O que é ebulição nucleada – definição

Ebulição Nucleada

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

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

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

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

Na seção a seguir, distinguiremos entre:

• ebulição da piscina nucleada
• ebulição de fluxo nucleado

Correlações de ebulição de nucleados – Ebulição da piscina

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

Ebulição de Piscina Nucleada

Correlação de Rohsenow

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

Correlação de Rohsenow

Onde

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

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

Ebulição Nucleada – Ebulição por Fluxo

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

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

Correlações de ebulição de nucleados – ebulição por fluxo

Correlação de McAdams

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

Correlação de Thom

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

Correlação de Chen

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

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

Crise de ebulição – Fluxo crítico de calor

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

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

Partida da Ebulição Nucleada – DNB

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

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

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

Dryout – BWRs

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