Ferraris, Daniel Lucas (2019) Desarrollo de una correlación para la estimación de la pérdida de carga en tubos helicoidales / Development of a correlation for the estimation of the frictional pressure drop in helical coiled tubes. Maestría en Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
Debido a la mejor transferencia de calor y a su diseño compacto, los tubos helicoidales son ampliamente utilizados para el diseño de intercambiadores de calor en distintas aplicaciones industriales. En el caso de la industria nuclear, estas características los hace atractivos para el diseño de generadores de vapor en reactores integrados, donde todos los componentes del sistema primario se encuentran ubicados dentro del recipiente a presión, como en el caso del reactor CAREM-25. Durante los procesos de diseño y operación de los generadores de vapor, es importante la predicción de la caída de presión del flujo en simple y en dos fases. Sin embargo, la presencia de nuevas variables geométricas en tubos helicoidales dadas por el diámetro medio de la hélice D y el paso p, introduce una complejidad en los fenómenos termohidráulicos mucho mayor que la presente en tubos rectos. En particular, se ha observado que la curvatura de la hélice induce un flujo secundario que mejora el mezclado del fluido. El flujo secundario se ha encontrado tanto en flujo en simple fase como en flujos bifásicos, y es el motivo por el cual los intercambiadores de calor basados en tubos helicoidales poseen mejores características de transferencia de calor. Sin embargo, el flujo secundario produce también un incremento en las pérdidas de carga con respecto a los tubos rectos. Como resultado de una gran cantidad de investigaciones numéricas y experimentales, en la literatura se encuentran presentes un cierto número de correlaciones para la estimación de las pérdidas de carga en flujo monofásico y bifásico para diversas condiciones. Sin embargo, se ha observado una gran variabilidad en las predicciones al usar dichas correlaciones, lo que acarrea incertezas que condicionan los resultados. Surge así la necesidad de una mayor comprensión de cómo afectan los diferentes parámetros de diseño al flujo monofásico y bifásico en tubos helicoidales. Esto es importante para el correcto diseño y la operación segura de los componentes del generador de vapor del reactor CAREM-25. En esta tesis se llevó a cabo un análisis experimental de las pérdidas de carga en tubos helicoidales, tanto en flujo en simple fase como en dos fases (ebullición), buscando desarrollar correlaciones empíricas que permitan una estimación precisa de las pérdidas de carga. Se inició el análisis con la construcción de una amplia base de datos experimentales de pérdidas de carga en tubos helicoidales para flujo en simple fase y dos fases, la cual es necesaria para la verificación y propuesta de correlaciones empíricas. Las bases de datos fueron construidas a partir de la digitalización de datos publicados en artículos en la literatura abierta, así como mediciones propias obtenidas en un circuito experimental (para flujo en simple fase) construido y ensayado durante el presente trabajo. El ensayo fue realizado con un tubo helicoidal cuya geometría se corresponde con la de los tubos de la camisa interna del generador de vapor de CAREM-25. A partir del mismo se determinó el factor de fricción para un rango de números de Reynolds entre 17000 y 70000. Se compararon los valores obtenidos con la correlación de Ito para flujo turbulento, encontrando una buena concordancia. Posteriormente se llevó a cabo un análisis dimensional del factor de fricción del flujo en simple fase en tubos helicoidales, reduciendo a dos la cantidad de variables independientes del problema (número de Reynolds y curvatura). Luego se estudió el régimen de transición de laminar a turbulento, analizando algunas correlaciones para la determinación del número de Reynolds crítico y se realizó una división de la base de datos, para el análisis de los datos en régimen laminar y turbulento por separado. A partir de la base de datos construida, se observó la dependencia del factor de fricción con las distintas variables, se compararon los datos con las correlaciones existentes en la literatura y finalmente se propusieron correlaciones que ajusten los datos experimentales. Se encontró que las correlaciones de Ito para régimen laminar y turbulento ajustan los datos experimentales con la menor diferencia media. Luego se realizó un análisis similar con la base de datos del flujo bifásico en tubos helicoidales. Mediante un análisis dimensional, se redujo a cuatro la mínima cantidad de variables independientes en el problema. Después se analizó la dependencia de las pérdidas de carga con las variables y finalmente se propuso una correlación basada en el modelo de flujo homogéneo. Además, se estudió la correspondencia entre los datos experimentales y algunas correlaciones, entre las que se incluye la correlación propuesta. Por último, se realizó un análisis de la distribución de los caudales y títulos a la salida en los tubos del generador de vapor de CAREM-25. Para esto se construyó un modelo numérico que calcula la caída de presión y la transferencia de calor con el primario en dos tubos con geometrías correspondientes a la camisa interna y externa del generador de vapor. Además se realizó un análisis de sensibilidad de los resultados con respecto a variaciones en el coeficiente de pérdida de carga del restrictor.
Resumen en inglés
Due to the improvement in heat transfer and its compact design, helical coiled tubes are widely used for the design of heat exchangers in different industrial applications. In the case of the nuclear industry, these characteristics make them attractive for the design of steam generators in integrated reactors, where all the components of the primary system are located inside the pressure vessel, as in the case of the CAREM-25 reactor. During the design and operation processes of steam generators, it is important to predict the pressure drop for simple-phase and two-phase flow. However, new geometric variables in helical coiled tubes given by the average diameter of the helix D and the pitch p, introduces a complexity in the thermal-hydraulic phenomena much greater than that present in straight tubes. It has been observed that the curvature of the helix induces a secondary flow that improves the mixing of the fluid. The secondary flow has been found in both single-phase and two-phase flows, and is the reason why the heat exchangers based on helical coiled tubes has better heat transfer characteristics. However, the secondary flow also produces an increase in frictional pressure drop with respect to straight tubes. As a result of a large number of numerical and experimental investigations, different correlations are present in the literature to estimate the frictional pressure drop for single-phase and two-phase flow in helical coiled tubes for various conditions. However, great variability in the predictions has been observed when using these correlations, which leads to uncertainties that condition the results. Thus the need arises for a greater understanding of how different design parameters affect the frictional pressure drop for single-phase and two-phase flow in helical coiled tubes. This is important for the correct design and safe operation of the CAREM-25 steam generator components. In this thesis, an experimental analysis of the frictional pressure drop in helical coiled tubes was carried out, both in single-phase and two-phase flow (boiling), seeking to develop empirical correlations that allow an accurate estimation of the frictional pressure drop. The analysis began with the construction of a large experimental database of frictional pressure drop in helical tubes for single-phase and two-phase flow, which is necessary for the verification and proposal of empirical correlations. The databases were constructed from the digitalization of data published in articles in the open literature, as well as own measurements obtained in an experimental circuit (for simple-phase flow) built and tested during the present work. The test was performed with a helical tube whose geometry corresponds to that of the smaller diameter helix tubes of the CAREM-25’s steam generator. The friction factor was determined for a range of Reynolds numbers between 17000 and 70000. The values obtained were compared with the Ito correlation for turbulent flow, finding a good concordance. Subsequently, a dimensional analysis of the friction factor for single-phase flow in helical tubes was carried out, reducing the number of independent variables of the problem to two (Reynolds number and curvature). Then the laminar to turbulent transition regime was studied, analyzing some correlations for the determination of the critical Reynolds number and a division of the database was made, to perform the analysis of the data in laminar and turbulent regime separately. From the database constructed, the dependence of the friction factor with the different variables was observed. Finally, the data were compared with the existing correlations in the literature and new correlations were proposed to fit the experimental data. It was found that the correlations of Ito in laminar and turbulent regime fit the experimental data with the smallest average difference. A similar analysis was then performed with the database of two-phase flow in helical coiled tubes. Through a dimensional analysis, the minimum number of independent variables in the problem was reduced to four. Then, the dependence of the frictional pressure drop with the variables was analyzed and finally a correlation based on the homogeneous flow model was proposed. In addition, the correspondence between the experimental data and some correlations, including the proposed correlation, was studied. Finally, an analysis was performed about the distribution of mass flow and title at the exit of the CAREM-25 reactor steam generator tubes. A numerical model was constructed that calculates the pressure drop and the heat transfer with the primary system in two tubes with geometries corresponding to the internal and external tubes of the steam generator. Then, a sensitivity analysis of the results was performed with respect to variations in the restrictor pressure loss coefficient.
| Tipo de objeto: | Tesis (Maestría en Ingeniería) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Correlations; Correlaciones; Two-phase flow; Flujo bifásico; Steam generation; Generación de vapor de agua; CAREM 25 reactor; Reactor CAREM 25; [Helical tube; Tubo helicoidal; Frictional presure drop; Pérdida de carga] |
| Materias: | Ingeniería mecánica > Termohidráulica |
| Divisiones: | Gcia. de área de Energía Nuclear > Gcia. de Ingeniería Nuclear > Termohidráulica |
| Código ID: | 988 |
| Depositado Por: | Marisa G. Velazco Aldao |
| Depositado En: | 13 Oct 2021 16:22 |
| Última Modificación: | 14 Oct 2021 14:17 |
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