Chugging regime in direct contact condensation : analytical model and experimental image processing

The employment of a vertical sparger in Direct Contact Condensation (DCC) is a common design practice in industrial applications. This configuration might result in unstable condensation conditions, generally defined as chugging, characterized by bubble implosions and pressure spikes affecting the condensation efficiency. This work focuses on the chugging phenomenon occurring during the DCC of steam in the pool water of the pressure suppression containments of Boiling Water Reactors (BWRs). An analytical model is developed to describe the fundamental characteristics by following the approach of Sargis et al. and Ali et al. which is based on the main conservation laws. The validation is performed against their results: the wave shapes agree well confirming the capability of the model to simulate the phenomena. The model is then applied to a small scale experiment. Starting from the high quality video data recorded during the experimental investigation, an image processing technique is implemented. It consists of a recognition procedure and three different reconstruction models which attempt to individuate the bubble boundary in every video frame and to reproduce the three-dimensional shape of the bubble, respectively, in order to assess its surface area and volume. These outputs allow to obtain all the parameters describing the chugging process. Finally, the comparison between the analytical predictions and the experimental results is carried out. A reasonable agreement is found, pointing out the accuracy of the image processing which also gives a way to evaluate the interfacial condensation heat transfer coefficient: it ranges between 10^4 and 10^5 W/(m^2 K), in conformity with the values reported in the literature.

L'uso di uno sparger verticale nella Condensazione a Contatto Diretto (DCC) è una pratica di progettazione comune nelle applicazioni industriali. Tale configurazione può risultare in condizioni di condensazione instabili, generalmente definite come chugging, caratterizzate da implosioni di bolla e picchi di pressione che influenzano l'efficienza di condensazione. Il presente lavoro analizza il fenomeno del chugging durante la DCC del vapore nell'acqua della piscina dei containment a soppressione di pressione dei Boiling Water Reactor (BWR). Al fine di descriverne le caratteristiche fondamentali, viene sviluppato un modello analitico seguendo l'approccio di Sargis et al. e Ali et al., basato sulle principali leggi di conservazione. La validazione è effettuata sulla base dei loro risultati: gli andamenti sono concordi, confermando la capacità del modello di simulare il fenomeno. Il modello è poi applicato ad un esperimento in scala ridotta. A partire dai dati video raccolti durante lo studio sperimentale, una procedura di elaborazione di immagini è implementata. É costituita da un algoritmo di riconoscimento e tre diversi modelli di ricostruzione che tentano di individuare il contorno della bolla in ogni fotogramma e di riprodurre la forma tridimensionale della bolla, rispettivamente, allo scopo di valutarne area superficiale e volume. Questi output permettono di ottenere tutti i parametri che descrivono il fenomeno del chugging. Alla fine, i risultati analitici e sperimentali vengono confrontati, trovando una buona corrispondenza. Ciò evidenzia l'accuratezza della procedura di elaborazione delle immagini che, inoltre, fornisce un modo per valutare il coefficiente di scambio termico di condensazione all'interfaccia: risulta compreso tra 10^4 e 10^5 W/(m^2 K), in accordo con i valori riportati in letteratura.