A database for laminar condensation heat transfer is constructed from the previous experimental data at various condensation conditions. Based on the database, the condensation models in the standard RELAP5/MOD3.2 code are assessed and improved. Two wall film condensation models, the default and the alternative, are used in RELAP5/MOD3.2. The default model of the laminar film condensation in RELAP5/MOD3.2 does not give any reliable predictions, and its alternative model always predicts higher values than the experimental data. Therefore, it is needed to develop a new correlation based on the experimental data of various operating ranges.
A set of condensation experiments in the presence of noncondensable gas in a vertical tube of the passive containment cooling system of the CP-1300 are performed. The experimental results show that the heat transfer coefficients (HTCs) increase as the inlet air mass fraction decreases and the inlet saturated steam temperature decreases. However, the dependence of the inlet mixture Reynolds number on the HTC is small for the operating range. An empirical correlation is developed, and its predictions are compared with experimental data to show good agreement with the standard deviation of 22.3%. The experimental HTCs are also compared with the predictions from the default and the alternative models used in RELAP5/MOD3.2.
The experimental apparatus is modeled with two wall-film condensation models in RELAP5/MOD3.2 and the empirical correlation, and simulations are performed for several subtests to be compared with the experimental results. Overall, the simulation results show that the default model of RELAP5/MOD3.2 underpredicts the HTCs, and the alternative model overpredicts them, while the empirical correlation predicts them well throughout the condensing tube.
Both the nodalization study and the sensitivity study are also performed. The nodalization study shows that the variation of the node number does not change both modeling results of RELAP5/MOD3.2. Sensitivity study for varying input parameters shows that the inlet steam-air mixture flow rate, the inlet air mass fraction, and the inlet saturated steam temperature give significant changes of their HTCs. Run statistics show that the grind time of the default model is always higher than that of the alternative model by about 23%.
Based on heat and mass transfer analogy an iterative condensation model for steam condensationin the presence of a noncondensable gas in a vertical tube is proposed as a reference model including effects of the high mass transfer, the entrance, and the interfacial waviness on condensation. A non-iterative condensation model is proposed for easy engineering application using the iterative condensation model and the assumption of the same profile of the steam mass fraction as that of the gas temperature in the gas film boundary layer. It turns out that the Nusselt number for condensation heat transfer is expressed in terms of air mass fraction, Jakob number, Stanton number for mass transfer, gas mixture Reynolds number, gas Prandtl number and condensate film Nusselt number. Modeling results calculated from both methods are compared to show that they predict the experimental data well.
The standard RELAP5/MOD3.2 code is modified using the aforementioned non-iterative condensation model, which is developed to simulate steam condensation in the presence of noncondensable gases in a vertical tube. The modified RELAP5/MOD3.2 code is used to simulate two kinds of vertical in-tube experiments involving the steam condensation phenomenon in the presence of noncondensable gases. The modeling capabilities of the modified RELAP5/MOD3.2 code as well as the standard code for the condensation in the presence of noncondensable gases are assessed using two PCCS condensation experiments and four reflux condensation experiments. The modified RELAP5/MOD3.2 code gives good prediction over the data of both PCCS and reflux condensation experiments.'
여러 조건에서 행해진 기존의 응축 실험 데이터로부터 층류 응축열전달 데이터베이스가 구축되었다. 이 데이터베이스에 기초하여 표준 RELAP5/MOD3.2 코드의 응축모델이 평가되었다. RELAP5/MOD3.2의 막응축모델에는 default 모델과 alternative 모델의 두 모델이 있다. default모델은 실험 데이터를 신뢰할 만큼 예측하지 못하고 있고, alternative 모델은 실험 데이터를 항상 과대평가하고 있다. 따라서, 보다 광범위한범위의 실험 데이터에 기초한 새로운 상관식의 개발이 필요하다.
CP-1300의 피동 격납용기 냉각계통(PCCS)의 수직관 내부에서의 불응축성기체 존재하의 응축 실험이 행해졌다. 실험 결과는 입구에서의공기 질량분율와 입구에서의 포화증기 온도가 감소할 때, 열전달계수가 증가함을 보여준다. 그러나, 열전달계수에 대한 혼합 레이놀즈 수의 의존도는 실험영역에서 거의 나타나지 않았다. 실험 상관식이 개발되어졌고, 이 상관식은 실험 데이터를 22.3%의 표준편차를 가지고 잘 예측하고 있다. 모든 실험 데이터들이 RELAP5/MOD3.2의 두 층류 막응축 모델들과 비교되어졌다. 실험 장치가 RELAP5/MOD3.2의 두 층류 막응축 모델 및 실험 상관식으로 모사되어, 몇몇 경우에 대해 실험 결과와 모사 결과가 비교되었다. 대체적으로, 모사 결과는 RELAP5/MOD3.2의 default 모델이 열전달계수를 과소평가하고, alternative 모델이 열전달계수를 과대평가하는 반면, 실험 상관식은 응축관의 전 영역에 대해 실험결과를 잘 예측하고 있음을 보여준다. RELAP5/MOD3.2의 노드수의 변화에 따른 영향과 몇몇 변수들의 민감도에 대한 연구가 수행되었다. 노드수의 변화는 RELAP5/MOD3.2의 모사결과에 영향을 주지 않는다는 것을 보여 주고 있으며, 다양한 입력 인자에 대한 민감도 분석 결과는 입구에서의 증기-공기 혼합기체 유량, 공기질량분율과 포화증기 온도가 열전달계수에 큰 영향을 미친다는 것을 보여준다. 실행 결과는 default 모델의 grind time이 alternative 모델의 그것 보다 약 23% 정도 항상 높다는 것을 보여 준다.
열 및 질량 전달의 상사성을 기반으로 하고, 응축에 대한 높은 질량전달, 입구 및 경계에서의 파동의 영향을 포함하는 수직관 내부의 불응축성기체 존재하의 증기 응축에 관한 반복 응축 모델이 제시되었다. 이러한 반복 응축 모델을 이용하며, 기체 경계층에서 증기질량분율의 분포가 기체 온도 분포와 일치한다는 가정을 이용하는 비반복 응축 모델이 개발되었다. 분석 결과는 응축 열전달 누쎌수가공기 질량분율, 자콥 수, 질량전달 스탠튼 수, 혼합기체 레이놀즈 수, 기체 프란틀 수 및 응축액막 누쎌 수의 함수로서 표현되어짐을 보여주고 있다. 비교 결과, 반복 모델 및 비반복 모델 모두가 실험데이터를 잘 예측하였다.
표준 RELAP5/MOD3.2 코드가 수직관 내부에서의 증기 응축을 모사하기 위해 개발된 위의 비반복 응축 모델을 이용하여 개선되어졌다. 개선된 RELAP5/MOD3.2 코드가 불응축성기체 존재하의 응축에 관한 두 종류의 수직관 내부에서의 실험을 모사하는데 사용되어진다. 두 피동 격납용기냉각계통 응축 열전달 실험과 네 역류 응축 열전달 실험을 이용하여, 불응축성기체 존재하의 응축에 대하여 표준 코드뿐만 아니라 개선된 RELAP5/MOD3.2 코드의 모사 능력이 평가되어진다. 개선된 RELAP5/MOD3.2 코드는 피동 격납용기 냉각계통 응축 열전달 실험의 열전달계수와 기공율을 잘 예측하고 있으며, 또한 역류 응축 열전달실험의 열전달계수와 활성 응축 길이를 모두 잘 예측하고 있다.
이와 같이 비반복 응축모델은 불응축성기체 존재하의 벽면 막응축현상을 잘 예측하고 있고, 과도현상 모사를 위한 어떠한 열수력코드에도 쉽게 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 향후 과제로 개발된 비반복 응축모델을 평판에 대해 적용하기 위한 연구가 더 이루어져야 할 것으로 보인다.
