A Single-tube COndensation exPeriment(SCOP) was performed to simulate the condensation phenomena of Passive Auxiliary Feedwater System (PAFS), which is introduced in Advanced Power Reactor Plus (APR+). SCOP tests were conducted for two pipes of different diameters (26.6mm, and 44.8mm of inside diameter) with 8.2m length and 2~4 degrees of the inclined angles of the upper and lower section of each tube. The experiments were performed at 1.5MPa~7.0MPa of steam pressure and 0.12kg/sec~0.45 kg/sec of steam flow. Also, the non-condensable gas effect was evaluated at low mass fraction as 1% which is the reliable maximum non-condensable gas concentration in the accident conditions of PAFS. As a result of the experiment, the local heat transfer coefficients of 26.6mm ID tube are average 24% higher than those of the 44.8mm ID tube. The tube thermal power of 26.6mm ID tube reaches around 62% of those of 44.8mm ID tube. Also, no slug flow was observed at every inclined angle as 2~4 degrees of SCOP experimental conditions.
Based on the Kim and NO correlation, we developed a new turbulent condensation correlation for the turbulent region of the liquid film in the inclined horizontal and vertical tube. We introduced the factors to account for the different inclined angle effect and different diameter effect. Also, to calculate non-condensable gas effect, a new empirical model is presented based on the experimental data with high pressure steam including 1% non-condensable gas. The present correlation of pure steam was compared with the Shah and RELAP5 condensation models using the SCOP data. The RMS errors of the present correlation, Shah model, and RELAP5 model are 17.41%, 57.88%, and 43.07%, respectively: The new empirical model with non-condensable gas is compared with mechanistic model (NIM) using SCOP data with non-condensable gas. The RMS errors of the present empirical model and NIM model are 16.38%, and 44.74%, respectively.
본 연구에서는 한국의 차세대 원자로인 APR+에 장착되는 보조급수계통인 PAFS 시스템의 응축특성을 연구하기 위하여 단일 응축관 실험인 SCOP 실험을 수행하였다. SCOP 실험은 내부 직경이 다른 (26.6mm, 44.8mm) 두가지 응축관에 대하여 수행되었다. 응축관은 길이가 8.2m이고 경사각은 응축관의 상단부와 하단부의 각도를 2~4도 사이에서 변경하면서 수행되었다. 실험은 증기 압력 1.5~7.0MPa, 증기유량 0.12~0.45kg/s범위에서 수행되었다. 또한 PAFS 시스템에 유입될 수 있는 비응축성 가스의 농도 범위인 1% 이내의 적은 농도범위에서의 응축특성의 변화를 확인하였다.
실험결과 26.6mm ID의 응축관에서의 열전달계수가 44.8mm ID에서보다 24% 높았다. 26.6mm ID 응축관의 열출력은 44.8mm ID 응축관의 62% 였다. 또한 모든 SCOP 실험의 모든 경사각 조건에서 slug flow는 발생하지 않았다.
본 연구에서는 기존의 KIM and NO의 수직상관식을 변형하여 약간의 경사가 있는 수평관과 수직관에서 모두 사용할 수 있는 난류영역의 응축 상관식을 제시하였다. 새로 개발된 상관식은 경사각의 효과와 직경효과를 포함하고 있다. 또한 고압 증기 영역에서 증기내에 1% 이내의 비응축성 가스가 포함되었을 때의 감쇄효과를 계산하는 새로운 상관식을 제시하였다.
본 연구에서 수행한 순수증기 실험에서 취득된 열전달계수와 본 연구에서 제시한 KAIST 상관식의 계산결과를 비교하고, Shah 상관식, RELAP5 에서 사용된 상관식의 계산결과와 각각 비교하였다. 그 결과 RMS 오차는 각각 17.41%, 57.88%, 43.07% 였다. 아울러 비응축성 가스의 효과를 포함한 새로운 상관식을 이용하여 비응축성 가스 응축실험의 열전달 계수와 비교하였다. 또한 Mechanistic 모델인 NIM 모델의 계산결과와 비교하였다. 비교한 결과 RMS 오차는 실험값과 새로운 상관식, NIM모델에 대하여 각각 16.38%와 44.74%로 나타났다.
