Walter, H. (2000). Numerische Simulation des transienten Verhaltens von Naturumlaufdampferzeugern [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-12430
Im Rahmen dieser Dissertation werden die mathematischen Modelle fuer ein Computerprogramm, welches zur numerischen Simulation des transienten Verhaltens von Naturumlaufdampferzeugern erstellt worden ist, beschrieben. Ausgangspunkt fuer die Modellbildung war die Frage nach der zeitlichen Stroemungsverteilung des Arbeitsstoffes in der netzwerkartigen Rohrstruktur des Dampferzeugers waehrend etwaiger An- und Abfahrvorgaenge sowie Lastaenderungen. Der erste Abschnitt der vorliegenden Arbeit beschaeftigt sich mit der Auswahl eines geeigneten Finite-Volumen-Verfahrens fuer die Diskretisierung und Loesung der partiellen Differentialgleichungen der eindimensionalen Rohrstroemung fuer Masse, Energie und Impuls. Um eine fundierte Aussage bezueglich der besseren Eignung der zur Auswahl stehenden Algorithmen treffen zu koennen wurde anhand zweier exemplarischer Beispiele - eines Zwei-Trommel-Dampferzeugers und eines Abhitzekessels mit Buendelheizflaeche - Simulationsrechnungen bei niedrigem Systemdruck durchgefuehrt. Die dabei erzielten Ergebnisse fuer die beiden Druckkorrekturverfahren SIMPLE (Semi Implicit Method for Pressure Linked Equations) und SIMPLER (SIMPLE-Revised-Algorithm) werden praesentiert. Im Anschluss an diesen Verfahrensvergleich werden die zur Anwendung kommenden Beziehungen fuer den ein- und mehrphasigen Waermeuebergang sowie fuer den Druckabfall im geraden Rohr, im Kruemmer und bei einer Querschnittsaenderung beschrieben. Die Gleichungen fuer das dick- und duennwandige Rohr sowie jene fuer die Dampferzeugerbauteile Trommel, Sammler und Einspritzung werden hergeleitet und ihre Einbindung in den SIMPLER-Algorithmus dargestellt. Die Modellierung der eindimensionalen Rauchgasstroemung erfolgt unter Vernachlaessigung der Impulsbilanz, da keine Druckverluste oder Druckschwankungen in der Rauchgassaeule berechnet werden sollen. Die Kontinuitaetsgleichung wird quasistationaer, die Energiebilanz instationaer betrachtet. Die Berechnung des Feuerraumes erfolgt mittels eines einfachen Flammraum-Strahlraum-Modells. Fuer den rauchgasseitigen Waermeuebergang wurden die Beziehungen fuer Glatt- und Rippenrohre im Programm implementiert. Um eine moeglichst hohe Flexibilitaet bei der Modellierung von unterschiedlichen Schaltungsvarianten des Dampferzeugers zu erhalten, wurde fuer die Verwaltung der zur Berechnung notwendigen Daten eine auf der Graphentheorie aufbauende Struktur gewaehlt.
de
The mathematical models for the simulation of the dynamic behavior of natural circulation steam generators are presented. The question about the time dependent flow distribution of the fluid in a steam generator with a tube network structure during start up and stopping period as well as at load changes was the starting point for modeling. The selection of a suitable finite-volume-algorithm for the discretization and solution of the partial differential equations of mass, momentum and energy is shown in the first section. With the help of the results of two calculation examples - a two drum steam generator and a heat recovery steam generator with a bundle heating surface - the suitability of two algorithms for the model are tested. The calculations are done at low system pressure. The results of the calculations for the two pressure correction algorithm SIMPLE(Semi Implicit Method for Pressure Linked Equations) and SIMPLER(SIMPLE-Revised-Algorithm) are presented. Following the comparison of the algorithms the equations for the single- and two-phase flow heat transfer and also for the pressure drop in the tubes, bends and at the change of the cross section areas are described. The equations for the thick and the thin tube wall as well as the equations for the steam generator components drum, collector and injection are derived. The integration of the equations into the SIMPLE-algorithm are shown. The momentum balance of the one-dimensional flue gas flow is neglected, because the pressure drop or pressure variation should not be calculated in the program. For the mass balance a quasi-stationary assumption is used whereas for the energy balance an unsteady model was used. The calculation of the combustion chamber is done by a simple model, which subdivides the furnace into two parts the so called 'flame zone' and 'radiation zone'. For the heat transfer at the flue gas side the equations for plain and ribbed tubes are implemented in the program. For highest possible flexibility of the simulation program the structure of the geometry of the fluid side as well as of the flue gas side are organized using graph theory.