Was ist Wärmestromdichte – Wärmestrom – Definition

Die Wärmeübertragungsrate pro Flächeneinheit senkrecht zur Wärmeübertragungsrichtung wird als Wärmefluss bezeichnet. Manchmal wird es auch als Wärmestromdichte bezeichnet. Wärmetechnik

Wärmestromdichte – Wärmestrom

Die Wärmeübertragungsrate pro Flächeneinheit senkrecht zur Wärmeübertragungsrichtung wird als Wärmefluss bezeichnet . Manchmal wird es auch als Wärmestromdichte bezeichnet . In SI – Einheiten sind seine Watt pro Quadratmeter (Wm -2 ). Es hat sowohl eine Richtung als auch eine Größe und ist somit eine Vektorgröße. Der durchschnittliche Wärmestrom wird ausgedrückt als:

Wärmestromdichte - Gleichung

wobei A die Wärmeübertragungsfläche ist. Die Einheit des Wärmeflusses in englischen Einheiten ist Btu / h · ft 2 . Beachten Sie, dass der Wärmefluss mit der Zeit und der Position auf einer Oberfläche variieren kann.

In Kernreaktoren ist die Begrenzung des lokalen Wärmeflusses für die Reaktorsicherheit von höchster Bedeutung. Da Kernbrennstoffe aus Brennstäben bestehen, wird der Wärmefluss dort in Einheiten von W / cm (lokaler linearer Wärmefluss) oder kW / Stab (Leistung pro Brennstab) definiert.

Wärmeflussmessung

Die Messung des Wärmeflusses kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden.

  • Messung anhand der Temperaturdifferenz . Ein allgemein bekanntes, aber oft unpraktisches Verfahren wird durchgeführt, indem eine Temperaturdifferenz über einem Materialstück mit bekannter Wärmeleitfähigkeit gemessen wird . Diese Methode setzt voraus, dass die Wärmeleitfähigkeit des Materials bekannt ist. Diese Methode ist analog zu einer Standardmethode zur Messung eines elektrischen Stroms, bei der der Spannungsabfall über einem bekannten Widerstand gemessen wird.
  • Messung basierend auf der Verwendung des Wärmeflusssensors . Der Wärmefluss kann direkt über Wärmeflusssensoren oder Wärmeflusswandler gemessen werden . Der gebräuchlichste Typ eines Wärmeflusssensors ist eine Differenztemperatur-Thermosäule, die im Wesentlichen nach dem gleichen Prinzip wie die erste Messmethode arbeitet. Ein Wärmeflusssensor sollte die lokale Wärmeflussdichte in einer Richtung messen. Das Ergebnis wird in Watt pro Quadratmeter ausgedrückt. Diese Messung hat den Vorteil, dass die Wärmeleitfähigkeit kein bekannter Parameter sein muss.

Beispiel – Wärmefluss durch ein Fenster

Beispiel - Wärmestrom - WärmeleitungWärmeverlust durch Fenster

Eine Hauptquelle für Wärmeverluste aus einem Haus sind die Fenster. Berechnen Sie die Wärmeflussrate durch ein Glasfenster mit einer  Fläche von 1,5 m × 1,0 m und einer Dicke von 3,0 mm, wenn die Temperaturen an der Innen- und Außenfläche 14,0 ° C bzw. 13,0 ° C betragen. Berechnen Sie den Wärmefluss durch dieses Fenster.

Lösung:

Zu diesem Zeitpunkt kennen wir die Temperaturen an den Materialoberflächen. Diese Temperaturen sind auch durch die Bedingungen innerhalb und außerhalb des Hauses gegeben. In diesem Fall fließt Wärme durch Wärmeleitung durch das Glas von der höheren Innentemperatur zur niedrigeren Außentemperatur. Wir verwenden die Wärmeleitungsgleichung:

Wärmeverlust durch Fenstergleichung

Wir nehmen an, dass die Wärmeleitfähigkeit eines gewöhnlichen Glases k = 0,96 W / mK beträgt

Der Wärmefluss beträgt dann:

q = 0,96 [W / mK] × 1 [K] / 3,0 × 10 –3  [m] = 320 W / m 2

Der Gesamtwärmeverlust durch dieses Fenster beträgt:

Verlust  = q. A = 320 x 1,5 x 1,0 = 480 W.

Kritischer Wärmestrom

Dryout vs. DNBWie bereits geschrieben, sind in Kernreaktoren Einschränkungen des lokalen Wärmeflusses für die Reaktorsicherheit von höchster Bedeutung. Bei Druckwasserreaktoren und auch bei Siedewasserreaktoren gibt es thermohydraulische Phänomene, die zu einer plötzlichen Abnahme der Effizienz der Wärmeübertragung führen (genauer gesagt des Wärmeübergangskoeffizienten ). Diese Phänomene treten bei einem bestimmten Wert des Wärmeflusses auf, der als „ kritischer Wärmefluss “ bezeichnet wird. Die Phänomene, die die Verschlechterung der Wärmeübertragung verursachen, sind für PWRs und für BWRs unterschiedlich.

Bei beiden Reaktortypen ist das Problem mehr oder weniger mit der Abweichung vom Sieden der Keime verbunden. Der Wärmefluss beim sieden der Keime kann nicht unbegrenzt erhöht werden. Bei einem bestimmten Wert, den wir als „ kritischen Wärmefluss “ ( CHF ) bezeichnen, kann der erzeugte Dampf eine Isolierschicht über der Oberfläche bilden, was wiederum den Wärmeübergangskoeffizienten verschlechtert. Unmittelbar nach Erreichen des kritischen Wärmeflusses wird das sieden instabil und es tritt ein Filmsieden auf. Der Übergang vom Blasensieden zum Filmsieden wird als „ Siedekrise “ bezeichnet. Wie geschrieben wurde, sind die Phänomene, die die Verschlechterung der Wärmeübertragung verursachen, für PWRs und für BWRs unterschiedlich.

  • Austrocknen. In SWRs ist dieses Phänomen als „Austrocknung“ bekannt und steht in direktem Zusammenhang mit Änderungen des Strömungsmusters während der Verdampfung in der Region hoher Qualität. Bei bestimmten Kombinationen der Strömungsgeschwindigkeit durch einen Kanal, Druck, Strömungsqualität und lineare Wärmerate, die Wand kann Flüssigkeitsfilm erschöpfen und die Wand wird ausgetrocknet . Normalerweise wird die Kraftstoffoberfläche durch siedendes Kühlmittel effektiv gekühlt. Wenn der Wärmefluss jedoch einen kritischen Wert überschreitet (CHF – kritischer Wärmefluss), kann das Flussmuster die Austrocknungsbedingungen erreichen (dünner Flüssigkeitsfilm verschwindet). Die Wärmeübertragung von der Kraftstoffoberfläche in das Kühlmittel wird durch a verschlechtertdrastisch erhöhte Kraftstoffoberflächentemperatur . In der hochwertigen Region tritt die Krise bei einem geringeren Wärmefluss auf. Da die Strömungsgeschwindigkeit im Dampfkern hoch ist, ist die Wärmeübertragung nach CHF viel besser als bei einem kritischen Fluss geringer Qualität (dh bei PWRs sind die Temperaturerhöhungen höher und schneller).
  • kritischer Wärmefluss und DNB (Abweichung vom Blasensieden)
    Wenn der Wärmefluss eines Siedesystems höher als der kritische Wärmefluss ist, kann DNB (Abweichung vom Keimen der Keime) auftreten.

    Abfahrt von Nucleate Boiling. Im Fall von PWRs wird das kritische Sicherheitsproblem als DNB ( Abweichung vom Sieden der Keime ) bezeichnet, was zur Bildung einer lokalen Dampfschicht führt , was zu einer dramatischen Verringerung der Wärmeübertragungsfähigkeit führt. Dieses Phänomen tritt im unterkühlten Bereich oder im Bereich geringer Qualität auf. Das Verhalten der Siedekrise hängt von vielen Strömungsbedingungen (Druck, Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit) ab, aber die Siedekrise tritt bei relativ hohen Wärmeströmen auf und scheint mit der an die Oberfläche angrenzenden Blasenwolke verbunden zu sein. Diese Blasen oder Dampffilme reduzieren die Menge des einströmenden Wassers. Da dieses Phänomen den Wärmeübergangskoeffizienten verschlechtert und der Wärmefluss erhalten bleibt, wird dann Wärme abgegebenreichert sich in der Brennstab verursacht dramatischen Anstieg von Mantel- und Kraftstofftemperatur . Es ist einfach eine sehr hohe Temperaturdifferenz erforderlich, um den kritischen Wärmefluss, der von der Oberfläche des Brennstabs erzeugt wird, auf das Reaktorkühlmittel (durch die Dampfschicht) zu übertragen. Im Fall von PWRs ist der kritische Fluss ein invertierter Ringfluss, während in BWRs der kritische Fluss normalerweise ein Ringfluss ist. Der Unterschied im Flussregime zwischen dem Fluss nach dem Austrocknen und dem Fluss nach dem DNB ist in der Abbildung dargestellt. Bei PWRs im Normalbetrieb wird der Durchfluss als einphasig betrachtet. Es wurden jedoch zahlreiche Studien zur Art der Zweiphasenströmung im Fall von durchgeführtTransienten und Unfälle (wie der Unfall mit Kühlmittelverlust – LOCA oder das Auslösen von RCPs ), die für die Sicherheit des Reaktors von Bedeutung sind und im Sicherheitsanalysebericht (SAR) nachgewiesen und deklariert werden müssen .

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.