Hidráulica Térmica - Thermal hydraulics
La hidráulica térmica (también llamada termohidráulica ) es el estudio del flujo hidráulico en fluidos térmicos . El área se puede dividir principalmente en tres partes: termodinámica , mecánica de fluidos y transferencia de calor , pero a menudo están estrechamente vinculadas entre sí. Un ejemplo común es la generación de vapor en plantas de energía y la transferencia de energía asociada al movimiento mecánico y el cambio de estado del agua durante este proceso. El análisis termohidráulico puede determinar parámetros importantes para el diseño del reactor, como la eficiencia de la planta y la capacidad de refrigeración del sistema.
Los adjetivos comunes son "termohidráulico", "termohidráulico" y "termohidráulico".
Análisis termodinámico
En el análisis termodinámico, se supone que todos los estados definidos en el sistema están en equilibrio termodinámico ; cada estado tiene equilibrio mecánico, térmico y de fase, y no hay cambio macroscópico con respecto al tiempo. Para el análisis del sistema, se puede aplicar la primera ley y la segunda ley de la termodinámica.
En el análisis de centrales eléctricas , una serie de estados pueden comprender un ciclo . En este caso, cada estado representa una condición en la entrada / salida del componente individual. Los ejemplos de componentes son compresor de bomba , turbina , reactor e intercambiador de calor . Al considerar la ecuación constitutiva para el tipo de fluido dado, se puede analizar el estado termodinámico de cada punto. Como resultado, se puede definir la eficiencia térmica del ciclo.
Los ejemplos del ciclo incluyen el ciclo de Carnot , el ciclo de Brayton y el ciclo de Rankine . Basado en el ciclo simple, también existe el ciclo modificado o combinado.
Distribución de temperatura
La temperatura es una cantidad importante que se debe conocer para comprender el sistema. Las propiedades del material como la densidad , la conductividad térmica , la viscosidad y el calor específico dependen de la temperatura, y una temperatura muy alta o baja puede provocar cambios inesperados en el sistema. En sólido, la ecuación de calor se puede utilizar para obtener la distribución de temperatura dentro del material con geometrías dadas.
Para el caso de estado estacionario y estático, la ecuación de calor se puede escribir como
donde se aplica la ley de conducción de Fourier .
La aplicación de condiciones de contorno da una solución para la distribución de temperatura.
Transferencia de calor monofásica
En la transferencia de calor monofásica, la convección es a menudo el mecanismo dominante de transferencia de calor. Para un flujo diabático donde el flujo recibe calor, la temperatura del refrigerante cambia a medida que fluye. Un ejemplo de transferencia de calor de una sola fase es un reactor refrigerado por gas y reactor de sales fundidas .
La forma más conveniente de caracterizar la transferencia de calor monofásica se basa en un enfoque empírico, donde la diferencia de temperatura entre la pared y el flujo a granel se puede obtener a partir del coeficiente de transferencia de calor . El coeficiente de transferencia de calor depende de varios factores: modo de transferencia de calor (por ejemplo, flujo interno o externo ), tipo de fluido, geometría del sistema, régimen de flujo (por ejemplo, flujo laminar o turbulento ), condición de contorno, etc.
Ejemplos de correlaciones de transferencia de calor son la correlación Dittus-Boelter ( convección forzada turbulenta ), Churchill & Chu ( convección natural ).
Transferencia de calor multifase
En comparación con la transferencia de calor monofásica, la transferencia de calor con un cambio de fase es una forma eficaz de transferencia de calor. Generalmente tiene un alto valor de coeficiente de transferencia de calor debido al gran valor del calor latente del cambio de fase seguido de la mezcla inducida del flujo. Las transferencias de calor por condensación y ebullición están relacionadas con una amplia gama de fenómenos.
Piscina hirviendo
La ebullición de la piscina está hirviendo en un líquido estancado. Su comportamiento está bien caracterizado por la curva de ebullición de Nukiyama , que muestra la relación entre la cantidad de sobrecalentamiento de la superficie y el flujo de calor aplicado en la superficie. Con los grados variables de recalentamiento, la curva se compone de convección natural, inicio de ebullición nucleada , ebullición nucleada , flujo de calor crítico , ebullición de transición y ebullición de película. Cada régimen tiene un mecanismo diferente de transferencia de calor y una correlación diferente para el coeficiente de transferencia de calor.
Flujo de ebullición
La ebullición de flujo es ebullición en un fluido que fluye. En comparación con la ebullición de la piscina, la transferencia de calor de ebullición de flujo depende de muchos factores, incluidos la presión de flujo, la tasa de flujo másico, el tipo de fluido, la condición aguas arriba, los materiales de la pared, la geometría del sistema y el flujo de calor aplicado. La caracterización del flujo de ebullición requiere una consideración integral de las condiciones de funcionamiento.
Flujo de calor crítico
El coeficiente de transferencia de calor debido a la ebullición nucleada aumenta con el sobrecalentamiento de la pared hasta que alcanzan un cierto punto. Cuando el flujo de calor aplicado excede el límite determinado, la capacidad de transferencia de calor del flujo disminuye o cae significativamente. Normalmente, el flujo de calor crítico corresponde a DNB en PWR y al secado en BWR . Es probable que el coeficiente de transferencia de calor reducido observado en post-DNB o post-secado resulte en daños a la superficie de ebullición. La comprensión del punto exacto y el mecanismo de activación relacionados con el flujo de calor crítico es un tema de interés.
Transferencia de calor post-CHF
Para el tipo DNB de crisis de ebullición, el flujo se caracteriza por un fluido de vapor deslizante entre el líquido y la pared. Además de la transferencia de calor por convección, la transferencia de calor por radiación contribuye a la transferencia de calor. Después del secado, el régimen de flujo se cambia de un flujo anular invertido a un flujo de niebla.
Otros fenomenos
Otros fenómenos termohidráulicos son objeto de interés:
Limitación de flujo de contracorriente
Inestabilidad de flujo
Rehumedecer
Ver también
Referencias
- ^ Akimoto, Hajime; Anoda, Yoshinari; Takase, Kazuyuki; Yoshida, Hiroyuki; Tamai, Hidesada (2016). Hidráulica Térmica Nuclear . Un curso avanzado en ingeniería nuclear . 4 . doi : 10.1007 / 978-4-431-55603-9 . ISBN 978-4-431-55602-2 . ISSN 2195-3708 .
- ^ No, Hee Cheon (1989). 핵 기계 공학 . Seúl: Sociedad Nuclear de Corea.
- ^ Nukiyama, Shiro (diciembre de 1966). "Los valores máximo y mínimo del calor Q transmitido del metal al agua hirviendo bajo presión atmosférica". Revista Internacional de Transferencia de Calor y Masa . 9 (12): 1419-1433. doi : 10.1016 / 0017-9310 (66) 90138-4 . ISSN 0017-9310 .
- ^ E., Todreas, Neil (2011). Sistemas nucleares Volumen I: Fundamentos de la termohidráulica, segunda edición . Prensa CRC. ISBN 9781439808887 . OCLC 910553956 .