Não categorizado

Ebulição saturada – fervura em massa

Na ebulição saturada (também conhecida como ebulição a granel ), a temperatura do líquido excede levemente a temperatura de saturação. Pode ocorrer ebulição em massa , quando a temperatura do sistema aumenta ou a pressão do sistema cai para o ponto de ebulição. Nesse ponto, as bolhas que entram no canal do líquido de arrefecimento não caem. As bolhas tendem a se unir e formar bolhas de vapor maiores. As bolhas de vapor são então impulsionadas através do líquido por forças de flutuação, eventualmente escapando de uma superfície livre.

Ebulição em massa em BWRs

Nos BWRs, a ebulição do líquido refrigerante ocorre em operação normal e é um fenômeno muito desejado. As qualidades típicas de fluxo nos núcleos BWR são da ordem de 10 a 20%. 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 essa 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 na região de alta qualidade. 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 .

Ebulição em massa em PWRs

Para PWRs em operação normal, há água líquida comprimida dentro do núcleo do reator, loops e geradores de vapor. A pressão é mantida em aproximadamente 16MPa . A essa pressão, a água ferve a aproximadamente 350 ° C (662 ° F), o que fornece uma margem de sub-resfriamento (a diferença entre a temperatura do pressurizador e a temperatura de saída do líquido de arrefecimento no núcleo do reator) de 30 ° C. Vale ressaltar que essa margem de sub-resfriamento diz respeito à temperatura do volume, uma vez que a ebulição do volume é proibida.

A margem de sub-resfriamento é um parâmetro de segurança muito importante dos PWRs, pois a ebulição a granel no núcleo do reator deve ser excluída. O projeto básico do  reator de água pressurizada  inclui tal requisito que o líquido de refrigeração (água) no sistema de refrigeração do reator não deve ferver. Para conseguir isso, o líquido de refrigeração no sistema de refrigeração do reator é mantido a uma pressão suficientemente alta para que a ebulição não ocorra nas temperaturas do líquido de refrigeração experimentadas enquanto a planta está em operação ou em um transiente analisado.

Como foi calculado no exemplo , a temperatura da superfície T _{Zr, 1} = 325 ° C garante que mesmo a ebulição sub-resfriada não ocorra. Observe que a ebulição sub-resfriada requer T _{Zr, 1} = T _sat . Como as temperaturas de entrada da água são geralmente de cerca de 290 ° C (554 ° F), é óbvio que este exemplo corresponde à parte inferior do núcleo. Em elevações mais altas do núcleo, a temperatura a granel pode atingir até 330 ° C. A diferença de temperatura de 29 ° C causa a fervura da superfície sub – resfriada (330 ° C + 29 ° C> 350 ° C). Por outro lado, a ebulição nucleadana superfície interrompe efetivamente a camada estagnada e, portanto, a ebulição nucleada aumenta significativamente a capacidade de uma superfície de transferir energia térmica para o fluido a granel. Como resultado, o coeficiente de transferência de calor por convecção aumenta significativamente e, portanto, em elevações mais altas, a diferença de temperatura (T _{Zr, volume 1} – T ) diminui significativamente.

Ebulição Nucleada – Ebulição por Fluxo

Na fervura de fluxo (ou fervura de convecção forçada ), o fluxo de fluido é forçado sobre uma superfície por meios externos, como uma bomba, bem como por efeitos de flutuabilidade. Portanto, a ebulição do fluxo é sempre acompanhada por outros efeitos de convecção. As condições dependem fortemente da geometria, que pode envolver fluxo externo sobre placas e cilindros aquecidos ou fluxo interno (duto). Nos reatores nucleares, a maioria dos regimes de ebulição é apenas fervura de convecção forçada. A ebulição do fluxo também é classificada como ebulição externa e interna, dependendo de o fluido ser forçado a fluir sobre uma superfície aquecida ou dentro de um canal aquecido.

A ebulição do fluxo interno é muito mais complicada por natureza do que a ebulição do fluxo externo, porque não há superfície livre para o vapor escapar e, portanto, o líquido e o vapor são forçados a fluir juntos. O fluxo de duas fases em um tubo exibe diferentes regimes de ebulição do fluxo, dependendo das quantidades relativas das fases líquida e de vapor. Portanto, a ebulição por convecção forçada interna é geralmente chamada de fluxo bifásico .

Correlações de ebulição de nucleados – ebulição por fluxo

Correlação de McAdams

Na ebulição de nucleados totalmente desenvolvida com refrigerante saturado, a temperatura da parede é determinada pelo fluxo de calor e pressão locais e depende apenas ligeiramente do número de Reynolds . Para água sub-resfriada a pressões absolutas entre 0,1 – 0,6 MPa, a correlação de McAdams fornece:

Correlação de Thom

A correlação de Thom é para a ebulição do fluxo (sub-resfriado ou saturado a pressões de até cerca de 20 MPa) sob condições em que a contribuição da ebulição nucleada predomina sobre a convecção forçada. Essa correlação é útil para a estimativa aproximada da diferença de temperatura esperada, dado o fluxo de calor:

Correlação de Chen

Em 1963, Chen propôs a primeira correlação de ebulição do fluxo para a evaporação em tubos verticais, a fim de obter amplo uso. A correlação de Chen inclui os coeficientes de transferência de calor devido à ebulição dos nucleados , bem como os mecanismos convectivos forçados. Deve-se notar que, em frações de vapor mais altas, o coeficiente de transferência de calor varia fortemente com a vazão. A velocidade do fluxo em um núcleo pode ser muito alta, causando turbulências muito altas. Esse mecanismo de transferência de calor foi referido como “evaporação forçada por convecção”. Nenhum critério adequado foi estabelecido para determinar a transição da ebulição nucleada para a vaporização por convecção forçada. No entanto, Chen desenvolveu uma correlação única válida para a ebulição nucleada e a vaporização por convecção forçada, para condições de ebulição saturada e estendida para incluir a ebulição sub-resfriada por outros. Chen propôs uma correlação em que o coeficiente de transferência de calor é a soma de um componente de convecção forçada e uma ebulição nucleadacomponente. Deve-se observar que a correlação de ebulição de nucleados de Forster e Zuber (1955) é usada para calcular o coeficiente de transferência de calor em ebulição de nucleados, h _FZ e a correlação de fluxo turbulento de Dittus-Boelter (1930) é usada para calcular a fase líquida coeficiente de transferência de calor por convecção, h _l .

O fator de supressão de ebulição dos nucleados, S, é a razão entre o superaquecimento efetivo e o superaquecimento da parede. É responsável pela diminuição da transferência de calor em ebulição porque o superaquecimento efetivo na camada limite é menor que o superaquecimento com base na temperatura da parede. O multiplicador bifásico, F, é uma função do parâmetro Martinelli χ _tt .

Ebulição sub-resfriada

Na ebulição sub-resfriada , a temperatura da maior parte do líquido está abaixo da temperatura de saturação e as bolhas formadas na superfície podem condensar-se no líquido . Essa condensação (colapso) produz um som de frequência ~ 100Hz – 1 KHz. É por isso que uma chaleira elétrica faz mais barulho antes que a água ferva saturada. O termo sub-resfriamento refere-se a um líquido existente a uma temperatura abaixo do seu ponto de ebulição normal.

Ebulição sub-resfriada em PWRs

Embora os projetos mais antigos do núcleo considerassem que  a ebulição da superfície sub-resfriada não poderia ser permitida nas PWRs , essa suposição foi logo rejeitada e a transferência de calor em duas fases é agora um dos mecanismos normais de transferência de calor de operação também nas PWRs. Para PWRs em operação normal, há água líquida comprimida dentro do núcleo do reator, loops e geradores de vapor. A pressão é mantida em aproximadamente 16MPa . A essa pressão, a água ferve a aproximadamente 350 ° C(662 ° F), que fornece uma margem de sub-resfriamento (a diferença entre a temperatura do pressurizador e a temperatura de saída do líquido de arrefecimento no núcleo do reator) de 30 ° C. Vale ressaltar que essa margem de sub-resfriamento diz respeito à temperatura do volume, uma vez que a ebulição do volume é proibida.

A margem de sub-resfriamento é um parâmetro de segurança muito importante dos PWRs, pois a ebulição a granel no núcleo do reator deve ser excluída. O projeto básico do  reator de água pressurizada  inclui tal requisito que o líquido de refrigeração (água) no sistema de refrigeração do reator não deve ferver. Para conseguir isso, o líquido de refrigeração no sistema de refrigeração do reator é mantido a uma pressão suficientemente alta para que a ebulição não ocorra nas temperaturas do líquido de refrigeração experimentadas enquanto a planta está em operação ou em um transiente analisado.

Como foi calculado no exemplo , a temperatura da superfície T _{Zr, 1} = 325 ° C garante que mesmo a ebulição sub-resfriada não ocorra. Observe que a ebulição sub-resfriada requer T _{Zr, 1} = T _sat . Como as temperaturas de entrada da água são geralmente de cerca de 290 ° C (554 ° F), é óbvio que este exemplo corresponde à parte inferior do núcleo. Em elevações mais altas do núcleo, a temperatura a granel pode atingir até 330 ° C. A diferença de temperatura de 29 ° C causa a fervura da superfície sub – resfriada (330 ° C + 29 ° C> 350 ° C). Por outro lado, a ebulição nucleadana superfície interrompe efetivamente a camada estagnada e, portanto, a ebulição nucleada aumenta significativamente a capacidade de uma superfície de transferir energia térmica para o fluido a granel. Como resultado, o coeficiente de transferência de calor por convecção aumenta significativamente e, portanto, em elevações mais altas, a diferença de temperatura (T _{Zr, volume 1} – T ) diminui significativamente.

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. Esse fenômeno ocorre na região sub-resfriada ou de baixa qualidade. O comportamento da crise de ebulição depende de muitas condições de fluxo (pressão, temperatura, taxa de fluxo), mas a crise de ebulição ocorre em fluxos de calor relativamente altos e parece estar associado à nuvem de bolhas adjacentes à superfície. Essas bolhas ou filme de vapor reduzem a quantidade de água que entra. Como esse fenômeno deteriora o coeficiente de transferência de calor e o fluxo de calor permanece, o calor acumula-sena barra de combustível, causando aumento dramático do revestimento e da temperatura do combustível .

Ebulição Nucleada – Ebulição por Fluxo

Na fervura de fluxo (ou fervura de convecção forçada ), o fluxo de fluido é forçado sobre uma superfície por meios externos, como uma bomba, bem como por efeitos de flutuabilidade. Portanto, a ebulição do fluxo é sempre acompanhada por outros efeitos de convecção. As condições dependem fortemente da geometria, que pode envolver fluxo externo sobre placas e cilindros aquecidos ou fluxo interno (duto). Nos reatores nucleares, a maioria dos regimes de ebulição é apenas fervura de convecção forçada. A ebulição do fluxo também é classificada como ebulição externa e interna, dependendo de o fluido ser forçado a fluir sobre uma superfície aquecida ou dentro de um canal aquecido.

A ebulição do fluxo interno é muito mais complicada por natureza do que a ebulição do fluxo externo, porque não há superfície livre para o vapor escapar e, portanto, o líquido e o vapor são forçados a fluir juntos. O fluxo de duas fases em um tubo exibe diferentes regimes de ebulição do fluxo, dependendo das quantidades relativas das fases líquida e de vapor. Portanto, a ebulição por convecção forçada interna é geralmente chamada de fluxo bifásico .

Correlações de ebulição de nucleados – ebulição por fluxo

Correlação de McAdams

Na ebulição de nucleados totalmente desenvolvida com refrigerante saturado, a temperatura da parede é determinada pelo fluxo de calor e pressão locais e depende apenas ligeiramente do número de Reynolds . Para água sub-resfriada a pressões absolutas entre 0,1 – 0,6 MPa, a correlação de McAdams fornece:

Correlação de Thom

A correlação de Thom é para a ebulição do fluxo (sub-resfriado ou saturado a pressões de até cerca de 20 MPa) sob condições em que a contribuição da ebulição nucleada predomina sobre a convecção forçada. Essa correlação é útil para a estimativa aproximada da diferença de temperatura esperada, dado o fluxo de calor:

Correlação de Chen

Em 1963, Chen propôs a primeira correlação de ebulição do fluxo para a evaporação em tubos verticais, a fim de obter amplo uso. A correlação de Chen inclui os coeficientes de transferência de calor devido à ebulição dos nucleados , bem como os mecanismos convectivos forçados. Deve-se notar que, em frações de vapor mais altas, o coeficiente de transferência de calor varia fortemente com a vazão. A velocidade do fluxo em um núcleo pode ser muito alta, causando turbulências muito altas. Esse mecanismo de transferência de calor foi referido como “evaporação forçada por convecção”. Nenhum critério adequado foi estabelecido para determinar a transição da ebulição nucleada para a vaporização por convecção forçada. No entanto, Chen desenvolveu uma correlação única válida para a ebulição nucleada e a vaporização por convecção forçada, para condições de ebulição saturada e estendida para incluir a ebulição sub-resfriada por outros. Chen propôs uma correlação em que o coeficiente de transferência de calor é a soma de um componente de convecção forçada e uma ebulição nucleadacomponente. Deve-se observar que a correlação de ebulição de nucleados de Forster e Zuber (1955) é usada para calcular o coeficiente de transferência de calor em ebulição de nucleados, h _FZ e a correlação de fluxo turbulento de Dittus-Boelter (1930) é usada para calcular a fase líquida coeficiente de transferência de calor por convecção, h _l .

O fator de supressão de ebulição dos nucleados, S, é a razão entre o superaquecimento efetivo e o superaquecimento da parede. É responsável pela diminuição da transferência de calor em ebulição porque o superaquecimento efetivo na camada limite é menor que o superaquecimento com base na temperatura da parede. O multiplicador bifásico, F, é uma função do parâmetro Martinelli χ _tt .

ebulição de película

O fluxo de calor em ebulição nucleado não pode ser aumentado indefinidamente. Em algum valor, chamamos de “ fluxo crítico de calor ” ( CHF ), o vapor produzido pode formar uma camada isolante sobre a superfície, que por sua vez deteriora o coeficiente de transferência de calor. Isso ocorre porque uma grande fração da superfície é coberta por uma película de vapor, que atua como um isolamento térmico devido à baixa condutividade térmica do vapor em relação à do líquido. Imediatamente após o fluxo crítico de calor ter sido atingido, a ebulição se torna instável e a ebulição de transição ocorre. A transição da ebulição nucleada para a ebulição do filme é conhecida como ” crise de ebulição “. Como além do ponto CHF, o coeficiente de transferência de calor diminui, oa transição para a ebulição de película é geralmente inevitável.

Um aumento adicional no fluxo de calor faz com que um filme de vapor cubra totalmente a superfície. Isso reduz significativamente o coeficiente de convecção, pois a camada de vapor tem uma capacidade de transferência de calor significativamente menor. Como resultado, o excesso de temperatura atinge um valor muito alto. Além do ponto de Leidenfrost , um filme de vapor contínuo cobre a superfície e não há contato entre a fase líquida e a superfície. Nesta situação, a transferência de calor é tanto por radiação quanto por condução ao vapor. Se o material não for forte o suficiente para suportar essa temperatura, o equipamento falhará por danos ao material. Esse fenômeno também é conhecido como esgotamento. Em reatores de água pressurizada, um dos principais requisitos de segurança (talvez o mais importante) é que um afastamento da ebulição nucleada (DNB) não ocorrerá durante a operação em estado estacionário, transientes operacionais normais e ocorrências operacionais previstas (AOOs). A integridade do revestimento de combustível será mantida se o DNBR mínimo permanecer acima do limite de 95/95 DNBR para PWRs (uma probabilidade de 95% a um nível de confiança de 95%). Como esse fenômeno deteriora o coeficiente de transferência de calor e o fluxo de calor permanece, o calor se acumula na barra de combustível, causando um aumento dramático do revestimento e da temperatura do combustível . Simplesmente, uma diferença de temperatura muito alta é necessário transferir o fluxo de calor crítico produzido da superfície da barra de combustível para o líquido de arrefecimento do reator (através da camada de vapor).

A ebulição de película ocorre quando a pressão de um sistema cai ou o fluxo diminui. Nesse caso, as bolhas não podem escapar tão rapidamente da superfície de transferência de calor. Da mesma forma, se a temperatura da superfície de transferência de calor for aumentada, mais bolhas serão criadas. À medida que a temperatura continua a aumentar, mais bolhas são formadas do que podem ser transportadas com eficiência. As bolhas crescem e se agrupam, cobrindo pequenas áreas da superfície de transferência de calor com um filme de vapor. Isso é conhecido como ebulição parcial do filme .

As seções a seguir descrevem:

• Transição para a ebulição de película – Fluxo crítico de calor
• Partida de Film Boiling – Leidenfrost Point

Crise de ebulição – Fluxo crítico de calor

Como foi escrito, nos reatores nucleares , as limitações do fluxo de calor local são da maior importância para a segurança do reator. Para reatores de água pressurizada e também para reatores de água fervente , existem fenômenos termo-hidráulicos, que causam uma diminuição repentina na eficiência da transferência de calor (mais precisamente no coeficiente de transferência de calor ). Esses fenômenos ocorrem com certo valor do fluxo de calor, conhecido como ” fluxo crítico de calor “. Os fenômenos que causam a deterioração da transferência de calor são diferentes para PWRs e BWRs.

Nos dois tipos de reatores, o problema está mais ou menos associado à saída da ebulição nucleada. O fluxo de calor em ebulição nucleado não pode ser aumentado indefinidamente. Em algum valor, chamamos de “ fluxo crítico de calor ” ( CHF ), o vapor produzido pode formar uma camada isolante sobre a superfície, que por sua vez deteriora o coeficiente de transferência de calor. Imediatamente após o fluxo crítico de calor ter sido atingido, a ebulição se torna instável e a ebulição de película ocorre. A transição da ebulição nucleada para a ebulição de película é conhecida como ” crise de ebulição “. Como foi escrito, os fenômenos que causam a deterioração da transferência de calor são diferentes para PWRs e BWRs.

Partida da Ebulição Nucleada – DNB

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. Esse fenômeno ocorre na região sub-resfriada ou de baixa qualidade. O comportamento da crise de ebulição depende de muitas condições de fluxo (pressão, temperatura, taxa de fluxo), mas a crise de ebulição ocorre em fluxos de calor relativamente altos e parece estar associado à nuvem de bolhas adjacentes à superfície. Essas bolhas ou filme de vapor reduzem a quantidade de água que entra. Como esse fenômeno deteriora o coeficiente de transferência de calor e o fluxo de calor permanece, o calor acumula-sena barra de combustível, causando aumento dramático do revestimento e da temperatura do combustível . Simplesmente, é necessária uma diferença de temperatura muito alta para transferir o fluxo de calor crítico produzido da superfície da barra de combustível para o líquido de arrefecimento do reator (através da camada de vapor).

No caso de PWRs, o fluxo crítico é um fluxo anular invertido , enquanto que nos BWRs, o fluxo crítico é geralmente um fluxo anular. A diferença no regime de fluxo entre o fluxo pós-secagem e o fluxo pós-DNB é mostrada na figura. 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).

Nos reatores de água pressurizada, um dos principais requisitos de segurança é que a saída da ebulição nucleada (DNB) não ocorrerá durante a operação em estado estacionário, transientes operacionais normais e ocorrências operacionais previstas (AOOs). A integridade do revestimento de combustível será mantida se o DNBR mínimo permanecer acima do limite de 95/95 DNBR para PWRs (uma probabilidade de 95% a um nível de confiança de 95%). O critério DNB é um dos critérios de aceitação nas análises de segurança, além de constituir um dos limites de segurança nas especificações técnicas.

Dryout – BWRs

Nos BWRs, um fenômeno semelhante é conhecido como “secagem” e está diretamente associado a alterações no padrão de fluxo durante a evaporação na região de alta qualidade. Em determinadas combinações de taxa de fluxo através de um canal, pressão, qualidade de fluxo e taxa de calor linear, o filme líquido da parede pode esgotar-se e a parede pode ser seca . Normalmente, a superfície do combustível é efetivamente resfriada com líquido 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 deaumento drástico da temperatura da superfície do combustível . Na região de alta qualidade, a crise ocorre com um fluxo de calor menor. Como a velocidade do fluxo no núcleo de vapor é alta, a transferência de calor pós-CHF é muito melhor do que no fluxo crítico de baixa qualidade (ou seja, para PWRs, os aumentos de temperatura são mais altos e mais rápidos).

Partida de Film Boiling – Leidefrost Point

O ponto Leidenfrost , que corresponde ao fluxo de calor mínimo , é de interesse prático, pois representa o limite mais baixo para o fluxo de calor no regime de ebulição de película. Se o fluxo de calor cair abaixo desse mínimo, o filme entrará em colapso, fazendo com que a superfície esfrie e a ebulição nucleada seja restabelecida. Portanto, nesse ponto, ocorre o retorno à ebulição nucleada (RNB). Os termos extinção, fluxo mínimo de calor, retorno à ebulição nucleada, afastamento da ebulição de película, colapso da ebulição de película e ponto de Leidenfrost foram usados ​​de forma intercambiável para se referir a várias formas de reumidificação, mas não são exatamente sinônimos.

Usando a teoria da estabilidade, Zuber derivou a seguinte expressão para o fluxo de calor mínimo (e o ponto correspondente de Leidenfrost ) para uma grande placa horizontal:

Onde

• q _min – fluxo de calor mínimo [W / m ² ]
• h _fg  – entalpia de vaporização, J / kg
• g – aceleração gravitacional m / s ²
• ρ _l – densidade do líquido kg / m ³
• ρ _v – densidade do vapor kg / m ³
• σ – interface tensão superficial-vapor-líquido N / m

Fluxo mínimo de calor – extinção – saída da ebulição de película

O ponto Leidenfrost , que corresponde ao fluxo de calor mínimo , é de interesse prático, pois representa o limite mais baixo para o fluxo de calor no regime de ebulição de película. Se o fluxo de calor cair abaixo desse mínimo, o filme entrará em colapso, fazendo com que a superfície esfrie e a ebulição nucleada seja restabelecida. Portanto, nesse ponto, ocorre o retorno à ebulição nucleada (RNB). Os termos extinção, fluxo mínimo de calor, retorno à ebulição nucleada, afastamento da ebulição de película, colapso da ebulição de película e ponto de Leidenfrost foram usados ​​de forma intercambiável para se referir a várias formas de reumidificação, mas não são exatamente sinônimos.

Usando a teoria da estabilidade, Zuber derivou a seguinte expressão para o fluxo de calor mínimo (e o ponto correspondente de Leidenfrost ) para uma grande placa horizontal:

Onde

• q _min – fluxo de calor mínimo [W / m ² ]
• h _fg  – entalpia de vaporização, J / kg
• g – aceleração gravitacional m / s ²
• ρ _l – densidade do líquido kg / m ³
• ρ _v – densidade do vapor kg / m ³
• σ – interface tensão superficial-vapor-líquido N / m

Efeito Leidenfrost

O efeito Leidenfrost é um fenômeno físico no qual um líquido, em contato próximo com uma massa significativamente mais quente (por exemplo, uma gota de água em uma panela quente) do que o ponto de ebulição do líquido, produz uma camada de vapor isolante que impede que o líquido ferva rapidamente. O fato de uma gota de água durar muito tempo quando depositado em um metal muito mais quente que a temperatura de ebulição da água foi relatado pela primeira vez por Hermann Boerhaave em 1732. Não foi investigado extensivamente até 1756 quando um médico alemão Johann Gottlob Leidenfrost publicou ” A Tratado sobre algumas qualidades da água comum ”.

Esse efeito pode ser demonstrado geralmente durante o cozimento, quando aspergidas gotas de água em uma panela para medir sua temperatura: se a temperatura da panela estiver igual ou acima do ponto de congelamento, a água desliza pela panela e leva mais tempo para evaporar do que em uma panela. abaixo da temperatura do ponto Leidenfrost (mas ainda acima da temperatura de ebulição). O ponto Leidenfrost, que corresponde ao fluxo de calor mínimo, é de interesse prático, pois representa o limite mais baixo para o fluxo de calor no regime de ebulição de película. Se o fluxo de calor cair abaixo desse mínimo, o filme entrará em colapso, fazendo com que a superfície esfrie e a ebulição nucleada seja restabelecida. O efeito Leidenfrost também é responsável pela capacidade do nitrogênio líquido deslizar pelos pisos.

Efeito de Leidenfrost

O efeito de Leidenfrost é um fenômeno físico no qual um líquido, em contato próximo com uma massa significativamente mais quente (por exemplo, uma gota de água em uma panela quente) do que o ponto de ebulição do líquido, produz uma camada de vapor isolante que impede que o líquido ferva rapidamente. O fato de uma gota de água durar muito tempo quando depositado em um metal muito mais quente que a temperatura de ebulição da água foi relatado pela primeira vez por Hermann Boerhaave em 1732. Não foi investigado extensivamente até 1756 quando um médico alemão Johann Gottlob Leidenfrost publicou ” A Tratado sobre algumas qualidades da água comum ”.

Esse efeito é comumente demonstrado durante o cozimento, quando aspergidas gotas de água em uma panela para medir sua temperatura: se a temperatura da panela estiver igual ou acima do ponto de congelamento, a água desliza pela panela e leva mais tempo para evaporar do que em uma panela. abaixo da temperatura do ponto de Leidenfrost (mas ainda acima da temperatura de ebulição). O ponto de Leidenfrost, que corresponde ao fluxo de calor mínimo, é de interesse prático, pois representa o limite mais baixo para o fluxo de calor no regime de ebulição do filme. Se o fluxo de calor cair abaixo desse mínimo, o filme entrará em colapso, fazendo com que a superfície esfrie e a ebulição nucleada seja restabelecida. O efeito de Leidenfrost também é responsável pela capacidade do nitrogênio líquido deslizar pelos pisos.

Fluxo Mínimo de Calor – Ponto de Leidenfrost

O ponto de Leidenfrost , que corresponde ao fluxo de calor mínimo , é de interesse prático, pois representa o limite mais baixo para o fluxo de calor no regime de ebulição do filme. Se o fluxo de calor cair abaixo desse mínimo, o filme entrará em colapso, fazendo com que a superfície esfrie e a ebulição nucleada seja restabelecida. Portanto, nesse ponto, ocorre o retorno à ebulição nucleada (RNB). Os termos extinção, fluxo mínimo de calor, retorno à ebulição nucleada, afastamento da ebulição do filme, colapso da ebulição do filme e ponto de Leidenfrost foram usados ​​de forma intercambiável para se referir a várias formas de reumidificação, mas não são exatamente sinônimos.

Usando a teoria da estabilidade, Zuber derivou a seguinte expressão para o fluxo de calor mínimo (e o ponto correspondente de Leidenfrost ) para uma grande placa horizontal:

Onde

• q _min – fluxo de calor mínimo [W / m ² ]
• h _fg  – entalpia de vaporização, J / kg
• g – aceleração gravitacional m / s ²
• ρ _l – densidade do líquido kg / m ³
• ρ _v – densidade do vapor kg / m ³
• σ – interface tensão superficial-vapor-líquido N / m

Ebulição por Transição – Ebulição Parcial de Filme

Categorização pela temperatura de superaquecimento da parede, ΔT _sat :

O trabalho pioneiro sobre a ebulição foi realizado em 1934 por  S. Nukiyama , que usou fios de nicrómio e platina aquecidos eletricamente imersos em líquidos em seus experimentos. Nukiyama foi o primeiro a identificar  diferentes regimes de ebulição da piscina  usando seu aparelho. Ele notou que a ebulição assume formas diferentes, dependendo do valor da temperatura de superaquecimento da parede  ΔT _sat  (também conhecida como temperatura excessiva) ,  que é definida como a diferença entre a temperatura da parede,  _parede T  e a temperatura de saturação,  T _sat .

São observados quatro regimes diferentes de ebulição da piscina (com base no excesso de temperatura):

• Ebulição por Convecção Natural                             ΔT _sentado  <5 ° C
• Ebulição do Nucleado                                    5 ° C <  ΔT _sentado  <30 ° C
• Ebulição de transição                                  30 ° C <  ΔT _sentado  <200 ° C
• Ebulição de filme                                         200 ° C <  ΔT _sentado

Ebulição de transição

O fluxo de calor em ebulição nucleado não pode ser aumentado indefinidamente. Em algum valor, chamamos de “ fluxo crítico de calor ” ( CHF ), o vapor produzido pode formar uma camada isolante sobre a superfície, que por sua vez deteriora o coeficiente de transferência de calor. Isso ocorre porque uma grande fração da superfície é coberta por uma película de vapor, que atua como um isolamento térmico devido à baixa condutividade térmica do vapor em relação à do líquido. Imediatamente após o fluxo crítico de calor ter sido atingido, a ebulição se torna instável e a ebulição de transição ocorre. A transição da ebulição nucleada para a ebulição de película é conhecida como ” crise de ebulição “. Como além do ponto CHF, o coeficiente de transferência de calor diminui, a transição para a ebulição de película é geralmente inevitável.

Ebulição Nucleada

O tipo mais comum de ebulição local encontrado em instalações nucleares é a ebulição nucleada . Porém, no caso de reatores nucleares, a ebulição nucleada ocorre a taxas de fluxo significativas através do reator. Na ebulição nucleada , as bolhas de vapor se formam na superfície de transferência de calor e depois se separam e são transportadas para a corrente principal do fluido. Esse movimento melhora a transferência de calor porque o calor gerado na superfície é transportado diretamente para a corrente de fluido. Uma vez na corrente principal de fluido, as bolhas colapsam porque a temperatura do fluido não é tão alta quanto a temperatura da superfície de transferência de calor onde as bolhas foram criadas. Como foi escrito, a ebulição nucleadana superfície interrompe efetivamente essa camada estagnada e, portanto, a ebulição nucleada melhora significativamente  a capacidade de uma superfície de transferir energia térmica para o fluido a granel. Às vezes, esse processo de transferência de calor é desejável porque a energia criada na superfície de transferência de calor é rápida e eficientemente “transportada”.

Perto da parede, a situação é complexa, pois vários mecanismos aumentam o fluxo de calor acima daquele da pura condução através do líquido.

1. Observe que, mesmo em fluxo turbulento , existe uma camada de filme fluido estagnada (subcamada laminar), que isola a superfície do trocador de calor. O fluxo ascendente (devido às forças de flutuação) do vapor que se afasta da parede deve ser equilibrado por um fluxo de massa igual de líquido, o que aproxima o líquido mais frio da parede.
2. A formação e o movimento das bolhas turbuliam o líquido perto da parede e aumentam a transferência de calor da parede para o líquido.
3. A ebulição difere de outras formas de convecção, pois depende do calor latente da vaporização, que é muito alto para pressões comuns; portanto, grandes quantidades de calor podem ser transferidas durante a ebulição essencialmente a temperatura constante.

O fluxo de calor em ebulição nucleado não pode ser aumentado indefinidamente. Em algum valor, chamamos de “ fluxo crítico de calor ” ( CHF ), o vapor produzido pode formar uma camada isolante sobre a superfície, que por sua vez deteriora o coeficiente de transferência de calor. Isso ocorre porque uma grande fração da superfície é coberta por uma película de vapor, que atua como um isolamento térmico devido à baixa condutividade térmica do vapor em relação à do líquido. Imediatamente após o fluxo crítico de calor ter sido atingido, a ebulição se torna instável e a ebulição de transição ocorre. A transição da ebulição nucleada para a ebulição de película é conhecida como ” crise de ebulição “. Desde além do CHFaponte o coeficiente de transferência de calor diminua, a transição para a ebulição de película é geralmente inevitável.

Na seção a seguir, distinguiremos entre:

• ebulição da piscina nucleada
• ebulição de fluxo nucleado

Correlações de ebulição de nucleados – Ebulição da piscina

Os regimes de ebulição discutidos acima diferem consideravelmente em seu caráter. Também existem correlações diferentes que descrevem a transferência de calor. Nesta seção, revisamos algumas das correlações mais amplamente usadas para a ebulição de nucleados.

Ebulição de Piscina Nucleada

Correlação de Rohsenow

A correlação mais amplamente utilizada para a taxa de transferência de calor na ebulição do nucleado foi proposta em 1952 por Rohsenow :

Correlação de Rohsenow

Onde

• q – fluxo de calor em ebulição da piscina nucleada [W / m ² ]
• c ₁ – calor específico do líquido J / kg K
• ΔT – excesso de temperatura ° C ou K
• h _fg  – entalpia de vaporização, J / kg
• Pr – número Prandtl de líquido
• n – constante experimental igual a 1 para a água e 1,7 para outros fluidos
• C _sf – fator de fluido da superfície, por exemplo, água e níquel têm C _sf de 0,006
• μ ₁ – viscosidade dinâmica do líquido kg / ms
• g – aceleração gravitacional m / s ²
• g ₀ – fator de conversão de força kgm / Ns ²
• ρ ₁ – densidade do líquido kg / m ³
• ρ _v – densidade do vapor kg / m ³
• σ – interface tensão superficial-vapor-líquido N / m

Como pode ser visto, ΔT ∝ (q) ^⅓ . Essa proporcionalidade muito importante mostra a capacidade crescente da interface de transferir calor.

Ebulição Nucleada – Ebulição por Fluxo

Na fervura de fluxo (ou fervura de convecção forçada ), o fluxo de fluido é forçado sobre uma superfície por meios externos, como uma bomba, bem como por efeitos de flutuabilidade. Portanto, a ebulição do fluxo é sempre acompanhada por outros efeitos de convecção. As condições dependem fortemente da geometria, que pode envolver fluxo externo sobre placas e cilindros aquecidos ou fluxo interno (duto). Nos reatores nucleares, a maioria dos regimes de ebulição é apenas fervura de convecção forçada. A ebulição do fluxo também é classificada como ebulição externa e interna, dependendo de o fluido ser forçado a fluir sobre uma superfície aquecida ou dentro de um canal aquecido.

A ebulição do fluxo interno é muito mais complicada por natureza do que a ebulição do fluxo externo, porque não há superfície livre para o vapor escapar e, portanto, o líquido e o vapor são forçados a fluir juntos. O fluxo de duas fases em um tubo exibe diferentes regimes de ebulição do fluxo, dependendo das quantidades relativas das fases líquida e de vapor. Portanto, a ebulição por convecção forçada interna é geralmente chamada de fluxo bifásico .

Correlações de ebulição de nucleados – ebulição por fluxo

Correlação de McAdams

Na ebulição de nucleados totalmente desenvolvida com refrigerante saturado, a temperatura da parede é determinada pelo fluxo de calor e pressão locais e depende apenas ligeiramente do número de Reynolds . Para água sub-resfriada a pressões absolutas entre 0,1 – 0,6 MPa, a correlação de McAdams fornece:

Correlação de Thom

A correlação de Thom é para a ebulição do fluxo (sub-resfriado ou saturado a pressões de até cerca de 20 MPa) sob condições em que a contribuição da ebulição nucleada predomina sobre a convecção forçada. Essa correlação é útil para a estimativa aproximada da diferença de temperatura esperada, dado o fluxo de calor:

Correlação de Chen

Em 1963, Chen propôs a primeira correlação de ebulição do fluxo para a evaporação em tubos verticais, a fim de obter amplo uso. A correlação de Chen inclui os coeficientes de transferência de calor devido à ebulição dos nucleados , bem como os mecanismos convectivos forçados. Deve-se notar que, em frações de vapor mais altas, o coeficiente de transferência de calor varia fortemente com a vazão. A velocidade do fluxo em um núcleo pode ser muito alta, causando turbulências muito altas. Esse mecanismo de transferência de calor foi referido como “evaporação forçada por convecção”. Nenhum critério adequado foi estabelecido para determinar a transição da ebulição nucleada para a vaporização por convecção forçada. No entanto, Chen desenvolveu uma correlação única válida para a ebulição nucleada e a vaporização por convecção forçada, para condições de ebulição saturada e estendida para incluir a ebulição sub-resfriada por outros. Chen propôs uma correlação em que o coeficiente de transferência de calor é a soma de um componente de convecção forçada e uma ebulição nucleadacomponente. Deve-se observar que a correlação de ebulição de nucleados de Forster e Zuber (1955) é usada para calcular o coeficiente de transferência de calor em ebulição de nucleados, h _FZ e a correlação de fluxo turbulento de Dittus-Boelter (1930) é usada para calcular a fase líquida coeficiente de transferência de calor por convecção, h _l .

O fator de supressão de ebulição dos nucleados, S, é a razão entre o superaquecimento efetivo e o superaquecimento da parede. É responsável pela diminuição da transferência de calor em ebulição porque o superaquecimento efetivo na camada limite é menor que o superaquecimento com base na temperatura da parede. O multiplicador bifásico, F, é uma função do parâmetro Martinelli χ _tt .

Crise de ebulição – Fluxo crítico de calor

Como foi escrito, nos reatores nucleares , as limitações do fluxo de calor local são da maior importância para a segurança do reator. Para reatores de água pressurizada e também para reatores de água fervente , existem fenômenos termo-hidráulicos, que causam uma diminuição repentina na eficiência da transferência de calor (mais precisamente no coeficiente de transferência de calor ). Esses fenômenos ocorrem com certo valor do fluxo de calor, conhecido como ” fluxo crítico de calor “. Os fenômenos que causam a deterioração da transferência de calor são diferentes para PWRs e BWRs.

Nos dois tipos de reatores, o problema está mais ou menos associado à saída da ebulição nucleada. O fluxo de calor em ebulição nucleado não pode ser aumentado indefinidamente. Em algum valor, chamamos de “ fluxo crítico de calor ” ( CHF ), o vapor produzido pode formar uma camada isolante sobre a superfície, que por sua vez deteriora o coeficiente de transferência de calor. Imediatamente após o fluxo crítico de calor ter sido atingido, a ebulição se torna instável e a ebulição de película ocorre. A transição da ebulição nucleada para a ebulição de película é conhecida como ” crise de ebulição “. Como foi escrito, os fenômenos que causam a deterioração da transferência de calor são diferentes para PWRs e BWRs.

Partida da Ebulição Nucleada – DNB

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. Esse fenômeno ocorre na região sub-resfriada ou de baixa qualidade. O comportamento da crise de ebulição depende de muitas condições de fluxo (pressão, temperatura, taxa de fluxo), mas a crise de ebulição ocorre em fluxos de calor relativamente altos e parece estar associado à nuvem de bolhas adjacentes à superfície. Essas bolhas ou filme de vapor reduzem a quantidade de água que entra. Como esse fenômeno deteriora o coeficiente de transferência de calor e o fluxo de calor permanece, o calor acumula-sena barra de combustível, causando aumento dramático do revestimento e da temperatura do combustível . Simplesmente, é necessária uma diferença de temperatura muito alta para transferir o fluxo de calor crítico produzido da superfície da barra de combustível para o líquido de arrefecimento do reator (através da camada de vapor).

No caso de PWRs, o fluxo crítico é um fluxo anular invertido , enquanto que nos BWRs, o fluxo crítico é geralmente um fluxo anular. A diferença no regime de fluxo entre o fluxo pós-secagem e o fluxo pós-DNB é mostrada na figura. 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).

Nos reatores de água pressurizada, um dos principais requisitos de segurança é que a saída da ebulição nucleada (DNB) não ocorrerá durante a operação em estado estacionário, transientes operacionais normais e ocorrências operacionais previstas (AOOs). A integridade do revestimento de combustível será mantida se o DNBR mínimo permanecer acima do limite de 95/95 DNBR para PWRs (uma probabilidade de 95% a um nível de confiança de 95%). O critério DNB é um dos critérios de aceitação nas análises de segurança, além de constituir um dos limites de segurança nas especificações técnicas.

Dryout – BWRs

Nos BWRs, um fenômeno semelhante é conhecido como “secagem” e está diretamente associado a alterações no padrão de fluxo durante a evaporação na região de alta qualidade. Em determinadas combinações de taxa de fluxo através de um canal, pressão, qualidade de fluxo e taxa de calor linear, o filme líquido da parede pode esgotar-se e a parede pode ser seca . Normalmente, a superfície do combustível é efetivamente resfriada com líquido 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 deaumento drástico da temperatura da superfície do combustível . Na região de alta qualidade, a crise ocorre com um fluxo de calor menor. Como a velocidade do fluxo no núcleo de vapor é alta, a transferência de calor pós-CHF é muito melhor do que no fluxo crítico de baixa qualidade (ou seja, para PWRs, os aumentos de temperatura são mais altos e mais rápidos).

Ebulição por Convecção Natural – Início da Ebulição Nucleada

Categorização pela temperatura de superaquecimento da parede, ΔT _sat :

O trabalho pioneiro sobre a ebulição foi realizado em 1934 por  S. Nukiyama , que usou fios de nicrómio e platina aquecidos eletricamente imersos em líquidos em seus experimentos. Nukiyama foi o primeiro a identificar  diferentes regimes de ebulição da piscina  usando seu aparelho. Ele notou que a ebulição assume formas diferentes, dependendo do valor da temperatura de superaquecimento da parede  ΔT _sat  (também conhecida como temperatura excessiva) ,  que é definida como a diferença entre a temperatura da parede,  _parede T  e a temperatura de saturação,  T _sat .

São observados quatro regimes diferentes de ebulição da piscina (com base no excesso de temperatura):

• Ebulição por Convecção Natural                             ΔT _sentado  <5 ° C
• Ebulição do Nucleado                                    5 ° C <  ΔT _sentado  <30 ° C
• Ebulição de transição                                  30 ° C <  ΔT _sentado  <200 ° C
• Ebulição de filme                                         200 ° C <  ΔT _sentado

Ebulição por convecção natural

Em  termodinâmica , o requisito para   ocorrer a ebulição de substâncias puras é que T _wall  = T _sat . Mas em experimentos reais, a ebulição não ocorre até que o líquido seja aquecido alguns graus acima da temperatura de saturação. A temperatura da superfície deve estar um pouco acima da temperatura de saturação para sustentar a formação de vapor. A ebulição por convecção natural ocorre quando ΔTsat <5 ° C. Nesse  modo de ebulição ,  será observado vapor  sobre a superfície da água, mas geralmente  não há bolhas será observado. À medida que a temperatura de superaquecimento aumenta, eventualmente ocorre o aparecimento de bolhas, mas abaixo do ponto A, o movimento do fluido é determinado principalmente pelas correntes de convecção naturais. O ponto A é geralmente referido como o  início da ebulição nucleada – ONB .

Ebulição da piscina – curva de ebulição

Como foi escrito, a configuração mais comum, conhecida como ebulição da piscina, é quando uma piscina de líquido é aquecida por baixo através de uma superfície horizontal. Na fervura da piscina, o líquido é inativo e seu movimento próximo à superfície é principalmente devido à convecção natural e à mistura induzida pelo crescimento e desapego da bolha.

O trabalho pioneiro sobre a ebulição foi realizado em 1934 por  S. Nukiyama , que usou fios de nicrómio e platina aquecidos eletricamente imersos em líquidos em seus experimentos. Nukiyama foi o primeiro a identificar  diferentes regimes de ebulição da piscina  usando seu aparelho. Ele notou que a ebulição assume formas diferentes, dependendo do valor da temperatura de superaquecimento da parede  ΔT _sat  (também conhecida como temperatura excessiva) ,  que é definida como a diferença entre a temperatura da parede,  _parede T  e a temperatura de saturação,  T _sat .

São observados quatro regimes diferentes de ebulição da piscina (com base no excesso de temperatura):

• Ebulição por Convecção Natural                             ΔT _sentado  <5 ° C
• Ebulição do Nucleado                                    5 ° C <  ΔT _sentado  <30 ° C
• Ebulição de transição                                  30 ° C <  ΔT _sentado  <200 ° C
• Ebulição de filme                                         200 ° C <  ΔT _sentado

Esses regimes são ilustrados na curva de ebulição da figura, que é um gráfico do fluxo de calor versus o excesso de temperatura. Embora a curva de ebulição apresentada nesta figura seja para água, o formato geral da curva de ebulição permanece o mesmo para diferentes refrigerantes. Observe que, o formato específico da curva depende também dos parâmetros do sistema, como pressão e vazão do líquido de arrefecimento, mas é praticamente independente da geometria da superfície de aquecimento.

Ebulição Nucleada

O tipo mais comum de ebulição local encontrado em instalações nucleares é a ebulição nucleada . Porém, no caso de reatores nucleares, a ebulição nucleada ocorre a taxas de fluxo significativas através do reator. Na ebulição nucleada , as bolhas de vapor se formam na superfície de transferência de calor e depois se separam e são transportadas para a corrente principal do fluido. Esse movimento melhora a transferência de calor porque o calor gerado na superfície é transportado diretamente para a corrente de fluido. Uma vez na corrente principal de fluido, as bolhas colapsam porque a temperatura do fluido não é tão alta quanto a temperatura da superfície de transferência de calor onde as bolhas foram criadas. Como foi escrito, a ebulição nucleadana superfície interrompe efetivamente essa camada estagnada e, portanto, a ebulição nucleada melhora significativamente  a capacidade de uma superfície de transferir energia térmica para o fluido a granel. Às vezes, esse processo de transferência de calor é desejável porque a energia criada na superfície de transferência de calor é rápida e eficientemente “transportada”.

Perto da parede, a situação é complexa, pois vários mecanismos aumentam o fluxo de calor acima daquele da pura condução através do líquido.

1. Observe que, mesmo em fluxo turbulento , existe uma camada de filme fluido estagnada (subcamada laminar), que isola a superfície do trocador de calor. O fluxo ascendente (devido às forças de flutuação) do vapor que se afasta da parede deve ser equilibrado por um fluxo igual de massa de líquido e isso aproxima o líquido mais frio da parede.
2. A formação e o movimento das bolhas turbuliam o líquido perto da parede e aumentam a transferência de calor da parede para o líquido.
3. A ebulição difere de outras formas de convecção, pois depende do calor latente da vaporização, que é muito alto para pressões comuns; portanto, grandes quantidades de calor podem ser transferidas durante a ebulição essencialmente a temperatura constante.

O fluxo de calor em ebulição nucleado não pode ser aumentado indefinidamente. Em algum valor, chamamos de “ fluxo crítico de calor ” ( CHF ), o vapor produzido pode formar uma camada isolante sobre a superfície, que por sua vez deteriora o coeficiente de transferência de calor. Isso ocorre porque uma grande fração da superfície é coberta por uma película de vapor, que atua como um isolamento térmico devido à baixa condutividade térmica do vapor em relação à do líquido. Imediatamente após o fluxo crítico de calor ter sido atingido, a ebulição se torna instável e a ebulição de transição ocorre. A transição da ebulição nucleada para a ebulição de película é conhecida como ” crise de ebulição “. Desde além do CHFaponte o coeficiente de transferência de calor diminua, a transição para a ebulição de película é geralmente inevitável.

Crise de ebulição – Fluxo crítico de calor

Como foi escrito, nos reatores nucleares , as limitações do fluxo de calor local são da maior importância para a segurança do reator. Para reatores de água pressurizada e também para reatores de água fervente , existem fenômenos termo-hidráulicos, que causam uma diminuição repentina na eficiência da transferência de calor (mais precisamente no coeficiente de transferência de calor ). Esses fenômenos ocorrem com certo valor do fluxo de calor, conhecido como ” fluxo crítico de calor “. Os fenômenos que causam a deterioração da transferência de calor são diferentes para PWRs e BWRs.

Nos dois tipos de reatores, o problema está mais ou menos associado à saída da ebulição nucleada. O fluxo de calor em ebulição nucleado não pode ser aumentado indefinidamente. Em algum valor, chamamos de “ fluxo crítico de calor ” ( CHF ), o vapor produzido pode formar uma camada isolante sobre a superfície, que por sua vez deteriora o coeficiente de transferência de calor. Imediatamente após o fluxo crítico de calor ter sido atingido, a ebulição se torna instável e a ebulição de película ocorre. A transição da ebulição nucleada para a ebulição de película é conhecida como ” crise de ebulição “. Como foi escrito, os fenômenos que causam a deterioração da transferência de calor são diferentes para PWRs e BWRs.

Ebulição em reatores nucleares

Ebulição em BWRs

Nos BWRs, a ebulição do líquido de refrigeração ocorre em operação normal e é um fenômeno muito desejado. As qualidades típicas de fluxo nos núcleos BWR são da ordem de 10 a 20%. 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 essa 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 na região de alta qualidade. Normalmente, a superfície do combustível é efetivamente resfriada pelo líquido de refrigeração 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 líquido de arrefecimento é deteriorada, com o resultado de um aumento drástico da temperatura da superfície do combustível .

Ebulição em PWRs

Embora os projetos mais antigos do núcleo assumissem que a ebulição da superfície não poderia ser permitida nas PWRs , essa suposição foi logo rejeitada e a transferência de calor em duas fases é agora um dos mecanismos normais de transferência de calor de operação também nas PWRs. Para PWRs em operação normal, há água líquida comprimida dentro do núcleo do reator, loops e geradores de vapor. A pressão é mantida em aproximadamente 16MPa . A essa pressão, a água ferve a aproximadamente 350 ° C (662 ° F). Como foi calculado no exemplo , a temperatura da superfície T _{Zr, 1} = 325 ° C garante que mesmo a ebulição sub-resfriada não ocorra. Observe que, a ebulição sub-resfriada requer T _{Zr, 1} = T _sat. Como as temperaturas de entrada da água são geralmente de cerca de 290 ° C (554 ° F), é óbvio que este exemplo corresponde à parte inferior do núcleo. Em elevações mais altas do núcleo, a temperatura a granel pode atingir até 330 ° C. A diferença de temperatura de 29 ° C causa a fervura sub-resfriada (330 ° C + 29 ° C> 350 ° C). Por outro lado, a ebulição nucleada na superfície interrompe efetivamente a camada estagnada e, portanto, a ebulição nucleada aumenta significativamente a capacidade de uma superfície de transferir energia térmica para o fluido a granel. Como resultado, o coeficiente de transferência de calor por convecção aumenta significativamente e, portanto, em elevações mais altas, a diferença de temperatura (T _{Zr, volume 1} – T ) diminui significativamente.

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. Esse fenômeno ocorre na região sub-resfriada ou de baixa qualidade. O comportamento da crise de ebulição depende de muitas condições de fluxo (pressão, temperatura, taxa de fluxo), mas a crise de ebulição ocorre em fluxos de calor relativamente altos e parece estar associado à nuvem de bolhas adjacentes à superfície. Essas bolhas ou filme de vapor reduzem a quantidade de água que entra. Como esse fenômeno deteriora o coeficiente de transferência de calor e o fluxo de calor permanece, o calor acumula-sena barra de combustível, causando aumento dramático do revestimento e da temperatura do combustível .