O que é ebulição – Características de ebulição – Definição

A ebulição é a mudança de fase do estado líquido para o vapor e ocorre quando um líquido é aquecido até seu ponto de ebulição. Ebulição – características de ebulição

Ebulição

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

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.

Calor latente de vaporização - água a 0,1 MPa, 3 MPa, 16 MPa
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.

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

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

lg = 2257 kJ / kg

Calor latente de vaporização – água a 3 MPa

lg = 1795 kJ / kg

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

lg = 931 kJ / kg

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 .

supercritical-phase-critical-point-minA 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

Ebulição da piscina - modos de ebuliçãoDo 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 - modos de ebuliçãoEbulição 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 :

Curva de Ebulição - Modos de EbuliçãoO 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, 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 naturalEbulição 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 - Modos de EbuliçãoEbulição 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 por Transição - Ebulição Parcial de FilmeEbulição 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 - modos de ebuliçãoEbulição 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).

Ebulição Sub-resfriada - Modos de EbuliçãoCategorização 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 saturada

Ebulição em reatores nucleares

Ebulição 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 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 .

Saturação no pressurizador

Propriedades termodinâmicas extensas vs. intensivas
Propriedades extensivas e intensivas do meio 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

Gerador de vapor - vertical
Gerador de vapor – vertical

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.

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