Development and validation of Apros model of helical coil steam generator for small modular reactor applications

Thermal-fluid dynamics inside helical tubes has always represented a complex matter of study, mainly due to the influences of the peculiar geometry on the flow. This is visible from the lack of wide-range correlations and reliable computational models suitable for the characterization of this phenomenon. This thesis work develops a consistent model of a Helical Coil Steam Generator (HCSG), adopting Apros, a simulation software jointly developed by VTT Technical Research Centre of Finland and Fortum. The great interest of nuclear research and industry in this kind of advanced boiler is mostly due to its suitability for Small Modular Reactors. The goals of this work are to discuss the state of the art for helical correlations, to develop and to implement new specific correlations suitable for helical geometries and to validate the new helical model. The implemented sets of correlations are able to predict the thermal-hydraulic behaviour of single-phase and two-phase steam/water flows. After building and tuning the new model to get stable and reliable outcomes, the validation results of Apros calculation model towards critical Reynolds numbers, single-phase friction factor and two-phase pressure drops are presented. The capabilities of Apros are enhanced for the modelling of HCSG. The available experimental data make possible to validate the model in single-phase in a range of Reynolds numbers between 600 and 87000 and curvature ratio from 6.9 to 369; in two-phase in a pressure range between 15 and 65 bar, mass flux range from 200 to 800 kg/(m2s) and on a single curvature ratio (Dcoil/d = 79.8). The future activities will be to validate the model in terms of heat transfer, different operational ranges and coil curvatures.

La fluidodinamica di un tubo elicoidale è sempre stata una materia complessa da trattare, specialmente per l’influenza delle peculiari caratteristiche geometriche sul flusso del fluido al suo interno. Questo ha il suo riscontro nella difficoltà di trovare in letteratura correlazioni valide in range elevati e modelli computazionali affidabili per la caratterizzazione del fenomeno in questione. Questa tesi si pone lo scopo di sviluppare un modello affidabile di generatore di vapore elicoidale, tramite l’uso di Apros, un software per simulazioni di processi sviluppato in collaborazione da VTT e Fortum. Il crescente interesse verso questo tipo di generatori dei mondi di ricerca ed industria nucleare è principalmente dovuto alla convenienza del loro utilizzo negli Small Modular Reactor. Gli obiettivi principali sono una revisione critica dello stato dell’arte per le correlazioni per tubi elicoidale, lo sviluppo e l’implementazione nel codice di nuove apposite correlazioni e la validazione del modello elicoidale introdotto. Le correlazioni implementate sono in grado di predire il comportamento termo-idraulica del fluido, sia per sistemi monofase che bifase acqua/vapore. In seguito allo sviluppo del nuovo diagramma di flusso e degli schemi di automazione per stabilizzare lo stesso, il modello computazionale elicoidale Apros è validato in termini di numeri di Reynolds critici, coefficienti d’attrito monofase e perdite di pressione in bifase. Le capacità del software per simulazioni Apros sono estese alla modellizzazione di generatori di vapore elicoidali. I dati sperimentali a disposizione rendono possibile una validazione per le correlazioni in monofase per numeri di Reynolds da 600 a 87000 e rapporti di curvatura fra 6.9 e 369; per il modello in bifase in un range di pressioni da 15 a 65 bar, di portate da 200 a 800 kg/(m2s) e su un singolo valore di curvatura (Delica/d = 79.8). Le attività future potrebbero convergere sulla validazione del modello in termini di scambio termico e in range di condizioni operative differenti.