Este trabalho foi financiado pela Fundação Nacional de pesquisa de subvenção de Coreia (NRF), financiada pelo governo da Coreia (MSIP: Ministério da ciência, TIC e planejamento do futuro) (n. º NRF-2016M2B2A9911771).

1. procedimento experimental 4 , 5 , 6 <ol><li>preparação passo <ol><li>Verifique a instalação experimental. Com base na matriz de teste, verifique cuidadosamente as condições de teste de matriz de teste, tais como tamanho LOCA, tamanho SBL, tipos de disjuntor de sifão e a presença do orifício, antes do experimento. Também, o teste para confirmar que os componentes da instalação e instrumentações funcionam corretamente sem ruído de dados ou avarias.</li>
		<li>Encher o reservatório superior com água usando a bomba retorno instalada no interior do reservatório inferior.</li>
		<li>Remover o ar residual dentro SBL. Usar uma bomba de vácuo e câmara reserva para remover o ar residual da SBL.</li>
		<li>Verificar o nível inicial de água do reservatório superior. Use o governante anexado ao tanque.</li>
	</ol></li> <li>Etapa de teste <ol><li>abrir a válvula no final do sistema de tubulação.</li>
		<li>Usando o sistema de aquisição de dados na sala de controle, verificar os dados medidos, tais como o nível de água, taxa de fluxo e alterações de pressão, durante o fenômeno de quebra de sifão. Se não há nenhuma saída de líquido de arrefecimento, termina o primeiro experimento. Finalmente, gravar os resultados experimentais obtidos com as condições de determinado teste.</li>
	</ol></li> <li>Alterar as variáveis de teste (tamanho SBL, tamanho LOCA, presença de orifício e posição LOCA) como segue.
	<ol><li>Mudança a SBL sucessivamente tamanho de 2, 2.5, 3, 4, 5 e 6 em; a SBL determinado está ligado ao tubo principal por uma junta flange na posição 2 na Figura 2. 
		Nota: As variáveis experimentais, tais como tamanho SBL, tamanho LOCA e a presença do orifício, forem alteradas usando a junção de flange com parafusos e porcas. Portanto, estes processos são realizados manualmente.</li>
		<li>Repita etapas 1.1.1 - 1.2.2 até que todas as experiências de tamanhos SBL são feitas.</li>
		<li>Com a LOCA na posição 1, mudar o tamanho LOCA sucessivamente para 6, 8, 10, 12, 14 e 16 polegadas; o redutor determinado está ligado ao tubo principal por uma junta flange na posição 3, na Figura 2.</li>
		<li>Repita etapas 1.1.1 - 1.3.2 até que todas as experiências de tamanhos LOCA são feitas.</li>
		<li>Instalar o orifício (ou remover o orifício) conectado à tubulação principal por uma junta flange na parte inferior do reservatório superior. 
		Nota: Experiências da etapa anterior tenham sido realizadas com a ausência (ou presença) do orifício. Portanto, o orifício deve ser instalado (ou removido) para o próximo experimento.
		<ol><li>Para fazer este trabalho, certifique-se de que não há água no interior do reservatório superior.</li>
		</ol></li> <li>Repita etapas 1.1.1 - 1.3.4. Para confirmar o efeito do tamanho SBL e LOCA sob a presença (ou ausência) do orifício, repita a etapa anterior.</li>
		<li>Mudar o LOCA para a posição 2, como experiências da etapa anterior tenham sido realizadas com posição LOCA 1. Alterar a posição de LOCA para próximo experimento. 
		Nota: No menu configuração experimental, são construídas duas posições de LOCA. Cada LOCA com uma válvula de borboleta é ligada a um sistema de tubagem principal.
		<ol><li>Para alterar a posição de LOCA, feche a válvula de borboleta de isolamento na posição LOCA 1 e abra a válvula na posição LOCA 2.</li>
		</ol></li> <li>Repita etapas 1.1.1 - 1.3.6.</li>
	</ol></li></ol> 2. Executando o programa de simulação <ol><li>clique no ícone do programa para executar o programa de simulação de quebra de sifão. 
	Nota: O procedimento é demonstrado no vídeo suplementar 1. Como mostrado, a tela inicial do programa de simulação consiste de 4 botões (Mostrar parâmetro, executar, Manual e saída). Quando o usuário clica o &#39; mostrar parâmetros &#39; botão, uma nova janela de comando abre e inclui a lista de parâmetros. O usuário é capaz de modificar e confirmar os valores numéricos das variáveis. O &#39; executar &#39; botão executa os cálculos, substituindo os parâmetros de entrada para as fórmulas incluídas. O &#39; Manual &#39; botão é para notificar o uso e o programa de versão e o &#39; saída &#39; botão fecha o programa. Os resultados são mostrados na &#39; mostrar resultados &#39; windows.</li>
	<li>Clique o &#34; parâmetro Show &#34; botão.</li>
	<li>Alterar os dados de entrada, considerando as condições de determinada simulação.</li>
	<li>Clique o &#34; executar &#34; botão.</li>
	<li>Verificar a forma de gráfico de nível de água &#39; mostrar resultados &#39; janela. O programa organiza os valores de resultado com o tempo e traça o gráfico automaticamente.
	<ol><li>Com a forma do gráfico, confirmar visualmente a possibilidade de quebra de sifão; se o nível de água ou subestimativa altura tem o mesmo valor consistentemente até o fim, sifão quebrando é possível sob as condições de determinado. Veja a Figura 3.</li>
	</ol></li> <li>Outras saídas de check-in a &#39; mostrar resultados &#39; janela. Note que existem oito opções (nível de água, subestimativa altura, pressão, velocidade da água, velocidade do ar, velocidade de mistura de duas fases, quantidade e atrito) para verificar a saída. Selecione o tipo de gráfico usando a caixa de seleção. 
	Nota: É fácil de compreender o fenômeno de quebra de sifão de relance, porque a mudança de cada valor com o tempo pode ser vista através do gráfico.</li>
	<li>Confirmar o valor específico de saída dependendo da hora clicando o &#34; calcular em tempo específico &#34; botão. Digite o tempo desejado e verificar os resultados de acordo com a hora.</li>
	<li>Salvar todos os dados de resultados de simulação clicando a &#34; salvar os dados &#34; botão. 
	Nota: Os resultados são salvos no formato de arquivo de texto, e condições simuladas são salvos juntos.</li>
</ol>

<ol><li>McDonald, J., Marten, W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMcDonald%2C+J+%22A+Siphon+Break+as+a+Blocking+Valve%22">A Siphon Break as a Blocking Valve</a>. , (1958).</li>
<li>Neill, D. T., Stephens, A. G. Siphon Breaker Design Requirements 12. Experimental and Analytical Study. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://www.osti.gov/scitech/biblio/6623426">https://www.osti.gov/scitech/biblio/6623426</a> (1993).</li>
<li>Sakurai, F. JAERI-Research 99-016. Study for Improvements of Performance of the Test and Research Reactors. , (1999).</li>
<li>Kang, S. H., et al. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKang%2C+SH+%22Final+Report+of+Experimental+Studies+on+Siphon+Breaker%22">Final Report of Experimental Studies on Siphon Breaker</a>. , Korea Atomic Energy Research Institute. (2011).</li>
<li>Kang, S. H., et al. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKang%2C+SH+%22Experimental+Study+of+Siphon+breaker%22">Experimental Study of Siphon breaker</a>. , Korea Atomic Energy Research Institute. (2013).</li>
<li>Kang, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ndsl.kr/ndsl/search/detail/article/articleSearchResultDetail.do?cn=DIKO0013730764">Siphon Breaker Design on Research Reactor with Real-Scale Experiment</a>. , Pohang University of Science and Technology. (2015).</li>
<li>Fossa, M., Guglielmini, G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0894177702001565">Pressure Drop and Void Fraction Profiles during Horizontal Flow through Thin and Thick Orifices.</a> Exp. Thermal Fluid Sci. 26, 513-523 (2002).</li>
<li>Lee, K. Y., Kim, W. S. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S030645491630305X">Development of siphon breaker simulation program for investing loss of coolant accident of a research reactor.</a> Ann. Nucl. Energy. 101, 49-57 (2017).</li>
<li>Lee, K. Y., Kim, W. S. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S002954931630334X">Theoretical Study on Loss of Coolant Accident of a Research Reactor.</a> Nucl. Eng. Des. 309, 151-160 (2016).</li>
<li>Lee, K. Y., Seo, K. W., Chi, D. Y., Yoon, J. H., Kang, S. H., Kim, M. H. Experimental and analytical studies on the siphon breakers in research reactor. European Research Reactor Conference. , Prague, Czech Republic. 18-22 (2012).</li>
</ol>

Os autores não têm nada para divulgar.

Um disjuntor de sifão é um dispositivo de segurança passiva-operado usado para prevenir a perda de líquido de arrefecimento, quando ocorre um acidente de ruptura do tubo. No entanto, é difícil aplicar para reatores de pesquisa contemporânea, porque não há nenhuma experiência para os reactores de investigação de escala real. Por esta razão, a experiência real-escala foi conduzida por POSTECH e KAERI. O objetivo do experimento foi confirmar que a quebra de sifão é viável para o tamanho da escala real, e pa...

O número de reactores usando combustível tipo placa, tais como pesquisa de Jordan e reator de treinamento (JRTR) e KiJang Research Reactor (KJRR), tem aumentado recentemente. Para conectar-se o combustível do tipo placa facilmente, o reactor de investigação requer um fluxo descendente do núcleo. Desde que os reatores de pesquisa exigem a cabeça de sucção positiva líquida do sistema primário de refrigeração, alguns componentes do sistema refrigerando poderiam potencialmente ser instalados abaixo do reator. No entanto, se a ruptura de tubulação ocorre no sistema de arrefecimento primário abaixo o reator, o efeito de sifão provoca drenagem contínua de refrigerante que pode resultar na exposição do reator ao ar. Isto significa que o calor residual não pode ser removido, o que poderia levar a um acidente grave. Portanto, em caso de perda do acidente do líquido refrigerante (LOCA), um dispositivo de segurança que pode impedir que um acidente grave é necessário. Um disjuntor de sifão é tal um dispositivo de segurança. Pode efetivamente impedir drenagem da água usando um pico de ar. Todo o sistema é chamado o sifão quebrar o sistema.
Foram realizados vários estudos para a melhoria da segurança dos reactores de investigação. McDonald ' s e Marten1 realizado um experimento para confirmar o desempenho de um sifão, quebrando a válvula como um disjuntor operando ativamente. Neill e Stephens2 realizaram um experimento usando um disjuntor de sifão como um dispositivo passivamente operado em uma tubulação de pequeno porte. Sakurai3 propôs um modelo analítico para analisar o sifão quebrando onde aplicou-se um modelo de fluxo de ar-água totalmente separado.
Sifão quebrando é extremamente complexo, porque há muitos parâmetros que precisam ser considerados. Além disso, porque não foram realizados os experimentos para reatores de pesquisa real-escala, é difícil aplicar estudos anteriores para reatores de pesquisa contemporânea. Portanto, estudos anteriores não apresentaram um modelo teórico satisfatório para sifão quebrando. Por este motivo, realizou-se um experimento em escala real para estabelecer um modelo teórico.
Para investigar o efeito do disjuntor sifão em um reactor de investigação, foram realizados experimentos de escala real verificação pelo Pohang Universidade de ciência e tecnologia (POSTECH) e Instituto de pesquisa de energia atómica de Coreia (KAERI)4,5 ,6. A Figura 1 é a instalação real para o experimento de quebra de sifão. A Figura 2 mostra um diagrama esquemático da instalação e inclui a marca de instalação.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55972/55972fig1.jpg"> 
Figura 1. Facilidade para o sifão quebrando experimento demonstração. O tamanho do cano principal é 16 em e uma janela de acrílico é instalada para observação. O orifício é um dispositivo preparado para descrever a queda de pressão. Portanto, há uma parte de montagem do orifício na parte inferior do reservatório superior. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55972/55972fig1large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55972/55972fig2.jpg"> 
Figura 2. Diagrama esquemático da instalação experimental. A localização dos pontos de medição é apresentada. Os números indicam esses locais relevantes; Posicione o ponto de 0 significa a entrada do disjuntor sifão, ponto 1 significa o nível de água, ponto 2 significa a parte conectada do disjuntor o sifão e a tubulação principal e ponto 3 significa o LOCA. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55972/55972fig2large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
A instalação experimental de quebra de sifão é composto por um reservatório superior, um reservatório inferior, um sistema de tubulação e uma bomba de retorno. A capacidade do reservatório superior é de 57,6 m3. A área inferior e a profundidade são 14,4 m2 (4 m x 3,6 m) e 4 m, respectivamente. O tanque inferior e a posição de LOCA estão localizado 8,3 m abaixo do tanque superior. A capacidade do reservatório inferior é de 70 m3. O reservatório inferior é usado para armazenar a água durante o experimento. O reservatório inferior é conectado à bomba de retorno. A água do reservatório inferior é bombeada para o reservatório superior. O tamanho da tubulação principal do sistema de tubulação é 16 no. O fim da linha de disjuntor o sifão (SBL) é localizado 11,6 m de altura acima do tubo inferior ponto de ruptura. Além disso, janelas de acrílico são instaladas no tubo para visualização, como mostrado na Figura 1.
Vários dispositivos foram instalados para medir os sinais físicos. Foram utilizados dois transdutores de pressão absoluta (aptos) e três transdutores de pressão diferencial (DPTs). Para medir a taxa de fluxo de massa de água, utilizou-se um medidor de Vazão Ultrassônico. Um sistema de aquisição de dados foi usado para obter todos os dados de medição no ms 250 intervalos de tempo. Além do equipamento de medição, as câmeras foram instaladas para observação e um governante foi anexado na parede interna do tanque superior para verificar o nível de água.
Vários tamanhos de disjuntor (SB) LOCA e sifão, tipos de disjuntor de sifão (linha furo) e a presença do orifício de combustível do reator e o ponto de ruptura de tubulação foram considerados no experimento. A fim de verificar o efeito do tamanho LOCA e SBL, vários tamanhos de LOCA e SBL foram usados. Os tamanhos LOCA variou de 6 a 16 em e os tamanhos SBL variou de 2 a 6 em. No experimento, tipo de linha e buraco de disjuntores de sifão foram usados, mas o seguinte conteúdo deste estudo considera apenas o tipo SBL usado no JRTR e KJRR. Como um exemplo dos resultados experimentais, a Figura 3 é um gráfico que inclui os dados de taxa de fluxo de pressão e água. O experimento foi conduzido em 4 de outubro de 2013 e a amostra de dados experimentais é LN23 (linha tipo SB, sem orifício, 12 em LOCA, 2.5 no SBL).
A partir dos dados do experimento, foi estabelecido o modelo teórico que pode prever o sifão quebrando o fenômeno. O modelo teórico começa com a equação de Bernoulli. A velocidade do fluido é obtida a partir da equação de Bernoulli e a vazão volumétrica pode ser obtida multiplicando a velocidade do fluido pela área da tubulação. Além disso, o nível da água pode ser obtido usando a vazão volumétrica. O conceito básico do modelo teórico é como acima. No entanto, desde o sifão quebrando o fenômeno é um fluxo de duas fases, existem pontos adicionais a ser considerado. Para considerar um modelo de análise de fluxo de duas fases, realizou-se um teste de verificação de precisão. Desde que o modelo de Chisholm era mais preciso do que um modelo homogêneo, o modelo de Chisholm é usado para analisar o fenômeno. De acordo com o modelo de Chisholm, a fórmula do multiplicador bifásico é expresso como a equação 17. Nesta equação, ф representa o multiplicador de duas fases, ρ representa a densidade e X representa a qualidade.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/55972/55972eq1.jpg">(1)
classe p = "jove_content" &gt; modelo em the Chisholm, um coeficiente B que varia com a vazão mássica foi incluído. Em última análise, a derivação de uma fórmula de correlação entre o coeficiente de Chisholm B e as condições de projeto do reator é um ponto importante do modelo teórico. Em outras palavras, uma outra finalidade do experimento era obter dados para estabelecer a relação entre as condições de projeto e coeficiente de Chisholm B. Partir dos resultados de teste, estabeleceu-se uma fórmula de correlação entre as condições de projeto e coeficiente de Chisholm B. O modelo teórico resultante foi desenvolvido para prever o sifão quebrando bem o fenômeno.
Além disso, foi desenvolvido um programa de simulação com uma Interface de usuário gráfica (GUI). Pela transição dos dados de pressão absoluta na Figura 3, o fenômeno pode ser dividido em três fases: a perda de líquido de arrefecimento (fluxo monofásico), quebra de sifão (fluxo bifásico) e estado estacionário. Portanto, o processo de cálculo principal do algoritmo inclui um processo de três etapas, correspondentes às três etapas do fenômeno real. Incluindo o processo de cálculo, o algoritmo inteiro para descrever o processo de simulação é mostrado na Figura 48.
Usando o software (ver vídeo suplementar 1) para iniciar a simulação, o usuário insere os parâmetros de entrada correspondente às condições de projeto e os parâmetros de entrada são armazenados como valores fixos. Se o usuário prossegue com a simulação depois de introduzir os parâmetros, o programa executa o cálculo passo primeiro. O primeiro passo é o cálculo monofásico, o que é o cálculo de perda de refrigerante devido ao efeito de sifão depois da ruptura da tubulação. As variáveis são calculadas automaticamente pelo modelo teórico (como a equação de Bernoulli, preservação de fluxo de massa, etc.), e o cálculo locações a parâmetros de entrada pelo usuário. Os resultados do cálculo são sequencialmente armazenados na memória do computador de acordo com a unidade de tempo designada pelo usuário.
Se o nível da água cai abaixo posição 0, significa que o fluxo monofásico termina, porque o ar começa a precipitar a SBL neste momento. Portanto, o primeiro passo para o fluxo da fase monofásica prossegue até o nível da água atinge a posição 0. Quando o nível da água está na posição 0, isto significa que a altura undershooting é zero. A altura undershooting é a diferença de altura entre a entrada da SBL e o nível de água do tanque superior após a quebra de sifão. Em outras palavras, subestimativa altura indica quanto o nível da água diminuiu durante o sifão quebrando. Portanto, a altura undershooting é um parâmetro importante, porque permitirá a determinação direta da quantidade de perda de líquido de arrefecimento. Por conseguinte, o programa determina o fim do primeiro passo cálculo de acordo com a altura undershooting.
Se a altura undershooting for maior que zero, o programa realiza um segundo cálculo de passo que pode simular o fluxo de duas fases. Porque o fluxo de água e o ar estão presentes no sifão quebrando o palco, as propriedades físicas de ambos os fluidos devem ser consideradas. Portanto, os valores do multiplicador de duas fases, a qualidade e a fração de vazio são considerados nesta etapa de cálculo. Especialmente, o valor de fração de vazio é usado como terminando o critério do cálculo segundo passo. A fração de vazio pode ser expressa como a razão de fluxo de ar para a soma do ar e a água flui. O segundo cálculo passo continua até o valor de fração de vazio (α) é mais de 0,9. Quando α é sobre 0,9, o terceiro cálculo passo procede que descreve o estado estacionário. Teoricamente, o critério final para sifão quebrando é α = 1, desde que somente o ar existe na tubulação neste momento. No entanto, neste programa, os critérios de fim de sifão quebrando é α = 0,9 para evitar qualquer erro no processo de cálculo. Portanto, uma perda parcial de resultados é inevitável, mas esse erro pode ser insignificante.
Cálculo de estado estacionário prossegue durante o tempo definido pelo usuário. Porque não há mudança, o estado estacionário é caracterizado em que os valores de resultado de cálculo são sempre constantes. Se sifão quebrando for bem-sucedida, o último nível da água no tanque superior permanecerá em um valor específico, não zero. No entanto, se a quebra de sifão não é executada com êxito, o líquido de arrefecimento será quase perdido, e o nível final da água se aproxima de zero valor. Portanto, se o valor de nível de água é igual a zero no estado estacionário, ele indica que as condições de determinado projeto não são adequadas para completar a quebra de sifão.
Após o cálculo, o usuário pode confirmar os resultados de várias maneiras. Os resultados mostram o status do sifão quebrando, quebrando o progresso e singularidade de sifão. O programa de simulação pode prever e analisar o fenômeno de forma realista e ajudar na concepção do sistema de quebra de sifão. Neste papel, o protocolo do experimento, os resultados da experiência e da aplicação do programa de simulação são apresentados.

<table><tbody><tr><td>Absolute pressure transducer</td><td>Sensor Technics</td><td>CTE9000</td><td>0.05% full-scale error</td></tr><tr><td>Differential pressure transducer</td><td>Setra</td><td>C230</td><td>0.25% full-scale error</td></tr><tr><td>Ultrasonic flow meter</td><td>Tokyo Keiki</td><td>UFP-20</td><td>Resolution 0.01m^3/h</td></tr><tr><td>Visual Studio 2012</td><td>Microsoft</td><td>Windows 8</td><td>Microsoft Foundation Class</td></tr><tr><td>E.R.W. steel pipe</td><td>Hyundai Hysco</td><td>KS D 3507(SPP)</td><td>400A(out dia.) x 7.9mm(thickness)</td></tr></tbody></table>

study of siphon breaker experiment and simulation for a research reactor

Sob as condições de projeto de um reator de pesquisa, o fenômeno de sifão induzido pela ruptura do tubo pode causar contínuo fluxo para fora da água. Para evitar esta saída, um dispositivo de controle é necessário. Um disjuntor de sifão é um tipo de dispositivo de segurança que pode ser utilizado para controlar a perda de líquido de arrefecimento de água efetivamente.
Para analisar as características de sifão quebrando, foi realizado um experimento em escala real. Os resultados do experimento, verificou-se que existem vários fatores de design que afetam o sifão quebrando o fenômeno. Portanto, há uma necessidade de desenvolver um modelo teórico capaz de prever e analisar o sifão quebrando o fenômeno sob diferentes condições de projeto. Usando os dados experimentais, foi possível formular um modelo teórico que prediz com precisão o progresso e o resultado do sifão quebrando o fenômeno. O modelo teórico estabelecido baseia-se na mecânica dos fluidos e incorpora o modelo de Chisholm para analisar o fluxo de duas fases. Da equação de Bernoulli, a velocidade, a quantidade, a subestimativa altura, nível de água, pressão, coeficiente de atrito e fatores relacionados ao fluxo de duas fases poderia ser obtida ou calculado. Além disso, para utilizar o modelo estabelecido neste estudo, foi desenvolvido um programa de análise e projeto de disjuntor do sifão. O programa de simulação opera com base no modelo teórico e retorna o resultado como um gráfico. O usuário pode confirmar a possibilidade do sifão quebrando, verificando a forma do gráfico. Além disso, salvar o resultado de toda simulação é possível e pode ser usada como um recurso para analisar o sifão real, quebrando o sistema.
Em conclusão, o usuário pode confirmar o status do sifão quebrando e projeto do sistema de quebra de sifão usando o programa desenvolvido neste estudo.

Todo o processo de quebra de sifão consiste de três estágios. A primeira fase é a saída do líquido de arrefecimento devido ao efeito de sifão. A segunda etapa é o processo de iniciar o fluxo de ar através da SBL para bloquear a perda de líquido de arrefecimento, chamado de quebra de sifão. O fenômeno de quebra de sifão pode ser visto como um aumento acentuado da pressão absoluta na Figura 3. Depois que a pressão absoluta aumenta rapidamente, é...

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Study of Siphon Breaker Experiment and Simulation for a Research Reactor

O sifão quebrando o fenômeno foi investigado experimentalmente e foi proposto um modelo teórico. Foi desenvolvido um programa de simulação baseado no modelo teórico e os resultados do programa de simulação foram comparados com resultados experimentais. Concluiu-se que os resultados do programa de simulação comparados os resultados experimentais bem.

Estudo do experimento de quebra de sifão e simulação para um Reactor de investigação

Under the design conditions of a research reactor, the siphon phenomenon induced by pipe rupture can cause continuous outward flow of water. To prevent ...

study-siphon-breaker-experiment-simulation-for-research

Research

JoVE Journal

Engineering

8.7K visualizações.  Handong Global University. O sifão quebrando o fenômeno foi investigado experimentalmente e foi proposto um modelo teórico. Foi desenvolvido um programa de simulação baseado no modelo teórico e os resultados do programa de simulação foram comparados com resultados experimentais. Concluiu-se que os resultados do programa de simulação comparados os resultados experimentais bem.

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Activating Molecules, Ions, and Solid Particles with Acoustic Cavitation

The chemical and physical effects of ultrasound arise not from a direct interaction of molecules with sound waves, but rather from the acoustic cavitation: the nucleation, growth, and implosive collapse of microbubbles in liquids submitted to power ultrasound. The violent implosion of bubbles leads to the formation of chemically reactive species and to the emission of light, named sonoluminescence. In this manuscript, we describe the techniques allowing study of extreme intrabubble conditions and chemical reactivity of acoustic cavitation in solutions. The analysis of sonoluminescence spectra of water sparged with noble gases provides evidence for nonequilibrium plasma formation. The photons and the "hot" particles generated by cavitation bubbles enable to excite the non-volatile species in solutions increasing their chemical reactivity. For example the mechanism of ultrabright sonoluminescence of uranyl ions in acidic solutions varies with uranium concentration: sonophotoluminescence dominates in diluted solutions, and collisional excitation contributes at higher uranium concentration. Secondary sonochemical products may arise from chemically active species that are formed inside the bubble, but then diffuse into the liquid phase and react with solution precursors to form a variety of products. For instance, the sonochemical reduction of Pt(IV) in pure water provides an innovative synthetic route for monodispersed nanoparticles of metallic platinum without any templates or capping agents. Many studies reveal the advantages of ultrasound to activate the divided solids. In general, the mechanical effects of ultrasound strongly contribute in heterogeneous systems in addition to chemical effects. In particular, the sonolysis of PuO2 powder in pure water yields stable colloids of plutonium due to both effects.

Acoustic cavitation in liquids submitted to power ultrasound creates transient extreme conditions inside the collapsing bubbles, which are the origin of unusual chemical reactivity and light emission, known as sonoluminescence. In the presence of noble gases, nonequilibrium plasma is formed. The "hot" particles and the photons generated by collapsing bubbles are able to excite species in solution.

Ativando moléculas, íons e partículas sólidas com Acústico cavitação

The chemical and physical effects of ultrasound arise not from a direct interaction of molecules with sound waves, but rather from the acoustic ...

Química

Development of Sulfidogenic Sludge from Marine Sediments and Trichloroethylene Reduction in an Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor

The importance of microbial sulfate reduction relies on the various applications that it offers in environmental biotechnology. Engineered sulfate reduction is used in industrial wastewater treatment to remove large concentrations of sulfate along with the chemical oxygen demand (COD) and heavy metals. The most common approach to the process is with anaerobic bioreactors in which sulfidogenic sludge is obtained through adaptation of predominantly methanogenic granular sludge to sulfidogenesis. This process may take a long time and does not always eliminate the competition for substrate due to the presence of methanogens in the sludge. In this work, we propose a novel approach to obtain sulfidogenic sludge in which hydrothermal vents sediments are the original source of microorganisms. The microbial community developed in the presence of sulfate and volatile fatty acids is wide enough to sustain sulfate reduction over a long period of time without exhibiting inhibition due to sulfide. 
This protocol describes the procedure to generate the sludge from the sediments in an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) type of reactor. Furthermore, the protocol presents the procedure to demonstrate the capability of the sludge to remove by reductive dechlorination a model of a highly toxic organic pollutant such as trichloroethylene (TCE). The protocol is divided in three stages: (1) the formation of the sludge and the determination of its sulfate reducing activity in the UASB, (2) the experiment to remove the TCE by the sludge, and (3) the identification of microorganisms in the sludge after the TCE reduction. Although in this case the sediments were taken from a site located in Mexico, the generation of a sulfidogenic sludge by using this procedure may work if a different source of sediments is taken since marine sediments are a natural pool of microorganisms that may be enriched in sulfate reducing bacteria.

Microbial sulfate reduction is a process of great importance in environmental biotechnology. The success of the sulfidogenic reactors depends among other factors on the microbial composition of the sludge. Here, we present a protocol to develop sulfidogenic sludge from hydrothermal vents sediments in a UASB reactor for reductive dechlorination purposes.

Desenvolvimento de sulfidogenico Sludge de sedimentos marinhos e Redução Trichloroethylene em um Reator Anaeróbio de Manta de Lodo

The importance of microbial sulfate reduction relies on the various applications that it offers in environmental biotechnology. Engineered sulfate ...

Ambiente

Chemical Gardens as Flow-through Reactors Simulating Natural Hydrothermal Systems

Here we report experimental simulations of hydrothermal chimney growth using injection chemical garden methods. The versatility of this type of experiment allows for testing of various proposed ocean / hydrothermal fluid chemistries that could have driven reactions toward the origin of life in environments on the early Earth, early Mars, or even other worlds such as the icy moons of the outer planets. We show experiments that include growth of chemical garden structures under anoxic conditions simulating the early Earth, inclusion of trace components of phosphates / organics in the injection solution to incorporate them into the structure, a switch of the injection solution to introduce a secondary precipitating anion, and the measurement of membrane potentials generated by chemical gardens. Using this method, self-assembling chemical garden structures were formed that mimic the natural chimneys precipitated at submarine hydrothermal springs, and these precipitates can be used successfully as flow-through reactors by feeding through multiple successive &#8220;hydrothermal&#8221; injections.

We describe chemical garden formation via injection experiments that allow for laboratory simulations of natural chemical garden systems that form at submarine hydrothermal vents.

Jardins químicos como Fluxo através Reatores simulando Naturais sistemas hidrotérmicos

Here we report experimental simulations of hydrothermal chimney growth using injection chemical garden methods. The versatility of this type of experiment ...

Laser-heating and Radiance Spectrometry for the Study of Nuclear Materials in Conditions Simulating a Nuclear Power Plant Accident

Major and severe accidents have occurred three times in nuclear power plants (NPPs), at Three Mile Island (USA, 1979), Chernobyl (former USSR, 1986) and Fukushima (Japan, 2011). Research on the causes, dynamics, and consequences of these mishaps has been performed in a few laboratories worldwide in the last three decades. Common goals of such research activities are: the prevention of these kinds of accidents, both in existing and potential new nuclear power plants; the minimization of their eventual consequences; and ultimately, a full understanding of the real risks connected with NPPs. At the European Commission Joint Research Centre&#39;s Institute for Transuranium Elements, a laser-heating and fast radiance spectro-pyrometry facility is used for the laboratory simulation, on a small scale, of NPP core meltdown, the most common type of severe accident (SA) that can occur in a nuclear reactor as a consequence of a failure of the cooling system. This simulation tool permits fast and effective high-temperature measurements on real nuclear materials, such as plutonium and minor actinide-containing fission fuel samples. In this respect, and in its capability to produce large amount of data concerning materials under extreme conditions, the current experimental approach is certainly unique. For current and future concepts of NPP, example results are presented on the melting behavior of some different types of nuclear fuels: uranium-plutonium oxides, carbides, and nitrides. Results on the high-temperature interaction of oxide fuels with containment materials are also briefly shown.

We present experiments in which real nuclear fuel, cladding, and containment materials are laser heated to temperatures beyond 3,000 K while their behavior is studied by radiance spectroscopy and thermal analysis. These experiments simulate, on a laboratory scale, the formation of a lava-phase following a nuclear reactor core meltdown.

Aquecimento a laser e espectrometria de radiância para o estudo de materiais nucleares em condições que simulam um acidente em uma usina nuclear

Major and severe accidents have occurred three times in nuclear power plants (NPPs), at Three Mile Island (USA, 1979), Chernobyl (former USSR, 1986) and ...

In Situ Visualization of the Phase Behavior of Oil Samples Under Refinery Process Conditions

To help address production issues in refineries caused by the fouling of process units and lines, we have developed a setup as well as a method to visualize the behavior of petroleum samples under process conditions. The experimental setup relies on a custom-built micro-reactor fitted with a sapphire window at the bottom, which is placed over the objective of an inverted microscope equipped with a cross-polarizer module. Using reflection microscopy enables the visualization of opaque samples, such as petroleum vacuum residues, or asphaltenes. The combination of the sapphire window from the micro-reactor with the cross-polarizer module of the microscope on the light path allows high-contrast imaging of isotropic and anisotropic media. While observations are carried out, the micro-reactor can be heated to the temperature range of cracking reactions (up to 450 &#176;C), can be subjected to H2 pressure relevant to hydroconversion reactions (up to 16 MPa), and can stir the sample by magnetic coupling. 
Observations are typically carried out by taking snapshots of the sample under cross-polarized light at regular time intervals. Image analyses may not only provide information on the temperature, pressure, and reactive conditions yielding phase separation, but may also give an estimate of the evolution of the chemical (absorption/reflection spectra) and physical (refractive index) properties of the sample before the onset of phase separation.

In Situ Visualization of the Phase Behavior of Oil Samples Under Refinery Process Conditions

This article describes a setup and method for the in situ visualization of oil samples under a variety of temperature and pressure conditions that aim to emulate refining and upgrading processes. It is primarily used for studying isotropic and anisotropic media involved in the fouling behavior of petroleum feeds.

In Situ Visualização do comportamento da fase de Amostras de óleo sob Refinaria Condições do Processo

To help address production issues in refineries caused by the fouling of process units and lines, we have developed a setup as well as a method to ...

Engenharia

Optimization, Test and Diagnostics of Miniaturized Hall Thrusters

Miniaturized spacecraft and satellites require smart, highly efficient and durable low-thrust thrusters, capable of extended, reliable operation without attendance and adjustment. Thermochemical thrusters which utilize thermodynamic properties of gases as a means of acceleration have physical limitations on their exhaust gas velocity, resulting in low efficiency. Moreover, these engines demonstrate extremely low efficiency at small thrusts and may be unsuitable for continuously operating systems which provide real-time adaptive control of the spacecraft orientation, velocity and position. In contrast, electric propulsion systems which use electromagnetic fields to accelerate ionized gases (i.e., plasmas) do not have any physical limitation in terms of exhaust velocity, allowing virtually any mass efficiency and specific impulse. Low-thrust Hall thrusters have a lifetime of several thousand hours. Their discharge voltage ranges between 100 and 300 V, operating at a nominal power of &lt;1 kW. They vary from 20 to 100 mm in size. Large Hall thrusters can provide fractions of millinewton of thrust. Over the past few decades, there has been an increasing interest in small mass, low power, and high efficiency propulsion systems to drive satellites of 50-200 kg. In this work, we will demonstrate how to build, test, and optimize a small (30 mm) Hall thruster capable of propelling a small satellite weighing about 50 kg. We will show the thruster operating in a large space environment simulator, and describe how thrust is measured and electric parameters, including plasma characteristics, are collected and processed to assess key thruster parameters. We will also demonstrate how the thruster is optimized to make it one of the most efficient small thrusters ever built. We will also address challenges and opportunities presented by new thruster materials.

Here, we present a protocol to test and optimize space propulsion systems based on miniaturized Hall-type thrusters.

Otimização, teste e diagnóstico dos propulsores miniaturizados Hall

Miniaturized spacecraft and satellites require smart, highly efficient and durable low-thrust thrusters, capable of extended, reliable operation without ...

Interactive and Visualized Online Experimentation System for Engineering Education and Research

Experimentation is crucial in engineering education. This work explores visualized experiments in online laboratories for teaching and learning and also research. Interactive and visualizing features, including theory-guided algorithm implementation, web-based algorithm design, customizable monitoring interface, and three-dimensional (3-D) virtual test rigs are discussed. To illustrate the features and functionalities of the proposed laboratories, three examples, including the first-order system exploration using a circuit-based system with electrical elements, web-based control algorithm design for virtual and remote experimentation, are provided. Using user-designed control algorithms, not only can simulations be conducted, but real-time experiments can also be conducted once the designed control algorithms have been compiled into executable control algorithms. The proposed online laboratory also provides a customizable monitoring interface, with which users can customize their user interface using provided widgets such as the textbox, chart, 3-D, and camera widget. Teachers can use the system for online demonstration in the classroom, students for after-class experimentation, and researchers to verify control strategies.

This work describes an online experimentation system that provides visualized experiments, including the visualization of theories, concepts, and formulas, visualizing the experimental process with three-dimensional (3-D) virtual test rigs, and visualizing the control and monitoring system using widgets such as charts and cameras.

Sistema de experimentação online interativo e visualizado para educação e pesquisa de engenharia

Experimentation is crucial in engineering education. This work explores visualized experiments in online laboratories for teaching and learning and also ...

A Modeling and Simulation Method for Preliminary Design of an Electro-Variable Displacement Pump

Electro-hydrostatic actuators (EHAs) have been considerably researched in academia, and their applications in various industrial fields are expanding. The variable-speed EHA has now taken priority over the variable-displacement EHA, but its driving motor and associated electronics encounter issues when applied in high-power applications: low-dynamics, high thermal dissipation, high price, etc. Therefore, a variable-displacement EHA equipped with an electro-variable displacement pump (EVDP) has been considered. The EVDP itself is a mechatronic system that integrates a piston pump, a ball screw, a gearbox, and a permanent magnet synchronous motor (PMSM). Consequently, the EVDP needs to be investigated to ensure its system-level performance when applied in an EHA. In addition to the previous research on the technical parameters of the EVDP, a dedicated design method is necessary for further reducing the cost of using the EVDP and exploring its performance potential. Here, a simulation based EVDP preliminary design method is selected for designing a 37 kW EVDP. Firstly, a previously proposed multidisciplinary model of the EVDP is extended by improving the parameter generation, including the EVDP life, reliability, control models, etc. Secondly, the proposed model is partially verified using a downsized prototype. Thirdly, the EVDP is simulated at a system level, supported by the proposed model. The EVDP performance is evaluated according to the specified design requirements. The temperature, bandwidth and accuracy, reliability and lifetime, etc., are all predicted for the EVDP. The simulation results demonstrate the EVDP's applicability in variable-displacement EHA. The proposed modeling and simulation method can be used to evaluate diverse EVDP performance and respond to general design requirements. The method can also support the resolution of the preliminary design challenges in terms of limited information and robustness. Therefore, the proposed method is appropriate for the realization of the simulation-based EVDP preliminary design method.

A simulation model specifically supporting the preliminary design of an electro-variable displacement pump (EVDP) is developed and partially verified by experiments. The control performance, life, reliability, etc., can all be evaluated using the proposed model, which covers the main performance requirements under the EVDP preliminary design task.

Um método de modelagem e simulação para o design preliminar de uma bomba de deslocamento eletrovariar

Electro-hydrostatic actuators (EHAs) have been considerably researched in academia, and their applications in various industrial fields are expanding. The ...

Experimental Multiscale Methodology for Predicting Material Fouling Resistance

The buildup of fouling deposits in energy systems degrades their ability to transfer heat, reducing efficiency and causing operational issues such as localized corrosion. Each application presents its own challenges. In nuclear power generation, the buildup of CRUD (Chalk River Unidentified Deposits) induces unique, negative effects ranging from reduced heat transfer, to axial power shifting, to CRUD-induced localized corrosion (CILC), the last of which can cause sudden fuel failure. Knowledge of why CRUD forms and how to prevent its adhesion to nuclear fuel rods represents a major step towards eliminating it. This paper demonstrates a methodology to ascertain which materials may resist CRUD adhesion, thereby preventing its initiation and growth. It presents experiments targeted at multiple length scales: pool boiling (macroscale), which simulates CRUD initiation processes in a nuclear reactor, and atomic force microscope (AFM) force spectroscopy (microscale), which yields quantitative measurements of the adhesion between CRUD constituents and candidate CRUD-resistant materials. Early data from both sets of experiments show some correlation, suggesting that AFM force spectroscopy (AFM-FS) may be used to pre-screen materials for fouling resistance. So far, it appears that CRUD constituents adhere well to oxides, while carbides show both greatly reduced adhesion and no adherent CRUD in pool boiling experiments. The relationship between the AFM-FS measurements and the growth of CRUD in the pool boiling experiments may provide insight into the possible factors affecting fouling in nuclear reactors, eventually leading to its elimination.

Fouling, or corrosion product deposition, plagues numerous fields of energy production. At its core is adhesion between dissimilar materials. Understanding and controlling adhesion could reduce or eliminate fouling. This paper demonstrates pool boiling experiments (macroscale) and atomic force microscope force-spectroscopy measurements (microscale), which when in agreement, indicate fouling-resistance.

The buildup of fouling deposits in energy systems degrades their ability to transfer heat, reducing efficiency and causing operational issues such as ...

Biologia

Single and Two-phase Flow in a Packed Bed Reactor

Source: <a href="https://www.jove.com/author/Kerry+M._Dooley">Kerry M. Dooley</a> and Michael G. Benton, Department of Chemical Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA
The goal of this experiment is to determine the magnitude of maldistribution in typical packed bed reactors in both single phase and two-phase (gas-liquid) flow and evaluate the effects of this maldistribution on pressure drop. The concepts of residence time distribution and dispersion are introduced through the use of tracers, and these concepts are related to physical maldistribution.
Channeling in a single-phase flow can occur along walls or by preferential flow through a larger portion of the bed cross-section. Channeling in two-phase flow can result from even more complex causes, and simple two-phase flow theories seldom predict pressure drops in packed beds. A design goal is always to minimize the extent of channeling by finding the optimal bed and particle diameters for the design flow rates and by packing a bed in a way to minimize settling. It is always important to quantify how much maldistribution might occur and to over-design the unit to account for its occurrence.
The permeameter apparatus measures pressure drop, &#916;P, and the concentration of tracer (dye) exiting horizontal packed beds of armored glass for either water, air, or two-phase flow (Figures 1 and 2). Water enters through a control valve and can be routed through manual valves to any of five beds (48&#34; long, 3&#34; I.D.) with different size glass bead dumped (random) packings. The pressure drop is measured using a pressure transmitter. The water flow is measured by a differential pressure (DP, orifice) transmitter and the air flow by a dry test meter (similar to a home gas meter). The dye sample is injected upstream by an automated sampling valve. The exit concentration of the dye from a bed is measured using a UV-Vis spectrometer. Residence time distributions are calculated from the tests and compared to the predictions of theories on dispersion in packed beds. Two-phase flow will be studied in bed 5, which contains the largest particles.
<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/10431/10431fig1.jpg" /> 
Figure 1: Process and instrumentation diagram of the apparatus.
<img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/10431/10431fig2.jpg" /> 
Figure 2. 3-D rendering of the apparatus. Bed #1 is at the top, bed #5 at the bottom. The water control valve is on the left (red bonnet). The DP transmitter is at the top center (blue).

Fluxo monofásico e bifásico em um reator de leito compactado

Source: Kerry M. Dooley and Michael G. Benton, Department of Chemical Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA
The goal of this experiment ...