen RT1 laskentaan liittyvät epävarmuudet tarkastamalla nykyinen laskenta ja siinä käytetyt termohydrauliset laskentasovitteet. Työn alussa selostetaan lyhyesti Loviisan voimalaitoksen toimintaperiaate, jonka jälkeen esitellään laskentaan osallistuvat prosessimittaukset ja niihin liittyvät epävarmuustekijät. Mittauksille määritettiin epävarmuudet käyttäen hyödyksi komponenttivalmistajien tietoja sekä laitoksen kalibrointitodistuksia ja näiden lisäksi laskettiin standardin mukainen virhe virtauslaipoille. Edellä mainittujen virheiden perusteella voitiin laskea tehon epävarmuudet yksittäiselle höyrystimelle, josta edelleen varianssien summamenetelmällä saatiin reaktorin termiselle teholle 0,78 %:n epävarmuus 95 % luottamustasolla. Laskettua tehon epävarmuutta verrattiin Monte Carlo -menetelmällä suoritettuun tarkistuslaskentaan, jolla termisen tehon epävarmuudeksi saatiin 0,53 %, luottamustason ollessa 95 %. Työssä tarkasteltiin keskiarvotuksen vaikutusta mittausdataan. Näissä tarkasteluissa havaittiin pinnansäädöstä aiheutuva reaktoritehon huojunta, joka oli työn merkittävin havainto.

Simulating Fluid Flow in a Compressed Valve

The objective of the work is to study fluid flow behavior through a pinch valve and to estimate the flow coefficient (KV ) at different opening positions of the valve. The flow inside a compressed valve is more complex than in a straight pipe, and it is one of main topics of interest for engineers in process industry. In the present work, we have numerically simulated compressed valve flow at different opening positions. In order to simulate the flow through pinch valve, several models of the elastomeric valve tube (pinch valve tube) at different opening positions were constructed in 2D-axisymmetric and 3D geometries. The numerical simulations were performed with the CFD packages; ANSYS FLUENT and ANSYS CFX by using parallel computing. The distributions of static pressure, velocity and turbulent kinetic energy have been studied at different opening positions of the valve in both 2D-axisymmetric and 3D experiments. The flow coefficient (KV ) values have been measured at different valve openings and are compared between 2D-axisymmetric and 3D simulation results.

Isto é um cachimbo

Partindo do quadro de René Magritte, La trahison des images (Ceci n'est pas une pipe), este texto pretende tecer um comentário sobre as relações entre arte e realidade. Visando esse objetivo, tentarei interpretar a obra do pintor belga à luz do ensaio heideggeriano sobre a "Origem da obra de arte", não sem antes passar em revista alguns resultados da análise contida no livro de Michel Foucault, assim como algumas reflexões do filósofo da arte norte-americano Arthur Danto.

Teollisuuden jäähdytysjärjestelmät. Case: Kaasunerotuslaitteiston evaluointi

Teollisuuden jäähdytysjärjestelmiä tarvitaan prosessien lämpötilan ja paineen hal-litsemiseen. Vesi on käytetyin lämmönsiirtoaine hyvän saatavuutensa, halvan hin-nan ja korkean lämmönsiirtokyvyn ansiosta. Jäähdytysjärjestelmät jaetaan kolmeen päätyyppiin, joita ovat läpivirtausjäähdytys, suljettu ja avoin kiertojäähdytys. Kullakin järjestelmätyypillä on tyypilliset alatyyppinsä. Avoimella kiertojär-jestelmällä on eniten alatyyppejä, joista yleisin on jäähdytystorni. Jäähdytystorneja on kolmea tyyppiä: märkä-, kuiva ja hybriditorni. Kullakin järjestelmätyypillä on ominaiset piirteensä käyttökohteiden, ympäristövaikutusten, ohjattavuuden, investointi- ja käyttökulujen suhteen, joita tässä työssä esitellään. Työssä tutkitaan teollisuuden jäähdytysjärjestelmien esittelyn lisäksi erään ali-painekaasunpoistimen soveltuvuutta suljetun kiertojäähdytysjärjestelmän kaasun-poistoon. Suljettuun kiertojäähdytysjärjestelmään jää ilmaa täyttövaiheessa ja kul-keutuu liuenneena käytettävän jäähdytysveden mukana. Muodostuva ylikylläinen seos synnyttää veden sekaan ilmakuplia, jotka aiheuttavat korroosiota kemiallisesti ja kuluttamalla. Lisäksi kaasukuplat vievät tilavuutta nesteeltä. Tämä pienentää järjestelmän jäähdytystehoa merkittävästi, koska kaasun lämmönsiirtokyky verrat-tuna veden lämmönsiirtokykyyn on pieni. Työssä esitellään myös muita mahdolli-sia suljetun järjestelmän kaasulähteitä ja niiden aiheuttamia ongelmia. Alipainekaasunpoistimen kaasunerotustehokkuutta mitattiin jäähdytysvesinäyttei-den selkeytymisnopeudella ja lämmönsiirtimien tehon paranemisella. Kahden viikon tarkastelujaksolla selkeytymisajat paranivat 36–60 % eri mittauspaikoissa ja lämmönsiirtimien tehot paranivat 6–29 %. Järjestelmään kuitenkin jäi merkittävä määrä kaasua, vaikka laitteen käyttöä jatkettiin tarkastelujakson jälkeen, joten tavoitteisiin ei päästy. Tutkitun alipainekaasunpoistolaitteen ei todettu soveltuvan tehdasympäristöön kestämättömyyden, hankalakäyttöisyyden ja tehottomuuden takia. Tulokset kuitenkin osoittavat, että kaasunerotuksella on merkittävä vaikutus suljetun jäähdytysjärjestelmän toimivuuteen ja saavutettavaan jäähdytystehoon.

Sellutehtaiden höyrytasojen optimaaliset paineet

Sellutehtaiden kannattavuutta pyritään lisäämään parantamalla tehtaiden energiatehokkuutta ja tehostamalla tuotantoa. Yksi keino tehtaan sähkön tuotannon lisäämiseksi on höyrytasojen paineiden alentaminen tehtaan tuotantoprosesseissa. Tällöin höyry voidaan paisuttaa turbiinissa matalampaan paineeseen. Höyryn painetasojen alentaminen kuitenkin lisää tehtaan investointikustannuksia siirtoputkistojen kokojen ja lämmönsiirtopinta-alojen kasvaessa. Tämä diplomityö on tehty Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa osana Suomen Soodakattilayhdistyksen projektia ”Skyrec – Soodakattilan sähköenergiatehokkuuden nostaminen uudelle tasolle”. Tässä diplomityössä määritetään 600 000 tonnia sellua vuodessa tuottaville Suomeen sopiville sellutehdastyypeille taloudellisesti optimaaliset höyryn painetasot. Optimaaliset höyryn painetasot määritettiin painetasojen mukaisten energiataseiden sekä investointiarvioiden perusteella. Työn taselaskennat tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston Millflow-laskentasovelluksella. Matalapainetason mukaisia investointikustannuksia arvioitiin tehtaiden putkiston, haihduttamon ja kuivauskoneen osalta. Tulosten mukaan höyrytasojen paineet on taloudellisesti kannattavaa valita tehtaan laitteiston ja prosessien mukaan alhaisimmiksi mahdollisiksi. Lisäksi työssä tarkastellaan välipainehöyryn ja nuohoushöyryn paineiden alentamisen vaikutuksia tehtaan sähkön tuotantoon sekä joillekkin tehtaan prosesseille rakennettavan oman matala- tai välipainelinjan käytön kannattavuutta. Diplomityöhön kerättiin tietoa suomalaisilla sellutehtailla käytössä olevista höyryn paineista sekä syistä painetasojen valintaan.

Saostuman esto prosessiputken pinnalle

Työn tarkoituksena oli tutkia kirjallisuudessa esitettyjen menetelmien soveltuvuutta estää kalsiumkarbonaatin saostuminen PCC – prosessissa paperikonelinjan massansyöttöputkessa. Menetelmien heikkoudet ja toimivuudet arvioitiin lähdetietojen perusteella, joiden perusteella tehtiin johtopäätelmiä niiden toimivuudesta prosessissa ja käytettävyydestä kalsiumkarbonaattisaostuman muodostumiseen. Kirjallisuusselvitys osoittaa, että saostuma voidaan estää kemiallisesti ja sähkökemiallisesti sekä modifioimalla materiaalipintaa. Lisäksi sen muodostuminen voidaan estää ultraääniaaltojen avulla sekä indusoimalla mahdolliseen saostuskohtaan magneetti- tai sähkökenttä. Kokeellisessa osassa keskityttiin kirjallisuuden perusteella tutkimaan kalsiumkarbonaatin saostumista kaupallisilla menetelmillä. Tutkimuksissa käytettiin erilaisia pinnoitemateriaaleja, ultraääniaaltoja sekä magneettikenttää että liuossähkökemiaa. Näiden lisäksi tutkittiin saostumisen kehittymistä putkipinnalle ajan funktiona. Kokeellisten tulosten perusteella kirjallisuudessa esitetyistä menetelmistä ei suoraan mikään sovellu sellaisenaan tutkitussa prosessissa saostuman muodostumisen estoon. Koeparametrien optimointi muuttamalla tunnettuja parametreja prosessitilanteeseen paransi kalsiumkarbonaatin liukoisuutta. Tämän tutkimuksen tuloksena löytyi menetelmäkuvaus, jolla saostumien muodostuminen putkipinnoille voidaan estää.

CFD Modelling of Direct Contact Condensation in Suppression Pools by Applying Condensation Models of Separated Flow

The condensation rate has to be high in the safety pressure suppression pool systems of Boiling Water Reactors (BWR) in order to fulfill their safety function. The phenomena due to such a high direct contact condensation (DCC) rate turn out to be very challenging to be analysed either with experiments or numerical simulations. In this thesis, the suppression pool experiments carried out in the POOLEX facility of Lappeenranta University of Technology were simulated. Two different condensation modes were modelled by using the 2-phase CFD codes NEPTUNE CFD and TransAT. The DCC models applied were the typical ones to be used for separated flows in channels, and their applicability to the rapidly condensing flow in the condensation pool context had not been tested earlier. A low Reynolds number case was the first to be simulated. The POOLEX experiment STB-31 was operated near the conditions between the ’quasi-steady oscillatory interface condensation’ mode and the ’condensation within the blowdown pipe’ mode. The condensation models of Lakehal et al. and Coste & Lavi´eville predicted the condensation rate quite accurately, while the other tested ones overestimated it. It was possible to get the direct phase change solution to settle near to the measured values, but a very high resolution of calculation grid was needed. Secondly, a high Reynolds number case corresponding to the ’chugging’ mode was simulated. The POOLEX experiment STB-28 was chosen, because various standard and highspeed video samples of bubbles were recorded during it. In order to extract numerical information from the video material, a pattern recognition procedure was programmed. The bubble size distributions and the frequencies of chugging were calculated with this procedure. With the statistical data of the bubble sizes and temporal data of the bubble/jet appearance, it was possible to compare the condensation rates between the experiment and the CFD simulations. In the chugging simulations, a spherically curvilinear calculation grid at the blowdown pipe exit improved the convergence and decreased the required cell count. The compressible flow solver with complete steam-tables was beneficial for the numerical success of the simulations. The Hughes-Duffey model and, to some extent, the Coste & Lavi´eville model produced realistic chugging behavior. The initial level of the steam/water interface was an important factor to determine the initiation of the chugging. If the interface was initialized with a water level high enough inside the blowdown pipe, the vigorous penetration of a water plug into the pool created a turbulent wake which invoked the chugging that was self-sustaining. A 3D simulation with a suitable DCC model produced qualitatively very realistic shapes of the chugging bubbles and jets. The comparative FFT analysis of the bubble size data and the pool bottom pressure data gave useful information to distinguish the eigenmodes of chugging, bubbling, and pool structure oscillations.

Economic optimization method to design telescope irrigation of multiples outlets

In this study is presented an economic optimization method to design telescope irrigation laterals (multidiameter) with regular spaced outlets. The proposed analytical hydraulic solution was validated by means of a pipeline composed of three different diameters. The minimum acquisition cost of the telescope pipeline was determined by an ideal arrangement of lengths and respective diameters for each one of the three segments. The mathematical optimization method based on the Lagrange multipliers provides a strategy for finding the maximum or minimum of a function subject to certain constraints. In this case, the objective function describes the acquisition cost of pipes, and the constraints are determined from hydraulic parameters as length of irrigation laterals and total head loss permitted. The developed analytical solution provides the ideal combination of each pipe segment length and respective diameter, resulting in a decreased of the acquisition cost.

Epävarmuustarkastelun soveltaminen deterministisissä turvallisuusanalyyseissä

Tässä diplomityössä esitetään selvitys käytössä olevista deterministisistä turvallisuusanalyysimenetelmistä. Deterministisillä turvallisuusanalyyseillä arvioidaan ydinvoimalaitosten turvallisuutta eri käyttötilojen aikana. Voimalaitoksen turvallisuusjärjestelmät mitoitetaan deterministisen turvallisuusanalyysin tulosten perusteella. Deterministiset turvallisuusanalyysit voidaan laatia konservatiivista tai tilastollista menetelmää käyttäen. Konservatiivinen menetelmä pyrkii mallintamaan tarkasteltavan tilanteen siten, että laitoksen todellinen käyttäytyminen on hyvällä varmuudella lievempää kuin analyysitulos. Konservatiivisessa menetelmässä analyysin epävarmuudet huomioidaan konservatiivisilla oletuksilla. Tilastollinen menetelmä perustuu parhaan arvion menetelmään eli pyrkimykseen mallintaa laitoksen käyttäytyminen mahdollisimman todenmukaisesti. Tilastollisessa menetelmässä analyysin epävarmuudet määritetään systemaattisesti tilastomatematiikan keinoin. Työssä painotetaan tilastollisen analyysin epävarmuuksien määritykseen käytettäviä epävarmuustarkastelumenetelmiä. Diplomityön laskennallisessa osassa vertaillaan deterministisen turvallisuusanalyysin laadintaan käytettäviä menetelmiä termohydraulisen turvallisuusanalyysiesimerkin laskennan kautta. Laskennassa tarkasteltavana onnettomuutena on Olkiluoto 3-laitosyksikössä tapahtuva primäärijäähdytepiirin putkikatkosta aiheutuva jäähdytteenmenetysonnettomuus. Lasketun esimerkkitapauksen perusteella tilastollista ja konservatiivista menetelmää voidaan pitää vaihtoehtoisina turvallisuusanalyysin laadintaan. Molemmat analyysit tuottivat hyväksyttäviä ja toisilleen verrannollisia tuloksia, joiden suuruusluokka on sama.

Turbulent heat transfer and pressure drop in pinned annular regions

Experiments were performed to determine average heat transfer coefficients and friction factors for turbulent flow through annular ducts with pin fins. The measurements were carried out by means of a double-pipe heat exchanger. The total number of pins attached to the inner wall of the annular region was 560. The working fluids were air, flowing in the annular channel, and water through the inner circular tube. The average heat transfer coefficients of the pinned air-side were obtained from the experimental determination of the overall heat transfer coefficients of the heat exchanger and from the knowledge of the average heat transfer coefficients of the circular pipe (water-side), which could be found in the pertinent literature. To attain fully developed conditions, the heat exchanger was built with additional lengths before and after the test section. The inner circular duct of the heat exchanger and the pin fins were made of brass. Due to the high thermal conductivity of the brass, the small tube thickness and water temperature variation, the surface of the internal tube was practically isothermal. The external tube was made of an industrial plastic which was insulated from the environment by means of a glass wool batt. In this manner, the outer surface of the annular channel can be considered adiabatic. The results are presented in dimensionless forms, in terms of average Nusselt numbers and friction factors as functions of the flow Reynolds number, ranging from 13,000 to 80,000. The pin fin efficiency, which depends on the heat transfer coefficient, is also determined as a function of dimensionless parameters. A comparison of the present results with those for smooth sections (without pins) is also presented. The purpose of such a comparison is to study the influence of the presence of the pins on the pressure drop and heat transfer rate.

Buckling analysis of PVC sheets with RIB

This study has a technical and applied character. A PVC structured wall pipe can be produced by spirally winding a ribbed sheet having a male-female lock, chemically welded by an adhesive. These pipes are "flexible" and are used mainly in underground installations, to convey fluids in free duct regime. Initial studies have indicated that the buckling resistance of the ribs from the sheet coiling to the tube manufacturing is the critical design parameter. This study presents the theoretical analytical development in order to obtain the critical buckling moment of these sheets. This analysis uses concepts initially developed to calculate buckling resistance in monosymmetrical profiles that are very used in the metallic structure industry. Since the material used was PVC, that has different mechanical properties than steel and aluminum, it was necessary to consider the differences in the analytical treatment. It is important to emphasize that the results obtained are product of the co-operative work of engineers from industry and university.

Two-Phase (Solid-Liquid) Flow in Inclined Pipes

This paper presents an experimental research about the behavior of two-phase flows in inclined pipes. The inclination angle varied from 5° to 45° and the slurry solid concentration varied up to 15%. It was concluded that the head losses of the downward sloping pipe flow are always lower than the head losses of the horizontal flow and these are always lower than the head losses of the upward sloping pipe flow, regardless the concentration and inclination angle. It was possible to develop empirical equations to calculate the head losses of the horizontal flow and the upward and downward sloping pipe flows.

Bubble-Bubble Interaction in Horizontal Two-Phase Slug Flow

Modelling of the slug structure requires a new effort on fundamental research. To clarify some aspects of the horizontal slug flow, an experimental study of the behaviour of two isolated bubbles in a single-phase liquid flow was performed. This procedure was adopted to avoid the overlap of different phenomena induced by a train of long bubbles. The experimental facility consists of a 90-m horizontal PVC pipe with internal diameter of 0,053 m. The behaviour of two single air bubbles travelling in a water flow was studied. Focus was given on the influence of the distance between the bubbles on the velocity of the second bubble. This study allows the understanding of the mechanism of overtaking that takes place right after the slug formation and that precedes the coalescence of bubbles in a slug flow. The results show that bubbles placed behind a liquid slug smaller than a critical value move faster than the leading one. Otherwise, they move slower than the leading one.

Horizontal Slug Flow in a Large-Size Pipeline: Experimentation and Modeling

The knowledge of the slug flow characteristics is very important when designing pipelines and process equipment. When the intermittences typical in slug flow occurs, the fluctuations of the flow variables bring additional concern to the designer. Focusing on this subject the present work discloses the experimental data on slug flow characteristics occurring in a large-size, large-scale facility. The results were compared with data provided by mechanistic slug flow models in order to verify their reliability when modelling actual flow conditions. Experiments were done with natural gas and oil or water as the liquid phase. To compute the frequency and velocity of the slug cell and to calculate the length of the elongated bubble and liquid slug one used two pressure transducers measuring the pressure drop across the pipe diameter at different axial locations. A third pressure transducer measured the pressure drop between two axial location 200 m apart. The experimental data were compared with results of Camargo's1 algorithm (1991, 1993), which uses the basics of Dukler & Hubbard's (1975) slug flow model, and those calculated by the transient two-phase flow simulator OLGA.

Pressure Drop in Vertical Core-Annular Flow

An experimental apparatus for the study of core annular flows of heavy oil and water at room temperature has been set up and tested at laboratory scale. The test section consists of a 2.75 cm ID galvanized steel pipe. Tap water and a heavy oil (17.6 Pa.s; 963 kg/m³) were used. Pressure drop in a vertical upward test section was accurately measured for oil flow rates in the range 0.297 - 1.045 l/s and water flow rates ranging from 0.063 to 0.315 l/s. The oil-water input ratio was in the range 1-14. The measured pressure drop comprises gravitational and frictional parts. The gravitational pressure drop was expressed in terms of the volumetric fraction of the core, which was determined from a correlation developed by Bannwart (1998b). The existence of an optimum water-oil input ratio for each oil flow rate was observed in the range 0.07 - 0.5. The frictional pressure drop was modeled to account for both hydrodynamic and net buoyancy effects on the core. The model was adjusted to fit our data and shows excellent agreement with data from another source (Bai, 1995).