Введение
Изучение гидравлического потока в теплоносителях. Термогидравлика (также называемая термогидродинамикой) – это изучение гидравлического потока в теплоносителях. Эта область может быть разделена главным образом на три части: термодинамику, механику жидкости и теплообмен, но они часто тесно взаимосвязаны. Типичным примером является генерация пара на электростанциях и связанная с этим передача энергии в механическое движение, а также изменение фазового состояния воды в процессе этого преобразования. Термогидравлический анализ позволяет определить важные параметры для проектирования реакторов, такие как эффективность установки и способность системы к охлаждению. Распространенные прилагательные: "термогидравлический", "теплогидравлический" и "термогидродинамический".
Thermal hydraulics (also called thermohydraulics) is the study of hydraulic flow in thermal fluids. The area can be mainly divided into three parts: thermodynamics, fluid mechanics, and heat transfer, but they are often closely linked to each other. A common example is steam generation in power plants and the associated energy transfer to mechanical motion and the change of states of the water while undergoing this process. Thermal hydraulic analysis can determine important parameters for reactor design such as plant efficiency and coolability of the system. The common adjectives are "thermohydraulic", "thermal hydraulic" and "thermalhydraulic".
Термодинамический анализ
В термодинамическом анализе предполагается, что все состояния, определяемые в системе, находятся в термодинамическом равновесии; каждое состояние характеризуется механическим, тепловым и фазовым равновесием, и не происходит макроскопических изменений во времени. Для анализа системы могут быть применены первый и второй законы термодинамики. В анализе энергетических установок ряд состояний может составлять цикл. В этом случае каждое состояние представляет собой условие на входе/выходе отдельного компонента. Примеры компонентов включают насос-компрессор, турбину, реактор и теплообменник. Учитывая определяющее уравнение для данного типа жидкости, можно проанализировать термодинамическое состояние каждой точки. В результате можно определить тепловую эффективность цикла. Примеры циклов включают цикл Карно, цикл Брэйтона и цикл Ренкина. На основе простых циклов существуют также модифицированные или комбинированные циклы.
Однофазный теплопередач
В однофазной теплопередаче конвекция часто является доминирующим механизмом теплообмена. При адиабатическом течении, когда поток получает тепло, температура теплоносителя изменяется по мере его движения. Примерами однофазной теплопередачи являются газоохлаждаемые и реакторы с расплавленными солями. Наиболее удобный способ характеризации однофазной теплопередачи основан на эмпирическом подходе, при котором разность температур между стенкой и основным потоком определяется по коэффициенту теплопередачи. Коэффициент теплопередачи зависит от ряда факторов: способа теплопередачи (например, внутреннего или внешнего потока), типа жидкости, геометрии системы, режима течения (например, ламинарного или турбулентного потока), граничных условий и т.д. Примеры эмпирических зависимостей для теплопередачи включают корреляцию Дитуса-Боелтера (турбулентная вынужденная конвекция) и корреляцию Черчилля-Чу (естественная конвекция).
Многофазный теплопередач
По сравнению с однофазным теплообменом, теплообмен с фазовым переходом является эффективным способом передачи тепла. Он обычно характеризуется высоким коэффициентом теплопередачи благодаря большому значению скрытой теплоты фазового перехода и вызванному этим перемешиванию потока. Теплообмен при кипении и конденсации охватывает широкий спектр явлений.
Кипячение бассейна
Кипячение в бассейне – это кипячение на неподвижной жидкости. Его поведение хорошо описывается кривой кипения Нукиямы, которая показывает зависимость между величиной перегрева поверхности и приложенным тепловым потоком на этой поверхности. В зависимости от степени перегрева, кривая состоит из естественной конвекции, начала нуклеатного кипения, нуклеатного кипения, критического теплового потока, переходного кипения и пленочного кипения. Каждый режим характеризуется своим механизмом теплопередачи и имеет различные эмпирические зависимости для коэффициента теплопередачи.
Кипячение потока
Кипячение в потоке – это кипячение движущейся жидкости. По сравнению с кипением в спокойной жидкости, теплопередача при кипении в потоке зависит от множества факторов, включая давление потока, массовый расход, тип жидкости, условия на входе, материалы стенок, геометрию системы и приложенный тепловой поток. Для характеристики кипения в потоке требуется всесторонний учет рабочих условий. В 2021 году прототип кабеля для зарядки электромобилей, использующий кипение в потоке, смог отвести 24,22 кВт тепла, что позволило достичь тока зарядки 2400 ампер, что значительно превышает показатели самых современных кабелей для зарядки, максимальный ток которых составляет 520 ампер.
Критический тепловой поток
Коэффициент теплопередачи при пленочном кипении увеличивается с ростом перегрева стенки до определенного момента. При превышении приложенным тепловым потоком определенного предела, способность потока к теплопередаче снижается или резко падает. Как правило, критический тепловой поток соответствует пределу теплового пробоя (DNB) в PWR и высыханию в BWR. Снижение коэффициента теплопередачи, наблюдаемое после предельного теплового пробоя или высыхания, может привести к повреждению поверхности кипения. Изучение точной точки наступления и механизма возникновения критического теплового потока представляет значительный интерес.
Передача тепла после CHF
Для кризиса кипения типа DNB поток характеризуется медленным продвижением парообразной жидкости между жидкостью и стенкой. Помимо конвективного теплообмена, вклад в теплообмен вносит также теплообмен излучением. После наступления высыхания режим течения изменяется от обратного кольцевого к туманообразному.