Analisi del flusso bifase attraverso sistemi di sfiato di emergenza

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1 Università degli Studi di Roma La Sapienza Facoltà di Ingegneria civile e industriale Corso di Laurea Magistrale in Ingengeria Chimica Tesi di laurea magistrale Analisi del flusso bifase attraverso sistemi di sfiato di emergenza Candidato: Martina Battista Matricola Relatore: Ing. Roberto Bubbico Correlatore: Ing. Raniero Trinchieri Anno Accademico

2 Indice Introduzione 1 1 Efflusso bifase: fenomeni e parametri caratteristici Titolo termodinamico Frazione di vuoto Regimi di flusso Classificazione dei regimi di moto bifasici Relazioni generali Efflusso critico Velocità del suono bifase Disequilibrio termodinamico Scorrimento tra le fasi Perdite di carico per attrito Coefficiente di efflusso in bifase Le valvole di sicurezza Introduzione Incidenti e prevenzione Le valvole di sicurezza Descrizione e tipologie Funzionamento Definizioni Condotti di collegamento con la valvola e condotti di scarico Cenni sui dischi di rottura Metodi per la predizione dei regimi di moto Le mappe per la predizione dei regimi di moto bifasici Mappa di Baker Mappa di Taitel e Dukler Mappa di Steiner Mappa di Kattan, Thome e Favrat i

3 ii Indice Mappa di Zurcher, Thome e Favrat Mappa di Thome e El Hajal Mappa di Wojtan, Ursenbacher e Thome Mappa di Yun e Kim Mappa di Cheng, Ribatski, Moreno Quibén e Thome Dimensionamento delle valvole di sicurezza: modelli teorici Procedura dimensionamento PSV Valutazione dei pericoli Valutazione della composizione della fase da scaricare Calcolo della portata da smaltire Cenni sul dimensionamento nel caso di flusso monofase Calcolo della portata specifica in bifase Modelli omogenei per le valvole di sicurezza in bifase Modelli di equilibrio Modello HEM Modelli di non equilibrio Modello HNE-DS Modello HNE Modelli teorici per il calcolo delle perdite di carico Introduzione ai modelli per la previsione del termine d attrito Modelli generali Modello di Lockhart-Martinelli Modello di Friedel Modello di Beattie-Whalley Modello di Moussalli-Chawla La caduta di pressione nella regione β La caduta di pressione nella regione α Transizione α-β Modello di Muller-Steinhagen Modello di Chisolm Modello di Gronnerud Modello di Benbella Modelli specifici Modello di Quiben-Thome Regime Annular Regime Stratified-wavy Regime Mist Regime Dryout Regime Stratified

4 Indice iii Regime Slug + Intermittent Regime Slug + Stratified-wavy Regime Bubbly Modello di Cheng Metodi per il calcolo delle perdite di carico concentrate Metodi che utilizzano la lunghezza equivalente Metodo dei due K Metodo di Chisolm per i gomiti Il coefficiente B Modelli per le valvole di sicurezza applicati al calcolo delle perdite di carico concentrate Descrizione dell impianto VASIB Circuito principale Pompa di circolazione Sistemi di scambiatori-recuperatori Caldaia elettrica Sezioni di prova Valvole di sicurezza Scarico strumentato Serbatoio pressurizzatore Software acquisizione e gestione impianto Elaborazione dei dati Analisi dei dati: valvole Le prestazioni dei modelli HEM HNE HNE-DS (ISO) Confronto tra i modelli HEM e HNE-DS Confronto tra i modelli HNE-DS e HNE Il coefficiente di efflusso bifase Relazioni per il coefficiente d efflusso k d in funzione di P in per il metodo HEM k d in funzione di η k d = f(η) per il metodo HEM k d = f(η) per il metodo HNE k d in funzione di upc k d = f( upc) per il metodo HEM k d = f( upc) per il metodo HNE-DS

5 iv Indice 8.2 Le prestazioni dei modelli con k d k d = f(η) per i metodi HEM e HNE k d = f( upc) per i metodi HEM e HNE-DS Analisi dei dati: condotto di scarico Nuova mappa per l identificazione dei regimi di flusso Perdite di carico distribuite Modello generale di Benbella Modello specifico di Quiben-Thome Modello specifico di Cheng Perdite di carico concentrate Modello HEM Modello HNE Modello HNE-DS Conclusioni 171 Bibliografia 174

6 Autore: Battista Martina Relatore: Bubbico Roberto Titolo: Analisi del flusso bifasico attraverso sistemi di sfiato di emergenza Riassunto: 1) Natura del problema affrontato: Un accurato dimensionamento delle valvole di sicurezza è fondamentale per assicurare la salvaguardia degli impianti industriali sui quali sono installate. Anche il corretto dimensionamento di tutta la linea di scarico del fluido assume una particolare rilevanza; le perdite di carico in questi tratti infatti, oltre a produrre sicuramente una riduzione della portata di scarico, possono comportare il raggiungimento di condizioni di criticità fuori della valvola, vanificando un dimensionamento della stessa che non ne tenga preventivamente conto. 2) Utilità di sviluppare il tema: Mentre per il dimensionamento in condizioni di efflusso monofase sono disponibili correlazioni affidabili, si assiste invece ad una mancanza di standardizzazione nel caso di efflussi bifase, dovute essenzialmente alle incomplete conoscenze sui complessi fenomeni termofluidodinamici e sulle interazioni che avvengono tra le due fasi. L'obiettivo di questo lavoro, è individuare un metodo di calcolo affidabile per il dimensionamento delle valvole di sicurezza in bifase e per la valutazione delle perdite di carico distribuite e concentrate, che sia semplice nella sua applicazione e che fornisca risultati prossimi alla realtà. 3) Contributo alla soluzione del problema: In questo lavoro sono stati testati i noti modelli per il calcolo della portata effluente attraverso le valvole (HEM, HNE e HNE-DS) facendo uso di nuove relazioni proposte per il calcolo del coefficiente di efflusso in funzione dei parametri caratteristici dell efflusso stesso (portata, titolo e pressione). Le stesse relazioni sono state applicate al calcolo delle perdite di carico concentrate utilizzando i metodi mutuati dalle valvole di sicurezza. Inoltre è stata implementata una nuova mappa per l individuazione dei regimi di flusso a partire dalla mappa di Cheng e sono stati testati i recenti metodi di Quiben-Thome, Cheng e Benbella per il calcolo delle perdite di carico distribuite. 4) Note di complessità o di soluzioni particolarmente originali: Sono state sviluppate relazioni per il calcolo del coefficiente di efflusso, in funzione dei parametri caratteristici dell efflusso stesso, per i metodi HEM, HNE e HNE-DS, applicabili, con ottimi risultati, alle 4 valvole di cui si hanno a disposizione i dati. Inoltre, è stato creato un software per la predizione dei regimi di flusso con la nuova mappa e per il calcolo delle perdite di carico distribuite.