Heat transfer in compact plate steam generators

More than ever in recent years, nuclear energy has become the centre of public attention. Nuclear energy is a practical solution in response to a global push by first world countries to limit their CO₂ emissions and by developing countries to grow their economies without depending on fossil fuels. The low CO₂ output, low LCOE, and reliability in supplying a steady source of energy are just a few of the many benefits. Initial cost, however, continues to be a significant obstacle, particularly for underdeveloped nations. The Small Modular Reactors (SMRs) fill this void. They are, in essence, more compact, affordable, simple to construct, and easier to maintain than large reactors (LRs). Research and experimentation, particularly in the area of safety assessment, are essential to ensuring the growth and success of this technology. Light water reactors (LWRs), which have been the most developed form of design since the 1960s, are a foundation for many SMR designs. Just scaling large reactors’ major components like pumps, steam generators, pressurizers, etc. is insufficient. Current and emerging technologies need to be thoroughly studied and tested. An essential part of LWRs is a steam generator, which transfers power from the primary loop (attached to the reactor) to the secondary loop (connected to the turbines). By analysing the performance of a compact plate heat exchanger (PHE) employed as a steam generator as part of the heat removal system of a SMR under the ELSMOR project, this thesis will attempt to close a gap in that effort. Understanding such component will help the further development and proliferation of SMRs. After a brief overlook on SMRs and the ELSMOR’s facility, an analysis of the compact plate heat exchanger working with liquid-liquid and liquid-evaporating fluids is performed. The most common heat transfer correlations in literature are presented and validated on the experimental data gathered during SIET test campaign and then compared with the heat transfer coefficient extracted by the raw data. Afterward an ad hoc heat transfer correlation is modelled in order to achieve a better fit with the experimental results.

Recentemente, l'energia nucleare è al centro di un acceso dibattito pubblico. L'energia nucleare è una delle soluzioni dei paesi del primo mondo per limitare le loro emissioni di CO₂ e dei paesi in via di sviluppo che vogliono far crescere le loro economie senza dover dipendere dai combustibili fossili. La bassa emissione di CO₂, il basso LCOE e l'affidabilità nella fornitura di energia costante sono solo alcuni dei numerosi vantaggi. Il costo iniziale, tuttavia, continua ad essere un ostacolo significativo, in particolare per le nazioni sottosviluppate. Gli Small Modular Reactors (SMR) soddisfano questa richiesta. Sono, in sostanza, più compatti, economici, semplici da costruire e più facili da mantenere rispetto ai grandi reattori. La ricerca e la sperimentazione, in particolare nell'ambito dei sistemi di sicurezza, sono essenziali per garantire la crescita e il successo di questa tecnologia. I reattori ad acqua leggera (LWR), che sono stati la forma più sviluppata dagli anni '60, sono una base per molti design di SMR odierni. Il solo ridimensionamento dei componenti principali dei grandi reattori come pompe, generatori di vapore, pressurizzatori, ecc. non è sufficiente. Le tecnologie attuali ed emergenti devono essere studiate e testate a fondo. Una parte essenziale degli LWR è un generatore di vapore, che trasferisce la potenza dal circuito primario (collegato al reattore) al circuito secondario (collegato alle turbine). Analizzando le prestazioni di uno scambiatore di calore a piastre compatto (PHE) impiegato come generatore di vapore all’interno del sistema di rimozione del calore di un SMR nell'ambito del progetto ELSMOR, la seguente tesi tenterà di colmare una lacuna in questo campo. La comprensione di tale componente aiuterà l'ulteriore sviluppo e la proliferazione degli SMR. Dopo una breve panoramica sugli SMR e sulla struttura dell’impianto di ELSMOR, viene eseguita un'analisi dello scambiatore di calore a piastre compatto funzionante con fluidi liquido-liquido e liquido-evaporante. Le correlazioni di scambio termico più diffuse in letteratura sono presentate e validate sui dati sperimentali raccolti durante la campagna di test SIET e quindi confrontate con il coefficiente di scambio termico estratto dai dati grezzi. Successivamente viene creata una correlazione di trasferimento di calore ad hoc per ottenere una migliore corrispondenza con i risultati sperimentali.