O que é ebulição de filme – Definição

ebulição de película

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

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

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

As seções a seguir descrevem:

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

Crise de ebulição – Fluxo crítico de calor

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

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

Partida da Ebulição Nucleada – DNB

No caso de PWRs , a questão crítica de segurança é denominada DNB ( partida da ebulição nucleada ), que causa a formação de uma camada de vapor local , causando uma redução drástica na capacidade de transferência de calor. Esse fenômeno ocorre na região sub-resfriada ou de baixa qualidade. O comportamento da crise de ebulição depende de muitas condições de fluxo (pressão, temperatura, taxa de fluxo), mas a crise de ebulição ocorre em fluxos de calor relativamente altos e parece estar associado à nuvem de bolhas adjacentes à superfície. Essas bolhas ou filme de vapor reduzem a quantidade de água que entra. Como esse fenômeno deteriora o coeficiente de transferência de calor e o fluxo de calor permanece, o calor acumula-sena barra de combustível, causando aumento dramático do revestimento e da temperatura do combustível . Simplesmente, é necessária uma diferença de temperatura muito alta para transferir o fluxo de calor crítico produzido da superfície da barra de combustível para o líquido de arrefecimento do reator (através da camada de vapor).

No caso de PWRs, o fluxo crítico é um fluxo anular invertido , enquanto que nos BWRs, o fluxo crítico é geralmente um fluxo anular. A diferença no regime de fluxo entre o fluxo pós-secagem e o fluxo pós-DNB é mostrada na figura. Em PWRs em operação normal, o fluxo é considerado monofásico. Porém, muitos estudos foram realizados sobre a natureza do fluxo bifásico em caso de transientes e acidentes (como o acidente com perda de líquido refrigerante – LOCA ou disparo de RCPs ), que são importantes para a segurança do reator e deve ser comprovado e declarado no Relatório de Análise de Segurança (SAR).

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

Dryout – BWRs

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

Partida de Film Boiling – Leidefrost Point

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

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

Onde

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