Ebullición saturada – ebullición masiva
En ebullición saturada (conocida también como ebullición en masa ), la temperatura del líquido excede ligeramente la temperatura de saturación. La ebullición masiva puede ocurrir cuando la temperatura del sistema aumenta o la presión del sistema cae al punto de ebullición. En este punto, las burbujas que ingresan al canal de refrigerante no colapsarán. Las burbujas tenderán a unirse y formar burbujas de vapor más grandes. Luego, las burbujas de vapor son impulsadas a través del líquido por fuerzas de flotabilidad, que eventualmente escapan de una superficie libre.
Ebullición masiva 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 .
Ebullición masiva en 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), lo que da un margen de subenfriamiento (la diferencia entre la temperatura del presurizador y la temperatura de salida del refrigerante en el núcleo del reactor) de 30 ° C. Cabe destacar que este margen de subenfriamiento se refiere a la temperatura a granel, ya que la ebullición a granel está prohibida en cualquier caso.
El margen de subenfriamiento es un parámetro de seguridad muy importante de los PWR, ya que debe excluirse la ebullición en masa 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.
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 de la superficie subenfriada (330 ° C + 29 ° C> 350 ° C). Por otro lado, la ebullición nucleadaen la superficie altera efectivamente la capa estancada y, por lo tanto, la ebullición de los 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 a granel ) disminuye significativamente.
Ebullición nucleada – ebullición de flujo
En ebullición de flujo (o ebullición por convección forzada ), el flujo de fluido se fuerza sobre una superficie por medios externos como una bomba, así como por efectos de flotabilidad. Por lo tanto, la ebullición del flujo siempre va acompañada de otros efectos de convección. Las condiciones dependen en gran medida de la geometría, que puede involucrar flujo externo sobre placas y cilindros calentados o flujo interno (conducto). En los reactores nucleares, la mayoría de los regímenes de ebullición son solo ebullición por convección forzada. La ebullición de flujo también se clasifica como ebullición de flujo externo e interno dependiendo de si el fluido se ve obligado a fluir sobre una superficie calentada o dentro de un canal calentado.
La ebullición de flujo interno es mucho más complicada en su naturaleza que la ebullición de flujo externo porque no hay una superficie libre para que escape el vapor y, por lo tanto, tanto el líquido como el vapor se ven obligados a fluir juntos. El flujo de dos fases en un tubo exhibe diferentes regímenes de ebullición de flujo, dependiendo de las cantidades relativas del líquido y las fases de vapor. Por lo tanto, la ebullición por convección forzada interna se conoce comúnmente como flujo de dos fases .
Correlaciones de ebullición nucleada – flujo de ebullición
Correlación de McAdams
En la ebullición de nucleato completamente desarrollada con refrigerante saturado, la temperatura de la pared está determinada por el flujo de calor local y la presión, y solo depende ligeramente del número de Reynolds . Para agua subenfriada a presiones absolutas entre 0.1 – 0.6 MPa, la correlación de McAdams proporciona:
Correlación de Thom
La correlación de Thom es para el flujo de ebullición (subenfriado o saturado a presiones de hasta aproximadamente 20 MPa) en condiciones en las que la contribución de ebullición nucleada predomina sobre la convección forzada. Esta correlación es útil para una estimación aproximada de la diferencia de temperatura esperada dado el flujo de calor:
La correlación de Chen
En 1963, Chen propuso la primera correlación de ebullición de flujo para la evaporación en tubos verticales para lograr un uso generalizado. La correlación de Chen incluye tanto los coeficientes de transferencia de calor debido a la ebullición de nucleados como los mecanismos convectivos forzados.. Debe notarse que, a fracciones de vapor más altas, el coeficiente de transferencia de calor varía fuertemente con la velocidad de flujo. La velocidad de flujo en un núcleo puede ser muy alta y causar turbulencias muy altas. Este mecanismo de transferencia de calor se ha denominado “evaporación por convección forzada”. No se han establecido criterios adecuados para determinar la transición de la ebullición de nucleados a la vaporización por convección forzada. Sin embargo, Chen ha desarrollado una correlación única que es válida tanto para la ebullición nucleada como para la vaporización por convección forzada para condiciones de ebullición saturada y se ha ampliado para incluir la ebullición subenfriada por otros. Chen propuso una correlación donde el coeficiente de transferencia de calor es la suma de un componente de convección forzada y un núcleo de ebullicióncomponente. Cabe señalar que la correlación de ebullición de la agrupación de nucleados de Forster y Zuber (1955) se utiliza para calcular el coeficiente de transferencia de calor de ebullición de nucleados, h FZ y la correlación de flujo turbulento de Dittus-Boelter (1930) se utiliza para calcular la fase líquida coeficiente de transferencia de calor por convección, h l .
El factor de supresión de ebullición nucleada, S, es la relación entre el sobrecalentamiento efectivo y el sobrecalentamiento de la pared. Representa la disminución de la transferencia de calor de ebullición porque el recalentamiento efectivo a través de la capa límite es menor que el recalentamiento basado en la temperatura de la pared. El multiplicador de dos fases, F, es una función del parámetro de Martinelli χ tt .
