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

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

Flujo de fluido bifásico

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

Un flujo multifásico puede ser flujo simultáneo de:

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

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

Características del flujo de fluido bifásico

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

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

Parámetros básicos de flujo de fluido bifásico

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

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

 

Patrones de flujo: flujo bifásico

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

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

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

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

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

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

 

Patrones de flujo: tubos verticales

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

 

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

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

Patrones de flujo: tubos horizontales

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

 

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

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

Patrones de flujo durante la evaporación.

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

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

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

evaporación convectiva - canal horizontal

Caída de presión bifásica

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

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

Caída de presión – Modelo de flujo homogéneo

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

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

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

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

densidad de mezcla - definición

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

caída de presión bifásica - ecuación

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

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

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

Inestabilidad de flujo

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

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

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

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

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

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

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

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

Las inestabilidades estáticas son:

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

Las inestabilidades dinámicas son:

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

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

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

Tipos de inestabilidades observadas en BWR

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

Referencias especiales

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

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: [email protected] o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.