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Qué es la resistencia en física: resistencia al aire y a los fluidos

En dinámica de fluidos , el arrastre es una fuerza que actúa opuesta al movimiento relativo de cualquier objeto en movimiento. La fuerza que ejerce un fluido que fluye sobre un cuerpo en la dirección del flujo. A diferencia de otras fuerzas resistivas, como la fricción en seco, que son casi independientes de la velocidad, las fuerzas de arrastre dependen de la velocidad. La fuerza de arrastre es proporcional a la velocidad para un flujo laminar y la velocidad al cuadrado para un flujo turbulento. El arrastre generalmente es causado por dos fenómenos:

• 

  Fricción De La Piel . En general, cuando un fluido fluye a través de una superficie estacionaria , por ejemplo, la placa plana, la cama de un río, o la pared de un tubo, el fluido de tocar la superficie se lleva a descansar por la tensión de cizallamiento a la pared. La región en la que el flujo se ajusta desde la velocidad cero en la pared hasta un máximo en la corriente principal del flujo se denomina capa límite . Por lo tanto, un fluido en movimiento ejerce fuerzas de corte tangenciales en la superficie debido a la condición antideslizante causada por los efectos viscosos. Este tipo de fuerza de arrastre depende especialmente de la geometría, la rugosidad de la superficie sólida y del tipo de flujo de fluido.

• Arrastrar formulario . El arrastre de forma conocido también como arrastre de presión surge debido a la forma y el tamaño del objeto. Este tipo de fuerza de arrastre es una consecuencia interesante del efecto de Bernoulli . Según el principio de Bernoulli, el aire en movimiento más rápido ejerce menos presión. Esto hace que pueda haber una diferencia de presión entre las superficies del objeto. El tamaño general y la forma del cuerpo son los factores más importantes en el arrastre de forma . En general, los cuerpos con una sección transversal geométrica presentada más grande tendrán una resistencia mayor que los cuerpos más delgados.

Ambas fuerzas, en general, tienen componentes en la dirección del flujo y, por lo tanto, la fuerza de arrastre resultante se debe a los efectos combinados de la presión y las fuerzas de fricción de la piel en la dirección del flujo.

Cuando los coeficientes de fricción y arrastre de presión están disponibles, el coeficiente de arrastre total se determina simplemente agregándolos:

Con números bajos de Reynolds , la mayor parte del arrastre se debe al arrastre por fricción . Este es especialmente el caso de cuerpos altamente aerodinámicos, como los perfiles aerodinámicos. Por otro lado, con un alto número de Reynolds , la caída de presión es significativa, lo que aumenta la resistencia de forma.

Los componentes de la presión y las fuerzas de fricción de la piel en la dirección normal de flujo tienden a mover el cuerpo en esa dirección, y su suma se llama elevación .

En aeronáutica, el elevador es una fuerza de acción ascendente en un ala o superficie aerodinámica. El principio de Bernoulli requiere que el perfil aerodinámico tenga una forma asimétrica .

Convección natural – Convección libre

En general, la convección es la transferencia de masa o la transferencia de calor debido al movimiento masivo de moléculas dentro de fluidos como gases y líquidos. Aunque los líquidos y gases generalmente no son muy buenos conductores de calor, pueden transferir calor rápidamente por convección. La convección tiene lugar a través de la 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 .

Definición de convección natural

La convección natural , conocida también como convección libre, es un mecanismo, o tipo de transporte de masa y calor , en el que el movimiento del fluido se genera solo por diferencias de densidad en el fluido que se producen debido a gradientes de temperatura, no por una fuente externa (como una bomba, ventilador, dispositivo de succión, etc.).

En la convección natural , el fluido que rodea 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. En otras palabras, los componentes más pesados ​​(más densos) caerán, mientras que los componentes más livianos (menos densos) se elevarán, lo que provocará un movimiento de fluido a granel. La convección natural solo puede ocurrir en un campo gravitacional o en presencia de otra aceleración adecuada , como:

• aceleración
• fuerza centrífuga
• fuerza Coriolis

La convección natural esencialmente no opera en la órbita de la Tierra. Por ejemplo, en la Estación Espacial Internacional en órbita, se requieren otros mecanismos de transferencia de calor para evitar el sobrecalentamiento de los componentes electrónicos.

Convección natural – Transferencia de calor

Del mismo modo que para la convección forzada, también se produce la transferencia de calor por convección natural tanto por difusión térmica (el movimiento aleatorio de las moléculas de fluido) como por advección , en la cual la materia o el calor es transportado por el movimiento a gran escala de las corrientes en el fluido.  En la superficie, el flujo de energía ocurre puramente por conducción, incluso en convección. Es debido al hecho, siempre hay una capa delgada de película de fluido estancadaen la superficie de transferencia de calor. 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. A mayor velocidad de movimiento de masa, más delgada será la capa de película de fluido estancada y mayor será la velocidad de flujo de calor.

Sabemos 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.

La magnitud de la transferencia de calor por convección natural entre una superficie y un fluido está directamente relacionada con la velocidad de flujo del fluido inducida por la convección natural . Cuanto mayor sea la velocidad de flujo, mayor será la velocidad de transferencia de calor. El caudal en caso de convección natural se establece mediante el equilibrio dinámico de flotabilidad y fricción.

Suponga una placa a la temperatura T _pared , que se sumerge en un fluido inactivo a la temperatura T a _granel , donde ( T _pared > T a _granel ). El líquido cerca de la placa es menos denso que el líquido que se elimina más. Por lo tanto, las fuerzas de flotabilidad inducen una capa límite de convección natural en la que el fluido calentado y más ligero se eleva verticalmente, arrastrando el fluido más pesado desde la región inactiva. La distribución de velocidad resultante es diferente a la asociada con las capas límite de convección forzada y depende también de la viscosidad del fluido. En particular, la velocidad es cero en la superficie , así comoen el límite debido a fuerzas viscosas. Debe notarse que también se desarrolla una convección natural si ( _pared T < _volumen T ), pero, en este caso, el movimiento del fluido será hacia abajo.

La presencia y la magnitud de la convección 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. Este problema se ilustra en la siguiente figura, donde un fluido está encerrado por dos grandes placas horizontales de diferente temperatura (T _superior ≠ T _inferior ).

1. En el caso A, la temperatura de la placa inferior es más alta que la temperatura de la placa superior. En este caso, la densidad disminuye en la dirección de la fuerza gravitacional. Esta geometría induce la circulación del fluido y la transferencia de calor se produce a través de la circulación natural. El fluido más pesado descenderá, calentándose en el proceso, mientras que el fluido más ligero se elevará, enfriándose a medida que se mueve.
2. En el caso B, la temperatura de la placa inferior es inferior a la temperatura de la placa superior. En este caso, la densidad aumenta en la dirección de la fuerza gravitacional. Esta geometría conduce a condiciones estables, gradiente de temperatura estable y no induce la circulación del fluido . La transferencia de calor se produce únicamente por conducción térmica .

Dado que la convección natural depende en gran medida de la geometría, la mayoría de las correlaciones de transferencia de calor en la convección natural se basan en mediciones experimentales y los ingenieros a menudo usan números característicos adecuados para describir la transferencia de calor por convección natural.

Circulacion Natural

La circulación natural es la circulación de fluido dentro de los sistemas de tuberías o piscinas abiertas que se debe a los cambios de densidad causados ​​por las diferencias de temperatura. La circulación natural no requiere ningún dispositivo mecánico para mantener el flujo.

Este fenómeno tiene una naturaleza similar a la convección natural, pero en este caso el coeficiente de transferencia de calor no es un objeto de estudio. En este caso, el flujo a través del bucle es el objeto de estudio. Este fenómeno es más bien un problema hidráulico que un problema de transferencia de calor, aunque en consecuencia la circulación natural elimina el calor de la fuente y lo transporta al disipador de calor y es de suma importancia en la seguridad del reactor.

Ver también: circulación natural

Hirviendo

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.

Hervir en reactores nucleares

Hervir en BWR

En los BWR, la ebullición del refrigerante se produce en el funcionamiento normal y es un fenómeno muy deseado. Las calidades de flujo típicas en 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 suelen ser 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 en _masa ) disminuye significativamente.

En el caso de los PWR , el problema crítico de seguridad se denomina DNB ( desviación de la ebullición de nucleados ), lo que provoca la formación de una capa de vapor local , lo que provoca una reducción dramática en la capacidad de transferencia de calor. 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  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 se conecta 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 un sistema eléctrico sumergido.  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.

Intercambiadores de calor

Los intercambiadores de calor son dispositivos que se utilizan para transferir energía térmica de un fluido a otro sin mezclar los dos fluidos. Los fluidos generalmente están separados por una pared sólida (con alta conductividad térmica ) para evitar la mezcla o pueden estar en contacto directo.

El ejemplo clásico de un intercambiador de calor se encuentra en un motor de combustión interna en el que un refrigerante del motor fluye a través de las bobinas del radiador y el aire fluye más allá de las bobinas, lo que enfría el refrigerante y calienta el aire entrante. En ingeniería energética, las aplicaciones comunes de los intercambiadores de calor incluyen generadores de vapor , enfriadores de ventilador, intercambiadores de calor de agua de enfriamiento y condensadores . Por ejemplo, el generador de vapor se utiliza para convertir el agua de alimentación en vapor del calor producido en el núcleo de un reactor nuclear . El vapor producido impulsa la turbina.

La transferencia de calor en un intercambiador de calor generalmente implica convección en cada fluido y conducción térmica a través de la pared que separa los dos fluidos. 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 .

Almacenamiento de calor sensible (SHS)

La forma más directa es el almacenamiento de calor sensible . El almacenamiento de calor sensible se basa en elevar la temperatura de un líquido o sólido para almacenar calor y liberarlo con la disminución de la temperatura cuando sea necesario. Los volúmenes necesarios para almacenar energía en la escala que el mundo necesita son extremadamente grandes. Los materiales utilizados en el almacenamiento de calor sensible deben tener una alta capacidad de calor y también un alto punto de ebullición o fusión. Aunque este método de almacenamiento de calor es actualmente menos eficiente para el almacenamiento de calor, es menos complicado en comparación con el calor latente o químico y es económico.

Desde el punto de vista de la termodinámica, el almacenamiento de calor sensible se basa en el aumento de la entalpía del material en la tienda, ya sea líquido o sólido en la mayoría de los casos. El efecto sensible es un cambio de temperatura. El calor almacenado se puede obtener mediante la ecuación:

Capacidad calorífica

Las diferentes sustancias  se ven afectadas a  diferentes magnitudes  por la  adición de calor . Cuando se agrega una cantidad determinada de calor a diferentes sustancias, sus temperaturas aumentan en diferentes cantidades. Esta  constante de proporcionalidad  entre el  calor Q  que el objeto absorbe o pierde y el cambio de temperatura resultante  T  del objeto se conoce como la  capacidad calorífica C  de un objeto.

C = Q / ΔT

La capacidad calorífica  es una  propiedad extensa  de la materia, lo que significa que es proporcional al tamaño del sistema. La capacidad calorífica C  tiene la unidad de energía por grado o energía por kelvin. Cuando se expresa el mismo fenómeno que una  propiedad intensiva , la  capacidad calorífica  se divide por la cantidad de sustancia, masa o volumen, por lo que la cantidad es independiente del tamaño o extensión de la muestra.

Almacenamiento de energía térmica

En termodinámica , la energía interna (también llamada energía térmica ) se define como la energía asociada con formas microscópicas de energía . Es una cantidad extensa , depende del tamaño del sistema o de la cantidad de sustancia que contiene. La unidad SI de energía interna es el julio (J) . Es la energía contenida dentro del sistema, excluyendo la energía cinética de movimiento del sistema como un todo y la energía potencial del sistema. Las formas microscópicas de energía incluyen aquellas debidas a la rotación , vibración, traslación e interacciones.entre las moléculas de una sustancia. Ninguna de estas formas de energía se puede medir o evaluar directamente, pero se han desarrollado técnicas para evaluar el cambio en la suma total de todas estas formas microscópicas de energía.

Además, la energía se puede almacenar en los enlaces químicos entre los átomos que forman las moléculas. Este almacenamiento de energía a nivel atómico incluye energía asociada con estados orbitales de electrones, espín nuclear y fuerzas de unión en el núcleo.

La energía térmica también se puede almacenar de manera muy efectiva. Hoy en día, la situación en los mercados energéticos es diferente. El aumento de los precios de las fuentes de energía convencionales y la conciencia ambiental han contribuido a aumentar el uso de energías renovables y la eficiencia energética. El almacenamiento de energía térmica forma un componente clave de una planta de energía para mejorar su capacidad de envío, especialmente para concentrar plantas de energía solar (CSP). El almacenamiento de energía térmica (TES) se logra con tecnologías muy diferentes. Hay tres métodos utilizados y que aún se están investigando para almacenar energía térmica.

• Almacenamiento de calor sensible (SHS)
• Almacenamiento de calor latente (LHS)
• Almacenamiento termoquímico

Los diseños SMR incluyen:

• Reactores de agua ligera
• Reactores refrigerados por gas a alta temperatura
• Reactores refrigerados por metal líquido

Según sus promotores, su escalabilidad, modularidad, diseño robusto y características de seguridad mejoradas del SMR ofrecen grandes ventajas sobre los grandes reactores comerciales. Cabe señalar que el diseño de este reactor se encuentra actualmente (2018) en la etapa de desarrollo, sin embargo, su tecnología es similar a los reactores navales probados.

Las SMR tienen potencial en los países en expansión para mejorar la seguridad del suministro de energía tanto en los países de embarque, que tienen una infraestructura inadecuada o un sistema de red menos establecido (no apto para grandes reactores comerciales). Sin embargo, los SMR tienen potencial para convertirse en una parte clave de la combinación energética incluso en países desarrollados que a menudo enfrentan problemas con la construcción de grandes reactores comerciales.

Ver más: AVANCES EN EL DESARROLLO DE TECNOLOGÍA DE REACTORES MODULARES PEQUEÑOS, un suplemento de ARIS, OIEA, 2014.

Ventajas y desventajas de los reactores modulares pequeños

Los reactores modulares pequeños son muy específicos. Su tamaño y modularidad ofrecen muchas ventajas. Por otro lado, tienen algunas desventajas, que deben tenerse en cuenta durante la toma de decisiones.

Posible ventajas

Seguridad mejorada

La menor potencia térmica del núcleo del reactor, la arquitectura compacta y el empleo de conceptos pasivos tienen el potencial de una mayor seguridad y protección en comparación con diseños anteriores y grandes reactores comerciales. Los sistemas de seguridad pasiva son una característica de seguridad muy importante en el SMR. Por lo tanto, hay menos dependencia de los sistemas de seguridad activos y bombas adicionales, así como de la alimentación de CA para la mitigación de accidentes. Estos sistemas de seguridad pasiva pueden disipar el calor incluso después de la pérdida de energía fuera del sitio. El sistema de seguridad incorpora un inventario de agua en el sitio que opera con fuerzas naturales (por ejemplo, circulación natural ). En ingeniería de reactores , la circulación natural es un fenómeno muy deseado, ya que es capaz de proporcionarEnfriamiento del núcleo del reactor sin bombas de refrigerante, para que no se rompan las piezas móviles.

Modularidad

Como se escribió, el término ” modular ” en el contexto de las SMR se refiere a su escalabilidad y a la capacidad de fabricar componentes principales del sistema de suministro de vapor nuclear (NSSS) en un entorno de fábrica y luego transportarse al sitio. Esto puede ayudar a limitar la preparación en el sitio y también a reducir el tiempo de construcción. Esto es muy importante, ya que los largos tiempos de construcción son uno de los problemas clave de las unidades más grandes. Además, la fabricación en fábrica y la finalización de las partes principales del sistema de suministro de vapor nuclear también pueden facilitar la implementación de estándares de calidad más altos (por ejemplo, inspecciones de soldaduras).

Tiempo de construcción y financiación.

El tamaño, la eficiencia de la construcción y los sistemas de seguridad pasiva (que requieren menos redundancia) pueden reducir la inversión de capital del propietario de una planta nuclear debido al menor costo de capital de la planta. La fabricación en fábrica de los componentes principales del sistema de suministro de vapor nuclear puede reducir significativamente la preparación en el sitio y también el tiempo de construcción. Esto a su vez puede conducir a un financiamiento más fácil en comparación con el de las plantas más grandes.

Posibles desventajas

Producción a gran escala

La mayoría de los beneficios económicos (especialmente el menor costo de capital) declarados son válidos para la enésima unidad producida. Para lograr estos beneficios económicos, se requiere la producción a gran escala de SMR y pedidos iniciales de decenas de unidades.

Licencia

Una de las barreras muy importantes es la licencia de nuevos diseños de reactores. Por ejemplo, al regular el diseño, la ubicación, la construcción y la operación de nuevas instalaciones comerciales de energía nuclear, la NRC actualmente emplea una combinación de requisitos reglamentarios, licencias y supervisión. Históricamente, el proceso de licencia fue desarrollado para grandes reactores comerciales. El proceso de licencia para nuevos diseños de reactores es un proceso largo y costoso.

Principio de Bernoulli – Ejemplos

Efecto de Bernoulli – Relación entre presión y velocidad

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

Cuando la ecuación de Bernoulli se combina con la ecuación de continuidad, las dos se pueden usar para encontrar velocidades y presiones en puntos del flujo conectados por una línea de corriente.

La ecuación de continuidad es simplemente una expresión matemática del principio de conservación de la masa . Para un volumen de control que tiene una sola entrada y una única salida , el principio de conservación de la masa 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.

Ejemplo:

Determine la presión y la velocidad dentro de un tramo frío de la tubería primaria y determine la presión y la velocidad en el fondo del núcleo del reactor , que está a unos 5 metros por debajo del tramo frío de la tubería primaria.

Dejemos asumir:

• El fluido de densidad constante ⍴ ~ 720 kg / m ³ (a 290 ° C) fluye constantemente a través de la pata fría y a través del fondo del núcleo.

• La sección transversal del flujo primario de la tubería (bucle simple) es igual a 0.385 m ² (diámetro de la tubería ~ 700 mm)

• La velocidad del flujo en la pierna fría es igual a 17 m / s .

• La sección transversal del flujo del núcleo del reactor es igual a 5 m ² .

• La presión manométrica dentro de la pierna fría es igual a 16 MPa .

Como resultado del principio de continuidad, la velocidad en la parte inferior del núcleo es:

v _entrada = v _frío . Una _tubería / un _núcleo = 17 x 1.52 / 5 = 5.17 m / s

Como resultado del principio de Bernoulli, la presión en la parte inferior del núcleo (entrada del núcleo) es:

Principio de Bernoulli – Fuerza de elevación

En general, el elevador es una fuerza de acción ascendente en un ala o superficie aerodinámica . Hay varias formas de explicar cómo un perfil aerodinámico genera elevación . Algunas teorías son más complicadas o matemáticamente más rigurosas que otras. Se ha demostrado que algunas teorías son incorrectas. Hay teorías basadas en el principio de Bernoulli y hay teorías basadas directamente en la tercera ley de Newton .

La explicación basada en la tercera ley de Newton establece que el levantamiento es causado por una desviación del flujo de la corriente de aire detrás del perfil aerodinámico. La superficie aerodinámica genera elevación al ejercer una fuerza descendente sobre el aire a medida que pasa. Según la tercera ley de Newton, el aire debe ejercer una fuerza ascendente sobre el perfil . Esta es una explicación muy simple.

El principio de Bernoulli combinado con la ecuación de continuidad también se puede utilizar para determinar la fuerza de elevación en una superficie de sustentación, si se conoce el comportamiento del flujo de fluido en las proximidades de la lámina. En esta explicación, la forma de un perfil aerodinámico es crucial. La forma de una superficie aerodinámica hace que el aire fluya más rápido en la parte superior que en la inferior. De acuerdo con el principio de Bernoulli , el aire que se mueve más rápido ejerce menos presión y, por lo tanto, el aire debe ejercer una fuerza hacia arriba sobre la superficie de sustentación (como resultado de una diferencia de presión).

El principio de Bernoulli requiere que el perfil aerodinámico tenga una forma asimétrica . Su superficie debe ser mayor en la parte superior que en la inferior. A medida que el aire fluye sobre la superficie de sustentación, es desplazado más por la superficie superior que por la inferior. Según el principio de continuidad , este desplazamiento debe conducir a un aumento en la velocidad del flujo (lo que resulta en una disminución de la presión). La velocidad del flujo aumenta un poco por la superficie inferior del perfil, pero considerablemente menos que el flujo en la superficie superior. La fuerza de elevación de una superficie de sustentación , caracterizada por el coeficiente de elevación , se puede cambiar durante el vuelo mediante cambios en la forma de una superficie de sustentación . Por lo tanto, el coeficiente de elevación puede incluso duplicarse con dispositivos relativamente simples (aletas y listones ) si se usan en todo el tramo del ala.El uso del principio de Bernoulli puede no ser correcto. El principio de Bernoulli supone la incompresibilidad del aire, pero en realidad el aire es fácilmente compresible. Pero hay más limitaciones de explicaciones basadas en el principio de Bernoulli. Hay dos explicaciones populares principales de ascensor:

• Explicación basada en la desviación hacia abajo del flujo: la tercera ley de Newton
• Explicación basada en cambios en la velocidad y presión del flujo: principio de continuidad y principio de Bernoulli

Ambas explicaciones identifican correctamente algunos aspectos de las fuerzas de elevación, pero dejan otros aspectos importantes del fenómeno sin explicar. Una explicación más completa implica tanto cambios en la velocidad del flujo como en la desviación hacia abajo y requiere observar el flujo con más detalle.

Ver más: Doug McLean, Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics. John Wiley & Sons Ltd. 2013. ISBN: 978-1119967514

Efecto de Bernoulli: bola giratoria en un flujo de aire

El efecto de Bernoulli tiene otra consecuencia interesante e interesante. Supongamos que un balón está girando a medida que viaja por el aire. A medida que la bola gira, la fricción superficial de la bola con el aire circundante arrastra una capa delgada (denominada capa límite ) de aire con ella. Se puede ver en la imagen que la capa límite está en un lado viajando en la misma dirección que la corriente de aire que fluye alrededor de la pelota (la flecha superior) y en el otro lado, la capa límite está viajando en la dirección opuesta ( la flecha inferior). En el lado de la pelota donde la corriente de aire y la capa límite se mueven en la dirección opuesta (la flecha inferior) entre sí, la fricción entre los dosralentiza la corriente de aire . En el lado opuesto, estas capas se mueven en la misma dirección y la corriente se mueve más rápido .

Según el principio de Bernoulli , el aire que se mueve más rápido ejerce menos presión y, por lo tanto, el aire debe ejercer una fuerza hacia arriba sobre la pelota. De hecho, en este caso el uso del principio de Bernoulli puede no ser correcto. El principio de Bernoulli supone la incompresibilidad del aire, pero en realidad el aire es fácilmente compresible. Pero hay más limitaciones de explicaciones basadas en el principio de Bernoulli.

El trabajo de Robert G. Watts y Ricardo Ferrer (Las fuerzas laterales en una esfera giratoria: Aerodinámica de una bola curva) este efecto puede explicarse por otro modelo que presta atención importante a la capa límite de aire giratorio alrededor de la pelota. En el lado de la pelota donde la corriente de aire y la capa límite se mueven en la dirección opuesta (la flecha inferior), la capa límite tiende a separarse prematuramente. En el lado de la bola donde la corriente de aire y la capa límite se mueven en la misma dirección, la capa límite se transporta más alrededor de la bola antes de separarse en un flujo turbulento. Esto da una desviación de flujode la corriente de aire en una dirección detrás de la pelota. La bola giratoria genera elevación al ejercer una fuerza descendente sobre el aire a medida que pasa. Según la tercera ley de Newton , el aire debe ejercer una fuerza hacia arriba sobre la pelota.

Ley de Torricelli

La ley de Torricelli , también conocida como el principio de Torricelli , o el teorema de Torricelli , afirma en dinámica de fluidos que la velocidad, v, del fluido que fluye de un orificio bajo la fuerza de gravedad en un tanque es proporcional a la raíz cuadrada de la distancia vertical, h , entre la superficie del líquido y el centro del orificio y hasta la raíz cuadrada del doble de la aceleración causada por la gravedad (g = 9.81 N / kg cerca de la superficie de la tierra).

En otras palabras, la velocidad de salida del fluido del orificio es la misma que habría adquirido al caer una altura h bajo la gravedad. La ley fue descubierta y nombrada en honor al científico italiano Evangelista Torricelli , en 1643. Más tarde se demostró que era un caso particular del principio de Bernoulli .

La ecuación de Torricelli se deriva para una condición específica. El orificio debe ser pequeño y la viscosidad y otras pérdidas deben ser ignoradas. Si un fluido fluye a través de un orificio muy pequeño (por ejemplo, en el fondo de un tanque grande), entonces la velocidad del fluido en el extremo grande puede despreciarse en la ecuación de Bernoulli. Además, la velocidad del flujo de salida es independiente de la dirección del flujo. En ese caso, la velocidad de salida del fluido que fluye a través del orificio viene dada por la siguiente fórmula:

v = √ 2gh

Flujo interno vs flujo externo

Flujo interno

En la dinámica de fluidos, el flujo interno es un flujo para el cual el fluido está confinado por una superficie . El conocimiento detallado del comportamiento de los regímenes de flujo interno es importante en ingeniería, porque las tuberías circulares pueden soportar altas presiones y, por lo tanto, se utilizan para transportar líquidos. Los conductos no circulares se utilizan para transportar gases a baja presión, como el aire en los sistemas de refrigeración y calefacción. La configuración de flujo interno es una geometría conveniente para calentar y enfriar fluidos utilizados en tecnologías de conversión de energía como las plantas de energía nuclear .

Flujo externo

En la dinámica de fluidos, el flujo externo es un flujo en el que las capas límite se desarrollan libremente, sin restricciones impuestas por las superficies adyacentes . En comparación con el flujo interno, los flujos externos presentan efectos altamente viscosos confinados a ” capas límite ” de rápido crecimiento en la región de entrada, o a capas de cizallamiento delgadas a lo largo de la superficie sólida. En consecuencia, siempre existirá una región del flujo fuera de la capa límite. En esta región, la velocidad, la temperatura y / o la concentración no cambian y sus gradientes pueden descuidarse.

Este efecto hace que la capa límite se expanda y el grosor de la capa límite se relaciona con la viscosidad cinemática del fluido.

Esto se demuestra en la siguiente imagen. Lejos del cuerpo, el flujo es casi invisible, se puede definir como el flujo de un fluido alrededor de un cuerpo que está completamente sumergido en él.

Flujo Laminar vs Turbulento

Flujo laminar

En la dinámica de fluidos, el flujo laminar se caracteriza por trayectorias suaves o regulares de partículas del fluido, en contraste con el flujo turbulento , que se caracteriza por el movimiento irregular de las partículas del fluido. El fluido fluye en capas paralelas (con una mezcla lateral mínima ), sin interrupción entre las capas. Por lo tanto, el flujo laminar también se conoce como flujo aerodinámico o flujo viscoso .

El término flujo de línea de corriente es descriptivo del flujo porque, en el flujo laminar, las capas de agua que fluyen unas sobre otras a diferentes velocidades, prácticamente sin mezclarse entre capas, las partículas de fluido se mueven en rutas o líneas de corriente definidas y observables.

Cuando un fluido fluye a través de un canal cerrado como una tubería o entre dos placas planas, puede ocurrir cualquiera de los dos tipos de flujo (flujo laminar o flujo turbulento) dependiendo de la velocidad , la viscosidad del fluido y el tamaño de la tubería ( o en el número de Reynolds) . El flujo laminar tiende a ocurrir a velocidades más bajas y alta viscosidad.

Flujo turbulento

En la dinámica de fluidos, el flujo turbulento se caracteriza por el movimiento irregular de partículas (se puede decir caótico ) del fluido. A diferencia del flujo laminar, el fluido no fluye en capas paralelas , la mezcla lateral es muy alta y hay una interrupción entre las capas. La turbulencia también se caracteriza por recirculación, remolinos y aleatoriedad aparente . En el flujo turbulento, la velocidad del fluido en un punto está experimentando cambios continuos tanto en magnitud como en dirección .

El conocimiento detallado del comportamiento del régimen de flujo turbulento es importante en ingeniería, porque la mayoría de los flujos industriales , especialmente los de ingeniería nuclear, son turbulentos . Desafortunadamente, el carácter altamente intermitente e irregular de la turbulencia complica todos los análisis . De hecho, a menudo se dice que la turbulencia es el ” último problema no resuelto en la física matemática clásica “.

La herramienta principal disponible para su análisis es el análisis CFD . CFD es una rama de la mecánica de fluidos que utiliza análisis numéricos y algoritmos para resolver y analizar problemas que involucran flujos de fluidos turbulentos . Es ampliamente aceptado que las ecuaciones de Navier-Stokes (o las ecuaciones simplificadas de Navier-Stokes promediadas por Reynolds ) son capaces de exhibir soluciones turbulentas, y estas ecuaciones son la base de esencialmente todos los códigos CFD.