Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Research Foundation di sovvenzione di Corea (NRF) finanziata dal governo della Corea (MSIP: Ministero della scienza, ICT e pianificazione del futuro) (No. NRF-2016M2B2A9911771).

1. procedura sperimentale 4 , 5 , 6 <ol><li>preparazione passo <ol><li>controllare l'impianto sperimentale. In base alla matrice di test, controllare attentamente le condizioni di prova di prova matrice, come dimensione LOCA, dimensione SBL, tipi di interruttore del sifone e la presenza dell'orifizio, prima dell'esperimento. Inoltre, test per confermare che le strumentazioni e i componenti dell'impianto di funzionano correttamente senza rumore di dati o malfunzionamenti.</li>
		<li>Riempire il serbatoio superiore con acqua utilizzando la pompa di ritorno installata all'interno del serbatoio inferiore.</li>
		<li>Rimuovere l'aria residua all'interno di SBL. Utilizzare una pompa a vuoto e l'alloggiamento del buffer per rimuovere l'aria residua da SBL.</li>
		<li>Controllare il livello dell'acqua iniziale del serbatoio superiore. Utilizzare il righello attaccato al serbatoio.</li>
	</ol></li> <li>Passo del test <ol><li>aprire la valvola all'estremità del sistema di tubazioni.</li>
		<li>Utilizza il sistema di acquisizione dati nella sala di controllo, verifica i dati misurati, come il livello dell'acqua, portata e cambiamenti di pressione, durante il fenomeno di rottura del sifone. Se non c'è nessun deflusso di liquido refrigerante, il primo esperimento finisce. Infine, registrare i risultati sperimentali ottenuti con le condizioni di prova specificato.</li>
	</ol></li> <li>Modificare le variabili di test (dimensione SBL, dimensione LOCA, orifizio presenza e posizione di LOCA) come segue.
	<ol><li>Cambiamento SBL dimensioni successivamente a 2, 2.5, 3, 4, 5 e 6 a; il dato SBL è collegato al tubo principale da un giunto di flangia alla posizione 2 nella Figura 2. 
		Nota: Le variabili sperimentali, quali dimensioni SBL, LOCA dimensione e la presenza dell'orifizio, vengono modificate utilizzando il giunto a flangia con bulloni e dadi. Pertanto, questi processi avvengono manualmente.</li>
		<li>Ripetere i passaggi da 1.1.1 - 1.2.2 fino a fare tutti gli esperimenti di dimensioni SBL.</li>
		<li>Con la LOCA in posizione 1, modificare le dimensioni LOCA successivamente a 6, 8, 10, 12, 14 e 16 pollici; il dato riduttore è collegato al tubo principale da un giunto di flangia alla posizione 3 nella Figura 2.</li>
		<li>Ripetere i passaggi da 1.1.1 - 1.3.2 fino a fare tutti gli esperimenti di dimensioni LOCA.</li>
		<li>Installare l'orifizio (o rimuovere l'orifizio) collegato al tubo principale da un giunto di flangia nella parte inferiore del serbatoio superiore. 
		Nota: Gli esperimenti del passo precedente effettuati con l'assenza (o presenza) dell'orifizio. Pertanto, l'orifizio dovrebbe essere installato (o rimosso) per prossimo esperimento.
		<ol><li>Per fare questo lavoro, assicurati che ci sia acqua all'interno del serbatoio superiore.</li>
		</ol></li> <li>Ripetere i passaggi da 1.1.1 - 1.3.4. Per confermare l'effetto di SBL e LOCA taglia sotto la presenza (o assenza) di orifizio, ripetere il passaggio precedente.</li>
		<li>Modificare la LOCA in posizione 2, come esperimenti di passaggio precedente sono stati effettuati con posizione LOCA 1. Modificare la posizione di LOCA per prossimo esperimento. 
		Nota: Nel setup sperimentale, vengono costruiti due posizioni di LOCA. Ogni tubo LOCA con una valvola a farfalla isolamento è collegato ad un sistema di tubazione principale.
		<ol><li>Per cambiare la posizione di LOCA, chiudere la valvola a farfalla isolamento alla posizione LOCA 1 e aprire la valvola in posizione di LOCA 2.</li>
		</ol></li> <li>Ripetere i passaggi da 1.1.1 - 1.3.6.</li>
	</ol></li></ol> 2. Esecuzione del programma di simulazione <ol><li>clic sull'icona del programma per eseguire il programma di simulazione di sifone Breaker. 
	Nota: La procedura è illustrata nel Video supplementare 1. Come illustrato, la schermata iniziale del programma di simulazione è costituito da 4 pulsanti (Visualizza il parametro, Run, manuale e uscita). Quando l'utente fa clic la &#39; Visualizza parametri &#39; pulsante, si apre una nuova finestra di comando e include l'elenco dei parametri. L'utente è in grado di modificare e confermare i valori numerici delle variabili. Il &#39; eseguire &#39; pulsante esegue i calcoli sostituendo i parametri di input nelle formule incluse. Il &#39; manuale &#39; pulsante è per notificare la versione utilizzo e programma e il &#39; uscita &#39; pulsante chiude il programma. I risultati sono mostrati nella &#39; Mostra risultati &#39; windows.</li>
	<li>Scegliere il &#34; parametro Visualizza &#34; pulsante.</li>
	<li>Modificare i dati di input considerando le condizioni di simulazione determinato.</li>
	<li>Scegliere il &#34; eseguire &#34; pulsante.</li>
	<li>Verifica la forma del grafico di livello dell'acqua &#39; Show Results &#39; finestra. Il programma organizza i valori dei risultati con il tempo e trame automaticamente il grafico.
	<ol><li>Attraverso la forma del grafico, confermare visivamente la possibilità di rottura del sifone; Se il livello dell'acqua o undershot altezza ha lo stesso valore costantemente fino alla fine, rottura del sifone è possibile nelle date circostanze. Vedere la Figura 3.</li>
	</ol></li> <li>Controllare altre uscite &#39; Mostra risultati &#39; finestra. Si noti che ci sono otto opzioni (livello dell'acqua, undershot altezza, pressione, velocità dell'acqua, velocità dell'aria, miscela bifase velocità, quantità e attrito) per controllare l'output. Selezionare il tipo di grafico utilizzando la casella di controllo. 
	Nota: È facile cogliere il fenomeno di rottura del sifone in un colpo d'occhio, perché il cambiamento di ogni valore con il tempo può essere visto attraverso il grafico.</li>
	<li>Confermare il valore specifico di uscita a seconda del tempo facendo la &#34; calcola in tempo specifico &#34; pulsante. Immettere l'ora desiderata e controllare i risultati secondo il tempo impostato.</li>
	<li>Salvare tutti i dati dei risultati di simulazione cliccando il &#34; salvare i dati &#34; pulsante. 
	Nota: I risultati vengono salvati sotto forma di file di testo, e condizioni simulate vengono salvate insieme.</li>
</ol>

<ol>
	<li>McDonald, J., Marten, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> A Siphon Break as a Blocking Valve. , (1958).</li><li>. 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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=JAERI-Research+99-016.">JAERI-Research 99-016.</a> Study for Improvements of Performance of the Test and Research Reactors. , (1999).</li><li>Kang, S. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Final Report of Experimental Studies on Siphon Breaker. , (2011).</li><li>Kang, S. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Experimental Study of Siphon breaker. , (2013).</li><li>Kang, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Siphon Breaker Design on Research Reactor with Real-Scale Experiment. , (2015).</li><li>Fossa, M., Guglielmini, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pressure+Drop+and+Void+Fraction+Profiles+during+Horizontal+Flow+through+Thin+and+Thick+Orifices.">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.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+siphon+breaker+simulation+program+for+investing+loss+of+coolant+accident+of+a+research+reactor.">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.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theoretical+Study+on+Loss+of+Coolant+Accident+of+a+Research+Reactor.">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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+and+analytical+studies+on+the+siphon+breakers+in+research+reactor.">Experimental and analytical studies on the siphon breakers in research reactor.</a> European Research Reactor Conference. , 18-22 (2012).</li></ol>

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Un breaker sifone è un dispositivo di sicurezza passiva operati utilizzato per prevenire la perdita di liquido refrigerante quando si verifica un incidente di rottura del tubo. Tuttavia, è difficile da applicare ai reattori di ricerca contemporanea, perché non c'è nessun esperimento per i reattori di ricerca a scala reale. Per questo motivo, la scala reale fu condotto da POSTECH e KAERI. Lo scopo dell'esperimento era di confermare che la rottura del sifone è fattibile con le dimensioni di scala reale, e per identificare i fattori che influenzano sifone rottura. Risultati sperimentali mostrano che la LOCA dimensioni e dimensioni SBL erano le principali variabili che influenzano sottoelongazioni.
Il calcolo del sifone di rottura è eccessivamente complesso perché ci sono molti parametri che devono essere considerati. Gli studi precedenti non hanno presentato un modello teorico soddisfacente per rottura del sifone. Per questo motivo, un modello teorico che potrebbe analizzare il fenomeno di rottura effettivo sifone è stato fondato dai risultati dell'esperimento dell'interruttore scala reale sifone. Il modello teorico si basava sulla meccanica dei fluidi e il modello di Chisholm per flusso bifase. Da equazioni di Bernoulli, la velocità di flusso potrebbe essere derivata. Inoltre, altre variabili significative, quali portata volumetrica, livello dell'acqua e undershot altezza, potrebbero essere calcolati dal modello teorico considerando il flusso bifase.
Successivamente, un programma di simulazione è stato sviluppato sulla base del modello teorico. Quando i risultati della simulazione sono stati confrontati con i risultati sperimentali, è stato dimostrato che il modello teorico potrebbe analizzare il fenomeno di rottura reale sifone. I risultati di simulazione possono essere utilizzati come base per giudicare la sicurezza del reattore di ricerca contro gli infortuni di rottura del tubo, e il programma può essere utilizzato per la progettazione dell'interruttore del sifone.
Tuttavia, il modello teorico di nuova concezione e il programma di simulazione sono stati sviluppati solo dall'esperimento di scala reale con un 16 a dimensione del tubo principale. Per verificare l'applicabilità del programma di simulazione su varie scale, stiamo preparando un nuovo impianto sperimentale per prove di piccola scala sifone interruttore di miniaturizzazione del precedente impianto sperimentale di scala reale. Una vasta gamma del fattore C e coefficiente di Chisholm B, compresa la gamma di esperimento esistente, sarà considerata.

Il numero di reattori piastra-tipo di combustibile, come Jordan ricerca e formazione Reactor (JRTR) e reattore di ricerca KiJang (KJRR), è aumentato recentemente. Al fine di collegare facilmente il combustibile del tipo a piastre, il reattore di ricerca richiede un flusso verso il basso di nucleo. Poiché i reattori di ricerca richiedono battente netto del sistema di raffreddamento primario, alcuni componenti del sistema di raffreddamento potrebbero potenzialmente essere installati sotto il reattore. Tuttavia, in caso di rottura del tubo nel sistema di raffreddamento primario sotto il reattore, l'effetto sifone causa continuo drenaggio del liquido di raffreddamento che potrebbe provocare l'esposizione del reattore all'aria. Ciò significa che il calore residuo non può essere rimosso, che potrebbe portare ad un grave incidente. Pertanto, in caso di perdita dell'incidente del refrigerante (LOCA), un dispositivo di sicurezza che possa impedire un grave incidente è necessario. Un interruttore del sifone è un dispositivo di sicurezza. Può impedire efficace drenaggio dell'acqua utilizzando un afflusso d'aria. L'intero sistema è chiamato il sifone di rottura del sistema.
Sono stati condotti diversi studi per il miglioramento della sicurezza del reattore di ricerca. McDonald e Marten1 effettuato un esperimento al fine di confermare le prestazioni di un sifone rottura valvola come un interruttore di operare attivamente. Neill e Stephens2 eseguito un esperimento utilizzando un breaker sifone come un dispositivo gestito passivamente in un tubo di piccole dimensioni. Sakurai3 proposto un modello analitico per analizzare il sifone rottura dove è stato applicato un modello di flusso di aria-acqua completamente separati.
Sifone di rottura è estremamente complesso perché ci sono molti parametri che devono essere considerati. Inoltre, poiché non sono stati condotti gli esperimenti per reattori di ricerca a scala reale, risulta difficile applicare gli studi precedenti a reattori di ricerca contemporanea. Di conseguenza, gli studi precedenti non hanno presentato un modello teorico soddisfacente per sifone rottura. Per questo motivo, un esperimento di scala reale è stato condotto per stabilire un modello teorico.
Per studiare l'effetto dell'interruttore del sifone in un reattore di ricerca, sono stati eseguiti esperimenti di verifica di scala reale di Pohang Università della scienza e della tecnologia (POSTECH) e Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI)4,5 ,6. La figura 1 rappresenta la struttura effettiva per l'esperimento dell'interruttore di sifone. La figura 2 Mostra un diagramma schematico della struttura e comprende il marchio di impianto.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55972/55972fig1.jpg"> 
Figura 1. Impianto per il sifone rottura esperimento dimostrativo. La dimensione di tubo principale è 16 a e una finestra acrilica viene installata per l'osservazione. L'orifizio è un dispositivo preparato per descrivere la caduta di pressione. Di conseguenza, c'è una parte di assembly orifizio nella parte inferiore del serbatoio superiore. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55972/55972fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55972/55972fig2.jpg"> 
Figura 2. Diagramma schematico della struttura sperimentale. La localizzazione dei punti di misurazione è presentata. I numeri indicano queste posizioni rilevanti; Posizione punto 0 indica l'ingresso dell'interruttore del sifone, punto 1 indica il livello dell'acqua, punto 2 indica la parte collegata l'interruttore di sifone e tubo principale e punto 3 indica la LOCA. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55972/55972fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
L'impianto sperimentale di sifone dell'interruttore è costituito da un serbatoio superiore, un serbatoio inferiore, un sistema di tubazioni e una pompa di ritorno. La capacità del serbatoio superiore è 57,6 m3. Zona inferiore e la profondità sono 14,4 m2 (4 m x 3,6 m) e 4 m, rispettivamente. La vasca inferiore e la posizione di LOCA sono situati a 8,3 m sotto il serbatoio superiore. La capacità del serbatoio inferiore è di 70 m3. La vasca inferiore viene utilizzata per immagazzinare l'acqua durante l'esperimento. Il serbatoio inferiore è collegato alla pompa di ritorno. L'acqua nel serbatoio inferiore viene pompata nel serbatoio superiore. La dimensione del tubo principale del sistema di tubazioni è di 16 a. Alla fine della linea di Breaker sifone (SBL) si trova a 11,6 m alto sopra il tubo inferiore punto di rottura. Inoltre, windows acrilico sono installati sul tubo per la visualizzazione, come illustrato nella Figura 1.
Per misurare i segnali fisici sono stati installati diversi dispositivi. Sono stati utilizzati due trasduttori di pressione assoluta (APT) e tre trasduttori di pressione differenziale (DPT). Per misurare il tasso di flusso di massa di acqua, un misuratore di portata ad ultrasuoni è stato utilizzato. Un sistema di acquisizione dati è stato utilizzato per ottenere tutti i dati di misura a 250 ms gli intervalli di tempo. Oltre all'attrezzatura per la misurazione, sono state installate telecamere per l'osservazione e un righello è stato fissato sulla parete interna del serbatoio superiore per controllare il livello dell'acqua.
Dimensioni degli interruttori (SB) vari LOCA e sifone, tipi di sifone breaker (foro di linea) e la presenza dell'orifizio per quanto riguarda il combustibile del reattore e il punto di rottura del tubo sono stati considerati nell'esperimento. Sono stati utilizzati al fine di verificare l'effetto delle dimensioni LOCA e SBL, varie dimensioni di LOCA e SBL. Le dimensioni LOCA ha variate da 6 a 16 a e le dimensioni SBL hanno variate da 2 a 6 in. Nell'esperimento, tipo di linea e foro di interruttori di sifone sono stati usati, ma il contenuto seguente di questo studio prende in considerazione solo il tipo SBL utilizzato nella JRTR e KJRR. Come un esempio di risultati sperimentali, nella figura 3 è un grafico che include i dati di velocità di flusso pressione e acqua. L'esperimento è stato condotto su 4 ottobre 2013 e il campione di dati sperimentali è LN23 (tipo linea SB, nessun orifizio, 12 in LOCA, 2.5 in SBL).
Dai dati dell'esperimento, è stato istituito il modello teorico che può predire il sifone fenomeno di rottura. Il modello teorico inizia con l'equazione di Bernoulli. La velocità del fluido è ottenuta dall'equazione di Bernoulli e la portata volumetrica può essere ottenuta moltiplicando la velocità del fluido dalla zona del tubo. Inoltre, il livello dell'acqua può essere ottenuto utilizzando la portata volumetrica. Il concetto di base del modello teorico è come sopra. Tuttavia, poiché il fenomeno di rottura di sifone è un flusso bifase, ci sono ulteriori punti da considerare. Per considerare un modello di analisi di flusso bifase, è stato effettuato un test di verifica di precisione. Poiché il modello di Chisholm è stato più preciso di un modello omogeneo, il modello di Chisholm è utilizzato per analizzare il fenomeno. Secondo il modello di Chisholm, la formula bifase moltiplicatore è espressa come equazione 17. In questa equazione, ф rappresenta il moltiplicatore a due fasi, ρ rappresenta la densità e X rappresenta la qualità.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/55972/55972eq1.jpg">(1)
Classe p = "jove_content" &gt; modello In the Chisholm, un coefficiente B che varia con il flusso di massa è stato incluso. In definitiva, la derivazione di una formula di correlazione tra il coefficiente di Chisholm B e condizioni di progetto di reattore è un punto significativo del modello teorico. In altre parole, un altro scopo dell'esperimento era di ottenere dati per stabilire la relazione tra condizioni di progetto e coefficiente di Chisholm B. Dai risultati del test, è stata stabilita una formula di correlazione tra le condizioni di progetto e Chisholm coefficiente B. Il modello teorico risultante è stato sviluppato per predire il sifone rottura bene il fenomeno.
Inoltre, è stato sviluppato un programma di simulazione con un'interfaccia utente grafica (GUI). Dalla transizione dei dati di pressione assoluta nella Figura 3, il fenomeno può essere diviso in tre fasi: la perdita di liquido refrigerante (monofase portata), rottura del sifone (flusso bifase) e allo stato stazionario. Di conseguenza, il processo di calcolo principale dell'algoritmo include un processo in tre fasi corrispondenti alle tre fasi del fenomeno reale. Compreso il processo di calcolo, l'algoritmo intero per descrivere il processo di simulazione è illustrato nella Figura 48.
Utilizzando il software (vedere Supplemental Video 1) per iniziare la simulazione, l'utente immette i parametri di input corrispondenti alle condizioni di progetto e i parametri di input vengono memorizzati come valori fissi. Se l'utente procede con la simulazione dopo aver inserito i parametri, il programma esegue il calcolo di passaggio primo. Il primo passo è il calcolo monofase, che è il calcolo per la perdita del liquido di raffreddamento a causa dell'effetto sifone dopo la rottura del tubo. Le variabili vengono calcolate automaticamente dal modello teorico (come in equazione del Bernoulli, conservazione di flusso di massa, ecc.) e il calcolo procede dal parametri di input dall'utente. I risultati di calcolo in sequenza vengono archiviati nella memoria del computer secondo l'unità di tempo indicato dall'utente.
Se i livello dell'acqua scende sotto posizione 0, significa che il flusso monofase finisce, perché aria inizia a correre in SBL in questo momento. Di conseguenza, il primo passo per il flusso di monofase continua finché il livello dell'acqua raggiunge la posizione 0. Quando il livello dell'acqua si trova in posizione 0, ciò significa che l'altezza undershot è zero. L'altezza undershot è la differenza di altezza tra l'ingresso di SBL e il livello di acqua del serbatoio superiore dopo la rottura del sifone. In altre parole, sottoelongazioni altezza indica quanto il livello dell'acqua è diminuito durante il sifone di rottura. Di conseguenza, l'altezza undershot è un parametro importante, perché consentirebbe la determinazione diretta della quantità di perdita di refrigerante. Di conseguenza, il programma determina la fine del primo passo calcolo secondo l'altezza undershot.
Se l'altezza undershot è maggiore di zero, il programma esegue un secondo calcolo passo che può simulare il flusso bifase. Perché il flusso di aria e dell'acqua sono presenti nel sifone in fase di rottura, le proprietà fisiche di entrambi i liquidi devono essere considerate. Pertanto, i valori di moltiplicatore a due fasi, la qualità e la frazione sub sono considerati in questo passaggio di calcolo. Il valore della frazione sub è usato specialmente, come terminata il criterio del calcolo secondo passo. La frazione sub può essere espresso come il rapporto tra il flusso d'aria per la somma di aria e acqua scorre. Il secondo calcolo passo procede fino a quando il valore della frazione sub (α) è superiore allo 0,9. Quando α è superiore allo 0,9, il terzo calcolo passo procede che descrive allo stato stazionario. Teoricamente, il criterio finale per rottura del sifone è α = 1, poiché soltanto l'aria presente nel tubo in questo momento. Tuttavia, in questo programma, i criteri di fine per la rottura del sifone è α = 0,9 per evitare qualsiasi errore nel processo di calcolo. Di conseguenza, una perdita parziale di risultati è inevitabile, ma questo errore può essere trascurabile.
Calcolo di stato stazionario si svolge durante il tempo impostato dall'utente. Perché non c'è nessun ulteriore cambiamento, lo stato stazionario è caratterizzato in quanto i valori dei risultati di calcolo sono sempre costante. Se la rottura del sifone ha esito positivo, il livello finale dell'acqua nel serbatoio superiore rimarrà a un valore specifico, non zero. Tuttavia, se la rottura del sifone non viene eseguita correttamente, il refrigerante sarà quasi perso, e il livello finale dell'acqua si avvicina a valore zero. Pertanto, se il valore del livello dell'acqua è uguale a zero in regime stazionario, indica che le condizioni di progetto dato non sono sufficienti per completare la rottura del sifone.
Dopo il calcolo, l'utente può confermare i risultati in vari modi. I risultati mostrano lo stato di rottura, sifone sifone le più recenti progressi e singolarità. Il programma di simulazione può prevedere e analizzare il fenomeno realisticamente e assistere nella progettazione del sistema sifone. In questa carta, il protocollo di esperimento, risultati dell'esperimento e applicazione del programma di simulazione sono presentati.

<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

Sotto le condizioni di progetto di un reattore di ricerca, il fenomeno di sifone indotto dalla rottura del tubo può causare continuo deflusso di acqua. Per impedire questo deflusso, un dispositivo di controllo è necessario. Un interruttore del sifone è un tipo di dispositivo di sicurezza che può essere utilizzata per controllare efficacemente la perdita di acqua di raffreddamento.
Per analizzare le caratteristiche del sifone di rottura, è stato condotto un esperimento di scala reale. Dai risultati dell'esperimento, è stato trovato che ci sono diversi fattori di progettazione che influenzano il fenomeno di rottura di sifone. Di conseguenza, c'è la necessità di sviluppare un modello teorico in grado di prevedere e analizzare il sifone fenomeno sotto varie condizioni di progetto di rottura. Utilizzando i dati sperimentali, è stato possibile formulare un modello teorico che predice con precisione lo stato di avanzamento e il risultato del sifone del fenomeno di rottura. Il modello teorico stabilito si basa sulla meccanica dei fluidi e incorpora il modello di Chisholm per analizzare il flusso bifase. Dall'equazione di Bernoulli, la velocità, la quantità, sottoelongazioni altezza, livello dell'acqua, pressione, coefficiente di attrito e fattori correlati al flusso bifase potrebbero essere ottenute o calcolate. Inoltre, per utilizzare il modello stabilito in questo studio, è stato sviluppato un programma di analisi e progettazione dell'interruttore di sifone. Il programma di simulazione funziona sulla base del modello teorico e restituisce il risultato sotto forma di grafico. L'utente può confermare la possibilità del sifone rottura controllando la forma del grafico. Inoltre, è possibile salvare il risultato della simulazione intero e può essere utilizzato come una risorsa per analizzare il sifone vero e proprio sistema di rottura.
In conclusione, l'utente può verificare lo stato del sifone rompendo e progettazione del sistema di interruttore di sifone utilizzando il programma sviluppato in questo studio.

L'intero processo di rottura del sifone è costituita da tre fasi. La prima fase è il deflusso del liquido di raffreddamento a causa dell'effetto sifone. La seconda fase è il processo di avvio l'afflusso d'aria attraverso il SBL per bloccare la perdita di refrigerante, chiamato sifone rottura. Il fenomeno di rottura del sifone può essere visto come un forte aumento di pressione assoluta nella Figura 3. Dopo la pressione assoluta aumenta rapidamente, si è gradualmente ridotto a causa della diminuzione del livello dell'acqua. Alla fine del sifone di rottura, poiché alcuni flussi di acqua residua al serbatoio superiore, la pressione assoluta aumenta ancora. Se viene completato il sifone di rottura, non c'è nessuna ulteriore perdita di refrigerante e questo stato viene chiamato "steady state". Perché non c'è nessun ulteriore cambiamento di stato, la pressione assoluta è anche mantenuta costante. Il tasso di flusso, che è stato mantenuto ad un valore elevato nella prima fase, diminuisce gradualmente come il sifone rottura inizia. Quando il sifone rottura è completato con successo, le perdite di liquido refrigerante sono gradualmente ridotto e fermata come mostrato nel Video 1. La pressione differenziale in Figura 3 ha mostrato una tendenza ad aumentare costantemente dopo l'inizio di rottura del sifone.
Se la rottura del tubo si verifica in assenza dell'interruttore del sifone, il liquido di raffreddamento sarà una perdita a causa di effetto sifone. L'esperimento che descrive l'assenza dell'interruttore del sifone è mostrato nel Video 2 (XN; assenza dell'interruttore del sifone). D'altra parte, Video 3 (LN; interruttore di linea tipo sifone) e Video 4 (HN; interruttore di sifone tipo foro) mostrano che l'interruttore del sifone previene efficacemente la perdita di liquido refrigerante. In entrambi i casi, è confermato che il liquido refrigerante non ci siano perdite sotto un certo livello di acqua. Di conseguenza, gli esperimenti hanno mostrato che l'interruttore del sifone può essere un dispositivo praticabile per prevenire la perdita di liquido refrigerante.
Inoltre, dai risultati sperimentali, è stato possibile definire la relazione tra il coefficiente di Chisholm e le condizioni di progetto. In un primo momento, per riflettere le condizioni sperimentali, il processo di fine tuning del coefficiente di perdita di pressione è stato effettuato. Dopo aver regolato il coefficiente di perdita di pressione, coefficiente di Chisholm B è stata dedotta da un metodo di prova ed errore. Poiché il flusso di massa di aria e acqua dovrebbe essere considerato quando si imposta il valore del coefficiente Chisholm B, un criterio per valutare quantitativamente il flusso di massa era necessario. Questo criterio è stato derivato utilizzando un fattore di tasso di flusso aria e il flusso di massa di acqua. Il criterio, chiamato il fattore C, viene utilizzato per determinare la relazione con coefficiente di Chisholm B. La formula proposta di fattore C è dato dall'equazione 2 e fattore del tasso di flusso di aria è dato dall'equazione 39,10. Nelle formule seguenti, ρ rappresenta la densità, e K02 rappresenta il coefficiente di perdita di pressione tra posizione 0 e 2. Poiché la densità e la cifra "2" nella equazione 3 sono costanti, essi possono essere eliminati. Di conseguenza, il tipo semplificato di fattore tasso di flusso dell'aria viene chiamato il fattore F nell'equazione 2. Il flusso di massa di acqua dovrebbe anche essere valutato; aumenta come aumenta di dimensioni LOCA, ma l'area aumenta anche allo stesso tempo. Di conseguenza, il flusso di massa con il formato differente di LOCA è divisa per l'area per ottenere il flusso di massa per unità di superficie. Qui, viene calcolato il valore di flusso di massa poco prima aria entra nel tubo.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/55972/55972eq2.jpg">(2)
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/55972/55972eq3.jpg">(3)
Per trovare il rapporto tra il coefficiente di Chisholm B e fattore C, analisi di regressione è stata usata. Di conseguenza, due tipi di formule di correlazione (funzione esponenziale e quadratica) potrebbero essere derivato e R2 valori erano 0,93 (funzione esponenziale) e 0,97 (funzione quadratica). Ogni funzione è dato come equazione 4 e 5 di equazione9. Equazione 4 è stato in grado di predire bene per una dimensione relativamente grande di LOCA, ad esempio 12 a e 16 a dimensioni LOCA. D'altra parte, equazione 5 era in grado di prevedere anche per dimensioni relativamente piccole di LOCA, come l'8 a e 10 in misure LOCA. Di conseguenza, la funzione esponenziale è usata per predire un dimensioni relativamente grandi di LOCA maggiore di 11 in, e viene utilizzata la funzione quadratica per quello più piccolo di 11 in.
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/55972/55972eq4.jpg">(4)
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/55972/55972eq5.jpg">(5)
Vale a dire l'istituzione del modello teorico è significativo in quanto la previsione del sifone del fenomeno di rottura è possibile derivazione il coefficiente di Chisholm B da condizioni di progetto. Di conseguenza, lo sviluppo di un programma di simulazione che comprende il modello teorico sarebbe utile per analizzare il fenomeno e progettare l'interruttore del sifone.
Il grafico di confronto tra la simulazione e risultati sperimentali è illustrato nella Figura 5. Considerando il grafico, il programma di simulazione potrebbe predire i risultati ottenuti dall'esperimento scala reale. Non solo i risultati di altezza undershot, ma anche i dati di flusso ottenuti dal programma di simulazione Visualizza modelli simili a quelli ottenuti sperimentalmente. Nella figura 6 è il grafico del tasso di flusso contro il tempo impiegato per LOCA dimensioni di 12 a e 16 a. Tuttavia, esistono alcune differenze all'inizio tra l'esperimento e la simulazione. Infatti, la valutazione del tasso di flusso sperimentale in fase di inizio si basava sulla visualizzazione dei video e i dati di velocità di flusso dell'esperimento è stati ottenuti calcolando il livello dell'acqua inferiore per 5 s. Questo metodo era un modo alternativo perché il misuratore di portata ad ultrasuoni non potrebbe misurare la portata con precisione prima il flusso completamente sviluppato. La differenza tra i risultati di simulazione e di esperimento sembra essere dovuto a questo punto. Fatta eccezione per la fase di inizio, il tasso di flusso simulato era simile ai valori sperimentali e il programma previsto con precisione il trend secondo dimensioni LOCA.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55972/55972fig3.jpg"> 
Figura 3. Risultato sperimentale. Le variabili misurate comprendono il livello dell'acqua, sottoelongazioni altezza, pressione e portata. Tra i risultati, vengono presentati dati di tasso di pressione e flusso. Considerando il cambiamento di pressione, il fenomeno è in gran parte diviso in tre sezioni; Perdita di refrigerante, rottura del sifone e allo stato stazionario. Il pressure, che cambia leggermente cambiamenti nella perdita di sezione refrigerante, aumenta rapidamente nel sifone rompere sezione. Inoltre, la pressione non cambia durante lo stato stazionario. Inoltre, si vede che la portata diminuisce gradualmente a causa la rottura del sifone. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55972/55972fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55972/55972fig4.jpg"> 
Figura 4. Algoritmo di simulazione programma. L'algoritmo è sviluppato per applicare il modello teorico9. Per riflettere il vero e proprio fenomeno, il processo di calcolo principale dell'algoritmo è costituito da tre fasi. Se vengono forniti i parametri di input che riflettono le condizioni di progetto, ogni fase viene calcolato automaticamente per i criteri specificati. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55972/55972fig4large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55972/55972fig5.jpg"> 
Figura 5. Stima di validità. Per valutare l'accuratezza dei risultati della simulazione, sottoelongazioni altezza viene confrontato con i risultati dell'esperimento. Simulazione è stato trovato per associare gli esperimenti. In altre parole, il programma di simulazione ha una buona prestazione per l'analisi di rottura del sifone. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55972/55972fig5large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55972/55972fig6.jpg"> 
Nella figura 6. Grafico del tasso di flusso. Il tasso di flusso (Sim) simulato era simile ai valori sperimentali (Exp). Poiché la simulazione potrebbe calcolare relativamente con precisione le quantità di tasso di flusso, i valori di altezza e livello dell'acqua undershot simulati sono simili ai valori sperimentali. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55972/55972fig6large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Video 1" src="/files/ftp_upload/55972/55972mov1.jpg"> 
Video 1. Successo sifone breaking (LOCA). Questo video è un esperimento con interruttore del sifone. Quando la valvola a farfalla è aperta nella posizione di LOCA, il refrigerante fuoriesce. Tuttavia, le perdite di liquido refrigerante sono gradualmente ridotto e interrotto dovuto l'interruttore del sifone. In altre parole, questo video mostra che tale interruttore del sifone può impedire la fuoriuscita di liquido refrigerante. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55972/Video_1(LOCA).mp4" target="_blank">Per favore clicca qui per vedere questo video. (Tasto destro per scaricare.)</a>
<img alt="Video 2" src="/files/ftp_upload/55972/55972mov2.jpg"> 
Video 2. Assenza dell'interruttore del sifone (XN). In assenza di un interruttore di sifone, il liquido di raffreddamento continua a fluire fuori, e infine il livello dell'acqua del serbatoio superiore diventa pari a zero. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55972/Video_2(XN).mp4" target="_blank">Per favore clicca qui per vedere questo video. (Tasto destro per scaricare.)</a>
<img alt="Video 3" src="/files/ftp_upload/55972/55972mov3.jpg"> 
Video 3. Interruttore di linea tipo sifone (LN). L'interruttore di sifone previene efficacemente la perdita di liquido refrigerante. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55972/Video_3(LN).mp4" target="_blank">Per favore clicca qui per vedere questo video. (Tasto destro per scaricare.)</a>
<img alt="Video 4" src="/files/ftp_upload/55972/55972mov4.jpg"> 
Video 4. Interruttore del foro tipo sifone (HN). L'interruttore di sifone previene efficacemente la perdita di liquido refrigerante. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55972/Video_4(HN).mp4" target="_blank">Per favore clicca qui per vedere questo video. (Tasto destro per scaricare.)</a>
<img alt="Video 5" src="/files/ftp_upload/55972/55972mov5.jpg"> 
Video supplementare 1. Esecuzione del programma di simulazione. La schermata iniziale del programma di simulazione è costituito da 4 pulsanti (Visualizza il parametro, Run, manuale e uscita). Quando l'utente fa clic sul pulsante 'Visualizza parametri', apre una nuova finestra di comando e include l'elenco dei parametri. L'utente è in grado di modificare e confermare i valori numerici delle variabili. Il pulsante 'Esegui' esegue i calcoli sostituendo i parametri di input nelle formule incluse. 'Manuale' è il pulsante per la notifica la versione utilizzo e programma, e 'Uscita' è un pulsante per chiudere il programma. I risultati sono mostrati nella finestra "Visualizza risultati". <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55972/Sup_Video_1(Demonstration).mp4" target="_blank">Per favore clicca qui per vedere questo video. (Tasto destro per scaricare.)</a>

Watch this Scientific Journal Video about Study of Siphon Breaker Experiment and Simulation for a Research Reactor at JoVE.com

Study of Siphon Breaker Experiment and Simulation for a Research Reactor

Il sifone rompendo il fenomeno è stato studiato sperimentalmente ed è stato proposto un modello teorico. È stato sviluppato un programma di simulazione basato sul modello teorico e i risultati del programma di simulazione sono stati confrontati con i risultati sperimentali. Si è concluso che i risultati del programma di simulazione ha trovato bene i risultati sperimentali.

Studio di simulazione e sifone Breaker esperimento per un reattore di ricerca

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

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Engineering

8.7K Views.  Handong Global University. Il sifone rompendo il fenomeno è stato studiato sperimentalmente ed è stato proposto un modello teorico. È stato sviluppato un programma di simulazione basato sul modello teorico e i risultati del programma di simulazione sono stati confrontati con i risultati sperimentali. Si è concluso che i risultati del programma di simulazione ha trovato bene i risultati sperimentali.

Video: Study of Siphon Breaker Experiment and Simulation for a Research Reactor

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.

Sviluppo di Sulfidogenic fanghi da Marine Sedimenti e Tricloroetilene Riduzione in una coperta reattore Upflow anaerobica dei fanghi

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

Ricerca

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.

Giardini chimici come flusso attraverso Reattori simulando naturali idrotermali Sistemi

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

Chimica

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.

Laser-riscaldamento e spettrometria Radiance, per lo studio di materiali nucleari in condizioni, simulando un incidente nucleare

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 Visualizzazione del comportamento di fase dei campioni di olio Sotto raffineria condizioni di 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 ...

Ingegneria

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.

Ottimizzazione, Test e diagnostica di propulsori a effetto Hall miniaturizzato

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 di sperimentazione online interattivo e visualizzato per l'istruzione e la ricerca ingegneristica

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.

Un metodo di modellazione e simulazione per la progettazione preliminare di una pompa volumetricamente variabile

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

Assembly of a Reflux System for Heated Chemical Reactions

Source: Laboratory of Dr. Philip Miller &#8212; Imperial College London
Many chemical experiments require elevated temperatures before any reaction is observed, however heating solutions of reactants can lead to loss of reactants and/or solvent via evaporation if their boiling points are sufficiently low. In order to ensure no loss of reactants or solvent, a reflux system is used in order to condense any vapors produced on heating&#160;and return these condensates to the reaction vessel.&#160;

Assemblaggio di un sistema a riflusso per reazioni chimiche riscaldate

Source: Laboratory of Dr. Philip Miller &#8212; Imperial College London
Many chemical experiments require elevated temperatures before any reaction is ...

Didattica

JoVE Science Education

Chimica organica

Single and Two-phase Flow in a Packed Bed Reactor

Source: <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/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).

Flusso monofase e bifase in un reattore a letto impaccato

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