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Condensación gota a gota

De manera similar como en el capítulo anterior, en este capítulo discutiremos la transferencia de calor con el cambio de fase, pero en este caso discutiremos la condensación de la fase gaseosa (cambio de fase de vapor a líquido).

En general, la condensación es el cambio del estado físico de la materia de la fase gaseosa a la fase líquida, y es el reverso de la vaporización . Los procesos de flujo asociados con la condensación en una superficie sólida son casi una imagen especular de aquellos involucrados en la ebullición. La condensación ocurre cuando la temperatura de un vapor se reduce por debajo de su temperatura de saturación o cuando la presión de un vapor se incrementa por encima de sus parámetros de saturación (ver diagrama de fase del agua).

En la condensación gota a gota , el vapor condensado forma gotas en la superficie en lugar de una película continua. La condensación gota a gota puede ocurrir cuando la superficie no  humedece  o estas gotitas son quitadas de la superficie por flujo externo o por gravedad. El vapor está en contacto directo con la superficie en la mayor parte del área y las tasas de transferencia de calor son mucho más altas (más de 3 a 10 veces más altas) ya que hay muy poca resistencia al flujo de calor entre el vapor y la superficie. Las gotas se desarrollan en los sitios de nucleación (puntos de imperfecciones de la superficie, como fosas, rasguños y cavidades), y crecen en tamaño a medida que se condensa más vapor en su superficie expuesta. Para  condensadores de vapor, es una práctica común usar recubrimientos de superficie (silicio, teflones o ceras) que inhiben la humectación y, por lo tanto, estimulan la condensación gota a gota. Pero los recubrimientos pierden gradualmente su efectividad debido a la eliminación, oxidación, etc. En la práctica, no se encuentra ninguna superficie que continúe como no humectante durante ningún período de tiempo. Dado que en la mayoría de las aplicaciones de ingeniería a menudo es difícil mantener esta condición, no es aconsejable usar el valor de los coeficientes de transferencia de calor suponiendo una condensación gota a gota para fines de diseño.

Condensación de la película

De manera similar como en el capítulo anterior, en este capítulo discutiremos la transferencia de calor con el cambio de fase, pero en este caso discutiremos la condensación de la fase gaseosa (cambio de fase de vapor a líquido).

En general, la condensación es el cambio del estado físico de la materia de la fase gaseosa a la fase líquida, y es el reverso de la vaporización . Los procesos de flujo asociados con la condensación en una superficie sólida son casi una imagen especular de aquellos involucrados en la ebullición. La condensación ocurre cuando la temperatura de un vapor se reduce por debajo de su temperatura de saturación o cuando la presión de un vapor se incrementa por encima de sus parámetros de saturación (ver diagrama de fase del agua).

En la  condensación de película , el condensado humedece la superficie y forma una película líquida en la superficie que se desliza hacia abajo bajo la influencia de la gravedad. La condensación de la película da como resultado tasas de transferencia de calor bajas ya que la película de condensado impide la transferencia de calor. El espesor de la película formada depende de muchos parámetros, incluida la orientación de la superficie, la viscosidad, la velocidad de condensación, etc. La película aumenta  la resistencia térmica  al flujo de calor entre la superficie y el vapor. La tasa de transferencia de calor se reduce debido a esta resistencia.

Condensación en plantas de energía – Condensador principal

El sistema del  condensador de vapor principal  (MC) está diseñado para  condensar  y  desairear  el vapor de escape de la turbina principal y proporcionar un disipador de calor para el sistema de derivación de la turbina. El vapor extraído de las turbinas de LP se condensa al pasar sobre tubos que contienen agua del sistema de enfriamiento. Hay una unidad condensadora principal debajo de  cada  turbina de LP , generalmente debajo de la turbina con su eje perpendicular al eje de la turbina. Dado que las plantas de energía nuclear suelen contener también un condensador auxiliar (por ejemplo, para condensar el vapor de las bombas de agua de alimentación impulsadas por vapor), los ingenieros utilizan el término ” condensador principal “.

Ver también: 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. Como ninguno de los dos 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.

Los  condensadores de vapor  se clasifican en general en dos tipos:

• Condensadores de superficie  (o condensadores de tipo no mezclador). En los condensadores de superficie, no hay contacto directo entre el vapor de escape y el agua de enfriamiento.
• Condensadores de chorro  (o condensadores de tipo de mezcla). En los condensadores de chorro hay contacto directo entre el vapor de escape y el agua de enfriamiento.

Para la condensación, los efectos de calor latente asociados con el cambio de fase son significativos, de manera similar a la ebullición, pero a la inversa. Tenga en cuenta que la entalpía de condensación (o calor de condensación ) es, por definición, igual a la entalpía de vaporización con el signo opuesto. El calor latente es la cantidad de calor agregado o eliminado de una sustancia para producir un cambio de fase. Durante la vaporización, 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 o elimina 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 condensación – agua a 0.1 MPa (presión atmosférica)

h _lg = – 2257 kJ / kg

Calor latente de condensación – agua a 3 MPa

h _lg = – 1795 kJ / kg

Calor latente de condensación – agua a 16 MPa (presión dentro de un presurizador )

h _lg = – 931 kJ / kg

El calor de condensación 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 calor de condensación es el calor liberado para condensar completamente una unidad de vapor saturado y es igual a –  h _lg  = h _l – h _g .

El calor que es necesario para derretir (o congelar) una unidad de masa en la sustancia a presión constante es el calor de fusión y es igual a  h _sl  = h _l  – h _s , donde h _s  es la entalpía del sólido saturado y h _l  Es la entalpía del líquido saturado.

Condensación

De manera similar como en el capítulo anterior, en este capítulo discutiremos la transferencia de calor con el cambio de fase, pero en este caso discutiremos la condensación de la fase gaseosa (cambio de fase de vapor a líquido).

En general, la condensación es el cambio del estado físico de la materia de la fase gaseosa a la fase líquida, y es el reverso de la vaporización . Los procesos de flujo asociados con la condensación en una superficie sólida son casi una imagen especular de aquellos involucrados en la ebullición. La condensación ocurre cuando la temperatura de un vapor se reduce por debajo de su temperatura de saturación o cuando la presión de un vapor se incrementa por encima de sus parámetros de saturación (ver diagrama de fase del agua).

Correlaciones de ebullición nucleada – Correlación de Rohsenow

Los regímenes de ebullición discutidos anteriormente difieren considerablemente en su carácter. También hay diferentes correlaciones que describen la transferencia de calor. En esta sección revisamos algunas de las correlaciones más utilizadas para la ebullición de nucleados.

Nucleate Pool Hervir

Correlación de Rohsenow

Rohsenow propuso en 1952 la correlación más utilizada para la tasa de transferencia de calor en la ebullición de la piscina de nucleados :

Correlación de Rohsenow

dónde

• q – flujo de calor de ebullición de la piscina nucleada [W / m ² ]
• c ₁ – calor específico del líquido J / kg K
• ΔT – exceso de temperatura ° C o K
• h _fg  – entalpía de vaporización, J / kg
• Pr – número de líquido de Prandtl
• n – constante experimental igual a 1 para agua y 1.7 para otros fluidos
• C _sf – factor de fluido superficial, por ejemplo, el agua y el níquel tienen un C _sf de 0.006
• μ ₁ – viscosidad dinámica del líquido kg / ms
• g – aceleración gravitacional m / s ²
• g ₀ – factor de conversión de fuerza kgm / Ns ²
• ρ ₁ – densidad del líquido kg / m ³
• ρ _v – densidad de vapor kg / m ³
• σ – interfaz de tensión superficial-líquido-vapor N / m

Como se puede ver, ΔT ∝ (q) ^⅓ . Esta proporcionalidad muy importante muestra la creciente capacidad de la interfaz para transferir calor.

Relación de potencia crítica: secado

En los BWR, un fenómeno similar se conoce como “secado” y está directamente asociado con cambios en el patrón de flujo durante la evaporación en la región de alta calidad. A combinaciones dadas de velocidad de flujo a través de un canal, presión, calidad de flujo y velocidad de calor lineal, la película líquida de la pared puede agotarse y la pared puede secarse . En condiciones normales, la superficie del combustible se enfría efectivamente por medio de 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 unaumento drásticamente la temperatura de la superficie del combustible . En la región de alta calidad, la crisis ocurre con un flujo de calor más bajo. Dado que la velocidad de flujo en el núcleo de vapor es alta, la transferencia de calor post-CHF es mucho mejor que para el flujo crítico de baja calidad (es decir, para los aumentos de temperatura PWR son más altos y más rápidos).

Los modos típicos de ebullición de flujo en un canal vertical se representan en la figura. Esta figura muestra el orden típico de los regímenes de flujo que se encuentran desde la entrada hasta la salida de un canal calentado . En la entrada, el líquido ingresa subenfriado (a la temperatura más baja que la saturación). En esta región, el flujo es monofásico. A medida que el líquido se calienta, la temperatura de la pared aumenta correspondientemente. A medida que la temperatura de la pared excede la temperatura de saturación (por ejemplo, 285 ° C a 6,8 MPa), comienza la ebullición de nucleato subenfriado . Las burbujas se nuclean en la capa límite térmica sobrecalentada en la pared calentada, pero tienden a condensarse en la masa subenfriada .

El aumento adicional de la temperatura del líquido provoca que el volumen del líquido alcance su temperatura de saturación y que el proceso de ebullición convectiva pase a través del flujo burbujeante hacia el flujo de babosas . El aumento de la fracción vacía hace que la estructura del flujo se vuelva inestable. El proceso de ebullición pasa a través de la babosa y el flujo de rotación al régimen de flujo anular con su película anular característica del líquido. A combinaciones dadas de velocidad de flujo a través de un canal, presión, calidad de flujo y velocidad de calor lineal, la película líquida de la pared puede agotarse y la pared puede secarse. En el punto de secado, la temperatura de la pared aumenta significativamente para disipar el flujo de calor aplicado. El flujo posterior al secado (flujo de niebla o caída ) en el canal calentado no es deseable, porque la presencia de dicho régimen de flujo se acompaña de temperaturas de pared significativamente más altas y una alta fluctuación de las temperaturas de la pared.

En este caso, los ingenieros definen el parámetro conocido como la relación de potencia crítica mínima (MCPR) en lugar de DNBR. La relación de potencia crítica (RCP) se utiliza para determinar los límites térmicos de los reactores de agua en ebullición.

Definición de RCP:

La RCP es esa potencia en el ensamblaje que se calcula mediante la aplicación de la (s) correlación (es) adecuada (s) para que algún punto del ensamblaje experimente una transición de ebullición, dividida por la potencia operativa real del ensamblaje.

Referencia especial: Tong, LS, Weisman, Joel. Análisis térmico de reactores de agua a presión. Sociedad nuclear de Amer, 3a edición, 5/1996. ISBN-13: 978-0894480386.

Salida de ebullición nucleada – DNB

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 . Simplemente, se requiere una diferencia de temperatura muy alta para transferir el flujo de calor crítico que se produce desde la superficie de la barra de combustible al refrigerante del reactor (a través de la capa de vapor).

En el caso de los PWR, el flujo crítico es el flujo anular invertido , mientras que en los BWR, el flujo crítico suele ser el flujo anular. La figura muestra la diferencia en el régimen de flujo entre el flujo posterior al secado y el flujo posterior al DNB. 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 los reactores de agua a presión, uno de los requisitos clave de seguridad es que no se producirá un alejamiento de la ebullición nucleada (DNB) durante la operación en estado estacionario, los transitorios operativos normales y las ocurrencias operativas anticipadas (AOO). La integridad del revestimiento de combustible se mantendrá si el DNBR mínimo permanece por encima del límite de 95/95 DNBR para PWR (una probabilidad del 95% a un nivel de confianza del 95%). El criterio DNB es uno de los criterios de aceptación en los análisis de seguridad y constituye uno de los límites de seguridad en las especificaciones técnicas.

Una tarea importante del operador de la planta es controlar los parámetros de la planta de modo que se mantenga un margen seguro para DNB (o la distancia desde DNB en la curva de transferencia de calor). Cualquier cambio repentino y grande en los siguientes parámetros / direcciones de la planta disminuirá el margen a DNB:

• Disminución de la presión del refrigerante del reactor.
• Disminución del caudal de refrigerante del reactor
• Aumento de la potencia del reactor.
• Aumento de la temperatura de entrada del refrigerante del reactor.

Por lo tanto, la función de los operadores y el diseño de la planta es evitar un cambio repentino y grande en estos parámetros de la planta.

Crisis hirviendo

En este capítulo, estudiaremos el flujo de ebullición en un canal vertical calentado. Los regímenes de ebullición y la curva de flujo de calor son similares (no iguales) a los de la ebullición de la piscina . El proceso también ocurre en modernas calderas de circulación forzada de alta presión.

El trabajo pionero sobre la ebullición de la piscina 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. Para el flujo de ebullición como en el canal de combustible, la curva será diferente, pero los resultados principales serán similares.

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%.

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.

En ambos diseños, 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. Los cambios dinámicos del régimen de ebullición asociados con exceder el flujo de calor crítico se conocen ampliamente como “crisis de ebullición”.

Recuperador – Intercambiador de calor

En general, los  intercambiadores de calor  utilizados en la regeneración pueden clasificarse como  regeneradores  o  recuperadores .

• Regenerator  es un tipo de intercambiador de calor donde el calor del fluido caliente se almacena de forma intermitente en un medio de almacenamiento térmico antes de ser transferido al fluido frío. Tiene una única ruta de flujo en la que los fluidos calientes y fríos pasan alternativamente.

• El recuperador  es un tipo de intercambiador de calor que tiene  rutas de flujo separadas  para cada fluido a lo largo de sus propios pasos y el calor se transfiere a través de las paredes de separación. Los recuperadores (p. Ej. Economizadores) a menudo se utilizan en ingeniería de energía, para aumentar la eficiencia general de los ciclos termodinámicos. Por ejemplo, en un motor de turbina de gas. El recuperador transfiere parte del calor residual en el escape al aire comprimido, precalentando así antes de ingresar a la cámara de combustión. Muchos recuperadores están diseñados como   intercambiadores de calor de contraflujo .

Regeneración de calor

En la teoría de las turbinas de vapor, se pueden lograr aumentos significativos en la eficiencia térmica de la turbina de vapor mediante la reducción de la  cantidad de combustible  que se debe agregar a la caldera. Esto se puede hacer transfiriendo calor (por ejemplo, vapor parcialmente expandido) desde ciertas secciones de la turbina de vapor, que normalmente está muy por encima de la temperatura ambiente, al agua de alimentación. Este proceso se conoce como  regeneración de calor  y se puede usar una variedad de regeneradores de  calor  para este propósito. A veces, los ingenieros usan el término  economizador  que son intercambiadores de calor destinados a reducir el consumo de energía, especialmente en caso de  precalentamiento de un fluido .

Como se puede ver en el artículo ” Generador de vapor “, el agua de alimentación (circuito secundario) en la entrada del generador de vapor puede tener aproximadamente  ~ 230 ° C (446 ° F) y luego se calienta hasta el punto de ebullición de ese fluido  (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) y evaporado. Pero el condensado en la salida del condensador puede tener aproximadamente  40 ° C , por lo que la regeneración de calor en PWR típico es significativa y muy importante:

• La regeneración de calor aumenta la eficiencia térmica, ya que una mayor parte del flujo de calor en el ciclo ocurre a una temperatura más alta.
• La regeneración de calor provoca una disminución en el caudal másico a través de la etapa de baja presión de la turbina de vapor, lo que aumenta la eficiencia de la turbina isentrópica de LP. Tenga en cuenta que en la última etapa de expansión, el vapor tiene un volumen específico muy alto.
• La regeneración de calor provoca un aumento en la calidad del vapor de trabajo, ya que los desagües están situados en la periferia de la carcasa de la turbina, donde hay una mayor concentración de gotas de agua.

Análisis de intercambiadores de calor

Los intercambiadores de calor se usan comúnmente en la industria, y el diseño adecuado de un intercambiador de calor depende de muchas variables. En el análisis de los intercambiadores de calor, a menudo es conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor en general, conocido como un factor U. El factor U se define por una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton. Además, los ingenieros también utilizan ladiferencia de temperatura media logarítmica(LMTD) para determinar la fuerza impulsora de la temperatura para la transferencia de calor en los intercambiadores de calor.

Referencia especial: John R. Thome, Libro de datos de ingeniería III. Wolverine Tube Inc. 2004.