Se describe a continuación el proyecto realizado por el Grupo de Dinámica de Fluidos Numéricos de la Universidad de Zaragoza en colaboración con Ringo Válvulas S.A.: el estudio y su posterior implementación en un software del dimensionamiento de atemperadores tipo Venturi.
INTRODUCCIÓN
El atemperador de vapor (DSH) es un componente esencial en la generación de energía nuclear, desempeñando un papel crucial al reducir la temperatura del vapor a niveles próximos a la condensación. Este proceso se logra mediante la pulverización de agua, cuya correcta ejecución resulta fundamental para evitar problemas graves en la instalación.
Un error en la pulverización del agua puede ocasionar la colisión y deposición de partículas no evaporadas en las superficies de las tuberías posteriores al atemperador. Estas partículas pueden generar daños en el material debido a choques térmicos o erosión, lo que representa un desafío significativo para la operación segura y eficiente.
Con el objetivo de abordar esta problemática, se ha llevado a cabo un estudio exhaustivo sobre el comportamiento de las gotas de agua pulverizadas en la corriente del vapor, acelerada mediante un Venturi, y su impacto en las paredes adyacentes al fluido. El propósito de este estudio es determinar el diseño específico de los atemperadores necesarios para evitar daños en el sistema.
En este contexto, la empresa Ringo Válvulas ha colaborado estrechamente con la Universidad de Zaragoza para desarrollar un software especializado que permita calcular los diferentes parámetros dimensionales de los atemperadores, así como evaluar sus efectos en las condiciones de proceso. Esto garantizará un dimensionado preciso y una fabricación adecuada de los atemperadores, asegurando su correcto funcionamiento en la generación de energía nuclear.
En este artículo, se presentarán las consideraciones matemáticas y los modelos utilizados para el cálculo de la sección de vapor y la sección de agua, seguidos de un par de ejemplos concretos y las conclusiones obtenidas. A través de este estudio, se busca ofrecer un enfoque integral que permita mejorar la eficiencia y la seguridad en la atemperación del vapor en la generación de energía nuclear.
CONFIGURACIÓN DEL MODELO UTILIZADO
El modelo utilizado para para calcular los parámetros de diseño para atemperadores (DSH) es una configuración genérica según la Figura 1. El dispositivo consta de dos circuitos distintos: el circuito de vapor y el circuito de agua. Que serán descritos a continuación.
Circuito de vapor
El circuito de vapor del DSH comienza justo aguas abajo de la válvula de control de presión (PV, el punto 1 de la Figura 1). Este flujo de vapor sobrecalentado pasa por un tramo recto de tubería hasta la garganta del Venturi (v, Figura 1), donde acelera y encuentra una corriente de agua atomizada.
Aguas abajo del Venturi, las gotas de agua son pulverizadas dentro de la corriente de vapor, disminuyendo la temperatura del mismo. En la salida del atemperador (punto 2 de la Figura 1), se ha de cumplir que las gotas de agua pulverizada se hayan evaporado completamente.
Circuito de agua
El agua se suministra desde una fuente (W, Figura 1) donde se conoce la presión y temperatura de esta. A través de una válvula de control de temperatura (TV) se suministra el agua a la boquilla de inyección (n). El software incluye las distintas pérdidas de carga (A, B, C y D) en el trayecto de la inyección de agua hasta la boquilla.
CONSIDERACIONES MATEMÁTICAS
Este capítulo describe brevemente los principales modelos matemáticos utilizados por el software para el cálculo de los distintos parámetros del atemperador. Se presentan los modelos del cálculo termodinámico del vapor y su relación con el diámetro del Venturi, el caudal necesario de agua, el cálculo del atomizador requerido y finalmente el cálculo de la trayectoria de las partículas de agua.
Cálculo termodinámico de vapor
Se considera que el flujo de vapor es compresible e isentrópico; por las ecuaciones que determinan la máxima velocidad posible (M) (velocidad de estancamiento) en función de la diferencia de temperatura y de la presión son las siguientes,
A partir de estas ecuaciones anteriores y considerando que las pérdidas por disipación de calor son despreciables con respecto a la perdida de temperatura por el efecto Venturi, se puede relacionar la presión y la temperatura en la entrada del atemperador (Subíndice 1) y en el diámetro interior del Venturi (Subíndice v).
De la misma manera se pueden relacionar las distintas áreas con su correspondiente número de Mach mediante la siguiente fórmula. Una vez obtenidos los valores de presión y temperatura en el interior del Venturi a partir de los valores de entrada.
Cálculo del caudal másico de agua necesario
Se emplea un balance de entalpias para calcular el caudal másico de agua (Gw) a partir de las entalpias de los distintos estados obtenidas a partir de las respectivas temperaturas y presiones previamente calculadas.
Cálculo de la capacidad de inyección necesaria
Mediante un balance de energías se calculan todas las pérdidas de carga desde la fuente de agua de alimentación hasta el punto de inyección. Incluyendo las pérdidas de carga causadas por la propia válvula de control de temperatura. A partir de este balance de energía se obtiene la capacidad total de la inyección (Cvt)
Se determina la capacidad del inyector (Cvi) necesaria en función de los distintos valores de regulación de capacidad de la válvula de control (Cvv) de temperatura con la siguiente fórmula:
Cálculo de la trayectoria de las gotas
El software calcula la posición, tiempo y temperatura de la gota de agua usando algunos parámetros ya calculados para el vapor (temperatura y velocidad). Este cálculo da una indicación de la distancia y tiempo necesarios para la evaporación, el tamaño que necesita para evaporarse completamente y si es probable o no que la gota de agua no se evapore e impacte en la tubería.
Para calcular la trayectoria de la partícula se han seguido los siguientes pasos:
- En primer lugar, calcula el tiempo que tarda la gota de agua inyectada en incrementar su temperatura hasta la temperatura de evaporación.
- Se considera que hasta que la totalidad de la gota no ha alcanzado la temperatura de evaporación, no empezará a transferir masa a la corriente de vapor.
- A partir de ese momento se calculará la transferencia de masa por evaporación a temperatura de evaporación constante en función del tiempo.
- En paralelo, el programa calcula el vector de velocidad de la gota en función de la velocidad inicial usando una ecuación de conservación de momento, incluyendo los efectos de la viscosidad del vapor y de la fuerza de gravedad, que dependerá de la propia orientación del atemperador.
Estas ecuaciones toman como dato de partida la velocidad de inyección y un diámetro de gota de pulverización, que depende de la especificación de la boquilla de inyección instalada. A partir de estos datos el programa determina el tiempo necesario de evaporación completa de una gota y la distancia recorrida tanto en dirección axial como radial dentro de la tubería.
CASOS DE ESTUDIO
En este apartado se muestran distintos ejemplos de cálculos realizados con el software, en ellos se aprecia la importancia del buen dimensionado del Venturi y de la buena selección de la boquilla de inyección, tanto en capacidad como en calidad de pulverización.
Dimensionado del diámetro interior del Venturi
La reducción de diámetro del Venturi con respecto a la inyección de agua directamente en un tramo recto de tubería de vapor favorece el uso de presiones de la fuente de agua menores; con la consecuente reducción de gasto energético y reducción de problemas de alta presión relacionados como cavitación dentro de la válvula de agua. (Figuras 2 y 3).
Sin embargo, un diámetro de Venturi reducido en exceso puede provocar velocidades sónicas (Mach 1) dentro del Venturi para algunas de las condiciones de proceso (Figura 4). Trabajar con fluido por encima de Mach 1 puede causar daños en los materiales y aumento considerable de ruido y vibraciones.
Considerando únicamente el diámetro de Venturi y la velocidad menor de Mach 1 podría sacarse la conclusión de que la selección ideal para el proceso es la del diámetro de Venturi menor sin llegar a Mach 1. Sin embargo, mediante el cálculo de la trayectoria de la partícula inyectada se puede apurar más la selección del diámetro de Venturi.
Utilizando un inyector de tamaño fijo, podemos obtener la distancia recorrida por la partícula inyectada dentro de la corriente de vapor. Las conclusiones que se sacan de la Figura 5 es que a mayor velocidad la partícula recorre un tramo de tubería mayor hasta ser evaporada completamente.
Esto indica que no se puede elegir un diámetro de Venturi tan pequeño como sea posible sin llegar a condiciones sónicas ya que es posible que esto aumente la distancia a la que las partículas de agua continúen fluyendo en estado líquido en la tubería de vapor.
Para algunas condiciones de proceso el aumento de la distancia a la que las gotas de agua se evaporan completamente puede suponer daños en los siguientes elementos de la instalación debido a desgaste y erosión por el choque de las gotas.
Dimensionado y selección de la boquilla de inyección
Las principales características a la hora de seleccionar una boquilla de inyección son la calidad de la pulverización y la pérdida de carga.
El primer parámetro determinará el diámetro de las gotas. Una boquilla con una calidad de pulverización mayor creará gotas de diámetros menores y por lo tanto el tiempo que les cuesta evaporarse completamente. En añadido para gotas de diámetros mayores el efecto de la gravedad se acentúa aumentando el riesgo de que las gotas no evaporadas se depositen en las tuberías, con el consecuente riesgo de choque térmico (Figura 7).
La pérdida de carga determinará el trabajo necesario por la válvula de regulación del caudal de agua necesario y la capacidad del sistema de trabajar en un rango de trabajo de caudal amplio o reducido, esto se conoce como la rangeabilidad del sistema y depende únicamente de la combinación de la rangeabilidad de la válvula de control y la boquilla de inyección. Sin embargo, una menor pérdida de carga provoca peores prestaciones en cuanto al tamaño de gota.
CONCLUSIONES
Este estudio y posterior desarrollo del software ha proporcionado valiosos resultados y conclusiones para el diseño y fabricación de atemperadores de vapor. La principal conclusión es la importancia del control de las partículas de agua en la corriente de vapor, tanto en su tamaño como en velocidad. Para ello, Ringo Válvulas diseña y suministra atemperadores de tipo Venturi con sistema de inyección variable (Figura 8).
Una de las principales ventajas de esta solución de atemperador es su capacidad para producir una atomización de gotas de tamaño pequeño, lo cual es crucial para garantizar un enfriamiento eficiente del vapor en diferentes rangos de presión como se ha obtenido de los resultados previamente descritos. La atomización fina de las gotas permite una mayor transferencia de calor y una dispersión más uniforme, mejorando así la eficiencia de la atemperación y evitando la formación de partículas no evaporadas que podrían causar daños en las tuberías. El control de la velocidad en la zona de inyección mediante el efecto Venturi permite asegurar la correcta trayectoria de la partícula, así como realizar la atemperación con una presión de agua de inyección menor.
Por último, para la reducción de presión del vapor (Figura 9) así como para el control del caudal necesario de agua de atemperación, Ringo Válvulas cuenta con una amplia trayectoria en el diseño y fabricación de válvulas de control para aplicaciones nucleares. Estas cuentan con soluciones de regulación de procesos utilizadas en entornos de alta temperatura y servicios severos.
