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 estos tienen características de identificación particulares. Estos patrones de flujo diferentes se han categorizado 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.
Los principales regímenes de flujo en tubos verticales se muestran en la tabla. Debe tenerse en cuenta que los valores de calidadde flujo y caudal dependen del fluido y la presión. En los tubos horizontales , también puede haber flujo estratificado (especialmente a caudales bajos), en el cual 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 caudales de vapor bajos. 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 el 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 la cizalladura 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
Patrones de flujo: tubos horizontales
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:
BWR – 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.
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