Isıtılmış düşey borularda iki-fazlı sıvı su-buhar akışı için basınç düşümü ölçümleri ve korelasyonlarla belirlenen sürtünme çarpanlarının karşılaştırılması

Abstract

İki-fazlı akışlarda basınç düşümünün daha iyi anlaşılması başta nükleer santraller ve enerji nakil hatları olmak üzere birçok ileri teknoloji tasarımlarının daha doğru gerçekleştirilmesini sağlayacaktır. İki-fazlı akışlarda basınç düşümü bileşenlerinden belirlenmesi en zor ve en önemli olanı sürtünme bileşenidir. Bu sebeple, iki-fazlı akışlarda sürtünmeden kaynaklanan basınç düşümü konusunda 1940'lı yıllardan bugüne kadar birçok deneysel araştırma yapılmış, sürtünmeden kaynaklanan basınç düşümünün ve sürtünme çarpanının belirlenmesi için farklı akış koşullarında birçok korelasyon elde edilmiştir.Bu tez çalışmasında, sabit (homojen dağılmış) ısı akısıyla ısıtılmış düşey borularda iki-fazlı akış sürtünme çarpanının belirlenmesi amacıyla iki-fazlı akıştaki toplam basınç düşümü ölçümü sonuçlarından iki-fazlı akış sürtünme çarpanının belirlenmesi için bir hesaplama yöntemi oluşturulmuş ve literatürden elde edilen sabit ısı akısıyla ısıtılmış düşey borularda sıvı su-buharın iki-fazlı akışında iki-fazlı akışta basınç düşümü deney sonuçlarına uygulanmıştır.Ayrıca, sabit ısı akısıyla ısıtılmış düşey borularda iki-fazlı akış sürtünme çarpanının belirlenmesi için literatürde yer alan korelasyonlar irdelenmiş ve bu korelasyonlardan adı geçen akış koşullarına uygun oldukları kanaatiyle seçilenlerine, literatürden temin edilen deneysel basınç düşümü koşullarına ait veriler uygulanarak iki-fazlı akış sürtünme çarpanları elde edilmiştir.Deneysel basınç ölçümü sonuçlarından yararlanılarak hesaplama yöntemiyle belirlenen iki-fazlı akış sürtünme çarpanları ile korelasyonlardan elde edilen iki-fazlı akış sürtünme çarpanları karşılaştırılarak, ortalama hataları ve fark kareleri ortalamasının kare köküyle hesaplanan (RMS) hataları belirlenmiştir. Benzer şekilde, homojen akış modeline göre belirlenen iki-fazlı akış sürtünme çarpanları ile hem deneysel basınç ölçümü sonuçlarından yararlanılarak hesaplama yöntemiyle elde edilen, hem de korelasyonlar kullanılarak elde edilen iki-fazlı akış sürtünme çarpanları arasındaki ortalama hatalar ve RMS hataları hesaplanmış ve hesaplama yönteminin ve seçilen bu korelasyonların geçerlilikleri belirlenen hataların karşılaştırılması suretiyle test edilmiştir.Araştırma sonucunda, Chishom (1973) korelasyonunun iki-fazlı akış sürtünme çarpanı belirlenmesinde en az RMS hatası veren korelasyon olduğu ve Reddy vd. (1982) korelasyonunun RMS hatasının onu takip ettiği tespit edilmiştir. Ayrıca, Friedel (1979) korelasyonunun iki-fazlı akış sürtünme çarpanı belirlenmesinde en çok RMS hatayı veren korelasyon olduğu, Lombardi-Pedrocchi (1972) korelasyonunun RMS hatasının onu takip ettiği saptanmıştır.Tüm deneysel basınç düşümü ölçümü verilerinin elde edildiği 8145 adet deneysel basınç düşümü ölçümü koşulları için, homojen akış modeli kullanılarak hesaplanan iki-fazlı sürtünme çarpanları ile, bu tez çalışmasında geliştirilen hesaplama yöntemi ve seçilen korelasyonlar kullanılarak hesaplanan iki-fazlı sürtünme çarpanları arasında yapılan karşılaştırma sonucunda homojen akış modeli kullanılarak hesaplanan iki-fazlı sürtünme çarpanlarına en yakın değerlerin bu tez çalışmasında geliştirilen hesaplama yöntemi ile elde edildiği ve bunu Chisholm (1973) korelasyonu ile elde edilen değerlerin izlediği saptanmıştır.

Advanced technologies such as nuclear power plants and energy transport pipelines can be designed more accurately and efficiently when the two-phase flow pressure drop phenomena is understood better. Because predicting the frictional component of the two-phase flow pressure drop is the most important and difficult one among all of the pressure drop components, many experimental researches have been performed and many correlations have been developed in order to predict the two-phase frictional pressure drop and the two-phase friction multiplier for various flow conditions since 1940s.In this thesis study, a calculation method for predicting the two-phase friction multiplier is developed and then applied to the experimental two-phase flow pressure drop measurements of steam-water in heated vertical tubes obtained from the literature.Furthermore, the two-phase friction multiplier correlations in the literature developed for the two-phase flow of steam-water in uniformly heated vertical tubes are reviewed in detail and some of them are selected.Then, the two-phase friction multiplier correlations for heated vertical tubes selected from the literature are evaluated by comparing the average errors and the RMS errors of the predictions of these correlations with the predictions of the two-phase friction multiplier corresponding to the pressure drop measurements in two-phase flow obtained from the literature. In addition, the average errors and the RMS errors of the predictions of the calculation method and these correlations are calculated and compared to the predictions of the homogeneous flow model.The results of this thesis are as follows: the predictions of the Chisholm (1973) correlation have the minimum RMS error and those of the Reddy et al. (1982) correlation follow it in the RMS error rank. The predictions of the Friedel (1979) correlation have the maximum RMS error and those of the Lombardi-Pedrocchi (1972) correlation follow it respectively, for the two-phase friction multipliers of two-phase steam-water flow in heated vertical tubes. Additionally, the predictions of the calculation method for the two-phase friction multiplier developed during this thesis have the minimum errors comparing to the predictions of the homogeneous flow model, i.e. its predictions are the closest to the predictions of the homogeneous flow model, and the predictions of the Chisholm (1973) correlation follow them in the error rank.