O que é fluxo de fluido bifásico – definição

Fluxo de fluido bifásico

Por definição, o fluxo multifásico é o fluxo interativo de duas ou mais fases distintas com interfaces comuns em, por exemplo, um conduíte. Cada fase, representando uma fração de volume (ou fração de massa) de matéria sólida, líquida ou gasosa, possui propriedades, velocidade e temperatura próprias .

Um fluxo multifásico pode ser fluxo simultâneo de:

• Materiais com diferentes estados ou fases (por exemplo, mistura água-vapor).
• Materiais com propriedades químicas diferentes, mas no mesmo estado ou fase (por exemplo, gotículas de óleo na água).

Existem muitas combinações nos processos industriais, mas a mais comum é o fluxo simultâneo de vapor e água líquida (como encontrado em geradores e condensadores de vapor ). Na engenharia de reatores, muitos estudos foram realizados sobre a natureza do fluxo bifásico em caso de acidente com perda de líquido refrigerante ( LOCA ), que é um acidente de importância na segurança do reator e em todas as análises termo-hidráulicas ( Análises DNBR ).

Características do fluxo de fluido bifásico

Todos os problemas de fluxo de duas fases têm características que são caracteristicamente diferentes daquelas encontradas em problemas de fase única.

• No caso de vapor e água líquida, a densidade das duas fases difere por um fator de cerca de 1000 . Portanto, a influência da força do corpo gravitacional nos fluxos multifásicos é de muito maior importância do que no caso dos fluxos monofásicos.
• A velocidade do som muda drasticamente para os materiais em fase de mudança e pode ter ordens de magnitude diferentes. Isso influencia significativamente um fluxo através de um orifício .
• A concentração relativa de diferentes fases é geralmente um parâmetro dependente de grande importância nos fluxos multifásicos, enquanto é um parâmetro sem conseqüência nos fluxos monofásicos.
• A mudança de fase significa que as quedas de pressão induzidas pelo fluxo podem causar alterações de fase adicionais (por exemplo, a água pode evaporar através de um orifício), aumentando o volume relativo do meio gasoso, compressível e aumentando as velocidades de efluxo, diferentemente do fluxo incompressível monofásico, em que a diminuição de um orifício diminuiria a velocidade do efluxo.
• A distribuição espacial das várias fases no canal de fluxo afeta fortemente o comportamento do fluxo.
• Existem muitos tipos de instabilidades no fluxo multifásico.

Parâmetros básicos do fluxo de fluido em duas fases

Nesta seção, consideraremos o fluxo simultâneo de gás (ou vapor) e água líquida (como encontrado em geradores e condensadores de vapor ) no fluxo simultâneo através de um duto com área de seção transversal A. Os subscritos “v” e “ℓ” indicam a fase vapor e a fase líquida , respectivamente. Os parâmetros fundamentais que caracterizam esse fluxo são:

Padrões de fluxo – fluxo bifásico

Um dos aspectos mais desafiadores de lidar com o fluxo bifásico ou multifásico é o fato de que ele pode assumir muitas formas diferentes . As distribuições espaciais e as velocidades das fases líquida e de vapor no canal de fluxo são aspectos muito importantes em muitos ramos da engenharia. Quedas de pressão e também coeficientes de transferência de calor dependem fortemente da estrutura do fluxo local e, portanto, é importante na engenharia de reatores nucleares . As estruturas de fluxo observadas são definidas como padrões de fluxo bifásicos e possuem características de identificação particulares. Esses diferentes padrões de fluxo foramcategorizados de acordo com a direção do fluxo em relação à aceleração gravitacional.

• Padrões de fluxo em tubos verticais
• Padrões de fluxo em tubos horizontais

Os principais regimes de fluxo em tubos verticais são mostrados na tabela. Deve-se observar que os valores de qualidade e vazão dependem do fluido e da pressão. Nos tubos horizontais , também pode haver fluxo estratificado (especialmente em vazões baixas), nas quais as duas fases se separam sob o efeito da gravidade.

Para uma vazão constante de líquido, a fase de vapor / gás tende a ser distribuída como pequenas bolhas a baixas vazões de vapor. O aumento da fração de vazios causa aglomeração de bolhas em plugues e lesmas maiores . A aglomeração adicional de lesmas, causada pelo aumento da fração de vazio, causa a separação das fases em padrões anulares, em que o líquido se concentra na parede do canal e o vapor flui no núcleo central do canal vertical.

Para o canal horizontal , a força gravitacional tende a drenar o anel líquido em direção à parte inferior do canal, resultando em fluxo estratificado . A força gravitacional que atua na fase líquida pode ser superada por forças cinéticas a altas taxas de fluxo, fazendo com que fluxos estratificados voltem a fluxos anulares. Em vazões muito altas , o filme anular é diluído pelo cisalhamento do núcleo de vapor e todo o líquido é arrastado como gotículas na fase de vapor. Esse regime de fluxo é geralmente conhecido como fluxo de névoa .

Veja também:  Livro de Dados de Engenharia III, Thome, JR, Wolverine Tube Inc, 2004.

Padrões de fluxo durante a evaporação

A seção anterior descreve vários padrões de fluxo e descreve brevemente seu comportamento. Esses padrões de fluxo foram considerados em fração de vazio constante e em velocidades superficiais constantes . Mas existem muitas aplicações industriais que precisam considerar uma fração de vazio variável e velocidades superficiais variáveis. Na indústria nuclear, temos que lidar com os padrões de fluxo durante a evaporação (isto é, durante mudanças na fração de vazio ).

O conhecimento detalhado das mudanças de fase e o comportamento do fluxo durante a mudança de fase é uma das considerações mais importantes no projeto de um reator nuclear , especialmente nas seguintes aplicações:

• BWR – Reatores de água fervente
  • 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 esta 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. 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 .
• PWR – Reatores de água pressurizada
  • 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). No caso de PWRs, o fenômeno problemático não é a seca. No caso de PWRs, o fluxo crítico é o fluxo anular invertido . Esse fluxo ocorre quando uma superfície de revestimento da barra de combustível é superaquecida, o que causa a formação de uma camada de vapor local, causando uma redução drástica na capacidade de transferência de calor. Esse fenômeno é conhecido como afastamento da ebulição nucleada – DNB . A diferença no regime de fluxo entre o fluxo pós-secagem e o fluxo pós-DNB é mostrada na figura.
  • Nos PWRs, a evaporação ocorre também em geradores de vapor. 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.

Queda de pressão bifásica

Na análise prática de sistemas de tubulação, a quantidade mais importante é a perda de pressão devido a efeitos viscosos ao longo do comprimento do sistema, bem como perdas de pressão adicionais decorrentes de outros equipamentos tecnológicos como válvulas, cotovelos, entradas de tubulação, conexões e T .

Ao contrário das quedas de pressão monofásicas, o cálculo e a previsão de quedas de pressão bifásicas são um problema muito mais sofisticado e os métodos principais diferem significativamente. Dados experimentais indicam que a queda de pressão de atrito no fluxo bifásico (por exemplo, em um canal de ebulição) é substancialmente maior do que no fluxo monofásico com o mesmo comprimento e taxa de fluxo de massa. As explicações para isso incluem um aparente aumento da rugosidade da superfície devido à formação de bolhas na superfície aquecida e maiores velocidades de fluxo.

Queda de Pressão – Modelo de Fluxo Homogêneo

A abordagem mais simples para a previsão de fluxos bifásicos é tratar todo o fluxo bifásico como se fosse líquido , exceto o fluxo na velocidade da mistura bifásica . As quedas de pressão bifásicas para fluxos dentro de tubulações e canais são a soma de três contribuições:

• a queda de pressão estática staticp _estática ( cabeça de elevação )
• o momento de queda de pressão momp _mãe ( aceleração de fluidos )
• a queda de pressão de atrito ∆p _frito

A queda de pressão total do fluxo bifásico é então:

Totalp _total = staticp _estático + _momp mãe + _{frp frito}

As quedas de pressão estáticas e de momento podem ser calculadas da mesma forma que no caso de fluxo monofásico e usando a densidade homogênea da mistura :

O termo mais problemática é a queda de pressão de atrito Ap _{atrito contra aço} , o qual é baseado na queda de pressão de fase única que é multiplicado pelo factor de correcção de duas fases ( de atrito homogénea multiplicador – Φ _Lo ² ). Por essa abordagem, o componente de atrito da queda de pressão bifásica é:

onde (dP / dz) _2f  é gradiente de pressão de atrito do fluxo bifásico e (dP / dz) _1f  é gradiente de pressão de atrito se o fluxo inteiro (da taxa de fluxo de massa total G) fluir como líquido no canal ( pressão monofásica padrão gota ). O termo Φ _lo ²  é o multiplicador de atrito homogêneo , que pode ser derivado de acordo com vários métodos. Um dos multiplicadores possíveis é igual a Φ _lo ²  = (1 + x _g (ρ _l / ρ _g – 1))  e, portanto:

Como pode ser visto, este modelo simples sugere que as perdas por atrito bifásicas são, de qualquer forma, superiores às perdas por atrito monofásico. O multiplicador de atrito homogêneo aumenta rapidamente com a qualidade do fluxo .

As qualidades típicas de fluxo em geradores de vapor e núcleos BWR são da ordem de 10 a 20%. A perda de fricção bifásica correspondente seria então 2 a 4 vezes a de um sistema monofásico equivalente.

Instabilidade de fluxo

Em geral, existem várias instabilidades que podem ocorrer em sistemas de duas fases . Na engenharia nuclear , o estudo da estabilidade de fluxo multifásico é importante no gerenciamento de acidentes de reatores de água pressurizada e da maior importância em condições normais / anormais em reatores de água fervente .

Em PWRs em operação normal, o fluxo é considerado monofásico. Porém, muitos estudos foram realizados sobre a instabilidade do fluxo em caso de transientes e acidentes (como o acidente com perda de refrigerante – LOCA ou o disparo de RCPs com presença de circulação natural ) , em que oscilações ou reversões de fluxo podem ocorrer. ocorrer.

As oscilações de fluxo são variações no fluxo causadas especialmente por formações vazias e são indesejáveis ​​por várias razões.

• As oscilações de fluxo podem causar tensões mecânicas indesejáveis nos componentes do combustível (como grades espaçadoras). Isso pode levar à falha desses componentes devido à fadiga.
• As oscilações de fluxo afetam as características locais de transferência de calor . 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. Verificou-se através de testes que o fluxo de calor crítico (CHF) necessário para sair da ebulição nucleada (DNB) pode ser reduzido em até 40% quando o fluxo está oscilando. Isso reduz severamente o limite térmico e a densidade de potência ao longo do comprimento do núcleo do reator .

As oscilações de fluxo podem ser um problema durante operações de circulação natural (por exemplo, após o disparo de todos os RCPs). A circulação natural é uma característica importante do projeto e o melhor mecanismo de remoção de calor. Devido às baixas taxas de vazão, pode ocorrer uma ebulição do líquido refrigerante e isso pode formar oscilações de fluxo. Durante a circulação natural, as bolhas de vapor formadas durante uma oscilação de fluxo podem ter efeito suficiente para realmente causar a reversão completa do fluxo no canal afetado.

Nos BWRs, a evaporação do líquido refrigerante ocorre em operação normal e é um fenômeno muito desejado. Por outro lado, a evaporação convectiva no canal de combustível faz com que o padrão de fluxo seja alterado ao longo do canal de combustível, dependendo da taxa de fluxo e da energia térmica. Verificou-se que existem regiões de instabilidade , nas quais podem surgir instabilidades de fluxo em duas fases. Essas instabilidades de fluxo bifásicas são indesejáveis, pois podem resultar em vibrações mecânicas e problemas de controle do sistema, afetar a operação normal, restringir os parâmetros operacionais e influenciar a segurança do reator. Deve-se notar que a estabilidade do fluxo nos BWRs não é uma questão importante há muitos anos, porque é um fenômeno bem conhecido.

Em geral, existem muitas classificações de instabilidades de fluxo. A seguinte classificação é baseada em mecanismos fundamentais termo-hidráulicos:

As instabilidades estáticas são:

• Excursão de fluxo
• Crise fervente
• Tipos de relaxamento, incluindo transição do padrão de fluxo

As instabilidades dinâmicas são:

• Oscilações de ondas de densidade
• Oscilações de queda de pressão
• Oscilações térmicas .

A caracterização adequada das instabilidades e as condições para sua ocorrência podem determinar a operação ideal e segura dos sistemas. A explicação mais aceita para a ocorrência do tipo dinâmico de instabilidades denominadas oscilações de ondas de densidade (DWO) .

A onda de densidade causa um atraso na queda de pressão local causada por uma mudança no fluxo de entrada. Devido a esse atraso, a soma de todas as quedas de pressão locais pode resultar em uma queda total que está fora de fase com o fluxo de entrada. O mecanismo básico que causa instabilidades de fluxo nos BWRs é a onda de densidade. Os períodos característicos dessas oscilações estão associados ao tempo necessário para uma partícula de fluido percorrer todo o loop.

Tipos de instabilidades observadas nos BWRs

• Instabilidades do sistema de controle. As instabilidades do sistema de controle estão relacionadas à ação dos controladores que, através de atuadores, tentam regular algumas das variáveis ​​do reator.
• Instabilidades de fluxo de canal. Este tipo de instabilidade pode ser descrito da seguinte forma: Vamos assumir uma perturbação do fluxo. Essa perturbação causa uma “onda” de vazios viajando para cima através do canal, produzindo uma queda de pressão em duas fases (a queda de pressão aumenta significativamente à medida que a fração de vazios aumenta) que é atrasada em relação à perturbação original. Um aumento na queda de pressão do canal (onda de densidade) pode levar à instabilidade na taxa de fluxo.
• Instabilidade neutrônica-termo-hidráulica acoplada. O tipo dominante de instabilidades nos BWRs comerciais é a instabilidade neutrônica-termo-hidráulica acoplada (também conhecida como instabilidade da reatividade ). A geração de energia em BWRs está diretamente relacionada ao fluxo de nêutrons de combustível , que está fortemente relacionado à fração média de vazios nos canais principais. Esse efeito é conhecido como feedback de reatividade . O feedback de reatividade causado por alterações na fração de vazio ( coeficiente de vazio ) é atrasado à medida que os vazios viajam para cima através do canal de combustível. Em alguns casos, o atraso pode ser longo o suficiente e o feedback nulopode ser forte o suficiente para que a configuração do reator se torne instável. Nesse caso, o fluxo de nêutrons pode oscilar.

Referências especiais:

• Francesco D’Auria, The BWR Stability Issue, THICKET 2008 – Sessão IX – Documento 26
• Dag Strømsvåg, Mecanismos fundamentais das oscilações das ondas de densidade e o efeito do sub-resfriamento, NTNU, 2011.
• J. March-Leuba, Instabilidades de ondas de densidade em reatores de água fervente. NUREG / CR-6003, ORNL, 1992.