Ebullición de la película
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. Esto se debe a que una gran fracción de la superficie está cubierta por una película de vapor, que actúa como un aislamiento térmico debido a la baja conductividad térmica del vapor en relación con la del líquido. Inmediatamente después de alcanzar el flujo de calor crítico, la ebullición se vuelve inestable y se produce la ebullición de transición. La transición de ebullición nucleada a ebullición de película se conoce como la ” crisis de ebullición “. Como más allá del punto CHF el coeficiente de transferencia de calor disminuye, elLa transición a la ebullición de la película suele ser inevitable.
Un aumento adicional en el flujo de calor hace que una película de vapor cubra completamente la superficie. Esto reduce significativamente el coeficiente de convección, ya que la capa de vapor tiene una capacidad de transferencia de calor significativamente menor. Como resultado, el exceso de temperatura se dispara a un valor muy alto. Más allá del punto de Leidenfrost , una película continua de vapor cubre la superficie y no hay contacto entre la fase líquida y la superficie. En esta situación, la transferencia de calor es tanto por radiación como por conducción al vapor. Si el material no es lo suficientemente fuerte como para soportar esta temperatura, el equipo fallará por daños al material. Este fenómeno también se conoce como agotamiento. En reactores de agua a presión, uno de los requisitos clave de seguridad (quizás el más importante) es que no se producirá una desviación del punto de ebullición nucleada (DNB) durante la operación en estado estable, transitorios operativos normales y 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%). Dado que este fenómeno deteriora el coeficiente de transferencia de calor y el flujo de calor permanece, el calor se acumula en la barra de combustible causando un aumento dramático del revestimiento y la temperatura del combustible . Simplemente, una diferencia de temperatura muy alta se requiere 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).
La ebullición de la película ocurre cuando la presión de un sistema cae o el flujo disminuye. En este caso, las burbujas no pueden escapar tan rápido de la superficie de transferencia de calor. Del mismo modo, si aumenta la temperatura de la superficie de transferencia de calor, se crean más burbujas. A medida que la temperatura continúa aumentando, se forman más burbujas de las que se pueden llevar de manera eficiente. Las burbujas crecen y se agrupan, cubriendo pequeñas áreas de la superficie de transferencia de calor con una película de vapor. Esto se conoce como ebullición parcial de película .
Las siguientes secciones describen:
- Transición a ebullición de película: flujo de calor crítico
- Salida de la ebullición de la película – Leidenfrost Point
Crisis de ebullición: flujo de calor crítico
Como se escribió, en los reactores nucleares , las limitaciones del flujo de calor local son de la mayor importancia para la seguridad del reactor. Para los reactores de agua a presión y también para los reactores de agua en ebullición , existen fenómenos termohidráulicos, que causan una disminución repentina en la eficiencia de la transferencia de calor (más precisamente en el coeficiente de transferencia de calor ). Estos fenómenos ocurren a cierto valor del flujo de calor, conocido como el ” flujo de calor crítico “. Los fenómenos que causan el deterioro de la transferencia de calor son diferentes para los PWR y para los BWR.
En ambos tipos de reactores, el problema está más o menos asociado con la salida de la ebullición de los nucleados. 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. Inmediatamente después de alcanzar el flujo de calor crítico, la ebullición se vuelve inestable y se produce la ebullición de la película. La transición de ebullición nucleada a ebullición de película se conoce como la ” crisis de ebullición “. Como se escribió, los fenómenos que causan el deterioro de la transferencia de calor son diferentes para los PWR y para los BWR.
Salida de ebullición nucleada – DNB
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 . 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 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 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 por 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 una desviación del punto de ebullición nucleada (DNB) durante el funcionamiento en estado estable, transitorios operativos normales y sucesos operativos anticipados (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.
Secado – BWR
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).
Salida desde la ebullición de la película – Leidefrost Point
El punto de Leidenfrost , que corresponde al flujo de calor mínimo , es de interés práctico ya que representa el límite inferior para el flujo de calor en el régimen de ebullición de la película. Si el flujo de calor cae por debajo de este mínimo, la película colapsará, causando que la superficie se enfríe y se restablezca la ebullición de los nucleos. Por lo tanto, en este punto, se produce el retorno a la ebullición nucleada (RNB). Los términos enfriamiento, flujo de calor mínimo, retorno a la ebullición nuclear, desviación de la ebullición de la película, colapso de la ebullición de la película y punto de Leidenfrost se han usado indistintamente para referirse a varias formas de rehumectación, pero no son exactamente sinónimos.
Utilizando la teoría de la estabilidad, Zuber obtuvo la siguiente expresión para el flujo de calor mínimo (y el punto de Leidenfrost correspondiente ) para una placa horizontal grande:
dónde
- q min – flujo de calor mínimo [W / m 2 ]
- h fg – entalpía de vaporización, J / kg
- g – aceleración gravitacional m / s 2
- ρ l – densidad del líquido kg / m 3
- ρ v – densidad de vapor kg / m 3
- σ – interfaz de tensión superficial-líquido-vapor N / m
