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151
\ INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGÉTICAS E NUCLEARES 5 *~7>^ AUTARQUIA ASSOOADA A UNIVERSIDADE DE SAO PAULO SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO FENÔMENO DE REMOLHAMENTO DE UM ELEMENTO DE COMBUSTÍVEL Francisco Antônio Braz Filho Dissertação apresentada como parte dos requisitos pare obtenção da Grau rie "Mestre na Área de Concentração em Reatores Nucleares de Potência e Tecnologia do Combustível Nuclear". Orientador: Dr. Artur Jo?é Gonçalves Faya SAO PAULO i 1934 rrr:r;

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Page 1: rrr:r; - IPEN

\ INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGÉTICAS E NUCLEARES

5 * ~ 7 > ^ AUTARQUIA ASSOOADA A UNIVERSIDADE DE SAO PAULO

SIMULAÇÃO NUMÉRICA DO FENÔMENO DE REMOLHAMENTO DE

UM ELEMENTO DE COMBUSTÍVEL

Francisco Antônio Braz Filho

Dissertação apresentada como parte dos

requisitos pare obtenção da Grau rie

"Mestre na Área de Concentração em

Reatores Nucleares de Potência e

Tecnologia do Combustível Nuclear".

Orientador: Dr. Artur Jo?é Gonçalves Faya

SAO PAULO

i 1934

rrr:r;

Page 2: rrr:r; - IPEN

«KÊKKA DO FEÔENO DE REM3EÍ3C1EOTD DE « 4 EUEMESTO DE

n»NCisco ANTCNIO BRAZ F U I D

IR E S U M O

Fste trabalho tom como objetivo o ostudo do remolhamcnto df> una

barra de combustível, após um acidento postulado c?n nerría de re

frigerante (LOCA).

Um programa computacional foi construído para analisar o nroble

ma, resolvendo, numericamente, a equação de condução dp calor LvL

dimension/" em geometria cilíndrica.

O fenònv-. . 3o remolhainento, ainda hoje, não é totalmente entendi_

do. Um * r eus maiores problercar-, está na estimativa do copfi_

ciente d transferência de calor. Por este motivo, dois nodrlos

com difp-'?ntes coeficientes foram elaborados: um deles tem o por

fil ecr tante em cada uma das três regiões consideradas, o ou_

tro te » o perfil modelado pela "curva de ebulição". Fm ar.hos os

casos, -is resultados foram considerados satisfatórios: o modelo

de três regiões ã altas c baixas vazões, e o modelo da "curva de

", apenas ã baixan vazões.

Page 3: rrr:r; - IPEN

NMERXCKL SGUJTXON MODEL OF TOE BEHETTDC OP A NUQ£AR FUEL BOD

ÁNIONIO BRAZ F U I »

A B S T R A C T

The nurposr of this '.-.•or*, is to study the thermal behavior of a

nuclear reactor fuel rod during the reflooding phase of the loss-

of-coolant accident (I.OCA).

A mathematical model nnd a numerical scheme were nronosed in

order to solve the bidimensional heat conduction equation in

cylindrical coordinates.

To data the phenomenon of reflooding is not completely under-

stood. One of the main difficulties is to estimate the heat

transfer coefficient (h). For this reason two different models

were elaborated: in the first three regions are considered and

in each region h is considered constant; in the second the h

profile is adjusted according to the boiling curve.

The three region model yields satisfactory results at high and

low mass flows while the "boiling curve" model reasonable at

low flows.

Page 4: rrr:r; - IPEN

f fi D I C F

Pâg.

1. INTPODUCRO 01

1.1 0 Remolhairento 03

1.2 Revisão Bibliográfica 07

1.3 Proposição 12

2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 13

2.1 Introdução 13

2.2 Equação de Condução de Calor 13

2.3 Hipóteses c Contornos 14

2.4 Modelos do Coeficiente de Transferência de Ca

lor 17

2.5 Seleção dos Regimes de Transferência de Calor . 25

3. MF.TODOF DF. SOLUÇÃO 27

3.1 Aproximação Por Diferenças Finitns 27

3.2 Solução do Fistema de Equações 36

3.3 Método Iterativo 36

3.4 Convergência e Estabilidade 37

4. RESULTJVDOP E DIPCUSPÕEF 39

4.1 Caso de Referência 39

4.2 Variação dos Parâmetros cie Entrada 42

4.3 Precisão 57

4.4 Comparação com Outros Trabalhos 64

5. CONCLUÍDO E RECOMENDAÇÕES PAPA TRAPALHOF FUTliP.OP ... 72

f 5.1 C o n c l u s ã o 7 2

5.2 Recomendações para Trabalhos Futuros 73

RLFF.RENCIAF HIBLIOORÂFICAF 74

APENOICE A - PPOGP.AMA COMPUTACTONAT 78

A.l Descrição rio Pronrama Computncional 78

A. 2 Li st-agem do Profiram nnMOLHA 8fl

1

Page 5: rrr:r; - IPEN

APÊNDICE B - DADOS PE ENTRADA DO PROGRAMA ..

B.l Descrição dos Dados de Entrada ....

E.2 Cartões âc Entrada

APÊNDICE C - RESPOSTA DO PROGRAMA "HEMOLHA"

C. 1 Descrição dos Dados de Saída

C.2 Mstagen de Salda do Programa .....

Pãa.

113

113

118

118

110

Page 6: rrr:r; - IPEN

IPDICF DF FIGURA?

Pâg.

Fig. 1.1 - Regimes de transferência de calor e escoamento

durante a reinundação do rücleo 02

Fig- 1.2 - Típico comportamento õa temperatura do cncairi

samento durante a reinundação do núcleo 04

Fig. 1.3 - Típico comportanento do coeficiente de trans

ferência de calor durante a reinundação do nú

cleo 04

Fin. 1.4 - Diagrama ilustrando o progresso da frente de

rcmolhamento por cima 06

Fig. 1.5 - Diagrama ilustrando o progresso da frente C!P

remolhamento por baixo 0C

. l.t - Curva de ebulição OS

Fig. 2.1 - Meio-corte da barra dp combustível 16

rjn. 2.2 - Modelo de três zonas 18

Fig. 2.3 - Curva de ebulição 23

Fig. 2.4 - .Modelo recoirendado por Kirchnor P Griffith ... 26

Fio. 3.1 - Nodalização do encarisairento 28

Fig. 4.1 - Temperatura superficial da parede er função da

cota y, para o caso de referência 41

Fig. 4.2 - Coeficiente de transferência <?e calor em fun

çio da temperatura da parede para o caso de

referência 43

?ig. 4.3 - Fluxo de calor em função da temperatura super

ficial da parede para o caso base 44

Fiq. 4.4 - Velocidade de reirolhairento em função da veloci^

dade mãssica na entrada 46

Fig. 4.5 - Comprimento âa frente dp reirolnapento er

cão da velocidade mãssica na entrada 47

Fíg. 4.fi - Compriirento da frente, dr rcinoJhamerto er fun

ção do grau de sub-resfriairento de entrar'a ... 49

Fig. 4.7 - Gráfico que rostra a influência do grnti fie sub

-resfriamento de entrada 50

Page 7: rrr:r; - IPEN

Fig. 4.8 - Temperatura minima para ebulição em filme

de vapor em função da pressão 5^

Fig. 4.9 - Comprimento da frente de remolhamento em

função da temperatura de saturação 52

rig. 4.10 - Velocidade de remolhairento em função da

temperatura de saturação 53

: Fig. 4.11 - Comprimento da frente de remolhamento em

j função da temperatura inicial da parede . 54

j Fiç. 4.12 - Velocidade de reirolharoento «n função d.a

| temperatura inicial da parede 551

i Fig. 4.13 - Influência do material da parede na velo

j cidade de reirolhamento 56

! Ficr. 4.14 - Influência do coeficiente de transferên-

cia de calor na região de vapor do modelo

A na velocidade de remolhamento ......... 58

ti

\ Fia. 4.15 - Influência do coeficiente de transferên-

í cia de calor na região de vapor do modelo

\ A no comprimento da frente dp remolhamrn

\ to 59

• Fiq. 4.16 - Influência do coeficiente de transferên-

I cia de calor na região sub-resfriada do

I modelo A na velocidade de reir.olhamrnto .. fiO

' Fia. 4.17 - Influencia do coeficiente de transferor»

5 cia de calor na região sub-resfriada do

"1 modelo A no comprimento da frente de r£

\ molhamento 61

í

\ Fia. 4.18 - Comparação dos modelos deste trabalho cor5 resultados experimentais e teóricos de

t outros pesquisadores 66tt

( Fig. 4.19 - Comnaração do modt-lo A com uma corrola-

i cão semi-erpiríca tirada das exreriên-

i cias FI.F,CI!T fift

5 Tio. A.J - Diagrama do progrona principal. 8.?-

\ Fig. A. 2 - Diagrama da suh-rotina MAJOR B<í

| F i a . A . 3 - D i a g r a m a r?a s v h . - r o t i r a AAAA B^

f. P. l - Arquivo do.c cartões flet entrada 117

Page 8: rrr:r; - IPEN

ÍMDICF DF TAPFLAS

1.1 Modelos unidiirensionais de conduçio ax ia l doremolhamento

1.2 Modelos bidimensionais do remolhairerto . . . . . . .

IV.1 Comparação das temperaturas do superfície da

parede entre o caso de 280 x 5 nós e o de

320 x 8 nós, para o rodeio A

IV.2 Comparação das temperaturas da superfície da

parede entre o caso de 280 x 5 nós e o de

320 x 8 nós, para o modelo F

IV.3 Comparação do número de Peclet em função de

Eiot de vários pesquisadores, com o modelo A

deste trabalho

Pãg.

mli

62

63

71

Page 9: rrr:r; - IPEN

!

! N O H F H C L A T H R A

VARIÁVEIS: UNIDADES

1 c - Calor especifico

fih - Diâmetro hidráulico m

g - Aceleração da gravidade in s~^

h - Coeficiente de transferência de calor Vtn 9C~*

K - Condutividaue térmica Wt ÇC~*

r. - Comprimento ir

— —o

P - Pressão Km

Pr - Número de Prandtl

n" - Fluxo de calor Vta"

r - Raio m

Re - Número de Reynolds

T - Temperatura 9C

X - Parâmetro de Lockhart-Martinelliv - Velocidade de remolhairento ns

aQ - Ahsorvidade

8 - Coeficiente de expanslo térntica 9C*

o - Tensão superficial Km

2 4o. - Constante de Eoltsran vrm 9K

c - Ercissividade

A - foirprinento de onda fn

P - fensidade especifica Kq r

v - viscosidade dinâmica Kg r. s

-< i

Page 10: rrr:r; - IPEN

ÍWBSCRITOS:

e -

f

Fcc -

fr -

9

ien -

1

r T

sat -

t

v -

w -

wl -

v/2 -

Externo

Liquido saturado

Fluxo crítico de calor

Frente de remolhamento

Vapor saturado seco

Inicio de ebulição nuclcada

Liquido de entrada

Refrigerante

Saturação

Total

Vapor superaquecic7.o

Parede

Contorno inferior

Contorno superior

SIGLAS E OUTROS

r.OTTOM FLOOD ING

CARRYING OVER

CHF

DNB

PRY-OUT

PCCS

T.OCA

Tool, p.OILIKG

TOP FLOODING

- Inundação do núcleo por baixo

- Ponto em que o vapor arrasta liquido para cima

- Fluxo crítico de calor (critical heat flux)

- Fluxo crítico de calor (departure nucleate

boiling)

- Fluxo critico do calor

- Sistema de refrigeração de emergência do nú

cleo (emergency core cooling systems)

- Acidente do perda de refrigerante (loss of

coolant accidents)

- M m lição cm piscina

- Inundação do núcleo por cima.

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CAPÍTULO f

1. INTRODUÇÃO

Em análise de acidentes, de reatores refrigerados a água leve

(do tipo PWR e BKR), considera-se para o projeto dos sistemas de

segurança, um acidente de perda de refrigerante (loss of coolant

accident - LOCA), com uma grande ruptura da 'tubulação na "perna(321

fria" do circuito primário '. Apôs um acidente deste tipo,o nú

cleo esvazia-se em poucos segundos e a temperatura do encamisa

mento do combustível aumenta, devido ao decaimento radioativo

dos produtos de fissão e da energia armazenada antes do "LOCA" .

Água boricada de refrigeração é injetada no núcleo pelo sistema

de refrigeração de emergência (ECCS), via plero inferior (no ca

so de PKR), ou por spray, via pleno superior (no caso de BKR) can

o objetivo de parar o sobreaquecimento das barras de combust!~ (9) - ~

vel e reestabelecer a refrigeração . Caso isto nao aconteça, a

oxidação do encamisamento, a reação química ãgua-zircaloy, ou, a

fusão do encamisamento com a conseqüente liberação dos produtos- (4)

de fissão podem ocorrer . O projeto do ECCS deve garantir que

as temperaturas das varetas combustíveis mantenhair-se em níveis

não danosos 5 sua integridade física e geométrica

Em conseqüência das altas temperaturas atingidas pelo encam

samento, a água proveniente do sistema de refrigeração de eme£

gência, inicialmente, não irolha a superfície aquecida. O "remo

lhamento" da superfície quente ocorre quando o refrigerante reejs

tabelecer contato com a superfície seca e aquecida, a uira tempe

ratura conhecida como temperatura de "reir.olhamento"

O acidente do tipo LOCA é dividido em três etapas, denomina^

das: despressurização (blowdown), reenchimento (refill) e rejL~ (32) ~

nundação (reflood) . 0 "remolharrento" ocorre na etapa de rej.

nundação. Esta fase vai, desde que o refrigerante toca o conbus

tível até que a refrigeração seja estabelecida em toda a'} -Ç çao do núcleo.

u%

A figura 1.1 mostra que cluas diferentes seqüências de

mfts de escoamento são possíveis. A altas vazões ,o título na vi

zinhança da região de resfriamento (quench front) é haixo, f? ur'i

Page 12: rrr:r; - IPEN

-2-

-h

&••••> . '

ao foiçadaconvençãoo vajcr

para

\

't 31 1

i s

espalhanento

00

*

1&

escoamento"slug"

ebulição

i

In!

' aii

ebulição de "transição

nucleada IEN

oonveoção para o líquido

baixa vazão alta vazão

igura 1.1 - Rerjimes de^escoamento e transferência de calor observados nn rcinun-dação do núcleo. FR, frente de remolhamsnto. DO, fluxo critico do ca_lor ( dry-out ). ÜNB, fluxo crit ico de calor ( departure; nucleateboiling ) . IEN, início de ebulição nucleada. Figura tirada da refe-rência 31.

Page 13: rrr:r; - IPEN

-3-

regime de escoamento anular invertido (inverted annular flip

boiling) é formado ã frente desta região. Quando a velocidade ã»

vapor no canal atinge um certo valor critico, o refrigerante no

núcleo tem as características de um escoamento disperso de gotas

(dispersed flow). Jâ em baixas vazões, o título perto da frente

de remolhamento (quench front) é alto, e uir. regime de escoamen

to anular com um filme de líquido, aparece abaixo desta frente .

O primeiro caso é similar ao "DNB", ocorrendo em baixos títulos

ou escoamento sub-resfriado, enquanto que o segundo caso corres

ponde ao "dry-out" em crise de ebulição (boiling crisis) .Uma

região de transição, entre os regimes anular invertido e escoa

monto disperso foi também identificado durante os testes do

PKR-FLECHTl .

Típicas curvas simplificadas do perfil de temperaturas do en

camisamento, e do coeficiente de transferência de calor apôs o

início da fase de reinundação encontram-se nas figuras 1.2 c

1.3. Os diferentes segmentos da curva do coeficiente de trans

ferência de calor são classificados de acordo com os regimes de

| transferência de calor e escoamento bifásico correspondentes da

| figura 1.1. Ressalvando que alguns desses regimes podem não GO

brevir sob certas condições.

1.1 O Remolhamento

Os problemas do remolhairento de uma superfície aqueci

da são de particular interesse para o entendimento, e previsão

do processo de transferência de calor, durante o acidente postu

lado de perda de refrigerante (LOCA).

Evidências experimentais mostram a existência de um

brusco gradiente de temperatura axial na região de rerrolhamento

(quench front), e uma elevada fa.ixa de fluxo de calor para o rç_(1)frigerante logo ahaixo da frente de rcmulharrento . A fronte ir

rerolharrento move-se nurra velocidade determinada pelo efeito

combinado da condução axial no encamisairento c convecção píir;i o \

refrigerante. Os mecanismos que regem o fenômeno üo remolharontc, '

semelhantes aos de ebulição sub^resfriada tipo piscina (sub

coolrd pool boiling) , são descritos abaixo.

Page 14: rrr:r; - IPEN

-4-

Iv.M

k

oc<or.CD

u.c,

RKMOI.HAMENTO

TFT1PO f INICIO DA REINIINDAÇÃO

Fioura 1.2 - Típico comportamento da teirperatura do nonto rédio do encainisamento para um tpstp cor vazãoconstante.

(X

o

a<HCV.c.

0.

c14

M

OO

EBULIÇÃO DE TPANFJÇÃO

FRRNTF HF PE"0LH.AMENT0

— FPULTÇÃO POR FILME(F.fcoAMÊrrro ANULAH I Í :VERTIDO) ~

EPULICXO POR FII.MF(ESCOATIFNTO DF TRAMÍ?IÇSO)

EBULIÇÃO POR FILME(FrCOAMENTO DlfPEHfO DF GOTÍCUT.A?)

, CONVECÇÃO PARA 0 VAPOR

TFÍ1PO APflS INÍCIO DA RFIHUMDACÍO

3.3 - Variação csnurnãtica do corficirnt-.r>-1 r?c calor na rei runrlaçno cor n

t.rnnr.f£

Page 15: rrr:r; - IPEN

1.1.1 Os Mecanismos do Reirolhamento

Quando uma superfície aquecida - na qual a ter»

peratura está acima da temperatura de remolhamento - ê suhita

mente imersa num refrigerante, rapidamente forma-se um filme de

vanor estável entre a parede e o líquido. A transferência de ca

lor por convecção e radiação removem calor da parede, decrescen

do sua temperatura, e depois de alqum temp*, o filme torna-se

instável. Começam a anarecer locais intermitentemente molhados

da superfície, desenvolvendo-se um regime de ehulição de transi

cão, nue seguido de um aumento da refrigeração, possibilita a

formação de um caminho molhado. Fste caminho molhado propaga-se

e resulta na formação de uma frente de resfriamento estável '9*.

Uma sucessão de regimes de transferência de ca

lor similares podem ser encontrados ao longo da parede sofrendo

resfriamento. Observações visuais têm revelado a existência da

fronte de remolhar.ento, e que, esta proqride ao longo da parede~ íl 9)

em lentas variações da velocidade* ' '.

| Abaixo da frente de resfriamento, o calor é re

1 movido pela ebulição de transição (transition boiling), ebulição

5 nucleada (nucleate boiling) e, convecção forçada rara o líquido! (single nhase convection). A parte seca da parede é resfriada

pela convecção para o vapor; radiação às gotículas (escoamento

disperso); ebulição num escoamento anular invertido (inverted

annular film boiling); e a condução axial de calor dentro da pa- Í1 9) "~

rede, da região seca para a molhada ' . A refrigeração da pa£te seca da barra, pela convecção direta e radiação para o refri^

125)gerante, é comumente tratada de "refrigeração precursora" '" .

5 A relativa importância destes dois mecanisrros

•j de refrigeração, condução axial e refrigeração precursora, depp£

$ de da situação física. Com um sistema de refrigeração através tf»

ç "spray", polo pleno superior do núcleo (falling flooding, fimira

£ 1.4), um rrgime de pobre transferencia dp calor existira a -jusan

te da frente õc reipolhamonto, e a condução axial srrá provável

mente, o rcecanisir.o dominante, dirigindo a propagação da irer a

Tom o sistema dp refrigeração via pleno inferior (bottom

:;loodino, figura 1.5), o resfriamento da parte seca acirn da

frente de rcmolhamento podo ser significante. Fm consr>rrflênci;. > t

disso, arn^os mrcanisror, de transferência (íe calor voe'er r,r>r ir

Page 16: rrr:r; - IPEN

- f a -

REMOLHAMENTO POP. CIMA(TOP FLOODING)

17

21u

1M

ew

I---/

FIL.ME DE LlouinO CAIKDO SOPGRAVIDADE

VIOLENTA EPULICÃO NUCLFADA ATRÍFD A FRENTE DF REMOLPAMF^TO

FRENTE DE REMOLFAMENTO(TEMPERATURA DF RFMOLHAMErTO)

TEÍ1PERATURA INICIAL DA PAHEPF

Fiqura 1.4 - Diaçiraitía ilustrando o progrcssoda frontp âeremolhairento por cima.

DF

;:MOLHAMEKTO

BARRAS DE COMBUSTÍVEL ADJACENTES

APRAFTAMENTO DF GOTÍCUI.AFPFLO VAPOR

ENCAMIfAMENTO

REMOLHAMEKTO POR RAIXO(POTTOM F

Finura 1 . 5 - Diacjrar.a i l u s t r a n d o o p r o g r e s s o <7a<1r rrmo1hnmr»nto por K i i x o .

Page 17: rrr:r; - IPEN

nortantes: condução axial e refriqeração precursora

1.1.2 Temperatura de Rewolhamento

Não existe um termo oue defina a tepneratura de

remolnamento aceito universalmente.Os termos irais comuirente usa

dos para denominá-la são: de espalhamento (sputtering), de res

friamento (quenching), de calefaçao (calefction), de minima ter»

i peratura para ebulição em filme de vapor (minimum film hoilino )

e ainda de Leidenfrost . Fstes termos não são exatamente sino

pjiros. A temperatura de Leidenfrost ê, geralmente, definida eo

no a temperatura na qual uma ppquena gotlcula flutua nuir filre

de» vapor sohre uma superfície aouecida, e, eventualmente colapsa

p toca a parede. Fm "pool boiling" *-),a temperatura dp rerolbc!

mento é o mínimo valor da clássica curva de ebulição em um filre

de vapor (irinimum film boiling), e a parte da curva com uma ir

cl inação negativa é associada a ebulição de transição como rnos

tra a figura 1.6 (grafico da curva dp ebulição) .

(O)

Fpiegler et ai. considpra a trirperatura de

rpmolhamento coiro uma nronriedadp termodinâmica e a relata coro

a tpnperatura crítica termodinâmica, fín outra análise, entrptan

to, a temneratura de rerolbaitipnto é obtida dos modelos n°s quais

a hidrodinãmica do filrre de ebulição e o efeito do transitório

de condução de calor na parede são considerados ' . Keste

caso, propriedades da parede entram na expressão para a tempera

tura de remolharento. Al?m disso, alrrumas experiências mostram

one esta temperatura tarhém depende da vazão do escoamento

O oue foi dito mostra ouanto o estudo do rero

lhnrppnto ainda ô discutível, n nur se tôrn muitas duvidar, a

respeito.

1.2 Revisão Pibliogrãfica

Uma consirfprávol quantidade df> trabalho? toõricos P fx

nerimpntais têm sido observados, para inventicrar os efeítor r"os

iiferent.es parâmetros dp operação na eficácia âo mr-olban^nf-o

Os modplos ppcortracíor. na literatura norVm r.nr: nwrrricnp o\i ana

Page 18: rrr:r; - IPEN

-H-

AP - CONVECÇAO NíTURAL

BC - EPOLIÇÃO NUCLEADA

C1IF - FLUXO CRÍTICO DF CALOR

DE - EBULIÇÃO DE TRANSIÇÃO

EF - FIIJME DE EBULIÇÃO

70 100 200 400 1000 2000TEMPERATURA DA SUPERFÍCIE AQUECIDA

FiíTura 1.6 - Curva dp ebulição (fiçura tirada dar n f i 5).

Page 19: rrr:r; - IPEN

- • > -

líticos; unidimensionais ou bidimensionais; divididos em duas ro

giões de transferência de calor, três regiões, ou ainda, em vá

rias regiões. A cada tipo de modelagem feita, acbam-se diversos

perfis do coeficiente de transferência de calor e diferentes tem

peraturas de remolhamento, como mostram as tabelas 1.1 e 1.2.Fã,

g também, várias revisões sobre o assunto ' ' ' . A mais re* (4) ~

*j cente realizada por Carbajo e Fiegel , faz uma comparação en

_4 tre diversos modelos analíticos e nuiréricos encontrados na lite

s ratura: para os modelos de duas regiões com condições adiabâtl

; cas, ã frente da região de resfriamento, três Rodeios estão en

•5 excelente concordância, e soluções apuradas nara toda a faixa de

^ condições iniciais: Yu - Farmer - Conev, Oua - Tien e, Tien

i Yao. A ectuação de nua e Tien é nuito simples para uso e é reco

f mp.ndada. O modelo de Yamanouchi também o é, além de muito conser

i vativo sob todas as condições. Fste último ê somente bpn acurado

fl nara peoupros valores do numero de Piot. O modelo de três re

I njões, com condições adiabãticas a fronte àa rerrião âo resfria-

;'* iripnto, não é aplicável para remolhamento dp barras de corbustj[

^ V P I . O S modelos de duas regiões con> refrigpracão precursora têr

J somente uma faixa limitada dp aplicação p devem ser usados cotr

jj. cautela. Para "top flooding" ou "top spray" de LKPs modelos de

| duas regiões, sem refrigeração precursora são adecruados. Para"Í ' _ ' * • • •

jl "bottom flooding" a refrigeração precursora ou modelos de muitas ££

•: rpaiões elevem ser considerados. Métodos numéricos são recomenda

fí dos nesse caso. Negligenciando refrigeração precursora estar-se-

'i -ia produzindo menores valores c?o número de Peclet, e conseoüen j

5 tenente, valores conservatives da velocidade dp remolhamento. Ts

;| to pode spr corrigido parcialmets» pelo uso de um alto numero de

i Piot (um coeficiente dp transferência de calor pão realista), ou

5 uca menor temperatura adirnnsional (uma temperatura de remolha

7 trpnto alta e irreal).

| Fm suma, a maior parto dos modelos dppondpm de ura boa

t\ pstirrativa do coe.ficip.ntp de transferência cV calor (ou o núirero

». dp T'iot) , P da temperatura dp rprolhamento, coro se pode notar

!• npssa rp.vísão abranqentp do rerolhampnto.

'•'?•

' % • •

>

Page 20: rrr:r; - IPEN

Cocílclonto dotrwttíorncia

corrolacloaadoa o» calor IV/to1 oc|

te**olh***nt* WC>

l»;*r*rela

lo-

rcrfll do cooflclvatf * traaafonaeiaor «ler • comttf-rioo

IN - 2M

Dvffer •

•toxttmt •

M «1. * — • • • * In»a» c,t a C9 ktr.

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A «*ee«trl« i clltft-drlca.

rteental correiaclonxto

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losMofca • Tosbloka • h2 • função da tespcratvra

da pared* * da vclecldad*

da frenta do ravolhavcnto

Itíw.rd»

i*th*r

it - » - * t i e "

•cnnatt ot a i . • 1 0 B Solução nmairlca

Tlvn *

I »Ittfitniia d a d * PKPO1

rlncntal corroíaclonado.

Duff«y •rorthoui*

Vapanouchl

Uto da técnica d*Vle»*r-nopf CO? tefrle*ração pr*eur*ora.

1.1 - Modelos unidimensionais do reiDltvncnto ( referência 9 ) .

<1

Page 21: rrr:r; - IPEN

-II-

•atariftcla

at al .

•aft*» •

••Mil.Dafttr •

Ooaflcltot* «• ••««•man «a• nei

«a «lar in/»1 tci

- xi*

k, - l.Ialt*

» , - 1,7.10*

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1M

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«• •,« « «9 b«r.

Page 22: rrr:r; - IPEN

-12-

1.3 Proposição

Mostra-se nas tabelas 1.1 e 1.2 a existência de vários

modelos teóricos que foram desenvolvidos com diferentes tipos de

considerações. Para resolvê-los necessita-se da temperatura de

remolhamento e do coeficiente de transferência de calor, que na

maior parte dos casos ê constante efi> cada zona considerada. Isso

acontece principalmente, nos modelos em que a equação de condu

ção de calor é resolvida analiticamente, onde seria impossível

sua resolução, caso se complicasse a função do coeficiente de

transferência de calor.

Resolver-se-ã a equação de condução de calor numérica

mente, elaborando-se um modelo de três regiões de transferencia

de calor, coin o número de Eiot constante em cada uma delas. Pos

terion-iente, serã desenvolvido um modelo mais realista para este

coeficiente, utilizando-se a "curva de ebulição".

Propõe-se, então, que com auxílio de uir, método iterati

vo, seja construído um programa computacional, que tenha a cap£

cidade de calcular a velocidade de remolhamento, o perfil de ter

peraturas no encareisamento, e o tairanho ria frente de resfriamen

to.

Este desenvolvimento visa a uma irelhor compreensão dos

mecanismos de transferência de calor no fenômeno do remolhamento

de uir.a barra de combustível, levando-se em conta a grande impor,

tância deste estudo em análise de acidentes de reatores nuclea

res.

I

Page 23: rrr:r; - IPEN

- J . J -

CAPiTULO I I

2 . FUf'DAMEMTOS TFORICOS

2.1 Introdução

Os processos físicos envolvidos no reirolhairento de uma

harra aquecida são descritos no capitulo anterior. Corco jâ foi

visto, a transferência de calor por convecção, irradiação e condu

ção axial de calor da parte seca para a região molhada reiroven» ca

lor suficiente para que a frente de remolharento avance. Alêr do

cálculo da velocidade de remolharento, serão calculados nerfis de

temperatura no encamisairento do combustível e o comprimento da

frente de resfriamento, resolvenco-se a equação de condução do ca

lor.

2.2 Equação de Condução de Calor

A equação de condução do calor en duas dircensões, cor>

dependência teir.poral e geoiretria cilíndrica fica:

:•*

i_2_ rK(T) **^f*r*' + _2_ K(T) ü(rfz,tj + a" (r,7.,t) =r 3r 3r 3z 3z

- P (T) C p (T) 21 {r,z,t) ( 2 > 2 > 1 )

31

ondo:

p - densidade do revestimento

fC - calor especifico do revestincnto p$

V - condutividade térmica doj

Fabendo-se ane as condições de contorno não variair so í

lonqo do tempo, e, cruc n velocirlacle de remolbanipnto varia ruito r

lentamente, considera-se constante esta velocidadp ' '" '* .

Partindo desta hipótese drfine-se uma variávpl y, tal auc y=^-vt,

onde v é a velocidade de reirolhan(?nto. Supõe-se com isso, cuo to

dos os fenômenos rxistrntor, reretem-sc no lonço do torno, ou r,£

Page 24: rrr:r; - IPEN

-14-

ja, ê como bater uma foto do trecho em estudo e que esta locoro

va-se a uma velocidade constante. Portanto, reduz-se o número

de variáveis independentes de três (r,z e t) rara duas (r e y)

e as derivadas tornair-se:

2-2 (r,z,t) = - ^ (r,y) (2.2.2)

ÍZ (r,z,t) = " v 3 T (r,y) (2.2.3)3t 3y

e a equação de condução fica:

J_ _L- r II (r,Y) i | T ( r f y ) + ^ (r,y) +r 3r 3r 3y K

p_HJL ££ ( r y ) = 0 (2.2.4)K 3v

2.3 Pinoteses p Contornos

Ten-se as seguintes hipóteses;

i - A geometria é cilíndrica, jâ que o presente estudo é

aplicado numa barra de comhustívpl de um reator.

ii - As propriedades do material de encairisamento, coro

densidade, calor especifico e condutividade térmica são consider

radas constantes.

iii - O escoamento é vertical, do tipo inundação (bottom

flooding) como rcostrado na figura 1.5,

iv - 0 fluxo de calor na interface do combustível cor o r£

vpst.ií?ento é negligenciável ' . Como o rerpolbamento ê ur. nro

cesso relativamente rápido e a resistência térmica da folqa ó

^astante alta, o fluxo de calor na interface do revestimento cor

o combustível, que é muito menor que o fluxo de calor na interfa_

CP do revestimento com o rrfrlqorantr, r>ocV spr do

Page 25: rrr:r; - IPEN

í !

SiU

-IS-

v - o coeficiente de transferência de calor r» o refrio*»ran

te serão abordados nos Itens posteriores.

vi - A geração de calor residual no encarisarento ê

prezivel.

Com estas hipóteses a equação de condução de calor fi

ca:

C v

9r(7-3.1)

A equação 2.3.1 é do tipo eliptica, e serão necessários

rruatro condições de contorno, rcais duas, devido a rais duas incóo

nitas: o comprimento e a velocidade da frente de rerr.olharento (ver

figura 2.1). Apresentar:-se essas condições a seguir:

i - A temperatura da linha inferior (T .) do trecho en co£

Birleração será iqual a temperatura de entrada do refrigerante

(T.) mais dois nraus:

w ]= T(r,y=O) = (7.3.2)

i i - A temperatura na linha superior será i;jual a terneratu

ra inicial em ctue se encontra o encasnisair.ento.

'y V w2 (2.3.3)

i i i - Coro a hirótese de não haver fluxo na interface corhus

tível - encamisamento, tem-se:

3r^ ,; (2.3.4)

iv - A partir do coeficiente de transferência de calor

e a temperatura do refrigerante (T ), o fluxo rir calor mi r.M

cie externa do encamisamento será:

I ;

i *

f%

Page 26: rrr:r; - IPEN

-16-

re

0.D

O

FRFNTF DERFMOLHAME?TO

INÍCIO PFEPULICAO

2.1 - Mcio-cortp da barra cln coinhustlvrlremolhada pelo refrigerante.

Page 27: rrr:r; - IPEN

-II-

\ K —3rr

= h(T{re,y) - Tr> (2.3.5)

r=re

v - A temperatura de remolhamento (T, ) é dada pela corre

lação de Henry, como será mostrado nur item posterior.

vi - A temperatura de ebulição incipiente (Tien) limitará o

comprimento da frente de resfriamento e é dada como sendo um pou

co acima da saturação (T t) :

= Tsat + * {9C) <2'3-«>

2.4 Modelos do Coeficiente de Transferência de Calor

Os trabalhos sobre remolhamento, como mostrado no ca

pltulo I, usam perfis do coeficiente de transferência de calor mui

to simplificados. Neste trabalho procura-se um melhor desenvolvi-

mento nesse aspecto. Foram elaborados dois modelos distintos: um

nodelo de três zonas de transferência de calor e um modelo reco

mendado por Kirchner e Griffith .

2.4.1 Modelo de Três Zonas

Neste modelo divide-se a região estudada em

três zonas de transferência de calor, isto é, uma região de líqui

do saturado com alto coeficiente de transferência de calor denori

nada frente de resfriamento, uma região a jusante da frente de re

molhamento com pobre transferenciei de calor, e, uma a rontante ,

considerada uma região sub-resfriaria. O coeficiente é surosto

constante em cada uma das três zonas. Fssas regiões mostradas ra

figura 2.2 são descrifcns a seguir:

1 - Região da fronte dn remolhamento - caracterizada prlo

nrocesso de transferência de calor por ebulição nucleada c de

transição. Seus limites inferior e superior são os pontos da sv_

porflcie do revestimento cue estão respectívairontc ã tenpor?.':ura l

de inicio de ebulição nucleada (T. ), e à temperatura de rpr.olhrt i

mento (T, ). 0 comprimento dessa rpgião d j.) constitui-se, jun

tairente com a velocidade de remolharento, nuna incógnita do pro

Mora. A temperatura do refriqcrcint*- "• ronr,ídrrar!a COTT-O prv/'c conj.

Page 28: rrr:r; - IPEN

-ía-

sat

TEMPERATURA DO REFRIGERANTE

'fr

COEFICIENTE DETRANSFERÊNCIA DE CALOR

Piqura 2.2 - Perfis da temperatura do refrigerante e do coeficiente de transferência de calor en função da cõta, para o "rodeio de três zonas". ""

Page 29: rrr:r; - IPEN

tante e igual a sua temperatura de saturação {T ). para o

-19-

calculo do coeficiente de transferência de calor (h_ ) usa-se una

correlação dada por Duffey e Porthouse1 , altamente dependente

da vazão, na forma:

'fr

onde:

C (-*—)• D

" (2.4.1)

2 2/sC - constante de proporcionalidade (m /s 9C) A

Q - constante de entrada (Kg/s)

n, - diâmetro da barra (m)r

n - expoente tíe valor próximo a 1

Ajuste 1

10

Ajuste 2 =

4,B IO5

ii - Região sub-resfriada - caracterizada pelo processo de

transferência de calor por convecção para o liquido. A temperatu

ra do refrigerante é uma função linear que vai da temperatura de

pntrada do refrigerante (T.) ã temperatura de saturação (T ) .X Set L

Foi adotado un coeficiente de transferência de calor nessa re

aião igual a iretade daauele usado para a frente de remolhairento.

hfr / 2 (2.4.2)

iii - Região de pobre transferência de calor - caracteriza-

da pelos regimes de escoamento anular invertido (inverted annular

film boilling) e escoamento disperso de goticulas (dispersed

flow). A temperatura do refrigerante é uma função linear mie vai

fia temperatura de saturação (T .) 5 temperatura do vapor (T ) .

Foi proposto que o coeficiente de transferência de calor nessa

rorfião seja da ordem de mil vozes menor que o da frente de reno

lharcento.

nf r /

1 0 0 0 (2.4.3)

T

2.3.2 Modelo Recomendado nor Kirchner e Griffith

A variação do fluxo de calor ao lonoo da fronte

Page 30: rrr:r; - IPEN

-20-

de resfriamento, calculado por simples métodos aproximados, indican que a relação entre a temperatura da parede e o fluxo decalor assemelha-se âs características da clássica ebulição empiscina (pool boiling)' ' . Isso não é estranho, já que encontram-se regimes de transferência de calor similares em ambos.

A ãescontinuiâade da distribuição do h, oue ê

necessária para criar um brusco gradiente no perfil de temperatu

ra axial na superfície do revestimento, ê fornecida pela rápida

variação do h no regime de ebulição de transição (transition

boiling).

Uma tentativa foi feita para descrever a varia

cão do h na frente de resfriamento usando as correlações convrrj

cionais de ebulição en piscina (pool boiling) e escoamento om

ebulição forçada (flow boiling). Para tanto adota-se o procedi(16) ~

monto recomendado por Kirchner e Griffith

Fupondo remolhamento do tipo inundação (bottom

flooding) a altas vazões tem-se a configuração da figura 2.1. As

formulações dos regimes de transferência de calor são feitas a

spquir:

i - convecçao para o liquido - a descrição desse regime é

bom documentada e, depende do número de Reynods local. Para Re <

2000, Collier' ' recomenda:

hcl = 0,17 Ü RefO'33 P 0,43 frX,0'25

i

Dh Prw »f2(2.4.5)

onde : AT • T - T

- para escoamento turbulento, P.e >2000, a correlação dp

Hittus - Poelter I aplicável:

h * 0,023 — Ref0'8 Prf0'4 (2.4.HOh

ii - ebulição nucleada - a correlação c!<? Cben P adotac'a

para análise deste regime baseado na sugestão de Collier ' , ncr

Rite ura transição consistente da convecção forçada para

Çno sub-resfriada, o para uir tlpscnvolvir.Gnto cornlrto tfc

Page 31: rrr:r; - IPEN

-21-

ção nucleada:

en

considerando: T

cl |Tw V (2.4.7)

sat

h = h + b .en en cl (2.4.8)

O componente de transferencia de calor para u

ma fase é avaliado da equação 2.4.6, modificado por uir fator F,

nara considerar escoarento bifásico :

h\ = 0,023 K Ref0'8 Prf0'4 FDh

(2.4.9)

onde é feito o seguinte ajuste para F:

1,0 1

Ctt

se —=— < 0,1

2,35 (X7j + 0,213)°'736 se -^- > 0,1

1-x pg pf

O componente de ebulição nucleada é baseado no

fenôireno de "pool boilii.g", o qual ter. sido modificado para cojn

siderar o efeito da vazão na taxa do crescimento da bolha.*?, atra

ves <?o fator de supressão de ebulição nucleada, P (5).

0 ' 7 9 r*r,f0'45 A f 0 ' 4 9

Vn ^ ^ ^ T ^ ' (AT)í) ->á°'?4

ondr: AT = T - T A P =

r é feito o seguinte ajuste para P:

Page 32: rrr:r; - IPEN

-22-

* I 1 ' 1 41 • 0.12(Re* I*P

0.42(ReJp)0'78

0 ,1

- 1

- 1

se Re*.p < 32,5

se 32,5 < Re* < 70tp

se * 70

G(l-x) De p l , 25uf

i i i - Fluxo c r i t i co de calor - a correlação dp Zuber<me assuire un> regirc de "pool boiling", é usada:

°fcc = °'15 pg |Ifg(2.4.11)

nara se obter uma expressão para a temperatura de fluxo crítico,

usa-se a correlação de Thoir. ':

"0'5 " T s a t } eP/f>,7

0,0227 (2.4.1?)

e substituindo a equação 2.4.10 na equação 2.4.12 teir-se:

lfcc (7,10 IO"5 , 1/4

(2.4.13)

iv - Fbulição de transição e a temperatura mínira nara fi^

~P de ebulição (ipiniirun film boilino temperature) - para S P

obter um coeficiente de transferência de calor neste regire, w a

irternolação log-log da curva de ebulição entre o fluxo fie calor

f* a temperatura nlnira nara filne de ebulição é elaborada. Pen

ry ' ' nronos um modelo nara a mínima termer atura onde ocorra tir

filne de ebulição (figura 2.3). Fsta correlação f urra extensão

<'fl fôrnmlii de Terenson, nonando os efoitor, do oncarr>lr,/irr-nto nnr.

do refrigerante, para un darlo material de encami snrento r v.r f'2

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qfcc

ECULICSO NUCLEADA EBULIÇÃQ DF TRANSIÇRO

ien 'fee fr TEMPFPATURA StJPPRPICIAL DA PAREDE

Fíoura 2 .3 - Curva de e b u l i ç ã o

Page 34: rrr:r; - IPEN

-24-

do refriaerante esta temperatura varia apenas com a pressão do

sistema. Pode-se citar vários trabalhos no sentido de calcular fs

ta temperatura e, nota-se que esta pode sofrer variação sensível

com outros parâmetros, como por. exemplo: a vazão. A temperatura

mínima para filme de ebulição corresponde a temperatura de rero

lhawento:

TmfeB + °' 4 2 <T«feB " Tf>,KfpfCpf 1/2

Ffq-)

• T»feP

(2.4.14)

0,f

sat0,127

2/3

) x(pf + pg)

1/2

(-g(pf - po)

• )

1/3

(pf - per) g <2.4.15)

onde

T f = temperatura mínima para filne de ebulição

T f p • temperatura pela formula de Perenson

0 coeficiente cie transferência de calor sera

dado por:

/ A T

.XPKT

'AT wlfcc

onde

XPNT =lnT

f c c

(2.4.17)

Page 35: rrr:r; - IPEN

tfBi

I

-25-

qfcc ( ,n (2.4.18)mfe 'sat

onde

n = 1 (por Berenson * ')

v - ebulição por filne de vapor - para uma configuração onde

exista um escoamento anular invertido (inverted annular fills boi

ling) são considerados dois efeitos: convecção e radiação para as

çjotículas. A equação modificada de Eromley para um coronrimen

to de onda característico é usada:

'eai

onde:

A = ir D .

0,62 (* 3

- P?> H fcrkçr }pg AT X (2.4.19)

Ffn 1 * 0,5 cp cr AT

Hfcr

O coeficiente devido a radiação é dado:

rad 1

e o coeficiente de transferência de calor total para

ebulição é a sorca dos dois: hf = h r a d + h ..

<2o

P2. 5 Fclecão dog R cfiires õe Transferência do Color

A escolha destes ic-oiires é haseada no artioo dp

Kirchrer e Griffth<lf). A lóoica usndn para selrcionar o cor>fi_

ciente de transferência dp calor apropriada õ feita ntrr.vóc rio

três critórior: o nível do líquido contínuo, o critério cV>

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-26-

"carryiru? over", e a temperatura da superfície local. Ko ártico

referido foram obtidos diferentes configurações, das cmais foi es

colhido apenas a de maior interesse (ver figura 2.4) mostrada na

tabela abaixo:

rara T > T cv infe - ebulição em filme de vapor

nara T f c c < T w < T m f e - ebulição de transição

para T i e n * T

w * Tf c c ~ ebulição nucleada

oara T^ < T.pn

- convecçâo para o liquido.

o -ro

t sat

et

A POFRICFRANTE

COFFICIFATF. DF. TPA?:£FFRFNCIA DF CAI.OR

Figura 2.4 - Perfis da temperatura do refriceranto c <*o coeficientedr transferencio dr cnJor nm funeno Ha cota, para o ro'delo recoronrlado por Kirchncr p Griffith «

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-/l-

C A P Í T l i L O I I I

3 . MÉTODOS DE SOLUtf.O

3.1 Aproximação Por Diferenças Pinitas

A equação de condução de calor, que foi deduzida

apresentada no capitulo II, ê a seguinte:

3T C p V

3r 3y(3.1.1)

Optou-se para se resolver essa equação numericamente

pela aproximação em diferenças finitas. Usando este irétodo po

de-se variar &s condições de contorno ponto a ponto. Isto é im

portante para este trabalho, pois o perfil do coeficiente de

transferência de calor 6 diferente para cada regire de escoairen-

to e a cada ponto (ver figura 2.4) ao longo do refrigerante.

A figura 3.1 mostra como está dividida a i?alha de pcm

tos para o estudo da distribuição de temperaturas. O índice *j"

corresponde ã variável independente "y" e o índice "i" ã variai

vel independente "r". Tem-se "n" pontos axiais e "m" radiais nur

total de "M" pontos, onde M = m.n.

As hipóteses e condições de contorno do problema forar

estabelecidas no capitulo II. O resuro dessas condições é descri

to abaixo:

* T (r,y=0) =

T (r,y=LT)

ou

OU T, w2

ou3T

ír

(3.1.2)

(3.1.3) ft

(3.1.4)

r*r.

Page 38: rrr:r; - IPEN

. 1

re

r i

\ " . •

\\V

S\\xo P...\\

04.\

(i.n)

I II

. , 1

4id.i..-

( r , n )

Figura 3.1 - Kodalização do encarrisajrcnto

s a t

TFMP. OO REFRIGERANTE

NI<XI

Page 39: rrr:r; - IPEN

-2'J-

* -ar

= h(T - T (j) OU - K —ar

h(j)tT*.j

(3.1,5)

Obtém-se a seguir a aproximação da equação de condução

de calor 3.1.1 por diferenças finitas.

Pelo uso da técnica de diferença central, o temo :

l a 3Tr — , pode ser aproximado nua ponto genérico (i.j)

r 3r 3r

por

3r 3r 3r ar

+ oi Ar*)

(3.1.6)

tíesprezando-se o erro de truncamento da ordem de Lr ; reagrupan

do; considerando intervalos iguais e constantes de fir; e dividin

do-se a expressão por r., obtént-se:

r 3r 3r

2 Ar 2 A

(3.1.7J

A equação 3.1.7 é a aproximação em diferenças finifrss S »i;

<1o termo de difusão radial da equação 3.1.1, para todos os nós |

genéricos e interiores (i,j).

Supondo intervalos axíais constantfs r> iquair n Ay, r *á. ;

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- J O -

na aproximação por diferença central para o teriro dot ia l da equação 3 . 1 . 1 , tem-se:

difusão

2+ T

(3.1.8)

,por fim, o termo de acúmulo de energia.

Cp v

K

3T

dy 2 &y(3.1.9)

Agrupando-sr as eouações 3 . 1 . 7 , 3 .1 .8 e 3 . 1 . 9 , e des? 2 ~

reznndo-sc o erro de truncairento da ordem do Ay e Ar , ohtrir-spseguinte aproximação para a equação 3 . 1 . 1 :

2 Ar' i+1,3 2 Ar

2 Ar'

1 P Cp v

\y7 2 K Ay l f -

1 PCP v

_ + ]Ay 2 K Ay

( 3 . 1 . 1 0 )

b T , , , . + C. . T.

( 3 . 1 . 1 1 ) í . í

II!

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1 +

•i-1.1

-31-

1 +

2 Ar'

c.

ri-l r

- (1 + ~~) - < 1 + -

2 Ar

p C P v

2 K Ay

Ay2 2 K Ay

A equação 3,1.10 i apropriada para todos os pontos in

teriores na malha mostrada na figura 3.1.

Considera-se a seguir as aproximações para os pontos

dos contornos:

- pontos da superfície interna do encamisairento (l,j):

da condição de contorno 3.1.4 —

ar

aproximando por diferença central

i

i

2Ar

I'iportanto: T» . = T n ., ou seja, a temperatura num ponto fictj[ i<

:-* > j " i J if

o (O,jJ é igual ao ponto (2,j), ficanrlo assiw a equação 3.1.1" |*cio

para os pontos (l,j):

1%

Page 42: rrr:r; - IPEN

-32-

Ay2 2 K

P V) = oAy 2 K Ay

(3.1.12)

- pontos do contorno inferior (i,l) :

da condição de contorno 3.1.2 Ti A * T 1 • e

guinte a equação 3.1.11 para os pontos (i,l) torna-se:conse

wl (3.1.13)

- pontos do contorno superior (i,n):

da condição de contorno 3.1.3 T^ ^ - T w 2 , logo a equa

ção 3.1.11 para os pontos (i,n) torna-se:

i,n

w2 (3.1.14)

pontos da superfície externa do encamisairento (m,j)i

da condição de contorno 3.1.5

3TK —

arh (j ) (T . - T (j )) ou

3T

3r(3.1.15

usando o teorema de Taylor:

Page 43: rrr:r; - IPEN

ar= r

3T

m-1/2

- àL _i_ (r II,2 3r 3r

m

+ a(3.1.16)

m

Substituindo 3.1.17 em 3.1.7 em 3.1.18 e reagrupando»tem-se:

r_ -

rm " r m-l.

*E i- (r «,2 3r ar

+ o (Ar ) (3.1.17)

m

fazendo um novo arranjo; desprezando o (Ar ); dividindo tudo por

r^.Ar e, multiplicando por dois:

1

r 3r

3 fv. 3T.(r — )3r

- 2KAr

m

n-1 1

rm A r '

(3.1.20)

Sabendo-se que as demais derivadas não se modificam, a eguíi

ção 3.1.10 torna-se:

1 + . m - 1 .

Arm,j

r w . 2 h l j ) _ _ 2 _ j

A r 2 K Ar Ay 2

ArK Ay2 K 2 Ay

+ TV 2 K Ay ( 3 . 1 . 2 1 )

Page 44: rrr:r; - IPEN

Uma vez definida a equação para todos os pontos, obtém-se um sis

tema de M equações e M temperaturas incógnitas que numa forira ma

tricial representa-se por:

A . T = S

onde :

- A é uma matriz pentadiagonal de ordem M x M representada e

auematicamente abaixo:

A =

2b.

d

0

0

o

b

0

o

b

0 0

0 o

0

d

0

0

d

T é o vetor das incógnitas de ordem M mostrado abaixo:

'Tl,l

1,2

2,1

-,j

i!

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Ii

-35-

- S representa o vetor das temperaturas conhecidas e, ê tam

hém de ordem M como pode-se ver abaixo:

- d Twl

- d Twl

- d Twl

- d T.wl Ar K

0

0

Ar K

O

O

Ar K

- e Tv;2

- e Tv/2- e T

-e lw2 J

Page 46: rrr:r; - IPEN

-36-

3.2 Solução do Sistema de Equações

Tem-se no Iten anterior a seguinte equação a ser re

solvida A T « j> e, multiplicando-se esta por h" , obtém-se :

T = A £ . Usam-se as sub-rotinas da Harwell (MA28A e MA?8C) pa

ra a inversão da matriz A e cálculo do vetor solução T.

A sub-rotina MA28A serve para decompor A em fatores

usando una estratégia de pivotagem.

A sub-rotina MA28C utiliza os fatores produzidos nela

MA28A para, então, resolver o sistema.

Estas sub-rotinas da Harwell são própria*; para matrj_

zes esparsas, ou seja, matrizes com grande número de zeros, o

que as torna bem apropriadas ao caso apresentado.

Para se ter uma idéia, depois de fazer uma comparação

com o método convencional de Gauss, obteve-se que o método ado

tado gasta da ordrir de 13 vezes ncnos tempo computacional (CPU)

e una boa economia na remória do computador.

O manual da Harwell encontra-se a disposição no Ceii

tro de Processamento de Dados do IPFN.

3.3 Método Iterativo

Como foi comentado no capítulo II, além das auatro cor»

dições de contorno normais, existem mais duas: a temperatura na

superfície externa do encamisairento, que separa r frente do rrmo

lhaipcnto da reoião seca e, a temperatura na mesra superfície,oue

separa a frente de remolharrento da região sub-resfriada, denonri

nadas respectivamente: temperatura de remolhamento e temperatura

de inicio de ebulição nucleada. Fendo assiP, por um método itern

tivo, obtéin-se a velocidade e o comprimento da frente de remolba

mento, para que essas condições sejar. satisfpitas. Ko caso rais

simples, com o coeficiente de transferência de calor constante ,

en cada uma das três zonas consideradas, adotou-SP O seguinte pro

cediirentot

1. Estima-sr inicialmente o valor da velocirfarlr (prla corroía

Page 47: rrr:r; - IPEN

I -37-

| ção de Duffey e Portnouse* ') e d o coirprinento {por Sun

" et. ai ) da frente de rerolharento. Calcula-se, então

o perfil de temperaturas.

2. Com o perfil obtido no passo 1 faz-se uma previsão da ve

locidade e do comprimento, com base no passo 1 e nas ten

peraturas de contorno. E com estes, acha-se um novo per

fil de temperaturas.

3. Interpola-se os valores calculados dos passos 1 e 2, e ,

novamente, calcula-se as temperaturas no encamisamento .

Finalmente, verifica-se se os resultados encontrados es

tão dentro da precisão desejada, senão, repete-se o mes

mo procedimento até o método convergir.

No caso em que se adota nv coeficiente de transferên

cia de calor, dado pela curva de ebul/.ção, o método iterativo a

dotado é praticamente o mesmo acima descrito, e por isso, rio hi

necessidade de comenta-Io.

Para que se pudesse realizar tais operações, foi de

senvolvido um programa computacional de noire "REMOLHA" que re

solve o presente trabalho. Este programa, juntamente com sua lis_

tag em é abordado nos ar^n^icps A, B e C.

3.4 Convergência e Estabilidade

A solução numérica de equações ellpticas é, usualiren

te, acompanhada pela solução de equações simultâneas, com uma

variedade de métodos.

| Um modo possível de se resolver esse conjunto de

| ções, é pelo esquema de eliminação de Gauss. Infelizmente, o

É nrocesso de eliminação para M equações com K incógnitas, reouer

í aproximadamente K operações' . Além disso, uma c*rta quantí,

dade de arredondamento a cada operação pode causar uir.a solução

; degenerada, para um grande número de equações. Por outro larlo ,

j um procedimento de redução direta, exige um númoro fJnito c!c:

*t passos para se encontrar a solução.

l Uma alternativa aproximada, nara a solução de

| ções elípticas, é uir procedimento iterative Fr gornl,

* iterativos exigcir. una infinidade» de passos para rpsolvrr

Page 48: rrr:r; - IPEN

\blerca exatamente. Entretanto, para objetivos práticos, é cozm

mente possível determinar una iteração, depois de um número fi

nito de passos, e os resultados diferem pouca coisa da solução

obtida pelo método de eliminação.

O método adotado é uma variação do método de elimina

ção de Gauss, apropriado a matrizes esparsas, e apresenta um

bom desempenho, como visto na secção 3.2.

Do teorema de Gerschgorin, se a matriz A é tal que \

a±.

ou seja, se a diagonal principal for dominante, o método conver

ge. Agora, esta condição é suficiente para a convergência,porém

não necessária.

Uma sub-rotina do programa "REMOLHA" (ver Apêndices),

denominada "TEST", foi implantada para testar a convergência do

método.

A estabilidade e a convergência são tópicos inportan

tes para o bom desempenho do método numérico. A estahilidade des

te trabalho foi analisada expcrimcintalnento, e com todos as dis

cretizações feitas, apenas obtiverair-se resultados não satisfa

tõriop, cruanflo o incremento Ar se aproximava do incremento Ay .

Isto não foi problema, pois o número de nós axiais é necessária

mrnte bem maior que o número de nós radiais, portanto o dircen

sionamento dos incrementos espaciais foi feito com vista I ou

trás necessidades deste trabalho (ver secção 4.3).

Page 49: rrr:r; - IPEN

-3«J-

iv

4 . RFNMJADOS F HIS

Apresenta-se, neste capitulo, testes e discussões dos dois

modelos desenvolvidos para o estudo do remolhamento. Verifica-se

a influência dos parâmetros de entrada do problema, a comparação

dos modelos entre si e com outros trabalhos experimentais e teô

ricos, de outros pesquisadores encontrados na literatura. Também

foram elaborados, testes com o intuito de verificar a precisão ,

aumentando-se o numero de malhas axiais e radiais.

Os modelos apresentados diferem entre si apenas na formula

ção do coeficiente de transferência de calor, como pode ser vis

to nos capítulos II e III. Para facilitar o entendimento e ide£

tificação dos modelos na apresentação de figuras e discussão dos

resultados, chamar-se-ã de modelo A, aquele em que o perfil do

coeficiente de transferência de calor é constante eir. cada uma

das três regiões consideradas e, dn modelo P, acrueJe et? aiie o

perfil é modelado pela curva de ebulição.

4.1 Caso de Referência

Foi proposto um caso base com o objetivo de servir co

mo referência na variação dos parâmetros de entrada do problema,

bem como a comparação dos modelos entre si.

Os dados de entrada que definem o caso de referência

são:

- temperatura inicial da parede (T ) : 6P09C

- temperatura de saturação do fluido i^Bat) '»

- temperatura de entrada do fluido (T.) : B09C

- material do encamisamento : aço inox

- velocidade do fluido na rntrada : l

Uma vez definido o caso referência os rpsultados obM

dos e uma comparação nntro or. dois modelos sno discutidos n S£

quir:

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-40-

- velocidade de remolhar-ento: As velocidades calculadas para

os modelos A e B são semelhantes e de boa concordância con> o

ajuste feito por Duffey e Porthouse* , e, foi justarente por es

te Rotivo, que este problema foi escolhido como referência. Uma

vez que as velocidades obtidas pelos rodeios são próximas, po

de-se comparar o coeficiente de transferência de calor, o fluxo

de calor e o perfil de temperaturas c"o encanisairento dos dois ca

sos. As velocidades calculadas foram:

v =

1,19RUB/S

1,O78KUO/S

l,039mir./s

(Duffey e Porthouse(7J)

(modelo A)

(modelo B)

- comprimento da frente de remolhamento: Esse comprirento ,

que é limitado pelas temperaturas de Leidenfrost e de início de

ebulição nucleada, ê pouco maior para o caso A em relação ao B .(24)

Um valor médio dado por Sun e ai. e, os modelos deste traba

lho são:

J f r

5.000ir.m5.160mm4.888mm

(Sun et ai. í 2 4 ))

(modelo A)

(modelo F.)

- perfil de temperaturas: Uma comparação entre o perfil de

temperaturas da superfície externa dos dois modelos está mostra

da na figura 4.1. As curvas são semelhantes, se hem que para o

modelo A, o perfil tem uma inclinação pouco mais suave e, isto

se deve ao coeficiente de transferência de calor do referido r.o

delo.

- coeficiente de transferência de calor: O modelo B formula

melhor o fenômeno através da curva de ebulição, enquanto no mode

Io A é utilizado um coeficiente apenas equivalente ao real. Não

há critérios na literatura, que definam corretamente o coeficiein

te de transferência de calor para o caso A. Encontram-se vários

tipos de coeficientes COITO jã foi visto nas tabelas 1.1 e 1.2 .

Thompson*26'27'28), por exemplo, definiu um coeficiente propor

cional â diferença de temperatura da parede e âo fluído elevada

ao cubo (h = a (T - T s.í.)3). Já, Duffey e Porthouse* *, suoercüi

Sat _ O num coeficiente altamente dependente da vazão (h = C JQ

verdade, é muito difícil estiirar-se valores do coeficiente

transferência de calor para o caso A. Usou-se então, »r

1 í

f

Page 51: rrr:r; - IPEN

s

!

o ou

500

400

300

200

100

1 J.4,0 12,08,0

OOTA Y(nm)1'iyura 4.1 - Grafico da tatperatura.superficial da parede em função da oota, utlliiando os dados do

caso de referencia.

Page 52: rrr:r; - IPEN

-42-

ciente de fácil computação,que é o roâelo âe Duffey e Porthouse.Através dos testes e dos gráficos (ver figura 4.2), verifica-seque apesar dos dois casos seren tão diferentes os resultadosobtidos fora* semelhantes (velocidade, comprimento da frente eperfil de temperaturas).

- fluxo de calor: As curvas obtidas para o fluxo de calorencontras-se na figura 4.3. O Modelo B ê bastante semelhante ãcurva de ebulição, exceto apôs o regime de transição. Ma curvade ebulição, o fluxo aumenta apôs o regime de transição, já queo coeficiente de transferência de calor e a diferença de temperaturas (entre a parede e o fluido) crescem, mas no fenômeno estudado as condições de transferência de calor vão ficando cada vezmais precárias, a jusante da frente de remolhamento e, por isso,o fluxo d» calor decresce. No modelo A, o fluxo aumenta até oponto de rensolhamento, quando há uma queda brusca, ou seja, açorpanha o perfil do coeficiente de transferência de calor.

4.2 Variação dos Parâmetros de Entrada

Dados experimentais para "top flooding" e "bottom

flooding" mostram que há uma dependência complicada da velociõa

de da frente de remol hasten to no sistema de variáveis incluindo

temperatura da parede, vazão, sub-resfriamento do refrigerante ,

pressão, material, geometria da parede, e as condições da super

fIcie(6'7'10'12'18'36). Os efeitos da pressão estão embutidos

na temperatura de saturação. A velocidade de remolhanento pode

depender das condições locais e da posição da frente de remolha1291 "~

rento . Uma falta de dados experimentais sistemáticos de al_

guns parâmetros básicos, como a temperatura de remolhamento, 1.1mita a aplicação dos modelos analíticos. Mesir.o, incluindo refrigeração precursora ' na análise, não se remove estas limitações, pois isto soma-se a parâmetros novos que não são diretarerte mensuráveis e devem ser extraídos de dados exnerinentais.

Dados experimentais são freqflntemente usados paraobter correlações mais simples para a velocidade de roírolhnrento.Este procedimento permite a determinação Ca dependerei a da pres»ão, vazão, área de escoiimento p siih-resfriansento. Observa-se tentretanto, que as evidências experimentais a rmpeito destasparâmetros não são totalmente claras, princip^lrrnte porque r cM

Page 53: rrr:r; - IPEN

100 200 300 500 fOOTEMPERATURA SUPEHPICIAL DA PAREPE (PC)

Fitrura 4.2 - TirSfico do coeficirnte de trnnsfprrncin Ae> calor cm função da tomoeratura da oarede»or. dados do car»o dp rrforpncifl.

Page 54: rrr:r; - IPEN

IT)O

x

•>

LOR

<;uuaOXjtu

10,n

9 , 0

8 , 0

7 , 0

6 , 0

5 , 0

4 , 0

3 , 0

2 , 0

1.0

0

MODELO E

4,0

Fioura 4.3

5,0 6,0

TEMPERATURA SUPERFICIAL DA PAREDE (In (9C<?)

Grafico do fluxo de calor em função fia temneratura superficial daparede,utilizando os ciados tio caso fle referencia.

Page 55: rrr:r; - IPEN

-45-

fícil experimentalmente isolar o efeito de cada variável

afetar a outra.

Apresentam-se a seguir os efeitos causados pela varia

ção de alguns parâmetros de entrada do problema:

- vazão: Foi proposto para o modelo A um coeficiente de

t transferência de calor fortemente dependente da vazão e, como o

cia de calor, a velocidade de remolhamento também, fica dependeii

te da vazão. O modelo B é quase independente da vazão, exceto pa

ra o regime de ebulição nucleada e escoamento em regime de con

vecção forçada para o linnido, através do número de Reynolds. No

ta-se, pelos testes feitos, que no rt odeio A o auirento da vazão é

proporcional ã velocidade de remolhanento, e inversamente propor

cional ao tamanho da frente de renolhamento. Para o modelo B,com

o aumento da vazão, tanto a velocidade como o tamanho da frente

de remolhamento alteram-se levemente da mesma forma que no outro

caso. As figuras 4.4 e 4.5 mostrair os resultados obtidos pelos

dois modelos comparados aos de Duffey e Porthouse.

Resultados experimentais mostram que a velocidade de remo

lhamento ê independente da vazão quando o ambiente for vapor e a

pressão estiver acima da atmosférica . Por outro lado, a velo

cidade de remolhamento aumenta com a vazão, quando, o ambiente é

ar ã pressão atmosférica . A razão para esta discrepância não

é entendida e investigações são necessárias nesta área. Foi suge

rido por Duffey e Porthouse ,que o efeito da vazão ã pressão

atmosférica é resultado do aumento efetivo do coeficiente de

transferência de calor no lado irolhado da frente de remolhairento.

- sub-resfriamento de entrada: Para se simular o sub-resfri^

mento, varia-se a temperatura de entrada do fluido. Os modelos

e correlações utilizados não levan err. conta o sub-resfriamento e,

por esse motivo, r.os testes feitos, alteram-se eru muito pouco os

valores da velocidade e do tamanho da frente de remolhnmento, ex

ceto o perfil de temperaturas, evidentemente. Mo rroclelo A o efeí.

to ê ligeiramente maior que no modelo B. Isto se deve ao procps

so de cálculo do coeficiente de transferência de calor. Este é

calculado, utilizando-se a vazão de entrada, que se rrodifjca le

Verente com o sub-resfriamento de entrada (ver finurnn A.f> <"•

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~ V

is 2

O

MODFLO A

A.TMSTF FFTTO PORPORTFOUEE

Velocidade mãssica (Kg/m s)

Fiçura 4.4 - Gráfico da velocidade de retrolharerto em função <?a velocidaderrãssica na ontrada, usando os dados restantes do caso de referência.

C-

Page 57: rrr:r; - IPEN

t:

* 4t:c

I

MODFLO B

IVELOCIDADE MÍSSICA (Kg/mZs)

Fiaura 4,5 - Grafico do comprimento cia frrnte de rnirolhamento em função dadade mãssica na entrada, usando os dados rostantns do caso derência.

ref£

Page 58: rrr:r; - IPEN

4.7).

f

Foi observado, experimentalmente, que coir o aumento do

It sub-resfriamento da água de.entrada, há um aumento da velocidade

de remolhamento. Sugeriu-se que este efeito se deve ao aumento

do coeficiente de transferência de calor com o sub-resfriairento

de entrada . Entretanto, Thompson' * ' ' comenta que esta

influência é devido ao aumento da temperatura de remolhairento e,

não do coeficiente de transferência de calor. Groeneveld'

mostra com suas experiências em "bottom flooding" que a velocida

de de remolhamento aumenta consideravelmente em altos sub-resfria

mentos e vazões de entrada e sugere que este efeito ê devido a

forte influência do sub-resfriamento no fluxo critico de calor.«!

- pressão: Um evidente acréscimo na velocidade de rer.olhamen

to com a pressão foi observada por muitos investigadores ' .

Este efeito é resultado de uma forte influência da pressão so

bre a temperatura de remolhamento. Pela correlação de Henry ,

pode-se verificar a influência da pressão sobre a temperatura icS

nima para filme de ebulição (ver figura 4.8). As velocidades ob

tidas por este trabalho, variando-se a pressão, são mostradas

nas figuras 4.9 e 4.10.

- temperatura inicial da parede: Variando-se a temperatura

inicial da parede, verifica-se nos modelos A e P que esta ê in

versair.ente proporcional ã velocidade de remolhairento ' ' .Is

to é fisicamente correto, pois, tendo-se as mesmas condições in_i

ciais, quanto maior for a temperatura da parede mais calor da su

perfície deverá ser retirado, e portanto, irais lento será o pro

cesso do reirolhamorto (ver figuras 4.11 e 4.12),

- material do encamisamento: Testes para avaliar a influêii

cia do material do encamisaniento foram feitos (ver figura 4.13).

Obteve-se, que para as mesmas condições, as velocidades calcula

das para o zircoloy são cerca de duas vezes superiores às velo

cidades obtidas para o aço inox em atrbos os modelos A r P. Isto !

está err. acordo com iredidas obtidas por vários trabalhos experi j

mentais e teóricos '26'. para esta comparação foi utilizado a

resma temperatura de remolhamento em arrbos os nateriais: nço inox

e zircoloy.A temperatura de remolhamento para o zircoloy não foi j

calculada pela correlação de Henry(1 ', pois para PPSC ratnrial

a temperatura obtida foi do nm valor altíssimo, levando a ur ro

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4

i

; 5,5

5,0

vtxnn A

I I I10 20 30 40 50 60

im pun-REíTUTAMnnn

70

Fiqura 4.6 - Gráfico do comprimento da frente do rprolharertoem função do çrrau df» sub-resfriarento df entradautilizando os dados restantes do caso do refrrrncia.

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-50-

íB

£ 1.0

0.5

MODFIO A

\

1 110

4.7 -

20 30 40

GÍOTU VT.

50 60 70

(0C)

Gráfico true rostra a influência do orau df> sub-resfriamento de entrada na velocidade dp rerolhamento, usando os dados restantes do caso d?referência.

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i ..-51-

if

?FMP

SOO

400

300

100 _

PRFFFÃO (Pa)

1 x 105 2 x 105 3 x 105 4 x 105 5 x in5

CORRELAÇÃO DF HENRY

"(AÇO ÍNCKÕ "

TEMPERATURA DE fATURACAO

101 ! I....20 30 40 50

I60

PRFFFÃO

70

Fiqura 4.8 - Temperatura mínijna_para ebulição eip filire ôe vanorCÍP função da prrssno, (a fitrura foi tiraria <1a roferência 16). ~

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-52 -

I»I

iI 5.06

4.5

MGDTtO

1100 120 ; 140

TTMPTPATOW DT ÍWIWW^O (ÍC)

Finura 4.9 - Tnfluôncia^da pressão, atravfs âa tcr.neraturade saturação, no conpriipento âa frrntp r?r remolhnmonto, usando OR dados rpr.tantrn rio cnrtõdo rpforoncia.

31

• *

ir

n

... ....;.-, 6 MJ.T

Page 63: rrr:r; - IPEN

-53 - lii"

2.5

2.0

i •

1.0

100 120 140

DP smw^fin

Fiaura 4.10 - Influôncia cia pressão, através da tppiporaturadn snturaçíío, na vplocidartr /Io rpr.oibarríTto ,usando os dados rostantos dó caso c?r rrf^rrn-cia.

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-54-

l,

8

t:

é

t5

6,0

5.0

4,5

500 600 700ItJICIAT, PA COT)

Figura 4.11 - Influência da temperatura inicial da narpdcro corrnriirento da frente de rerrolhaironto ,usando os dados restantes do caso tin refe-rência.

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f

IH

0.5

400 500

TA r«T7?r

Fioura 4 . 1 2 - I n f l u ê n c i a da t erperatura i n i c i a l t'ana veloci^ac'c «*p rpirolharento/ ur.iin.Jo OF cTa_

r'o cnso rtp r e f i ""

Page 66: rrr:r; - IPEN

3.!

l.S

I I1,9«2 2,911 Ü.PiM

vnncTtxvyt Mfópircv4.13 - Influência do material da parede na _

de de rcrolhairento, variando-se a velocidademássica na entrada, e usando os dados restan_tes do caso de referência. ""

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suit-ado muito discrepante da realidade no cálculo da velocidade.

v- coeficiente de transferência de calor na região seca (h )

e na região sub-resfriada (h1). Para o modelo A, no oual se ado

ta coeficientes de transferencia de calor, para as regiões de li '

quido sub-resfriado (h.) e região seca (h ), não hâ praticamente

na literatura um procedimento a ser seguido. Esses coeficientes

foram formulados em função do coeficiente de transferência de ca

lor na zona saturada (h- ) . A baixas vazões o h. ê baixo, e por

tanto, as variações bruscas do h y e h. acarretam pequenas varia

ções nos resultados, uma vez que os valores são muito pecruenos,e

consequentemente, pouco influentes. A altas vazões, estes já se

tornam mais importantes como mostra as figuras 4.14/15/16/17. Ve

rifica-se, então, que os valores escolhidos para h e h. (ver ca

pltulo II) levam a resultados nais coerentes do perfil de terpe

raturas do que se adotassem outros valores.

i» 4.3 Precisão

O reroolhamento i um fenômeno local. Estuda-se ur pe ;

queno trecho do encamisairento de aproximadamente dez milinetros .'

de comprimento e um milímetro de espessura. Com este tamanho, jul ;

» ga-se que as temperaturas de contorno tenham sido alcança

I das . Nesta distância consideraria, a temperatura do encamisa

mento vai de 80 a 6009C num exemplo. Esta diferença causa ora ;

« dientes grandes de temperatura entro um nó e. outro. Como «is re j

giões de transferência de calor são definidas pelas temperaturas :

de contorno, é necessário que se tenha um grande núirero de nós j

axiais. Por isso, em beneficio do número de malhas axiais, diiri ;

nui-se o número de malhas radiais. '!,i

Apôs alguns testes, verificou-se que 280 rós axiais e :

5 radiais resultam em um bom compromisso entre precisão e tempo

de computação, produzindo resultados fisicamente coerentes. Ura

vez acertado o reticulado, propôs-se auinontar a nodalização,afin

de verificar o quanto os resultac?os estão sencío prejudicados rle

vido a aproximação por diferenças finitas. Um modelo foi dcr.en

volvido para comparação com o caso de referência, de 320 nós £

xiais e 8 radiais. Confrontando os dois casos, ohtcvn-cr: f.o ca

» so A, o perfil de temperaturas rroclificou-se levenente (vr»r tnhn

\ \a IV.1), .1 velocidade tHminui'i cercíi tie 5» c o ce.rprir.ento ^a

\ \

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MODELO A (ALTA VAZÃO)

MODELO A (HAIMA VAZÃO)

~L100 1000

"fr

Figura 4.14 - Influência do coeficiente de transferencia rlecalor na região de vapor, no irodelo A, a ai,tas e baixas vazões de entrada.

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-S 'J -

fe

U.4 ,8

4,4

w 4 ,0

ct.

g

inn 200

MODELO J\ (PAIXA VA7SO)

M0D1-3/) A (AT^TA VA2ÃD)

J oon 20P

Firrura 4.15 -

frh

Influência do copficiente do trans£prência CÜP calor na região dp vanor, do caso A, a altas r l-aixas vazõps fíp pntr£da.

Page 70: rrr:r; - IPEN

1,4

ri-

1,3

HOPKLO A

(FAIXA VAZÃO)

-50

Figura 4.16 - Influência fio coeficiente de. transrij?são de calor da região suh-resfriada~na velocidade de renolhairerto, a bal^xas vazões.

•.:3f ITU t o C:. !-• .-•.

Page 71: rrr:r; - IPEN

-61-

fc

u

Iqh

5,4

Cf.

c ?,:

5,0

§

MODELO A (BAIXA VAZÃO)

SOhfr

4.17 - Trfluência do conficirnte de transrij;são de calor cia reaião sub-resfriadaPO compriifonto fia frente de rcnolbarento,-a baixas vazões.

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-62-

MODELO A

COTAAXIAL

(mm)

0

0,56

1,12

1,68

2,24

2,80

3,36

3,92

4,48

5,04

5,60

6,16

6,72

7,28

7,84

8,40

8,96

9,52

10,08

in, 64

TEMPERATURAS DA SUPERFlCIE DA PAREDE

320 x 8

82,3

86,8

91,2

95,4

99,5

103,5

107,1

111,4

116,9

124,3

134,6

169,1

197,7

239,3

310,5

390,5

453,9

509,0

557,4

280 x 5

82,3

86,8

91,0

95,1

99,1

102,9

106,6

110,7

116,0

123,3

133,5

147,9

16R,3

197,4

239,9

310,9

390,1 .

453,9

509,2

557,6

DESVIO{%)

0

0

0,22

0,31

0,40

0,58

0,47

0,63

0,77

0,81

0,82

1,3?

0,47

0,15

0,25

0,10

0,10

0

0,04

0,^3

Tabííla IV, 1 - Coirparacão das temperaturar, desuperfície da parede entrr ocaso de 280 x 5 nós e o dr320 x 8 nós, para o node]o A,com os ciados do cnso h

Page 73: rrr:r; - IPEN

- f , 3 -

MODF.LO P

COTAAXIAL

(mm)

0

0,56

1,12

1,68

2,24

2,80

3,36

3,92

4,48

5,04

5,60

6,16

6,72

7,28

7,84

ft,40

8,9(5

9,52

10,08

10,64

TFMPFRATURAF DA ?UPFRFÍCIE PA PAREDE

320 x 8

82,3

86,6

90,5

93,9

97,0

99,7

102,0

104,0

106,0

108,4

111,7

116,8

125,1.

158,7

229,7

309,1

382,0

445,0

501,6

552,9

280 x 5

82,3

86,4

90,1

93,3

96.1

98,7

100,9

102,7

104,5

106,6

109,6

114,1

122,7

159,9

230,6

309,7

382,3•

446, P

502,6

553,5

OFKVIO*

0

0,23

0,44

0,32

0,<13

1,01

1,09

1,27

1,43

1,69

1,91

2,3*

1,95

0,75

0,39

0,19

0,24

0,22

0,20

0,11

Tahela IV.? - Comparação das temperatura âa sperfícir» da nnrodr r n t r r o cnsodo» 2B0 x 5 nós r o de 320 y. R ,nara o irodrlo V, cow OR Cafioz <caso bnsr .

mih

Page 74: rrr:r; - IPEN

-61-

frente de remolhamento por volta de 2%. Jâ para o modelo B,ocor

reu um decréscimo de 5% na velocidade, um acréscimo de 3% no con

primento da frente e, o perfil de temperaturas na superfície (ver

tabela IV.2), também, variou, levemente.

Conclui-se, que devido as incertezas quanto ao coefi

ciente de transferência de calor e ã temperatura de remolhanento,

o gasto com o teirpo computacional e a memória do computador, au

mentando-se o numero de nôs, nao valem a pena, isto é, hã maio

res imprecisões nas grandezas empíricas do que na própria nodali

zação.

Thompson , que resolve o problema numericamente,che

gou a utilizar 300 nós axiais e 20 radiais num comprimento de

4,5mm e 0,6mm de espessura.

4.4 Comparação Com Outros Trabalhos

Muitos trabalhos teóricos e experimentais são encontra

dos na literatura sobre remolhamento. Dentre estes, foram esco

lhidos três, que podem ser confrontados com a modelagem deste

trabalho, ou seja, enquadram-se dentro das características impos_

tas neste estudo. Apresentam-se, a seguir, estas comparações:

- Duffey e Porthouse reuniram vários pontos experimentais

da literatura aos seus, e, ajustaram esses pontos a duas curvas:

Ge „ A ->e ..* _ •»„,* Gepara — — < 0,25 v* * 3T*Db Kw ' nb Kw

para — — > 0,25 v* = 6T* G c

Db \ * Db

onde:

G - vazão mássica (g/s)

e - espessura do encamisamento (cm)

i .

Page 75: rrr:r; - IPEN

D. - diâmetro da barra (cm)

F - condutividade térmica da parede (K/CF9C)

T* - temperatura adiirensional (Tf - T )/(T - T e )

v - velocidade adimensional (o C e v)/K

Os pontos foram apresentados em um gráfico, onde, na

abscissa, tem-se o número de Biot efetivo — — - — (—3-

e, na ordenada, o inverso da velocidade adimensional l/v* :

Foi sugerido pela referência , que a temperatura aà±

nensional a 6009C e a pressão atmosférica, seja £e 0,3333 para o

ajuste considerado.

A figura 4.18 mostra um excelente ajuste entre o rodo

Io A deste trabalho aos pontos apresentados por Dyffey e Port

house. Já o modelo B tem ura região de coincidência com o ajun

te, mas se mantém constante com a variação 6a vazão, e por ÍFSO

se distância cor» o aumento da irosrca.

(29)- L. B. Thompson e Y. Y. Hsu desenvolveram, para a previ

são da velocidade da frente de reirolhamento, um modelo

rico. O modelo emprega parâmetros iniciais do sistema, alem de

condições do transiente teriro-hidrãulico.

A correlação foi desenvolvida usando dados de vazão do pro

grana FLECMT e, é dada por:

T

v = 19,5 v. (!> M) ' (1 °

rs27=w A

onile I? M v o número moJifÍCÍUIO (!».• Iifynolcln ptira fsco.irrnto O.r

vapor transverso na região da fronto de reirolhaipento, definido

por:

R Mc

Page 76: rrr:r; - IPEN

-66-

aocoo CÊ asm z roraiacE

_ _ _ M3COO A KSIE CWBNJO

. MCCO B L£SS TPAEMJO

O B U M .en es

• BWWl.2S<r>

6WBDBCC323E

I curar

-JiORiORnasE

WVEL M a

OiUK>

6 nvn. 18 - » •

^toffiz. 39 - 2S"

Qtavn. 42 - 7Sm

ACKSMOLC E tàsa

t^BMIMISAI

t "KAIUH flflODCÇ*

1

.

0-1

••o-ol . .J0-002 o-ot Cl 10

1 /'-iüí- «=!-! Vik Vci».K« W / J

DE BIOT QTTIVO

!

i i

Figura 4.18 - CorqsaraçÜo dos rodeios deste estudo cen trabalhosejqxjri^cr.tais e teóricos ( figura tirada da refe-rência 7 ) .

Page 77: rrr:r; - IPEN

A velocidade da frente (v) depende da velocidade do inunda í.

ção de entrada (v^) , do fluxo de calor local (q" ), da terperatu 4:

ra inicial do encaroisamento (Tw> antes da reinundação, da tempe '<;,

ratura de saturação (T s a t), da temperatura mínima para filr-e de iji

ebulição (minimum film boiling ( T f r ) ) , assim coro das densidades l\]

do vapor «; do liquido (P V, p f ) , calor latente de vaporização '

Wfq)» viscosidade do vapor (u ) e, diâmetro aquecido equivalen

te (D. ). A temperatura mínima para filme de ebulição é dada pela- (15)

correlação de Henry , mas limitada de, no máximo, 3159C. Os

parâmetros do vapor são avaliados da tenraeratura de saturação.

O númoro modifiendo i\c Roynolfis (n M) é drtorninndo po]n rva

poração transversa, e é, aproximadamente, proporcional ao flrxo ;,

dr calor C?T barra P invorsan-ente proporcional a pressão. I!r alto

número de Reynolds, indica maior turbulência na região de escoí» !'j

irento caótico (froth), aumentando o arrastamento de qotículas e, [;i

reduzindo a velocidade da frente. :!

A faixa de utilização dos parâitetros são: Hj

- velocidade de entrada : 1 a 45 cm/s

- pico de potência na barra : 1,7 a 4,6 K /P

- temperatura inicial do encarrãsantento: 140 a 11009C

- temperatura de entrada do fluído : 72 a 909C

- e o perfil do fluxo de calor é dado por uma função cosseno.

A discrepância porcentual média pntre as velocidadps rrediflas

e previstas foram de 20%. ! I

Os mociolos A o P adotam que a superfície interna do encnrdsíi

jrento seja adiabática, isto é, não se considrra o efeito do cor

bustívol. Uma comparação entre a correlação apresentada e o JTOCIG

Io A foi realizada. Para o cálculo desta correlação usoti-se o

fluxo máximo e mínimo da faixa do utilização. Pela figura 4.19 ,

nota-se que podo ser considerável o erro compticlo, fazpndo-se a

simplificação í»cima.

- No artigo de J. J. Carbajo c A. D. Sieacl , díferrr.trr,

tiodelos foram comparados através âc gráficos do núirrro dr

cr função do número de riot. Foi feito, aprn.is, o confr

Page 78: rrr:r; - IPEN

: 5

\

CORRELAÇÃO DO FLÇÇPTFLUXO DE CALOR=4,6Kv;/m

HORRELAÇÃD. BOFLUXO DF. CALOP.= 1,7Kv;/in

G e

s

10,02

cm' K) NOMF.RO DF PJOT F.FFTIVO

Fioura 4.19 - Gráfico nue norrnara a c o r r e l a ç ã o o x n p r i r r n t n l obtj.da do FI.FCHT*29), con o norioio A r>or.tr> cr.Mi^o.

líi

:;.»i

Page 79: rrr:r; - IPEN

destes trabalhos coin o modelo A. COIR O modelo B, não seria justi

ficâvel, una vez que o número ãe Piot é calculado, e não estirã

do. Construiu-se, então, um problema com as iresiras caracterlsti

cas utilizadas pelos modelos abaixo relacionados:

a - Yamanouchit33)

b - Blair<3)

c - Duffey e Porthouse

d - Ishiií4)

e - Coneyí6)

f - Yu - Farmer - Coney(37)

Usou-se para as comparações uma barra de zircoloy con 1,6 cm j

de diâmetro externo e 1 mm de espessura. As temperaturas de con >

torno foram: j

- temperatura inicial da parede : 5389C í

- temperatura de saturação da água: 14 09C :

- temperatura àc remolhamento : 1939C

Os resultados são mostrados na tabela IV.3, e indicam que o

modelo A se asseirelha a quase todos os trabalhos, a baixos núre

meros de Biot, e que a altos números de Fiot somente se aproxima

aos trabalhos de Plair e de Duffey e Porthouse, com números de

Peclet maiores que os demais.II

Observação: ]

- o número de Piot (Pi) é dado por : — -

!

p C v c fm W TOW !

- o número de Peclet (Pe) e dado por : jK w j

onde: '.

h - coeficiente de transferência de calor (V:/F2 9C)

c - espessura do e ri cair is amm to (m)K - condutiviciade térmica do encamísanf»nto (——)w C

Page 80: rrr:r; - IPEN

-7!:-

Cp - calor especifico da parede JAg9C

p - densidade especifica da parede Kg/ir

v - velocidade de reirolhanento m/s

ri

S

Page 81: rrr:r; - IPEN

PI \

5.0

10

50,0

100,0

0,29700

0,42002

0,93919

1,32822

PLAIR

0,45224

0,90447

4,52236

9,0447

DL'FFFY FPOPTPOUFF

0,39564

0,79138

3,9364

7,9138

If HIT

0,30668

0,43371

0,96981

1,7367

TONFY

0,320n

0 , 4 4 9 6

1,1571

1,7367

VU-FAJWERCONEY

0,3200

0,4496

1,1571

1,7367

MODELO AOESTE

TOABAIiD

0,42060

0,84522

3,47365

7,0802

Tabela IV. 3 - Comparação do número de Pec le t em função do núrrero de Fiot de vários pesmrisadores , cor o modelo A des t e t r aba lho ( tabela tirada da referência 4). "~

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CAPITULO V

5. CONCLUSÃO F RFCOÜFfDACÜFS PARA TRABALHO? FUTUROF

5.1 Conclusão

Ainda hoje, a quase totalidade dos estudos relaciona

dos a escoamento bifãsico estão abertos a discussões, e muitas

experiências e tentativas de se formular correlações têm sido

feitas. O fenômeno do remolhamento não é uma excessão. A maior'•'i

parte das experiências sobre o romolhanu nto consenuem medir anp i"~ jlil

nas a velocidade de remolbamento. Alguns parâmetros, como o coe i;i

ficiente de transferencia de calor e a temperatura de remolha i !

mento, são indeterminados. NTa aplicação de alguns dos modelos ]| •

descritos? nas referencias, para um cálculo prático da velocida- ]i i

de de remolhamento, estes parâmetros têm sido supostos.Estes v£ !i í

lores são muito difíceis de se prever e, as incertezas envoi vi ;j j

das em uma estimativa podem prejudicar a precisão obtida pelo !;

modelo. Por causa disto, correlações empíricas tanto para "top

flooding" como para "bottom flooding" baseados na vazão e nas !j:

temoeraturas do refrigerante têm sido desenvolvidas. Estes para j|

metros são fáceis de se estimar, e portanto estas correlações ::

são mais aplicáveis para cálculos práticos da velocidade de re ;í

molhamento . Entretanto estas equações nao consideram a fisi ',

ca do problema. Modelos analíticos ou numéricos são muito impo£ ú-..',

tantes porque eles tratam do problema físico do remolhamento e ;J;;Í

permitem um melhor entendimento do fenômeno complexo envolvido ;'

em "top e bottom flooding" de LVRs. Com este pensaronto forar j j

adotados modelos para o coeficiente de transferência de calor .'•'

(h) e a temperatura da frente dp remolhamento (T, ). Dois rrocio .,

los foram desenvolvidos: o modelo que considera três regiões <?e 'j

transferência de calor e com h constante em cada uma dolas, e '.>'

o modelo recomendado por Kirchner e Griffith ave sirulo o

remolhamento através da "curva de ebulição" coi?o o fenôreno âc

ebulição em piscina (pool boiling). 0 primeiro dos rodeios acj^

ma descrito teve sucesso, e corro pode-se ver em tnstes frito.? ;

ajusta-se muito bem aos resultados apresentados nor nufTpy r ,

Porthouse . Enquanto o segundo obteve resultados razoav^'.s a •

baixas vazões, o cue parpee lóqJco uma vez avn ar, corrclacnrf H

sadas, são para ebulição em piscina(5) (pool hoi linn), ondr n

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-73-

v-asão do escoamento pode ser considerada igual a zero. Além dis

to, soma-se o fato de que faz-se a aplicação de uma curva esta

tica a uira situação altamente transiente. Fxistem vantagens e

desvantagens de um método sobre o outro. Apesar do rodeio de

"três zonas" ter uma boa concordância com os dados experiren

tais, o segundo simula muito melhor fisicamente o fenômeno.

A tendência é de que se faça correções no irodelo reco

mendado por Kirchner e Griffith para que suas correlações levem

em conta a influência da vazão, do subresfriamento e de outros

parâmetros que afetem o fenômeno. Uma vez feito isto, ter-se-ia

em mãos, correlações que não dependeriam das faixas de

ção, e o roniolhamrnto tórnar-sc-ia universalmente aceito.

5.2 Recomendações para Trahalhos Futuros

Dado o one foi visto acima, sugere-se um aperfeiçoa

mento de uma expressão para o coeficiente de transferõr.cia de

calor e para a temperatura c!a frente de reipolhairento, rue con

sidere os efeitos de todos os parãretros envolvidos ro rerrolha

mento.

Una experiência cue simule todos os tipos cc «•scoarejr

to CTUO possam ocorrer e verificar oual a sua influência sohr* a

velocidade de remolharcento e, por extensão, no coeficiente de

| transferência de* cnlor o. na temperatura doi

I Ura continuação deste trabalho deverá conter 03

tos do corbustível nuclear e das propriedades variáveis dos ra

teriais, tais como, a densidadn, o calor específico e n condut_i_

vidade térmica.

Page 84: rrr:r; - IPEN

- 7 4 -

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Page 88: rrr:r; - IPEN

-73-

APR'DICF A

A. PROGRAMA COMPUTACIONAL

A.1 Descrição do Programa Computacional

O capitulo III mostra que para sr estudar o remolrairen

to são necessários os seguintes procedimentos iratemãticos: a re

solução do sistema dr equações de diferenças finitas e um método

iterative Para realizá-los - visando-se o cálculo da velocidade

e do tamanho da frente do reir.olhamonto, juntamente coir o perfil

de temperaturas no encamisamento - foi construído o proarara cor

putacional denominado REMOLHA. Este prograra é constituido de

34 sub-rotinas escritas na linguagem FORTRAN IV.

Todos os testes con o REMOLHA foram realizados nur

computador IPM/370, rodeio 155, do Instituto de Pescruisas Fnergé

ticas e Nucleares (ITKN). i|;j

As variáveis e sub-rotinas do prograra sao identifica ;| ,

das e definidas abaixo: ;-

r i

- Sub-rotinas: ' i

AAAA - cálculo das incognitas do proHl^Fn pelo rodeio A

PPPr- - cálculo das incógnitas do problema pelo rrodelo P

CALAI - calcule» da diagonal a da matriz A (capítulo III)

CALA2 - cálculo da diagonal b da matriz A (capítulo TTI)

CAI.nl - cálculo da diagonal d da rratriz A (capítulo IIT) |; ;

CALP2 - cálculo da diagonal e da ratriz A (capítulo ITI) ;,

I;CALC - cálculo da diagonal c da matriz A (capítulo IIT)

CALCTC - cálculo cio coeficiente de transferência dr? calor

do modelo ACALF - previsão do cotrprinento da fronte de rerolhfirrr-

to.

CALS - cálculo do votor £ da emiaçao A.T = £

CALT - cálculo do vetor T da PP ...v.áo A.T = £

Page 89: rrr:r; - IPEN

CALTEP - Cálculo do perfil de temperaturas da superfície

externa do encamisantonto

CALV - previsão da velocidade de reirolhairento

COEFIC - cálculo do coeficiente de transferência de ca

lor do modelo P

DADOS - leitura dos dados de entrada

TWFFEY - cálculo da velocidade de remolhamonto através

do ajuste feito por Duffey e Porthouse

FCAI.OR - cálculo do fluxo de calor

FI.ECI1T - cálculo da velocidade de rercolhairento através

da correlação FLECITT

FLUCRI - cálculo do fluxo critico de calor

FLUMIN - cálculo do fluxo na frente de remolhamento

GRAFIC - chama a sub-rotina PLOTT para fazer os gráficos

do coeficiente de transferência de calor em furi

cão da terrptratura da parede, e do fluxo de ca

lor em função da temperatura da parpde

IMPRI - impressão dos resultados

IMPRI 2 - impressão dos resultados

INTER - interpolação da velocidade de remolhairento rara

o caso P

INTERP - interpolação da velocidade de remolhamento para

o caso 7\

MAJOR - programa principal

MONTA - faz a montagem da iratriz A (do capítulo III)

PETER 1 - cálculo do perfil de temperaturas cfo refrigerar

te

PLOTT - faz os orãficos reouisitados pela sub-rotina

GRAFIC

QUALID - calculo do perfil do título <3a iristura

SISTEM - coordena o cálculo, a rcontager. e a inversão ia

matriz A (do capítulo III)

TF.C1IF - cálculo da terppratura de fluxo crítico

TKMIK - cálculo cia tetnneratura de rcmolharrrrto

Page 90: rrr:r; - IPEN

-80-

TEST - testa à convergência do retoco utilizado nara

inversão da matriz

- variáveis

A

ABSOKV

AKP

AKG

AKL

AKW

AM IF

AMIG

AMIL

AREA

BETA

POLTSM

CAFG

CI!F

CPF

CPG

CPW

CTC

DP

Dl!

DR

nz

EMISFI

FC

FM IN

G

GL

II

Matriz A (do capitulo III)

absorvidade da parede

condutividade térmica do liquido

condutividade téririca do vapor

condutividade térmica do líquido de entrada

condutividade térmica da parede

viscosidade dinâmica do liquido

viscosidade dinâmica do vapor

viscosidade dinâmica do líouido na entrada

área de escoamento

coeficiente de expansão térmica

constante de Poltsm

valor latente de vaporização

fluxo crítico de calor

calor específico do líquido

calor específico do vapor

calor específico da parede

• coeficiente de transferência de calor

• diâmetro da barra

• diâmetro equivalente do canal

• incremento espacial radial

• incremento espacial axial

- fluxo de calor

- fluxo na frente de remolhairento

- aceleração da gravidade

- velocidade mássica na entrada

- comprimento da frente de

Page 91: rrr:r; - IPEN

M

N

KCHF

NH

PRF

PRG

PRL

PR1.-:

QL

R

RE

P.I

ROF

ROG

ROL

ROW

ST

T

TP

TCHF

número cie nós radiais

número de nós axiais

número de nós axiais correspondente ao

mento da frente de remolhanento ao fluxo cri

tico de calor

número de nós axiais correspondente a região

de remolhamento

número de Prandlt do líquido

número de Prondlt do vapor

número do Prondlt rio liquido do entraria

número de Prondlt ã temperatura da paredp

vazão volumêtrica na entrada

vetor raio

raio externo do encareisamonto

raio interno do encamisamento

densidade especifica do líouido

densidade específica do vapor

densidade, específica do línuido na entrada

densidade específica da pc-.rvâo

vetor F (do capítulo III)

t .-»,são superficial no líauido

vetor temperaturas (do capítulo III)

temperatura do contorno inferior

• temperatura de fluxo crítico dn calor

i

i

TIT

TL

TNP

TP

TQP

TR

TSAT

TU

- título da mistura

- temperatura de entrada do líauido

- temperatura de iricro de ebulição r.uclrada

- temperatura da superfície rxtrrr.a da ncirr>de

- temperatura de reirolhamento

- temperatura do refrigerante

- temperatura de saturação

- temperatura do contorno sunrrior

. ;

(

1

Page 92: rrr:r; - IPEN

-82-

TV - ten.peratura do vapor

V - velocidade de remolhamento

VAI - vetor da diagonal da matriz A (do capitulo III)

VA2 - vetor da diagonal da -'.triz A (do capitulo III)

VB1 - vetor da diagonal •• . .natriz A (do capitulo III)

VB2 - vetor da diagon»l da matriz A (do caDxtulo III)

VC - vetor da di - anal da matriz A (do capitulo III)

VL - velocid? v 3o líquido na entrada.

As figura A.I /.2 /.3 mostram de maneira simplificada o dia

grana de bloco do pronrama P.EMOLI1A. Achou-se necessário, apenas

a apresentação do método iterativo para o caso A, jã oue o mode

Io r ei srmelhantp. h

Page 93: rrr:r; - IPEN

-83-

QUANTIFICAÇÃO DO

DADO DE ENTRADA A

SER VARIADO

UFA = +1 - O CALCULO

Ê FEITO PFI.0 CASO A

E E

UFA = -1 - O CALCULO

E FEITO PFf.O CASO A

P4AJOR

Figura A.l - Diagrama do prograrra principal

Page 94: rrr:r; - IPEN

-84-

I'.'JTITU í(

Page 95: rrr:r; - IPEN

-35-

CALCTC

i

FTFTFM

PETERl

INTEPP IMUDA=1

IMUDA=O

Figura A.3 - njaqrama da sub-rotina AAAA

Page 96: rrr:r; - IPEN

-86-

A.2 - Listagem do Programa

C

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ccc

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fcilfc CCUúú FAZ PAkTE CA CISSCHTACAC Ct "cSTRACC, CUJO TEMA £ ' :«IKULALAC KürtEKlCA Dü FtNUNtNÜ Cfc KEfULkAPtVIG Oê tK ELEMeNTC OECOoLii lVfcL.

CR: FítAKCISCC AMCN1C FlLhC

PRCCRAKA PRINCIPAL

til£ PROGitAHA SEHA* USADC PARA ANALISAR C BfcMClhAMEMG CE UMACE CCHbLSTlVtLt CALCULANIiC s PEAFIL CE TEHPERATlRASt CCtFI_

C1EKU CL TRANSFEKEHC.1A DE CALCR, VELCCICACE CE RtCCLHAHENTC t OCA FRENTE DE RESFR1AMEKTC.

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ESlt PKCliRAKA OSA PARA INVERSAC CA «ATRIZ U*ASOoACUNA OA HAKriELL PARA MATRIZ ESPAHSAtKA2dA/MA2«CU

CCNülüERAMCS NESTE PROGRAMA tf FtftflL LINEAR CA TEMPERATURANA HEClAü SUoRESFKlADA É SüPtRAUUtCICA E L^ PcPFIL CONSTANTECJ CTC EH CADA ZCNA OE TRANSFERENCIA CE CíLC».

ooaoooio00000020OOOOOOJOoooooova000000*0OOOOOOoO000CCÜ70COOOCOaOOOOOOOvú0000010000000110000001200000013000000140000001SOOOOOCloO00000119OOOOOlbO000001900O0CC20300000210000002200000C2300000024000000253000002oO000002700O00C2SOOOOOC<!90000003000O00C31O00000320000003JO

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-87-

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CALL PElfcSl

CALL CCEFIC

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OO0I49SI000015000000150100001S02000C150J0C0015040OOO15O5O00015000CC015Ú70000150Ò0000150VO0O0I51OÜ0001&UO

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-110-

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RA12 wtACRAOA)» OCO1525OI * = INDICA F-0N1CS CCINCICfcNTES', 00015260

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ESTA bUC-JiCtlNA TESTA A CCNVERGENCIA CC KtTCDC

00016350Ü0U16Í600C016370

Page 122: rrr:r; - IPEN

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If IVU1)-SO/I)HO,1CO,1CC11C CCM«1ICC CCMINUE

Jf4CCM12O,12O,6O

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-113-

APft'DICF P

P . DADOS DF FfTRADA DO PROGRAMA

B.I Descrição dos Dados de Entrada

Apresenta-se, como exemplo, iwa descrição dos dados de

entrada do caso de referência (ver secção 4.1).

Da tabela do Collier1 , uma vez definida a pressão ou

a temperatura de saturação do sistema, ohtém-se todas as pronrie

dades necessárias do líquido saturado e do vapor saturado seco:

Tsat

ROF

ROG

PT

CAFG

P

CPF

cnn

AKF

AKG

AMIG

AM IF

FRF

PRG

BETA

= 100

= 957,8529

= 0,5977

= 0,05878

= 2,257 IO6

= 1,01325 105

- 4,218 IO3

= 2,023 10 3

= 0,fi81

= 24,9 IO"3

= 1 2 , Of» 10" f >

= 283,1 IO"6

= 1,75

= 0,987

= 0,18 IO"3

0 número de Prandtl ã temperatura da rareie será con

siderada igual ao do liquido saturado:

PM/ = PHF

A íjoomotrin do sjstoma "b flofiniflii pelos sr-rriiInfers fijl

dos:

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-114-

DH = 0,014

DP = 0,016

AREA = 0,0005057964.

RI = 0,007

RE = 0,008

O número de nôs e o comprimento da frente de rerrolha

mento são dados:

N « 280

M = 5

H = 5,00 10~3

Para cálculo do coeficiente de transferência de calor

por irradiação são necessários as seguintes constantes:

EMISRI

ABSORV

POLTSM

= 0

= 0

= 5

,8

,2

,67 IO"8

O valor da aceleração da gravidade é:

G = 9,8

As propriedades do fluido de entrada são:

VL = 0,0015

ROL = 971,65

AMIL = 315,6 10~6

TL = 8 0

PRL - 2,23

AKL = 0,671

Uma vez definida a geometria do siste~a, os incrrrcn

tos espaciais radial e axial são calculados:

DZ » 0,04 IO"3

DR =0,2 10~3

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-115-

A temperatura inicial do èncamisar-ento drvr» ser forne

cida:*

TV = 600

#

As propriedades médias do encamisan>ento são dadas er

função da temperatura média do mesmo .

Para o aço inox são:

CPVJ = 477 + 0 ,18 ((TU+TB)/2)

AKW = 14 ,7 + 0 ,013 ((TÜ+TB/2))

ROW = 7980 - 0 ,4 ((TU+TP./2))

B.2 Cartões de- Entrada

Cartão 1 - (6D11.6) TSAT, ROF, ROG, ST, CAFG, F

TSAT - Temperatura de saturação

ROF - Densidade específica do líquido

ROG - Densidade especifica do vapor

FT - Tensão superficial do liquido

CAFG - Calor latente de vaporização

P - Pressio

Cartão 2 - (fDll.6) CrF, CPG, AKF, AKG, AMIF, AMIG

CPF - Calor especifico do líquido

CPG 2. C a l ° r especifico do vapor

AKF - Condutividadc» térmica do líquido

AKG - Condutividade térmica do vapor

AMIF - Viscosidade dinâr.ica do líquido

AMIG - Viscosidade dinâirica do vapor

Cartão 3 - (3D11.6) PP.F, PRG, PETA

PRF - Número de Prondtl do líquido

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-116-

PRG - Numero de Prondtl do vapor

BETA - Coeficiente de expansão térmica

Cartão 4 - (4D11.6) DP, AREA, RI, RE

DP - Diâmetro da barra

AREA - Area de escoamento

RI - Raio interno do encamisamento

RE - Raio externo do encamisamento

Cartão 5 - (213,011.6) N, M, H

N - Numero de nõs axiais

M - Número de nós radiais

H - Comprimento da frente de remolhamento

Cartão f. - (3D11.6) APSORV, EMIPSI, POLTSM

ABSORV - Absorvidade da parede

EMISFI 2. Emissividade da parede

BOLTSM - Constante de Toltsir.

Cartão 7 - (D11.6) G

G - Aceleração da gravidade

Cartão 8 - (6D11.6) ROL, AMIL, TL, PRL, AKL, VL

ROL - Densidade específica do líauido de entrada

AMIL - Viscosidadp dinârrica do liquido de entrada

TL - Temperatura do líquido de entrada

PRL - Número de Prondtl do líquido de entrada

AKL - Condutividade térmica do líquido de entrada

VL - Velocidade do líquido na entrada

Cartão 9 - (2D11.6) DZ, DR

DZ - Incremento espacial axial

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-117-

DR - Incremento espacial radial

Cartão 10 - (D11.6) TU

TU - Temperatura inicial do encamisairento

As unidades de todas as variáveis dimensionais estão

no Sistema Internacional. O arcruivo dos cartões de entrada para

o caso de referência encontra-se na figura P-. 1.

.iC0CCCC*CJ-S5765i:C*CJ. 5977000*00. 5lí7í»C0C-02.2257CCC*C7.1Cl32SC*C6.6610000*00 ..2*ÇCCCO-CW28.ilCCC-C1..12C6GCC-0<»

.HCCCL-C1.16CCCC0-01.5057960-03.7CCC00C-C2.800CC0C-02ZüQ 5.5CCCC0C-02..;CCCCCC*CC.bCOCCCC*CC.567000C-07

.31 í>tGCC-C3.8OOOOOD*O2.223OCCC»C1.671COCC»CC.15CCCCC-02.tCCCCCC-C4.2C0CCC0-03.6C0CCCC-Ci

Figura B.l - Arquivo dos cartões de entrada.

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-118-

APtPDICF C

C. RFSPOSTA DO PROGRAMA""RFMOLHA"

C l Descrição dos Dados de Salda

Sao impresso os seguintes dados:

- velocidade de remolhairento,

- número de iterações necessárias,

- comprimento da frente de remolhamento

- perfil de temperaturas do encareisamento do refrige !''~~ i

rante, !i

- gráficos do coeficiente de transferência de calor ji

em função da temperatura superficial da r>arede •_ i

do fluxo de calor em função da mesma. >i

Todos os dados acima descritos são relacionados para

ambos os modelos A e P. •

Apresenta-se a seguir uma das saldas do programa RE~ t.

MOLHA referente ao caso heise. •;

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-119-

C.2 - Listaqens de Salda do Programa

mCUCACE CE FEPOLHAHtNTO ICLFFtY.H/S)FC1 tS*CJ 0 *JLSTk 1

.1254Í20-O2

• • CALCULC USANDO O MOCELC A * •

Kl>fcRC CE ITERAÇÕESIT« 5

VÊtCCiCíCfe D£ RfcMOLHAHEMC lHETHCi/S)V-O.11640-02

COMFRlfcNTC OA CuENCH FRCNT (KETRCS)MC.5C4CD-02

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