O que é ebulição saturada – Ebulição em massa – Definição

Ebulição saturada – fervura em massa

Na ebulição saturada (também conhecida como ebulição a granel ), a temperatura do líquido excede levemente a temperatura de saturação. Pode ocorrer ebulição em massa , 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 do líquido de arrefecimento não caem. 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 em massa 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 massa em 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), o que fornece uma margem de sub-resfriamento (a diferença entre a temperatura do pressurizador e a temperatura de saída do líquido de arrefecimento no núcleo do reator) de 30 ° C. Vale ressaltar que essa margem de sub-resfriamento diz respeito à temperatura do volume, uma vez que a ebulição do volume é proibida.

A margem de sub-resfriamento é um parâmetro de segurança muito importante dos PWRs, pois a ebulição a granel 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.

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 da superfície sub – resfriada (330 ° C + 29 ° C> 350 ° C). Por outro lado, a ebulição nucleadana 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.

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 .