Direct contact condensation of steam injected into water is a special mode of condensation where condensation occurs on the interface between steam and water. This type of condensation forms an essential part of various industrial applications and correct prediction and modelling of the condensation behaviour is crucial to obtain an optimised design of such devices. While present prediction models for direct contact condensation are valid for a limited range of flow conditions only, the work presented in this thesis provides improved models for direct contact condensation. The models are developed in the form of diagrams and include: a condensation regime diagram, for predicting the condensation behaviour, a steam plume length diagram, for predicting the penetration distance of steam into water, and a heat transfer coefficient diagram. These models are derived using a wide range of data and therefore provide more accurate predictions compared with alternative models available in literature. In contrast to present models, the derived models presented in this work are constructed using an additional physical parameter to describe the process. The diagrams are validated against independent experiments and demonstrate close agreement. Furthermore, the predictions from the condensation regime diagram and steam plume length diagram are self-consistent. The models developed in this study are capable of predicting condensation behaviour for a wide range of initial conditions and can be used in conjunction with computational fluid dynamics techniques for direct contact condensation.

Verlässliche Vorhersagen zum Verlauf von Störfallszenarien in Reaktorsystemen sind mit CFD-Modellen möglich, wenn diese anhand von Experimenten entwickelt und validiert sind. Motiviert durch die Vorgänge, die bei einem Thermoshock-Szenario unter Druck im Primärkreis eines Druckwasserreaktors entstehen, wurden im Rahmen dieser Arbeit Experimente zur Direktkontaktkondensation von Dampf an unterkühltem Wasser bei hohen Drücken untersucht. Der beschriebene Versuchsaufbau erlaubt es, in einer Anlage, die drei Phänomene geschichtete Strömung, Strahl und Blasenmitriss zu untersuchen. Eine umfassende Instrumentierung ermöglichte es, besonders viele Informationen aus den Experimenten zu erfassen. Verschiedene bildgebende Messverfahren erlauben einen besonderen Einblick in die Strömung ohne Rückkopplung ins Fluid zu haben. Einzelne Mess- und Auswertemethoden wurden extra für die Untersuchung entwickelt und beschrieben. Vor Allem die Messergebnisse der Strahlexperimente mit Kondensation sind umfangreich und neuartig. Die starke Turbulenz im Inneren der untersuchten Strahlen führen zu den höchsten Kondensationsraten in den vorliegenden Experimenten. Hier wurden die Strahldurchmesser-Verläufe für verschiedene Randbedingungen verglichen, um zu zeigen, wie stark die Kondensation an Strahlen vom Umgebungsdruck abhängt. Die Gas-Mitriss-Experimente sind die ersten dokumentierten Versuche dieser Art. Sie zeigen, dass das mitgerissene Gas bei Eintrittsunterkühlungen oberhalb von 10 K sofort an der Eintrittsstelle kondensiert. Es kommt nicht zur Bildung von Blasen oder zum Mitriss nach unten. Vielmehr ist ausschließlich ein negativer Meniskus zu erkennen, der eine von den Randbedingungen abhängige Geometrie hat. Je geringer die Eintritts-Unterkühlung und je höher die Strahlgeschwindigkeit ist, desto tiefer dringt der Gas-Meniskus in die Wasservorlage ein. Die Menge an mitgerissenem Gas ist auch bei hohen Geschwindigkeiten klein gegenüber der Kondensationsmenge am Strahl. Die Experimente wurden im Wesentlichen darauf ausgelegt, Daten für den Vergleich mit CFD-Simulationen zu liefern. Vor allem der Einfluss des Umgebungsdruckes auf die Strahlgeometrie und die Kondensationsrate sollte weiter untersucht und in Simulationen abgebildet werden.:1. Motivation 2. Stand von Wissenschaft und Technik 2.1. Kondensation in geschichteter Strömung 2.2. Geometrie von Freistrahlen 2.3. Kondensation am Freistrahl 2.4. Blasenmitriss 2.5. Blasenmitriss bei gleichzeitiger Kondensation 2.6. Modellierung 2.7. Anwendung der Erkenntnisse auf den Hypothetischen Störfall 3. Versuchsanlage 3.1. Messtechnik 3.1.1. Schnelle Temperaturmesstechnik 3.1.2. Hochgeschwindigkeitskamera 3.1.3. Infrarotkamera 3.1.4. Temperatur- und Druckmesslanzen 3.2. Abgeleitete Größen 3.3. Messung der Kondensationsrate 3.4. Geschwindigkeits- und Turbulenzmessung 4. Experimente und Ergebnisse 4.1. Geschichtete Strömung 4.2. Freistrahl 4.3. Gasmitriss 5. Zusammenfassung und Ausblick / Reliable predictions on the behaviour of accident scenarios in reactor systems are possible with CFD models if they have been developed and validated on the basis of experiments. Motivated by the processes that occur in a Pressurized Thermal Shock scenario in the primary circuit of a Pressurized Water Reactor, experiments on the Direct Contact Condensation of steam on subcooled water were investigated at high pressures. The described experimental setup allows to study all three phenomena: stratified flow, jet and bubble entrainment. Comprehensive instrumentation made it possible to gather a considerable amount of information from the experiments. Various imaging techniques allow a particular insight in the flow without feedback into the fluid. Some of the measurement and evaluation methods were specifically developed for the investigation and have been described. Especially the measurement results of the jet experiments with condensation are comprehensive and unique. The strong turbulence inside the examined jets results in the highest condensation rates in these experiments. Here, the jet diameter profiles were compared for different boundary conditions in order to show that condensation in jets is strongly influenced by ambient pressure. The gas entrainment experiments are the first documented experiments of their kind. They show that the entrained gas condenses immediately at the point of entrainment with inlet subcooling above 10 K. There is no formation of bubbles or entrainment downwards. Only a negative meniscus is visible, which has a geometry dependent on the boundary conditions. The lower the inlet subcooling and the higher the jet velocity, the deeper the gas meniscus penetrates into the water layer. The amount of entrained gas is small in comparison to the amount of condensation at the jet even at high velocities. The experiments were essentially designed to provide data for comparison with CFD simulations. In particular, the influence of the ambient pressure on the beam geometry and the condensation rate should be further investigated and reproduced in simulations.:1. Motivation 2. Stand von Wissenschaft und Technik 2.1. Kondensation in geschichteter Strömung 2.2. Geometrie von Freistrahlen 2.3. Kondensation am Freistrahl 2.4. Blasenmitriss 2.5. Blasenmitriss bei gleichzeitiger Kondensation 2.6. Modellierung 2.7. Anwendung der Erkenntnisse auf den Hypothetischen Störfall 3. Versuchsanlage 3.1. Messtechnik 3.1.1. Schnelle Temperaturmesstechnik 3.1.2. Hochgeschwindigkeitskamera 3.1.3. Infrarotkamera 3.1.4. Temperatur- und Druckmesslanzen 3.2. Abgeleitete Größen 3.3. Messung der Kondensationsrate 3.4. Geschwindigkeits- und Turbulenzmessung 4. Experimente und Ergebnisse 4.1. Geschichtete Strömung 4.2. Freistrahl 4.3. Gasmitriss 5. Zusammenfassung und Ausblick

In the event of hypothetical accident scenarios in PWR, emergency strategies have to be mapped out, in order to guarantee the reliable removal of decay heat from the reactor core, also in case of component breakdown. One essential passive heat removal mechanism is the reflux condensation cooling mode. This mode can appear for instance during a small break loss-of-coolant-accident (LOCA) or because of loss of residual heat removal (RHR) system during mid loop operation at plant outage after the reactor shutdown. In the scenario of a loss-of-coolant-accident (LOCA), which is caused by the leakage at any location in the primary circuit, it is considered that the reactor will be depressurized and vaporization will take place, thereby creating steam in the PWR primary side. Should this lead to ¿reflux condensation¿, which may be a favorable event progression, the generated steam will flow to the steam generator through the hot leg. This steam will condense in the steam generator and the condensate will flow back through the hot leg to the reactor, resulting in counter-current steam/water flow. In some scenarios, the success of core cooling depends on the behaviour of this counter-current flow. Over several decades, a number of experimental and theoretical studies of counter-current gas¿liquid two-phase flow have been carried out to understand the fundamental aspect of the flooding mechanism and to prove practical knowledge for the safety design of nuclear reactors. Starting from the pioneering paper of Wallis (1961), extensive CCFL data have been accumulated from experimental studies dealing with a diverse array of conditions A one-dimensional two field model was developed in order to predict the counter-current steam and liquid flow that results under certain conditions in the cold leg of a PWR when a SBLOCA (small break loss of coolant accident) in the hot leg is produced. The counter-current model that has been developed can predict the pressure, temperature, velocity profiles for both phases, also by taking into account the HPI injection system in the cold leg under a counter-current flow scenario in the cold leg. This computer code predicts this scenario by solving the mass, momentum and energy conservation equations for the liquid and for the steam separately, and linking them by using the interfacial and at the steam wall condensation and heat transfer, and the interfacial friction as the closure relations. The convective terms which appear in the discretization of the mass and energy conservation equations, were evaluated using the ULTIMATE-SOU (second order upwinding) method. For the momentum equation convective terms the ULTIMATE-QUICKEST method was used. The steam-water counter-current developed code has been validated using some experimental data extracted from some previously published articles about the direct condensation phenomenon for stratified two-phase flow and experimental data from the LAOKOON experimental facility at the Technical University of Munich. / Romero Hamers, A. (2014). STUDY OF THE THERMAL STRATIFICATION IN PWR REACTORS AND THE PTS (PRESSURIZED THERMAL SHOCK) PHENOMENON [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/36536

[ES] La descarga de vapor en forma de chorro en piscinas con agua subenfriada es una forma muy eficiente de condensar vapor y es muy utilizada en diversas aplicaciones industriales, como la industria farmacéutica, metalúrgica, química, sistemas de propulsión sumergida y nuclear. Siendo especialmente esencial en los sistemas de seguridad de las centrales nucleares, concretamente en la piscina de supresión de presión de los Reactores de Agua en Ebullición (BWR, Boiling Water Reactor) y en el tanque de almacenamiento de agua de reabastecimiento en la contención de los reactores avanzados de agua a presión. La eficiencia de esta técnica, denominada Condensación por Contacto Directo (DCC, Direct Contact Condensation), radica en la rápida condensación del vapor proporcionando una alta capacidad de transferencia de calor e intercambio de masa. En las últimas décadas, se han llevado a cabo muchos experimentos sobre los chorros sumergidos de gases no condensables y vapor puro en piscinas, que han proporcionado mucha información de interés, aunque continúan los esfuerzos para adquirir información adicional. Para estudiar en detalle el comportamiento de las descargas de chorros turbulentos se han llevado a cabo una serie de experimentos en una instalación que ha sido diseñada para representar diversos entornos de interés crítico para la seguridad en centrales nucleares. Su singularidad radica en la capacidad de poder reproducir fenomenologías similares a situaciones específicas que podrían surgir en una central nuclear, desde sistemas de despresurización hasta roturas con pérdida de refrigerante. La instalación posibilita el estudio con vapor, aire o una mezcla de ambos utilizando geometrías simples (boquilla) o complejas (sparger) en una piscina con agua en reposo. Se ha utilizado una cámara de alta velocidad con Dispositivo de Carga Acoplada (CCD, Charged-Coupled Device) para capturar imágenes de la descarga del chorro en la piscina y así determinar la interfase entre el gas y el líquido, utilizando técnicas de visualización directa. Para llevar a cabo el procesamiento de dichas imágenes, se han aplicado una serie de procedimientos de procesado, filtrado y post-procesado utilizando una subrutina implementada en MATLAB. Tras la adquisición de las imágenes, se ha caracterizado el comportamiento del chorro de vapor y aire, el efecto de la fracción volumétrica de aire sobre la mezcla y el efecto de la variación del tamaño de la boquilla. Además, se ha medido la longitud del momento del chorro y se ha comprobado su estrecha relación con el diámetro de la boquilla, la velocidad del chorro y el porcentaje de la mezcla. Por otro lado, se ha caracterizado el comportamiento del chorro horizontal en la zona de transición. La transición indica el cambio de un chorro dominado exclusivamente por la fuerza de momento a un régimen en el que las fuerzas de flotación prevalecen. Esta prueba se ha realizado utilizando cinco boquillas intercambiables y para cada caudal de vapor se ha determinado el porcentaje de aire en el que ocurre la transición. Otro de los principales objetivos de esta tesis es la modelación utilizando herramientas de códigos de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), específicamente descargas de chorros de aire en agua subenfriada. Para esto se ha empleado el software ANSYS CFX. El comportamiento del flujo multifásico se ha simulado utilizando el modelo euleriano-euleriano no homogéneo; debido a que es más conveniente para estudiar fluidos interpenetrados. Los resultados CFD se han validado con datos experimentales y resultados teóricos. Las cifras de mérito de la longitud de penetración adimensional y la longitud de flotabilidad adimensional muestran una buena concordancia con las mediciones experimentales. Las correlaciones para estas variables se obtuvieron en función de números adimensionales para dar generalidad utilizando sólo condiciones iniciales de contorno. / [CA] La descàrrega de vapor en forma de xorrat en piscines amb aigua subrefredada és una forma molt eficient de condensar vapor i s'utilitza àmpliament en diverses aplicacions industrials, com la indústria farmacèutica, metal·lúrgica, química, sistemes de propulsió submergida i nuclear. És especialment essencial en els sistemes de seguretat de les centrals nuclears, concretament en la piscina de supressió de pressió dels Reactors d'Aigua en Bulliment (BWR) i en el dipòsit d'aigua de reaprovisionament a la contenció dels reactors avançats d'aigua a pressió. L'eficiència d'aquesta tècnica, anomenada Condensació per Contacte Directe (DCC), rau en la ràpida condensació del vapor proporcionant una alta capacitat de transferència de calor i intercanvi de massa. En les últimes dècades, s'han realitzat molts experiments sobre els raigs submergits de gasos no condensables i vapor pur en piscines, que han proporcionat molta informació d'interès, tot i que continuen els esforços per adquirir informació addicional. Per estudiar amb detall el comportament de les descàrregues de raigs turbulents s'han dut a terme una sèrie d'experiments en una instal·lació que ha estat dissenyada per representar diversos entorns d'interès crític per a la seguretat en centrals nuclears. La seua singularitat rau en la capacitat de poder reproduir fenomenologies semblants a situacions específiques que podrien sorgir en una central nuclear, des de sistemes de despressurització fins a ruptures amb pèrdua de refrigerant. La instal·lació possibilita l'estudi amb vapor, aire o una barreja de tots dos utilitzant geometries simples (busseta) o complexes (sparger) en una piscina amb aigua en repòs. A més, és possible combinar aquestes situacions amb diferents condicions de cabal, pressió o temperatura. S'ha utilitzat una càmera de alta velocitat (CCD) per capturar imatges de la descàrrega del raig a la piscina i així determinar la interfase entre el gas i el líquid, emprant tècniques de visualització directa. Per dur a terme el processament d'aquestes imatges, s'han aplicat una sèrie de procediments complexes de processat, filtrat i post-processat mitjançant una subrutina implementada en MATLAB. Després de l'adquisició de les imatges, s'ha caracteritzat el comportament del raig de vapor i aire, l'efecte de la fracció volumètrica d'aire sobre la barreja i l'efecte de la variació de la grandària de la busseta. A més, s'ha mesurat la longitud del moment del raig i s'ha comprovat la seua estreta relació amb el diàmetre de la busseta, la velocitat del raig i el percentatge de la barreja. D'altra banda, s'ha caracteritzat el comportament del raig horitzontal en la zona de transició. La transició indica el canvi d'un raig dominat exclusivament per la força de moment a un règim en què les forces de flotació prevalen. Aquesta prova s'ha realitzat utilitzant cinc bussetes intercanviables i per a cada cabal de vapor s'ha determinat el percentatge d'aire en què ocorre la transició. Un altre dels principals objectius d'aquesta tesi és la modelització utilitzant eines de codis de Dinàmica de Fluids Computacionals (CFD), específicament descàrregues de xorrades d'aire en aigua subrefredada. Per a això s'ha utilitzat el software ANSYS CFX. El comportament del flux multifàsic s'ha simulat utilitzant el model eulerià-eulerià no homogeni, ja que és més convenient per estudiar fluids interpenetrats. Els resultats CFD s'han validat amb dades experimentals i resultats teòrics. Les figures de mèrit de la longitud de penetració adimensional i la longitud de flotabilitat adimensional mostren una bona concordança amb les mesures experimentals. Les correlacions per a aquestes variables s'han obtingut en funció de nombres adimensionals per donar generalitat utilitzant només condicions inicials de contorn. El model numèric CFD desenvolupat té la capacitat de simular el comportament de gasos no condensables descarregats en aigua. / [EN] The discharge of steam in the form of a jet in pools with subcooled water is a highly efficient way to condense steam and is widely used in various industrial applications, such as the pharmaceutical, metallurgical, chemical, submerged propulsion, and nuclear industries. It is particularly essential in the safety systems of nuclear power plants, specifically in the pressure suppression pool of Boiling Water Reactors (BWR) and in the water replenishment tank in the containment of advanced pressurized water reactors. The efficiency of this technique, known as Direct Contact Condensation (DCC), lies in the rapid condensation of steam, providing a high heat transfer and mass exchange capacity. In recent decades, numerous experiments have been conducted on submerged jets of non-condensable gases and pure steam in pools, yielding valuable information, although efforts continue to gather additional data. To study in detail the behavior of turbulent jet discharges, a series of experiments have been carried out in a facility designed to simulate various critical environments for safety in nuclear power plants. Its uniqueness lies in the ability to reproduce phenomenologies like specific situations that could arise in a nuclear power plant, from depressurization systems to ruptures with coolant loss. The facility enables the study with steam, air, or a mixture of both using simple geometries (nozzle) or complex geometries (sparger) in a pool with quiescent water. Additionally, it is possible to combine these situations with different flow, pressure, or temperature conditions. A high-speed camera with Charge-Couple Device (CCD) has been used to capture images of the jet discharge in the pool, aiming to determine the gas-liquid interface through direct visualization techniques. Following the image acquisition, a series of complex processing, filtering, and post-processing procedures have been applied using a subroutine implemented in MATLAB. After obtaining the images, the behavior of the steam and air jet, the effect of the volumetric fraction of air on the mixture, and the impact of varying the nozzle size have been characterized. Additionally, the length of the jet momentum has been measured, establishing its close relationship with the nozzle diameter, jet velocity, and mixture percentage. Furthermore, the behavior of the horizontal jet in the transition zone has been characterized. The transition denotes the shift from a jet dominated exclusively by momentum force to a regime where buoyancy forces prevail. This test has been conducted using five interchangeable nozzles, and for each steam flow rate, the percentage of air at which the transition occurs has been determined. Another main objective of this thesis is modeling using Computational Fluid Dynamics (CFD) tools, specifically jet discharges of air into subcooled water. The ANSYS CFX software has been employed for this purpose. Multiphase flow behavior has been simulated using the non-homogeneous Eulerian-Eulerian model, as it is more convenient for studying interpenetrated fluids. CFD results have been validated with experimental data and theoretical results. The dimensionless penetration length and dimensionless buoyancy length merit figures show good agreement with experimental measurements. Correlations for these variables were obtained as a function of dimensionless numbers to provide generality using only initial boundary conditions. The developed CFD numerical model has the capability to simulate the behavior of non-condensable gases discharged into water. / Córdova Chávez, Y. (2024). Experimentación y modelación de mezcla de vapor y gases no-condensables [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207266