Desarrollo de una correlación para la estimación de la pérdida de carga en tubos helicoidales
Debido a la mejor transferencia de calor y a su diseño compacto, los tubos helicoidales son ampliamente utilizados para el diseño de intercambiadores de calor en distintas aplicaciones industriales. En el caso de la industria nuclear, estas características los hace atractivos para el diseño de gener...
Guardado en:
| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2019
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/988/1/1Ferraris.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | Debido a la mejor transferencia de calor y a su diseño compacto, los tubos helicoidales son ampliamente utilizados para el diseño de intercambiadores de calor en distintas aplicaciones industriales. En el caso de la industria nuclear, estas características los hace atractivos para el diseño de generadores de vapor en reactores integrados, donde todos los componentes del sistema primario se encuentran ubicados dentro del recipiente a presión, como en el caso del reactor CAREM-25.
Durante los procesos de diseño y operación de los generadores de vapor, es importante la predicción de la caída de presión del flujo en simple y en dos fases. Sin embargo, la presencia de nuevas variables geométricas en tubos helicoidales dadas por el diámetro medio de la hélice D y el paso p, introduce una complejidad en los fenómenos termohidráulicos mucho mayor que la presente en tubos rectos. En particular, se ha observado que la curvatura de la hélice induce un flujo secundario que mejora el mezclado del fluido. El flujo secundario se ha encontrado tanto en flujo en simple fase como en flujos bifásicos, y es el motivo por el cual los intercambiadores de calor basados en tubos helicoidales poseen mejores características de transferencia de calor. Sin embargo, el flujo secundario produce también un incremento en las pérdidas de carga con respecto a los tubos rectos.
Como resultado de una gran cantidad de investigaciones numéricas y experimentales, en la literatura se encuentran presentes un cierto número de correlaciones para la estimación de las pérdidas de carga en flujo monofásico y bifásico para diversas condiciones. Sin embargo, se ha observado una gran variabilidad en las predicciones al usar dichas correlaciones, lo que acarrea incertezas que condicionan los resultados.
Surge así la necesidad de una mayor comprensión de cómo afectan los diferentes parámetros de diseño al flujo monofásico y bifásico en tubos helicoidales. Esto es importante para el correcto diseño y la operación segura de los componentes del generador de vapor del reactor CAREM-25.
En esta tesis se llevó a cabo un análisis experimental de las pérdidas de carga en tubos helicoidales, tanto en flujo en simple fase como en dos fases (ebullición), buscando desarrollar correlaciones empíricas que permitan una estimación precisa de las pérdidas de carga.
Se inició el análisis con la construcción de una amplia base de datos experimentales de pérdidas de carga en tubos helicoidales para flujo en simple fase y dos fases, la cual es necesaria para la verificación y propuesta de correlaciones empíricas. Las bases de datos fueron construidas a partir de la digitalización de datos publicados en artículos en la literatura
abierta, así como mediciones propias obtenidas en un circuito experimental (para flujo en simple fase) construido y ensayado durante el presente trabajo.
El ensayo fue realizado con un tubo helicoidal cuya geometría se corresponde con la de los tubos de la camisa interna del generador de vapor de CAREM-25. A partir del mismo se determinó el factor de fricción para un rango de números de Reynolds entre 17000 y 70000. Se compararon los valores obtenidos con la correlación de Ito para flujo turbulento, encontrando una buena concordancia.
Posteriormente se llevó a cabo un análisis dimensional del factor de fricción del flujo en simple fase en tubos helicoidales, reduciendo a dos la cantidad de variables independientes del problema (número de Reynolds y curvatura). Luego se estudió el régimen de transición de laminar a turbulento, analizando algunas correlaciones para la determinación del número de Reynolds crítico y se realizó una división de la base de datos, para el análisis de los datos en régimen laminar y turbulento por separado. A partir de la base de datos construida, se observó la dependencia del factor de fricción con las distintas variables, se compararon los datos con las correlaciones existentes en la literatura y finalmente se propusieron correlaciones que ajusten los datos experimentales. Se encontró que las correlaciones de Ito para régimen laminar y turbulento ajustan los datos experimentales con la menor diferencia media.
Luego se realizó un análisis similar con la base de datos del flujo bifásico en tubos helicoidales. Mediante un análisis dimensional, se redujo a cuatro la mínima cantidad de variables independientes en el problema. Después se analizó la dependencia de las pérdidas de carga con las variables y finalmente se propuso una correlación basada en el modelo de flujo homogéneo. Además, se estudió la correspondencia entre los datos experimentales y algunas correlaciones, entre las que se incluye la correlación propuesta.
Por último, se realizó un análisis de la distribución de los caudales y títulos a la salida en los tubos del generador de vapor de CAREM-25. Para esto se construyó un modelo numérico que calcula la caída de presión y la transferencia de calor con el primario en dos tubos con geometrías correspondientes a la camisa interna y externa del generador de vapor. Además se realizó un análisis de sensibilidad de los resultados con respecto a variaciones en el coeficiente de pérdida de carga del restrictor. |
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