Estudo da limitação do escoamento em contracorrente água/ar em canais horizontal e inclinado unidos por curva

Abstract

A limitação do escoamento em contracorrente, ou inundação, fenômeno caracterizado pelo controle que um gás exerce no escoamento de um líquido em sentido contrário, desempenha papel importante em diversos equipamentos das engenharias química e mecânica (condensador de refluxo, colunas recheio, tubos de calor etc). Mais recentemente, o fenômeno tem recebido atenção especial da área nuclear devido à sua influência no comportamento termofluidodinâmico de um reator nuclear durante um acidente de perda de refrigerante. A maioria dos estudos experimentais e analíticos sobre a inundação foi executada em tubos verticais. Menor atenção por parte dos pesquisadores tem recebido as geometrias mais complexas como as constituídas por canais de escoamento anulares, com placas perfuradas e, especialmente, aqueles constituídos de tubos horizontal e inclinado conectados por uma curva, como a "perna quente" dos reatores nucleares refrigerados a água pressurizada (Pressurized Water Reactor - PWR). Para melhor subsidiar as análises deste fenômeno, foi conduzido no CDTN/CNEN uma série de experimentos em seções de teste em acrílico com a mesma forma geométrica da "perna quente" de um PWR. Nestes experimentos, o escoamento em contracorrente foi estabelecido com injeção de água pela extremidade superior da tubulação inclinada e de ar através da outra extremidade da seção. Com incursão gradual ascendente na velocidade do ar para níveis de injeção de água preestabelecidos, foram determinadas as velocidades de início de arraste da água pelo ar, de início de arraste total e, durante a redução gradativa da velocidade do ar, as velocidades dos fluidos relativas à fase de inundação, quando a penetração da água é controlada pelo escoamento do ar. Com o objetivo de se avaliar as influências das características geométricas do canal de escoamento, foram realizados experimentos com diferentes comprimentos horizontais e inclinados, inclinações do duto inclinado, alturas hidrostáticas acima da extremidade superior e diâmetros da seção de testes. O resultados experimentais mostraram uma dependência do inicio do arraste com a taxa de injeção água e com as características geométricas da seção de testes. Para uma geometria definida, na condição de inundação, os pontos experimentais seguem uma curva característica até o início do arraste total assim como, na redução da vazão de ar, até o retorno à precipitação total,que independente da taxa de água injetada. Foi constatado ainda que, para uma mesma velocidade de ar, o aumento do comprimento horizontal ou do inclinado da seção provoca o aumento do arraste de água. O levantamento das influências dos parâmetros geométricos da seção de testes no comportamento da inundação gerou uma nova correlação para o fenômeno.