Experimentación y modelación de mezcla de vapor y gases no-condensables

Abstract

[ES] La descarga de vapor en forma de chorro en piscinas con agua subenfriada es una forma muy eficiente de condensar vapor y es muy utilizada en diversas aplicaciones industriales, como la industria farmacéutica, metalúrgica, química, sistemas de propulsión sumergida y nuclear. Siendo especialmente esencial en los sistemas de seguridad de las centrales nucleares, concretamente en la piscina de supresión de presión de los Reactores de Agua en Ebullición (BWR, Boiling Water Reactor) y en el tanque de almacenamiento de agua de reabastecimiento en la contención de los reactores avanzados de agua a presión. La eficiencia de esta técnica, denominada Condensación por Contacto Directo (DCC, Direct Contact Condensation), radica en la rápida condensación del vapor proporcionando una alta capacidad de transferencia de calor e intercambio de masa. En las últimas décadas, se han llevado a cabo muchos experimentos sobre los chorros sumergidos de gases no condensables y vapor puro en piscinas, que han proporcionado mucha información de interés, aunque continúan los esfuerzos para adquirir información adicional. Para estudiar en detalle el comportamiento de las descargas de chorros turbulentos se han llevado a cabo una serie de experimentos en una instalación que ha sido diseñada para representar diversos entornos de interés crítico para la seguridad en centrales nucleares. Su singularidad radica en la capacidad de poder reproducir fenomenologías similares a situaciones específicas que podrían surgir en una central nuclear, desde sistemas de despresurización hasta roturas con pérdida de refrigerante. La instalación posibilita el estudio con vapor, aire o una mezcla de ambos utilizando geometrías simples (boquilla) o complejas (sparger) en una piscina con agua en reposo. Se ha utilizado una cámara de alta velocidad con Dispositivo de Carga Acoplada (CCD, Charged-Coupled Device) para capturar imágenes de la descarga del chorro en la piscina y así determinar la interfase entre el gas y el líquido, utilizando técnicas de visualización directa. Para llevar a cabo el procesamiento de dichas imágenes, se han aplicado una serie de procedimientos de procesado, filtrado y post-procesado utilizando una subrutina implementada en MATLAB. Tras la adquisición de las imágenes, se ha caracterizado el comportamiento del chorro de vapor y aire, el efecto de la fracción volumétrica de aire sobre la mezcla y el efecto de la variación del tamaño de la boquilla. Además, se ha medido la longitud del momento del chorro y se ha comprobado su estrecha relación con el diámetro de la boquilla, la velocidad del chorro y el porcentaje de la mezcla. Por otro lado, se ha caracterizado el comportamiento del chorro horizontal en la zona de transición. La transición indica el cambio de un chorro dominado exclusivamente por la fuerza de momento a un régimen en el que las fuerzas de flotación prevalecen. Esta prueba se ha realizado utilizando cinco boquillas intercambiables y para cada caudal de vapor se ha determinado el porcentaje de aire en el que ocurre la transición. Otro de los principales objetivos de esta tesis es la modelación utilizando herramientas de códigos de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), específicamente descargas de chorros de aire en agua subenfriada. Para esto se ha empleado el software ANSYS CFX. El comportamiento del flujo multifásico se ha simulado utilizando el modelo euleriano-euleriano no homogéneo; debido a que es más conveniente para estudiar fluidos interpenetrados. Los resultados CFD se han validado con datos experimentales y resultados teóricos. Las cifras de mérito de la longitud de penetración adimensional y la longitud de flotabilidad adimensional muestran una buena concordancia con las mediciones experimentales. Las correlaciones para estas variables se obtuvieron en función de números adimensionales para dar generalidad utilizando sólo condiciones iniciales de contorno.

[CA] La descàrrega de vapor en forma de xorrat en piscines amb aigua subrefredada és una forma molt eficient de condensar vapor i s'utilitza àmpliament en diverses aplicacions industrials, com la indústria farmacèutica, metal·lúrgica, química, sistemes de propulsió submergida i nuclear. És especialment essencial en els sistemes de seguretat de les centrals nuclears, concretament en la piscina de supressió de pressió dels Reactors d'Aigua en Bulliment (BWR) i en el dipòsit d'aigua de reaprovisionament a la contenció dels reactors avançats d'aigua a pressió. L'eficiència d'aquesta tècnica, anomenada Condensació per Contacte Directe (DCC), rau en la ràpida condensació del vapor proporcionant una alta capacitat de transferència de calor i intercanvi de massa. En les últimes dècades, s'han realitzat molts experiments sobre els raigs submergits de gasos no condensables i vapor pur en piscines, que han proporcionat molta informació d'interès, tot i que continuen els esforços per adquirir informació addicional. Per estudiar amb detall el comportament de les descàrregues de raigs turbulents s'han dut a terme una sèrie d'experiments en una instal·lació que ha estat dissenyada per representar diversos entorns d'interès crític per a la seguretat en centrals nuclears. La seua singularitat rau en la capacitat de poder reproduir fenomenologies semblants a situacions específiques que podrien sorgir en una central nuclear, des de sistemes de despressurització fins a ruptures amb pèrdua de refrigerant. La instal·lació possibilita l'estudi amb vapor, aire o una barreja de tots dos utilitzant geometries simples (busseta) o complexes (sparger) en una piscina amb aigua en repòs. A més, és possible combinar aquestes situacions amb diferents condicions de cabal, pressió o temperatura. S'ha utilitzat una càmera de alta velocitat (CCD) per capturar imatges de la descàrrega del raig a la piscina i així determinar la interfase entre el gas i el líquid, emprant tècniques de visualització directa. Per dur a terme el processament d'aquestes imatges, s'han aplicat una sèrie de procediments complexes de processat, filtrat i post-processat mitjançant una subrutina implementada en MATLAB. Després de l'adquisició de les imatges, s'ha caracteritzat el comportament del raig de vapor i aire, l'efecte de la fracció volumètrica d'aire sobre la barreja i l'efecte de la variació de la grandària de la busseta. A més, s'ha mesurat la longitud del moment del raig i s'ha comprovat la seua estreta relació amb el diàmetre de la busseta, la velocitat del raig i el percentatge de la barreja. D'altra banda, s'ha caracteritzat el comportament del raig horitzontal en la zona de transició. La transició indica el canvi d'un raig dominat exclusivament per la força de moment a un règim en què les forces de flotació prevalen. Aquesta prova s'ha realitzat utilitzant cinc bussetes intercanviables i per a cada cabal de vapor s'ha determinat el percentatge d'aire en què ocorre la transició. Un altre dels principals objectius d'aquesta tesi és la modelització utilitzant eines de codis de Dinàmica de Fluids Computacionals (CFD), específicament descàrregues de xorrades d'aire en aigua subrefredada. Per a això s'ha utilitzat el software ANSYS CFX. El comportament del flux multifàsic s'ha simulat utilitzant el model eulerià-eulerià no homogeni, ja que és més convenient per estudiar fluids interpenetrats. Els resultats CFD s'han validat amb dades experimentals i resultats teòrics. Les figures de mèrit de la longitud de penetració adimensional i la longitud de flotabilitat adimensional mostren una bona concordança amb les mesures experimentals. Les correlacions per a aquestes variables s'han obtingut en funció de nombres adimensionals per donar generalitat utilitzant només condicions inicials de contorn. El model numèric CFD desenvolupat té la capacitat de simular el comportament de gasos no condensables descarregats en aigua.

[EN] The discharge of steam in the form of a jet in pools with subcooled water is a highly efficient way to condense steam and is widely used in various industrial applications, such as the pharmaceutical, metallurgical, chemical, submerged propulsion, and nuclear industries. It is particularly essential in the safety systems of nuclear power plants, specifically in the pressure suppression pool of Boiling Water Reactors (BWR) and in the water replenishment tank in the containment of advanced pressurized water reactors. The efficiency of this technique, known as Direct Contact Condensation (DCC), lies in the rapid condensation of steam, providing a high heat transfer and mass exchange capacity. In recent decades, numerous experiments have been conducted on submerged jets of non-condensable gases and pure steam in pools, yielding valuable information, although efforts continue to gather additional data. To study in detail the behavior of turbulent jet discharges, a series of experiments have been carried out in a facility designed to simulate various critical environments for safety in nuclear power plants. Its uniqueness lies in the ability to reproduce phenomenologies like specific situations that could arise in a nuclear power plant, from depressurization systems to ruptures with coolant loss. The facility enables the study with steam, air, or a mixture of both using simple geometries (nozzle) or complex geometries (sparger) in a pool with quiescent water. Additionally, it is possible to combine these situations with different flow, pressure, or temperature conditions. A high-speed camera with Charge-Couple Device (CCD) has been used to capture images of the jet discharge in the pool, aiming to determine the gas-liquid interface through direct visualization techniques. Following the image acquisition, a series of complex processing, filtering, and post-processing procedures have been applied using a subroutine implemented in MATLAB. After obtaining the images, the behavior of the steam and air jet, the effect of the volumetric fraction of air on the mixture, and the impact of varying the nozzle size have been characterized. Additionally, the length of the jet momentum has been measured, establishing its close relationship with the nozzle diameter, jet velocity, and mixture percentage. Furthermore, the behavior of the horizontal jet in the transition zone has been characterized. The transition denotes the shift from a jet dominated exclusively by momentum force to a regime where buoyancy forces prevail. This test has been conducted using five interchangeable nozzles, and for each steam flow rate, the percentage of air at which the transition occurs has been determined. Another main objective of this thesis is modeling using Computational Fluid Dynamics (CFD) tools, specifically jet discharges of air into subcooled water. The ANSYS CFX software has been employed for this purpose. Multiphase flow behavior has been simulated using the non-homogeneous Eulerian-Eulerian model, as it is more convenient for studying interpenetrated fluids. CFD results have been validated with experimental data and theoretical results. The dimensionless penetration length and dimensionless buoyancy length merit figures show good agreement with experimental measurements. Correlations for these variables were obtained as a function of dimensionless numbers to provide generality using only initial boundary conditions. The developed CFD numerical model has the capability to simulate the behavior of non-condensable gases discharged into water.