Tomasz Kwiatkowski;Michal Jedrzejczyk;Afaque Shams
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.4
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pp.1310-1319
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2024
The reactor cavity cooling system (RCCS) is a passive reactor safety system commonly present in the designs of High-Temperature Gas-cooled Reactors (HTGR) that removes heat from the reactor pressure vessel by means of natural convection and radiation. It is one of the factors responsible for ensuring that the reactor does not melt down under any plausible accident scenario. For the simulation of accident scenarios, which are transient phenomena unfolding over a span of up to several days, intermediate fidelity methods and system codes must be employed to limit the models' execution time. These models can quantify radiation heat transfer well, but heat transfer caused by natural convection must be quantified with the use of correlations for the heat transfer coefficient. It is difficult to obtain reliable correlations for HTGR RCCS heat transfer coefficients experimentally due to such a system's size. They could, however, be obtained from high-fidelity steady-state simulations of RCCSs. The Rayleigh number in RCCSs is too high for using a Direct Numerical Simulation (DNS) technique; thus, a Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) approach must be employed. There are many RANS models, each performing best under different geometry and fluid flow conditions. To find the most suitable one for simulating an RCCS, the RANS models need to be validated. This work benchmarks various RANS models against three experiments performed on the HTTR RCCS Mockup by the Japanese Atomic Energy Agency (JAEA) in 1993. This facility is a 1/6 scale model of a vessel cooling system (VCS) for the High Temperature Engineering Test Reactor (HTTR), which is operated by JAEA. Multiple RANS models were evaluated on a simplified 2d-axisymmetric geometry. They were found to reproduce the experimental temperature profiles with errors of up to 22% for the lowest temperature benchmark and 15% for the higher temperature benchmarks. The results highlight that the pragmatic turbulence models need to be validated for high Rayleigh natural convection-driven flows and improved accordingly, more publicly available experimental data of RCCS resembling experiments is needed and indicate that a 2d-axisymmetric geometry approximation is likely insufficient to capture all the relevant phenomena in RCCS simulations.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.23
no.8
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pp.1040-1047
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1999
The characteristics of flame propagation in inert particle-laden $H_2$/Air premixed gas are numerically investigated on this study. The 2nd order TVD scheme is applied to numerical analysis of governing equations and multi-step chemical reaction model and detailed transport properties are sued to solve chemical reaction terms. Radiation heat transfer is computed by applying the finite volume method to a radiative transfer equation. The burning velocities against the mole fractions of hydrogen agree well with results performed by different workers. The inert particles play significant roles in the flame propagation on account of momentum and heat transfer between gas and particles. Gas temperature, pressure and flame propagation speed are decreased as the loading ratio of particle is increased. Also the products behind flame zone contain lots of water vapor whose absorption coefficient is much larger than that of unburned gas. Thus, the radiation effect of gas and particles must be considered simultaneously for the flame propagation in a mixture of $H_2$/Air and inert particles. As a result, it is founded that because the water vapor emits much radiation and this emitted radiation is released at boundaries as radiant heat loss as well as reabsorbed by gas and particles, flame propagation speed and flame structure are altered with radiation effect.
Choi, Man Soo;Chang, Young Hag;Park, Tae Sik;Jeong, Moon Seon;Moon, Chae Joo
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.63
no.11
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pp.1575-1581
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2014
In this paper, eddy current loss, iron loss and heat transfer of PMSG with 2,000kW capacities were analyzed for wind turbine. The PMSG with 3 split magnet was analyzed using ansoft maxwell commercial program and, generator was tested by Back to Back converter with no load condition at laboratory. Rotor surface temperature was measured by Pt100 sensors for investigating heat transfer from rotor to atmosphere. The simulation results shows 27.4kW eddy current loss in no load condition and 50.2kW eddy current loss in rated load condition with 3 split magnet, and also shows 4.3kW iron loss in no load condition and 7.3kW iron loss rated load condition. The heat transfer coefficient of convection between rotor surface and atmosphere was investigated by $9.6W/m^2{\cdot}K$. Therefore the heat transfer from rotor to atmosphere was about 17kW(54%) and from rotor to air-gap was about 14.6kW(46%) in no load condition. It is identified that the cooling system for stator have to include the 46% of iron loss, and heat dissipation structure of rotor surface have to be suggested and designed for efficiency improvement of generator.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.13
no.2
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pp.265-270
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1989
The present study considers the thermal structure variation in a porous medium caused by changing the most important radiative property of porous medium, absorption coefficient, as well as altering the physical dimension of porous medium and the equivalence ratio of premixed gas mixture. The radiation model was introduced as an unsteady differential form using the two-flux gray radiation model. The role of the conductive heat transfer through both gas phase and porous medium was found to be almost insignificant compared with that of the radiative heat transfer. The reaction zone shifted upstream and the flame thickness decreased as either the geometrical length of porous medium increased or the absorption coefficient decreased.
Predicting lower flammability limits (LFL) of hydrogen has become an ever-important task for safety of nuclear industry. While numerous experimental studies have been conducted, LFL results applicable for the harsh environment are still lack of information. Our aim is to develop a calculated non-adiabatic flame temperature (CNAFT) model to better predict LFL of hydrogen mixtures in nuclear power plant. The developed model is unique for incorporating radiative heat loss during flame propagation using the CNAFT coefficient derived through previous studies of flame propagation. Our new model is more consistent with the experimental results for various mixtures compared to the previous model, which relied on calculated adiabatic flame temperature (CAFT) to predict the LFL without any consideration of heat loss. Limitation of the previous model could be explained clearly based on the CNAFT coefficient magnitude. The prediction accuracy for hydrogen mixtures at elevated initial temperatures and high helium content was improved substantially. The model reliability was confirmed for $H_2-air$ mixtures up to $300^{\circ}C$ and $H_2-air-He$ mixtures up to 50 vol % helium concentration. Therefore, the CNAFT model developed based on radiation heat loss is expected as the practical method for predicting LFL in hydrogen risk analysis.
Stirling engine for solar thermal power is an essential part of Dish-Stirling system which generates electricity by using direct normal irradiation and will go into commercialization in near future. For the Stirling engine used in this study is Solo 161 model the capacity of which is 10 kWe and was already used for the Dish-Stirling system of KIER in Jinhae. The receiver of Stirling engine absorbes concentrated solar radiation and transfer it to working fluid of Hydrogen. The working condition of striling engine is high temperature and high pressure to make high efficiency. Therefore the receiver should stand against high temperature of above 800 $^{\circ}C$ and high pressure of max. 150 bar with good performance of heat transfer. The receiver is composed of 78 Inconel tubes of 1/8" with thickness of 0.71 mm and two reserviors which is connected with two cylinders. In order to know the charaterristics of heat transfer of Stirling engine receiver, simulation on the heat transfer of the receiver of Solo 161 is conducted by using CFD code of Fluent. The heat flux on the receiver surface has a shape of Gaussian distribution so, it is necessary to simulate a whole receiver. However, It is difficult and time consuming to simulate the whole receiver that one tube with different heat flux conditions are considered in this study. From the simulation results, heat transfer charateristics of receiver are observed and tube wall and fluid temperature and heat transfer coefficient are obtained and compared with the calculated results from Dittus-Boelter's correlation.
Journal of the Korean Society of Industry Convergence
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v.6
no.1
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pp.65-71
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2003
Infrared heating has been traditionally used in industrial applications for processes such as dehydration of food industrial. This heating method involves the application of radiation in the wavelength range of 5~50 micrometers. In this work, simultaneous heat balance equations were developed to simulate the infrared radiation heating of red peppers. The equations assume that moisture diffuses to the outer boundaries of the material in liquid form and evaporation occurs at the surface of the red peppers. Energy for moisture evaporation is supplied by the infrared radiant energy. The equations were validated with experimental data on surface temperature and average moisture content of red peppers. Average deviations of predicted surface red peppers temperature and average red peppers moisture from experimental data were 323~353K and 50~80%, respectively. The spectral extinction coefficients in the wavelength range $1.5<{\lambda}<27$ micrometer at 293K for Red Peppers were determined from results of reflection measurements and the four flux radiative heat transfer calculation. The radiation extinction coefficients were obtained from effective drying factor the temperature 373K.
The precise calculation of gas absorption coefficient in the radiative transfer equation is very important to the prediction of radiative heat transfer induced from liquid engine plume in view of base insulation design. For this purpose, the WNB model for gas absorption coefficient is described with the selection of important parameters and then the calculated results are compared with those of SNB model for validation. Total emissivity, narrow band averaged intensity and total intensity are calculated and compared to the results of SNB model. As results, the total emissivity and the total intensity are well matched within 3.1% and roughly 5 % error, respectively. Moreover, the gas modeling database is constructed with estimation of the combustion gas composition of $CO_2$ and $H_2O$ for liquid engine plume.
Kim, Min-Hwi;Kim, Jin-Hyo;Kwon, Oh-Hyun;Han, Wook;Jeong, Jae-Weon
한국태양에너지학회:학술대회논문집
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2008.11a
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pp.190-195
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2008
The objective of this research is to determine overall heat transfer coefficients (K-value) of exterior wall, floor, and roof of Nakseonjae, a Korean traditional residence via field measurement of transient heat flow and temperature difference across each envelope component. Heat flow sensors and T-type thermocouple were attached on the internal and the external surface of each building component, and real-time measurement data were collected for the three consecutive summer days. The K-values determined in this research showed good agreement with other results from open literature. Peak and annual thermal loads of the traditional residence estimated by a commercial energy simulation program were compared with those for a current apartment house. The traditional house showed lower annual cooling load than that of the current building. It may caused by the fact that the traditional building has less air-tight envelopes and no fenestration passing direct solar radiation into the space.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.19
no.9
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pp.2353-2364
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1995
The ignition phenomena of a solid fuel plate of polymethyl-methacrylate(PMMA), which is vertically positioned and exposed to a thermal radiation source, is numerically studied here. A two-dimensional transient model includes such various aspects as thermal decomposition of PMMA, gas phase radiation absorption, gas phase chemical reaction and air entrainment by natural convection. Whereas the previous studies considers the problem approximately in a one-dimensional form by neglecting the natural convection, the present model takes account of the two-dimensional effect of radiation and air entrainment. The inert heating of the solid fuel is also taken into consideration. Radiative heat transfer is incorporated by th Discrete Ordinates Method(DOM) with the absorption coefficient evaluated using gas species concentration. The thermal history of the solid fuel plate shows a good agreement compared with experimental results. Despite of induced natural convective flow that induces heat loss from the fuel surface, the locally absorbed radiant energy, which is converted to the internal energy, is found to play an important role in the onset of gas phase ignition. The ignition is considered to occur when the rate of variation of gas phase reaction rate reaches its maximum value. Once the ignition takes place, the flame propagates downward.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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