Tepelná hydraulika - Thermal hydraulics

Termální hydraulika (také nazývaná termohydraulika ) je studium hydraulického toku v tepelných kapalinách . Tuto oblast lze rozdělit hlavně na tři části: termodynamika , mechanika tekutin a přenos tepla , ale často spolu úzce souvisejí. Běžným příkladem je pára generace v elektrárnách a související přenos energie na mechanickou pohybu a změna stavů z vody, zatímco prochází tento proces. Tepelně-hydraulická analýza může určit důležité parametry pro návrh reaktoru, jako je účinnost elektrárny a coolability systému.

Společná přídavná jména jsou „thermohydraulic“, „thermohydraulic“ a „thermalhydraulic“.

Termodynamická analýza

V termodynamické analýze se předpokládá, že všechny stavy definované v systému jsou v termodynamické rovnováze ; každý stav má mechanickou, tepelnou a fázovou rovnováhu a neexistuje žádná makroskopická změna vzhledem k času. Pro analýzu systému lze použít první zákon a druhý zákon termodynamiky.

V analýze elektrárny může řada stavů zahrnovat cyklus . V tomto případě každý stav představuje podmínku na vstupu / výstupu jednotlivé komponenty. Příkladem komponent jsou kompresor čerpadla , turbína , reaktor a výměník tepla . Uvážením konstitutivní rovnice pro daný typ kapaliny lze analyzovat termodynamický stav každého bodu. Ve výsledku lze definovat tepelnou účinnost cyklu.

Mezi příklady cyklu patří Carnotův cyklus , Braytonův cyklus a Rankinův cyklus . Na základě jednoduchého cyklu také existuje modifikovaný nebo kombinovaný cyklus.

Distribuce teploty

Teplota je důležité množství, které je třeba znát pro pochopení systému. Vlastnosti materiálu, jako je hustota , tepelná vodivost , viskozita a měrné teplo, závisí na teplotě a velmi vysoká nebo nízká teplota může přinést neočekávané změny v systému. V pevné látce lze tepelnou rovnici použít k získání rozložení teploty uvnitř materiálu s danými geometriemi.

Pro ustálený stav a statický případ lze rovnici tepla napsat jako

kde platí Fourierův zákon vedení .

Aplikování okrajových podmínek poskytuje řešení pro distribuci teploty.

Jednofázový přenos tepla

V jednofázovém přenosu tepla je často dominujícím mechanismem přenosu tepla konvekce . U diabatického toku, kde tok přijímá teplo, se teplota chladicí kapaliny mění, jak proudí. Příkladem jednofázového přenosu tepla je plynem chlazený reaktor a reaktor s roztavenou solí .

Nejpohodlnější způsob charakterizace jednofázového přenosu tepla je založen na empirickém přístupu, kde teplotní rozdíl mezi stěnou a objemovým tokem lze získat z koeficientu přenosu tepla . Koeficient přenosu tepla závisí na několika faktorech: způsob přenosu tepla (např. Vnitřní nebo vnější tok ), typ kapaliny, geometrie systému, režim proudění (např. Laminární nebo turbulentní proudění ), okrajová podmínka atd.

Příklady korelací přenosu tepla jsou Dittus-Boelterova korelace (turbulentní nucená konvekce ), Churchill & Chu ( přirozená konvekce ).

Vícefázový přenos tepla

Ve srovnání s jednofázovým přenosem tepla je přenos tepla s fázovou změnou účinným způsobem přenosu tepla. Obecně má vysokou hodnotu součinitele prostupu tepla v důsledku velké hodnoty latentního tepla fázové změny, po které následuje indukované promíchávání toku. Přenosy varu a kondenzace tepla se zabývají širokou škálou jevů.

Pool varu

Vaření v bazénu vaří ve stojaté tekutině. Jeho chování je dobře charakterizováno křivkou varu Nukiyama , která ukazuje vztah mezi množstvím povrchového přehřátí a aplikovaným tepelným tokem na povrch. Při různých stupních přehřátí se křivka skládá z přirozené konvekce, začátku varu nukleátů, varu nukleátů , kritického tepelného toku , přechodného varu a varu filmu. Každý režim má jiný mechanismus přenosu tepla a má jinou korelaci pro koeficient přenosu tepla.

Průtokový var

Průtokový var je vroucí v tekoucí tekutině. Ve srovnání s varem v bazénu závisí průtokový varný přenos tepla na mnoha faktorech, včetně průtokového tlaku, hmotnostního průtoku, typu kapaliny, stavu proti směru toku, materiálů stěn, geometrie systému a použitého tepelného toku. Charakterizace průtokového varu vyžaduje komplexní zvážení provozních podmínek.

Kritický tepelný tok

Koeficient přenosu tepla v důsledku varu nukleátů se zvyšuje s přehřátím stěny, dokud nedosáhnou určitého bodu. Když aplikovaný tepelný tok překročí určitou mez, schopnost přenosu tepla v toku klesá nebo významně klesá. Kritický tepelný tok obvykle odpovídá DNB v PWR a vysoušení v BWR . Snížený součinitel přestupu tepla pozorovaný u post-DNB nebo post-dryout pravděpodobně povede k poškození varného povrchu. Pochopení přesného bodu a spouštěcího mechanismu souvisejícího s kritickým tepelným tokem je předmětem zájmu.

Přenos tepla po CHF

Pro DNB typ varné krize je tok charakterizován plazivou parní tekutinou mezi kapalinou a stěnou. Kromě konvekčního přenosu tepla přispívá přenos tepla sáláním k přenosu tepla. Po vysušení se režim proudění posune z obráceného prstencového proudění na proudění mlhy.

Jiné jevy

Další termální hydraulické jevy jsou předmětem zájmu:

Kritický výboj

Omezení průtoku protiproudem

Kondenzace

Nestabilita toku

Navlhčování

Viz také

Reference

  1. ^ Akimoto, Hajime; Anoda, Yoshinari; Takase, Kazujuki; Yoshida, Hiroyuki; Tamai, Hidesada (2016). Jaderná tepelná hydraulika . Pokročilý kurz jaderného inženýrství . 4 . doi : 10,1007 / 978-4-431-55603-9 . ISBN   978-4-431-55602-2 . ISSN   2195-3708 .
  2. ^ Ne, Hee Cheon (1989). 핵 기계 공학 . Soul: Korejská jaderná společnost.
  3. ^ Nukiyama, Shiro (prosinec 1966). "Maximální a minimální hodnoty tepla Q přenášeného z kovu do vroucí vody za atmosférického tlaku". International Journal of Heat and Mass Transfer . 9 (12): 1419–1433. doi : 10.1016 / 0017-9310 (66) 90138-4 . ISSN   0017-9310 .
  4. ^ E., Todreas, Neil (2011). Nuclear Systems Volume I: Thermal Hydraulic Fundamentals, druhé vydání . CRC Press. ISBN   9781439808887 . OCLC   910553956 .