Não categorizado

Modos de ebulição – Tipos de ebulição

Do ponto de vista prático da engenharia, a ebulição pode ser categorizada de acordo com vários critérios .

Categorização pelo regime de fluxo:

• Ebulição da piscina . Talvez a configuração mais comum, conhecida como ebulição da piscina, seja quando uma piscina de líquido é aquecida por baixo através de uma superfície horizontal. Na fervura da piscina, o líquido é quieto e seu movimento perto da superfície é principalmente devido à convecção natural e à mistura induzida pelo crescimento e desprendimento da bolha. O trabalho pioneiro em ebulição da piscina foi realizado em 1934 por  S. Nukiyama. Ele foi o primeiro a identificar quatro regimes diferentes e bem conhecidos  de ebulição da piscina  usando seu aparelho.

• Ebulição do fluxo. Na ebulição do fluxo (ou ebulição por 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.

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 .

Ebulição

Nos capítulos anteriores, discutimos a transferência de calor por convecção com suposição muito importante. Assumimos uma transferência de calor por convecção monofásica sem nenhuma mudança de fase. Neste capítulo, focaremos na transferência de calor por convecção associada à mudança na fase de um fluido . Em particular, consideramos processos que podem ocorrer em uma interface sólido-líquido ou vapor-sólido, ou seja, ebulição (mudança de fase de líquido para vapor) e condensação ( mudança de fase de vapor para líquido).

Para esses casos, os efeitos do calor latente associados à mudança de fase são significativos. O calor latente , conhecido também como entalpia da vaporização, é a quantidade de calor adicionada ou removida de uma substância para produzir uma mudança de fase. Essa energia decompõe as forças atraentes intermoleculares e também deve fornecer a energia necessária para expandir o gás (o trabalho pΔV ). Quando o calor latente é adicionado, nenhuma mudança de temperatura ocorre.

A entalpia da vaporização é uma função da pressão na qual essa transformação ocorre.

Calor latente de vaporização – água a 0,1 MPa (pressão atmosférica)

h _lg = 2257 kJ / kg

Calor latente de vaporização – água a 3 MPa

h _lg = 1795 kJ / kg

Calor latente de vaporização – água a 16 MPa (pressão dentro de um pressurizador )

h _lg = 931 kJ / kg

O calor da vaporização diminui com o aumento da pressão, enquanto o ponto de ebulição aumenta. Ele desaparece completamente em um determinado ponto chamado ponto crítico . Acima do ponto crítico, as fases líquida e de vapor são indistinguíveis, e a substância é chamada de fluido supercrítico .

A mudança do estado líquido para o vapor devido à ebulição é sustentada pela transferência de calor da superfície sólida; por outro lado, a condensação de um vapor no estado líquido resulta na transferência de calor para a superfície sólida. A ebulição e a condensação diferem de outras formas de convecção, pois dependem do calor latente de vaporização , que é muito alto para pressões comuns ; portanto, grandes quantidades de calor podem ser transferidas durante a ebulição e a condensação, essencialmente a temperatura constante. Os coeficientes de transferência de calor , h, associados à ebulição e condensação são tipicamente muito mais altosdo que os encontrados em outras formas de processos de convecção que envolvem uma única fase.

Isso ocorre porque, mesmo em fluxo turbulento , existe uma camada de filme fluido estagnada (subcamada laminar), que isola a superfície do trocador de calor. Essa camada de filme fluido estagnado desempenha papel crucial para o coeficiente de transferência de calor por convecção. Observa-se que o fluido para completamente na superfície e assume velocidade zero em relação à superfície. Esse fenômeno é conhecido como condição antiderrapante e, portanto, na superfície, o fluxo de energia ocorre puramente por condução. Porém, nas próximas camadas, ocorrem movimentos de condução e difusão-massa no nível molecular ou no nível macroscópico. Devido ao movimento de massa, a taxa de transferência de energia é maior. Como foi escrito,a ebulição de nucleados na superfície interrompe efetivamente essa camada estagnada e, portanto, a ebulição de nucleados aumenta significativamente a capacidade de uma superfície de transferir energia térmica para o fluido a granel.

Água fervente

A água  é uma substância transparente e quase incolor composta pelos elementos químicos  hidrogênio  e  oxigênio , que são conectados por  ligações covalentes . Na Terra, a água existe nos estados gasoso ( vapor  ou  vapor d’água ),  líquido e  sólido  (gelo). É um dos compostos mais abundantes e essenciais e é o principal constituinte dos córregos, lagos e oceanos da Terra e os fluidos da maioria dos organismos vivos. É vital para todas as formas de vida conhecidas.

Além de essencial à vida, a água é uma substância notável com muitas propriedades surpreendentes.

• É o  único composto químico  que ocorre  naturalmente em todos os três estados físicos  – estados gasoso (vapor ou vapor de água), líquido e sólido (gelo).
• É o  único líquido inorgânico  que ocorre naturalmente na Terra.
• A água também difere da maioria dos líquidos, pois se torna  menos densa à medida que congela . Tem uma densidade máxima de 3,98 ° C (1000 kg / m ³ ), enquanto a densidade do gelo é de 917 kg / m ³ . Difere em cerca de 9% e, portanto, o  gelo flutua  na água líquida
• A água  tem o  calor específico mais alto  de qualquer substância comum – 4,19 kJ / kg K.
• Possui um calor de vaporização muito alto, o que o torna um  fluido de arrefecimento eficaz  e  médio  em usinas termelétricas e outras indústrias de energia.

Nos capítulos anteriores, discutimos a transferência de calor por convecção com suposição muito importante. Assumimos uma transferência de calor por convecção monofásica sem nenhuma mudança de fase. Neste capítulo, focaremos na transferência de calor por convecção associada à mudança na fase de um fluido . Em particular, consideramos processos que podem ocorrer em uma interface sólido-líquido ou vapor sólido, ou seja, ebulição (mudança de fase de líquido para vapor) e condensação ( mudança de fase de vapor para líquido).

Para esses casos, os efeitos do calor latente associados à mudança de fase são significativos. O calor latente , conhecido também como entalpia da vaporização, é a quantidade de calor adicionada ou removida de uma substância para produzir uma mudança de fase. Essa energia decompõe as forças atraentes intermoleculares e também deve fornecer a energia necessária para expandir o gás (o trabalho pΔV ). Quando o calor latente é adicionado, nenhuma mudança de temperatura ocorre.

A entalpia da vaporização é uma função da pressão na qual essa transformação ocorre.

Calor latente de vaporização – água a 0,1 MPa (pressão atmosférica)

h _lg = 2257 kJ / kg

Calor latente de vaporização – água a 3 MPa

h _lg = 1795 kJ / kg

Calor latente de vaporização – água a 16 MPa (pressão dentro de um pressurizador )

h _lg = 931 kJ / kg

O calor da vaporização diminui com o aumento da pressão, enquanto o ponto de ebulição aumenta. Ele desaparece completamente em um determinado ponto chamado ponto crítico . Acima do ponto crítico, as fases líquida e de vapor são indistinguíveis, e a substância é chamada de fluido supercrítico .

A mudança do estado líquido para o vapor devido à ebulição é sustentada pela transferência de calor da superfície sólida; por outro lado, a condensação de um vapor no estado líquido resulta na transferência de calor para a superfície sólida. A ebulição e a condensação diferem de outras formas de convecção, pois dependem do calor latente de vaporização , que é muito alto para pressões comuns ; portanto, grandes quantidades de calor podem ser transferidas durante a ebulição e a condensação, essencialmente a temperatura constante. Os coeficientes de transferência de calor , h, associados à ebulição e condensação são tipicamente muito mais altosdo que os encontrados em outras formas de processos de convecção que envolvem uma única fase.

Isso ocorre porque, mesmo em fluxo turbulento , existe uma camada de filme fluido estagnada (subcamada laminar), que isola a superfície do trocador de calor. Essa camada de filme fluido estagnado desempenha papel crucial para o coeficiente de transferência de calor por convecção. Observa-se que o fluido para completamente na superfície e assume velocidade zero em relação à superfície. Esse fenômeno é conhecido como condição antiderrapante e, portanto, na superfície, o fluxo de energia ocorre puramente por condução. Porém, nas próximas camadas, ocorrem movimentos de condução e difusão-massa no nível molecular ou no nível macroscópico. Devido ao movimento de massa, a taxa de transferência de energia é maior. Como foi escrito,a ebulição de nucleados na superfície interrompe efetivamente essa camada estagnada e, portanto, a ebulição de nucleados aumenta significativamente a capacidade de uma superfície de transferir energia térmica para o fluido a granel.

Modos de ebulição – Tipos de ebulição

Do ponto de vista prático da engenharia, a ebulição pode ser categorizada de acordo com vários critérios .

Categorização pelo regime de fluxo:

• Ebulição da piscina . Talvez a configuração mais comum, conhecida como ebulição da piscina, seja quando uma piscina de líquido é aquecida por baixo através de uma superfície horizontal. Na fervura da piscina, o líquido é quieto e seu movimento perto da superfície é principalmente devido à convecção natural e à mistura induzida pelo crescimento e desapego da bolha. O trabalho pioneiro em ebulição da piscina foi realizado em 1934 por  S. Nukiyama. Ele foi o primeiro a identificar quatro regimes diferentes e bem conhecidos  de ebulição da piscina  usando seu aparelho.

• Ebulição do 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.

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 nicrromo 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 .

Quatro regimes de ebulição diferentes da ebulição da piscina (com base no excesso de temperatura) são observados:

• 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

Descrição dos modos de ebulição :

• Ebulição por convecção natural. Na termodinâmica , o requisito para ocorrer a ebulição de substâncias puras é que T _wall = T _sat . Porém, 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. Nesse modo de ebulição , o vapor será observado sobre a superfície da água, mas geralmente não há bolhasserá observado. À medida que a temperatura de superaquecimento aumenta, eventualmente ocorre o início da bolha, 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 Nucleada. O tipo mais comum de ebulição local encontrado em instalações nucleares é a ebulição nucleada . 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. 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”.
• 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 da ebulição”. Como além do ponto CHF o coeficiente de transferência de calor diminui, a transição para a ebulição de película é geralmente inevitável.
• Ebulição de filme. Um aumento adicional no fluxo de calor faz com que um filme de vapor cubra a superfície. Isso reduz significativamente o coeficiente de convecção, uma vez que 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 burn out. Nos reatores de água pressurizada, um dos principais requisitos de segurança (talvez o mais importante) é que o 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 DNBR 95/95 para PWRs (uma probabilidade de 95% com 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, 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).

Categorização pela temperatura de sub-resfriamento, ΔT _sub .

A ebulição também pode ser classificada de acordo com se é sub-resfriada ou saturada:

• 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 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 saturada . Na ebulição saturada (também conhecida como ebulição a granel ), a temperatura do líquido excede levemente a temperatura de saturação. A ebulição em massa pode ocorrer 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 de refrigerante não colapsam. 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 e condensação

Nos capítulos anteriores, discutimos a transferência de calor por convecção com suposição muito importante. Assumimos uma transferência de calor por convecção monofásica sem nenhuma mudança de fase. Neste capítulo, focaremos na transferência de calor por convecção associada à mudança na fase de um fluido . Em particular, consideramos processos que podem ocorrer em uma interface sólido-líquido ou vapor sólido, ou seja, ebulição (mudança de fase de líquido para vapor) e condensação ( mudança de fase de vapor para líquido).

Para esses casos, os efeitos do calor latente associados à mudança de fase são significativos. O calor latente , conhecido também como entalpia da vaporização, é a quantidade de calor adicionada ou removida de uma substância para produzir uma mudança de fase. Essa energia decompõe as forças atrativas intermoleculares e também deve fornecer a energia necessária para expandir o gás (o trabalho pΔV ). Quando o calor latente é adicionado, nenhuma mudança de temperatura ocorre.

A entalpia da vaporização é uma função da pressão na qual essa transformação ocorre.

Calor latente de vaporização – água a 0,1 MPa (pressão atmosférica)

h _lg = 2257 kJ / kg

Calor latente de vaporização – água a 3 MPa (pressão dentro de um gerador de vapor)

h _lg = 1795 kJ / kg

Saturação no pressurizador

Um  pressurizador  é um componente de um  reator de água pressurizada . A pressão no circuito primário  dos PWRs é mantida por um  pressurizador , um vaso separado que é conectado ao circuito primário (perna quente) e parcialmente preenchido com água que é aquecida até a  temperatura de saturação  (ponto de ebulição) para a pressão desejada por energia elétrica submersa.  aquecedores. A temperatura no pressurizador pode ser mantida a 350 ° C (662 ° F), o que fornece uma margem de sub-resfriamento (a diferença entre a temperatura do pressurizador e a temperatura mais alta no núcleo do reator) de 30 ° C. A margem de sub-resfriamento é um parâmetro de segurança muito importante dos PWRs, pois a ebulição 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.

Funções

A pressão  no pressurizador é controlada variando a temperatura do líquido de refrigeração no pressurizador. Para esses fins, dois sistemas estão instalados. Sistema de pulverização de água  e  sistema de aquecimento elétrico . O volume do pressurizador (dezenas de metros cúbicos) é preenchido com água nos parâmetros de saturação e vapor. O sistema de pulverização de água (água relativamente fria – da perna fria) pode diminuir a pressão no recipiente,  condensando o vapor  nas gotas de água pulverizadas no recipiente. Por outro lado, os aquecedores elétricos submersos são projetados para aumentar a pressão por  evaporação da água  no vaso. A pressão da água em um sistema fechado rastreia a temperatura da água diretamente; conforme a temperatura aumenta, a pressão aumenta.

Ebulição no gerador 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. Eles são usados ​​nas usinas mais nucleares, mas existem muitos tipos de acordo com o  tipo de reator .

O líquido de arrefecimento primário quente ( água 330 ° C; 626 ° F; 16MPa ) é bombeado para  o gerador de vapor  através da entrada primária. A alta pressão do líquido de arrefecimento primário é usada para manter a água no estado líquido. A ebulição do líquido de arrefecimento primário não deve ocorrer.  A água líquida flui através de centenas ou milhares de tubos (geralmente 1,9 cm de diâmetro) dentro do gerador de vapor. A água de alimentação (circuito secundário) é aquecida de  ~ 260 ° C a 500 ° F  até o ponto de ebulição desse fluido  (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) . O calor é transferido através das paredes desses tubos para o líquido de refrigeração secundário de baixa pressão localizado no lado secundário do trocador, onde o líquido de refrigeração evapora para vapor pressurizado (vapor saturado 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) . O vapor pressurizado sai do gerador de vapor através de uma saída de vapor e continua até a turbina a vapor. A transferência de calor é realizada sem a mistura dos dois fluidos para impedir que o líquido de arrefecimento secundário se torne radioativo. O líquido de arrefecimento primário sai  (água 295 ° C; 563 ° F; 16MPa)  do gerador de vapor através da saída primária e continua através de uma perna fria até  uma bomba de líquido de refrigeração do reator  e depois para o reator.

Condensação no Condensador Principal

O condensador deve manter um baixo vácuo suficiente para aumentar a eficiência da usina. As bombas de vácuo mantêm um vácuo suficiente no condensador, extraindo ar e gases não condensados. A menor pressão viável do condensador é a   pressão de saturação correspondente à temperatura ambiente (por exemplo, pressão absoluta de  0,008 MPa,  que corresponde a  41,5 ° C ). Observe que sempre há uma diferença de temperatura entre (em torno de  ΔT = 14 ° C) a temperatura do condensador e a temperatura ambiente, que se originam do tamanho finito e da eficiência dos condensadores. Como nem o condensador é um trocador de calor 100% eficiente, sempre há uma diferença de temperatura entre a temperatura de saturação (lado secundário) e a temperatura do líquido de arrefecimento no sistema de refrigeração. Além disso, há uma ineficiência de projeto, que diminui a eficiência geral da turbina. Idealmente, o vapor descarregado no condensador não teria  sub-resfriamento . Mas os condensadores reais são projetados para sub-resfriar o líquido em alguns graus Celsius, a fim de evitar a  cavitação de sucção  nas bombas de condensado. Porém, esse sub-resfriamento aumenta a ineficiência do ciclo, porque é necessária mais energia para reaquecer a água.

O objetivo de manter a menor pressão prática de exaustão da turbina é a principal razão para incluir o condensador em uma usina termelétrica. O condensador fornece um vácuo que maximiza a energia extraída do vapor, resultando em um aumento significativo no trabalho líquido e na eficiência térmica. Mas também este parâmetro (pressão do condensador) tem seus limites de engenharia:

• Diminuir a pressão de exaustão da turbina diminui a qualidade do vapor (ou fração de secura). Em algum momento, a expansão deve ser encerrada para evitar danos que podem ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de  baixa qualidade .
• Diminuir a pressão de exaustão da turbina aumenta significativamente o volume específico de vapor exaurido, o que requer grandes lâminas nas últimas fileiras do estágio de baixa pressão da turbina a vapor.

Em uma turbina a vapor úmida típica  , o vapor exaurido condensa no condensador e está a uma pressão bem abaixo da atmosférica (pressão absoluta de  0,008 MPa,  que corresponde a 41,5 ° C). Este vapor está em um estado parcialmente condensado (ponto F), normalmente com uma qualidade próxima a 90%. Observe que a pressão dentro do condensador também depende das condições atmosféricas do ambiente:

• temperatura do ar, pressão e umidade em caso de resfriamento na atmosfera
• temperatura da água e vazão em caso de resfriamento em um rio ou mar

Um aumento na temperatura ambiente causa um aumento proporcional na pressão do vapor exaurido ( ΔT = 14 ° C  é geralmente uma constante), portanto, a eficiência térmica do sistema de conversão de energia diminui. Em outras palavras, a  produção elétrica  de uma usina  pode variar de acordo  com as  condições ambientais , enquanto a energia térmica permanece constante.

Para manter os parâmetros no interior do condensador (0,008 MPa e 41,5 ° C), a  água  de resfriamento do sistema de resfriamento deve estar suficientemente fria e não pode haver grande diferença de temperatura entre o temperador da água de saída e de entrada, portanto a vazão através do sistema de resfriamento deve ser muito alto. A vazão do sistema de resfriamento (com torres de resfriamento úmidas) pode ser de até 100 000 m3 / h (27,7 m3 / s). A água de entrada do condensador pode ter cerca de 22 ° C (dependendo fortemente das condições ambientais), enquanto a saída do condensador pode ter cerca de 25 ° C. Os sistemas de refrigeração da água do mar operam com vazões mais altas, por exemplo, 130 000 m3 / h.

Circulação Natural em Engenharia de Reatores

Na engenharia de reatores , a circulação natural é um fenômeno muito desejado, pois é capaz de fornecer resfriamento do núcleo do reator após a perda de RCPs (por exemplo, após perda de energia externa – LOOP). Em PWRs, o projeto da planta fornece uma diferença de elevação , h , de aproximadamente 12 metros entre a linha central do gerador de vapor e a linha central do núcleo do reator . O layout do sistema deve garantir a capacidade de circulação natural após uma perda de fluxo para permitir a recarga sem superaquecer o núcleo. Além disso, a tubulação de interconexão do vaso de pressão do reatorOs geradores de vapor devem estar intactos, livres de obstruções, como gases não condensáveis ​​(por exemplo, bolsas de vapor). Dessa forma, a circulação natural garantirá que o fluido continue fluindo enquanto o reator estiver mais quente que o dissipador de calor, mesmo quando a energia não puder ser fornecida às bombas.

Os RCPs geralmente não são “sistema de segurança”, conforme definido. Após a perda de RCPs (por exemplo, após perda de energia externa – LOOP), o reator deve ser desligado imediatamente, pois os RCPs diminuem lentamente até a vazão zero. A remoção de calor residual suficiente e segura é então assegurada por um fluxo de circulação natural através do reator. Sem fluxo forçado, o líquido de arrefecimento no núcleo começa a aquecer. O aumento da temperatura do refrigerante causa uma redução na densidade do refrigerante, que por sua vez move o refrigerante para o gerador de vapor. Deve-se notar que a circulação natural não é suficiente para remover o calor gerado quando o reator está na potência.

Os projetos modernos de reatores usam a circulação natural como um recurso de segurança muito importante . Muitos sistemas de segurança passiva nos projetos modernos de reatores operam sem o uso de bombas, o que cria maior segurança, integridade e confiabilidade do projeto, reduzindo simultaneamente o custo geral do reator.

Indicadores de circulação natural

Nos PWRs, vários parâmetros podem ser usados ​​para indicar ou verificar a circulação natural. Isso depende do tipo e dos sistemas da planta. Por exemplo, para um PWR, os parâmetros selecionados que podem ser usados ​​são os seguintes:

• Idealmente, a taxa de fluxo pode ser medida em cada um dos loops.
• ΔT ( T _quente – T _frio ). A diferença de temperatura entre as pernas quentes e as frias deve ser de 25 a 80% do valor total da potência e estar constante ou diminuir lentamente. Isso indica que o calor de decomposição está sendo removido do sistema a uma taxa adequada para manter ou reduzir as temperaturas do núcleo.
• As temperaturas quentes e frias das pernas devem estar estáveis ​​ou diminuindo lentamente. Novamente, isso indica que o calor está sendo removido e a carga de calor do decaimento está diminuindo conforme o esperado.
• A pressão do vapor do gerador de vapor (pressão lateral secundária) deve estar seguindo a temperatura do sistema de refrigeração do reator. Isso verifica se o gerador de vapor está removendo o calor do líquido de arrefecimento RCS.

Referência especial: Circulação natural em usinas nucleares resfriadas a água, IAEA-TECDOC-1474. IAEA, 2005. ISBN 92–0–110605 – X.

Força de resistência hidráulica

Como foi escrito, a vazão de circulação natural , V, no circuito fechado, em condições de estado estacionário, é determinada a partir do equilíbrio entre a cabeça motriz e as forças resistentes. Como o atrito do tubo, as perdas de pressão gerais são proporcionais ao quadrado da vazão e, portanto, podem ser facilmente integradas na equação de Darcy-Weisbach . Os engenheiros costumam usar o coeficiente de perda de pressão , CLP . Nota-se K ou ξ (pronunciado “xi”). Este coeficiente caracteriza a perda de pressãode um determinado sistema hidráulico ou de uma parte de um sistema hidráulico. Pode ser facilmente medido em loops hidráulicos. O coeficiente de perda de pressão pode ser definido ou medido para tubos retos e especialmente para perdas locais (menores) . Como o fator de atrito de Darcy é uma função da velocidade (no número de Reynolds), o cálculo do coeficiente de perda de pressão é um processo iterativo.

Circulação Natural – Vazão

A taxa de fluxo de circulação natural no circuito, em estado estacionário, é determinada a partir do equilíbrio entre as forças motriz e resistência . A força motriz resulta da diferença de densidade entre a perna quente e a perna fria do circuito. A cabeça necessária para compensar as perdas de cabeça é criada por gradientes de densidade e alterações de elevação.

Cabeça de condução térmica

Cabeça de acionamento térmico é a força que causa a circulação natural . É causada pela diferença de densidade entre dois corpos ou áreas de fluido. Considere dois volumes iguais do mesmo tipo de fluido. Se os dois volumes não estiverem na mesma temperatura , o volume com a temperatura mais alta também terá uma densidade mais baixa e, portanto, menos massa. Sabe-se que a densidade de gases e líquidos depende da temperatura, geralmente diminuindo (devido à expansão do fluido) com o aumento da temperatura. Como o volume a uma temperatura mais alta terá uma massa menor, também terá menos força exercida sobre ele pela gravidade. Essa diferença na força da gravidade exercida sobre o fluido tenderá a fazer com que o fluido mais quente suba e o fluido mais frio afunde. A cabeça de acionamento térmico pode ser simplesmente calculada usando a diferença de pressões hidrostáticas:

Como pode ser visto, quanto maior a diferença de temperatura entre as áreas quentes e frias do fluido, maior a cabeça de acionamento térmico e a vazão resultante.

Circulação Natural – Vazão

A taxa de fluxo de circulação natural no circuito, em estado estacionário, é determinada a partir do equilíbrio entre as forças motriz e resistência . A força motriz resulta da diferença de densidade entre a perna quente e a perna fria do circuito. A cabeça necessária para compensar as perdas de cabeça é criada por gradientes de densidade e alterações de elevação.

Condições necessárias para a circulação natural

Da mesma forma que na convecção natural , a circulação natural não opera essencialmente na órbita da Terra. A circulação natural ocorre em um loop apenas sob condições específicas. Mesmo após o início da circulação natural, a remoção de qualquer uma dessas condições fará com que a circulação natural pare . As condições para circulação natural são as seguintes:

• Presença de aceleração adequada. A circulação natural só pode ocorrer em um campo gravitacional ou na presença de outra aceleração adequada, como aceleração, força centrífuga.
• Presença de fonte de calor e dissipador de calor . Fonte de calor e dissipador de calor são necessários, porque a circulação naturalé gerado pela diferença de densidade no fluido que ocorre devido à diferença de temperatura. O fluido que entra na fonte de calor recebe calor e, por expansão térmica, torna-se menos denso e sobe. A expansão térmica do fluido desempenha um papel crucial. O processo em um canto de calor é oposto, o canto de calor recebe calor e o fluido se torna mais denso. A diferença de densidade é a força motriz do fluxo de circulação natural. A diferença de temperatura deve ser mantida para que a circulação natural continue. A adição de calor por uma fonte de calor deve existir na área de alta temperatura. A remoção contínua de calor por um dissipador de calor deve existir na área de baixa temperatura. Caso contrário, as temperaturas acabariam se igualando e nenhuma circulação adicional ocorreria.
• Geometria adequada. A presença e magnitude da circulação natural também dependem da geometria do problema. A presença de um gradiente de densidade de fluido em um campo gravitacional não garante a existência de correntes de convecção naturais. A circulação natural em um circuito fechado cheio de fluido é estabelecida pela localização de um dissipador de calor no circuito a uma elevação mais alta que a fonte de calor. O fluido circulante remove o calor da fonte e o transporta para a pia. O fluxo pode ser monofásico ou bifásico, em que o vapor flui ao longo do líquido. A diferença de temperatura deve ser mantida para que a circulação natural continue. A adição de calor por uma fonte de calor deve existir na área de alta temperatura. A remoção contínua de calor por um dissipador de calor deve existir na área de baixa temperatura. Caso contrário, as temperaturas eventualmente se igualariam, e não ocorreria mais circulação. É possível que a circulação natural ocorra em fluxo bifásico, mas geralmente é mais difícil manter o fluxo.
• Fluidos em contato . As duas áreas devem estar em contato para que o fluxo entre as áreas seja possível. Se o caminho do fluxo estiver obstruído ou bloqueado, a circulação natural não poderá ocorrer.

Circulação Natural – Vazão

A taxa de fluxo de circulação natural no circuito, em estado estacionário, é determinada a partir do equilíbrio entre as forças motriz e resistência . A força motriz resulta da diferença de densidade entre a perna quente e a perna fria do circuito. A cabeça necessária para compensar as perdas de cabeça é criada por gradientes de densidade e alterações de elevação.

Cabeça de condução térmica

Convecção forçada

Como foi escrito, a convecção ocorre por meio de advecção, difusão ou ambos. Neste capítulo, consideramos a transferência de convecção em fluxos de fluidos que se originam de uma condição de força externa –  convecção forçada .

Lei do resfriamento de Newton

Apesar da complexidade da convecção , a taxa de transferência de calor por convecção é observada proporcional à diferença de temperatura e é convenientemente expressa pela lei do resfriamento de Newton , que afirma que:

A taxa de perda de calor de um corpo é diretamente proporcional à diferença de temperatura entre o corpo e seus arredores, desde que a diferença de temperatura seja pequena e a natureza da superfície radiante permaneça a mesma.

Observe que ΔT é dado pela temperatura da superfície ou da parede , _parede T e temperatura do volume , T _∞ , que é a temperatura do fluido suficientemente longe da superfície.

Convecção Forçada – Equação de Dittus-Boelter

Para  um fluxo turbulento totalmente desenvolvido (hidrodinamicamente e termicamente)  em um tubo circular liso, o número local de  Nusselt  pode ser obtido a partir da conhecida  equação de Dittus-Boelter . A  equação Dittus® Boelter  é fácil de resolver, mas é menos precisa quando existe uma grande diferença de temperatura no  fluido  e é menos precisa para tubos ásperos (muitas aplicações comerciais), pois é adaptada para tubos lisos.

A  correlação de Dittus-Boelter  pode ser usada para diferenças de temperatura pequenas a moderadas, T _wall  – T _avg , com todas as propriedades avaliadas em uma temperatura _média T _avg .

Para fluxos caracterizados por grandes variações de propriedades, as correções (por exemplo, um fator de correção de viscosidade  μ / μ _parede ) devem ser levadas em consideração, por exemplo, como recomendam Sieder e Tate.

Correntes de Convecção – Coluna Térmica

Outra importante corrente de convecção , formada na atmosfera, é uma coluna térmica . A coluna térmica é uma coluna de ar ascendente nas altitudes mais baixas da atmosfera da Terra, uma forma de atualização atmosférica. As colunas térmicas são criadas pelo aquecimento desigual da superfície da Terra a partir da radiação solar e são um exemplo de convecção natural atmosférica.

O Sol aquece o chão, que por sua vez aquece o ar diretamente acima dele. O ar mais quente perto da superfície se expande, tornando-se menos denso que o ar circundante. O ar mais leve sobe e esfria devido à sua expansão na pressão mais baixa em altitudes mais altas. Ele para de subir quando esfria à mesma temperatura do ar circundante. Terra escura, áreas urbanas e estradas são boas fontes de colunas térmicas .

Criação de correntes de convecção

A criação de correntes de convecção  é baseada em três suposições físicas:

• Presença de fonte de calor . A fonte de calor é necessária, porque  as correntes de convecção  são geradas por diferenças de densidade no fluido que ocorre devido a gradientes de temperatura. Na convecção natural, o fluido em torno de uma fonte de calor recebe calor e, por expansão térmica, torna-se menos denso e sobe. A expansão térmica do fluido desempenha um papel crucial. Em outras palavras, os componentes mais pesados ​​(mais densos) cairão, enquanto os componentes mais leves (menos densos) subirão, levando ao movimento de fluidos a granel.
• Presença de aceleração adequada. A convecção natural só pode ocorrer em um campo gravitacional ou na presença de outra aceleração adequada, como aceleração, força centrífuga e força de Coriolis. A convecção natural essencialmente não opera na órbita da Terra. Por exemplo, na Estação Espacial Internacional em órbita, são necessários outros mecanismos de transferência de calor para impedir o superaquecimento dos componentes eletrônicos.
• Geometria adequada . A presença e magnitude da convecção natural também dependem da geometria do problema. A presença de um gradiente de densidade de fluido em um campo gravitacional não garante a existência de correntes de convecção naturais. Esse problema é ilustrado na figura a seguir, onde um fluido é fechado por duas grandes placas horizontais de temperatura diferente (T _superior  ≠ T _inferior ).
  • No  caso A,  a temperatura da placa inferior é superior à temperatura da placa superior. Nesse caso, a densidade diminui na direção da força gravitacional. Essa geometria induz a circulação de fluidos e a transferência de calor ocorre por  circulação natural . O fluido mais pesado descerá, sendo aquecido no processo, enquanto o fluido mais leve subirá, esfriando à medida que se move.
  • No  caso B,  a temperatura da placa inferior é inferior à temperatura da placa superior. Nesse caso, a densidade aumenta na direção da força gravitacional. Essa geometria leva a condições estáveis, gradiente de temperatura estável e não induz a circulação de fluidos. A transferência de calor ocorre apenas por condução térmica.

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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: translations@nuclear-power.com ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.

Ebulição por fluxo – fervura por convecção forçada

Na ebulição do fluxo (ou ebulição por 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 comumente referida como fluxo bifásico .

• 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.
• A velocidade do som muda drasticamente para materiais submetidos a mudanças de fase e pode ter ordens de magnitude diferentes. Isso influencia significativamente um fluxo através de um orifício .
• A 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.

Ebulição do fluxo – canal vertical

Neste capítulo, estudaremos o fluxo de ebulição em um canal vertical de um reator de água fervente . Os regimes de ebulição e a curva de fluxo de calor são semelhantes aos da ebulição da piscina. O processo ocorre também em caldeiras modernas de circulação forçada de alta pressão.

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. Na região de alta qualidade, a crise ocorre com um fluxo de calor menor. Como a velocidade de 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 maiores e mais rápidos).

Os modos típicos de ebulição do fluxo em um canal vertical são representados na figura. Esta figura mostra a ordem típica dos regimes de fluxo que são encontrados desde a entrada até a saída de um canal aquecido . Na entrada, o líquido entra no sub-resfriado (na temperatura mais baixa que a saturação). Nesta região, o fluxo é monofásico. À medida que o líquido esquenta, a temperatura da parede aumenta correspondentemente. À medida que a temperatura da parede excede a temperatura de saturação (por exemplo, 285 ° C a 6,8 MPa), começa a ebulição do nucleado sub-resfriado . As bolhas nucleadas na camada limite térmica superaquecida na parede aquecida, mas tendem a condensar-se no volume sub-resfriado .

Um aumento adicional na temperatura do líquido causa que o volume do líquido atinja a temperatura de saturação e o processo de ebulição por convecção passe pelo fluxo borbulhante para o fluxo da lesma . O aumento da fração de vazios faz com que a estrutura do fluxo se torne instável. O processo de ebulição passa através do fluxo de lesma e rotatividade para o regime de fluxo anular com sua película anular característica do líquido. 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. No ponto de secagem, a temperatura da parede aumenta significativamente para dissipar o fluxo de calor aplicado. O fluxo pós-secagem (fluxo de névoa ou queda ) no canal aquecido é indesejável, porque a presença desse regime de fluxo é acompanhada de temperaturas da parede significativamente mais altas e alta flutuação das temperaturas da parede. As correlações usadas para determinar os coeficientes de transferência de calor no fluxo bifásico são descritas abaixo.

Referência especial: Tong, LS, Weisman, Joel. Análise Térmica de Reatores de Água Pressurizada. Amer Nuclear Society, 3a edição, 5/1996. ISBN-13: 978-0894480386.

Convecção Forçada Monofásica – Correlação de Transferência de Calor

Para  um fluxo turbulento totalmente desenvolvido (hidrodinamicamente e termicamente)  em um tubo circular liso, o número local de  Nusselt  pode ser obtido a partir da conhecida  equação de Dittus-Boelter . A  equação Dittus® Boelter  é fácil de resolver, mas é menos precisa quando existe uma grande diferença de temperatura no  fluido  e é menos precisa para tubos ásperos (muitas aplicações comerciais), pois é adaptada para tubos lisos.

A  correlação de Dittus-Boelter  pode ser usada para diferenças de temperatura pequenas a moderadas, T _wall  – T _avg , com todas as propriedades avaliadas a uma temperatura _média T _avg .

Para fluxos caracterizados por grandes variações de propriedades, as correções (por exemplo, um fator de correção de viscosidade  μ / μ de _parede ) devem ser levadas em consideração, por exemplo, como recomendam Sieder e Tate .

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.

Fluxo de calor crítico para DNB – correlações

Como foi escrito, a crise de ebulição pode ser classificada como seca (será descrita abaixo DNB) na região de alta qualidade e saída da ebulição nucleada (DNB) na região sub-resfriada ou de baixa qualidade (faixa aproximada de qualidade: de –5% para + 5%). Mas o fluxo de calor crítico é usado para ambos os regimes.

DNB – Correlação W-3

Uma das correlações de projeto mais conhecidas para prever a saída da ebulição nucleada é a correlação W-3 desenvolvida na Divisão de Energia Atômica de Westinghouse por Tong . É aplicável a fluxos de qualidade sub-resfriados e de baixa a moderada . A correlação W-3 é uma função da entalpia do refrigerante (saturada e entrada), pressão , qualidade e fluxo de massa do refrigerante:

A correlação W-3 é para fluxo de calor crítico em canais uniformemente aquecidos. Para explicar os fluxos de calor não uniformes, Tong introduziu o fator de correção F.

Referência especial: Tong, LS, Weisman, Joel. Análise Térmica de Reatores de Água Pressurizada. Amer Nuclear Society, 3a edição, 5/1996. ISBN-13: 978-0894480386.

Fator de parede fria – CWF

Tong, LS e Weisman, Joel também introduzem um novo fator conhecido como “ fator de parede fria ”, que corrige o CHF em um canal que contém uma parede não aquecida (por exemplo, canal adjacente ao tubo guia da haste de controle). Nesses canais, o filme líquido se acumula ao longo da parede fria e esse fluido não é eficaz no resfriamento da superfície aquecida e o fluido que resfria a superfície aquecida está em entalpia mais alta do que o calculado sem a hipótese de parede fria. Observe que, existe uma suposição de que a parede fria deteriora a transferência de calor em comparação com o canal com todos os lados aquecidos na mesma entalpia de saída em massa .

Tabelas de consulta CHF

As tabelas de consulta de CHF são amplamente utilizadas para a previsão do fluxo de calor crítico (CHF). A tabela de consulta do CHF é basicamente um banco de dados normalizado para um tubo vertical de 8 mm refrigerado a água. A tabela de consulta do CHF de 2006 é baseada em um banco de dados contendo mais de 30.000 pontos de dados e abrange os intervalos de pressão de 0,1–21 Mpa, 0–8000 kg.m ^–2 .s ^-1 (fluxo zero refere-se à fervura da piscina condições) fluxo de massa e qualidade de vapor de -0,5 a 1 (qualidades negativas referem-se a condições sub-resfriadas).

Referência especial: GROENEVELD, DC et al., A tabela de consulta de 2006, Nuclear Engineering and Design 237 (2007), 1909–1922.

Partida da Razão de Ebulição Nucleada – DNBR

Como foi escrito, 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. Observe que, mesmo para BWRs, que têm um perfil de potência axial com um pico significativamente inferior, o risco DNB deve ser levado em consideração.

DNB ocorre quando o fluxo de calor local atinge o valor do fluxo de calor crítico. Esse fenômeno ocorre na região sub-resfriada ou de baixa qualidade (faixa aproximada de qualidade: de –5% a + 5%). O comportamento desse tipo de crise de ebulição depende de muitas condições de fluxo (pressão, temperatura, taxa de fluxo), uma vez que o fluxo crítico de calor geralmente é uma função da entalpia do refrigerante   (saturada e de entrada),  pressão ,  qualidade  e fluxo de massa do refrigerante:

Esse tipo de crise de ebulição ocorre em fluxos de calor relativamente altos e parece estar associado à nuvem de bolhas, adjacente 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 se acumula na barra de combustível, causando um 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.

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. Desnecessário dizer que o estabelecimento de uma relação DNB mínima fornece uma grande limitação no projeto de reatores refrigerados a água. Esse fenômeno limita a potência térmica máxima de cada PWR.

A relação DNB (DNBR – Partida da taxa de ebulição de nucleados) é a medida da margem para o fluxo de calor crítico. DNBR é definido como:

o fluxo de calor crítico em um local específico e os parâmetros específicos do líquido de refrigeração divididos pelo fluxo de calor local em operação nesse local .

O núcleo do reator deve ser projetado para manter o DNBR maior que o valor mínimo permitido (conhecido como limite de correlação) durante a operação em estado estacionário, transitórios operacionais normais e ocorrências operacionais previstas (AOOs). Para prever a saída da ebulição nucleada, o CHF pode ser, por exemplo, determinado usando a correlação W-3 desenvolvida na Divisão de Energia Atômica de Westinghouse. Se essas correlações fossem perfeitas (sem incertezas), o critério seria simples:

O fluxo de calor local deve ser menor que o fluxo de calor crítico (ou seja, DNBR deve ser maior que um).

Mas, na realidade , nenhuma correlação é perfeita e incertezas devem estar envolvidas nesse cálculo. Essas faixas de incerteza ou limites de erro estabelecem um valor mínimo aceitável para a relação DNB, que pode ser significativamente maior que um, conforme indicado na figura. As incertezas podem chegar a cerca de 20% e, portanto, o DNBR deve ser maior que, por exemplo, DNBR _lim = 1,2 .

Como pode ser visto na figura, o CHF diminui significativamente com o aumento da entalpia do líquido de arrefecimento, portanto, o valor mínimo de DNBR não está necessariamente no centro do núcleo. A relação DNB mínima (MDNBR) ocorre no local onde o fluxo de calor crítico e o fluxo de calor operacional são os mais próximos e geralmente está na parte superior do núcleo. Além disso, na entrada do canal onde o sub-resfriamento do refrigerante é o mais alto, esperamos que o fluxo de calor necessário faça com que o DNB neste local seja extremamente alto. Por outro lado, na saída do canal onde a entalpia do refrigerante é a mais alta, o fluxo de calor necessário para causar DNB deve ser o mais baixo.

Referência especial: Tong, LS, Weisman, Joel. Análise Térmica de Reatores de Água Pressurizada. Amer Nuclear Society, 3a edição, 5/1996. ISBN-13: 978-0894480386.

Transferência de calor pós-DNB

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.

Um aumento adicional no fluxo de calor não é necessário para manter a ebulição de película. Uma película de vapor cobre completamente a superfície. Isso reduz significativamente o coeficiente de convecção, uma vez que 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. A superfície aquecida estabiliza estabiliza sua temperatura no ponto E (veja a figura). Se o material não for suficientemente forte para suportar essa temperatura, o equipamento falhará por danos ao material.

Relação de potência crítica – Secagem

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).

Nesse caso, os engenheiros definem o parâmetro conhecido como relação de potência crítica mínima (MCPR), em vez de DNBR. A razão de potência crítica (RCP) é usada para determinar os limites térmicos dos reatores de água fervente.

Definição de RCP:

A RCP é a energia na montagem que é calculada pela aplicação da (s) correlação (ões) apropriada (s) para causar algum ponto na montagem para sofrer uma transição de ebulição, dividida pela potência operacional real da montagem.