Modeling a Direct Contact Heat Exchanger for a Supercritical Water Loop

Au cours des trente dernières années, les échangeurs de chaleur par contact direct (Direct Contact Heat Exchanger, DCHX) ont trouvé un grand succès dans les différentes applications de l'ingénierie de puissance. En fait, en raison de leur configuration, qui permet le contact direct entre le fluide chaud et le fluide froid, il est possible d'atteindre de très hauts transferts de masse et d'énergie. En dépit de leur haute performance, il est encore très difficile de prévoir le transfert de chaleur correct en fonction des conditions de fonctionnement de l'échangeur de chaleur, ce qui constitue un paramètre fondamental pour le correct fonctionnement des échangeurs de chaleur. Afin d'étudier les conditions dynamiques du guide sonique pour la vapeur supercritique,un échangeur de chaleur de ce type a été installé récemment dans le laboratoire de thermo-hydraulique "Altan Tapucu ". Il consiste dans un tuyau où la vapeur surchauffée provenant d'une section d'essai (où les conditions soniques se produisent) se mélange avec de l'eau sous-refroidie. Ce composant peut travailler en toute sécurité dans une large gamme de pressions (5 bar < p < 40 bar). Sur le haut de la cuve, une buse est reglée et ainsi l'eau sous-refroidie entre dans la chambre sous la forme de fines gouttelettes (qui ont le diamètre de l'ordre de 200 m de diamètre). Au cours des deux dernières années, nous avons développé un modèle thermodynamique capable de décrire les échanges thermiques dans le DCHX pour différentes conditions de tra- vail. L'idée principale est d'appliquer un bilan énergétique à chaque gouttelette afin d'évaluer la puissance thermique totale. Pour ce faire, nous avons concentré notre attention sur deux problèmes: {Dimension des gouttelettes: pour effectuer un bilan énergétique, il est nécessaire de connaître la taille des gouttelettes. Cependant, les conditions de travail de la chambre affectent ce paramètre, c'est-à-dire que les dimensions des gouttelettes varient en fonction de la pression de vapeur, le débit et la température du liquide. En outre,pour une condition donnée, il est impossible de s'attendre des gouttelettes qui ont une dimension uniforme. Donc, d'une part, une distribution statistique décrivant la taille des gouttelettes doit être trouvée, d'autre part, les conditions de travail doivent être considérées lors de l'évaluation de la loi statistique. {Transfert de chaleur: du moment qu'il y a une interaction mutuelle entre le liquide sous-refroidi (phase disperse) et de la vapeur surchauffée (phase continue), nous avons analysé deux modes de transfert de chaleur: la convection et évaporation. Cependant,cette étude ne peut être effectuée sans une évaluation précédente de la vitesse des

Abstract

In the last thirty years, Direct Contact Heat Exchangers (DCHX) have found success in different power engineering applications. In fact, due to their configuration, which allows the direct contact between the hot and cold fluids, it is possible to reach very high mass and energy transfer efficiencies. Despite their high performance, it remains, to this day, difficult to correctly predict the thermal power as a function of plant operation conditions. In fact, this problematic constitutes a fundamental parameter to correctly operate heat exchangers. In order to study super-critical water choked flow in a super-critical water loop, a heat exchanger of this type has been recently installed in the "Altan Tapucu" Thermo-hydraulic Laboratory. It consists of a fluid mixer called \quenching chamber", i.e. a vessel where super-heated steam coming from a test section (where choked flow conditions occur) mixes with sub-cooled water. This component can safely work in a wide range of pressures (5 bar < p <40 bar). However, on the top of the vessel, a nozzle is set so that the cooling water is sprayed into the chamber under the form of tiny droplets (i.e., about 200 m in diameter). Within the frame work of this Master's thesis, we developed a thermodynamic model capable of describing the thermal power in the aforementioned DCHX for different working conditions. The main idea is to apply an energy balance to every single droplet in order to evaluate the total heat transfer. In order to do that, we focused our attention on two problems: Droplet size: to perform any energy balance, it is necessary to know the droplet size, however, the quenching chamber working conditions affect this parameter. That is, the droplet dimensions vary depending on steam pressure, liquid flow rate and temperature. Moreover, for a given condition, droplets are expected to have non-uniform dimensions. This means that firstly, a statistical distribution describing the droplet size is to be found, and secondly, the working conditions have to be considered when evaluating this statistical law. Heat transfer: Since there is a mutual interaction between the sub-cooled liquid (disperse phase) and the super-heated steam (continuous phase), we analyzed two heat transfer modes: convection and evaporation. However, this study cannot be performed without a preliminary evaluation of the droplet velocity. That is, the velocity field needs to be known since it affects the amount of energy released. In this work, the experimental data collected at Ecole Polytechnique de Montreal are compared with the predictions of our model. We found a very good agreement for steam