'Programa de Pos-graduacao em Ciencias Contabeis da UFRJ'
Abstract
Passive safety systems for residual heat removal through natural circulation are indispensable for the future of nuclear energy. In an attempt to optimize such systems, the use of supercritical CO2 is an alternative considered by many researchers due to the high rates of heat transfer and low pressure drop. This work aims to investigate one of the main intrinsic limitations of this system type, the phenomenon of heat transfer deterioration (HTD). The four most common configurations of a rectangular natural circulation loop were analyzed, differed by the orientation of the heater and the cooler. The simulations were performed in steady state, using a three-dimensional model. The turbulence model chosen was RNG k-ε. The code used was ANSYS Fluent v. 18.2. The natural circulation mass flowrate and the average temperature were analyzed as a function of the heating power for the four loop configurations and for three pressures (8.5 MPa, 9.0 MPa and 9.5 MPa). The results were compared with the empirical correlations of SWAPNALEE et al. [1] and YADAV et al. [2] in order to verify the simulation. The HTD regime was observed for all the cases studied. It was observed that the increase in pressure delays the beginning of HTD regime and also induces a significant increase in the natural circulation flowrate after the emergence of HTD for all studied cases. In order to investigate the heat transfer of the system, the Nusselt number was analyzed as a function of the Rayleigh number and it was observed that the correlation described by YADAV et al. [2] presented good agreement with the results obtained from the simulation. Finally, correlations were proposed for the heat transfer and the Reynolds number, individually for each configuration, and a unified correlation was proposed for the friction factor, for all the cases studied.Sistemas passivos de remoção de calor residual por circulação natural são indispensáveis para o futuro da energia nuclear. Na tentativa de otimizar estes sistemas, a utilização do CO2 supercrítico é uma alternativa considerada por muitos pesquisadores devido às altas taxas de troca térmica e baixa perda de carga. Este trabalho visa investigar uma das principais limitações intrínsecas deste tipo de sistema, o fenômeno da deterioração da transferência de calor (HTD). Foram analisadas as quatro configurações mais comuns de um circuito de circulação natural retangular, que diferem-se pela orientação do aquecedor e do resfriador. As simulações foram realizadas em estado estacionário, empregando um modelo tridimensional. O modelo de turbulência escolhido foi o RNG k-ε. O código utilizado foi o ANSYS Fluent v. 18.2. A vazão de circulação natural e a temperatura média foram analisadas em função da potência de aquecimento para as quatro configurações do circuito e para três diferentes pressões de operação (8,5 MPa, 9,0 MPa e 9,5MPa). Os resultados foram comparados com as correlações empíricas de SWAPNALEE et al. [1] e YADAV et al. [2] com intuito de verificar a simulação. O regime de HTD foi observado para todos os casos estudados. Observou-se que o aumento da pressão de operação retarda o surgimento do regime da HTD e também induz um sensível aumento na vazão de circulação natural após o início da HTD, para todos os casos estudados. Com o intuito de investigar a transferência de calor do sistema, o número de Nusselt foi analisado em função do número de Rayleigh e observou-se que a correlação descrita por YADAV et al. [2] apresentou boa concordância com os resultados obtidos da simulação. Por fim, foram propostas correlações para a transferência de calor e para o número de Reynolds, individualmente para cada configuração, e uma correlação para o fator de atrito, para todos os casos estudados
