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¿Cuál es el número de Reynolds para flujo laminar? Definición

Número de Reynolds para flujo laminar. Para fines prácticos, si el número de Reynolds es menor que 2000, el flujo es laminar. Ingenieria termal

Regímenes de números de Reynolds

Flujo laminar. Para fines prácticos, si el número de Reynolds es menor que 2000 , el flujo es laminar. El número de transición aceptado de Reynolds para el flujo en una tubería circular es Re d, crit = 2300.

Flujo transitorio. En los números de Reynolds entre aproximadamente 2000 y 4000, el flujo es inestable como resultado del inicio de la turbulencia. Estos flujos a veces se denominan flujos de transición.

Flujo turbulento. Si el número de Reynolds es mayor que 3500 , el flujo es turbulento. La mayoría de los sistemas de fluidos en instalaciones nucleares operan con flujo turbulento.

Definición de número de Reynolds

El número de Reynolds es la relación de fuerzas de inercia a fuerzas viscosas y es un parámetro conveniente para predecir si una condición de flujo será laminar o turbulento . Se puede interpretar que cuando las fuerzas viscosas son dominantes (flujo lento, baja Re) son suficientes para mantener todas las partículas de fluido en línea, entonces el flujo es laminar. Incluso Re muy bajo indica movimiento de arrastre viscoso, donde los efectos de inercia son insignificantes. Cuando las fuerzas de inercia dominan sobre las fuerzas viscosas (cuando el fluido fluye más rápido y Re es más grande), el flujo es turbulento.

número de Reynolds

Es un número adimensional compuesto por las características físicas del flujo. Un número creciente de Reynolds indica una turbulencia creciente del flujo.

Se define como:
Número de Reynolds

donde:
V es la velocidad del flujo,
D es una dimensión lineal característica (longitud recorrida del fluido; diámetro hidráulico, etc.)
ρ densidad del fluido (kg / m 3 ),
μ viscosidad dinámica (Pa.s),
ν viscosidad cinemática ( m 2 / s); ν = μ / ρ.

régimen de flujo

Flujo Laminar vs. Flujo Turbulento

Flujo laminar:

  • Re <2000
  • velocidad ‘baja’
  • Las partículas fluidas se mueven en línea recta.
  • Las capas de agua fluyen unas sobre otras a diferentes velocidades sin prácticamente mezclarse entre capas.
  • El perfil de velocidad de flujo para flujo laminar en tuberías circulares es de forma parabólica, con un flujo máximo en el centro de la tubería y un flujo mínimo en las paredes de la tubería.
  • La velocidad de flujo promedio es aproximadamente la mitad de la velocidad máxima.
  • El análisis matemático simple es posible.
  • Raras en la práctica en sistemas de agua .

Flujo turbulento:

  • Re> 4000
  • ‘alta velocidad
  • El flujo se caracteriza por el movimiento irregular de partículas del fluido.
  • El movimiento promedio está en la dirección del flujo
  • El perfil de velocidad de flujo para flujo turbulento es bastante plano a través de la sección central de una tubería y cae rápidamente extremadamente cerca de las paredes.
  • La velocidad de flujo promedio es aproximadamente igual a la velocidad en el centro de la tubería.
  • El análisis matemático es muy difícil.
  • El tipo de flujo más común .

Número de Reynolds y flujo laminar

La configuración de flujo interno (p. Ej., Flujo en una tubería) es una geometría conveniente para calentar y enfriar fluidos utilizados en tecnologías de conversión de energía como las plantas de energía nuclear .

En general, este régimen de flujo es importante en ingeniería, porque las tuberías circulares pueden soportar altas presiones y, por lo tanto, se utilizan para transportar líquidos. Los conductos no circulares se utilizan para transportar gases a baja presión, como el aire en los sistemas de refrigeración y calefacción.

Para el régimen de flujo interno, una región de entrada es típica. En esta región, un flujo ascendente casi invisible se converge y entra al tubo. Para caracterizar esta región, se introduce la longitud de entrada hidrodinámica y es aproximadamente igual a:

longitud de entrada hidrodinámica

La longitud máxima de entrada hidrodinámica, en Re D, crit  = 2300 ( flujo laminar ), es L e = 138d, donde D es el diámetro de la tubería. Esta es la mayor longitud de desarrollo posible. En el flujo turbulento , las capas límite crecen más rápido y L e  es relativamente más corto. Para cualquier problema, se debe verificar e  / D para ver si L e  es insignificante en comparación con la longitud de la tubería. A una distancia finita de la entrada, los efectos de entrada pueden descuidarse, porque las capas límite se fusionan y el núcleo invisible desaparece. El flujo del tubo se desarrolla completamente .

Diámetro hidráulico

Dado que la dimensión característica de una tubería circular es un diámetro ordinario D y especialmente los reactores contienen canales no circulares, la dimensión característica debe generalizarse.

Para estos fines, el número de Reynolds se define como:

Número de Reynolds - diámetro hidráulico

donde D h es el diámetro hidráulico :

Diámetro hidráulico - ecuación

Diámetro hidráulicoEl diámetro hidráulico, D h , es un término comúnmente utilizado cuando se maneja el flujo en tubos y canales no circulares . El diámetro hidráulico transforma los conductos no circulares en tuberías de diámetro equivalente . Usando este término, uno puede calcular muchas cosas de la misma manera que para un tubo redondo. En esta ecuación, A es el área de la sección transversal , y P es el perímetro humedecido de la sección transversal. El perímetro mojado para un canal es el perímetro total de todas las paredes del canal que están en contacto con el flujo.

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

¿Qué es la fórmula de número de Reynolds? Definición

Fórmula del número de Reynolds. El número de Reynolds es la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas y es un parámetro para predecir si un flujo será laminar o turbulento. Ingenieria termal

Fórmula del número de Reynolds

El número de Reynolds es la relación de fuerzas de inercia a fuerzas viscosas y es un parámetro conveniente para predecir si una condición de flujo será laminar o turbulento . Se puede interpretar que cuando las fuerzas viscosas son dominantes (flujo lento, baja Re) son suficientes para mantener todas las partículas de fluido en línea, entonces el flujo es laminar. Incluso Re muy bajo indica movimiento de arrastre viscoso, donde los efectos de inercia son insignificantes. Cuando las fuerzas de inercia dominan sobre las fuerzas viscosas (cuando el fluido fluye más rápido y Re es más grande), el flujo es turbulento.

número de Reynolds

Es un número adimensional compuesto por las características físicas del flujo. Un número creciente de Reynolds indica una turbulencia creciente del flujo.

La fórmula del número de Reynolds es:
Número de Reynolds

donde:
V es la velocidad del flujo,
D es una dimensión lineal característica (longitud recorrida del fluido; diámetro hidráulico, etc.)
ρ densidad del fluido (kg / m 3 ),
μ viscosidad dinámica (Pa.s),
ν viscosidad cinemática ( m 2 / s); ν = μ / ρ.

Flujo Laminar vs. Flujo Turbulento

Flujo laminar:

  • Re <2000
  • velocidad ‘baja’
  • Las partículas fluidas se mueven en línea recta.
  • Las capas de agua fluyen unas sobre otras a diferentes velocidades sin prácticamente mezclarse entre capas.
  • El perfil de velocidad de flujo para flujo laminar en tuberías circulares es de forma parabólica, con un flujo máximo en el centro de la tubería y un flujo mínimo en las paredes de la tubería.
  • La velocidad de flujo promedio es aproximadamente la mitad de la velocidad máxima.
  • El análisis matemático simple es posible.
  • Raras en la práctica en sistemas de agua .

Flujo turbulento:

  • Re> 4000
  • ‘alta velocidad
  • El flujo se caracteriza por el movimiento irregular de partículas del fluido.
  • El movimiento promedio está en la dirección del flujo
  • El perfil de velocidad de flujo para flujo turbulento es bastante plano a través de la sección central de una tubería y cae rápidamente extremadamente cerca de las paredes.
  • La velocidad de flujo promedio es aproximadamente igual a la velocidad en el centro de la tubería.
  • El análisis matemático es muy difícil.
  • El tipo de flujo más común .

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

¿Qué es el número de Reynolds? – Definición

El número de Reynolds es la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas y es un parámetro conveniente para predecir si una condición de flujo será laminar o turbulenta. Ingenieria termal

Numero Reynolds

El número de Reynolds es la relación de fuerzas de inercia a fuerzas viscosas y es un parámetro conveniente para predecir si una condición de flujo será laminar o turbulento . Se puede interpretar que cuando las fuerzas viscosas son dominantes (flujo lento, baja Re) son suficientes para mantener todas las partículas de fluido en línea, entonces el flujo es laminar. Incluso Re muy bajo indica movimiento de arrastre viscoso, donde los efectos de inercia son insignificantes. Cuando las fuerzas de inercia dominan sobre las fuerzas viscosas (cuando el fluido fluye más rápido y Re es más grande), el flujo es turbulento.

número de Reynolds

Es un número adimensional compuesto por las características físicas del flujo. Un número creciente de Reynolds indica una turbulencia creciente del flujo.

Se define como:
Número de Reynolds

donde:
V es la velocidad del flujo,
D es una dimensión lineal característica (longitud recorrida del fluido; diámetro hidráulico, etc.)
ρ densidad del fluido (kg / m 3 ),
μ viscosidad dinámica (Pa.s),
ν viscosidad cinemática ( m 2 / s); ν = μ / ρ.

Flujo Laminar vs. Flujo Turbulento

Flujo laminar:

  • Re <2000
  • velocidad ‘baja’
  • Las partículas fluidas se mueven en línea recta.
  • Las capas de agua fluyen unas sobre otras a diferentes velocidades sin prácticamente mezclarse entre capas.
  • El perfil de velocidad de flujo para flujo laminar en tuberías circulares es de forma parabólica, con un flujo máximo en el centro de la tubería y un flujo mínimo en las paredes de la tubería.
  • La velocidad de flujo promedio es aproximadamente la mitad de la velocidad máxima.
  • El análisis matemático simple es posible.
  • Raras en la práctica en sistemas de agua .

Flujo turbulento:

  • Re> 4000
  • ‘alta velocidad
  • El flujo se caracteriza por el movimiento irregular de partículas del fluido.
  • El movimiento promedio está en la dirección del flujo
  • El perfil de velocidad de flujo para flujo turbulento es bastante plano a través de la sección central de una tubería y cae rápidamente extremadamente cerca de las paredes.
  • La velocidad de flujo promedio es aproximadamente igual a la velocidad en el centro de la tubería.
  • El análisis matemático es muy difícil.
  • El tipo de flujo más común .

Regímenes de números de Reynolds

régimen de flujoFlujo laminar. Para fines prácticos, si el número de Reynolds es menor que 2000 , el flujo es laminar. El número de transición aceptado de Reynolds para el flujo en una tubería circular es Re d, crit = 2300.

Flujo transitorio. En los números de Reynolds entre aproximadamente 2000 y 4000, el flujo es inestable como resultado del inicio de la turbulencia. Estos flujos a veces se denominan flujos de transición.

Flujo turbulento. Si el número de Reynolds es mayor que 3500 , el flujo es turbulento. La mayoría de los sistemas de fluidos en instalaciones nucleares operan con flujo turbulento.

Número de Reynolds y flujo interno

Flujo interno
Fuente: White Frank M., Fluid Mechanics, McGraw-Hill Education, 7a edición, febrero de 2010, ISBN: 978-0077422417

La configuración de flujo interno (p. Ej., Flujo en una tubería) es una geometría conveniente para calentar y enfriar fluidos utilizados en tecnologías de conversión de energía como las plantas de energía nuclear .

En general, este régimen de flujo es importante en ingeniería, porque las tuberías circulares pueden soportar altas presiones y, por lo tanto, se utilizan para transportar líquidos. Los conductos no circulares se utilizan para transportar gases a baja presión, como el aire en los sistemas de refrigeración y calefacción.

Para el régimen de flujo interno, una región de entrada es típica. En esta región, un flujo ascendente casi invisible se converge y entra al tubo. Para caracterizar esta región, se introduce la longitud de entrada hidrodinámica y es aproximadamente igual a:

longitud de entrada hidrodinámica

La longitud máxima de entrada hidrodinámica, en Re D, crit  = 2300 ( flujo laminar ), es L e = 138d, donde D es el diámetro de la tubería. Esta es la mayor longitud de desarrollo posible. En el flujo turbulento , las capas límite crecen más rápido y L e  es relativamente más corto. Para cualquier problema, se debe verificar e  / D para ver si L e  es insignificante en comparación con la longitud de la tubería. A una distancia finita de la entrada, los efectos de entrada pueden descuidarse, porque las capas límite se fusionan y el núcleo invisible desaparece. El flujo del tubo se desarrolla completamente .

Diámetro hidráulico

Dado que la dimensión característica de una tubería circular es un diámetro ordinario D y especialmente los reactores contienen canales no circulares, la dimensión característica debe generalizarse.

Para estos fines, el número de Reynolds se define como:

Número de Reynolds - diámetro hidráulico

donde D h es el diámetro hidráulico :

Diámetro hidráulico - ecuación

Diámetro hidráulicoEl diámetro hidráulico, D h , es un término comúnmente utilizado cuando se maneja el flujo en tubos y canales no circulares . El diámetro hidráulico transforma los conductos no circulares en tuberías de diámetro equivalente . Usando este término, uno puede calcular muchas cosas de la misma manera que para un tubo redondo. En esta ecuación, A es el área de la sección transversal , y P es el perímetro humedecido de la sección transversal. El perímetro mojado para un canal es el perímetro total de todas las paredes del canal que están en contacto con el flujo.

Número de Reynolds y flujo externo

El número de Reynolds también describe naturalmente el flujo externo . En general, cuando un fluido fluye sobre una superficie estacionaria , por ejemplo, la placa plana, el lecho de un río o la pared de una tubería, el fluido que toca la superficie se detiene por el esfuerzo cortante en la pared. La región en la que el flujo se ajusta desde la velocidad cero en la pared hasta un máximo en la corriente principal del flujo se denomina capa límite .

Las características básicas de todas las capas límite laminares y turbulentas se muestran en el flujo de revelado sobre una placa plana. Las etapas de la formación de la capa límite se muestran en la siguiente figura:

Capa límite en placa plana

Las capas límite pueden ser laminares o turbulentas dependiendo del valor del número de Reynolds .

También aquí, el número de Reynolds representa la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas y es un parámetro conveniente para predecir si una condición de flujo será laminar o turbulenta. Se define como:

Número de Reynolds

en donde V es la velocidad de flujo media, D una dimensión lineal característica, densidad de fluido ρ, viscosidad dinámica μ y viscosidad cinemática ν.

Para los números de Reynolds más bajos , la capa límite es laminar y la velocidad de la corriente cambia uniformemente a medida que uno se aleja de la pared, como se muestra en el lado izquierdo de la figura. A medida que aumenta el número de Reynolds (con x), el flujo se vuelve inestable y, finalmente, para los números de Reynolds más altos, la capa límite es turbulenta y la velocidad de la corriente se caracteriza por flujos de remolino inestables (que cambian con el tiempo) dentro de la capa límite.

La transición de la capa límite laminar a turbulenta ocurre cuando el número de Reynolds en x excede Re x ~ 500,000 . La transición puede ocurrir antes, pero depende especialmente de la rugosidad de la superficie . La capa límite turbulenta se espesa más rápidamente que la capa límite laminar como resultado del aumento del esfuerzo cortante en la superficie del cuerpo.

El flujo externo reacciona al borde de la capa límite como lo haría a la superficie física de un objeto. Entonces, la capa límite le da a cualquier objeto una forma “efectiva” que generalmente es ligeramente diferente de la forma física. Definimos el grosor de la capa límite como la distancia desde la pared hasta el punto donde la velocidad es el 99% de la velocidad de “flujo libre”.

Para hacer las cosas más confusas, la capa límite puede despegarse o “separarse” del cuerpo y crear una forma efectiva muy diferente de la forma física. Esto sucede porque el flujo en el límite tiene muy poca energía (en relación con la corriente libre) y es más fácil de manejar por los cambios en la presión.

Ver también: espesor de la capa límite

Ver también: tubo en flujo cruzado – flujo externo

Referencia especial: Schlichting Herrmann, Gersten Klaus. Teoría de la capa límite, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2000, ISBN: 978-3-540-66270-9

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

¿Qué es el flujo de fluido en dos fases? Definición

Por definición, el flujo de dos fases es el flujo interactivo de dos fases distintas con interfaces comunes en, por ejemplo, un conducto. Flujo de fluido bifásico – Flujo gas-líquido. Ingenieria termal

Flujo de fluido bifásico

flujo de fluido bifásicoPor definición, el flujo multifásico es el flujo interactivo de dos o más fases distintas con interfaces comunes en, digamos, un conducto. Cada fase, que representa una fracción de volumen (o fracción de masa) de materia sólida, líquida o gaseosa, tiene sus propias propiedades, velocidad y temperatura .

Un flujo multifásico puede ser flujo simultáneo de:

  • Materiales con diferentes estados o fases (p. Ej., Mezcla agua-vapor).
  • Materiales con diferentes propiedades químicas pero en el mismo estado o fase (por ejemplo, gotas de aceite en agua).

Existen muchas combinaciones en los procesos industriales, pero la más común es el flujo simultáneo de vapor y agua líquida (como se encuentra en los generadores condensadores de vapor ). En ingeniería de reactores, se ha realizado una gran cantidad de estudios sobre la naturaleza del flujo de dos fases en caso de un accidente de pérdida de refrigerante ( LOCA ), que es un accidente de importancia en la seguridad del reactor y en todos los análisis termohidráulicos ( Análisis DNBR ).

Características del flujo de fluido bifásico

Todos los problemas de flujo de dos fases tienen características que son característicamente diferentes de las que se encuentran en problemas de una fase.

  • En el caso del vapor y el agua líquida, la densidad de las dos fases difiere en un factor de aproximadamente 1000 . Por lo tanto, la influencia de la fuerza del cuerpo gravitacional en los flujos multifásicos es de mucha mayor importancia que en el caso de los flujos monofásicos.
  • La velocidad del sonido cambia drásticamente para los materiales que experimentan un cambio de fase, y puede ser de diferente magnitud. Esto influye significativamente en un flujo a través de un orificio .
  • La concentración relativa de las diferentes fases suele ser un parámetro dependiente de gran importancia en los flujos multifásicos, mientras que es un parámetro sin consecuencias en los flujos monofásicos.
  • El cambio de fase significa que las caídas de presión inducidas por el flujo pueden causar un cambio de fase adicional (por ejemplo, el agua puede evaporarse a través de un orificio) aumentando el volumen relativo del medio gaseoso y compresible y aumentando las velocidades de salida, a diferencia del flujo incompresible monofásico donde la disminución de un El orificio disminuiría las velocidades de salida.
  • La distribución espacial de las diversas fases en el canal de flujo afecta fuertemente el comportamiento del flujo.
  • Hay muchos tipos de inestabilidades en el flujo multifásico.

Parámetros básicos de flujo de fluido bifásico

En esta sección consideraremos el flujo simultáneo de gas (o vapor) y agua líquida (como se encuentra en generadores y condensadores de vapor ) en flujo concurrente a través de un conducto con área de sección transversal A. Los subíndices “v” y “ℓ” indican la fase de vapor y líquida , respectivamente. Los parámetros fundamentales que caracterizan este flujo son:

  • Fracción nula
  • Calidad estática
  • Calidad de flujo
  • Densidad de mezcla
  • Relación de deslizamiento: relación de velocidad
  • Velocidad superficial

 

Patrones de flujo: flujo bifásico

Uno de los aspectos más desafiantes de lidiar con el flujo de dos fases o el flujo de múltiples fases es el hecho de que puede tomar muchas formas diferentes . Las distribuciones espaciales y las velocidades de las fases líquida y de vapor en el canal de flujo es un aspecto muy importante en muchas ramas de ingeniería. Las caídas de presión y también los coeficientes de transferencia de calor dependen en gran medida de la estructura de flujo local y, por lo tanto, es importante en la ingeniería de reactores nucleares . Las estructuras de flujo observadas se definen como patrones de flujo de dos fases y tienen características de identificación particulares. Estos diferentes patrones de flujo han sidocategorizado de acuerdo con la dirección del flujo en relación con la aceleración gravitacional.

  • Patrones de flujo en tubos verticales.
  • Patrones de flujo en tubos horizontales.
patrones de flujo
Tabla de patrones básicos de flujo en tubos verticales.

Los principales regímenes de flujo en tubos verticales se muestran en la tabla. Debe tenerse en cuenta que los valores de calidad caudal dependen del fluido y la presión. En los tubos horizontales , también puede haber flujo estratificado (especialmente a caudales bajos), en el que las dos fases se separan bajo el efecto de la gravedad.

Para un caudal de líquido constante, la fase vapor / gas tiende a distribuirse como pequeñas burbujas a bajos caudales de vapor. El aumento de la fracción vacía causa la aglomeración de burbujas en tapones y babosas más grandes . La aglomeración adicional de las babosas, causada por un aumento adicional de la fracción vacía, causa la separación de las fases en patrones anulares en los que el líquido se concentra en la pared del canal y el vapor fluye en el núcleo central del canal vertical.

Para el canal horizontal , la fuerza gravitacional tiende a drenar el anillo líquido hacia el fondo del canal, lo que resulta en un flujo estratificado . La fuerza gravitacional que actúa sobre la fase líquida puede ser superada por las fuerzas cinéticas a velocidades de flujo altas, lo que hace que los flujos estratificados vuelvan a ser flujos anulares. A velocidades de flujo muy altas , la película anular se adelgaza por el cizallamiento del núcleo de vapor y todo el líquido se arrastra como gotas en la fase de vapor. Este régimen de flujo generalmente se conoce como flujo de niebla .

Ver también:  Engineering Data Book III, Thome, JR, Wolverine Tube Inc, 2004.

 

Patrones de flujo: tubos verticales

  • Flujo burbujeante
  • Flujo de lodo
  • Flujo de rotación
  • Flujo anular
  • Flujo de niebla

 

Burbujeante - Babosa - Batidora - Anular - Niebla - Flujo
Bocetos de regímenes de flujo para flujo de dos fases en una tubería vertical. Fuente: Weisman, J. Patrones de flujo de dos fases. Capítulo 15 en Handbook of Fluids in Motion, Cheremisinoff NP, Gupta R. 1983, Ann Arbor Science Publishers.

patrones de flujo - flujo vertical - Hewitt
El mapa del régimen de flujo vertical de Hewitt y Roberts (1969) para el flujo en un tubo de 3,2 cm de diámetro, validado tanto para el flujo de aire / agua a presión atmosférica como para el flujo de vapor / agua a alta presión. Fuente: Brennen, CE, Fundamentos de flujos multifásicos, Cambridge University Press, 2005, ISBN 0521 848040

Patrones de flujo: tubos horizontales

  • Flujo burbujeante
  • Flujo estratificado
  • Flujo de tapones y flujo de babosas
  • Flujo anular
  • Flujo de niebla

 

flujo de burbuja, tapón, babosa, anular, neblina, estratificado u ondulado
Bocetos de regímenes de flujo para flujo bifásico en una tubería horizontal. Fuente: Weisman, J. Patrones de flujo de dos fases. Capítulo 15 en Handbook of Fluids in Motion, Cheremisinoff NP, Gupta R. 1983, Ann Arbor Science Publishers.

patrones de flujo - flujo horizontal
Un mapa de régimen de flujo para el flujo de una mezcla de aire / agua en una tubería horizontal de 2.5 cm de diámetro a 25 ° C y 1 bar. Las líneas continuas y los puntos son observaciones experimentales de las condiciones de transición, mientras que las zonas sombreadas representan predicciones teóricas. Fuente: Mandhane, JM, Gregory, GA y Aziz, KA (1974). Un mapa de patrón de flujo para el flujo de gas-líquido en tuberías horizontales. En t. J. Flujo multifásico

Patrones de flujo durante la evaporación.

La sección anterior describe varios patrones de flujo y brevemente describe su comportamiento. Se consideró que estos patrones de flujo estaban en una fracción vacía constante y a velocidades superficiales constantes . Pero hay muchas aplicaciones industriales que tienen que considerar una fracción vacía variable y velocidades superficiales variables. En la industria nuclear, tenemos que lidiar con los patrones de flujo durante la evaporación (es decir, durante los cambios en la fracción vacía ).

El conocimiento detallado de los cambios de fase y el comportamiento del flujo durante el cambio de fase es una de las consideraciones más importantes en el diseño de un reactor nuclear , especialmente en las siguientes aplicaciones:

  • evaporación convectiva - canal verticalBWR – Reactores de agua hirviendo
    • Un reactor de agua hirviendo se enfría y modera con agua como un PWR, pero a una presión más baja (7MPa), lo que permite que el agua hierva dentro del recipiente a presión produciendo el vapor que hace funcionar las turbinas. Por lo tanto, la evaporación ocurre directamente en los canales de combustible. Por lo tanto, los BWR son el mejor ejemplo para esta área, porque la evaporación del refrigerante ocurre en la operación normal y es un fenómeno muy deseado.
    • En los BWR existe un fenómeno que es de la mayor importancia en la seguridad del reactor . Este fenómeno se conoce como el “secado” y está directamente asociado con cambios en el patrón de flujo durante la evaporación. En condiciones normales, la superficie del combustible se enfría de manera efectiva por medio del refrigerante hirviendo. Sin embargo, cuando el flujo de calor excede un valor crítico (CHF – flujo de calor crítico), el patrón de flujo puede alcanzar las condiciones de secado (desaparece la película delgada de líquido). La transferencia de calor desde la superficie del combustible al refrigerante se deteriora, con el resultado de un aumento drástico de la temperatura de la superficie del combustible .
  • PWR – Reactores de agua a presión
    • En los PWR en funcionamiento normal, el flujo se considera monofásico. Pero se ha realizado una gran cantidad de estudios sobre la naturaleza del flujo de dos fases en caso de transitorios y accidentes (como el accidente de pérdida de refrigerante – LOCA o disparo de RCP ), que son importantes en la seguridad del reactor y en debe ser probado y declarado en el Informe de Análisis de Seguridad (SAR). En el caso de los PWR, el fenómeno problemático no es la sequedad. En el caso de los PWR, el flujo crítico es el flujo anular invertido . Este flujo se produce cuando una superficie de revestimiento de la barra de combustible se sobrecalienta, lo que provoca la formación de una capa de vapor local., causando una reducción dramática en la capacidad de transferencia de calor. Este fenómeno se conoce como desviación de la ebullición nucleada: DNB . La diferencia en el régimen de flujo entre el flujo posterior al secado y el flujo posterior al DNB se representa en la figura.
    • En los PWR, la evaporación ocurre también en generadores de vapor. Los generadores de vapor son intercambiadores de calor utilizados para convertir el agua de alimentación en vapor del calor producido en el núcleo de un reactor nuclear . El vapor producido impulsa la turbina.

evaporación convectiva - canal horizontal

Caída de presión bifásica

En el análisis práctico de los sistemas de tuberías, la cantidad más importante es la pérdida de presión debido a los efectos viscosos a lo largo de la longitud del sistema, así como las pérdidas de presión adicionales que surgen de otros equipos tecnológicos como válvulas, codos, entradas de tuberías, accesorios y tes. .

A diferencia de las caídas de presión monofásicas, el cálculo y la predicción de caídas de presión bifásicas es un problema mucho más sofisticado y los métodos principales difieren significativamente. Los datos experimentales indican que la caída de presión por fricción en el flujo de dos fases (por ejemplo, en un canal de ebullición) es sustancialmente mayor que la de un flujo de una sola fase con la misma longitud y caudal másico. Las explicaciones para esto incluyen un aumento aparente de la rugosidad de la superficie debido a la formación de burbujas en la superficie calentada y al aumento de las velocidades de flujo.

Caída de presión – Modelo de flujo homogéneo

El enfoque más simple para la predicción de flujos de dos fases es tratar todo el flujo de dos fases como si fuera todo líquido , excepto el flujo a la velocidad de la mezcla de dos fases . Las caídas de presión en dos fases para flujos dentro de tuberías y canales son la suma de tres contribuciones:

La caída de presión total del flujo de dos fases es entonces:

∆p total = ∆p estática + ∆p mamá + ∆p frict

Las caídas de presión estática y de momento pueden calcularse de manera similar al caso de flujo monofásico y utilizando la densidad de mezcla homogénea :

densidad de mezcla - definición

El término más problemático es la caída de presión por fricción ∆p frict , que se basa en la caída de presión monofásica que se multiplica por el factor de corrección de dos fases ( multiplicador de fricción homogéneo – Φ lo 2 ). Con este enfoque, el componente de fricción de la caída de presión en dos fases es:

caída de presión bifásica - ecuación

donde (dP / dz) 2f  es el gradiente de presión de fricción del flujo bifásico y (dP / dz) 1f  es el gradiente de presión de fricción si todo el flujo (del caudal másico total G) fluye como líquido en el canal ( presión monofásica estándar soltar ) El término Φ lo  es el multiplicador de fricción homogéneo , que puede derivarse de acuerdo con varios métodos. Uno de los posibles multiplicadores es igual a Φ lo 2  = (1 + x g (ρ l / ρ g – 1))  y por lo tanto:
caída de presión bifásica - ecuación2

Como se puede ver, este modelo simple sugiere que las pérdidas por fricción de dos fases son, en cualquier caso, mayores que las pérdidas por fricción de una fase. El multiplicador de fricción homogéneo aumenta rápidamente con la calidad del flujo .

Las calidades de flujo típicas en generadores de vapor y núcleos BWR son del orden del 10 al 20%. La pérdida por fricción de dos fases correspondiente sería entonces 2 – 4 veces mayor que en un sistema monofásico equivalente.

Inestabilidad de flujo

En general, hay una serie de inestabilidades que pueden ocurrir en sistemas de dos fases . En ingeniería nuclear , el estudio de la estabilidad del flujo multifásico es importante en la gestión de accidentes de reactores de agua a presión y de la mayor importancia en condiciones normales / anormales en reactores de agua hirviendo .

En los PWR en funcionamiento normal, el flujo se considera monofásico. Pero se ha realizado una gran cantidad de estudios sobre la inestabilidad del flujo en caso de transitorios y accidentes (como el accidente de pérdida de refrigerante – LOCA o disparo de RCP con presencia de circulación natural ) , en el que las oscilaciones de flujo o las inversiones de flujo pueden ocurrir.

Las oscilaciones de flujo son variaciones en el flujo causadas especialmente por formaciones vacías y no son deseables por varias razones.

  • Las oscilaciones de flujo pueden causar una tensión mecánica indeseable en los componentes del combustible (como las rejillas de separación). Esto puede conducir a la falla de esos componentes debido a la fatiga.
  • Las oscilaciones de flujo afectan las características locales de transferencia de calor . En el caso de los PWR , el problema crítico de seguridad se denomina DNB ( desviación de la ebullición de nucleados ), lo que provoca la formación de una capa de vapor local , lo que provoca una reducción dramática en la capacidad de transferencia de calor. A través de las pruebas, se descubrió que el flujo de calor crítico (CHF) requerido para la salida de la ebullición nucleada (DNB) puede reducirse hasta en un 40% cuando el flujo oscila. Esto reduce severamente el límite térmico y la densidad de potencia a lo largo de la longitud del núcleo del reactor .

Las oscilaciones de flujo pueden ser un problema durante las operaciones de circulación natural (por ejemplo, después del disparo de todos los RCP). La circulación natural es una característica de diseño importante y un mecanismo de eliminación de calor final. Debido a las bajas tasas de flujo presentes, puede producirse la ebullición del refrigerante y esto puede formar oscilaciones de flujo. Durante la circulación natural, las burbujas de vapor formadas durante una oscilación del flujo pueden tener un efecto suficiente para causar una inversión completa del flujo en el canal afectado.

BWR - inestabilidad de flujo
Región de inestabilidad en el mapa de flujo de potencia para el reactor BWR. Fuente: Francesco D’Auria, The BWR Stability Issue, THICKET 2008 – Sesión IX – Documento 26

En los BWR se produce la evaporación del refrigerante en el funcionamiento normal y es un fenómeno muy deseado. Por otro lado, la evaporación convectiva en el canal de combustible hace que el patrón de flujo cambie a lo largo del canal de combustible dependiendo del caudal y la potencia térmica. Se ha encontrado que existen regiones de inestabilidad , en las cuales pueden surgir inestabilidades de flujo en dos fases. Estas inestabilidades de flujo de dos fases son indeseables ya que pueden provocar vibraciones mecánicas y problemas de control del sistema, afectar el funcionamiento normal, restringir los parámetros de funcionamiento e influir en la seguridad del reactor. Cabe señalar que la estabilidad del flujo en BWR no es un problema importante durante muchos años, porque es un fenómeno bien conocido.

En general, hay muchas clasificaciones de inestabilidades de flujo. La siguiente clasificación se basa en mecanismos fundamentales termohidráulicos:

Las inestabilidades estáticas son:

  • Excursión de flujo
  • Crisis hirviendo
  • Tipos de relajación, incluida la transición del patrón de flujo

Las inestabilidades dinámicas son:

  • Oscilaciones de onda de densidad
  • Oscilaciones de caída de presión
  • Oscilaciones térmicas .

La caracterización adecuada de las inestabilidades y la condición para su ocurrencia pueden determinar la operación óptima y segura de los sistemas. La explicación más aceptada para la ocurrencia del tipo dinámico de inestabilidades denominadas oscilaciones de onda de densidad (DWO) .

La onda de densidad causa un retraso en la caída de presión local que es causado por un cambio en el flujo de entrada. Debido a este retraso, la suma de todas las caídas de presión locales puede dar como resultado una caída total que está fuera de fase con el flujo de entrada. El mecanismo básico que causa inestabilidades de flujo en BWR es la onda de densidad. Los períodos característicos de estas oscilaciones están asociados con el tiempo requerido para que una partícula fluida viaje a través de todo el circuito.

Tipos de inestabilidades observadas en BWR

  • Inestabilidades del sistema de control. Las inestabilidades del sistema de control están relacionadas con la acción de los controladores que, a través de actuadores, intentan regular algunas de las variables del reactor.
  • Inestabilidades de flujo de canales. Este tipo de inestabilidad se puede describir de la siguiente manera: supongamos una perturbación del flujo. Esta perturbación provoca una “ola” de huecos que viaja hacia arriba a través del canal produciendo una caída de presión en dos fases (la caída de presión aumenta significativamente a medida que aumenta la fracción de vacío) que se retrasa con respecto a la perturbación original. Un aumento en la caída de presión del canal (onda de densidad) puede conducir a la inestabilidad en la velocidad de flujo.
  • Inestabilidad neutrónica-termohidráulica acoplada. El tipo dominante de inestabilidades en los BWR comerciales es la inestabilidad acoplada neutrónica-termohidráulica (también conocida como inestabilidad de reactividad ). La generación de energía en BWR está directamente relacionada con el flujo de neutrones del combustible , que está fuertemente relacionado con la fracción de vacío promedio en los canales centrales a través. Este efecto se conoce como retroalimentación de reactividad . La retroalimentación de reactividad causada por los cambios en la fracción vacía ( coeficiente vacío ) se retrasa a medida que los vacíos viajan hacia arriba a través del canal de combustible. En algunos casos, la demora puede ser lo suficientemente larga y la retroalimentación nulapuede ser lo suficientemente fuerte como para que la configuración del reactor se vuelva inestable. En este caso, el flujo de neutrones puede oscilar.

Referencias especiales

  • Francesco D’Auria, The BWR Stability Issue, THICKET 2008 – Sesión IX – Documento 26
  • Dag Strømsvåg, Mecanismos fundamentales de las oscilaciones de onda de densidad y el efecto del subenfriamiento, NTNU, 2011.
  • J. March-Leuba, Inestabilidades de onda-densidad en reactores de agua en ebullición. NUREG / CR-6003, ORNL, 1992.

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

Qué es la pérdida menor de cabeza – Pérdidas locales – Definición

Las pérdidas de carga menores son pérdidas de presión locales o caídas de presión de varios elementos hidráulicos, como curvas, conexiones, válvulas, codos, tes o canales calentados. Ingenieria termal

Pérdida Menor de Cabeza – Pérdidas Locales

En la industria, cualquier sistema de tuberías contiene diferentes elementos tecnológicos como curvas, accesorios, válvulas o canales calentados . Estos componentes adicionales se suman a la pérdida general de carga del sistema. Dichas pérdidas generalmente se denominan pérdidas menores , aunque a menudo representan una parte importante de la pérdida de carga . Para sistemas de tuberías relativamente cortos, con un número relativamente grande de curvas y accesorios, las pérdidas menores pueden exceder fácilmente las pérdidas mayores (especialmente con una válvula parcialmente cerrada que puede causar una mayor pérdida de presión que una tubería larga, de hecho cuando una válvula está cerrada o casi cerrado, la pérdida menor es infinita).

Las pérdidas menores se miden comúnmente experimentalmente. Los datos, especialmente para las válvulas, dependen en cierta medida del diseño particular del fabricante.

Al igual que la fricción de la tubería, las pérdidas menores son aproximadamente proporcionales al cuadrado del caudal y, por lo tanto, pueden integrarse fácilmente en la ecuación de Darcy-Weisbach . K es la suma de todos los coeficientes de pérdida en la longitud de la tubería, y cada uno contribuye a la pérdida general de carga.pérdida de cabeza menor - ecuación

Existen varios métodos para calcular la pérdida de carga de accesorios, curvas y codos. En la siguiente sección, estos métodos se resumen en el orden del más simple al más sofisticado. 

 

Método de longitud equivalente

El método de longitud equivalente ( El método e / D ) permite al usuario describir la pérdida de presión a través de un codo o un accesorio como una longitud de tubería recta .

Este método se basa en la observación de que las pérdidas mayores también son proporcionales a la altura de la velocidad ( 2 / 2g ).

método de longitud equivalente

El método L e / D simplemente aumenta el factor multiplicador en la ecuación de Darcy-Weisbach (es decir, ƒ.L / D ) por una longitud de tubería recta (es decir, e ) que daría lugar a una pérdida de presión equivalente a las pérdidas en el accesorios, de ahí el nombre de “longitud equivalente”. Por lo tanto, el factor multiplicador se convierte en ƒ (L + L e ) / D y la ecuación para el cálculo de la pérdida de presión del sistema es:

longitud equivalente

tabla de longitudes equivalentes: válvulas, codos, curvasTodos los accesorios, codos, tees, se pueden resumir para hacer una longitud total , y la pérdida de presión calculada a partir de esta longitud. Se ha encontrado experimentalmente que si las longitudes equivalentes para un rango de tamaños de un tipo de accesorio dado se dividen por los diámetros de los accesorios, entonces se obtiene una relación casi constante (es decir, L e / D). La ventaja del método de longitud equivalente es que un solo valor de datos es suficiente para cubrir todos los tamaños de ese ajuste y, por lo tanto, la tabulación de datos de longitud equivalente es relativamente fácil. Algunas longitudes equivalentes típicas se muestran en la tabla.Ver también: Tamaño de tubería y software de cálculo de flujo

Método del coeficiente de resistencia – Método K – Exceso de carga

tabla de valores K: válvulas, codos, curvasEl método coeficiente de resistencia (o K-método, o método de la cabeza exceso) permite al usuario para describir la pérdida de presión a través de un codo o un montaje por un número adimensional – K . Este número adimensional (K) se puede incorporar a la ecuación de Darcy-Weisbach de una manera muy similar al método de longitud equivalente. En lugar de datos de longitud equivalente en este caso, el número adimensional (K) se utiliza para caracterizar el accesorio sin vincularlo a las propiedades de la tubería.

El valor K representa el múltiplo de las cabezas de velocidad que se perderán por el fluido que pasa a través del accesorio. La ecuación para el cálculo de la pérdida de presión del elemento hidráulico es, por lo tanto:
Método de valor KPor lo tanto, la ecuación para el cálculo de la pérdida de presión de todo el sistema hidráulico es:
Valor K - pérdida de carga
El valor K se puede caracterizar para varios regímenes de flujo (es decir, de acuerdo con el número de Reynolds ) y esto hace que sea más preciso que el método de longitud equivalente.

Existen varios otros métodos para calcular la pérdida de presión de los accesorios, estos métodos son más sofisticados y también más precisos :

  • Método 2K . El método 2K es una técnica desarrollada por Hooper BW para predecir la pérdida de cabeza en un codo, válvula o tee. El método 2K mejora el método del exceso de carga al caracterizar el cambio en la pérdida de presión debido al número variable de Reynolds . El método 2-K es ventajoso sobre otro método, especialmente en la región de flujo laminar .Método 2K
  • Método 3K . El método 3K (por Ron Darby en 1999) mejora aún más la precisión del cálculo de la pérdida de presión al caracterizar también el cambio en las proporciones geométricas de un accesorio a medida que cambia su tamaño. Esto hace que el método 3K sea particularmente preciso para un sistema con accesorios grandes .Método 3K

Resumen:

  • La pérdida de carga del sistema hidráulico se divide en dos categorías principales :
    • Pérdida de carga importante : debido a la fricción en tuberías rectas
    • Pérdida de carga menor : debido a componentes como válvulas, curvas …
  • Se puede usar una forma especial de la ecuación de Darcy para calcular pérdidas menores .
  • Las pérdidas menores son más o menos proporcional a la cuadrado de la velocidad de flujo y por lo tanto puede ser fácil integrados en la ecuación de Darcy-Weisbach a través de coeficiente de resistencia K .
  • Como pérdida local de presión, también se puede considerar la aceleración del fluido en un canal calentado .

Existen los siguientes métodos:

  • Método de longitud equivalente
  • Método K (coeficiente de resistencia, método)
  • Método 2K
  • Método 3K

¿Por qué la pérdida de cabeza es tan importante?

Como se puede ver en la imagen, la pérdida de carga es una característica clave de cualquier sistema hidráulico. En los sistemas, en los que se debe mantener cierto caudal (por ejemplo, para proporcionar suficiente enfriamiento o transferencia de calor desde el núcleo del reactor ), el equilibrio de la pérdida de carga y la  carga añadida por una bomba determina la velocidad de flujo a través del sistema.

Diagrama característico de QH de la bomba centrífuga y de la tubería
Diagrama característico de QH de la bomba centrífuga y de la tubería

Flujo a través del codo: pérdida menor

flujo a través del codo - pérdida menorEl flujo a través de los codos es bastante complicado . De hecho, cualquier tubería curva siempre provoca una pérdida mayor que la tubería recta simple. Esto se debe al hecho de que en una tubería curva el flujo se separa en las paredes curvas. Para un radio de curvatura muy pequeño, el flujo entrante incluso es incapaz de girar en la curva, por lo tanto, el flujo se separa y se estanca en parte contra el lado opuesto de la tubería. En esta parte de la curva, la presión aumenta (como resultado del principio de Bernoulli ) y la velocidad disminuye.

Una característica interesante de los valores K para los codos es su comportamiento no monótono a medida que aumenta la relación R / D. Los valores K incluyen tanto las pérdidas locales como las pérdidas por fricción de la tubería. Las pérdidas locales, causadas por la separación del flujo y el flujo secundario, disminuyen con R / D, mientras que las pérdidas por fricción aumentan porque aumenta la longitud de la curva. Por lo tanto, hay un mínimo en el valor K cerca del radio de curvatura normalizado de 3.

Aceleración de fluidos

Gráfico - densidad - agua - temperatura
Densidad del agua líquida (comprimida) en función de la temperatura del agua.

Se sabe que cuando el fluido se calienta (por ejemplo, en un canal de combustible), el fluido se expande (cambia la densidad del fluido) y aumenta su velocidad de flujo como resultado de la ecuación de continuidad (la sección transversal del canal sigue siendo la misma). Para un volumen de control que tiene una sola entrada y una única salida, esta ecuación establece que, para el flujo en estado estacionario, la tasa de flujo másico hacia el volumen debe ser igual a la tasa de flujo másico hacia afuera.

aceleración de fluidos - caída de presión
Masa entrando por unidad de tiempo = Masa saliendo por unidad de tiempo

Ver también: Propiedades del agua subenfriada

Otro principio muy importante establece ( principio de Bernoulli ) que el aumento en la velocidad del flujo en el canal calentado causa la disminución de la presión del fluido . Esta pérdida de presión también se puede considerar como una pérdida de presión local y se puede calcular a partir de la siguiente ecuación:
aceleración fluida - ecuación

Velocidad de flujo a través del núcleo del reactor: aceleración del refrigerante

Es un ejemplo ilustrativo, los siguientes datos no corresponden a ningún diseño de reactor.

Ecuación de continuidad: tasas de flujo a través del reactor
Ejemplo de caudales en un reactor. Es un ejemplo ilustrativo, los datos no representan ningún diseño de reactor.

Los reactores de agua a presión se enfrían y moderan con agua líquida a alta presión (p. Ej., 16MPa). A esta presión, el agua hierve a aproximadamente 350 ° C (662 ° F). La temperatura de entrada del agua es de aproximadamente 290 ° C (⍴ ~ 720 kg / m 3 ). El agua (refrigerante) se calienta en el núcleo del reactor a aproximadamente 325 ° C (⍴ ~ 654 kg / m 3 ) a medida que el agua fluye a través del núcleo.

El circuito primario de los PWR típicos se divide en 4 circuitos independientes (diámetro de tubería ~ 700 mm), cada circuito comprende un generador de vapor y una bomba de refrigerante principal . Dentro del recipiente a presión del reactor (RPV), el refrigerante primero fluye hacia abajo fuera del núcleo del reactor (a través del tubo de bajada). Desde el fondo del recipiente a presión, el flujo se invierte a través del núcleo, donde la temperatura del refrigerante aumenta a medida que pasa a través de las barras de combustible y los conjuntos formados por ellas.

Calcular:

  • Pérdida de presión debido a la aceleración del refrigerante en un canal de combustible aislado.

 cuando

  • la velocidad del flujo de entrada del canal es igual a 5.17 m / s
  • la velocidad de flujo de salida del canal es igual a 5.69 m / s

Solución:

La pérdida de presión debido a la aceleración del refrigerante en un canal de combustible aislado es entonces:

aceleración de refrigerante - ejemplo

Este hecho tiene importantes consecuencias. Debido a la diferente potencia relativa de los conjuntos de combustible en un núcleo, estos conjuntos de combustible tienen una resistencia hidráulica diferente y esto puede inducir un flujo lateral local de refrigerante primario y debe tenerse en cuenta en los cálculos termohidráulicos.

 

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¿Qué es el Diagrama de Moody? Definición

El diagrama de Moody (también conocido como gráfico de Moody) es un gráfico en forma no dimensional que relaciona el factor de fricción de Darcy, el número de Reynolds y la rugosidad relativa. Ingenieria termal

Diagrama de Moody

El diagrama de Moody (también conocido como gráfico de Moody) es un gráfico en forma no dimensional que relaciona el factor de fricción de Darcy , el número de Reynolds y la rugosidad relativa para un flujo completamente desarrollado en una tubería circular.

Diagrama de Moody
Fuente: Donebythesecondlaw en Wikipedia en inglés, CC BY-SA 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4681366

Ejemplo: Diagrama de Moody

Determine el factor de fricción (f D ) para el flujo de fluido en una tubería de 700 mm de diámetro que tiene el número de Reynolds de 50 000 000 y una rugosidad absoluta de 0.035 mm.

Solución:

La rugosidad relativa es igual a ε = 0.035 / 700 = 5 x 10-5 . Usando la tabla Moody, un número de Reynolds de 50 000 000 se cruza con la curva correspondiente a una rugosidad relativa de 5 x 10-5 en un factor de fricción de 0.011 .

Cuadro cambiante, Diagrama de Moody
Ejemplo: gráfico cambiante.
Fuente: Donebythesecondlaw en Wikipedia en inglés, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4681366

Factor de fricción de Darcy para varios regímenes de flujo

La clasificación más común de los regímenes de flujo es de acuerdo con el número de Reynolds. El número de Reynolds es un número adimensional compuesto por las características físicas del flujo y determina si el flujo es laminar o turbulento . Un número creciente de Reynolds indica una turbulencia creciente del flujo. Como se puede ver en el cuadro de Moody, también el factor de fricción de Darcy depende en gran medida del régimen de flujo (es decir, del número de Reynolds).

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¿Qué es la bomba centrífuga? Definición

Las bombas centrífugas son dispositivos que se utilizan para transportar fluidos mediante la conversión de energía cinética rotacional en energía hidrodinámica. Bombas centrífugas

Bombas centrífugas

Las bombas centrífugas son dispositivos que se utilizan para transportar fluidos por la conversión de la energía cinética de rotación a la energía hidrodinámica del flujo de fluido. La energía de rotación generalmente proviene de un motor eléctrico o una turbina de vapor (en el caso de bombas de agua de alimentación impulsadas por turbina). Las bombas centrífugas se utilizan en más aplicaciones industriales que cualquier otro tipo de bomba. La bomba centrífuga más común es la bomba de voluta.

¿Como funciona?

En la voluta de la bomba, el fluido ingresa a la bomba axialmente a través del ojo del impulsor ( área de baja presión ) que gira a alta velocidad. A medida que el impulsor y las palas giran, transfieren el impulso al fluido entrante. El fluido se acelera radialmente hacia afuera desde la persecución de la bomba y se crea un vacío en el ojo del impulsor que continuamente atrae más fluido hacia la bomba. A medida que aumenta la velocidad del fluido, aumenta su energía cinética . El fluido de alta energía cinética se expulsa del área del impulsor y entra en la voluta . En la voluta, el fluido fluye a través de un área de sección transversal en continuo aumento , donde elLa energía cinética se convierte en presión de fluido (según el principio de Bernoulli ).

Las palas del impulsor son generalmente curvadas hacia atrás, pero también hay diseños de palas radiales y curvadas hacia adelante. La presión de salida cambia ligeramente según el diseño utilizado. Las cuchillas pueden estar abiertas o cerradas . Además, el difusor puede estar equipado con paletas fijas para ayudar a guiar el flujo hacia la salida. La energía transferida al líquido corresponde a la velocidad en el borde del impulsor. Cuanto más rápido gire el impulsor o cuanto más grande sea el impulsor , mayor será la velocidad del cabezal .

Principios de bombas centrífugas-minimpulsor y difusor

Partes principales de una bomba centrífuga

Bomba centrífuga-minCada bomba centrífuga está hecha de cientos de partes. Hay algunos componentes que prácticamente todas las bombas centrífugas tienen en común. Estos componentes se pueden subdividir en el extremo húmedo y el extremo mecánico .

El extremo húmedo de la bomba incluye aquellas partes que determinan el rendimiento hidráulico de la bomba . Los dos extremos húmedos principales son el impulsor y la carcasa . En algunos casos, el primer rodamiento radial puede lubricarse con agua. En este caso, la lata del rodamiento pertenece a los extremos húmedos.

El extremo mecánico incluye aquellas partes que soportan el impulsor dentro de la carcasa . El extremo mecánico de la bomba incluye el eje de la bomba , el sellado, los cojinetes y el manguito del eje .

Estos componentes están diseñados para realizar tareas específicas:

  • impulsor y difusorImpulso. El impulsor es un rotor utilizado para aumentar la energía cinética del flujo.
  • Carcasa (voluta). La carcasa contiene el líquido y actúa como un recipiente de contención de presión que dirige el flujo de líquido dentro y fuera de la bomba centrífuga. La voluta es un embudo curvo que aumenta de área a medida que se acerca al puerto de descarga. La voluta de una bomba centrífuga es la carcasa que recibe el fluido que bombea el impulsor, lo que reduce la velocidad de flujo del fluido. Por lo tanto, de acuerdo con el principio de Bernoulli, la voluta convierte la energía cinética en presión al reducir la velocidad al tiempo que aumenta la presión. Algunas bombas centrífugas contienen difusores. Un difusor es un conjunto de paletas estacionarias que rodean el impulsor. El difusor dirige el flujo, permite una expansión más gradual y, por lo tanto, aumenta la eficiencia de la bomba centrífuga.
  • Eje (Rotor). El impulsor está montado en un eje. El eje es un componente mecánico para transmitir el par del motor al impulsor.
  • Eje de sellado. Las bombas centrífugas están provistas de anillos de empaquetadura o sello mecánico que ayuda a prevenir la fuga del líquido bombeado.
  • Aspectos. Los rodamientos limitan el movimiento relativo del eje (rotor) y reducen la fricción entre el eje giratorio y el estator. Existen al menos 5 tipos comunes de rodamientos, cada uno de los cuales opera según diferentes principios:
    • Cojinete liso
    • Rodamiento de elementos rodantes
    • Joya teniendo
    • Rodamiento fluido
    • Rodamiento magnético

Tipos de impulsores en bombas centrífugas

impulsor abierto, semiabierto, cerradoEl diseño del impulsor es el factor más importante para determinar el rendimiento de una bomba centrífuga. Un impulsor diseñado adecuadamente optimiza el flujo mientras minimiza la turbulencia y maximiza la eficiencia .

El impulsor de una bomba centrífuga puede ser de tres tipos básicos :

  • Impulsor abierto.  Los impulsores abiertos tienen las paletas libres en ambos lados. Los impulsores abiertos son estructuralmente débiles. Por lo general, se usan en bombas de pequeño diámetro y de bajo costo y bombas que manejan sólidos suspendidos.
  • Impulsor semiabierto . Las paletas son libres en un lado y encerradas en el otro. La cubierta agrega resistencia mecánica. También ofrecen mayores eficiencias que los impulsores abiertos. Se pueden usar en bombas de diámetro medio y con líquidos que contienen pequeñas cantidades de sólidos en suspensión. Debido a la minimización de la recirculación y otras pérdidas, es muy importante que exista un pequeño espacio libre entre los álabes del impulsor y la carcasa.
  • Impulsor cerrado . Las paletas se encuentran entre los dos discos, todo en un solo bastidor. Se utilizan en bombas grandes con altas eficiencias y bajo cabezal de succión positivo neto requerido . Las bombas centrífugas con impulsor cerrado son las bombas más utilizadas para el manejo de líquidos transparentes. Se basan en anillos de desgaste de espacio libre cercano en el impulsor y en la carcasa de la bomba. El impulsor cerrado es un diseño más complicado y costoso, no solo por el impulsor, sino que también se necesitan anillos de desgaste adicionales.

Las palas del impulsor pueden ser:

  • Diseño de hoja curvada hacia atrás (diseño preferido debido a la pendiente negativa de la curva de rendimiento)
  • Diseño de cuchilla radial
  • Diseño de cuchilla curvada hacia adelante (debido a las condiciones de pendiente positiva, este diseño puede provocar un aumento de la bomba)

Los impulsores pueden ser:

  • Succión simple . Un impulsor de succión simple permite que el líquido ingrese al centro de las cuchillas desde una sola dirección.
  • Doble succión . Un impulsor de doble succión permite que el líquido ingrese al centro de las palas del impulsor desde ambos lados simultáneamente. Esto reduce las fuerzas ejercidas sobre el eje.

Impulsor-min de aspiración simple vs. doble

impulsor y difusorLa presión de salida cambia ligeramente según el diseño utilizado. Las cuchillas pueden estar abiertas o cerradas. Además, el difusor puede estar equipado con paletas fijas para ayudar a guiar el flujo hacia la salida. La energía transferida al líquido corresponde a la velocidad en el borde del impulsor. Cuanto más rápido gire el impulsor o cuanto más grande sea el impulsor, mayor será la velocidad del cabezal.

En general, las bombas centrífugas se pueden clasificar según la manera en que fluye el fluido a través de la bomba. No es una clasificación basada solo en el impulsor, sino que se basa en el diseño de la carcasa de la bomba y el impulsor . Los tres tipos de flujo a través de una bomba centrífuga son:

  • flujo radial
  • flujo mixto (parte radial, parte axial)
  • flujo axial (tipo de hélice)

 

Características de rendimiento de las bombas centrífugas

Aunque la teoría de las bombas centrífugas ofrece muchos resultados cualitativos, el indicador más importante del rendimiento de una bomba reside en pruebas hidráulicas exhaustivas .

En la industria, las características de todas las bombas generalmente se leen de su curva QH  o curva de rendimiento  (caudal – altura). Como se puede ver, los gráficos de rendimiento utilizan una descarga – Q (generalmente en m 3 / h) y la altura de la bomba – H (generalmente en m) como variables de rendimiento básicas.

Jefe del sistema

Cabezal del sistema: sin cabezal estáticoEn el capítulo de pérdida de carga , se determinó que ambos grandes pérdidas pérdidas menores en los sistemas de tuberías son proporcionales al cuadrado de la velocidad de flujo . Es obvio que la pérdida de carga del sistema debe ser directamente proporcional al cuadrado del caudal volumétrico, porque el caudal volumétrico es directamente proporcional a la velocidad del flujo.

Debe agregarse que los sistemas hidráulicos abiertos contienen no solo el cabezal de fricción, sino también el cabezal de elevación , que debe considerarse. La altura de elevación (altura estática) representa la energía potencial de un fluido debido a su elevación por encima de un nivel de referencia.
Cabeza de elevación

Cabeza del sistema - con cabeza estáticaEn muchos casos, la altura total de un sistema es una combinación de altura de elevación y altura de fricción como se muestra en la figura.

En ingeniería nuclear, la mayoría de los sistemas hidráulicos son circuitos hidráulicos cerrados y estos sistemas solo tienen cabeza de fricción (sin cabeza estática).

Cabezal de bomba: curva de rendimiento

En dinámica de fluidos, el término cabezal de bomba se usa para medir la energía cinética que crea una bomba. La altura es una medida de la altura de la columna de fluido incompresible que la bomba podría crear a partir de la energía cinética que la bomba le da al líquido. La altura y el caudal determinan el rendimiento de una bomba, que se muestra gráficamente en la figura como la curva de rendimiento o la curva característica de la bomba . La razón principalpara usar la cabeza en lugar de la presión para determinar el rendimiento de una bomba centrífuga es que elLa altura de la columna de fluido no depende de la gravedad específica (peso) del líquido , mientras que la presión de una bomba cambiará. En términos de presión, el cabezal de la bomba ( bomba ΔP ) es la diferencia entre la contrapresión del sistema y la presión de entrada de la bomba.

cabezal de bomba - curva de rendimiento - gráficoLa altura máxima de la bomba de una bomba centrífuga está determinada principalmente por el diámetro exterior del impulsor de la bomba y la velocidad angular del eje  – velocidad del eje giratorio. El cabezal también cambiará a medida que aumenta el caudal volumétrico a través de la bomba.

Cuando una bomba centrífuga funciona a una velocidad angular constante , un aumento en la carga del sistema (contrapresión) en la corriente de flujo provoca una reducción en el caudal volumétrico que la bomba centrífuga puede mantener.

La relación entre el cabezal de la bomba y el caudal volumétrico (Q) , que puede mantener una bomba centrífuga, depende de varias características físicas de la bomba como:

  • la potencia suministrada a la bomba
  • la velocidad angular del eje
  • El tipo y diámetro del impulsor

y el fluido usado:

  • densidad de fluido
  • viscosidad fluida

Esta relación es muy complicada y su análisis radica en extensas pruebas hidráulicas de ciertas bombas centrífugas. Como se puede ver en la imagen a continuación.

Características de funcionamiento de un circuito hidráulico

Cuando reunimos las características de fricción  (cabeza del sistema) de un circuito hidráulico y la curva de rendimiento, el resultado describirá las características de todo el sistema (por ejemplo, un circuito de circuito primario ). La siguiente figura muestra la curva de rendimiento típica para una bomba centrífuga relacionada con el cabezal de fricción del sistema.

Diagrama característico de QH de la bomba centrífuga y de la tubería
Diagrama característico de QH de la bomba centrífuga y de la tubería

El cabezal de la bomba , en el eje vertical, es la  diferencia entre la contrapresión del sistema y la presión de entrada de la bomba ( bomba ΔP ). La velocidad de flujo volumétrico (Q) , en el eje horizontal, es la velocidad a la que fluye el fluido a través de la bomba. Como se puede ver, la altura es aproximadamente constante a baja descarga y luego cae a cero a máx . A baja descarga, las características pueden ser inestables (con pendiente positiva del cabezal de la bomba). Estas son características indeseables, porque una bomba inestable puede comenzar a oscilar entre las dos combinaciones posibles de caudal y la tubería puede vibrar.

Al caudal Q1, la bomba gana más altura que la que consume las pérdidas por fricción, por lo tanto, el caudal a través del sistema aumentará . El caudal se estabilizará en el punto, donde las pérdidas por fricción se cruzan con las características de la bomba .

Para caracterizar el rendimiento de las bombas centrífugas, se definen los siguientes términos:

  • Cabeza de cierre
  • Eficiencia de la bomba
  • Mejor punto de eficiencia
  • Potencia al freno
  • Cabeza de succión positiva neta

Operación en serie de bombas centrífugas (Booster)

Para aumentar el caudal volumétrico en un sistema o para compensar grandes pérdidas mayores o menores , las bombas centrífugas a menudo se utilizan en paralelo o en serie .

El funcionamiento en serie de las bombas centrífugas se utiliza para superar la pérdida de carga del sistema grande o para aumentar la presión cuando se inyecta líquido en un sistema de alta presión (por ejemplo, sistemas de inyección de seguridad de alta presión en PWR , donde se usan bombas de etapas múltiples).

Cuando una bomba centrífuga se opera en un circuito cerrado, la presión de descarga resultante será simplemente la suma de la presión de succión y la presión normalmente desarrollada por la bomba cuando funciona a presión de succión cero. Por lo tanto, es muy adecuado para su uso como bomba de refuerzo cuando se opera en serie. El cabezal producido por dos o más bombas es igual a la suma de los cabezales individuales . El caudal volumétrico desde la entrada de la primera bomba hasta la salida de la segunda permanece igual. En la aplicación práctica, las bombas de etapas múltiples ( bomba de impulsor múltiple ) se construyen para alcanzar una altura de bomba más alta.

Operación en serie de bombas centrífugas

Operación paralela de bombas centrífugas

Para aumentar el caudal volumétrico en un sistema o para compensar grandes pérdidas mayores o menores, las bombas centrífugas a menudo se utilizan en paralelo o en serie .

El funcionamiento en paralelo de las bombas centrífugas se utiliza para aumentar el caudal a través del sistema. Las bombas que funcionan en paralelo toman su succión de un cabezal común y descargan en una descarga común . Si bien la cabeza cambia solo ligeramente, el flujo casi se duplica en cualquier punto dado. Debe tenerse en cuenta que el caudal volumétrico es en realidad menos del doble del caudal alcanzado mediante el uso de una sola bomba. Esto es causado por una mayor pérdida de carga del sistema como resultado de un mayor caudal.

funcionamiento paralelo de bombas centrífugas

Principales modos de falla de las bombas centrífugas

Dado que las bombas centrífugas son uno de los tipos de bomba más utilizados en el mundo, sus parámetros operativos y sus vulnerabilidades son bien conocidos. Este artículo revisa los principales modos de falla que se encuentran en las bombas centrífugas . En general, las fallas de la bomba resultan en cambios operativos que reducen la eficiencia o pueden ocasionar una falla de la bomba. La fiabilidad de los sistemas hidráulicos y también de las bombas centrífugas es de suma importancia en la ingeniería nuclear .

Los modos de falla de las bombas centrífugas se pueden agrupar en tres categorías:

Modos de falla hidráulica

  • Cavitación La cavitación es, en muchos casos, una ocurrencia indeseable. En las bombas centrífugas, la cavitación provoca daños en los componentes (erosión del material), vibraciones, ruido y pérdida de eficiencia.
  • Pulsación de presión.  Las pulsaciones de presión son fluctuaciones en la presión básica. Para las bombas de altura alta, las pulsaciones de presión de succión y descarga pueden causar inestabilidad en los controles de la bomba, vibración de las tuberías de succión y descarga y altos niveles de ruido de la bomba.
  • Recirculación de la bomba. Una bomba que funciona a una capacidad inferior a los límites de diseño puede sufrir recirculación que ocurre internamente en las bombas. La recirculación de la bomba puede causar sobretensiones y cavitación incluso cuando el NPSHa disponible excede el NPSHr del proveedor por un margen considerable.
  • Empuje radial y axial. El alto empuje radial que resulta en desviaciones excesivas del eje puede conducir a problemas persistentes de empaque o sello mecánico, y posiblemente a fallas en el eje. El empuje axial se impone a lo largo del eje del eje. Un alto empuje axial puede imponer una carga excesiva sobre el rodamiento.

Modos de falla mecánica

  • Asimiento o rotura del eje
  • Falla del rodamiento
  • Fracaso del sello
  • Vibraciones
  • Fatiga

Otros modos de falla

  • Erosión
  • Corrosión

Cavitación en bombas centrífugas

cavitación - impulsor-min dañadoLos principales lugares donde la cavitación se produce en las bombas son, en impulsores o hélices . En las bombas centrífugas, la cavitación resulta de una reducción en la presión de succión , un aumento en la temperatura de succión o un aumento en la velocidad de flujo por encima de la temperatura para la cual se diseñó la bomba.

Hay dos tipos básicos de cavitación de la bomba :

Número de cavitación

El número de cavitación (Ca) o el parámetro de cavitación es un número adimensional utilizado en los cálculos de flujo. Es convencional caracterizar qué tan cerca está la presión en el flujo de líquido a la presión de vapor (y, por lo tanto, el potencial de cavitación) por medio del número de cavitación.

El número de cavitación se puede expresar como:

número de cavitación - ecuación

dónde

CA = Número de cavitación

p = presión local (Pa)

v = presión de vapor del fluido (Pa)

ρ = densidad del fluido (kg / m 3 )

v = velocidad del fluido (m / s)

Daño de cavitación

La cavitación es, en muchos casos, una ocurrencia indeseable. En las bombas centrífugas, la cavitación causa daños a los componentes (erosión del material), vibraciones, ruido y pérdida de eficiencia.

Fuente: Wikipedia, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turbine_Francis_Worn.JPG
Fuente: Wikipedia, CC BY 2.5,
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turbine_Francis_Worn.JPG

Quizás el problema de ingeniería más importante causado por la cavitación es el daño material que las burbujas de cavitación pueden causar cuando colapsan cerca de una superficie sólida. El colapso de las burbujas de cavitación es un proceso violento que genera ondas de choque y microjets altamente localizados . Forzan el líquido energético en volúmenes muy pequeños, creando así puntos de alta temperatura y estas perturbaciones intensas generan tensiones superficiales altamente localizadas y transitorias en una superficie sólida. Los signos de erosión aparecerán como picaduras debido a la acción de golpe de ariete de las burbujas de vapor que colapsan. Se ha encontrado que las tasas de daño por cavitación aumentan rápidamente con el aumento en el caudal volumétrico.

Los materiales más blandos pueden dañarse incluso a corto plazo debido a la cavitación . Se pueden observar fosas individuales después de un colapso de una sola burbuja. Por lo tanto, se utilizan materiales más duros para las bombas centrífugas . Pero con los materiales más duros utilizados en la mayoría de las aplicaciones, el estrés cíclico debido a los colapsos repetidos puede causar fallas locales por fatiga superficial . Por lo tanto, el daño por cavitación a los metales generalmente tiene la apariencia de falla por fatiga .

cavitación - burbuja colapso-minCuando las burbujas de cavitación colapsan, fuerzan el líquido energético a volúmenes muy pequeños, creando manchas de alta temperatura y emitiendo ondas de choque, las cuales son una fuente de ruido. Aunque el colapso de una pequeña cavidad es un evento de energía relativamente baja, los colapsos altamente localizados pueden erosionar metales, como el acero, con el tiempo. La picadura causada por el colapso de las cavidades produce un gran desgaste en los componentes y puede acortar drásticamente la vida útil de la hélice o la bomba.

La cavitación suele ir acompañada también de:

  • Ruido. El ruido típico es causado por el colapso de las cavidades. El nivel del ruido que resulta de la cavitación es una medida de la gravedad de la cavitación.
  • Vibraciones . Las vibraciones de la bomba debido a la cavitación son vibraciones característicamente de baja frecuencia, que generalmente se encuentran en el rango de 0 a 10 Hz.
  • Reducción de la eficiencia de la bomba . Una disminución en la eficiencia de la bomba es un signo más confiable de que se produce cavitación.

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¿Qué es la caída de presión en dos fases? Definición

El cálculo y la predicción de caídas de presión en dos fases (o pérdida de carga), incluida la pérdida por fricción y la pérdida de carga menor, es un problema mucho más sofisticado. Ingenieria termal

Caída de presión bifásica

En el análisis práctico de los sistemas de tuberías, la cantidad de mayor importancia es la pérdida de presión debido a los efectos viscosos a lo largo de la longitud del sistema, así como las pérdidas de presión adicionales que surgen de otros equipos tecnológicos como válvulas, codos, entradas de tuberías, accesorios y tes. .

A diferencia de las caídas de presión monofásicas, el cálculo y la predicción de caídas de presión bifásicas es un problema mucho más sofisticado y los métodos principales difieren significativamente. Los datos experimentales indican que la caída de presión por fricción en el flujo de dos fases (por ejemplo, en un canal de ebullición) es sustancialmente mayor que la de un flujo monofásico con la misma longitud y caudal másico. Las explicaciones para esto incluyen un aumento aparente de la rugosidad de la superficie debido a la formación de burbujas en la superficie calentada y al aumento de las velocidades de flujo.

Caída de presión – Modelo de flujo homogéneo

El enfoque más simple para la predicción de flujos de dos fases es tratar todo el flujo de dos fases como si fuera todo líquido , excepto el flujo a la velocidad de la mezcla de dos fases . Las caídas de presión en dos fases para flujos dentro de tuberías y canales son la suma de tres contribuciones:

La caída de presión total del flujo de dos fases es entonces:

∆p total = ∆p estática + ∆p mamá + ∆p frict

Las caídas de presión estática y de momento pueden calcularse de manera similar al caso del flujo monofásico y utilizando la densidad de mezcla homogénea :

densidad de mezcla - definición

El término más problemático es la caída de presión por fricción ∆p frict , que se basa en la caída de presión monofásica que se multiplica por el factor de corrección de dos fases ( multiplicador de fricción homogéneo – Φ lo 2 ). Con este enfoque, el componente de fricción de la caída de presión en dos fases es:

caída de presión bifásica - ecuación

donde (dP / dz) 2f  es el gradiente de presión de fricción del flujo bifásico y (dP / dz) 1f  es el gradiente de presión de fricción si todo el flujo (del caudal másico total G) fluye como líquido en el canal ( presión monofásica estándar soltar ) El término Φ lo  es el multiplicador de fricción homogéneo , que puede derivarse de acuerdo con varios métodos. Uno de los posibles multiplicadores es igual a Φ lo 2  = (1 + x g (ρ l / ρ g – 1))  y por lo tanto:
caída de presión bifásica - ecuación2

Como se puede ver, este modelo simple sugiere que las pérdidas por fricción de dos fases son, en cualquier caso, mayores que las pérdidas por fricción de una fase. El multiplicador de fricción homogéneo aumenta rápidamente con la calidad del flujo .

Las calidades de flujo típicas en generadores de vapor y núcleos BWR son del orden del 10 al 20%. La pérdida por fricción de dos fases correspondiente sería entonces 2 – 4 veces mayor que en un sistema monofásico equivalente.

 

Pérdida menor de dos fases

En la industria, cualquier sistema de tuberías contiene diferentes elementos tecnológicos como extremos b , accesorios, válvulas o canales calentados . Estos componentes adicionales se suman a la pérdida general de carga del sistema. Dichas pérdidas generalmente se denominan pérdidas menores , aunque a menudo representan una parte importante de la pérdida de carga . Para sistemas de tuberías relativamente cortos, con un número relativamente grande de curvas y accesorios, las pérdidas menores pueden exceder fácilmente las pérdidas mayores (especialmente con una válvula parcialmente cerrada que puede causar una mayor pérdida de presión que una tubería larga, de hecho cuando una válvula está cerrada o casi cerrado, la pérdida menor es infinita).

Las pérdidas menores monofásicas se miden comúnmente experimentalmente. Los datos, especialmente para las válvulas, dependen en cierta medida del diseño particular del fabricante. La pérdida de presión en dos fases debido a obstrucciones de flujo local se trata de manera similar a las pérdidas por fricción monofásicas , a través del multiplicador de pérdida local .

Ver más: PÉRDIDA DE PRESIÓN FRICCIONAL EN DOS FASES EN EL FLUJO DE BURBUJAS HORIZONTALES CON UNA CURVA DE 90 GRADOS 

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¿Qué es el patrón de flujo? Flujo bifásico: definición

Las estructuras de flujo observadas se definen como patrones de flujo de dos fases y tienen características de identificación particulares. Patrones de flujo: flujo bifásico

Patrones de flujo: flujo bifásico

Uno de los aspectos más desafiantes de lidiar con el flujo de dos fases o el flujo de múltiples fases es el hecho de que puede tomar muchas formas diferentes . Las distribuciones espaciales y las velocidades de las fases líquida y de vapor en el canal de flujo es un aspecto muy importante en muchas ramas de ingeniería. Las caídas de presión y también los coeficientes de transferencia de calor dependen en gran medida de la estructura de flujo local y, por lo tanto, es importante en la ingeniería de reactores nucleares . Las estructuras de flujo observadas se definen como patrones de flujo de dos fases.y estos tienen características de identificación particulares. Estos patrones de flujo diferentes se han categorizado de acuerdo con la dirección del flujo en relación con la aceleración gravitacional.

  • Patrones de flujo en tubos verticales.
  • Patrones de flujo en tubos horizontales.
patrones de flujo
Tabla de patrones básicos de flujo en tubos verticales.

Los principales regímenes de flujo en tubos verticales se muestran en la tabla. Debe tenerse en cuenta que los valores de calidadde flujo y caudal dependen del fluido y la presión. En los tubos horizontales , también puede haber flujo estratificado (especialmente a caudales bajos), en el cual las dos fases se separan bajo el efecto de la gravedad.

Para un caudal de líquido constante, la fase vapor / gas tiende a distribuirse como pequeñas burbujas a caudales de vapor bajos. El aumento de la fracción vacía causa la aglomeración de burbujas en tapones y babosas más grandes . La aglomeración adicional de las babosas, causada por el aumento adicional de la fracción vacía, causa la separación de las fases en patrones anulares en los que el líquido se concentra en la pared del canal y el vapor fluye en el núcleo central del canal vertical.

Para el canal horizontal , la fuerza gravitacional tiende a drenar el anillo líquido hacia el fondo del canal, lo que resulta en un flujo estratificado . La fuerza gravitacional que actúa sobre la fase líquida puede ser superada por las fuerzas cinéticas a velocidades de flujo altas, lo que hace que los flujos estratificados vuelvan a ser flujos anulares. A velocidades de flujo muy altas , la película anular se adelgaza por la cizalladura del núcleo de vapor y todo el líquido se arrastra como gotas en la fase de vapor. Este régimen de flujo generalmente se conoce como flujo de niebla .

Ver también:  Engineering Data Book III, Thome, JR, Wolverine Tube Inc, 2004.

Patrones de flujo: tubos verticales

  • Flujo burbujeante
  • Flujo de lodo
  • Flujo de rotación
  • Flujo anular
  • Flujo de niebla
Burbujeante - Babosa - Batidora - Anular - Niebla - Flujo
Bocetos de regímenes de flujo para flujo de dos fases en una tubería vertical. Fuente: Weisman, J. Patrones de flujo de dos fases. Capítulo 15 en Handbook of Fluids in Motion, Cheremisinoff NP, Gupta R. 1983, Ann Arbor Science Publishers.

patrones de flujo - flujo vertical - Hewitt
El mapa del régimen de flujo vertical de Hewitt y Roberts (1969) para el flujo en un tubo de 3,2 cm de diámetro, validado tanto para el flujo de aire / agua a presión atmosférica como para el flujo de vapor / agua a alta presión. Fuente: Brennen, CE, Fundamentos de flujos multifásicos, Cambridge University Press, 2005, ISBN 0521 848040

Patrones de flujo: tubos horizontales

  • Flujo burbujeante
  • Flujo estratificado
  • Flujo de tapones y flujo de babosas
  • Flujo anular
  • Flujo de niebla
flujo de burbuja, tapón, babosa, anular, neblina, estratificado u ondulado
Bocetos de regímenes de flujo para flujo bifásico en una tubería horizontal. Fuente: Weisman, J. Patrones de flujo de dos fases. Capítulo 15 en Handbook of Fluids in Motion, Cheremisinoff NP, Gupta R. 1983, Ann Arbor Science Publishers.
patrones de flujo - flujo horizontal
Un mapa de régimen de flujo para el flujo de una mezcla de aire / agua en una tubería horizontal de 2.5 cm de diámetro a 25 ° C y 1 bar. Las líneas continuas y los puntos son observaciones experimentales de las condiciones de transición, mientras que las zonas sombreadas representan predicciones teóricas. Fuente: Mandhane, JM, Gregory, GA y Aziz, KA (1974). Un mapa de patrón de flujo para el flujo de gas-líquido en tuberías horizontales. En t. J. Flujo multifásico

Patrones de flujo durante la evaporación.

La sección anterior describe varios patrones de flujo y brevemente describe su comportamiento. Se consideró que estos patrones de flujo estaban en una fracción vacía constante y a velocidades superficiales constantes . Pero hay muchas aplicaciones industriales que tienen que considerar una fracción vacía variable y velocidades superficiales variables. En la industria nuclear, tenemos que lidiar con los patrones de flujo durante la evaporación (es decir, durante los cambios en la fracción vacía ).

El conocimiento detallado de los cambios de fase y el comportamiento del flujo durante el cambio de fase es una de las consideraciones más importantes en el diseño de un reactor nuclear , especialmente en las siguientes aplicaciones:

  • evaporación convectiva - canal verticalBWR – Reactores de agua hirviendo
    • Un reactor de agua hirviendo se enfría y modera con agua como un PWR, pero a una presión más baja (7MPa), lo que permite que el agua hierva dentro del recipiente a presión produciendo el vapor que hace funcionar las turbinas. Por lo tanto, la evaporación ocurre directamente en los canales de combustible. Por lo tanto, los BWR son el mejor ejemplo para esta área, porque la evaporación del refrigerante ocurre en la operación normal y es un fenómeno muy deseado.
    • En los BWR existe un fenómeno que es de la mayor importancia en la seguridad del reactor . Este fenómeno se conoce como el “secado” y está directamente asociado con cambios en el patrón de flujo durante la evaporación. En condiciones normales, la superficie del combustible se enfría de manera efectiva por medio del refrigerante hirviendo. Sin embargo, cuando el flujo de calor excede un valor crítico (CHF – flujo de calor crítico), el patrón de flujo puede alcanzar las condiciones de secado (desaparece la película delgada de líquido). La transferencia de calor desde la superficie del combustible al refrigerante se deteriora, con el resultado de un aumento drástico de la temperatura de la superficie del combustible .
  • PWR – Reactores de agua a presión
    • En los PWR en funcionamiento normal, el flujo se considera monofásico. Pero se ha realizado una gran cantidad de estudios sobre la naturaleza del flujo de dos fases en caso de transitorios y accidentes (como el accidente de pérdida de refrigerante – LOCA o disparo de RCP ), que son importantes en la seguridad del reactor y en debe ser probado y declarado en el Informe de Análisis de Seguridad (SAR). En el caso de los PWR, el fenómeno problemático no es la sequedad. En el caso de los PWR, el flujo crítico es el flujo anular invertido . Este flujo se produce cuando una superficie de revestimiento de la barra de combustible se sobrecalienta, lo que provoca la formación de una capa de vapor local., causando una reducción dramática en la capacidad de transferencia de calor. Este fenómeno se conoce como desviación de la ebullición nucleada: DNB . La diferencia en el régimen de flujo entre el flujo posterior al secado y el flujo posterior al DNB se representa en la figura.
    • En los PWR, la evaporación ocurre también en generadores de vapor. Los generadores de vapor son intercambiadores de calor utilizados para convertir el agua de alimentación en vapor del calor producido en el núcleo de un reactor nuclear . El vapor producido impulsa la turbina.

evaporación convectiva - canal horizontal

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Qué es Steam – Propiedades de Steam – Definición

Qué es Steam – Propiedades de Steam. El vapor es un gas invisible que consiste en agua vaporizada. Las propiedades del vapor se tabulan en las llamadas “Tablas de vapor”. Ingenieria termal

¿Qué es el vapor?

El vapor es un gas invisible que consiste en agua vaporizada, que se forma cuando el agua hierve. Cuando el vapor es visible, contiene la niebla visible de las gotas de agua. Dicho vapor se conoce como ” vapor húmedo “, pero el ” vapor seco ” siempre es invisible. A presiones más bajas, como en la atmósfera superior o en el condensador de las centrales térmicas, el vapor puede existir a una temperatura inferior a los 100 ° C nominales a temperatura y presión estándar.

Diagrama de fase del agua.
Diagrama de fase del agua.
Fuente: wikipedia.org CC BY-SA

Dado que el agua y el vapor son un medio común utilizado para el intercambio de calor y para la conversión de energía, los sistemas de energía generan vapor a gran escala, como, por ejemplo, en las centrales térmicas. Como es típico en todas las centrales térmicas convencionales, el calor se utiliza para generar vapor que impulsa una turbina de vapor conectada a un generador que produce electricidad. Tenga en cuenta que las turbinas de vapor modernas se utilizan para generar más del 80% de la electricidad del mundo.

El vapor generalmente se clasifica de acuerdo con la fracción vapor / (líquido + vapor). Esta fracción es un parámetro muy importante del vapor y se conoce como la calidad del vapor.

Ver también: Propiedades del agua.

 

Calidad de vapor – Fracción de sequedad

húmedo-vapor-vapor-líquido-mezcla-minComo se puede ver en el diagrama de fases del agua , en las regiones de dos fases (p. Ej., En el borde de las fases vapor / líquido), solo la temperatura establecida establecerá la presión y la presión específica establecerá la temperatura. Pero estos parámetros no definirán el volumen y la entalpía porque necesitaremos conocer la proporción relativa de las dos fases presentes.

La fracción de masa del vapor en una región de vapor líquido de dos fases se denomina calidad del vapor (o fracción de sequedad), x , y se obtiene mediante la siguiente fórmula:

calidad de vapor

El valor de la calidad varía de cero a la unidad . Aunque se define como una relación, la calidad se da con frecuencia como un porcentaje. Desde este punto de vista, distinguimos entre tres tipos básicos de vapor. Debe agregarse, en x = 0, estamos hablando del estado líquido saturado (monofásico).

Esta clasificación del vapor tiene su limitación. Considere el comportamiento del sistema que se calienta a la presión, que es más alta que la presión crítica . En este caso, no habría cambio de fase de líquido a vapor. En todos los estados solo habría una fase. La vaporización y la condensación pueden ocurrir solo cuando la presión es menor que la presión crítica. Los términos líquido y vapor tienden a perder su significado. A presión, que es  más alta que la presión crítica, el   agua está en un estado especial, que se conoce como estado fluido supercrítico .

Ver también: saturación

Ver también: fluido supercrítico

Ver también: estrangulamiento de Steam

 

Propiedades de Steam – Tablas de Steam

El agua y el vapor son un fluido común utilizado para el intercambio de calor en el circuito primario (desde la superficie de las barras de combustible hasta el flujo de refrigerante) y en el circuito secundario. Se utiliza debido a su disponibilidad y alta capacidad calorífica, tanto para enfriamiento como para calefacción. Es especialmente efectivo para transportar calor a través de la vaporización y la condensación de agua debido a su gran calor latente de vaporización .

Una desventaja es que los reactores moderados por agua tienen que usar un circuito primario de alta presión para mantener el agua en estado líquido y para lograr una eficiencia termodinámica suficiente. El agua y el vapor también reaccionan con metales que se encuentran comúnmente en industrias como el acero y el cobre, que se oxidan más rápido por el agua y el vapor no tratados. En casi todas las centrales térmicas (carbón, gas, nuclear), el agua se utiliza como fluido de trabajo (utilizado en un circuito cerrado entre la caldera, la turbina de vapor y el condensador) y el refrigerante (utilizado para intercambiar el calor residual a un cuerpo de agua). o llévelo por evaporación en una torre de enfriamiento).

Propiedades del agua - mesas de vapor
Tablas de vapor: parámetros comunes en sistemas de energía

El agua y el vapor son un medio común porque sus propiedades son muy conocidas . Sus propiedades están tabuladas en las llamadas ” Tablas de Steam “. En estas tablas, las propiedades básicas y clave, como la presión, la temperatura, la entalpía, la densidad y el calor específico, se tabulan a lo largo de la curva de saturación vapor-líquido en función de la temperatura y la presión. Las propiedades también están tabuladas para estados monofásicos ( agua comprimida o vapor sobrecalentado ) en una red de temperaturas y presiones que se extienden a 2000 ºC y 1000 MPa.

Se pueden encontrar más datos completos y autorizados en la página del NIST Webbook sobre las propiedades termofísicas de los fluidos.

Ver también: Tablas de vapor

Referencia especial: Allan H. Harvey. Propiedades termodinámicas del agua, NISTIR 5078. Recuperado de https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm

 

Mesas de Vapor

Enlaces especiales:
 www.nist.gov – Tablas de vapor – Saturación (temperatura)
 www.nist.gov – Tablas de vapor – Saturación (presión)
 www.nist.gov – Tablas de vapor – Agua comprimida – Vapor sobrecalentado

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