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Qué es la calidad estática – Calidad del flujo – Definición

2020-01-202019-09-30 por Nick Connor

En dos fases, el flujo de fluido es conveniente para usar la calidad del flujo en lugar de la calidad estática. Definición de calidad estática y calidad de flujo. Ingenieria termal

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:

Calidad estática

En general, la calidad del vapor es la fracción de masa de vapor en una mezcla saturada. El vapor saturado tiene una calidad del 100% y el líquido saturado tiene una calidad del 0%.

La calidad estática en un flujo de fluido de dos fases se define como:

Calidad de flujo

En dos fases, el flujo de fluido es conveniente para usar la calidad del flujo en lugar de la calidad estática. La calidad del flujo en un flujo de fluido de dos fases se define como:

Las relaciones entre x, α y S pueden deducirse y el resultado es:

$relaciones entre calidad, fracción vacía y deslizamiento$

Efecto de S sobre α vs x para agua a 7 MPa. Fuente: Buongiorno Jacopo, Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear del MIT, NOTAS SOBRE EL FLUJO DE DOS FASES

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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 fracción vacía? Flujo de dos fases: definición

2020-01-202019-09-30 por Nick Connor

La fracción vacía, α, es uno de los parámetros más importantes utilizados para caracterizar el flujo de fluido en dos fases, especialmente el flujo de gas-líquido. Ingenieria termal

Parámetros básicos de flujo de fluido bifásico

Fracción nula

La fracción vacía, α , es uno de los parámetros más importantes utilizados para caracterizar el flujo de fluido en dos fases, especialmente el flujo de gas-líquido.
Se utilizan varias definiciones geométricas para especificar este parámetro. La fracción vacía en un flujo de fluido de dos fases se puede definir como:

La fracción del volumen del canal que está ocupada por la fase gaseosa. Esta fracción vacía se conoce como la fracción vacía volumétrica.
La fracción del área de sección transversal del canal que está ocupada por la fase gaseosa. Esta fracción vacía se conoce como la fracción vacía transversal .
La fracción vacía local se refiere a eso en un único punto o volumen muy pequeño. Por lo tanto, toma los valores de 1 o 0.

Para propósitos adicionales, asumiremos que una fracción vacía es la fracción del área de sección transversal del canal que está ocupada por la fase gaseosa (es decir, fracción vacía de sección transversal) definida como:
$definición de fracción vacía$
La fracción vacía es importante en el flujo de dos fases, ya que influye en los parámetros físicos clave, como la viscosidad , la caída de presión y la transferencia de calor .

Las relaciones entre x, α y S pueden deducirse y el resultado es:

$relaciones entre calidad, fracción vacía y deslizamiento$

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¿Qué son las características del flujo de dos fases? Definición

2019-09-30 por Nick Connor

Características del flujo 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. Ingenieria termal

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 dramáticamente 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.

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

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¿Qué es el flujo de fluido multifásico? Definición

2020-01-202019-09-30 por Nick Connor

Por definición, el flujo multifásico es el flujo interactivo de dos o más fases distintas con interfaces comunes en, por ejemplo, un conducto. Flujo de fluidos de mulitphase

Flujo de fluido multifásico

Por 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 y 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 multifásico

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.

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Qué es la aceleración de fluidos – Pérdida de presión – Definición

2020-01-202019-09-30 por Nick Connor

El aumento en la velocidad de flujo en el canal calentado provoca la disminución de la presión del fluido, por lo tanto, la aceleración del fluido puede considerarse como una pérdida de presión. Ingenieria termal

Aceleración de fluidos

Densidad del agua a 16 MPa

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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.
Masa entrando por unidad de tiempo = Masa saliendo por unidad de tiempo

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:

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:

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 / m³ ). El agua (refrigerante) se calienta en el núcleo del reactor a aproximadamente 325 ° C (⍴ ~ 654 kg / m³ ) 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:

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 flujo a través del codo – Pérdida menor – Definición

2020-01-202019-09-30 por Nick Connor

El flujo a través de los codos es bastante complicado. De hecho, cualquier tubería curva siempre provoca una pérdida mayor que la simple tubería recta. Fluir a través del codo

Flujo a través del codo: pérdida menor

El 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.

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

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¿Qué es el método 2K? Método 3K: caída de presión local: definición

2020-01-202019-09-30 por Nick Connor

El método 2-K es ventajoso sobre otro método, especialmente en la región de flujo laminar. El método 3K es particularmente preciso para un sistema con accesorios grandes. Ingenieria termal

Método 2K – Método 3K

Por lo tanto, la ecuación para el cálculo de la pérdida de presión de todo el sistema hidráulico es:

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 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 .

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?

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¿Qué es el Método del coeficiente de resistencia? Método K: Exceso de carga – Definición

2020-01-202019-09-30 por Nick Connor

El método del coeficiente de resistencia (o método K, o método de exceso de cabeza) permite al usuario describir la pérdida de presión a través de un codo o un accesorio por un número adimensional – K. Ingeniería térmica

Método del coeficiente de resistencia – Método K

El 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:
Por lo tanto, la ecuación para el cálculo de la pérdida de presión de todo el sistema hidráulico es:

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 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 .

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?

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¿Qué es el método de longitud de tubería equivalente? Definición

2020-01-202019-09-30 por Nick Connor

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

Método de longitud equivalente

El método de longitud equivalente ( El método L _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 ( v ² / 2g ).

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, L _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:

Todos 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

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?

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¿Qué es el factor de fricción para el flujo turbulento? Ecuación de Colebrook: definición

2020-01-202019-09-30 por Nick Connor

El factor de fricción de Darcy para flujo turbulento puede determinarse mediante la ecuación de Colebrook-White, que relaciona el factor de fricción de Darcy, el número de Reynolds y la rugosidad relativa. Ingenieria termal

Factor de fricción de Darcy para flujo turbulento

Si el número de Reynolds es mayor que 3500, el flujo es turbulento . La mayoría de los sistemas de fluidos en las instalaciones nucleares operan con flujo turbulento . En este régimen de flujo, la resistencia al flujo sigue la ecuación de Darcy-Weisbach : es proporcional al cuadrado de la velocidad media del flujo. El factor de fricción de Darcy depende en gran medida de la rugosidad relativa de la superficie interna de la tubería.

El método más común para determinar un factor de fricción para el flujo turbulento es usar el diagrama Moody . El diagrama de Moody (también conocido como el diagrama de Moody) es un diagrama de registro de la correlación de Colebrook 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. La ecuación de Colebrook-White :

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 .

que también se conoce como la ecuación de Colebrook , expresa el factor de fricción de Darcy f en función de la rugosidad relativa de la tubería ε / D _h y el número de Reynolds.En 1939, Colebrook encontró una correlación implícita para el factor de fricción en tuberías redondas al ajustar los datos de estudios experimentales de flujo turbulento en tuberías lisas y rugosas.

Para tuberías hidráulicamente lisas y el flujo turbulento (Re <10 ^{5), el factor de fricción puede aproximarse mediante la fórmula de Blasius:}

f = (100.Re) ^-¼

Debe notarse que, en números de Reynolds muy grandes , el factor de fricción es independiente del número de Reynolds . Esto se debe a que el grosor de la subcapa laminar (subcapa viscosa) disminuye al aumentar el número de Reynolds. Para números de Reynolds muy grandes, el grosor de la subcapa laminar es comparable a la rugosidad de la superficie e influye directamente en el flujo. La subcapa laminar se vuelve tan delgada que la rugosidad de la superficie sobresale en el flujo. Las pérdidas por fricción en este caso se producen en el flujo principal principalmente por los elementos de rugosidad que sobresalen, y la contribución de la subcapa laminar es insignificante.

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

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