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 bifásicose estes têm características de identificação particulares. Esses diferentes padrões de fluxo foram categorizados 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 qualidadee 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 vazio 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 – Tubos Verticais
Padrões de Fluxo – Tubos Horizontais
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.
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