Análisis termohidráulico del proceso de condensación por contacto directo de un flujo de vapor inyectado en agua con ANSYS Fluent

El objetivo de este trabajo es lograr caracterizar, mediante el uso de CFDs, la evolución temporal del fenómeno de condensación por contacto directo de vapor en agua subenfriada, utilizando ANSYS Fluent. Dicha caracterización surge de la necesidad de comprender mejor los fenómenos termohidráulicos existentes en los procedimientos de despresurización de ciertos reactores nucleares. Numerosos reactores nucleares de nueva generación están adoptando a modo de sistema de seguridad, la descarga de vapor en tanques con agua subenfriada. Esta medida de seguridad ya venía utilizándose en reactores tipo BWR a la hora de mitigar accidentes tipo, donde una fuga de refrigerante proveniente de la vasija que ebulle espontáneamente, pudiendo así aumentar peligrosamente la presión dentro de la contención del reactor, se ventea hacia un tanque con agua subenfriada para así condensar el vapor de manera segura. Recientemente, reactores nucleares avanzados de tipo PWR, como es el caso del reactor AP1000, utilizan técnicas similares para despresurizar el reactor en caso de accidentes. Resulta interesante el estudio del comportamiento de esta inyección de vapor, especialmente si esta descarga se mantiene de forma continuada. El agua al que se descarga comenzaría a calentarse, y a medida que llegase a condiciones de saturación, dicho agua perdería sus propiedades de foco frío. Las consecuencias de la pérdida de estas propiedades resultarían en la aparición de burbujas de vapor sin condensar por el agua, y a medida que siguiese aumentando su temperatura, la aparición de ebullición espontánea o ‘flashing’, con la consiguiente pérdida de inventario de agua en el tanque. Los fenómenos físicos que actúan en paralelo durante la descarga, condensación y mezclado del agua condensada son numerosos, y su acoplamiento para su uso en modelos numéricos supone un reto para las herramientas CFD actuales. Para comprender mejor los mecanismos existentes en estos procesos de descarga de vapor, y el comportamiento de la generación de burbujas a medida que el agua se calienta, se llevó a cabo un experimento en la Universidad Técnica de Munich (TUM) en colaboración con la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), donde en un banco de pruebas consistente en un tanque vertical lleno de agua a temperatura ambiente, se inyectó un caudal másico constante de vapor saturado. Se recopilaron datos de temperatura en distintos puntos del tanque, y fotografías de las burbujas de vapor generadas a lo largo del experimento, identificando tres etapas diferenciadas desde el comienzo hasta el final, que se definió como el momento hasta observarse ‘flashing’ en la zona superior del tanque, momento en el que se finalizó la prueba. El caso de ANSYS Fluent desarrollado simularía este mismo experimento. Su desarrollo se caracterizará por utilizar sólo modelos ya preexistentes en el programa, y no se utilizará en ningún momento modelos propios (UDFs). Gracias a que se dispone de datos empíricos, dichos datos servirán para verificar las capacidades del caso generado, y de los modelos actualmente instalados en ANSYS. Los transitorios simulados se dividieron en dos partes. El primer transitorio tuvo como objetivo simular, desde el inicio de la inyección de vapor, el mayor intervalo de tiempo computacionalmente posible, y observar los fenómenos y comportamiento del vapor durante ese periodo. Pruebas preliminares a estos transitorios consistieron en la optimización de la geometría, malla, tamaño del tiempo de paso e iteraciones por paso, buscando modelos que permitiesen generar datos fiables pero optimizando los tiempos de computación. De esta primera parte, se obtuvo un caso transitorio donde los modelos de condensación y de transferencia de calor, caracterizaban correctamente el paso instantáneo debido a la condensación directa, del vapor inyectado a agua saturada. Para ello se tuvo que generar casos con tiempos de paso muy pequeños, penalizando el tiempo necesario para lograr simular el transitorio completo. Lo que no se consiguió modelar correctamente fue la ascensión y mezcla del agua caliente condensada por el resto del tanque, se esperaba una mayor mezcla por la turbulencia generada por el inyector de la que finalmente se obtuvo. El transitorio se pausó finalmente al alcanzar altas iteraciones por tiempo de paso en los últimos segundos, haciendo físicamente inviable el poder terminar el transitorio por completo. Con los procesos de condensación caracterizados para tiempos del experimento pertenecientes a la primera etapa, y visto la inviabilidad de simular el transitorio completo para así incluir las otras dos, surgió la necesidad de realizar la segunda parte de transitorios, que consistían en realizar una serie de transitorios de 1 segundo, en momentos del experimento más avanzados donde la temperatura del agua del tanque fuese más elevada, cercana a la temperatura de saturación, y donde se esperaba poder observar la aparición de burbujas de vapor. El proceso de inicialización de estos transitorios no fue sencillo, y consistía en parchear en 8 zonas diferenciadas la temperatura del agua, utilizando como valores los medidos en los termopares del experimento. Esta técnica de inicialización tenía sus desventajas, al no poder por ejemplo, comenzar con un perfil continuo de temperaturas. Además, se subestimaba la temperatura inicial en el agua del inyector, por lo que disminuía la cantidad esperable de vapor no condensado. Aún así, el modelo de condensación consiguió caracterizar correctamente el momento de generación de burbujas de vapor con altas temperaturas del agua colindante al inyector. Las líneas futuras de trabajo son variadas, y muchas recurren a implantar modelos propios para optimizar los modelos utilizados en este proyecto. Entre otros, esta mejorar los términos de flotabilidad del modelo de turbulencia utilizado, y disponer de una temperatura de saturación no constante en el modelo de condensación, dependiente de la densidad del medio, ya que esta se ve afectada por la altura del tanque. También sería interesante mejorar los procesos de inicialización de los transitorios cortos, para lograr distribuciones de temperatura más precisas, y por lo tanto obtener tamaños de burbuja más acorde a las observadas en el experimento real