¿Qué es la circulación natural? Definición

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. Ingenieria termal

Circulacion Natural

Circulación natural - esquema
Circulación natural en circuito cerrado.

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 objeto de estudio. En este caso, el flujo masivo 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.

Condiciones requeridas para la circulación natural

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

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

Circulación natural – Caudal

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

Cabezal de conducción térmica

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

cabezal de accionamiento térmico - ecuación

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

Fuerza de resistencia hidráulica

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

Circulación natural en ingeniería de reactores

Circulación natural - esquema
Circulación natural en circuito cerrado.

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

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

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

Indicadores de circulación natural.

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

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

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

 

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