Effect of volumetric ratio and injection pressure on liquid nitrogen-water interaction

Urith Archakositt

dc.contributor.advisor	Tatchai Sumitra
dc.contributor.advisor	Sunchai Nilsuwankosit
dc.contributor.author	Urith Archakositt
dc.contributor.other	Chulalongkorn University. Faculty of Engineering
dc.date.accessioned	2012-11-28T02:14:37Z
dc.date.available	2012-11-28T02:14:37Z
dc.date.issued	2003
dc.identifier.isbn	9741736886
dc.identifier.uri	http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/26484
dc.description	Thesis (D.Eng.)--Chulalongkorn University, 2003	en
dc.description.abstract	ศึกษาอันตรกิริยาระหว่างเชื้อเพลิงและสารหล่อเย็นที่อุณหภูมิต่ำ โดยมีน้ำที่อุณหภูมิห้องเป็นเชื้อเพลิงและไนโตรเจนเหลวที่สภาวะอิ่มตัว ภายใต้ความดันบรรยากาศเป็นสารหล่อเย็น การทดลองกระทำโดยการฉีดน้ำผ่านท่อนำขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.5 เซนติเมตร ลงไปในท่อทดลองขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 10 เซนติเมตร ความสูง 1 เมตร ที่มีไนโตรเจนเหลวบรรจุอยู่ภายในจำนวน 2000 ลูกบาศก์เซนติเมตร โดยศึกษาผลกระทบจากพารามิเตอร์ที่สำคัญ 2 ค่าคือ สัดส่วนเชิงปริมาตรของน้ำต่อไนโตรเจนเหลวและความดันการฉีด สัดส่วนเชิงปริมาตรที่ใช้มีค่า 0.05 0.10 0.15 และ 0.20 และความดันการฉีดมีขนาด 2 บาร์เกจ 3 บาร์เกจ และ 4 บาร์เกจ ผลการทดลองพบว่า ความดันที่บันทึกได้ระหว่างการทดลองภายใต้เงื่อนไขต่างๆ มีทั้งลักษณะที่เป็นคลื่นยอดแหลมปรากฏชัดเจนและที่ไม่ปรากฏให้เห็นเป็นยอดแหลม ความดันที่เป็นคลื่นยอดแหลมมีอัตราการเพิ่มขึ้นสูงถึง 25 บาร์ต่อวินาที ตรงกันข้าม ความดันที่ไม่ปรากฏให้เห็นเป็นยอดแหลมมีอัตราการเพิ่มขึ้นเพียง 0.2 บาร์ต่อวินาที ซากน้ำแข็งที่สังเกตได้หลังการทดลองกับลักษณะความดันที่เป็นคลื่นยอดแหลม แสดงถึงการเกิดอันตรกิริยาอย่างรุนแรงระหว่างน้ำและไนโตรเจน เมื่อเปรียบเทียบเวลาที่แตกต่างกันระหว่างทรานสดิวเซอร์ ความดันที่ด้านล่างและด้านบนของระบบสำหรับยอดความดันเดียวกันพบว่า ความดันที่เป็นคลื่นยอดแหลมแผ่ออกไปและมีอัตราเร็วเทียบกันได้กับอัตราเร็วเสียง ในทางทฤษฎีของของผสมเอกพันธุระหว่างของเหลวและก๊าซ ซึ่งมีค่าตั้งแต่ 26 ถึง 50 เมตรต่อวินาที ภายใต้เศษส่วนที่ว่างระหว่าง 0.1 ถึง 0.9 การเกิดขึ้นของความดันที่เป็น คลื่นยอดแหลมมีอัตราเร็วเข้าใกล้อัตราเร็วเสียงนี้ยืนยันว่า ยอดความดันที่ได้เป็นคลื่นกระแทกเนื่องจากการระเบิดเป็นไอของไนโตรเจนเหลว ผลที่ได้นี้แสดงว่าการระเบิดเป็นไอมีความเป็นไปได้จากอันตรกิริยาระหว่างน้ำกับไนโตรเจน และมีคุณลักษณะคล้ายคลึงกับที่เกิดขึ้น ในอันตรกิริยาระหว่างเชื้อเพลิงนิวเคลียร์หลอมละลาย ที่อุณหภูมิสูงกับสารหล่อเย็น อาศัยแบบจำลองคณิตศาสตร์ที่พัฒนาขึ้นสำหรับอันตรกิริยาที่อุณหภูมิสูง (TEXAS) ซึ่งปรับและประยุกต์เพื่อใช้จำลองปรากฏการณ์ผสมกันระหว่างน้ำและไนโตรเจนเหลว พบว่ามีความสอดคล้องกันกับช่วงการผสมกันของน้ำและไนโตรเจนที่สังเกตได้จากการทดลอง แต่ไม่พบว่าเกิดความดันที่เป็นคลื่นยอดแหลม ซึ่งชี้ว่าลักษณะการเกิดความดันที่เป็นคลื่นยอดแหลมจากการทดลองดังกล่าว มิได้เป็นผลจากปรากฏการณ์ผสมกัน แต่น่าจะเป็นผลจากอันตรกิริยาที่รุนแรงกว่า จากผลการศึกษานี้ แผนผังแสดงแนวโน้มการเกิดอันตรกิริยาอย่างรุนแรง เช่นการระเบิดเป็นไอระหว่างน้ำและไนโตรเจนเหลวจึงถูกจัดสร้างขึ้น เพื่อใช้ทำนายผลกระทบจากสัดส่วนเชิงปริมาตรของน้ำและไนโตรเจนเหลว และค่าความดันการฉีดน้ำต่ออันตรกิริยาระหว่างน้ำและไนโตรเจนเหลว
dc.description.abstractalternative	To study the fuel-coolant interaction (FCI) at the low temperature, the water and the liquid nitrogen were used respectively as the molten fuel and the coolant. To initiate the interaction, the water at room temperature in a storage was injected via a 1.5-cm diameter guide tube into the 10-cm diameter and 1-m height cylindrical chamber to come into contact with the 2000-cc liquid nitrogen at atmospheric saturation. The experiments were conducted with two key parameters, the water/liquid nitrogen volumetric ratio and the water injection pressure, to study their effects on the interaction. The volumetric ratios were 0.05, 0.10, 0.15 and 0.20 with the injection pressure of 2, 3, and 4 bar (g). The pressure recorded during the experiments showed the profiles with the observable pressure spikes and without. The maximum pressurization rate of the spike was up to 25 bar/s. On the other hand, it was 0.2 bar/s without the spike. Ice debris collected post experiments and the pressure profiles with spikes suggested the strong interaction between the water and the liquid nitrogen. The occurrence of the spikes and their inceptions recorded by two pressure transducers at different heights also indicated the pressure wave propagation. The propagation velocities due to the observed strong interactions were comparable with the theoretical sound speed of the liquid/vapor nitrogen mixture, which ranged from 26 to 50 m/s with the void fraction of 0.1 to 0.9. Such velocities confirmed that the pressure spikes were the shock wave caused by the vapor explosion of liquid nitrogen. These results suggested the possibility of the vapor explosion-liked interaction between the water and the liquid nitrogen like that observed in the FCI at the high temperature. The experiments also were simulated by an available FCI code, TEXAS, modified for the mixing phase of water and liquid nitrogen. The simulations agreed with the mixing experiments and did not exhibit any pressure spike. It indicated that the spike was not the result from the mixing process but from the more violent process. Finally, the interaction zone of the vapor explosion-liked interaction was created to predict the effect of the volumetric ratio and the injection pressure on the liquid nitrogen-water interaction.
dc.format.extent	6845512 bytes
dc.format.extent	1946268 bytes
dc.format.extent	17760908 bytes
dc.format.extent	6305721 bytes
dc.format.extent	11197478 bytes
dc.format.extent	13069964 bytes
dc.format.extent	3123120 bytes
dc.format.extent	22770862 bytes
dc.format.mimetype	application/pdf
dc.format.mimetype	application/pdf
dc.format.mimetype	application/pdf
dc.format.mimetype	application/pdf
dc.format.mimetype	application/pdf
dc.format.mimetype	application/pdf
dc.format.mimetype	application/pdf
dc.format.mimetype	application/pdf
dc.language.iso	en	es
dc.publisher	Chulalongkorn University	en
dc.rights	Chulalongkorn University	en
dc.title	Effect of volumetric ratio and injection pressure on liquid nitrogen-water interaction	en
dc.title.alternative	ผลกระทบของสัดส่วนเชิงปริมาตรและความดันการฉีดต่ออันตรกิริยาระหว่างไนโตรเจนเหลวกับน้ำ	en
dc.type	Thesis	es
dc.degree.name	Doctor of Engineering	es
dc.degree.level	Doctoral Degree	es
dc.degree.discipline	Nuclear Engineering	es
dc.degree.grantor	Chulalongkorn University	en