Simulación computacional en sistemas de alta transferencia de calor con aplicación en tecnología nuclear

Abstract

El diseño de intercambiadores de calor y generadores de vapor (GV) utilizados en la industria nuclear se basan en gran media en correlaciones empíricas y experiencia obtenida durante muchos años de investigación. Aunque dichas correlaciones y cálculos globales garantizan el funcionamiento general de estos equipos, difícilmente logren diseños óptimos. Dentro de este contexto, es fundamental incrementar los esfuerzos en investigación y desarrollo para aumentar la eficiencia y confiabilidad de estos equipos. Un actor muy importante para el desarrollo de nuevas tecnologías es la mecánica de fluidos computacional (CFD), que permite abordar el problema con un nuevo enfoque. En este escenario, esta tesis presenta nuevas herramientas computacionales capaces de modelar los generadores de vapor de plantas nucleares, como así también otros equipos de alta transferencia de calor. Los herramientas desarrolladas se basan en el modelo de dos-fluidos, evaluando los términos interfaciales y aplicando una estrategia de blending para considerar las diferentes reologías presentes en sistemas bi-fásicos. También se focaliza el estudio en la transferencia de calor y masa presente en el GV, utilizando un modelo de partición de flujo de calor e implementado un modelo 3D para acoplar térmicamente múltiples regiones de flujos mono y multifásicos. Además se utilizan condiciones de borde dinámicas para simplificar regiones del GV como son los separadores, secadores, precalentador y downcomer. Finalmente se realizan simulaciones CFD 0D-3D del estado estacionario y de transitorios para estudiar el comportamiento de este equipo en condiciones anormales y se comparan con resultados obtenidos contra un modelo de RELAP.

The design of heat exchangers and steam generators (SGs) used in the nuclear industry are largely based on empirical correlations and experience gained over many years of research. Although these correlations and global calculations guarantee the general operation of these equipments, they hardly achieve optimal designs. Within this context, it is essential to increase research and development efforts to increase the efficiency and reliability of this equipment. A very important tool in the development of new technologies is computational fluid mechanics (CFD), which allows us to approach the problem with a new approach. In this scenario, this thesis presents new computational tools capable of modeling SGs used in nuclear plants as well as many other high heat transfer devices. The developed tools are based on the two-fluid model, evaluating the interfacial terms and applying a blending strategy to consider the different rheologies present in two-phase systems. The study is also focused on the heat and mass transfer present in the GV, using a heat flux partition model and implementing a 3D model to thermal couple multiple regions of mono and multiphase flows. In addition, dynamic boundary conditions are used to simplify SG regions such as separators, dryers, preheater and downcomer. Finally, 0D-3D CFD simulations of the steady state and transients are performed to study the behavior of this equipment under abnormal conditions and are compared with the results obtained against a RELAP model.