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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.85.2018.tde-23102018-160457
Documento
Autor
Nome completo
Rafael Radé Pacheco
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2018
Orientador
Banca examinadora
Andrade, Delvonei Alves de (Presidente)
Borges, Eduardo Madeira
Cassiano, Douglas Alves
Umbehaun, Pedro Ernesto
Título em português
Desenvolvimento de modelos analítico e numérico associados ao fenômeno de condensação por contato direto em tanque de alívio de reator PWR
Palavras-chave em português
água
BWR
elementos finitos
injeção
modelo numérico
PWR
tanque de alívio
vapor
volumes finitos
Resumo em português
O fenômeno de injeção de vapor em tanques de alívio é de relevância no projeto de reatores de água leve, sejam eles do tipo reator de água pressurizada (PWR) ou reator de água fervente (BWR). Este fenômeno permite a rápida absorção do vapor injetado em massa de água, por meio de sua condensação, uma vez que este vapor pode conter contaminantes químicos ou radiológicos que não permitem o seu descarte diretamente no ambiente. Desta forma, facilita-se a coleta do vapor produzido por descarga de vapor da água do resfriamento do reator, radiologicamente contaminada, e evita-se o que projeto de dispositivos e equipamentos necessite considerar a elevada pressão do vapor. A rapidez com que se dá a condensação é fruto de processos físicos que ocorrem na interface de vapor e água e que ainda não possuem modelo analítico e numérico definido. Em 1972 um modelo semi-empírico foi proposto, o qual, desde então, vem evoluindo. Não obstante, até o presente momento, não há modelo definitivo que se proponha a abranger toda extensão das condições experimentais. Estes modelos são fortemente dependentes do fluxo de massa que atravessa a interface de vapor e água, entretanto, até a presente data, não há expressão que determine este fluxo de massa, de tal forma que o valor de 275 Kg/m2/s vem sendo assumido como "representativo da ordem de grandeza do fenômeno" até o presente momento. Neste trabalho, é proposto um método de cálculo analítico do fluxo de massa, considerando-se como premissa a isentropia da injeção, e o desenvolvimento da 1ª e 2ª leis da Termodinâmica. Ainda, o fenômeno é analisado experimentalmente, por meio da análise dos dados produzidos no experimento do Circuito Termo Hidráulico de 150 bar (Loop 150), realizado nas dependências do CENTRO TECNOLÓGICO DA MARINHA EM SÃO PAULO. Por fim, um modelo numérico em software comercial foi desenvolvido para complementar a análise. Os resultados obtidos comprovam que a formulação isentrópica do fluxo de massa corrige de maneira satisfatória o fluxo de massa constante utilizado até então nos modelos semi-empíricos. Tal comprovação se deu através de análise numérica e da confrontação com dados experimentais obtidos na literatura.
Título em inglês
Development of analytical and numerical models associated to the condensation phenomenon by direct contact in PWR reactor relief tank
Palavras-chave em inglês
BWR
finite elements
finite volumes
injection
numerical model
PWR
relief tank
steam
thermodynamics
turbulence
water
Resumo em inglês
The phenomenon of vapor injection in relief tanks presents relevance in the design of light water reactors, be they of the type pressurized water reactor (PWR) or boiling water reactor (BWR). This phenomenon allows the rapid absorption of the vapor injected in a mass of water, by condensation. Since this vapor may contain chemical or radiological contaminants that do not allow its discharge directly in the environment, it must be collected. The condensation avoids the design of devices and equipment, which need to consider the high vapor pressure, and allows the vapor to be collected. The rapidity with which the condensation occurs is the result of physical processes that occur at the interface of steam and water. These processes do not yet have a defined numerical and analytical model. In 1972 a semi-empirical model was proposed, which has, since then, evolved. Nevertheless, up to the present moment, there is no definitive model that intends to cover every extension of the experimental conditions. These models are strongly dependent on the mass flow through the steam and water interface, however, up to date, there is no expression that determines this mass flow. For the sake of this, the value of 275 kg / m2 / s has been assumed as "representative of the order of magnitude of the phenomenon" up to the present moment. In this work, a method of analytical calculation of mass flow is proposed, considering as premise the isotropy of the injection, and the development of the 1st and 2nd laws of thermodynamics. Still, the phenomenon is analyzed experimentally, by means of the analysis of the data produced in the experiment of Loop 150, realized in dependencies of the CENTRO TECNOLÓGICO DA MARINHA EM SÃO PAULO. Finally, a numerical model in commercial software was developed to complement the analysis. The result is proven with an isentropic mass flow formulation, which satisfactorily corrected the mass used in the former semi-empirical models. Such verification was performed through a series of data and confrontation with experimental data in the literature.
 
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Data de Publicação
2018-11-12
 
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