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Orientadores: Roger Josef Zemp, Paulo de Carvalho Tofani Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: 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 termo fluido dinâmico 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. Os 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 defmida, 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 retomo à precipitação total, que independente da taxa de água injetada. Variações (:t 20°) em tomo de 50° na inclinação pouco afetam o comportamento da curva de inundação. 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 Abstract: The Countercurrent Flow Limitation (CCFL), or flooding, is characterized by the restraint imposed by a gas on a countercurrent liquid flow. The phenomenon plays important role in several equipment in the chemical and mechanical engineerings (reflux condensator, packed columns, heat pipes). More recently the phenomenon has received special attention by the nuclear area due to its influence in the thermal-hydraulic behavior of a nuclear reactor during a postulated loss of coolant accident. Most of the experimental and analytical studies about the flooding was performed in vertical ducts. The more complex geometries, such as annular channels, or channels with perforated plates and, especially, those which are constituted by a horizontal pipe connected to an inclined riser, as the hot leg of the Pressurized Water Reactors - PWR, have received little attention by the researchers. To subsidize the analyses of this phenomenon, experiments in test sections with the same geometric form of the hot leg of a PWR were carried in CDTN/CNEN. In these experiments, the countercurrent flow was established with water injection in the upper extremity of the inclined pipe associated to air injection through the other extremity of the test section. With ascending and gradual air flow rate, for specific water flow rates, the air velocities at the onset of flooding and at the onset of total water carryover were measured. During an air flow rate reduction phase, the relative fluids velocities in the flooding phase, when the water penetration is controlled by the air in countercurrent, were also determined. In order to evaluate the influence of the geometric characteristics of the test section, experiments with different horizontal and inclined lengths, inclinations of the inclined riser, water head above the upper extremity and diameters of the test section, were also performed. The experimental results showed that the onset of flooding is a complex function of water flow late injection and depends on the geometry of the test section. For a specific geometry, in the flooding condition, the experimental points follow a characteristic curve ITom the onset of the total carryover until the total water precipitation. These flooding curve was found to be independent of the injected water flow rate. The imposed variations (:t 20) around 50° in inclination of the inclined riser produced negligible effects in the flooding curve. It was also verified that, for a same air velocity, a longer horizontal or inclined length induces an increase in the carryover water. This study proposes a new flooding correlation considering the influence of the geometrical parameters Doutorado Sistemas de Processos Químicos e Informática Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Elizabete Jordão, Moysés Alberto Navarro Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: O escoamento monofásico termicamente estratificado ocorre em tubulações horizontais onde duas camadas diferentes de um mesmo líquido escoam separadamente, sem que ocorra mistura significativa entre as camadas, devido às baixas velocidades e à diferença de densidade (e temperatura). As consequências desse fenômeno não foram consideradas no projeto da maioria das centrais nucleares atualmente em operação. Entretanto, em alguns componentes de centrais nucleares, as diferenças de temperatura podem atingir cerca de 200 °C em uma região bastante estreita nas proximidades da interface entre as camadas de água fria e quente. Nesta condição, as fortes tensões geradas pelas diferenças de dilatação podem comprometer a integridade estrutural e a vida útil de tubulações relacionadas aos sistemas de segurança dessas centrais nucleares. Com o objetivo de estudar o fenômeno da estratificação foi projetada e construída a Instalação de Testes de Estratificação Térmica (ITET), tendo sido realizada uma série de experimentos simulando o bocal de injeção do gerador de vapor de uma central nuclear tipo PWR. Foram estudadas a evolução e as configurações de escoamento em regime de estratificação térmica, assim como a influência do número de Froude nos gradientes de temperatura, na posição da interface entre as camadas de água fria e de água quente e no aparecimento de oscilações desta interface. Os experimentos foram realizados com número de Froude variando de 0,02 a 0,4...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: One phase thermally stratified flows occur when two different layers of the same liquid at different temperatures flow separately in horizontal pipes without appreciable mixing due to the low velocities and difference in density (and temperature). The phenomenon was not considered in the design stage of most of the operating nuclear power plants. However, temperature differences of about 200 °C have been found in a narrow band around the hot and cold water interface in components under stratified flows. Loadings due to this phenomenon affected the integrity of safety related piping systems. The Thermal Stratification Test Facility (ITET), built to allow the experimental simulation of the thermal stratification, is presented so as the results of some experiments simulating one phase thermally stratified flows in geometry and flow condition similar to a nuclear reactor steam generator nozzle. They have the objective of studying the flow configurations and understanding the evolution of the of thermal stratification process. The driving parameter considered to characterize flow under stratified regime due to difference in specific masses is the Froude number. Different Froude numbers, from 0.02 to 0.4, were obtained in different testes by setting injection cold water flow rates and hot water initial temperatures as planned in the test matrix. Results are presented showing the influence of Froude number on the hot and cold water interface position, temperature gradients and striping phenomenon...Note: The complete abstract is available with the full electronic document Doutorado Sistemas de Processos Químicos e Informática Doutor em Engenharia Química