O que é Circulação Natural – Definição

Circulação natural é a circulação de fluido dentro de sistemas de tubulação ou piscinas abertas devido às alterações de densidade causadas por diferenças de temperatura. Engenharia Térmica

Circulação Natural

Circulação Natural - esquema
Circulação natural em circuito fechado

Circulação natural é a circulação de fluido dentro de sistemas de tubulação ou piscinas abertas devido às alterações de densidade causadas por diferenças de temperatura. A circulação natural não requer dispositivos mecânicos para manter o fluxo.

Esse fenômeno tem natureza semelhante à convecção natural, mas, neste caso, o coeficiente de transferência de calor não é um objeto de estudo. Nesse caso, o fluxo em massa através do loop é o objeto de estudo. Esse fenômeno é mais um problema hidráulico do que um problema de transferência de calor, embora, como resultado, a circulação natural remova o calor da fonte e o transporte para o dissipador de calor e seja da maior importância na segurança do reator.

 

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 em 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. 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. O cabeçote necessário para compensar as perdas de cabeçote é criado 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:

cabeça de condução térmica - equação

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.

Força de resistência hidráulica

CLP - Coeficiente de perda de pressão - equaçõesComo foi escrito, a taxa de fluxo 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 em Engenharia de Reatores

Circulação Natural - esquema
Circulação natural em circuito fechado

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, um recurso de segurança muito importante . Muitos sistemas de segurança passiva em 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 ( 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.

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