Термогидравлика (также называемая термогидравликой ) — это изучение гидравлического потока в теплоносителях . Область можно разделить на три основные части: термодинамика , механика жидкости и теплопередача , но они часто тесно связаны друг с другом. Типичным примером является производство пара на электростанциях и связанная с этим передача энергии в механическое движение и изменение состояний воды во время этого процесса. Анализ термогидравлики может определить важные параметры для проектирования реактора, такие как эффективность установки и охлаждаемость системы. [1]
Распространенными прилагательными являются «термогидравлический», «термогидравлика» и «термогидравлика».
В термодинамическом анализе предполагается, что все состояния, определенные в системе, находятся в термодинамическом равновесии ; каждое состояние имеет механическое, тепловое и фазовое равновесие, и нет никаких макроскопических изменений относительно времени. Для анализа системы можно применять первый и второй законы термодинамики. [2]
В анализе электростанции ряд состояний может составлять цикл . В этом случае каждое состояние представляет собой состояние на входе/выходе отдельного компонента. Примерами компонентов являются насос- компрессор , турбина , реактор и теплообменник . Рассматривая уравнение состояния для данного типа жидкости, можно проанализировать термодинамическое состояние каждой точки. В результате можно определить тепловой КПД цикла.
Примерами цикла являются цикл Карно , цикл Брайтона и цикл Ренкина . На основе простого цикла также существует модифицированный или комбинированный цикл.
Авторы отметили, что термогидравлический параметр (THP) менее чувствителен к фактору улучшения коэффициента трения (FFER). [3] Отклонение между терминами (fR/fS) и (fR/fS)0,33 составило от 48% до 64% для диапазона шероховатости и других параметров с (Re) 2900 – 14 000, который использовался для настоящего исследования. Поэтому для оценки в равных пропорциях улучшения теплопередачи (Nu) и коэффициента трения (f) в тепловых системах был предложен и введен новый параметр с использованием настоящей работы, который является более реалистичным и назван параметром термогидравлического улучшения (THIP), и его можно оценить как отношение (NNIF) к (FFIF). [3]
Где (NNIF)=коэффициент улучшения числа Нуссельта и (FFIF)=коэффициент улучшения коэффициента трения
Температура — важная величина, которую нужно знать для понимания системы. Свойства материала, такие как плотность , теплопроводность , вязкость и удельная теплоемкость , зависят от температуры, а очень высокая или низкая температура может приводить к неожиданным изменениям в системе. В твердом теле уравнение теплопроводности можно использовать для получения распределения температуры внутри материала с заданной геометрией.
Для стационарного и статического случая уравнение теплопроводности можно записать в виде
где применяется закон проводимости Фурье .
Применение граничных условий дает решение для распределения температуры.
При однофазной теплопередаче конвекция часто является доминирующим механизмом теплопередачи. Для адиабатического течения, где поток получает тепло, температура охлаждающей жидкости изменяется по мере ее течения. Примером однофазной теплопередачи является газоохлаждаемый реактор и реактор на расплавленной соли .
Наиболее удобный способ характеризовать однофазный теплообмен основан на эмпирическом подходе, где разность температур между стенкой и объемным потоком может быть получена из коэффициента теплопередачи . Коэффициент теплопередачи зависит от нескольких факторов: режима теплопередачи (например, внутренний или внешний поток ), типа жидкости, геометрии системы, режима течения (например, ламинарный или турбулентный поток ), граничных условий и т. д.
Примерами корреляций теплопередачи являются корреляция Диттуса-Бёльтера (турбулентная вынужденная конвекция ), Черчилля и Чу ( естественная конвекция ).
По сравнению с однофазным теплообменом, теплообмен с фазовым переходом является эффективным способом теплопередачи. Он обычно имеет высокое значение коэффициента теплопередачи из-за большого значения скрытой теплоты фазового перехода, сопровождаемого вынужденным перемешиванием потока. Теплопередача при кипении и конденсации связана с широким кругом явлений.
Кипение в бассейне — это кипение в неподвижной жидкости. Его поведение хорошо описывается кривой кипения Нукиямы [ 4] , которая показывает связь между величиной поверхностного перегрева и приложенным тепловым потоком на поверхности. При различных степенях перегрева кривая состоит из естественной конвекции, начала пузырькового кипения, пузырькового кипения , критического теплового потока , переходного кипения и пленочного кипения. Каждый режим имеет свой механизм теплопередачи и имеет свою корреляцию для коэффициента теплопередачи.
Кипение потока — это кипение в текущей жидкости. По сравнению с кипением в бассейне, теплопередача при кипении потока зависит от многих факторов, включая давление потока, массовый расход, тип жидкости, состояние выше по потоку, материалы стенок, геометрию системы и приложенный тепловой поток. Характеристика кипения потока требует всестороннего рассмотрения условий эксплуатации. [5] В 2021 году прототип кабеля для зарядки электромобиля с использованием кипения потока смог отвести 24,22 кВт тепла, что позволило зарядному току достичь 2400 ампер, что намного выше, чем у современных зарядных кабелей, максимальная сила тока которых составляет 520 ампер. [6]
Коэффициент теплопередачи из-за пузырькового кипения увеличивается с перегревом стенки, пока не достигнет определенной точки. Когда приложенный тепловой поток превышает определенный предел, теплопередающая способность потока уменьшается или значительно падает. Обычно критический тепловой поток (CHF) соответствует отклонению от пузырькового кипения (DNB) в реакторе с водой под давлением (PWR) и высыханию в кипящем реакторе (BWR). Снижение коэффициента теплопередачи, наблюдаемое в пост-DNB или после высыхания, вероятно, приведет к повреждению поверхности кипения. Понимание точной точки и механизма срабатывания, связанного с критическим тепловым потоком, является темой, представляющей интерес.
Для кризиса кипения типа DNB течение характеризуется ползучим паровым потоком между жидкостью и стенкой. Помимо конвективного теплообмена, в теплопередачу вносит вклад радиационный теплоперенос . После высыхания режим течения изменяется с инвертированного кольцевого на туманный.
Интерес представляют и другие явления термогидравлики:
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )