A pesquisa e o desenvolvimento de sistemas passivos de resfriamento de emergência são necessários para os sistemas termo-nucleares de nova geração. Algumas informações fundamentais sobre a operação desses sistemas requerem a pesquisa de alguns processos relativos à circulação natural, principalmente em condições de escoamento bifásico envolvendo processos de condensação na presença não-condensáveis, pois muitas situações encontradas são novas. A bancada experimental de circulação natural (BCN) foi utilizada para a realização de testes com diversas concentrações de não-condensáveis e níveis de potência. O não-condensável presente no circuito diminui a taxa de transferência de calor para o secundário do trocador de calor, causando baixo desempenho do trocador de calor. A presença de altas concentrações de não-condensáveis no trocador de calor propicia elevadas variações de pressão, decorrentes do processo de condensação abrupto, determinando a inversão da vazão e de fortes vibrações e esforços nas tubulações do circuito. A concentração inicial de não-condensável e a geometria do circuito, na entrada do trocador de calor, determinam o estabelecimento de transitórios com escoamento bifásico. A BCN foi modelada com o código computacional de Análise de Acidentes e Termo-Hidráulica RELAP5/MOD3.3 e, os valores calculados foram comparados com os dados experimentais, apresentando boa concordância para menores concentrações de ar. Os valores calculados para maiores concentrações de não-condensável foram satisfatórios após o circuito ter atingido a temperatura de saturação no aquecedor elétrico. / The research and the development of passive emergency cooling systems are necessary for the new generation of thermo-nuclear systems. Some basic information on the operation of these systems require the research of some relative processes to the natural circulation, mainly in conditions of two-phase flow involving processes of condensation in the presence of non-condensable gases, because many found situations are new. The experimental facility called Bancada de Circulação Natural (BCN) was used for the realization of tests with diverse concentrations of non-condensable and power levels. The non-condensable gas present in the circuit decreases the rate of heat transfer for the secondary of the heat exchanger, determining low efficiency of the heat exchanger. High concentration of non-condensable in the vapor condensation, determines negative pressure, and cause the inversion of the flow in the circuit. The initial concentration of non-condensable and the geometry of the circuit, in the inlet of the heat exchanger, determines the establishment of transitory with two-phase flow. The BCN was performed with the computational code of Analysis of Accidents and Thermal-Hydraulics RELAP5/MOD3.3 and, the calculated values had been compared with the experimental data, presenting good agreement for small non-condensable concentrations. The values calculated for high concentrations of non-condensable had been satisfactory after the circuit to have reached the temperature of saturation in the electric heater.

A pesquisa e o desenvolvimento de sistemas passivos de resfriamento de emergência são necessários para os sistemas termo-nucleares de nova geração. Algumas informações fundamentais sobre a operação desses sistemas requerem a pesquisa de alguns processos relativos à circulação natural, principalmente em condições de escoamento bifásico envolvendo processos de condensação na presença não-condensáveis, pois muitas situações encontradas são novas. A bancada experimental de circulação natural (BCN) foi utilizada para a realização de testes com diversas concentrações de não-condensáveis e níveis de potência. O não-condensável presente no circuito diminui a taxa de transferência de calor para o secundário do trocador de calor, causando baixo desempenho do trocador de calor. A presença de altas concentrações de não-condensáveis no trocador de calor propicia elevadas variações de pressão, decorrentes do processo de condensação abrupto, determinando a inversão da vazão e de fortes vibrações e esforços nas tubulações do circuito. A concentração inicial de não-condensável e a geometria do circuito, na entrada do trocador de calor, determinam o estabelecimento de transitórios com escoamento bifásico. A BCN foi modelada com o código computacional de Análise de Acidentes e Termo-Hidráulica RELAP5/MOD3.3 e, os valores calculados foram comparados com os dados experimentais, apresentando boa concordância para menores concentrações de ar. Os valores calculados para maiores concentrações de não-condensável foram satisfatórios após o circuito ter atingido a temperatura de saturação no aquecedor elétrico. / The research and the development of passive emergency cooling systems are necessary for the new generation of thermo-nuclear systems. Some basic information on the operation of these systems require the research of some relative processes to the natural circulation, mainly in conditions of two-phase flow involving processes of condensation in the presence of non-condensable gases, because many found situations are new. The experimental facility called Bancada de Circulação Natural (BCN) was used for the realization of tests with diverse concentrations of non-condensable and power levels. The non-condensable gas present in the circuit decreases the rate of heat transfer for the secondary of the heat exchanger, determining low efficiency of the heat exchanger. High concentration of non-condensable in the vapor condensation, determines negative pressure, and cause the inversion of the flow in the circuit. The initial concentration of non-condensable and the geometry of the circuit, in the inlet of the heat exchanger, determines the establishment of transitory with two-phase flow. The BCN was performed with the computational code of Analysis of Accidents and Thermal-Hydraulics RELAP5/MOD3.3 and, the calculated values had been compared with the experimental data, presenting good agreement for small non-condensable concentrations. The values calculated for high concentrations of non-condensable had been satisfactory after the circuit to have reached the temperature of saturation in the electric heater.

Usinas Termelétricas (UTEs), compostas por ciclo simples a vapor e ciclo combinado, são instalações industriais que consomem elevadas quantidades de água, sobretudo por conta de suas operações de resfriamento e de geração de vapor. Paralelamente, tem-se observado a redução de oferta deste recurso em muitas regiões onde se encontram instaladas unidades termelétricas, fato que suscita a preocupação, o debate e a pesquisa acerca do desenvolvimento de tecnologias e estratégias direcionadas à mitigação do consumo e reaproveitamento de água em UTEs. Em contrapartida, do mesmo modo que UTEs são intensivas no consumo de água, esta é também produzida na forma de vapor em escalas significativas como resultado do processo de combustão. Contudo, a parcela de água produzida é lançada para a atmosfera juntamente com os demais gases produzidos (CO2, N2, O2, SO2). Frente a esse contexto, este trabalho se divide em duas etapas distintas. A primeira voltada à estimativa da quantidade de água e demais componentes presentes nos gases de combustão de trinta e seis UTEs brasileiras, dentre as quais vinte e duas são movidas a gás natural (ciclos simples e combinados) e quatorze a carvão mineral (ciclos simples). Tais estimativas levam em conta as condições ambientais do local de operação, a eficiência típica do ciclo e a composição do combustível empregado. A segunda etapa trata da modelagem e da simulação, sob diferentes condições operacionais (pressão, temperatura de resfriamento e porcentagem de vapor de água nos gases), de um condensador duplo tubo vertical operando sob regime de convecção natural no lado do resfriamento, a partir do qual se estuda o processo de condensação do vapor de água na presença dos demais gases produzidos, estes conhecidos como gases não condensáveis (GNC). Tais simulações tem o propósito de avaliar as taxas de recuperação de água capazes de serem obtidas por meio do condensador/processo idealizado. / Single and combined steam cycle thermoelectric plants are power plants that consume high amounts of water, mainly from the cooling and steam generation operations. At the same time, there have been a reduction in the supply of this resource in many regions where thermoelectric units are installed. This fact increases the concern, discussion, and research on the development of technologies and new strategies directed to the mitigation of the consumption and reutilization of water. On the other hand, likewise UTEs are intensive in water consumption, they also produce it at significant amounts of steam from the combustion process, and that amount of water produced is released to the atmosphere together with gases produced (CO2, N2, O2, SO2). In this sense, this work is divided into two distinct parts. The first one is aimed at estimating the amount of water and other components present in the flue gases of thirty Brazilian thermal power plants, of which twenty-two are powered by natural gas (single and combined cycles) and eight moved by coal (single cycles). Such estimates consider environmental conditions of the operation site, typical cycle efficiency, and fuel composition employed. The second part deals with a numerical modeling and simulation, at different operating conditions (pressure, cooling temperature, and water vapor content in the gases), of a double vertical tube condenser operating by natural convection on the cooling side, from which the condensation process of the water vapor is studied in the presence of the other gases produced (known as non-condensable gases, NCG). These simulations have the fundamental purpose of evaluating the rates of condensate that can be recovered by means of the condenser/idealized process.

Usinas Termelétricas (UTEs), compostas por ciclo simples a vapor e ciclo combinado, são instalações industriais que consomem elevadas quantidades de água, sobretudo por conta de suas operações de resfriamento e de geração de vapor. Paralelamente, tem-se observado a redução de oferta deste recurso em muitas regiões onde se encontram instaladas unidades termelétricas, fato que suscita a preocupação, o debate e a pesquisa acerca do desenvolvimento de tecnologias e estratégias direcionadas à mitigação do consumo e reaproveitamento de água em UTEs. Em contrapartida, do mesmo modo que UTEs são intensivas no consumo de água, esta é também produzida na forma de vapor em escalas significativas como resultado do processo de combustão. Contudo, a parcela de água produzida é lançada para a atmosfera juntamente com os demais gases produzidos (CO2, N2, O2, SO2). Frente a esse contexto, este trabalho se divide em duas etapas distintas. A primeira voltada à estimativa da quantidade de água e demais componentes presentes nos gases de combustão de trinta e seis UTEs brasileiras, dentre as quais vinte e duas são movidas a gás natural (ciclos simples e combinados) e quatorze a carvão mineral (ciclos simples). Tais estimativas levam em conta as condições ambientais do local de operação, a eficiência típica do ciclo e a composição do combustível empregado. A segunda etapa trata da modelagem e da simulação, sob diferentes condições operacionais (pressão, temperatura de resfriamento e porcentagem de vapor de água nos gases), de um condensador duplo tubo vertical operando sob regime de convecção natural no lado do resfriamento, a partir do qual se estuda o processo de condensação do vapor de água na presença dos demais gases produzidos, estes conhecidos como gases não condensáveis (GNC). Tais simulações tem o propósito de avaliar as taxas de recuperação de água capazes de serem obtidas por meio do condensador/processo idealizado. / Single and combined steam cycle thermoelectric plants are power plants that consume high amounts of water, mainly from the cooling and steam generation operations. At the same time, there have been a reduction in the supply of this resource in many regions where thermoelectric units are installed. This fact increases the concern, discussion, and research on the development of technologies and new strategies directed to the mitigation of the consumption and reutilization of water. On the other hand, likewise UTEs are intensive in water consumption, they also produce it at significant amounts of steam from the combustion process, and that amount of water produced is released to the atmosphere together with gases produced (CO2, N2, O2, SO2). In this sense, this work is divided into two distinct parts. The first one is aimed at estimating the amount of water and other components present in the flue gases of thirty Brazilian thermal power plants, of which twenty-two are powered by natural gas (single and combined cycles) and eight moved by coal (single cycles). Such estimates consider environmental conditions of the operation site, typical cycle efficiency, and fuel composition employed. The second part deals with a numerical modeling and simulation, at different operating conditions (pressure, cooling temperature, and water vapor content in the gases), of a double vertical tube condenser operating by natural convection on the cooling side, from which the condensation process of the water vapor is studied in the presence of the other gases produced (known as non-condensable gases, NCG). These simulations have the fundamental purpose of evaluating the rates of condensate that can be recovered by means of the condenser/idealized process.