Desenvolvimento de um termossifão bifásico de sódio em circuito

Abstract

Termossifões em circuito são dispositivos que apresentam um grande potencial de aplicação em diversas fontes de energia térmica e que podem melhorar a eficiência de ciclos de geração de potência, já que são capazes de transportar grandes quantidades de calor mesmo quando sujeitos a pequenos gradientes de temperatura. Nesta dissertação, foram desenvolvidos dois termossifões em circuito, que se distinguem principalmente na linha de líquido, projetados para operar com sódio como fluido de trabalho, fluido esse capaz de operar em altas temperaturas (de 500 °C a 1800 °C). Os processos de fabricação e carregamento dos termossifões são descritos em detalhes. Para propiciar o início de operação, estes dispositivos foram testados com e sem inserções de pequenas quantidades de argônio como gás não condensável (GNC) e com água. A água foi testada nos termossifões por ser um fluido mais conhecido e acessível, verificando o comportamento de ambas as geometrias e garantindo a segurança dos testes com sódio posteriormente. Para os testes com água, ambas as geometrias funcionaram, no entanto a inserção de GNC aumentou tanto o tempo de partida e a temperatura de operação do evaporador, seção adiabática e linha de vapor, quanto a resistência térmica desses dispositivos para baixas potências, embora tenha reduzido significativamente a ocorrência do fenômeno Geyser Boiling (GB). Também foi possível verificar que a inserção de um reservatório de GNC reduziu o tempo até o Regime Permanente (RP) e de start-up, a temperatura de operação do evaporador, seção adiabática e linha de vapor e as resistências térmicas para baixas potências. Já para altas potências, ambos os dispositivos tiveram valores de resistência térmica muito semelhantes, o que torna o reservatório desnecessário. Realizou-se, também, uma análise da temperatura de rejeição e foi notável uma elevação da temperatura de operação em todo o tubo, ampliação da capacidade de condensação e diminuição do fenômeno do GB. Ainda, a temperatura de rejeição não afetou significativamente a resistência térmica para o vácuo, porém, quando há GNC, um aumento dessa temperatura gera uma diminuição da resistência térmica, sendo esse fato mais nítido para baixas potências, baixos números de Reynolds e para mais GNC presente. Por fim, concluiu-se que o projeto do segundo termossifão foi mais adequado para operação com sódio, pois diminuiu a ocorrência do GB, teve menores resistências a baixas potências e o fato de não apresentar uma piscina de fluido na linha de líquido favoreceu temperaturas mais próximas da saturação nessa seção. Para os testes com sódio, a primeira geometria não operou e a segunda necessitou de interferência para desenvolver a partida, o que indica a necessidade de uma temperatura prescrita no condensador. Com o aumento da potência de entrada, foi possível verificar uma redução da resistência interna, independente da pressão interna de GNC. Além disso, os testes realizados foram insuficientes para analisar a influência desses gases no tempo de partida, principalmente pela dificuldade apresentada e pela necessidade de intervenção nesse período. Portanto, o presente trabalho se trata de um ponto de partida para diversos outros estudos que podem ser desenvolvidos para otimização de termossifões em circuito operando com sódio.

Abstract: Loop thermosyphons are devices that have great potential for application in various sources of thermal energy and that can improve the efficiency of power generation cycles, since they are capable of transporting large amounts of heat even when subjected to small temperature gradients. In this master?s dissertation, two loop thermosyphons were developed, which differ mainly in the liquid line, designed to operate with sodium as working fluid, a fluid that is capable of operating at high temperatures (from 500 °C to 1800 °C). Their manufacturing and charging processes are described in detail. Thus, these two distinct geometries were tested with insertions of small amounts of argon as non-condensable gas (NCG) to check its influence on the start-up and with water. Water was tested in the thermosyphons as it is a better known and more accessible fluid, verifying the behavior of both geometries and ensuring the safety of tests with sodium afterwards. For the tests with water, both geometries worked, however the insertion of NCG increased both the start-up time and the operating temperature of the evaporator, adiabatic section and steam line, as well as the thermal resistance of these devices at low powers, although it significantly reduced the occurrence of the GB phenomenon. It was also possible to verify that the insertion of a NCG reservoir reduced the time to reach the steady state and start-up time, the operating temperature of the evaporator, adiabatic section and steam line, and thermal resistances for low heat inlets. As for high powers, both devices had very similar thermal resistance values, which makes the reservoir unnecessary. An analysis of the rejection temperature was also carried out and it was noticeable an increase in the operating temperature throughout all the tube, expansion of the condensation capacity and reduction of the GB phenomenon. Still, the rejection temperature did not significantly affect the thermal resistance in vacuum, however, when there was NCG, an increase in this temperature generated a decrease in thermal resistance, this fact being clearer for low heat inlets, low Reynolds numbers and for more NCG present. Finally, it was concluded that the design of the second thermosyphon was more suitable for operation with sodium, as it reduced the occurrence of GB, had lower resistance at low power and the fact that it did not have a pool of fluid in the liquid line favoured temperatures closer to saturation in this section. For tests with sodium, the first geometry did not operate and the second one required interference to accomplish the start-up, which indicates the need for a prescribed temperature in the condenser. With the increase of the input power, it was possible to verify a reduction of the internal resistance, regardless of the internal pressure of NCG. In addition, the tests carried out were insufficient to analyze the influence of these gases on the start-up time, mainly due to the difficulty presented and the need for intervention in this period. Therefore, the present work is a starting point for several other studies that can be developed for the optimization of loop thermosyphons operating with sodium.