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O que é a fórmula de número de Reynolds – definição

Fórmula de número de Reynolds. O número de Reynolds é a razão entre forças inerciais e forças viscosas e é um parâmetro para prever se um fluxo será laminar ou turbulento. Engenharia Térmica

Reynolds Number Formula

O número de Reynolds é a proporção de forças de inércia para as forças viscosas e é um parâmetro conveniente para prever se uma condição de escoamento vai ser laminar ou turbulento . Pode-se interpretar que quando as forças viscosas são dominantes (fluxo lento, Re baixo) são suficientes o suficiente para manter todas as partículas de fluido alinhadas, então o fluxo é laminar. Mesmo Re muito baixo indica movimento de rastejamento viscoso, onde os efeitos de inércia são desprezíveis. Quando as forças inerciais dominam sobre as forças viscosas (quando o fluido está fluindo mais rápido e Re é maior), então o fluxo é turbulento.

Número de Reynolds

É um número sem dimensão composto pelas características físicas do fluxo. Um número crescente de Reynolds indica uma crescente turbulência do fluxo.

fórmula do número de Reynolds é:
Número de Reynolds

em que:
V é a velocidade do fluxo,
D é uma dimensão linear característica (comprimento percorrido do fluido; diâmetro hidráulico etc.)
ρ densidade do fluido (kg / m 3 ),
μ viscosidade dinâmica (Pa.s),
ν viscosidade cinemática ( m 2 / s); ν = μ / ρ.

Fluxo Laminar vs. Turbulento

Fluxo laminar:

  • Re <2000
  • velocidade ‘baixa’
  • Partículas fluidas se movem em linhas retas
  • Camadas de água fluem umas sobre as outras em velocidades diferentes, praticamente sem mistura entre as camadas.
  • O perfil da velocidade do fluxo para o fluxo laminar em tubos circulares é parabólico, com um fluxo máximo no centro do tubo e um fluxo mínimo nas paredes do tubo.
  • A velocidade média do fluxo é aproximadamente metade da velocidade máxima.
  • É possível uma análise matemática simples.
  • Raro na prática em sistemas de água .

Fluxo turbulento:

  • Re> 4000
  • ‘alta velocidade
  • O fluxo é caracterizado pelo movimento irregular de partículas do fluido.
  • O movimento médio está na direção do fluxo
  • O perfil de velocidade do fluxo para turbulência é bastante plano através da seção central de um tubo e cai rapidamente extremamente perto das paredes.
  • A velocidade média do fluxo é aproximadamente igual à velocidade no centro do tubo.
  • A análise matemática é muito difícil.
  • Tipo mais comum de fluxo .

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: [email protected] ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.

O que é o número de Reynolds – definição

O número de Reynolds é a razão de forças inerciais para forças viscosas e é um parâmetro conveniente para prever se uma condição de fluxo será laminar ou turbulenta. Engenharia Térmica

Número de Reynolds

O número de Reynolds é a proporção de forças de inércia para as forças viscosas e é um parâmetro conveniente para prever se uma condição de escoamento vai ser laminar ou turbulento . Pode-se interpretar que quando as forças viscosas são dominantes (fluxo lento, Re baixo) são suficientes o suficiente para manter todas as partículas de fluido alinhadas, então o fluxo é laminar. Mesmo Re muito baixo indica movimento de rastejamento viscoso, onde os efeitos de inércia são desprezíveis. Quando as forças inerciais dominam sobre as forças viscosas (quando o fluido está fluindo mais rápido e Re é maior), então o fluxo é turbulento.

Número de Reynolds

É um número sem dimensão composto pelas características físicas do fluxo. Um número crescente de Reynolds indica uma crescente turbulência do fluxo.

É definido como:
Número de Reynolds

em que:
V é a velocidade do fluxo,
D é uma dimensão linear característica (comprimento percorrido do fluido; diâmetro hidráulico etc.)
ρ densidade do fluido (kg / m 3 ),
μ viscosidade dinâmica (Pa.s),
ν viscosidade cinemática ( m 2 / s); ν = μ / ρ.

Fluxo Laminar vs. Turbulento

Fluxo laminar:

  • Re <2000
  • velocidade ‘baixa’
  • Partículas fluidas se movem em linhas retas
  • Camadas de água fluem umas sobre as outras em velocidades diferentes, praticamente sem mistura entre as camadas.
  • O perfil da velocidade do fluxo para o fluxo laminar em tubos circulares é parabólico, com um fluxo máximo no centro do tubo e um fluxo mínimo nas paredes do tubo.
  • A velocidade média do fluxo é aproximadamente metade da velocidade máxima.
  • É possível uma análise matemática simples.
  • Raro na prática em sistemas de água .

Fluxo turbulento:

  • Re> 4000
  • ‘alta velocidade
  • O fluxo é caracterizado pelo movimento irregular de partículas do fluido.
  • O movimento médio está na direção do fluxo
  • O perfil de velocidade do fluxo para turbulência é bastante plano através da seção central de um tubo e cai rapidamente extremamente perto das paredes.
  • A velocidade média do fluxo é aproximadamente igual à velocidade no centro do tubo.
  • A análise matemática é muito difícil.
  • Tipo mais comum de fluxo .

Regimes numéricos de Reynolds

Regime de fluxoFluxo laminar. Para fins práticos, se o número de Reynolds for menor que 2000 , o fluxo será laminar. O número de Reynolds de transição aceito para o fluxo em um tubo circular é Re d, crit = 2300.

Fluxo de transição. Nos números de Reynolds entre 2000 e 4000, o fluxo é instável como resultado do início da turbulência. Esses fluxos às vezes são chamados de fluxos de transição.

Fluxo turbulento. Se o número de Reynolds for maior que 3500 , o fluxo será turbulento. A maioria dos sistemas de fluidos em instalações nucleares opera com fluxo turbulento.

Número de Reynolds e fluxo interno

Fluxo Interno
Fonte: White Frank M., Mecânica dos Fluidos, McGraw-Hill Education, 7ª edição, fevereiro de 2010, ISBN: 978-0077422417

A configuração de fluxo interno (por exemplo, fluxo em um tubo) é uma geometria conveniente para fluidos de aquecimento e resfriamento usados ​​em tecnologias de conversão de energia, como usinas nucleares .

Em geral, esse regime de fluxo é importante na engenharia, porque os tubos circulares podem suportar altas pressões e, portanto, são usados ​​para transportar líquidos. Dutos não circulares são usados ​​para transportar gases de baixa pressão, como ar em sistemas de refrigeração e aquecimento.

Para o regime de fluxo interno, uma região de entrada é típica. Nesta região, um fluxo a montante quase inviscido a montante converge e entra no tubo. Para caracterizar esta região, o comprimento da entrada hidrodinâmica é introduzido e é aproximadamente igual a:

comprimento hidrodinâmico da entrada

O comprimento máximo de entrada hidrodinâmica, em Re D, crit  = 2300 ( fluxo laminar ), é L e = 138d, onde D é o diâmetro do tubo. Esse é o maior comprimento de desenvolvimento possível. Em escoamento turbulento , as camadas limite crescer mais rapidamente, e L e  é relativamente mais curto. Para qualquer problema, e  / D deve ser verificado para ver se L e  é insignificante quando comparado ao comprimento do tubo. A uma distância finita da entrada, os efeitos da entrada podem ser negligenciados, porque as camadas de fronteira se fundem e o núcleo invíscido desaparece. O fluxo do tubo é então totalmente desenvolvido .

Diâmetro hidráulico

Como a dimensão característica de um tubo circular é um diâmetro comum D e, principalmente, os reatores contêm canais não circulares, a dimensão característica deve ser generalizada.

Para esses fins, o número de Reynolds é definido como:

Número de Reynolds - diâmetro hidráulico

onde D h é o diâmetro hidráulico :

Diâmetro hidráulico - equação

Diâmetro hidráulicoO diâmetro hidráulico, D h , é um termo comumente usado ao manipular o fluxo em tubos e canais não circulares . O diâmetro hidráulico transforma dutos não circulares em tubos de diâmetro equivalente . Usando este termo, pode-se calcular muitas coisas da mesma maneira que para um tubo redondo. Nesta equação, A é a área da seção transversal e P é o perímetro úmido da seção. O perímetro úmido de um canal é o perímetro total de todas as paredes do canal que estão em contato com o fluxo.

Número de Reynolds e fluxo externo

O número de Reynolds também descreve naturalmente o fluxo externo . Em geral, quando um fluido flui sobre uma superfície estacionária , por exemplo, a placa plana, o leito de um rio ou a parede de um tubo, o fluido que toca a superfície é interrompido pela tensão de cisalhamento na parede. A região na qual o fluxo se ajusta da velocidade zero na parede até o máximo na corrente principal do fluxo é denominada camada limite .

As características básicas de todas as camadas limite laminar e turbulenta são mostradas no fluxo em desenvolvimento sobre uma placa plana. Os estágios da formação da camada limite são mostrados na figura abaixo:

Camada limite na placa plana

As camadas de limite podem ser laminares ou turbulentas, dependendo do valor do número de Reynolds .

Também aqui o número de Reynolds representa a razão entre forças de inércia e forças viscosas e é um parâmetro conveniente para prever se uma condição de fluxo será laminar ou turbulenta. É definido como:

Número de Reynolds

em que V é a velocidade média do fluxo, D uma dimensão linear característica, ρ densidade do fluido, μ viscosidade dinâmica e ν viscosidade cinemática.

Para números mais baixos de Reynolds , a camada limite é laminar e a velocidade no sentido do fluxo muda uniformemente à medida que se afasta da parede, conforme mostrado no lado esquerdo da figura. À medida que o número de Reynolds aumenta (com x), o fluxo se torna instável e, finalmente, para números mais altos de Reynolds, a camada limite é turbulenta e a velocidade do fluxo é caracterizada por fluxos instáveis ​​(mudando com o tempo) dentro da camada limite.

A transição da camada limite laminar para a turbulenta ocorre quando o número de Reynolds em x excede Re x ~ 500.000 . A transição pode ocorrer mais cedo, mas depende principalmente da rugosidade da superfície . A camada limite turbulenta espessa mais rapidamente do que a camada limite laminar como resultado do aumento da tensão de cisalhamento na superfície do corpo.

O fluxo externo reage à borda da camada limite, assim como faria à superfície física de um objeto. Portanto, a camada limite fornece a qualquer objeto uma forma “efetiva” que geralmente é ligeiramente diferente da forma física. Definimos a espessura da camada limite como a distância da parede até o ponto em que a velocidade é 99% da velocidade do “fluxo livre”.

Para tornar as coisas mais confusas, a camada limite pode decolar ou se “separar” do corpo e criar uma forma eficaz muito diferente da forma física. Isso acontece porque o fluxo na fronteira tem energia muito baixa (em relação à corrente livre) e é mais facilmente impulsionado por mudanças na pressão.

Veja também: Espessura da camada limite

Veja também: Tubo em fluxo cruzado – fluxo externo

Referência especial: Schlichting Herrmann, Gersten Klaus. Teoria da camada limite, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2000, ISBN: 978-3-540-66270-9

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O que é fluxo de fluido bifásico – definição

Por definição, o fluxo bifásico é o fluxo interativo de duas fases distintas com interfaces comuns em, por exemplo, um conduíte. Fluxo de fluido bifásico – fluxo gás-líquido. Engenharia Térmica

Fluxo de fluido bifásico

fluxo de fluido bifásicoPor definição, o fluxo multifásico é o fluxo interativo de duas ou mais fases distintas com interfaces comuns em, por exemplo, um conduíte. Cada fase, representando uma fração de volume (ou fração de massa) de matéria sólida, líquida ou gasosa, possui propriedades, velocidade e temperatura próprias .

Um fluxo multifásico pode ser fluxo simultâneo de:

  • Materiais com diferentes estados ou fases (por exemplo, mistura água-vapor).
  • Materiais com propriedades químicas diferentes, mas no mesmo estado ou fase (por exemplo, gotículas de óleo na água).

Existem muitas combinações nos processos industriais, mas a mais comum é o fluxo simultâneo de vapor e água líquida (como encontrado em geradores condensadores de vapor ). Na engenharia de reatores, muitos estudos foram realizados sobre a natureza do fluxo bifásico em caso de acidente com perda de líquido refrigerante ( LOCA ), que é um acidente de importância na segurança do reator e em todas as análises termo-hidráulicas ( Análises DNBR ).

 

Características do fluxo de fluido bifásico

Todos os problemas de fluxo de duas fases têm características que são caracteristicamente diferentes daquelas encontradas em problemas de fase única.

  • No caso de vapor e água líquida, a densidade das duas fases difere por um fator de cerca de 1000 . Portanto, a influência da força do corpo gravitacional nos fluxos multifásicos é de muito maior importância do que no caso dos fluxos monofásicos.
  • velocidade do som muda drasticamente para os materiais em fase de mudança e pode ter ordens de magnitude diferentes. Isso influencia significativamente um fluxo através de um orifício .
  • concentração relativa de diferentes fases é geralmente um parâmetro dependente de grande importância nos fluxos multifásicos, enquanto é um parâmetro sem conseqüência nos fluxos monofásicos.
  • A mudança de fase significa que as quedas de pressão induzidas pelo fluxo podem causar alterações de fase adicionais (por exemplo, a água pode evaporar através de um orifício), aumentando o volume relativo do meio gasoso, compressível e aumentando as velocidades de efluxo, diferentemente do fluxo incompressível monofásico, em que a diminuição de um orifício diminuiria a velocidade do efluxo.
  • A distribuição espacial das várias fases no canal de fluxo afeta fortemente o comportamento do fluxo.
  • Existem muitos tipos de instabilidades no fluxo multifásico.

Parâmetros básicos do fluxo de fluido em duas fases

Nesta seção, consideraremos o fluxo simultâneo de gás (ou vapor) e água líquida (como encontrado em geradores e condensadores de vapor ) no fluxo simultâneo através de um duto com área de seção transversal A. Os subscritos “v” e “ℓ” indicam a fase vapor e a fase líquida , respectivamente. Os parâmetros fundamentais que caracterizam esse fluxo são:

  • Fração de vazio
  • Qualidade estática
  • Qualidade do fluxo
  • Densidade da mistura
  • Taxa de escorregamento – Taxa de velocidade
  • Velocidade superficial

 

Padrões de fluxo – fluxo bifásico

Um dos aspectos mais desafiadores de lidar com o fluxo bifásico ou multifásico é o fato de que ele pode assumir muitas formas diferentes . As distribuições espaciais e as velocidades das fases líquida e de vapor no canal de fluxo são aspectos muito importantes em muitos ramos da engenharia. Quedas de pressão e também coeficientes de transferência de calor dependem fortemente da estrutura do fluxo local e, portanto, é importante na engenharia de reatores nucleares . As estruturas de fluxo observadas são definidas como padrões de fluxo bifásicos e possuem características de identificação particulares. Esses diferentes padrões de fluxo foramcategorizados de acordo com a direção do fluxo em relação à aceleração gravitacional.

  • Padrões de fluxo em tubos verticais
  • Padrões de fluxo em tubos horizontais
padrões de fluxo
Tabela de padrões básicos de fluxo em tubos verticais.

Os principais regimes de fluxo em tubos verticais são mostrados na tabela. Deve-se observar que os valores de qualidade vazão dependem do fluido e da pressão. Nos tubos horizontais , também pode haver fluxo estratificado (especialmente em vazões baixas), nas quais as duas fases se separam sob o efeito da gravidade.

Para uma vazão constante de líquido, a fase de vapor / gás tende a ser distribuída como pequenas bolhas a baixas vazões de vapor. O aumento da fração de vazios causa aglomeração de bolhas em plugues e lesmas maiores . A aglomeração adicional de lesmas, causada pelo aumento da fração de vazio, causa a separação das fases em padrões anulares, em que o líquido se concentra na parede do canal e o vapor flui no núcleo central do canal vertical.

Para o canal horizontal , a força gravitacional tende a drenar o anel líquido em direção à parte inferior do canal, resultando em fluxo estratificado . A força gravitacional que atua na fase líquida pode ser superada por forças cinéticas a altas taxas de fluxo, fazendo com que fluxos estratificados voltem a fluxos anulares. Em vazões muito altas , o filme anular é diluído pelo cisalhamento do núcleo de vapor e todo o líquido é arrastado como gotículas na fase de vapor. Esse regime de fluxo é geralmente conhecido como fluxo de névoa .

Veja também:  Livro de Dados de Engenharia III, Thome, JR, Wolverine Tube Inc, 2004.

Padrões de Fluxo – Tubos Verticais

  • Fluxo borbulhante
  • Fluxo de lesmas
  • Fluxo de rotatividade
  • Fluxo anular
  • Fluxo de névoa
Borbulhante - Lesma - Batedeira - Anular - Névoa - Fluxo
Esboços de regimes de fluxo para fluxo bifásico em um tubo vertical. Fonte: Weisman, J. Padrões de fluxo bifásicos. Capítulo 15 do Manual de Fluidos em Movimento, Cheremisinoff NP, Gupta R. 1983, Ann Arbor Science Publishers.
padrões de fluxo - fluxo vertical - Hewitt
O mapa do regime de fluxo vertical de Hewitt e Roberts (1969) para fluxo em um tubo de 3,2 cm de diâmetro, validado para fluxo de ar / água à pressão atmosférica e fluxo de vapor / água a alta pressão. Fonte: Brennen, CE, Fundamentos de fluxos multifásicos, Cambridge University Press, 2005, ISBN 0521 848040

Padrões de Fluxo – Tubos Horizontais

  • Fluxo borbulhante
  • Fluxo estratificado
  • Fluxo da tomada e fluxo da lesma
  • Fluxo anular
  • Fluxo de névoa
bolha, plug, lesma, anular, névoa, fluxo estratificado ou ondulado
Esboços de regimes de fluxo para fluxo bifásico em um tubo horizontal. Fonte: Weisman, J. Padrões de fluxo bifásicos. Capítulo 15 do Manual de Fluidos em Movimento, Cheremisinoff NP, Gupta R. 1983, Ann Arbor Science Publishers.
padrões de fluxo - fluxo horizontal
Um mapa de regime de fluxo para o fluxo de uma mistura ar / água em um tubo horizontal de 2,5 cm de diâmetro a 25 ° C e 1 bar. Linhas e pontos sólidos são observações experimentais das condições de transição, enquanto as zonas tracejadas representam previsões teóricas. Fonte: Mandhane, JM, Gregory, GA e Aziz, KA (1974). Um mapa de padrões de fluxo para fluxo gás-líquido em tubos horizontais. Int. J. Fluxo multifásico

Padrões de fluxo durante a evaporação

A seção anterior descreve vários padrões de fluxo e descreve brevemente seu comportamento. Esses padrões de fluxo foram considerados em fração de vazio constante e em velocidades superficiais constantes . Mas existem muitas aplicações industriais que precisam considerar uma fração de vazio variável e velocidades superficiais variáveis. Na indústria nuclear, temos que lidar com os padrões de fluxo durante a evaporação (isto é, durante mudanças na fração de vazio ).

O conhecimento detalhado das mudanças de fase e o comportamento do fluxo durante a mudança de fase é uma das considerações mais importantes no projeto de um reator nuclear , especialmente nas seguintes aplicações:

  • evaporação convectiva - canal verticalBWR – Reatores de água fervente
    • Um reator de água fervente é resfriado e moderado por água como um PWR, mas a uma pressão mais baixa (7MPa), que permite que a água ferva dentro do vaso de pressão produzindo o vapor que aciona as turbinas. Portanto, a evaporação ocorre diretamente nos canais de combustível. Portanto, os BWRs são o melhor exemplo para esta área, porque a evaporação do líquido refrigerante ocorre na operação normal e é um fenômeno muito desejado.
    • Nos BWRs, há um fenômeno que é da maior importância na segurança do reator . Esse fenômeno é conhecido como “seca” e está diretamente associado a alterações no padrão de fluxo durante a evaporação. Normalmente, a superfície do combustível é efetivamente resfriada com líquido de ebulição fervente. No entanto, quando o fluxo de calor excede um valor crítico (CHF – fluxo de calor crítico), o padrão de fluxo pode atingir as condições de secagem (a película fina de líquido desaparece). A transferência de calor da superfície do combustível para o refrigerante é deteriorada, com o resultado de um aumento drástico da temperatura da superfície do combustível .
  • PWR – Reatores de água pressurizada
    • Em PWRs em operação normal, o fluxo é considerado monofásico. Porém, muitos estudos foram realizados sobre a natureza do fluxo bifásico em caso de transientes e acidentes (como o acidente com perda de líquido refrigerante – LOCA ou disparo de RCPs ), que são importantes para a segurança do reator e deve ser comprovado e declarado no Relatório de Análise de Segurança (SAR). No caso de PWRs, o fenômeno problemático não é a seca. No caso de PWRs, o fluxo crítico é o fluxo anular invertido . Esse fluxo ocorre quando uma superfície de revestimento da barra de combustível é superaquecida, o que causa a formação de uma camada de vapor local, causando uma redução drástica na capacidade de transferência de calor. Esse fenômeno é conhecido como afastamento da ebulição nucleada – DNB . A diferença no regime de fluxo entre o fluxo pós-secagem e o fluxo pós-DNB é mostrada na figura.
    • Nos PWRs, a evaporação ocorre também em geradores de vapor. Geradores de vapor são trocadores de calor usados ​​para converter água de alimentação em vapor a partir do calor produzido no núcleo de um reator nuclear . O vapor produzido aciona a turbina.

evaporação por convecção - canal horizontal

Queda de pressão bifásica

Na análise prática de sistemas de tubulação, a quantidade mais importante é a perda de pressão devido a efeitos viscosos ao longo do comprimento do sistema, bem como perdas de pressão adicionais decorrentes de outros equipamentos tecnológicos como válvulas, cotovelos, entradas de tubulação, conexões e T .

Ao contrário das quedas de pressão monofásicas, o cálculo e a previsão de quedas de pressão bifásicas são um problema muito mais sofisticado e os métodos principais diferem significativamente. Dados experimentais indicam que a queda de pressão de atrito no fluxo bifásico (por exemplo, em um canal de ebulição) é substancialmente maior do que no fluxo monofásico com o mesmo comprimento e taxa de fluxo de massa. As explicações para isso incluem um aparente aumento da rugosidade da superfície devido à formação de bolhas na superfície aquecida e maiores velocidades de fluxo.

Queda de Pressão – Modelo de Fluxo Homogêneo

A abordagem mais simples para a previsão de fluxos bifásicos é tratar todo o fluxo bifásico como se fosse líquido , exceto o fluxo na velocidade da mistura bifásica . As quedas de pressão bifásicas para fluxos dentro de tubulações e canais são a soma de três contribuições:

A queda de pressão total do fluxo bifásico é então:

Totalp total = staticp estático + momp mãe + frp frito

As quedas de pressão estáticas e de momento podem ser calculadas da mesma forma que no caso de fluxo monofásico e usando a densidade homogênea da mistura :

densidade da mistura - definição

O termo mais problemática é a queda de pressão de atrito Ap atrito contra aço , o qual é baseado na queda de pressão de fase única que é multiplicado pelo factor de correcção de duas fases ( de atrito homogénea multiplicador – Φ Lo 2 ). Por essa abordagem, o componente de atrito da queda de pressão bifásica é:

queda de pressão bifásica - equação

onde (dP / dz) 2f  é gradiente de pressão de atrito do fluxo bifásico e (dP / dz) 1f  é gradiente de pressão de atrito se o fluxo inteiro (da taxa de fluxo de massa total G) fluir como líquido no canal ( pressão monofásica padrão gota ). O termo Φ lo  é o multiplicador de atrito homogêneo , que pode ser derivado de acordo com vários métodos. Um dos multiplicadores possíveis é igual a Φ lo 2  = (1 + x g (ρ l / ρ g – 1))  e, portanto:
queda de pressão bifásica - equação2

Como pode ser visto, este modelo simples sugere que as perdas por atrito bifásicas são, de qualquer forma, superiores às perdas por atrito monofásico. O multiplicador de atrito homogêneo aumenta rapidamente com a qualidade do fluxo .

As qualidades típicas de fluxo em geradores de vapor e núcleos BWR são da ordem de 10 a 20%. A perda de fricção bifásica correspondente seria então 2 a 4 vezes a de um sistema monofásico equivalente.

Instabilidade de fluxo

Em geral, existem várias instabilidades que podem ocorrer em sistemas de duas fases . Na engenharia nuclear , o estudo da estabilidade de fluxo multifásico é importante no gerenciamento de acidentes de reatores de água pressurizada e da maior importância em condições normais / anormais em reatores de água fervente .

Em PWRs em operação normal, o fluxo é considerado monofásico. Porém, muitos estudos foram realizados sobre a instabilidade do fluxo em caso de transientes e acidentes (como o acidente com perda de refrigerante – LOCA ou o disparo de RCPs com presença de circulação natural ) , em que oscilações ou reversões de fluxo podem ocorrer. ocorrer.

As oscilações de fluxo são variações no fluxo causadas especialmente por formações vazias e são indesejáveis ​​por várias razões.

  • As oscilações de fluxo podem causar tensões mecânicas indesejáveis nos componentes do combustível (como grades espaçadoras). Isso pode levar à falha desses componentes devido à fadiga.
  • As oscilações de fluxo afetam as características locais de transferência de calor . No caso de PWRs , a questão crítica de segurança é denominada DNB ( partida da ebulição nucleada ), que causa a formação de uma camada de vapor local , causando uma redução drástica na capacidade de transferência de calor. Verificou-se através de testes que o fluxo de calor crítico (CHF) necessário para sair da ebulição nucleada (DNB) pode ser reduzido em até 40% quando o fluxo está oscilando. Isso reduz severamente o limite térmico e a densidade de potência ao longo do comprimento do núcleo do reator .

As oscilações de fluxo podem ser um problema durante operações de circulação natural (por exemplo, após o disparo de todos os RCPs). A circulação natural é uma característica importante do projeto e o melhor mecanismo de remoção de calor. Devido às baixas taxas de vazão, pode ocorrer uma ebulição do líquido refrigerante e isso pode formar oscilações de fluxo. Durante a circulação natural, as bolhas de vapor formadas durante uma oscilação de fluxo podem ter efeito suficiente para realmente causar a reversão completa do fluxo no canal afetado.

BWR - instabilidade do fluxo
Região de instabilidade no mapa de fluxo de potência do reator BWR. Fonte: Francesco D’Auria, The BWR Stability Issue, THICKET 2008 – Sessão IX – Documento 26

Nos BWRs, a evaporação do líquido refrigerante ocorre em operação normal e é um fenômeno muito desejado. Por outro lado, a evaporação convectiva no canal de combustível faz com que o padrão de fluxo seja alterado ao longo do canal de combustível, dependendo da taxa de fluxo e da energia térmica. Verificou-se que existem regiões de instabilidade , nas quais podem surgir instabilidades de fluxo em duas fases. Essas instabilidades de fluxo bifásicas são indesejáveis, pois podem resultar em vibrações mecânicas e problemas de controle do sistema, afetar a operação normal, restringir os parâmetros operacionais e influenciar a segurança do reator. Deve-se notar que a estabilidade do fluxo nos BWRs não é uma questão importante há muitos anos, porque é um fenômeno bem conhecido.

Em geral, existem muitas classificações de instabilidades de fluxo. A seguinte classificação é baseada em mecanismos fundamentais termo-hidráulicos:

As instabilidades estáticas são:

  • Excursão de fluxo
  • Crise fervente
  • Tipos de relaxamento, incluindo transição do padrão de fluxo

As instabilidades dinâmicas são:

  • Oscilações de ondas de densidade
  • Oscilações de queda de pressão
  • Oscilações térmicas .

A caracterização adequada das instabilidades e as condições para sua ocorrência podem determinar a operação ideal e segura dos sistemas. A explicação mais aceita para a ocorrência do tipo dinâmico de instabilidades denominadas oscilações de ondas de densidade (DWO) .

A onda de densidade causa um atraso na queda de pressão local causada por uma mudança no fluxo de entrada. Devido a esse atraso, a soma de todas as quedas de pressão locais pode resultar em uma queda total que está fora de fase com o fluxo de entrada. O mecanismo básico que causa instabilidades de fluxo nos BWRs é a onda de densidade. Os períodos característicos dessas oscilações estão associados ao tempo necessário para uma partícula de fluido percorrer todo o loop.

Tipos de instabilidades observadas nos BWRs

  • Instabilidades do sistema de controle. As instabilidades do sistema de controle estão relacionadas à ação dos controladores que, através de atuadores, tentam regular algumas das variáveis ​​do reator.
  • Instabilidades de fluxo de canal. Este tipo de instabilidade pode ser descrito da seguinte forma: Vamos assumir uma perturbação do fluxo. Essa perturbação causa uma “onda” de vazios viajando para cima através do canal, produzindo uma queda de pressão em duas fases (a queda de pressão aumenta significativamente à medida que a fração de vazios aumenta) que é atrasada em relação à perturbação original. Um aumento na queda de pressão do canal (onda de densidade) pode levar à instabilidade na taxa de fluxo.
  • Instabilidade neutrônica-termo-hidráulica acoplada. O tipo dominante de instabilidades nos BWRs comerciais é a instabilidade neutrônica-termo-hidráulica acoplada (também conhecida como instabilidade da reatividade ). A geração de energia em BWRs está diretamente relacionada ao fluxo de nêutrons de combustível , que está fortemente relacionado à fração média de vazios nos canais principais. Esse efeito é conhecido como feedback de reatividade . O feedback de reatividade causado por alterações na fração de vazio ( coeficiente de vazio ) é atrasado à medida que os vazios viajam para cima através do canal de combustível. Em alguns casos, o atraso pode ser longo o suficiente e o feedback nulopode ser forte o suficiente para que a configuração do reator se torne instável. Nesse caso, o fluxo de nêutrons pode oscilar.

Referências especiais:

  • Francesco D’Auria, The BWR Stability Issue, THICKET 2008 – Sessão IX – Documento 26
  • Dag Strømsvåg, Mecanismos fundamentais das oscilações das ondas de densidade e o efeito do sub-resfriamento, NTNU, 2011.
  • J. March-Leuba, Instabilidades de ondas de densidade em reatores de água fervente. NUREG / CR-6003, ORNL, 1992.

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: [email protected] ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.

O que é perda de cabeça menor – Perdas locais – Definição

Menor perda de carga são perdas de pressão locais ou quedas de pressão de vários elementos hidráulicos, como curvas, conexões, válvulas, cotovelos, T ou canais aquecidos. Engenharia Térmica

Menor Perda de Cabeça – Perdas Locais

Na indústria, qualquer sistema de tubulação contém diferentes elementos tecnológicos como dobras, conexões, válvulas ou canais aquecidos . Esses componentes adicionais aumentam a perda de carga geral do sistema. Tais perdas são geralmente denominadas perdas menores , embora geralmente representem uma parte importante da perda de carga . Para sistemas de tubulação relativamente curtos, com um número relativamente grande de dobras e conexões, pequenas perdas podem facilmente exceder grandes perdas (especialmente com uma válvula parcialmente fechada que pode causar uma maior perda de pressão do que um tubo longo, na verdade quando uma válvula é fechada ou fechada). quase fechada, a perda menor é infinita).

As perdas menores são comumente medidas experimentalmente. Os dados, especialmente para válvulas, dependem um pouco do projeto do fabricante.

Como o atrito do tubo, as perdas menores são proporcionalmente ao quadrado da vazão e, portanto, podem ser facilmente integradas à equação de Darcy-Weisbach . K é a soma de todos os coeficientes de perda no comprimento do tubo, cada um contribuindo para a perda de carga geral.perda de cabeça menor - equação

Existem vários métodos para calcular a perda de carga de conexões, dobras e cotovelos. Na seção a seguir, esses métodos são resumidos na ordem do mais simples ao mais sofisticado. 

 

Método de comprimento equivalente

O método de comprimento equivalente ( método e / D ) permite ao usuário descrever a perda de pressão através de um cotovelo ou acessório como um comprimento de tubo reto .

Este método baseia-se na observação de que as principais perdas também são proporcionais à cabeça de velocidade ( 2 / 2g ).

método de comprimento equivalente

O método L e / D simplesmente aumenta o fator multiplicador na equação de Darcy-Weisbach (ou seja, L / D ) por um comprimento de tubo reto (ou seja, e ), o que daria origem a uma perda de pressão equivalente às perdas na acessórios, daí o nome “comprimento equivalente”. O fator multiplicador torna-se, portanto, ƒ (L + L e ) / D e a equação para o cálculo da perda de pressão do sistema é, portanto:

comprimento equivalente

tabela de comprimentos equivalentes - válvulas, cotovelos, curvasTodos os acessórios, cotovelos, T, podem ser somados para formar um comprimento total e a perda de pressão calculada a partir desse comprimento. Verificou-se experimentalmente que se os comprimentos equivalentes para uma variedade de tamanhos de um determinado tipo de acessório são divididos pelos diâmetros dos acessórios, então é obtida uma relação quase constante (isto é, L e / D). A vantagem do método de comprimento equivalente é que um único valor de dados é suficiente para cobrir todos os tamanhos desse acessório e, portanto, a tabulação de dados de comprimento equivalente é relativamente fácil. Alguns comprimentos equivalentes típicos são mostrados na tabela.Veja também: Software de dimensionamento de tubos e cálculo de fluxo

Método do coeficiente de resistência – Método K – Excesso de cabeça

tabela de valores K - válvulas, cotovelos, curvasO método coeficiente de resistência (ou K-método, ou método de cabeça em excesso) permite que o utilizador para descrever a perda de pressão através de um cotovelo ou um encaixe por um número adimensional – K . Esse número adimensional (K) pode ser incorporado à equação de Darcy-Weisbach de maneira muito semelhante ao método de comprimento equivalente. Em vez de dados de comprimento equivalente, neste caso, o número sem dimensão (K) é usado para caracterizar o acessório sem vinculá-lo às propriedades do tubo.

O valor K representa o múltiplo de cabeçotes de velocidade que serão perdidos pelo fluido que passa pelo acessório. A equação para o cálculo da perda de pressão do elemento hidráulico é, portanto:
Método do valor KPortanto, a equação para o cálculo da perda de pressão de todo o sistema hidráulico é:
Valor K - perda de carga
valor K pode ser caracterizado para vários regimes de fluxo (isto é, de acordo com o número de Reynolds ) e isso faz com que seja mais preciso que o método de comprimento equivalente.

Existem vários outros métodos para calcular a perda de pressão para conexões, esses métodos são mais sofisticados e também mais precisos :

  • Método 2K . O método 2K é uma técnica desenvolvida por Hooper BW para prever a perda de carga em um cotovelo, válvula ou T. O método 2K aprimora o método do excesso de cabeça, caracterizando a alteração na perda de pressão devido à variação do número de Reynolds . O método 2-K é vantajoso em relação a outro método, especialmente na região de fluxo laminar .Método 2K
  • Método 3K . O método 3K (de Ron Darby em 1999) melhora ainda mais a precisão do cálculo da perda de pressão, caracterizando também a mudança nas proporções geométricas de um acessório conforme o tamanho muda. Isso torna o método 3K particularmente preciso para um sistema com acessórios grandes .Método 3K

Resumo:

  • A perda de carga do sistema hidráulico é dividida em duas categorias principais :
    • Perda de Cabeça Maior – devido ao atrito em tubos retos
    • Menor perda de carga – devido a componentes como válvulas, curvas…
  • Uma forma especial da equação de Darcy pode ser usada para calcular pequenas perdas .
  • As perdas menores são aproximadamente proporcional ao quadrado da taxa de fluxo e, portanto, eles podem ser facilmente integrados na equação de Darcy-Weisbach através de coeficiente de resistência K .
  • Como uma perda de pressão local, a aceleração do fluido em um canal aquecido também pode ser considerada.

Existem os seguintes métodos:

  • Método de comprimento equivalente
  • Método K (método coeficiente de resistência)
  • Método 2K
  • Método 3K

Por que a perda de cabeça é muito importante?

Como pode ser visto na figura, a perda de carga é a principal característica de qualquer sistema hidráulico. Nos sistemas em que uma certa vazão deve ser mantida (por exemplo, para fornecer refrigeração ou transferência de calor suficiente a partir do núcleo do reator ), o equilíbrio da perda de carga e da  carga adicionada por uma bomba determina a vazão através do sistema.

Diagrama característico de QH da bomba centrífuga e do gasoduto
Diagrama característico de QH da bomba centrífuga e do gasoduto

Fluxo através do cotovelo – perda menor

fluxo através do cotovelo - perda menorO fluxo através dos cotovelos é bastante complicado . De fato, qualquer tubo curvo sempre induz uma perda maior do que o simples tubo reto. Isso ocorre pelo fato de que em um tubo curvo o fluxo se separa nas paredes curvas. Para um raio de curvatura muito pequeno, o fluxo de entrada é até incapaz de fazer a curva na curva; portanto, o fluxo se separa e em parte estagna contra o lado oposto do tubo. Nesta parte da curva, a pressão aumenta (como resultado do princípio de Bernoulli ) e a velocidade diminui.

Uma característica interessante dos valores K para cotovelos é o seu comportamento não monótono à medida que a razão R / D aumenta. Os valores K incluem as perdas locais e as perdas por atrito do tubo. As perdas locais, causadas pela separação de fluxo e fluxo secundário, diminuem com R / D, enquanto as perdas por atrito aumentam porque o comprimento da dobra aumenta. Portanto, há um mínimo no valor K próximo ao raio de curvatura normalizado de 3.

Aceleração de Fluidos

Gráfico - densidade - água - temperatura
Densidade da água líquida (comprimida) em função da temperatura da água

Sabe-se que quando o fluido é aquecido (por exemplo, em um canal de combustível), o fluido se expande (mudança na densidade do fluido) e aumenta sua velocidade de fluxo como resultado da equação de continuidade (a seção transversal do canal permanece a mesma). Para um volume de controle que tem uma única entrada e uma única saída, esta equação afirma que, para o fluxo em estado estacionário, a taxa de fluxo de massa no volume deve ser igual à taxa de fluxo de massa.

aceleração de fluidos - queda de pressão
Entrada de massa por unidade de tempo = Saída de massa por unidade de tempo

Veja também: Propriedades da água sub – resfriada

Outro princípio muito importante afirma ( princípio de Bernoulli ) que o aumento da velocidade do fluxo no canal aquecido causa a diminuição da pressão do fluido . Essa perda de pressão também pode ser considerada como uma perda de pressão local e pode ser calculada a partir da seguinte equação:
aceleração de fluidos - equação

Caudal através do núcleo de um reactor – aceleração do líquido de refrigeração

É um exemplo ilustrativo, os dados a seguir não correspondem a nenhum projeto de reator.

Equação de continuidade - vazões através do reator
Exemplo de vazões em um reator. É um exemplo ilustrativo, os dados não representam nenhum projeto de reator.

Os reatores de água pressurizada são resfriados e moderados por água líquida de alta pressão (por exemplo, 16MPa). A essa pressão, a água ferve a aproximadamente 350 ° C (662 ° F). A temperatura de entrada da água é de cerca de 290 ° C (~ ~ 720 kg / m 3 ). A água (refrigerante) é aquecido no núcleo do reactor para cerca de 325 ° C (⍴ ~ 654 kg / m 3 ) medida que a água flui através do núcleo.

O circuito primário dos PWRs típicos é dividido em 4 circuitos independentes (diâmetro da tubulação ~ 700 mm), cada circuito compreende um gerador de vapor e uma bomba de refrigeração principal . Dentro do vaso de pressão do reator (RPV), o líquido de arrefecimento flui primeiro para fora do núcleo do reator (através do descendente). Do fundo do vaso de pressão, o fluxo é revertido através do núcleo, onde a temperatura do líquido de refrigeração aumenta à medida que passa pelas barras de combustível e pelos conjuntos formados por elas.

Calcular:

  • Perda de pressão devido à aceleração do líquido de arrefecimento em um canal de combustível isolado

 quando

  • velocidade do fluxo de entrada do canal é igual a 5,17 m / s
  • velocidade do fluxo de saída do canal é igual a 5,69 m / s

Solução:

A perda de pressão devido à aceleração do líquido de arrefecimento em um canal de combustível isolado é então:

aceleração do refrigerante - exemplo

Este fato tem consequências importantes. Devido à diferente potência relativa dos conjuntos de combustível em um núcleo, esses conjuntos de combustível têm resistência hidráulica diferente e isso pode induzir o fluxo lateral local do líquido de arrefecimento primário e deve ser considerado nos cálculos termo-hidráulicos.

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O que é o Diagrama de Moody – Definição

O diagrama de Moody (também conhecido como gráfico Moody) é um gráfico na forma não dimensional que relaciona o fator de atrito de Darcy, o número de Reynolds e a rugosidade relativa. Engenharia Térmica

Diagrama de Moody

O diagrama de Moody (também conhecido como gráfico Moody) é um gráfico na forma não dimensional que relaciona o fator de atrito de Darcy , o número de Reynolds e a rugosidade relativa do fluxo totalmente desenvolvido em um tubo circular.

Moody Diagram
Fonte: Donebythesecondlaw no idioma inglês Wikipedia, CC BY-SA 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4681366

Exemplo: Diagrama Moody

Determine o fator de atrito (f D ) para o fluxo de fluido em um tubo de 700 mm de diâmetro com o número de Reynolds de 50 000 000 e uma rugosidade absoluta de 0,035 mm.

Solução:

A rugosidade relativa é igual a ε = 0,035 / 700 = 5 x 10 -5 . Usando o Moody Chart, um número de Reynolds de 50 000 000 cruza a curva correspondente a uma rugosidade relativa de 5 x 10 -5 a um fator de atrito de 0,011 .

Moody chart, moody diagram
Exemplo: gráfico temperamental.
Fonte: Donebythesecondlaw no idioma inglês Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4681366

Fator de atrito de Darcy para vários regimes de fluxo

A classificação mais comum dos regimes de fluxo é de acordo com o número de Reynolds. O número de Reynolds é um número adimensional composto pelas características físicas do fluxo e determina se o fluxo é laminar ou turbulento . Um número crescente de Reynolds indica uma crescente turbulência do fluxo. Como pode ser visto no gráfico Moody, também o fator de atrito de Darcy é altamente dependente do regime de fluxo (ou seja, do número de Reynolds).

 

 

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O que é bomba centrífuga – definição

Bombas centrífugas são dispositivos usados ​​para transportar fluidos pela conversão de energia cinética rotacional em energia hidrodinâmica. Bombas centrífugas

Bombas centrífugas

As bombas centrífugas são dispositivos que são usados para fluidos de transporte pela conversão da energia cinética de rotação para a energia hidrodinico do fluxo de fluido. A energia rotacional normalmente vem de um motor elétrico ou turbina a vapor (no caso de bombas de água de alimentação acionadas por turbina). As bombas centrífugas são usadas em mais aplicações industriais do que qualquer outro tipo de bomba. A bomba centrífuga mais comum é a bomba de voluta.

Como funciona?

Na voluta do fluido da bomba entra a bomba axialmente através do olhal do impulsor ( área de baixa pressão ) que gira em alta velocidade. À medida que o impulsor e as pás giram, eles transferem o impulso para o fluido que entra. O fluido acelera radialmente para fora a partir da perseguição da bomba e um vácuo é criado no olho do impulsor, que atrai continuamente mais fluido para a bomba. À medida que a velocidade do fluido aumenta, sua energia cinética aumenta . O fluido de alta energia cinética é forçado a sair da área do impulsor e entra na voluta . Na voluta, o fluido flui através de uma área de seção transversal continuamente crescente , ondea energia cinética é convertida em pressão de fluido (de acordo com o princípio de Bernoulli ).

As pás do impulsor geralmente são curvadas para trás, mas também existem projetos de pás radiais e curvadas para a frente. A pressão de saída muda ligeiramente de acordo com o design usado. As lâminas podem estar abertas ou fechadas . Além disso, o difusor pode ser equipado com palhetas fixas para ajudar a guiar o fluxo em direção à saída. A energia transferida para o líquido corresponde à velocidade na borda do impulsor. Quanto mais rápido o impulsor gira ou quanto maior o impulsor , maior será a velocidade .

Princípios das bombas centrífugas-minimpulsor e difusor

 

Partes principais de uma bomba centrífuga

Bomba centrífuga-minCada bomba centrífuga é composta por centenas de peças. Existem alguns componentes que praticamente todas as bombas centrífugas têm em comum. Esses componentes podem ser subdivididos na extremidade úmida e na extremidade mecânica .

extremidade úmida da bomba inclui as peças que determinam o desempenho hidráulico da bomba . As duas extremidades úmidas primárias são o impulsor e a carcaça . Em alguns casos, o primeiro rolamento radial pode ser lubrificado com água. Neste caso, também a lata de rolamentos pertence a extremidades úmidas.

extremidade mecânica inclui as peças que suportam o impulsor dentro da carcaça . A extremidade mecânica da bomba inclui o eixo , a vedação, os rolamentos e a luva do eixo .

Esses componentes foram projetados para executar tarefas específicas:

  • impulsor e difusorImpulsor. O impulsor é um rotor usado para aumentar a energia cinética do fluxo.
  • Embalagem (Voluta). O invólucro contém o líquido e atua como um recipiente de contenção de pressão que direciona o fluxo de líquido para dentro e para fora da bomba centrífuga. A voluta é um funil curvo que aumenta de área à medida que se aproxima da porta de descarga. A voluta de uma bomba centrífuga é o invólucro que recebe o fluido sendo bombeado pelo impulsor, diminuindo a taxa de fluxo do fluido. Portanto, de acordo com o princípio de Bernoulli, a voluta converte energia cinética em pressão, reduzindo a velocidade e aumentando a pressão. Algumas bombas centrífugas contêm difusores. Um difusor é um conjunto de pás estacionárias que circundam o impulsor. O difusor direciona o fluxo, permite uma expansão mais gradual e, portanto, aumenta a eficiência da bomba centrífuga.
  • Eixo (rotor). O impulsor é montado em um eixo. O eixo é um componente mecânico para a transmissão de torque do motor para o impulsor.
  • Vedação do eixo. As bombas centrífugas são fornecidas com anéis de vedação ou vedação mecânica, o que ajuda a evitar o vazamento do líquido bombeado.
  • Rolamentos. Os rolamentos restringem o movimento relativo do eixo (rotor) e reduzem o atrito entre o eixo rotativo e o estator. Existem pelo menos 5 tipos comuns de rolamentos, cada um dos quais opera com princípios diferentes:
    • Rolamento liso
    • Rolamento do elemento rolante
    • Rolamento de jóias
    • Rolamento de fluido
    • Rolamento magnético

Tipos de impulsores em bombas centrífugas

impulsor aberto, semiaberto, fechadoO design do impulsor é o fator mais significativo para determinar o desempenho de uma bomba centrífuga. Um impulsor adequadamente projetado otimiza o fluxo , minimizando a turbulência e maximizando a eficiência .

O impulsor de uma bomba centrífuga pode ser de três tipos básicos :

  • Impulsor aberto.  Os impulsores abertos têm as palhetas livres dos dois lados. Os impulsores abertos são estruturalmente fracos. Eles são normalmente usados ​​em bombas de baixo diâmetro e de baixo custo e bombas que manuseiam sólidos em suspensão.
  • Impulsor semiaberto . As palhetas são livres de um lado e fechadas do outro. A cobertura acrescenta força mecânica. Eles também oferecem maior eficiência do que impulsores abertos. Eles podem ser usados ​​em bombas de diâmetro médio e com líquidos contendo pequenas quantidades de sólidos em suspensão. Devido à minimização da recirculação e outras perdas, é muito importante que exista uma pequena folga entre as palhetas do impulsor e a carcaça.
  • Impulsor fechado . As palhetas estão localizadas entre os dois discos, todos em uma única peça fundida. Eles são usados ​​em bombas grandes, com alta eficiência e baixa cabeça de sucção positiva líquida necessária . As bombas centrífugas com impulsor fechado são as bombas mais usadas no manuseio de líquidos transparentes. Eles contam com anéis de desgaste de folga estreita no impulsor e na carcaça da bomba. O impulsor fechado é um projeto mais complicado e caro, não apenas por causa do impulsor, mas também são necessários anéis de desgaste adicionais.

As pás do impulsor podem ser:

  • Design da lâmina com curvatura para trás (design preferido devido à inclinação negativa da curva de desempenho)
  • Design radial da lâmina
  • Projeto de lâmina com curvatura para a frente (devido às condições de inclinação positiva, esse projeto pode causar oscilação da bomba)

Os impulsores podem ser:

  • Sucção única . Um impulsor de sucção única permite que o líquido entre no centro das pás apenas de uma direção.
  • Sucção dupla . Um impulsor de sucção dupla permite que o líquido entre no centro das pás do impulsor de ambos os lados simultaneamente. Isso reduz as forças exercidas no eixo.

Impulsor de sucção simples vs. dupla-min

impulsor e difusorA pressão de saída muda levemente de acordo com o design usado. As lâminas podem estar abertas ou fechadas. Além disso, o difusor pode ser equipado com palhetas fixas para ajudar a guiar o fluxo em direção à saída. A energia transferida para o líquido corresponde à velocidade na borda do impulsor. Quanto mais rápido o impulsor gira ou quanto maior o impulsor, maior será a velocidade.

Em geral, as bombas centrífugas podem ser classificadas com base na maneira pela qual o fluido flui através da bomba. Não é uma classificação baseada apenas no impulsor, mas sim no projeto da carcaça da bomba e do impulsor . Os três tipos de fluxo através de uma bomba centrífuga são:

  • fluxo radial
  • fluxo misto (parte radial, parte axial)
  • fluxo axial (tipo hélice)

Características de desempenho de bombas centrífugas

Embora a teoria das bombas centrífugas dê muitos resultados qualitativos, o indicador mais importante do desempenho de uma bomba está em extensos testes hidráulicos .

Na indústria, as características de todas as bombas geralmente são lidas a partir de sua curva QH  ou curva de desempenho  (vazão – altura). Como pode ser visto, os gráficos de desempenho usam uma descarga – Q (geralmente em m 3 / h) e a cabeça da bomba – H (geralmente em m) como variáveis ​​básicas de desempenho.

Cabeça do sistema

Cabeça do sistema - sem cabeça estáticaNo capítulo sobre perda de carga , determinou-se que as perdas maiores as perdas menores nos sistemas de tubulação são proporcionais ao quadrado da velocidade do fluxo . É óbvio que a perda de carga do sistema deve ser diretamente proporcional ao quadrado da vazão volumétrica, porque a vazão volumétrica é diretamente proporcional à velocidade do fluxo.

Deve-se acrescentar que os sistemas hidráulicos abertos contêm não apenas a cabeça de atrito, mas também a cabeça de elevação , que deve ser considerada. A cabeça de elevação (cabeça estática) representa a energia potencial de um fluido devido à sua elevação acima de um nível de referência.
Cabeça de elevação

Cabeça do sistema - com cabeça estáticaEm muitos casos, a cabeça total de um sistema é uma combinação de cabeça de elevação e cabeça de fricção, conforme mostrado na figura.

Na engenharia nuclear, a maioria dos sistemas hidráulicos são laços hidráulicos fechados e esses sistemas possuem apenas cabeçote de fricção (sem cabeçote estático).

Cabeça da bomba – curva de desempenho

Na dinâmica de fluidos, o termo cabeça da bomba é usado para medir a energia cinética que uma bomba cria. Cabeça é uma medida da altura da coluna de fluido incompressível que a bomba poderia criar a partir da energia cinética que a bomba fornece ao líquido. A cabeça e a taxa de fluxo determinam o desempenho de uma bomba, que é mostrado graficamente na figura como a curva de desempenho ou curva característica da bomba . O principal motivo para usar a cabeça em vez da pressão para determinar o desempenho de uma bomba centrífuga é que oa altura da coluna de fluido não depende da gravidade específica (peso) do líquido , enquanto a pressão de uma bomba muda. Em termos de pressão, a cabeça da bomba ( bomba ΔP ) é a diferença entre a contrapressão do sistema e a pressão de entrada da bomba.

cabeça da bomba - curva de desempenho - gráficocabeça máxima da bomba de uma bomba centrífuga é determinada principalmente pelo diâmetro externo do impulsor da bomba e pela velocidade angular do eixo  – velocidade do eixo rotativo. A cabeça também muda à medida que a vazão volumétrica através da bomba é aumentada.

Quando uma bomba centrífuga está operando a uma velocidade angular constante , um aumento na cabeça do sistema (contrapressão) na corrente de fluxo causa uma redução na taxa de fluxo volumétrica que a bomba centrífuga pode manter.

A relação entre a cabeça da bomba e a vazão volumétrica (Q) , que uma bomba centrífuga pode manter, depende de várias características físicas da bomba como:

  • a energia fornecida à bomba
  • a velocidade angular do eixo
  • o tipo e diâmetro do impulsor

e o fluido usado:

  • densidade do fluido
  • viscosidade do fluido

Essa relação é muito complicada e sua análise está em extensos testes hidráulicos de certas bombas centrífugas. Como pode ser visto na figura abaixo.

Características de operação de um circuito hidráulico

Quando reunimos as características de atrito  (cabeça do sistema) de um circuito hidráulico e a curva de desempenho, o resultado descreve as características de todo o sistema (por exemplo, um circuito do circuito primário ). A figura a seguir mostra a curva de desempenho típica de uma bomba centrífuga relacionada à cabeça de atrito do sistema.

Diagrama característico de QH da bomba centrífuga e do gasoduto
Diagrama característico de QH da bomba centrífuga e do gasoduto

A cabeça da bomba , no eixo vertical, é a  diferença entre a contrapressão do sistema e a pressão de entrada da bomba ( bomba ΔP ). A vazão volumétrica (Q) , no eixo horizontal, é a taxa na qual o fluido está fluindo através da bomba. Como pode ser visto, a cabeça é aproximadamente constante em baixa descarga e depois cai para zero em max . Em baixa descarga, as características podem ser instáveis ​​(com inclinação positiva da cabeça da bomba). Essas são características indesejáveis, porque uma bomba instável pode começar a oscilar entre as duas combinações possíveis de vazão e a tubulação pode vibrar.

Na vazão Q1, a bomba ganha mais pressão do que consome as perdas por atrito; portanto, a vazão através do sistema aumentará . A vazão se estabilizará no ponto em que as perdas por atrito cruzam as características da bomba .

Para caracterizar o desempenho de bombas centrífugas, são definidos os seguintes termos:

  • Cabeça de corte
  • Eficiência da bomba
  • Melhor Ponto de Eficiência
  • Potência de freio
  • Cabeça de sucção positiva líquida

Operação em série de bombas centrífugas (booster)

Para aumentar a vazão volumétrica em um sistema ou compensar grandes perdas maiores ou menores , as bombas centrífugas são frequentemente usadas em paralelo ou em série .

A operação em série de bombas centrífugas é usada para superar uma grande perda de carga do sistema ou para obter um grande aumento de pressão quando o líquido é injetado em um sistema de pressão muito alta (por exemplo, Sistemas de Injeção de Segurança de Alta Pressão em PWRs , onde são usadas bombas de vários estágios).

Quando uma bomba centrífuga é operada em um circuito fechado, a pressão de descarga resultante será simplesmente a soma da pressão de sucção e da pressão normalmente desenvolvida pela bomba ao operar na pressão de sucção zero. Portanto, é adequado para uso como uma bomba auxiliar quando operada em série. A cabeça produzida por duas ou mais bombas é igual à soma das cabeças individuais . A vazão volumétrica da entrada da primeira bomba até a saída da segunda permanece a mesma. Na aplicação prática, as bombas de vários estágios ( bomba de múltiplos impulsores ) são construídas para atingir uma cabeça de bomba mais alta.

Operação em série de bombas centrífugas

Operação paralela de bombas centrífugas

Para aumentar a vazão volumétrica em um sistema ou compensar grandes perdas maiores ou menores, as bombas centrífugas são frequentemente usadas em paralelo ou em série .

A operação paralela de bombas centrífugas é usada para aumentar a vazão através do sistema. As bombas que operam em paralelo tomam sua sucção de um cabeçalho comum e descarregam em uma descarga comum . Embora a cabeça mude apenas um pouco, o fluxo quase dobrou em qualquer ponto. Deve-se notar que a vazão volumétrica é na verdade inferior a duas vezes a vazão alcançada usando uma única bomba. Isso é causado por uma maior perda de carga do sistema resultante de maior vazão.

operação paralela de bombas centrífugas

Modos principais de falha de bombas centrífugas

Como as bombas centrífugas são um dos tipos de bombas mais utilizados no mundo, seus parâmetros operacionais e também suas vulnerabilidades são bem conhecidos. Este artigo analisa os principais modos de falha encontrados nas bombas centrífugas . Em geral, as falhas da bomba resultam em alterações operacionais que reduzem a eficiência ou podem resultar em uma avaria da bomba. A confiabilidade dos sistemas hidráulicos e também das bombas centrífugas é da maior importância na engenharia nuclear .

Os modos de falha das bombas centrífugas podem ser agrupados em três categorias:

Modos de falha hidráulica

  • Cavitação. A cavitação é, em muitos casos, uma ocorrência indesejável. Nas bombas centrífugas, a cavitação causa danos aos componentes (erosão do material), vibrações, ruídos e perda de eficiência.
  • Pulsação por pressão.  Pulsações de pressão são flutuações na pressão básica. Para bombas de cabeçote alto, as pulsações de pressão de sucção e descarga podem causar instabilidade nos controles da bomba, vibração da tubulação de sucção e descarga e altos níveis de ruído da bomba.
  • Recirculação da bomba. Uma bomba operando com capacidade inferior aos limites projetados pode sofrer recirculação que ocorre internamente nas bombas. A recirculação da bomba pode causar surtos e cavitação, mesmo quando o NPSHa disponível excede o NPSHr do fornecedor por uma margem considerável.
  • Impulso radial e axial. Um alto impulso radial que resulta em deflexões excessivas do eixo pode levar a problemas persistentes de vedação ou vedação mecânica e, possivelmente, falha do eixo. O impulso axial é imposto ao longo do eixo do eixo. Um impulso axial alto pode impor uma carga excessiva no rolamento.

Modos de falha mecânica

  • Apreensão ou ruptura do eixo
  • Falha no rolamento
  • Falha no selo
  • Vibrações
  • Fadiga

Outros modos de falha

  • Erosão
  • Corrosão

Cavitação em Bombas Centrífugas

cavitação - impulsor danificado-minPrincipais locais onde a cavitação ocorre são em bombas, em turbinas ou hélices . Nas bombas centrífugas, a cavitação resulta de uma redução na pressão de sucção , um aumento na temperatura de sucção ou um aumento na vazão acima daquela para a qual a bomba foi projetada.

Existem dois tipos básicos de cavitação da bomba :

Número de cavitação

número de cavitação (Ca) ou o parâmetro de cavitação é um número sem dimensão usado nos cálculos de fluxo. É convencional caracterizar a proximidade da pressão no fluxo do líquido com a pressão do vapor (e, portanto, o potencial de cavitação) por meio do número da cavitação.

O número da cavitação pode ser expresso como:

número de cavitação - equação

Onde

CA = número de cavitação

p = pressão local (Pa)

v = pressão de vapor do fluido (Pa)

ρ = densidade do fluido (kg / m 3 )

v = velocidade do fluido (m / s)

Danos por cavitação

A cavitação é, em muitos casos, uma ocorrência indesejável. Nas bombas centrífugas, a cavitação causa danos aos componentes (erosão do material), vibrações, ruídos e perda de eficiência.

Fonte: Wikipedia, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turbine_Francis_Worn.JPG
Fonte: Wikipedia, CC BY 2.5,
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turbine_Francis_Worn.JPG

Talvez o problema de engenharia mais importante causado pela cavitação seja o dano material que as bolhas de cavitação podem causar quando colapsam nas proximidades de uma superfície sólida. O colapso das bolhas de cavitação é um processo violento que gera ondas de choque e microjatos altamente localizados . Eles forçam o líquido energético em volumes muito pequenos, criando pontos de alta temperatura e esses distúrbios intensos geram tensões superficiais transitórias e altamente localizadas em uma superfície sólida. Os sinais de erosão aparecerão como pontinhos devido à ação de golpe de água das bolhas de vapor em colapso. Verificou-se que as taxas de danos por cavitação aumentam rapidamente com o aumento da vazão do volume.

Materiais mais macios podem ser danificados mesmo pela ocorrência de cavitação a curto prazo . Pontuações individuais podem ser observadas após um único colapso da bolha. Portanto, materiais mais duros são usados ​​para bombas centrífugas . Porém, com os materiais mais duros usados ​​na maioria das aplicações, o estresse cíclico devido a colapsos repetidos pode causar falha na fadiga da superfície local . Assim, os danos causados ​​pela cavitação aos metais geralmente têm a aparência de falha por fadiga .

cavitação - bolha em colapso-minQuando as bolhas de cavitação colapsam, elas forçam o líquido energético a volumes muito pequenos, criando pontos de alta temperatura e emitindo ondas de choque, as quais são uma fonte de ruído. Embora o colapso de uma pequena cavidade seja um evento de energia relativamente baixa, colapsos altamente localizados podem corroer metais, como o aço, ao longo do tempo. A picada causada pelo colapso das cavidades produz um grande desgaste dos componentes e pode reduzir drasticamente a vida útil da hélice ou da bomba.

A cavitação é geralmente acompanhada também por:

  • Ruído. O ruído típico é causado por cavidades em colapso. O nível do ruído resultante da cavitação é uma medida da gravidade da cavitação.
  • Vibração . As vibrações da bomba devido à cavitação são caracteristicamente baixas vibrações de frequência, geralmente encontradas na faixa de 0 a 10 Hz.
  • Redução na eficiência da bomba . Uma diminuição na eficiência da bomba é um sinal mais confiável de cavitação.

 

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O que é queda de pressão bifásica – Definição

O cálculo e a previsão de quedas de pressão bifásicas (ou perda de carga), incluindo perda por atrito e menor perda de carga, são problemas muito mais sofisticados. Engenharia Térmica

Queda de pressão bifásica

Na análise prática de sistemas de tubulação, a quantidade mais importante é a perda de pressão devido a efeitos viscosos ao longo do comprimento do sistema, bem como perdas de pressão adicionais decorrentes de outros equipamentos tecnológicos como válvulas, cotovelos, entradas de tubulação, conexões e T .

Ao contrário das quedas de pressão monofásicas, o cálculo e a previsão de quedas de pressão bifásicas são um problema muito mais sofisticado e os métodos principais diferem significativamente. Dados experimentais indicam que a queda de pressão de atrito no fluxo bifásico (por exemplo, em um canal de ebulição) é substancialmente maior do que no fluxo monofásico com o mesmo comprimento e taxa de fluxo de massa. As explicações para isso incluem um aparente aumento da rugosidade da superfície devido à formação de bolhas na superfície aquecida e maiores velocidades de fluxo.

Queda de Pressão – Modelo de Fluxo Homogêneo

A abordagem mais simples para a previsão de fluxos bifásicos é tratar todo o fluxo bifásico como se fosse líquido , exceto o fluxo na velocidade da mistura bifásica . As quedas de pressão bifásicas para fluxos dentro de tubulações e canais são a soma de três contribuições:

A queda de pressão total do fluxo bifásico é então:

Totalp total = staticp estático + momp mãe + frp frito

As quedas de pressão estáticas e de momento podem ser calculadas da mesma forma que no caso de fluxo monofásico e usando a densidade homogênea da mistura :

densidade da mistura - definição

O termo mais problemática é a queda de pressão de atrito Ap atrito contra aço , o qual é baseado na queda de pressão de fase única que é multiplicado pelo factor de correcção de duas fases ( de atrito homogénea multiplicador – Φ Lo 2 ). Por essa abordagem, o componente de atrito da queda de pressão bifásica é:

queda de pressão bifásica - equação

onde (dP / dz) 2f  é gradiente de pressão de atrito do fluxo bifásico e (dP / dz) 1f  é gradiente de pressão de atrito se o fluxo inteiro (da taxa de fluxo de massa total G) fluir como líquido no canal ( pressão monofásica padrão gota ). O termo Φ lo  é o multiplicador de atrito homogêneo , que pode ser derivado de acordo com vários métodos. Um dos multiplicadores possíveis é igual a Φ lo 2  = (1 + x g (ρ l / ρ g – 1))  e, portanto:
queda de pressão bifásica - equação2

Como pode ser visto, este modelo simples sugere que as perdas por atrito bifásicas são, de qualquer forma, superiores às perdas por atrito monofásico. O multiplicador de atrito homogêneo aumenta rapidamente com a qualidade do fluxo .

As qualidades típicas de fluxo em geradores de vapor e núcleos BWR são da ordem de 10 a 20%. A perda de fricção bifásica correspondente seria então 2 a 4 vezes a de um sistema monofásico equivalente.

Perda menor de duas fases

Na indústria, qualquer sistema de tubulação contém diferentes elementos tecnológicos como extremidades, conexões, válvulas ou canais aquecidos . Esses componentes adicionais aumentam a perda de carga geral do sistema. Tais perdas são geralmente denominadas perdas menores , embora geralmente representem uma parte importante da perda de carga . Para sistemas de tubulação relativamente curtos, com um número relativamente grande de dobras e conexões, pequenas perdas podem facilmente exceder grandes perdas (especialmente com uma válvula parcialmente fechada que pode causar uma maior perda de pressão do que um tubo longo, na verdade quando uma válvula é fechada ou fechada). quase fechada, a perda menor é infinita).

Pequenas perdas monofásicas são comumente medidas experimentalmente. Os dados, especialmente para válvulas, dependem um pouco do projeto do fabricante. A perda de pressão bifásica devido a obstruções do fluxo local é tratada de maneira semelhante às perdas por atrito monofásicas – via multiplicador de perda local .

Veja mais: PERDA DE PRESSÃO FRICACIONAL DE DUAS FASES EM FLUXO HORIZONTAL DE BOLHAS COM DOBRA DE 90 GRAUS 

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O que é padrão de fluxo – fluxo bifásico – definição

As estruturas de fluxo observadas são definidas como padrões de fluxo bifásicos e possuem características de identificação particulares. Padrões de fluxo – fluxo bifásico

Padrões de fluxo – fluxo bifásico

Um dos aspectos mais desafiadores de lidar com o fluxo bifásico ou multifásico é o fato de que ele pode assumir muitas formas diferentes . As distribuições espaciais e as velocidades das fases líquida e de vapor no canal de fluxo são aspectos muito importantes em muitos ramos da engenharia. Quedas de pressão e também coeficientes de transferência de calor dependem fortemente da estrutura do fluxo local e, portanto, é importante na engenharia de reatores nucleares . As estruturas de fluxo observadas são definidas como padrões de fluxo bifásicose estes têm características de identificação particulares. Esses diferentes padrões de fluxo foram categorizados de acordo com a direção do fluxo em relação à aceleração gravitacional.

  • Padrões de fluxo em tubos verticais
  • Padrões de fluxo em tubos horizontais
padrões de fluxo
Tabela de padrões básicos de fluxo em tubos verticais.

Os principais regimes de fluxo em tubos verticais são mostrados na tabela. Deve-se observar que os valores de qualidadevazão dependem do fluido e da pressão. Nos tubos horizontais , também pode haver fluxo estratificado (especialmente em vazões baixas), nas quais as duas fases se separam sob o efeito da gravidade.

Para uma vazão constante de líquido, a fase de vapor / gás tende a ser distribuída como pequenas bolhas a baixas vazões de vapor. O aumento da fração de vazio causa aglomeração de bolhas em plugues e lesmas maiores . A aglomeração adicional de lesmas, causada pelo aumento da fração de vazio, causa a separação das fases em padrões anulares, em que o líquido se concentra na parede do canal e o vapor flui no núcleo central do canal vertical.

Para o canal horizontal , a força gravitacional tende a drenar o anel líquido em direção à parte inferior do canal, resultando em fluxo estratificado . A força gravitacional que atua na fase líquida pode ser superada por forças cinéticas a altas taxas de fluxo, fazendo com que fluxos estratificados voltem a fluxos anulares. Em vazões muito altas , o filme anular é diluído pelo cisalhamento do núcleo de vapor e todo o líquido é arrastado como gotículas na fase de vapor. Esse regime de fluxo é geralmente conhecido como fluxo de névoa .

Veja também:  Livro de Dados de Engenharia III, Thome, JR, Wolverine Tube Inc, 2004.

Padrões de Fluxo – Tubos Verticais

  • Fluxo borbulhante
  • Fluxo de lesmas
  • Fluxo de rotatividade
  • Fluxo anular
  • Fluxo de névoa
Borbulhante - Lesma - Batedeira - Anular - Névoa - Fluxo
Esboços de regimes de fluxo para fluxo bifásico em um tubo vertical. Fonte: Weisman, J. Padrões de fluxo bifásicos. Capítulo 15 do Manual de Fluidos em Movimento, Cheremisinoff NP, Gupta R. 1983, Ann Arbor Science Publishers.
padrões de fluxo - fluxo vertical - Hewitt
O mapa do regime de fluxo vertical de Hewitt e Roberts (1969) para fluxo em um tubo de 3,2 cm de diâmetro, validado para fluxo de ar / água à pressão atmosférica e fluxo de vapor / água a alta pressão. Fonte: Brennen, CE, Fundamentos de fluxos multifásicos, Cambridge University Press, 2005, ISBN 0521 848040

Padrões de Fluxo – Tubos Horizontais

  • Fluxo borbulhante
  • Fluxo estratificado
  • Fluxo da tomada e fluxo da lesma
  • Fluxo anular
  • Fluxo de névoa
bolha, plug, lesma, anular, névoa, fluxo estratificado ou ondulado
Esboços de regimes de fluxo para fluxo bifásico em um tubo horizontal. Fonte: Weisman, J. Padrões de fluxo bifásicos. Capítulo 15 do Manual de Fluidos em Movimento, Cheremisinoff NP, Gupta R. 1983, Ann Arbor Science Publishers.
padrões de fluxo - fluxo horizontal
Um mapa de regime de fluxo para o fluxo de uma mistura ar / água em um tubo horizontal de 2,5 cm de diâmetro a 25 ° C e 1 bar. Linhas e pontos sólidos são observações experimentais das condições de transição, enquanto as zonas tracejadas representam previsões teóricas. Fonte: Mandhane, JM, Gregory, GA e Aziz, KA (1974). Um mapa de padrões de fluxo para fluxo gás-líquido em tubos horizontais. Int. J. Fluxo multifásico

Padrões de fluxo durante a evaporação

A seção anterior descreve vários padrões de fluxo e descreve brevemente seu comportamento. Esses padrões de fluxo foram considerados em fração de vazio constante e em velocidades superficiais constantes . Mas existem muitas aplicações industriais que precisam considerar uma fração de vazio variável e velocidades superficiais variáveis. Na indústria nuclear, temos que lidar com os padrões de fluxo durante a evaporação (isto é, durante mudanças na fração de vazio ).

O conhecimento detalhado das mudanças de fase e o comportamento do fluxo durante a mudança de fase é uma das considerações mais importantes no projeto de um reator nuclear , especialmente nas seguintes aplicações:

  • evaporação convectiva - canal verticalBWR – Reatores de água fervente
    • Um reator de água fervente é resfriado e moderado por água como um PWR, mas a uma pressão mais baixa (7MPa), que permite que a água ferva dentro do vaso de pressão produzindo o vapor que aciona as turbinas. Portanto, a evaporação ocorre diretamente nos canais de combustível. Portanto, os BWRs são o melhor exemplo para esta área, porque a evaporação do líquido refrigerante ocorre na operação normal e é um fenômeno muito desejado.
    • Nos BWRs, há um fenômeno que é da maior importância na segurança do reator . Esse fenômeno é conhecido como “seca” e está diretamente associado a alterações no padrão de fluxo durante a evaporação. Normalmente, a superfície do combustível é efetivamente resfriada com líquido de ebulição fervente. No entanto, quando o fluxo de calor excede um valor crítico (CHF – fluxo de calor crítico), o padrão de fluxo pode atingir as condições de secagem (a película fina de líquido desaparece). A transferência de calor da superfície do combustível para o refrigerante é deteriorada, com o resultado de um aumento drástico da temperatura da superfície do combustível .
  • PWR – Reatores de água pressurizada
    • Em PWRs em operação normal, o fluxo é considerado monofásico. Porém, muitos estudos foram realizados sobre a natureza do fluxo bifásico em caso de transientes e acidentes (como o acidente com perda de líquido refrigerante – LOCA ou disparo de RCPs ), que são importantes para a segurança do reator e deve ser comprovado e declarado no Relatório de Análise de Segurança (SAR). No caso de PWRs, o fenômeno problemático não é a seca. No caso de PWRs, o fluxo crítico é o fluxo anular invertido . Esse fluxo ocorre quando uma superfície de revestimento da barra de combustível é superaquecida, o que causa a formação de uma camada de vapor local, causando uma redução drástica na capacidade de transferência de calor. Esse fenômeno é conhecido como afastamento da ebulição nucleada – DNB . A diferença no regime de fluxo entre o fluxo pós-secagem e o fluxo pós-DNB é mostrada na figura.
    • Nos PWRs, a evaporação ocorre também em geradores de vapor. Geradores de vapor são trocadores de calor usados ​​para converter água de alimentação em vapor a partir do calor produzido no núcleo de um reator nuclear . O vapor produzido aciona a turbina.

evaporação por convecção - canal horizontal

 

 

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Propriedades do vapor – Definição

Propriedades do vapor. O vapor é um gás invisível que consiste em água vaporizada. As propriedades do vapor são tabuladas nas chamadas “Tabelas de vapor”. Engenharia Térmica

O que é vapor

O vapor é um gás invisível que consiste em água vaporizada, formada quando a água ferve. Quando o vapor é visível, ele contém a névoa visível das gotas de água. Esse vapor é chamado de ” vapor úmido “, mas ” vapor seco ” é sempre invisível. Em pressões mais baixas, como na atmosfera superior ou no condensador de usinas termelétricas, o vapor pode existir a uma temperatura mais baixa do que os 100 ° C nominais na temperatura e pressão padrão.

Diagrama de fases da água
Diagrama de fases da água.
Fonte: wikipedia.org CC BY-SA

Como a água e o vapor são meios comuns usados ​​para troca de calor e conversão de energia, o vapor é gerado em larga escala por sistemas de energia, como, por exemplo, em usinas termelétricas. Como é típico em todas as usinas térmicas convencionais, o calor é usado para gerar vapor que aciona uma turbina a vapor conectada a um gerador que produz eletricidade. Observe que as modernas turbinas a vapor são usadas para gerar mais de 80% da eletricidade do mundo.

O vapor é geralmente classificado de acordo com a fração de vapor / (líquido + vapor). Essa fração é um parâmetro muito importante do vapor e é conhecida como qualidade do vapor.

Veja também: Propriedades da água

 

Qualidade de Vapor – Fração de Secura

molhado-vapor-vapor-líquido-mistura-minComo pode ser visto no diagrama de fases da água , nas regiões bifásicas (por exemplo, na fronteira das fases vapor / líquido), a especificação da temperatura por si só definirá a pressão e a especificação da pressão definirá a temperatura. Mas esses parâmetros não definirão o volume e a entalpia, pois precisaremos conhecer a proporção relativa das duas fases presentes.

fração de massa do vapor em uma região de vapor líquido de duas fases é chamada qualidade do vapor (ou fração de secura), x , e é dada pela seguinte fórmula:

qualidade de vapor

O valor da qualidade varia de zero a unidade . Embora definida como uma proporção, a qualidade é frequentemente fornecida como uma porcentagem. Deste ponto de vista, distinguimos entre três tipos básicos de vapor. Deve ser adicionado, em x = 0, estamos falando de estado líquido saturado (monofásico).

Esta classificação de vapor tem sua limitação. Considere o comportamento do sistema que é aquecido à pressão, que é maior que a pressão crítica . Nesse caso, não haveria alteração na fase do líquido para o vapor. Em todos os estados, haveria apenas uma fase. A vaporização e a condensação podem ocorrer apenas quando a pressão é menor que a pressão crítica. Os termos líquido e vapor tendem a perder seu significado. Na pressão, que é  maior que a pressão crítica, a   água está em um estado especial, conhecido como estado de fluido supercrítico .

Veja também: Saturação

Veja também: Fluido supercrítico

Veja também: Limitação do vapor

Propriedades do Steam – Tabelas Steam

Água e vapor são um fluido comum usado para a troca de calor no circuito primário (da superfície das barras de combustível ao fluxo do líquido de refrigeração) e no circuito secundário. É utilizado devido à sua disponibilidade e alta capacidade de aquecimento, tanto para refrigeração quanto para aquecimento. É especialmente eficaz para transportar calor através da vaporização e condensação da água devido ao seu calor latente muito grande de vaporização .

Uma desvantagem é que os reatores moderados a água precisam usar o circuito primário de alta pressão para manter a água no estado líquido e para obter eficiência termodinâmica suficiente. Água e vapor também reagem com metais comumente encontrados em indústrias como aço e cobre, que são oxidados mais rapidamente por água e vapor não tratados. Em quase todas as centrais térmicas (carvão, gás, nuclear), a água é usada como fluido de trabalho (usado em um circuito fechado entre caldeira, turbina a vapor e condensador) e o líquido de arrefecimento (usado para trocar o calor residual por um corpo de água) ou carregue-o por evaporação em uma torre de resfriamento).

Propriedades da água - mesas a vapor
Tabelas a vapor – parâmetros comuns em sistemas de energia

Água e vapor são um meio comum, porque suas propriedades são muito conhecidas . Suas propriedades estão tabuladas nas chamadas ” Tabelas Steam “. Nessas tabelas, as propriedades básicas e principais, como pressão, temperatura, entalpia, densidade e calor específico, são tabuladas ao longo da curva de saturação vapor-líquido em função da temperatura e da pressão. As propriedades também são tabuladas para estados monofásicos ( água compactada ou vapor superaquecido ) em uma grade de temperaturas e pressões que se estendem a 2000 ºC e 1000 MPa.

Outros dados oficiais abrangentes podem ser encontrados na página do NIST Webbook sobre propriedades termofísicas de fluidos.

Veja também: Tabelas Steam

Referência especial: Allan H. Harvey. Propriedades termodinâmicas da água, NISTIR 5078. Recuperado em https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm

 

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O que é a água na engenharia nuclear – definição

Usos da água na engenharia nuclear. Na engenharia nuclear, a água tem vários usos. A água é uma substância notável e possui muitas propriedades físicas notáveis. Engenharia Térmica

Usos da água na engenharia nuclear

Água como fluido de refrigeração do reator


Água e vapor
 são um fluido comum usado para a troca de calor no circuito primário (da superfície das barras de combustível ao fluxo do líquido refrigerante) e no circuito secundário. É utilizado devido à sua disponibilidade e alta capacidade de calor, tanto para refrigeração quanto para aquecimento. É especialmente eficaz para transportar calor através da vaporização e condensação da água devido ao seu calor latente muito grande de vaporização .

Uma desvantagem é que os reatores moderados a água precisam usar o circuito primário de alta pressão para manter a água no estado líquido e para obter eficiência termodinâmica suficiente. Água e vapor também reagem com metais comumente encontrados em indústrias como aço e cobre, que são oxidados mais rapidamente por água e vapor não tratados. Em quase todas as centrais térmicas (carvão, gás, nuclear), a água é usada como fluido de trabalho (usado em um circuito fechado entre caldeira, turbina a vapor e condensador) e o líquido de arrefecimento (usado para trocar o calor residual por um corpo de água) ou transportá-lo por evaporação em uma torre de resfriamento).

Propriedades da água - mesas a vapor
Tabelas de vapor – parâmetros comuns em sistemas de energia

Água e vapor são um meio comum, porque suas propriedades são muito conhecidas . Suas propriedades estão tabuladas nas chamadas ” Tabelas Steam “. Nessas tabelas, as propriedades básicas e principais, como pressão, temperatura, entalpia, densidade e calor específico, são tabuladas ao longo da curva de saturação vapor-líquido em função da temperatura e da pressão. As propriedades também são tabuladas para estados monofásicos ( água compactada ou vapor superaquecido ) em uma grade de temperaturas e pressões que se estendem a 2000 ºC e 1000 MPa.

Outros dados oficiais abrangentes podem ser encontrados na página do NIST Webbook sobre propriedades termofísicas de fluidos.

Veja também: Tabelas Steam

 

Água como moderador

O moderador de nêutrons , que é importante em reatores térmicos , é usado para moderar, ou seja, desacelerar os nêutrons da fissão para as energias térmicas . Núcleos com baixo número de massa são mais eficazes para essa finalidade, portanto, o moderador é sempre um material com baixo número de massa. Os moderadores comumente usados ​​incluem água (leve) comum (aproximadamente 75% dos reatores do mundo), grafite sólida (20% dos reatores) e água pesada (5% dos reatores).

Na maioria dos reatores nucleares , a água é um refrigerante e um moderador . A moderação ocorre especialmente nos núcleos de hidrogênio. No caso do hidrogênio (A = 1) como núcleo alvo, o nêutron incidente pode ser completamente interrompido – possui o maior decréscimo médio de energia logarítmica médio de todos os núcleos. Por outro lado, os núcleos de hidrogênio têm seção transversal de absorção relativamente maior , portanto a água não é o melhor moderador de acordo com a razão moderadora .

Moderadores de nêutrons - Parâmetros

Água como blindagem de nêutrons

Blindagem da radiação de nêutrons
Água como escudo de nêutrons

A água devido ao alto teor de hidrogênio e à disponibilidade é uma proteção efetiva e comum aos nêutrons . No entanto, devido ao baixo número atômico de hidrogênio e oxigênio, a água não é um escudo aceitável contra os raios gama. Por outro lado, em alguns casos, essa desvantagem (baixa densidade) pode ser compensada pela alta espessura da proteção da água. No caso de nêutrons, a água modera perfeitamente os nêutrons, mas com a absorção de nêutrons pelos raios gama secundários do núcleo de hidrogênio com alta energia são produzidos. Esses raios gama penetram muito na matéria e, portanto, podem aumentar os requisitos de espessura da proteção da água. Adicionando um  ácido bórico pode ajudar com esse problema (absorção de nêutrons nos núcleos de boro sem forte emissão gama), mas resulta em outros problemas com a corrosão dos materiais de construção.

Veja também: Blindagem de nêutrons

Água como proteção contra radiação gama

Em resumo, a blindagem eficaz da radiação gama baseia-se na maioria dos casos no uso de materiais com duas propriedades de materiais a seguir:

  • alta densidade de material.
  • alto número atômico de material (materiais com alto Z)
Tabela de camadas de meio valor (em cm)
Tabela de camadas de meio valor (em cm) para diferentes materiais com energias de raios gama de 100, 200 e 500 keV.

Embora a água não seja de alta densidade nem de alto material Z , ela é comumente usada como escudos gama. A água fornece uma proteção contra radiação dos conjuntos de combustível em um pool de combustível irradiado durante o armazenamento ou durante o transporte de e para o núcleo do reator . Embora a água seja um material de baixa densidade e baixo Z, é comumente usada em usinas nucleares, porque essas desvantagens podem ser compensadas com o aumento da espessura.

Camada de metade do valor da água

A camada de metade do valor expressa a espessura do material absorvente necessário para reduzir a intensidade da radiação incidente por um fator de dois .

Tabela de camadas de meio valor (em cm) para diferentes materiais com energias de raios gama de 100, 200 e 500 keV.

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