Sin categorizar

Piscina hirviendo – Curva de ebullición

Como se escribió, la configuración más común, conocida como ebullición de piscinas es cuando una piscina de líquido se calienta desde abajo a través de una superficie horizontal. En la ebullición de la piscina, el líquido está inactivo y su movimiento cerca de la superficie se debe principalmente a la convección natural y a la mezcla inducida por el crecimiento y desprendimiento de burbujas.

El trabajo pionero sobre la ebullición fue realizado en 1934 por  S. Nukiyama , quien utilizó cables de nicromo y platino calentados eléctricamente sumergidos en líquidos en sus experimentos. Nukiyama fue el primero en identificar  diferentes regímenes de ebullición de piscinas  utilizando su aparato. Se dio cuenta de que la ebullición toma diferentes formas, dependiendo del valor de la temperatura de sobrecalentamiento de la pared  ΔT _sat  (conocida también como el exceso de temperatura) ,  que se define como la diferencia entre la temperatura de la pared, la  _pared T  y la temperatura de saturación,  T _sat .

Se observan cuatro regímenes diferentes de ebullición de la ebullición de la piscina (en función del exceso de temperatura):

• Ebullición por convección natural                             ΔT _sat  <5 ° C
• Nucleato de ebullición                                    5 ° C <  ΔT _sat  <30 ° C
• Transición Ebullición                                  30 ° C <  ΔT _sat  <200 ° C
• Película en ebullición                                         200 ° C <  ΔT _sat

Estos regímenes se ilustran en la curva de ebullición de la figura, que es un gráfico del flujo de calor frente al exceso de temperatura. Aunque la curva de ebullición dada en esta figura es para agua, la forma general de la curva de ebullición sigue siendo la misma para diferentes refrigerantes. Tenga en cuenta que la forma específica de la curva depende también de los parámetros del sistema, como la presión y el caudal de refrigerante, pero es prácticamente independiente de la geometría de la superficie de calentamiento.

Ebullición Nucleada

El tipo más común de ebullición local que se encuentra en las instalaciones nucleares es la ebullición nucleada . Pero en el caso de los reactores nucleares, la ebullición de los nucleados ocurre a velocidades de flujo significativas a través del reactor. En la ebullición nucleada , se forman burbujas de vapor en la superficie de transferencia de calor y luego se desprenden y se transportan a la corriente principal del fluido. Tal movimiento mejora la transferencia de calor porque el calor generado en la superficie se transporta directamente a la corriente de fluido. Una vez en la corriente de fluido principal, las burbujas colapsan porque la temperatura del fluido no es tan alta como la temperatura de la superficie de transferencia de calor donde se crearon las burbujas. Como se escribió, la ebullición nucleadaen la superficie altera efectivamente esta capa estancada y, por lo tanto, la ebullición de los nucleados mejora significativamente  la capacidad de una superficie para transferir energía térmica al fluido a granel. Este proceso de transferencia de calor a veces es deseable porque la energía creada en la superficie de transferencia de calor se “lleva” de manera rápida y eficiente.

Cerca de la pared, la situación es compleja porque varios mecanismos aumentan el flujo de calor por encima de la conducción pura a través del líquido.

1. Tenga en cuenta que, incluso en flujo turbulento , hay una capa de película de fluido estancada (subcapa laminar) que aísla la superficie del intercambiador de calor. El flujo ascendente (debido a las fuerzas de flotación) del vapor lejos de la pared debe ser equilibrado por un flujo de líquido de igual masa y esto lleva el líquido más frío a una proximidad más cercana a la pared.
2. La formación y el movimiento de las burbujas turbuliza el líquido cerca de la pared y, por lo tanto, aumenta la transferencia de calor de la pared al líquido.
3. La ebullición difiere de otras formas de convección en que depende del calor latente de vaporización, que es muy alto para presiones comunes, por lo tanto, se pueden transferir grandes cantidades de calor durante la ebullición esencialmente a temperatura constante.

El flujo de calor de ebullición nucleado no se puede aumentar indefinidamente. En algún valor, lo llamamos el ” flujo de calor crítico ” ( CHF ), el vapor producido puede formar una capa aislante sobre la superficie, que a su vez deteriora el coeficiente de transferencia de calor. Esto se debe a que una gran fracción de la superficie está cubierta por una película de vapor, que actúa como un aislamiento térmico debido a la baja conductividad térmica del vapor en relación con la del líquido. Inmediatamente después de alcanzar el flujo de calor crítico , la ebullición se vuelve inestable y se produce la ebullición de transición. La transición de ebullición nucleada a ebullición de película se conoce como la ” crisis de ebullición “. Desde más allá del CHFSi el coeficiente de transferencia de calor disminuye, la transición a la ebullición de la película suele ser inevitable.

Crisis de ebullición: flujo de calor crítico

Como se escribió, en los reactores nucleares , las limitaciones del flujo de calor local son de la mayor importancia para la seguridad del reactor. Para los reactores de agua a presión y también para los reactores de agua en ebullición , existen fenómenos termohidráulicos, que causan una disminución repentina en la eficiencia de la transferencia de calor (más precisamente en el coeficiente de transferencia de calor ). Estos fenómenos ocurren a cierto valor del flujo de calor, conocido como el ” flujo de calor crítico “. Los fenómenos que causan el deterioro de la transferencia de calor son diferentes para los PWR y para los BWR.

En ambos tipos de reactores, el problema está más o menos asociado con la salida de la ebullición de los nucleados. El flujo de calor de ebullición nucleado no se puede aumentar indefinidamente. En cierto valor, lo llamamos el ” flujo de calor crítico ” ( CHF ), el vapor producido puede formar una capa aislante sobre la superficie, que a su vez deteriora el coeficiente de transferencia de calor. Inmediatamente después de alcanzar el flujo de calor crítico, la ebullición se vuelve inestable y se produce la ebullición de la película. La transición de ebullición nucleada a ebullición de película se conoce como la ” crisis de ebullición “. Como se escribió, los fenómenos que causan el deterioro de la transferencia de calor son diferentes para los PWR y para los BWR.

Hervir en reactores nucleares

Hervir en BWR

En los BWR, la ebullición del refrigerante ocurre en el funcionamiento normal y es un fenómeno muy deseado. Las calidades de flujo típicas en los núcleos BWR son del orden del 10 al 20%. 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 la región de alta calidad. 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 .

Hervir en PWR

Aunque los primeros diseños de núcleos suponían que no se podía permitir la ebullición de la superficie en los PWR , esta suposición se rechazó pronto y la transferencia de calor en dos fases ahora es uno de los mecanismos de transferencia de calor de operación normal también en los PWR. Para los PWR en funcionamiento normal, hay un agua líquida comprimida dentro del núcleo del reactor, bucles y generadores de vapor. La presión se mantiene a aproximadamente 16MPa . A esta presión, el agua hierve a aproximadamente 350 ° C (662 ° F). Como se calculó en el ejemplo , la temperatura de la superficie T _{Zr, 1} = 325 ° C garantiza que ni siquiera se produce una ebullición subenfriada. Tenga en cuenta que, la ebullición subenfriada requiere T _{Zr, 1} = T _sat. Dado que las temperaturas de entrada del agua son generalmente de aproximadamente 290 ° C (554 ° F), es obvio que este ejemplo corresponde a la parte inferior del núcleo. A elevaciones más altas del núcleo, la temperatura aparente puede alcanzar hasta 330 ° C. La diferencia de temperatura de 29 ° C hace que se produzca la ebullición subenfriada (330 ° C + 29 ° C> 350 ° C). Por otro lado, la ebullición de nucleados en la superficie altera efectivamente la capa estancada y, por lo tanto, la ebullición de nucleados aumenta significativamente la capacidad de una superficie para transferir energía térmica al fluido a granel. Como resultado, el coeficiente de transferencia de calor por convección aumenta significativamente y, por lo tanto, a elevaciones más altas, la diferencia de temperatura (T _{Zr, 1} – T a _granel ) disminuye significativamente.

En el caso de los PWR , el problema crítico de seguridad se denomina DNB ( desviación de la ebullición de los 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. Este fenómeno ocurre en la región subenfriada o de baja calidad. El comportamiento de la crisis de ebullición depende de muchas condiciones de flujo (presión, temperatura, velocidad de flujo), pero la crisis de ebullición ocurre a flujos de calor relativamente altos y parece estar asociada con la nube de burbujas, adyacente a la superficie. Estas burbujas o películas de vapor reducen la cantidad de agua entrante. Dado que este fenómeno deteriora el coeficiente de transferencia de calor y el flujo de calor permanece, el calor se acumulaen la barra de combustible causando un aumento dramático del revestimiento y la temperatura del combustible .

Saturación en presurizador

Un  presuriz

Modos de ebullición – Tipos de ebullición

Desde un punto de vista práctico de ingeniería, la ebullición se puede clasificar de acuerdo con varios criterios .

Categorización por el régimen de flujo:

• Piscina hirviendo . Quizás la configuración más común, conocida como ebullición de piscinas es cuando una piscina de líquido se calienta desde abajo a través de una superficie horizontal. En la ebullición de la piscina, el líquido está inactivo y su movimiento cerca de la superficie se debe principalmente a la convección natural y a la mezcla inducida por el crecimiento y desprendimiento de burbujas. El trabajo pionero sobre la ebullición de la piscina fue realizado en 1934 por  S. Nukiyama. Fue el primero en identificar cuatro regímenes bien conocidos  de ebullición de piscinas  utilizando su aparato.

• Flujo de ebullición. En la ebullición de flujo (o ebullición por convección forzada), el flujo de fluido se fuerza sobre una superficie por medios externos como una bomba , así como por efectos de flotabilidad. Por lo tanto, la ebullición del flujo siempre va acompañada de otros efectos de convección. Las condiciones dependen en gran medida de la geometría, que puede involucrar flujo externo sobre placas y cilindros calentados o flujo interno (conducto). En los reactores nucleares , la mayoría de los regímenes de ebullición son solo ebullición por convección forzada.

Categorización por la temperatura de sobrecalentamiento de la pared, ΔT _sat :

El trabajo pionero sobre la ebullición fue realizado en 1934 por S. Nukiyama , quien utilizó cables de nicromo y platino calentados eléctricamente sumergidos en líquidos en sus experimentos. Nukiyama fue el primero en identificar diferentes regímenes de ebullición de piscinas utilizando su aparato. Se dio cuenta de que la ebullición toma diferentes formas, dependiendo del valor de la temperatura de sobrecalentamiento de la pared ΔT _sat (conocida también como el exceso de temperatura) , que se define como la diferencia entre la temperatura de la pared, la _pared T y la temperatura de saturación, T _sat .

Agua hirviendo

El agua  es una sustancia transparente y casi incolora compuesta por los elementos químicos  hidrógeno  y  oxígeno , que están conectados por  enlaces covalentes . En la Tierra, el agua existe en estado gaseoso ( vapor  o  vapor de agua ),  líquido y  sólido  (hielo). Es uno de los compuestos más abundantes y esenciales y es el componente principal de las corrientes, lagos y océanos de la Tierra, y los fluidos de la mayoría de los organismos vivos. Es vital para todas las formas de vida conocidas.

Además de ser esencial para la vida, el agua es una sustancia notable con muchas propiedades sorprendentes.

• Es el  único compuesto químico  que ocurre  naturalmente en los tres estados físicos  : gaseoso (vapor o vapor de agua), líquido y sólido (hielo).
• Es el  único líquido inorgánico  que ocurre naturalmente en la Tierra.
• El agua también difiere de la mayoría de los líquidos en que se vuelve  menos densa a medida que se congela . Tiene un máximo de densidad a 3.98 ° C (1000 kg / m ³ ), mientras que la densidad del hielo es de 917 kg / m ³ . Difiere en aproximadamente un 9% y, por lo tanto, el  hielo flota  en agua líquida
• El agua  tiene el  calor específico más alto  de cualquier sustancia común: 4.19 kJ / kg K.
• Tiene un calor de vaporización muy alto, lo que lo convierte en un  refrigerante  y  medio efectivo  en centrales térmicas y otras industrias energéticas.

En capítulos anteriores, hemos discutido la transferencia de calor por convección con una suposición muy importante. Asumimos una transferencia de calor por convección monofásica sin ningún cambio de fase. En este capítulo nos enfocamos en la transferencia de calor por convección asociada con el cambio en la fase de un fluido . En particular, consideramos procesos que pueden ocurrir en una interfaz sólido-líquido o sólido-vapor, a saber, ebullición (cambio de fase de líquido a vapor) y condensación ( cambio de fase de vapor a líquido).

Para estos casos, los efectos del calor latente asociados con el cambio de fase son significativos. El calor latente , conocido también como la entalpía de vaporización, es la cantidad de calor agregado o eliminado de una sustancia para producir un cambio de fase. Esta energía descompone las fuerzas de atracción intermoleculares, y también debe proporcionar la energía necesaria para expandir el gas (el trabajo pΔV ). Cuando se agrega calor latente , no ocurre cambio de temperatura.

La entalpía de la vaporización es una función de la presión a la que tiene lugar esa transformación.

Calor latente de vaporización – agua a 0.1 MPa (presión atmosférica)

h _lg = 2257 kJ / kg

Calor latente de vaporización – agua a 3 MPa

h _lg = 1795 kJ / kg

Calor latente de vaporización: agua a 16 MPa (presión dentro de un presurizador )

h _lg = 931 kJ / kg

El calor de vaporización disminuye al aumentar la presión, mientras que aumenta el punto de ebullición . Se desvanece por completo en un cierto punto llamado punto crítico . Por encima del punto crítico, las fases líquida y de vapor son indistinguibles, y la sustancia se llama fluido supercrítico .

El cambio del estado líquido al vapor debido a la ebullición se mantiene mediante la transferencia de calor desde la superficie sólida; por el contrario, la condensación de un vapor al estado líquido da como resultado la transferencia de calor a la superficie sólida. La ebullición y la condensación difieren de otras formas de convección en que dependen del calor latente de vaporización , que es muy alto para presiones comunes , por lo tanto, se pueden transferir grandes cantidades de calor durante la ebullición y la condensación esencialmente a temperatura constante. Los coeficientes de transferencia de calor , h, asociados con la ebullición y la condensación suelen ser mucho más altos.que los encontrados en otras formas de procesos de convección que involucran una sola fase.

Esto se debe al hecho de que, incluso en flujo turbulento , hay una capa de película de fluido estancada (subcapa laminar) que aísla la superficie del intercambiador de calor. Esta capa de película de fluido estancada juega un papel crucial para el coeficiente de transferencia de calor por convección. Se observa que el fluido se detiene completamente en la superficie y asume una velocidad cero en relación con la superficie. Este fenómeno se conoce como la condición antideslizante y, por lo tanto, en la superficie, el flujo de energía ocurre puramente por conducción. Pero en las siguientes capas se producen movimientos de conducción y difusión de masa en el nivel molecular o macroscópico. Debido al movimiento de masa, la tasa de transferencia de energía es mayor. Como fue escrito,La ebullición de nucleados en la superficie altera efectivamente esta capa estancada y, por lo tanto, la ebullición de nucleados aumenta significativamente la capacidad de una superficie para transferir energía térmica al fluido a granel.

Ebullición y condensación

En capítulos anteriores, hemos discutido la transferencia de calor por convección con una suposición muy importante. Asumimos una transferencia de calor por convección monofásica sin ningún cambio de fase. En este capítulo nos enfocamos en la transferencia de calor por convección asociada con el cambio en la fase de un fluido . En particular, consideramos procesos que pueden ocurrir en una interfaz sólido-líquido o sólido-vapor, a saber, ebullición (cambio de fase de líquido a vapor) y condensación ( cambio de fase de vapor a líquido).

Para estos casos, los efectos del calor latente asociados con el cambio de fase son significativos. El calor latente , conocido también como la entalpía de vaporización, es la cantidad de calor agregado o eliminado de una sustancia para producir un cambio de fase. Esta energía descompone las fuerzas de atracción intermoleculares, y también debe proporcionar la energía necesaria para expandir el gas (el trabajo pΔV ). Cuando se agrega calor latente , no ocurre cambio de temperatura.

La entalpía de la vaporización es una función de la presión a la que tiene lugar esa transformación.

Calor latente de vaporización – agua a 0.1 MPa (presión atmosférica)

h _lg = 2257 kJ / kg

Calor latente de vaporización: agua a 3 MPa (presión dentro de un generador de vapor)

h _lg = 1795 kJ / kg

Calor latente de vaporización: agua a 16 MPa (presión dentro de un presurizador )

h _lg = 931 kJ / kg

El calor de vaporización disminuye al aumentar la presión, mientras que aumenta el punto de ebullición . Se desvanece por completo en un cierto punto llamado punto crítico . Por encima del punto crítico, las fases líquida y de vapor son indistinguibles, y la sustancia se llama fluido supercrítico .

El cambio del estado líquido al vapor debido a la ebullición se mantiene mediante la transferencia de calor desde la superficie sólida; por el contrario, la condensación de un vapor al estado líquido da como resultado la transferencia de calor a la superficie sólida. La ebullición y la condensación difieren de otras formas de convección en que dependen del calor latente de vaporización , que es muy alto para presiones comunes , por lo tanto, se pueden transferir grandes cantidades de calor durante la ebullición y la condensación esencialmente a temperatura constante. Los coeficientes de transferencia de calor , h, asociados con la ebullición y la condensación suelen ser mucho más altos.que los encontrados en otras formas de procesos de convección que involucran una sola fase.

Esto se debe al hecho de que, incluso en flujo turbulento , hay una capa de película de fluido estancada (subcapa laminar) que aísla la superficie del intercambiador de calor. Esta capa de película de fluido estancada juega un papel crucial para el coeficiente de transferencia de calor por convección. Se observa que el fluido se detiene completamente en la superficie y asume una velocidad cero en relación con la superficie. Este fenómeno se conoce como la condición antideslizante y, por lo tanto, en la superficie, el flujo de energía ocurre puramente por conducción. Pero en las siguientes capas se producen movimientos de conducción y difusión de masa en el nivel molecular o macroscópico. Debido al movimiento de masa, la tasa de transferencia de energía es mayor. Como fue escrito,La ebullición de nucleados en la superficie altera efectivamente esta capa estancada y, por lo tanto, la ebullición de nucleados aumenta significativamente la capacidad de una superficie para transferir energía térmica al fluido a granel.

Saturación en presurizador

Un  presurizador  es un componente de un  reactor de agua a presión . La presión en el circuito primario  de los PWR se mantiene mediante un  presurizador , un recipiente separado que está conectado al circuito primario (pata caliente) y se llena parcialmente con agua que se calienta a la  temperatura de saturación  (punto de ebullición) para la presión deseada mediante electricidad sumergida.  calentadores. La temperatura en el presurizador se puede mantener a 350 ° C (662 ° F), lo que proporciona un margen de subenfriamiento (la diferencia entre la temperatura del presurizador y la temperatura más alta en el núcleo del reactor) de 30 ° C. El margen de subenfriamiento es un parámetro de seguridad muy importante de los PWR, ya que se debe excluir la ebullición en el núcleo del reactor. El diseño básico del  reactor de agua a presión  incluye el requisito de que el refrigerante (agua) en el sistema de refrigeración del reactor no debe hervir. Para lograr esto, el refrigerante en el sistema de refrigeración del reactor se mantiene a una presión suficientemente alta que no se produce la ebullición a las temperaturas del refrigerante experimentadas mientras la planta está funcionando o en un transitorio analizado.

Las funciones

La presión  en el presurizador se controla variando la temperatura del refrigerante en el presurizador. Para estos fines, se instalan dos sistemas. Sistema de rociado de agua  y  sistema de calentadores eléctricos . El volumen del presurizador (decenas de metros cúbicos) se llena con agua en los parámetros de saturación y vapor. El sistema de rociado de agua (agua relativamente fría – de la pierna fría) puede disminuir la presión en el recipiente al  condensar el vapor  en las gotas de agua rociadas en el recipiente. Por otro lado, los calentadores eléctricos sumergidos están diseñados para aumentar la presión por  evaporación del agua  en el recipiente. La presión del agua en un sistema cerrado rastrea la temperatura del agua directamente; A medida que aumenta la temperatura, aumenta la presión.

Hervir en generador 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. Se utilizan en la mayoría de las centrales nucleares, pero hay muchos tipos según el  tipo de reactor .

El refrigerante primario caliente ( agua 330 ° C; 626 ° F; 16MPa ) se bombea al  generador de vapor a  través de la entrada primaria. La alta presión del refrigerante primario se utiliza para mantener el agua en estado líquido. No se debe hervir el refrigerante primario.  El agua líquida fluye a través de cientos o miles de tubos (generalmente de 1,9 cm de diámetro) dentro del generador de vapor. El agua de alimentación (circuito secundario) se calienta desde  ~ 260 ° C 500 ° F  hasta el punto de ebullición de ese fluido  (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) . El calor se transfiere a través de las paredes de estos tubos al refrigerante secundario de baja presión ubicado en el lado secundario del intercambiador donde el refrigerante se evapora a vapor presurizado. (vapor saturado 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) . El vapor presurizado sale del generador de vapor a través de una salida de vapor y continúa hacia la turbina de vapor. La transferencia de calor se logra sin mezclar los dos fluidos para evitar que el refrigerante secundario se vuelva radioactivo. El refrigerante primario sale  (agua 295 ° C; 563 ° F; 16MPa)  del generador de vapor a través de la salida primaria y continúa a través de una pierna fría hasta la  bomba de refrigerante del reactor  y luego al reactor.

Condensación en el condensador principal

El condensador debe mantener un vacío bajo suficiente para aumentar la eficiencia de la central eléctrica. Las bombas de vacío mantienen un vacío suficiente en el condensador mediante la extracción de aire y gases no condensados. La presión de condensador más baja posible es la   presión de saturación correspondiente a la temperatura ambiente (por ejemplo, presión absoluta de  0.008 MPa,  que corresponde a  41.5 ° C ). Tenga en cuenta que siempre hay una diferencia de temperatura entre (alrededor de  ΔT = 14 ° C) la temperatura del condensador y la temperatura ambiente, que se origina en el tamaño finito y la eficiencia de los condensadores. Dado que ninguno de los condensadores es un intercambiador de calor 100% eficiente, siempre hay una diferencia de temperatura entre la temperatura de saturación (lado secundario) y la temperatura del refrigerante en el sistema de enfriamiento. Además, existe una ineficiencia en el diseño, que disminuye la eficiencia general de la turbina. Idealmente, el vapor extraído al condensador no tendría  subenfriamiento . Pero los condensadores reales están diseñados para subenfriar el líquido unos pocos grados centígrados para evitar la  cavitación por succión  en las bombas de condensado. Pero, este subenfriamiento aumenta la ineficiencia del ciclo, porque se necesita más energía para recalentar el agua.

El objetivo de mantener la presión de escape de turbina práctica más baja es una razón principal para incluir el condensador en una central térmica. El condensador proporciona un vacío que maximiza la energía extraída del vapor, lo que resulta en un aumento significativo en el trabajo neto y la eficiencia térmica. Pero también este parámetro (presión del condensador) tiene sus límites de ingeniería:

• Disminuir la presión de escape de la turbina disminuye la calidad del vapor (o fracción de sequedad). En algún momento, se debe finalizar la expansión para evitar daños que puedan ser causados ​​a las aspas de la turbina de vapor por vapor de  baja calidad .
• La disminución de la presión de escape de la turbina aumenta significativamente el volumen específico de vapor extraído, lo que requiere palas enormes en las últimas filas de la etapa de baja presión de la turbina de vapor.

En una turbina de vapor húmedo típica  , el vapor agotado se condensa en el condensador y está a una presión muy inferior a la atmosférica (presión absoluta de  0.008 MPa,  que corresponde a 41.5 ° C). Este vapor está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%. Tenga en cuenta que la presión dentro del condensador también depende de las condiciones atmosféricas ambientales:

• temperatura del aire, presión y humedad en caso de enfriamiento a la atmósfera
• temperatura del agua y caudal en caso de enfriamiento en un río o mar

Un aumento en la temperatura ambiente provoca un aumento proporcional en la presión del vapor agotado ( ΔT = 14 ° C  suele ser una constante), por lo tanto, la eficiencia térmica del sistema de conversión de energía disminuye. En otras palabras, la  salida eléctrica  de una planta de energía  puede variar  con las  condiciones ambientales , mientras que la energía térmica permanece constante.

Para mantener los parámetros dentro del condensador (0.008 MPa y 41.5 ° C), el  agua  de enfriamiento del sistema de enfriamiento debe estar suficientemente fría y no puede haber una gran diferencia de temperatura entre la temperatura del agua de salida y la de entrada, por lo tanto, el caudal a través del sistema de enfriamiento debe ser muy alto. El caudal a través del sistema de enfriamiento (con torres de enfriamiento húmedo) puede ser de hasta 100 000 m3 / h (27,7 m3 / s). La entrada de agua del condensador puede tener aproximadamente 22 ° C (dependiendo en gran medida de las condiciones ambientales), mientras que la salida del condensador puede tener aproximadamente 25 ° C. Los sistemas de enfriamiento de agua de mar funcionan a caudales más altos, por ejemplo, 130 000 m3 / h.

Circulación natural en ingeniería de reactores

En la ingeniería del reactor , la circulación natural es un fenómeno muy deseado, ya que es capaz de proporcionar enfriamiento del núcleo del reactor después de la pérdida de RCP (por ejemplo, después de la pérdida de energía fuera del sitio – LOOP). En los PWR, el diseño de la planta proporciona una diferencia de elevación , h , de aproximadamente 12 metros entre la línea central del generador de vapor y la línea central del núcleo del reactor . El diseño del sistema debe garantizar la capacidad de circulación natural después de una pérdida de flujo para permitir el enfriamiento sin sobrecalentar el núcleo. Además, la tubería de interconexión del recipiente a presión del reactorLos generadores de vapor deben estar intactos, libres de obstrucciones como gases no condensables (por ejemplo, bolsas de vapor). De esta manera, la circulación natural asegurará que el fluido continuará fluyendo mientras el reactor esté más caliente que el disipador de calor, incluso cuando no se pueda suministrar energía a las bombas.

Los RCP no suelen ser un “sistema de seguridad”, como se define. Después de la pérdida de RCP (p. Ej., Después de la pérdida de energía fuera del sitio – LOOP), el reactor debe apagarse inmediatamente, ya que los RCP disminuyen lentamente a velocidad de flujo cero. La eliminación de calor residual suficiente y segura se asegura mediante un flujo de circulación natural a través del reactor. Sin flujo forzado, el refrigerante en el núcleo comienza a calentarse. El aumento de la temperatura del refrigerante provoca una reducción en la densidad del refrigerante, que a su vez mueve el refrigerante al generador de vapor. Cabe señalar que la circulación natural no es suficiente para eliminar el calor generado cuando el reactor está en funcionamiento.

Los diseños modernos de reactores utilizan la circulación natural, una característica de seguridad muy importante . Muchos sistemas de seguridad pasiva en diseños de reactores modernos operan sin usar ninguna bomba, lo que aumenta la seguridad, integridad y confiabilidad del diseño, al tiempo que reduce el costo total del reactor.

Indicadores de circulación natural.

En los PWR, se pueden usar varios parámetros para indicar o verificar que está ocurriendo la circulación natural. Esto depende del tipo de planta y los sistemas de la planta. Por ejemplo, para un PWR, los parámetros seleccionados que se pueden usar son los siguientes:

• Idealmente, el caudal puede medirse en cada uno de los bucles.
• ΔT ( T _Caliente – T _Frío ). La diferencia de temperatura entre las piernas calientes y las piernas frías debe ser del 25-80% del valor de potencia total y disminuir de manera constante o lenta. Esto indica que el calor de descomposición se está eliminando del sistema a una velocidad adecuada para mantener o reducir las temperaturas centrales.
• Las temperaturas de las piernas calientes y frías deben ser constantes o disminuir lentamente. Nuevamente, esto indica que se está eliminando el calor y que la carga de calor de disminución está disminuyendo como se esperaba.
• La presión de vapor del generador de vapor (presión lateral secundaria) debe seguir la temperatura del sistema de refrigeración del reactor. Esto verifica que el generador de vapor está eliminando calor del refrigerante RCS.

Referencia especial: Circulación natural en centrales nucleares refrigeradas por agua, IAEA-TECDOC-1474. OIEA, 2005. ISBN 92–1–110605 – X.

Fuerza de resistencia hidráulica

Como se escribió, el caudal de circulación natural , V, en el bucle, en estado estacionario, se determina a partir del equilibrio entre el cabezal impulsor y las fuerzas de resistencia. Al igual que la fricción de la tubería, las pérdidas de presión generales son proporcionales al cuadrado del caudal y, por lo tanto, pueden integrarse fácilmente en la ecuación de Darcy-Weisbach . Los ingenieros a menudo usan el coeficiente de pérdida de presión , PLC . Se observa K o ξ (pronunciado “xi”). Este coeficiente caracteriza la pérdida de presión.de cierto sistema hidráulico o de una parte de un sistema hidráulico. Se puede medir fácilmente en bucles hidráulicos. El coeficiente de pérdida de presión se puede definir o medir para tuberías rectas y especialmente para pérdidas locales (menores) . Dado que el factor de fricción de Darcy es una función de la velocidad (en el número de Reynolds), el cálculo del coeficiente de pérdida de presión es un proceso iterativo.

Circulación natural – Caudal

El caudal de circulación natural en el circuito, en condiciones de estado estable, se determina a partir del equilibrio entre las fuerzas de conducción y resistencia . La fuerza motriz resulta de la diferencia de densidad entre el tramo caliente y el tramo frío del circuito. La altura requerida para compensar las pérdidas de altura es creada por gradientes de densidad y cambios de elevación.

Cabezal de conducción térmica

El cabezal de accionamiento térmico es la fuerza que provoca la circulación natural . Es causada por la diferencia de densidad entre dos cuerpos o áreas de fluido. Considere dos volúmenes iguales del mismo tipo de fluido. Si los dos volúmenes no están a la misma temperatura , entonces el volumen con la temperatura más alta también tendrá una densidad más baja y, por lo tanto, menos masa. Se sabe que la densidad de gases y líquidos depende de la temperatura, generalmente disminuyendo (debido a la expansión del fluido) con el aumento de la temperatura. Dado que el volumen a la temperatura más alta tendrá una masa más baja, también tendrá menos fuerza ejercida sobre él por la gravedad. Esta diferencia en la fuerza de gravedad ejercida sobre el fluido tenderá a hacer que el fluido más caliente se eleve y el fluido más frío se hunda. El cabezal de accionamiento térmico se puede calcular simplemente usando la diferencia en las presiones hidrostáticas:

Como se puede ver, cuanto mayor es la diferencia de temperatura entre las áreas frías y calientes del fluido, mayor es el cabezal térmico y el caudal resultante.

Circulación natural – Caudal

El caudal de circulación natural en el circuito, en condiciones de estado estable, se determina a partir del equilibrio entre las fuerzas de conducción y resistencia . La fuerza motriz resulta de la diferencia de densidad entre el tramo caliente y el tramo frío del circuito. La altura requerida para compensar las pérdidas de altura es creada por gradientes de densidad y cambios de elevación.

Condiciones requeridas para la circulación natural

De manera similar a la convección natural , la circulación natural esencialmente no opera en la órbita de la Tierra. La circulación natural ocurre en un bucle solo bajo condiciones específicas. Incluso después de que ha comenzado la circulación natural, la eliminación de cualquiera de estas condiciones hará que la circulación natural se detenga . Las condiciones para la circulación natural son las siguientes:

• Presencia de aceleración adecuada. La circulación natural solo puede ocurrir en un campo gravitacional o en presencia de otra aceleración adecuada, como la aceleración, la fuerza centrífuga.
• Presencia de fuente de calor y disipador de calor . Se requieren fuente de calor y disipador de calor, porque la circulación naturalse genera por la diferencia de densidad en el fluido que ocurre debido a la diferencia de temperatura. El fluido que ingresa a una fuente de calor recibe calor y, por expansión térmica, se vuelve menos denso y se eleva. La expansión térmica del fluido juega un papel crucial. El proceso en un canto térmico es opuesto, el canto térmico recibe calor y el fluido se vuelve más denso. La diferencia de densidad es la fuerza impulsora del flujo de circulación natural. La diferencia de temperatura debe mantenerse para que continúe la circulación natural. La adición de calor por una fuente de calor debe existir en el área de alta temperatura. La eliminación continua de calor por un disipador de calor debe existir en el área de baja temperatura. De lo contrario, las temperaturas eventualmente se igualarían y no se produciría más circulación.
• Geometría adecuada. La presencia y la magnitud de la circulación natural también dependen de la geometría del problema. La presencia de un gradiente de densidad de fluido en un campo gravitacional no asegura la existencia de corrientes de convección naturales. La circulación natural en un circuito cerrado lleno de fluido se establece al ubicar un disipador de calor en el circuito a una altura que es más alta que la fuente de calor. El fluido circulante elimina el calor de la fuente y lo transporta al fregadero. El flujo puede ser monofásico o bifásico en el que el vapor fluye junto al líquido. La diferencia de temperatura debe mantenerse para que continúe la circulación natural. La adición de calor por una fuente de calor debe existir en el área de alta temperatura. La eliminación continua de calor por un disipador de calor debe existir en el área de baja temperatura. De lo contrario, las temperaturas eventualmente se igualarían, y no se produciría más circulación. Es posible que la circulación natural tenga lugar en un flujo de dos fases, pero generalmente es más difícil mantener el flujo.
• Fluidos en contacto . Las dos áreas deben estar en contacto para que el flujo entre las áreas sea posible. Si el camino del flujo está obstruido o bloqueado, entonces no puede ocurrir circulación natural.

Circulación natural – Caudal

El caudal de circulación natural en el circuito, en condiciones de estado estable, se determina a partir del equilibrio entre las fuerzas de conducción y resistencia . La fuerza motriz resulta de la diferencia de densidad entre el tramo caliente y el tramo frío del circuito. La altura requerida para compensar las pérdidas de altura es creada por gradientes de densidad y cambios de elevación.

Cabezal de conducción térmica

El cabezal de accionamiento térmico es la fuerza que provoca la circulación natural . Es causada por la diferencia de densidad entre dos cuerpos o áreas de fluido. Considere dos volúmenes iguales del mismo tipo de fluido. Si los dos volúmenes no están a la misma temperatura , entonces el volumen con la temperatura más alta también tendrá una densidad más baja y, por lo tanto, menos masa. Se sabe que la densidad de gases y líquidos depende de la temperatura, generalmente disminuyendo (debido a la expansión del fluido) con el aumento de la temperatura. Dado que el volumen a la temperatura más alta tendrá una masa más baja, también tendrá menos fuerza ejercida sobre él por la gravedad. Esta diferencia en la fuerza de gravedad ejercida sobre el fluido tenderá a hacer que el fluido más caliente se eleve y el fluido más frío se hunda. El cabezal de accionamiento térmico se puede calcular simplemente usando la diferencia en las presiones hidrostáticas:

Como se puede ver, cuanto mayor es la diferencia de temperatura entre las áreas frías y calientes del fluido, mayor es el cabezal térmico y el caudal resultante.

Fuerza de resistencia hidráulica

Como se escribió, el caudal de circulación natural , V, en el bucle, en estado estacionario, se determina a partir del equilibrio entre el cabezal impulsor y las fuerzas de resistencia. Al igual que la fricción de la tubería, las pérdidas de presión generales son proporcionales al cuadrado del caudal y, por lo tanto, pueden integrarse fácilmente en la ecuación de Darcy-Weisbach . Los ingenieros a menudo usan el coeficiente de pérdida de presión , PLC . Se observa K o ξ (pronunciado “xi”). Este coeficiente caracteriza la pérdida de presión.de cierto sistema hidráulico o de una parte de un sistema hidráulico. Se puede medir fácilmente en bucles hidráulicos. El coeficiente de pérdida de presión se puede definir o medir tanto para tuberías rectas como para pérdidas locales (menores) . Dado que el factor de fricción de Darcy es una función de la velocidad (en el número de Reynolds), el cálculo del coeficiente de pérdida de presión es un proceso iterativo.

Convección forzada

Como se escribió, la convección tiene lugar mediante advección, difusión o ambas. En este capítulo consideramos la transferencia por convección en los flujos de fluidos que se originan a partir de una condición de forzamiento externo:  convección forzada .

Ley de enfriamiento de Newton

A pesar de la complejidad de la convección , se observa que la tasa de transferencia de calor por convección es proporcional a la diferencia de temperatura y se expresa convenientemente por la ley de enfriamiento de Newton , que establece que:

La tasa de pérdida de calor de un cuerpo es directamente proporcional a la diferencia de temperaturas entre el cuerpo y sus alrededores, siempre que la diferencia de temperatura sea pequeña y la naturaleza de la superficie radiante permanezca igual.

Tenga en cuenta que, ΔT viene dado por la temperatura de la superficie o la pared , la _pared T y la temperatura total , T _∞ , que es la temperatura del fluido suficientemente lejos de la superficie.

Convección forzada – Ecuación de Dittus-Boelter

Para un flujo turbulento completamente desarrollado (hidrodinámicamente y térmicamente)   en un tubo circular liso, el número local de  Nusselt  puede obtenerse de la conocida  ecuación Dittus-Boelter . La  ecuación Dittus® Boelter  es fácil de resolver, pero es menos precisa cuando hay una gran diferencia de temperatura en el  fluido  y es menos precisa para tubos rugosos (muchas aplicaciones comerciales), ya que está diseñada para tubos lisos.

La  correlación Dittus-Boelter  puede usarse para diferencias de temperatura pequeñas a moderadas, T _wall  – T _avg , con todas las propiedades evaluadas a una temperatura _promedio T _avg .

Para flujos caracterizados por grandes variaciones de propiedades, las correcciones (p. Ej., Un factor de corrección de viscosidad  μ / μ _wall ) deben tenerse en cuenta, por ejemplo, como recomiendan Sieder y Tate.

Convección Forzada y Natural Combinada

Como se escribió, la convección tiene lugar mediante advección, difusión o ambas. En los capítulos anteriores consideramos la transferencia por convección en flujos de fluidos que se originan a partir de una condición de forzamiento externo:  convección forzada . En este capítulo, consideramos  la convección natural , donde cualquier movimiento de fluidos ocurre por medios naturales como la flotabilidad. De hecho, hay regímenes de flujo, en los que tenemos que considerar  ambos mecanismos de fuerza . Cuando las velocidades de flujo son bajas, la convección natural también contribuirá además de la convección forzada. Si la convección libre es o no importante para la transferencia de calor, se puede verificar utilizando los siguientes criterios:

• Si Gr / Re ²  >> 1 prevalece la convección libre
• Si Gr / Re ²  << 1 prevalece la convección forzada
• Si Gr / Re ²  ≈ 1 ambos deben considerarse

El efecto de la flotabilidad sobre la transferencia de calor en un flujo forzado está fuertemente influenciado por la dirección de la fuerza de flotabilidad en relación con la del flujo. La convección natural  puede  ayudar  o  dañar  la transferencia de calor por convección forzada, dependiendo de las direcciones relativas de los movimientos de convección forzada y de flotabilidad. Tres casos especiales que se han estudiado ampliamente corresponden a movimientos inducidos por la flotabilidad y forzados:

• Ayudar a fluir . El movimiento flotante está en la misma dirección que el movimiento forzado.
• Flujo opuesto . El movimiento flotante está en la dirección opuesta al movimiento forzado.
• Flujo transversal . El movimiento flotante es perpendicular al movimiento forzado.

Es obvio que, en los flujos de asistencia y transversales, la flotabilidad mejora la velocidad de transferencia de calor asociada con la convección forzada pura. Por otro lado, en flujos opuestos, disminuye la velocidad de transferencia de calor. Al determinar el  número de Nusselt  en condiciones de convección natural y forzada combinadas, es tentador agregar las contribuciones de la convección natural y forzada para ayudar a los flujos y restarlos en flujos opuestos:

Convección Forzada y Natural Combinada

Para la geometría específica de interés, los números de Nusselt  Nu _forzado  y  Nu _natural  se determinan a partir de las correlaciones existentes para convección puramente forzada y natural (libre), respectivamente. La mejor correlación de los datos con los experimentos a menudo se obtiene para el  exponente n = 3 , pero puede variar entre 3 y 4, dependiendo de la geometría del problema.