Flujo de calor a través de las ventanas. Una fuente importante de pérdida de calor de una casa es a través de las ventanas. Calcule la tasa de flujo de calor a través de una ventana de vidrio 1.5 mx 1.0 m. Ingenieria termal
Ejemplo: flujo de calor a través de una ventana
Pérdida de calor a través de ventanas.
Una fuente importante de pérdida de calor de una casa es a través de las ventanas. Calcule la tasa de flujo de calor a través de una ventana de vidrio de 1.5 mx 1.0 m de área y 3.0 mm de espesor, si las temperaturas en las superficies interna y externa son 14.0 ° C y 13.0 ° C, respectivamente. Calcule el flujo de calor a través de esta ventana.
Solución:
En este punto, sabemos las temperaturas en las superficies del material. Estas temperaturas también están dadas por las condiciones dentro y fuera de la casa. En este caso, el calor fluye por conducción a través del vidrio desde la temperatura interior más alta hasta la temperatura exterior más baja. Utilizamos la ecuación de conducción de calor:
Suponemos que la conductividad térmica de un vidrio común es k = 0.96 W / mK
El flujo de calor será entonces:
q = 0.96 [W / mK] x 1 [K] / 3.0 x 10 -3 [m] = 320 W / m 2
La pérdida total de calor a través de esta ventana será:
q pérdida = q. A = 320 x 1.5 x 1.0 = 480W
Densidad de flujo de calor – Flujo térmico
La tasa de transferencia de calor por unidad de área normal a la dirección de transferencia de calor se denomina flujo de calor . A veces también se conoce como densidad de flujo de calor . En SI sus unidades son vatios por metro cuadrado (Wm −2 ). Tiene una dirección y una magnitud, por lo que es una cantidad vectorial. El flujo de calor promedio se expresa como:
donde A es el área de transferencia de calor. La unidad de flujo de calor en unidades inglesas es Btu / h · ft 2 . Tenga en cuenta que el flujo de calor puede variar con el tiempo, así como la posición en una superficie.
En los reactores nucleares , las limitaciones del flujo de calor local son de la mayor importancia para la seguridad del reactor. Como el combustible nuclear consiste en barras de combustible, el flujo de calor se define en unidades de W / cm (flujo de calor lineal local) o kW / barra (potencia por barra de combustible).
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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.
La medición del flujo de calor se puede realizar de diferentes maneras. Algunos métodos se basan en el uso del sensor de flujo de calor. Medición de flujo de calor
Medición de flujo de calor
La medición del flujo de calor se puede realizar de diferentes maneras.
Medición basada en la diferencia de temperatura . Un método comúnmente conocido, pero a menudo poco práctico, se realiza midiendo una diferencia de temperatura sobre una pieza de material con conductividad térmica conocida . Este método supone que la conductividad térmica del material es bien conocida. Este método es análogo a una forma estándar de medir una corriente eléctrica, donde se mide la caída de voltaje sobre una resistencia conocida.
Medición basada en el uso del sensor de flujo de calor . El flujo de calor se puede medir directamente a través de sensores de flujo de calor o transductores de flujo de calor. El tipo más común de sensor de flujo de calor es una termopila de temperatura diferencial que funciona esencialmente con el mismo principio que el primer método de medición. Un sensor de flujo de calor debe medir la densidad del flujo de calor local en una dirección. El resultado se expresa en vatios por metro cuadrado. Esta medición tiene la ventaja de que la conductividad térmica no necesita ser un parámetro conocido.
Densidad de flujo de calor – Flujo térmico
La tasa de transferencia de calor por unidad de área normal a la dirección de transferencia de calor se denomina flujo de calor . A veces también se conoce como densidad de flujo de calor . En SI sus unidades son vatios por metro cuadrado (Wm −2 ). Tiene una dirección y una magnitud, por lo que es una cantidad vectorial. El flujo de calor promedio se expresa como:
donde A es el área de transferencia de calor. La unidad de flujo de calor en unidades inglesas es Btu / h · ft 2 . Tenga en cuenta que el flujo de calor puede variar con el tiempo, así como la posición en una superficie.
En los reactores nucleares , las limitaciones del flujo de calor local son de la mayor importancia para la seguridad del reactor. Como el combustible nuclear consiste en barras de combustible, el flujo de calor se define en unidades de W / cm (flujo de calor lineal local) o kW / barra (potencia por barra de combustible).
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La tasa de transferencia de calor por unidad de área normal a la dirección de transferencia de calor se denomina flujo de calor. A veces también se conoce como densidad de flujo de calor. Ingenieria termal
Densidad de flujo de calor – Flujo térmico
La tasa de transferencia de calor por unidad de área normal a la dirección de transferencia de calor se denomina flujo de calor . A veces también se conoce como densidad de flujo de calor . En SI sus unidades son vatios por metro cuadrado (Wm −2 ). Tiene una dirección y una magnitud, por lo que es una cantidad vectorial. El flujo de calor promedio se expresa como:
donde A es el área de transferencia de calor. La unidad de flujo de calor en unidades inglesas es Btu / h · ft 2 . Tenga en cuenta que el flujo de calor puede variar con el tiempo, así como la posición en una superficie.
En los reactores nucleares , las limitaciones del flujo de calor local son de la mayor importancia para la seguridad del reactor. Como el combustible nuclear consiste en barras de combustible, el flujo de calor se define en unidades de W / cm (flujo de calor lineal local) o kW / barra (potencia por barra de combustible).
Medición de flujo de calor
La medición del flujo de calor se puede realizar de diferentes maneras.
Medición basada en la diferencia de temperatura . Un método comúnmente conocido, pero a menudo poco práctico, se realiza midiendo una diferencia de temperatura sobre una pieza de material con conductividad térmica conocida . Este método supone que la conductividad térmica del material es bien conocida. Este método es análogo a una forma estándar de medir una corriente eléctrica, donde uno mide la caída de voltaje sobre una resistencia conocida.
Medición basada en el uso del sensor de flujo de calor . El flujo de calor se puede medir directamente a través de sensores de flujo de calor o transductores de flujo de calor. El tipo más común de sensor de flujo de calor es una termopila de temperatura diferencial que opera esencialmente con el mismo principio que el primer método de medición. Un sensor de flujo de calor debe medir la densidad del flujo de calor local en una dirección. El resultado se expresa en vatios por metro cuadrado. Esta medición tiene la ventaja de que la conductividad térmica no necesita ser un parámetro conocido.
Ejemplo: flujo de calor a través de una ventana
Pérdida de calor a través de ventanas.
Una fuente importante de pérdida de calor de una casa es a través de las ventanas. Calcule la tasa de flujo de calor a través de una ventana de vidrio de 1.5 mx 1.0 m de área y 3.0 mm de espesor, si las temperaturas en las superficies interna y externa son 14.0 ° C y 13.0 ° C, respectivamente. Calcule el flujo de calor a través de esta ventana.
Solución:
En este punto, sabemos las temperaturas en las superficies del material. Estas temperaturas también están dadas por las condiciones dentro y fuera de la casa. En este caso, el calor fluye por conducción a través del vidrio desde la temperatura interior más alta hasta la temperatura exterior más baja. Utilizamos la ecuación de conducción de calor:
Suponemos que la conductividad térmica de un vidrio común es k = 0.96 W / mK
El flujo de calor será entonces:
q = 0.96 [W / mK] x 1 [K] / 3.0 x 10 -3 [m] = 320 W / m 2
La pérdida total de calor a través de esta ventana será:
q pérdida = q. A = 320 x 1.5 x 1.0 = 480W
Flujo de calor crítico
Como se escribió, en los reactores nucleares , las limitaciones del flujo de calor local son de la mayor importancia para la seguridad del reactor. Para los reactores de agua a presión y también para los reactores de agua en ebullición , existen fenómenos termohidráulicos, que causan una disminución repentina en la eficiencia de la transferencia de calor (más precisamente en el coeficiente de transferencia de calor ). Estos fenómenos ocurren a cierto valor del flujo de calor, conocido como el ” flujo de calor crítico “. Los fenómenos que causan el deterioro de la transferencia de calor son diferentes para los PWR y para los BWR.
En ambos tipos de reactores, el problema está más o menos asociado con la salida de la ebullición de los nucleados. El flujo de calor de ebullición nucleado no se puede aumentar indefinidamente. En cierto valor, lo llamamos el ” flujo de calor crítico ” ( CHF ), el vapor producido puede formar una capa aislante sobre la superficie, que a su vez deteriora el coeficiente de transferencia de calor. Inmediatamente después de alcanzar el flujo de calor crítico, la ebullición se vuelve inestable y se produce la ebullición de la película. La transición de ebullición nucleada a ebullición de película se conoce como la ” crisis de ebullición “. Como se escribió, los fenómenos que causan el deterioro de la transferencia de calor son diferentes para los PWR y para los BWR.
Secar. En los BWR, este fenómeno se conoce como el “secado” y está directamente asociado con cambios en el patrón de flujo durante la evaporación en la región de alta calidad. A combinaciones dadas de velocidad de flujo a través de un canal, presión, calidad de flujo y velocidad de calor lineal, la película líquida de la pared puede agotarse y la pared puede secarse . En condiciones normales, la superficie del combustible se enfría efectivamente por medio de refrigerante hirviendo. Sin embargo, cuando el flujo de calor excede un valor crítico (CHF – flujo de calor crítico), el patrón de flujo puede alcanzar las condiciones de secado (desaparece la película delgada de líquido). La transferencia de calor desde la superficie del combustible al refrigerante se deteriora, con el resultado de unaumento drásticamente la temperatura de la superficie del combustible . En la región de alta calidad, la crisis ocurre con un flujo de calor más bajo. Dado que la velocidad de flujo en el núcleo de vapor es alta, la transferencia de calor post-CHF es mucho mejor que para el flujo crítico de baja calidad (es decir, para los aumentos de temperatura PWR son más altos y más rápidos).
Si el flujo de calor de un sistema de ebullición es más alto que el flujo de calor crítico, entonces puede ocurrir DNB (salida de la ebullición nuclear).
Salida de Nucleate Boiling. En el caso de los PWR , el problema crítico de seguridad se denomina DNB ( desviación de la ebullición de nucleados ), lo que provoca la formación de una capa de vapor local , lo que provoca una reducción dramática en la capacidad de transferencia de calor. Este fenómeno ocurre en la región subenfriada o de baja calidad. El comportamiento de la crisis de ebullición depende de muchas condiciones de flujo (presión, temperatura, velocidad de flujo), pero la crisis de ebullición ocurre a flujos de calor relativamente altos y parece estar asociada con la nube de burbujas, adyacente a la superficie. Estas burbujas o películas de vapor reducen la cantidad de agua entrante. Dado que este fenómeno deteriora el coeficiente de transferencia de calor y el flujo de calor permanece, entonces el calorse acumula en la barra de combustible causando un aumento dramático del revestimiento y la temperatura del combustible . Simplemente, se requiere una diferencia de temperatura muy alta para transferir el flujo de calor crítico que se produce desde la superficie de la barra de combustible al refrigerante del reactor (a través de la capa de vapor). En el caso de los PWR, el flujo crítico es el flujo anular invertido , mientras que en los BWR, el flujo crítico suele ser el flujo anular. La figura muestra la diferencia en el régimen de flujo entre el flujo posterior al secado y el flujo posterior al DNB. En los PWR en funcionamiento normal, el flujo se considera monofásico. Pero se ha realizado una gran cantidad de estudios sobre la naturaleza del flujo de dos fases en caso detransitorios y accidentes (como el accidente de pérdida de refrigerante – LOCA o disparo de RCP ), que son importantes en la seguridad del reactor y deben demostrarse y declararse en el Informe de Análisis de Seguridad (SAR).
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El calor es la cantidad de energía que fluye de un cuerpo a otro de forma espontánea debido a su diferencia de temperatura. Calor en Física – Definición de Calor
Definición de calor
Mientras que la energía interna se refiere a la energía total de todas las moléculas dentro del objeto, el calor es la cantidad de energía que fluye de un cuerpo a otro de forma espontánea debido a su diferencia de temperatura. El calor es una forma de energía, pero es energía en tránsito . El calor no es una propiedad de un sistema. Sin embargo, la transferencia de energía como calor ocurre a nivel molecular como resultado de una diferencia de temperatura .
Considere un bloque de metal a alta temperatura, que consiste en átomos que oscilan intensamente alrededor de sus posiciones promedio. A bajas temperaturas , los átomos continúan oscilando, pero con menos intensidad . Si un bloque de metal más caliente se pone en contacto con un bloque más frío, los átomos que oscilan intensamente en el borde del bloque más caliente emiten su energía cinética a los átomos menos oscilantes en el borde del bloque frío. En este caso, hay una transferencia de energía entre estos dos bloques y el calor fluye del bloque más caliente al más frío por estas vibraciones aleatorias.
En general, cuando dos objetos se ponen en contacto térmico , el calor fluirá entre ellos hasta que se equilibren entre sí. Cuando existe una diferencia de temperatura , el calor fluye espontáneamente del sistema más cálido al sistema más frío . La transferencia de calor ocurre por conducción o por radiación térmica . Cuando se detiene el flujo de calor , se dice que están a la misma temperatura . Luego se dice que están en equilibrio térmico .Al igual que con el trabajo, la cantidad de calor transferido depende de la ruta y no simplemente de las condiciones iniciales y finales del sistema. En realidad, hay muchas maneras de llevar el gas del estado i al estado f.
Además, como con el trabajo, es importante distinguir entre el calor agregado a un sistema de su entorno y el calor eliminado de un sistema a su entorno. Q es positivo para el calor agregado al sistema, por lo que si el calor sale del sistema, Q es negativo. Debido a que W en la ecuación es el trabajo realizado por el sistema, entonces si el trabajo se realiza en el sistema, W será negativo y E int aumentará.
El símbolo q a veces se usa para indicar el calor agregado o eliminado de un sistema por unidad de masa . Es igual al calor total (Q) agregado o eliminado dividido por la masa (m).
Distinguir temperatura, calor y energía interna
Usando la teoría cinética, se puede hacer una distinción clara entre estas tres propiedades.
La temperatura está relacionada con las energías cinéticas de las moléculas de un material. Es la energía cinética promedio de las moléculas individuales.
La energía interna se refiere a la energía total de todas las moléculas dentro del objeto. Es una propiedad extensa , por lo tanto, cuando dos lingotes de acero de masa igual pueden tener la misma temperatura, pero dos de ellos tienen el doble de energía interna que uno.
Finalmente, el calor es la cantidad de energía que fluye de un cuerpo a otro de forma espontánea debido a su diferencia de temperatura.
Debe agregarse, cuando existe una diferencia de temperatura , el calor fluye espontáneamente del sistema más cálido al sistema más frío . Por lo tanto, si un cubo de acero de 5 kg a 100 ° C se pone en contacto con un cubo de acero de 500 kg a 20 ° C, el calor fluye desde el cubo a 300 ° C al cubo a 20 ° C, aunque la energía interna del cubo de 20 ° C es mucho mayor porque hay mucho más.
Un concepto particularmente importante es el equilibrio termodinámico . En general, cuando dos objetos se ponen en contacto térmico , el calor fluirá entre ellos hasta que se equilibren entre sí.
Ejemplo: evaporación de agua a presión atmosférica
Calcule el calor requerido para evaporar 1 kg de agua a la presión atmosférica (p = 1.0133 bar) y a la temperatura de 100 ° C.
Solución:
Como estos parámetros corresponden al estado líquido saturado, solo se requiere calor latente de vaporización de 1 kg de agua. De las mesas de vapor , el calor latente de vaporización es L = 2257 kJ / kg. Por lo tanto, el calor requerido es igual a:
ΔH = 2257 kJ
Tenga en cuenta que la entalpía específica inicial h 1 = 419 kJ / kg, mientras que la entalpía específica final será h 2 = 2676 kJ / kg. La entalpía específica del vapor seco a baja presión es muy similar a la entalpía específica del vapor seco a alta presión, a pesar de que tienen temperaturas diferentes.
Ejemplo: evaporación de agua a alta presión
Calcule el calor requerido para evaporar 1 kg de agua de alimentación a la presión de 6 MPa (p = 60 bar) y a la temperatura de 275.6 ° C ( temperatura de saturación ).
Solución:
Como estos parámetros corresponden al estado líquido saturado , solo se requiere calor latente de vaporización de 1 kg de agua. De las mesas de vapor, el calor latente de vaporización es L = 1571 kJ / kg. Por lo tanto, el calor requerido es igual a:
ΔH = 1571 kJ
Tenga en cuenta que la entalpía específica inicial h 1 = 1214 kJ / kg, mientras que la entalpía específica final será h 2 = 2785 kJ / kg.
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Introducción a la transferencia de calor. Este artículo define las relaciones y propiedades básicas que se requieren para comprender la transferencia de calor, que es esencial para los ingenieros de reactores. Ingenieria termal
Introducción a la transferencia de calor
Mientras que la energía interna se refiere a la energía total de todas las moléculas dentro del objeto, el calor es la cantidad de energía que fluye de un cuerpo a otro de forma espontánea debido a su diferencia de temperatura. El calor es una forma de energía, pero es energía en tránsito . El calor no es una propiedad de un sistema. Sin embargo, la transferencia de energía como calor ocurre a nivel molecular como resultado de una diferencia de temperatura .
Considere un bloque de metal a alta temperatura, que consiste en átomos que oscilan intensamente alrededor de sus posiciones promedio. A bajas temperaturas , los átomos continúan oscilando, pero con menos intensidad . Si un bloque de metal más caliente se pone en contacto con un bloque más frío, los átomos que oscilan intensamente en el borde del bloque más caliente emiten su energía cinética a los átomos menos oscilantes en el borde del bloque frío. En este caso, hay una transferencia de energía entre estos dos bloques y el calor fluye del bloque más caliente al más frío por estas vibraciones aleatorias.
En general, cuando dos objetos se ponen en contacto térmico , el calor fluirá entre ellos hasta que se equilibren entre sí. Cuando existe una diferencia de temperatura , el calor fluye espontáneamente del sistema más cálido al sistema más frío . La transferencia de calor ocurre por conducción o por radiación térmica . Cuando se detiene el flujo de calor , se dice que están a la misma temperatura . Luego se dice que están en equilibrio térmico .Al igual que con el trabajo, la cantidad de calor transferido depende de la ruta y no simplemente de las condiciones iniciales y finales del sistema. En realidad, hay muchas maneras de llevar el gas del estado i al estado f.
Además, como con el trabajo, es importante distinguir entre el calor agregado a un sistema de su entorno y el calor eliminado de un sistema a su entorno. Q es positivo para el calor agregado al sistema, por lo que si el calor sale del sistema, Q es negativo. Debido a que W en la ecuación es el trabajo realizado por el sistema, entonces si el trabajo se realiza en el sistema, W será negativo y E int aumentará.
El símbolo q a veces se usa para indicar el calor agregado o eliminado de un sistema por unidad de masa . Es igual al calor total (Q) agregado o eliminado dividido por la masa (m).
Distinguir temperatura, calor y energía interna
Usando la teoría cinética, se puede hacer una distinción clara entre estas tres propiedades.
La temperatura está relacionada con las energías cinéticas de las moléculas de un material. Es la energía cinética promedio de las moléculas individuales.
La energía interna se refiere a la energía total de todas las moléculas dentro del objeto. Es una propiedad extensa , por lo tanto, cuando dos lingotes de acero de masa igual pueden tener la misma temperatura, pero dos de ellos tienen el doble de energía interna que uno.
Finalmente, el calor es la cantidad de energía que fluye de un cuerpo a otro de forma espontánea debido a su diferencia de temperatura.
Debe agregarse, cuando existe una diferencia de temperatura , el calor fluye espontáneamente del sistema más cálido al sistema más frío . Por lo tanto, si un cubo de acero de 5 kg a 100 ° C se pone en contacto con un cubo de acero de 500 kg a 20 ° C, el calor fluye desde el cubo a 300 ° C al cubo a 20 ° C, aunque la energía interna del cubo de 20 ° C es mucho mayor porque hay mucho más.
Un concepto particularmente importante es el equilibrio termodinámico . En general, cuando dos objetos se ponen en contacto térmico , el calor fluirá entre ellos hasta que se equilibren entre sí.
Densidad de flujo de calor – Flujo térmico
La tasa de transferencia de calor por unidad de área normal a la dirección de transferencia de calor se denomina flujo de calor . A veces también se conoce como densidad de flujo de calor . En SI sus unidades son vatios por metro cuadrado ( Wm −2 ). Tiene una dirección y una magnitud, por lo que es una cantidad vectorial. El flujo de calor promedio se expresa como:
donde A es el área de transferencia de calor. La unidad de flujo de calor en unidades inglesas es Btu / h · ft 2 . Tenga en cuenta que el flujo de calor puede variar con el tiempo, así como la posición en una superficie.
En los reactores nucleares, las limitaciones del flujo de calor local son de la mayor importancia para la seguridad del reactor . Como el combustible nuclear consiste en barras de combustible, el flujo de calor se define en unidades de W / cm (densidad de flujo de calor lineal local) o kW / barra (potencia por barra de combustible).
Ver también: densidad de flujo de calor
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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.
Eficiencia térmica de centrales nucleares. En las centrales nucleares modernas, la eficiencia termodinámica general es de aproximadamente un tercio (33%). Ingenieria termal
Eficiencia térmica de centrales nucleares
La eficiencia térmica de la conversión de energía térmica en trabajo está determinada principalmente por la diferencia entre los depósitos de temperatura fría y caliente. La eficiencia térmica mejora si la entrada de calor del vapor a la turbina de vapor está a la temperatura más alta posible y el rechazo de calor en el condensador está a la temperatura más baja posible. La alta temperatura en un reactor de agua ligera generalmente está limitada por consideraciones de materiales y presión y la temperatura del sumidero está limitada por el ambiente.
Típicamente, la mayoría de las plantas de energía nuclear opera turbinas de vapor de condensación de etapas múltiples . En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura; 6 MPa ; 275.6 ° C) desde un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (punto D ) El vapor debe recalentarse para evitar daños que puedan ocasionar a las aspas de la turbina de vapor el vapor de baja calidad . El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado se condensa en el condensador y está a una presión muy por debajo de la atmosférica (presión absoluta de0.008 MPa ), y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%.
En este caso, los generadores de vapor, la turbina de vapor, los condensadores y las bombas de agua de alimentación constituyen un motor térmico, sujeto a las limitaciones de eficiencia impuestas por la segunda ley de la termodinámica . En el caso ideal (sin fricción, procesos reversibles, diseño perfecto), este motor térmico tendría una eficiencia de Carnot de
η = 1 – T frío / T caliente = 1 – 315/549 = 42.6%
donde la temperatura del depósito caliente es de 275.6 ° C (548.7K), la temperatura del depósito frío es de 41.5 ° C (314.7K). Pero la central nuclear es el motor térmico real , en el que los procesos termodinámicos son de alguna manera irreversibles. No se hacen infinitamente lento. En dispositivos reales (como turbinas, bombas y compresores) una fricción mecánica y pérdidas de calor causan pérdidas adicionales de eficiencia.
Por lo tanto, las centrales nucleares suelen tener una eficiencia de aproximadamente el 33%. En las centrales nucleares modernas, la eficiencia termodinámica general es de aproximadamente un tercio (33%), por lo que se necesitan 3000 MWth de energía térmica de la reacción de fisión para generar 1000 MWe de energía eléctrica.
Presión de la caldera
Un aumento en la presión de la caldera está en el resultado limitado por el material del recipiente a presión del reactor.
De acuerdo con el principio de Carnot, se pueden lograr mayores eficiencias aumentando la temperatura del vapor. Pero esto requiere un aumento de las presiones dentro de las calderas o generadores de vapor. Sin embargo, las consideraciones metalúrgicas ponen límites superiores a tales presiones. Para evitar la ebullición del refrigerante primario y proporcionar un margen de subenfriamiento (la diferencia entre la temperatura del presurizador y la temperatura más alta en el núcleo del reactor), las presiones alrededor de 16 MPa son típicas para los PWR . El recipiente a presión del reactor es el componente clave, que limita la eficiencia térmica de cada central nuclear, ya que el recipiente del reactor debe soportar altas presiones.
Desde este punto de vista, los reactores de agua supercríticos se consideran un avance prometedor para las centrales nucleares debido a su alta eficiencia térmica (~ 45% frente a ~ 33% para los LWR actuales). Los SCWR funcionan a presión supercrítica (es decir, superior a 22,1 MPa).
Presión del condensador
La disminución de la presión de escape de la turbina aumenta el trabajo neto por ciclo, pero también disminuye la calidad del vapor del vapor de salida.
El caso de la disminución de la temperatura promedio a la cual se rechaza la energía, requiere una disminución de la presión dentro del condensador (es decir, la disminución de la temperatura de saturación ). La presión de condensador más baja posible es la presión de saturación correspondiente a la temperatura ambiente (es decir, presión absoluta de 0.008 MPa, que corresponde a 41.5 ° C). El objetivo de mantener la presión de escape de turbina práctica más baja es una razón principal para incluir el condensador en una central térmica. El condensador proporciona un vacío que maximiza la energía extraída del vapor, lo que resulta en un aumento significativo en el trabajo neto y la eficiencia térmica. Pero también este parámetro (presión del condensador) tiene sus límites de ingeniería:
Disminuir la presión de escape de la turbina disminuye la calidad del vapor (o fracción de sequedad). En algún momento, se debe finalizar la expansión para evitar daños que puedan ser causados a las aspas de la turbina de vapor por vapor de baja calidad .
La disminución de la presión de escape de la turbina aumenta significativamente el volumen específico de vapor extraído, lo que requiere palas enormes en las últimas filas de la etapa de baja presión de la turbina de vapor.
En las turbinas de vapor húmedo típicas, el vapor agotado se condensa en el condensador y está a una presión muy inferior a la atmosférica (presión absoluta de 0.008 MPa, que corresponde a 41.5 ° C). Este vapor está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%. Tenga en cuenta que siempre hay una diferencia de temperatura entre (alrededor de ΔT = 14 ° C) la temperatura del condensador y la temperatura ambiente, que se origina en el tamaño finito y la eficiencia de los condensadores.
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La termodinámica es la ciencia que se ocupa de la producción, almacenamiento, transferencia y conversión de energía. Termodinámica y Transferencia de Calor
Termodinámica y Transferencia de Calor
Ciclo de Rankine – diagrama Ts
La termodinámica es la ciencia que se ocupa de la producción, almacenamiento, transferencia y conversión de energía. Estudia los efectos del trabajo , el calor y la energía en un sistema a medida que un sistema experimenta un proceso de un estado de equilibrio a otro, y no hace referencia a cuánto tiempo llevará el proceso. Pero en ingeniería, a menudo estamos interesados en la tasa de transferencia de calor, que es el tema de la ciencia de la transferencia de calor. Podemos recordar de la termodinámica que la energía existe en varias formas.
La transferencia de calor está principalmente interesada en el calor, que es la forma de energía que se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura . La termodinámica de ingeniería podría denominarse mejor termostática, porque describe principalmente los estados de equilibrio a ambos lados de los procesos irreversibles.
En ingeniería, el término transferencia de calor por convección se usa para describir los efectos combinados de la conducción y el flujo de fluido. En este punto, tenemos que agregar un nuevo mecanismo, que se conoce como advección (el transporte de una sustancia por movimiento masivo). Desde el punto de vista termodinámico, el calor fluye hacia un fluido por difusión para aumentar su energía, el fluido luego transfiere (advecta) este aumento de energía interna (no calor) de un lugar a otro, y esto es seguido por una segunda interacción térmica que transfiere calor a un segundo cuerpo o sistema, nuevamente por difusión.
Transferencia de calor
La transferencia de calor es una disciplina de ingeniería que se refiere a la generación, uso, conversión e intercambio de calor (energía térmica) entre sistemas físicos. En ingeniería energética, determina los parámetros y materiales clave de los intercambiadores de calor. La transferencia de calor generalmente se clasifica en varios mecanismos, como:
Conduccion de calor. La conducción de calor, también llamada difusión, ocurre dentro de un cuerpo o entre dos cuerpos en contacto. Es el intercambio microscópico directo de la energía cinética de las partículas a través del límite entre dos sistemas. Cuando un objeto está a una temperatura diferente de otro cuerpo o su entorno
Convección de calor. La convección de calor depende del movimiento de la masa de una región del espacio a otra. La convección de calor ocurre cuando el flujo de un fluido (gas o líquido) transporta calor junto con el flujo de materia en el fluido.
Radiación termal. La radiación es la transferencia de calor por radiación electromagnética, como la luz solar, sin necesidad de que la materia esté presente en el espacio entre los cuerpos.
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Aplicación de transferencia de calor. La transferencia de calor se encuentra comúnmente en sistemas de ingeniería y otros aspectos de la vida, y no es necesario ir muy lejos para ver algunas áreas de aplicación de la transferencia de calor. Ingenieria termal
Transferencia de calor en ingeniería nuclear – Aplicación
La transferencia de calor se encuentra comúnmente en sistemas de ingeniería y otros aspectos de la vida, y no es necesario ir muy lejos para ver algunas áreas de aplicación de la transferencia de calor.
Ejemplo de caudales en un reactor. Es un ejemplo ilustrativo, los datos no representan ningún diseño de reactor.
El conocimiento detallado de los mecanismos de transferencia de calor también es esencial para los ingenieros de reactores, así como para todos los demás ingenieros. Una planta de energía nuclear (estación de energía nuclear) se parece a una estación de energía térmica estándar con una excepción. La fuente de calor en la central nuclear es un reactor nuclear . Como es típico en todas las centrales térmicas convencionales, el calor se utiliza para generar vapor que impulsa una turbina de vapor conectada a un generador que produce electricidad. Pero en las centrales nucleares, los reactores producen una enorme cantidad de calor (energía) en un pequeño volumen. La densidad de la generación de energía es muy grande y esto exige mucho a su sistema de transferencia de calor (sistema de refrigeración del reactor). Por lo tanto, tenemos que comenzar por la generación de calor del reactor y la eliminación del reactor.
Para que un reactor funcione en un estado estable, todo el calor liberado en el sistema debe eliminarse tan rápido como se produce . Esto se logra haciendo pasar un líquido refrigerante gaseoso a través del núcleo y a través de otras regiones donde se genera calor. La transferencia de calor debe ser igual o mayor que la tasa de generación de calor o sobrecalentamiento y puede producirse un posible daño al combustible. La naturaleza y el funcionamiento de este sistema de refrigeración es una de las consideraciones más importantes en el diseño de un reactor nuclear.
Cabe señalar que desde un punto de vista estrictamente nuclear, en teoría no existe un límite superior para la potencia térmica del reactor, que puede ser alcanzado por cualquier reactor crítico que tenga un exceso de reactividad suficiente para superar sus retroalimentaciones de temperatura negativas. En cada reactor nuclear , existe una proporcionalidad directa entre el flujo de neutronesy la potencia térmica del reactor . El término energía térmica se usa generalmente, porque significa la velocidad a la que se produce calor en el núcleo del reactor como resultado de fisión en el combustible. Además, durante un período corto, un reactor crítico no necesita tener un alto exceso de reactividad como en el caso de excursiones de reactividad rápidas.
En resumen, casi cualquier reactor puede superar la capacidad de eliminación de calor de su sistema de refrigeración. Más allá de este punto, el combustible se calienta y puede alcanzar temperaturas muy altas. El operador del reactor y los sistemas de seguridad del reactor deben evitar esta situación. Es esencial que se mantenga el equilibrio entre la generación de calor y la tasa de eliminación de calor para evitar estas temperaturas que podrían provocar la falla del combustible u otros materiales estructurales. En la ingeniería de reactores, la hidráulica térmica de los reactores nucleares describe el esfuerzo que implica el acoplamiento de la transferencia de calor y la dinámica de fluidos para lograr la tasa de eliminación de calor deseada del núcleo en condiciones normales de operación y accidente.
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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.
La transferencia de calor es una disciplina de ingeniería que se refiere a la generación, uso, conversión e intercambio de calor (energía térmica) entre sistemas físicos. Ingenieria termal
Transferencia de calor
La transferencia de calor es una disciplina de ingeniería que se refiere a la generación, uso, conversión e intercambio de calor (energía térmica) entre sistemas físicos. En ingeniería energética, determina los parámetros y materiales clave de los intercambiadores de calor. La transferencia de calor generalmente se clasifica en varios mecanismos, como:
Conducción de calor . La conducción de calor, también llamada difusión, ocurre dentro de un cuerpo o entre dos cuerpos en contacto. Es el intercambio microscópico directo de la energía cinética de las partículas a través del límite entre dos sistemas. Cuando un objeto está a una temperatura diferente de otro cuerpo o su entorno
Convección de calor . La convección de calor depende del movimiento de la masa de una región del espacio a otra. La convección de calor ocurre cuando el flujo de un fluido (gas o líquido) transporta calor junto con el flujo de materia en el fluido.
Radiación termal. La radiación es la transferencia de calor por radiación electromagnética, como la luz solar, sin necesidad de que la materia esté presente en el espacio entre los cuerpos.
Transferencia de calor en ingeniería nuclear – Aplicación
La transferencia de calor se encuentra comúnmente en sistemas de ingeniería y otros aspectos de la vida, y no es necesario ir muy lejos para ver algunas áreas de aplicación de la transferencia de calor.
Ejemplo de caudales en un reactor. Es un ejemplo ilustrativo, los datos no representan ningún diseño de reactor.
El conocimiento detallado de los mecanismos de transferencia de calor también es esencial para los ingenieros de reactores, así como para todos los demás ingenieros. Una planta de energía nuclear (estación de energía nuclear) se parece a una estación de energía térmica estándar con una excepción. La fuente de calor en la central nuclear es un reactor nuclear . Como es típico en todas las centrales térmicas convencionales, el calor se utiliza para generar vapor que impulsa una turbina de vapor conectada a un generador que produce electricidad. Pero en las centrales nucleares, los reactores producen una enorme cantidad de calor (energía) en un pequeño volumen. La densidad de la generación de energía es muy grande y esto exige mucho a su sistema de transferencia de calor (sistema de refrigeración del reactor). Por lo tanto, tenemos que comenzar por la generación de calor del reactor y la eliminación del reactor.
Para que un reactor funcione en un estado estable, todo el calor liberado en el sistema debe eliminarse tan rápido como se produce . Esto se logra haciendo pasar un líquido refrigerante gaseoso a través del núcleo y a través de otras regiones donde se genera calor. La transferencia de calor debe ser igual o mayor que la tasa de generación de calor o sobrecalentamiento y puede producirse un posible daño al combustible. La naturaleza y el funcionamiento de este sistema de refrigeración es una de las consideraciones más importantes en el diseño de un reactor nuclear.
Cabe señalar que desde un punto de vista estrictamente nuclear, en teoría no existe un límite superior para la potencia térmica del reactor, que puede ser alcanzado por cualquier reactor crítico que tenga un exceso de reactividad suficiente para superar sus retroalimentaciones de temperatura negativas. En cada reactor nuclear , existe una proporcionalidad directa entre el flujo de neutronesy la potencia térmica del reactor . El término energía térmica se usa generalmente, porque significa la velocidad a la que se produce calor en el núcleo del reactor como resultado de fisión en el combustible. Además, durante un período corto, un reactor crítico no necesita tener un alto exceso de reactividad como en el caso de excursiones de reactividad rápidas.
En resumen, casi cualquier reactor puede superar la capacidad de eliminación de calor de su sistema de refrigeración. Más allá de este punto, el combustible se calienta y puede alcanzar temperaturas muy altas. El operador del reactor y los sistemas de seguridad del reactor deben evitar esta situación. Es esencial que la generación de calor: el equilibrio de la tasa de eliminación de calor se mantenga para evitar estas temperaturas que podrían provocar la falla del combustible u otros materiales estructurales. En la ingeniería de reactores, la hidráulica térmica de los reactores nucleares describe el esfuerzo que implica el acoplamiento de la transferencia de calor y la dinámica de fluidos para lograr la tasa de eliminación de calor deseada del núcleo en condiciones normales de operación y accidente.
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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.
La resistencia de contacto térmico se puede minimizar aplicando un líquido termoconductor llamado grasa térmica, como grasa de CPU, en las superficies. Ingenieria termal
Grasa térmica – Grasa de CPU
La resistencia de contacto térmico se puede minimizar aplicando un líquido termoconductor llamado grasa térmica , como la grasa de la CPU, en las superficies antes de presionarse entre sí. El papel principal de la grasa térmica es eliminar los espacios o espacios de aire (que actúan como aislante térmico) del área de la interfaz para maximizar la transferencia de calor. La conductividad térmica del material intersticial y su presión son las dos propiedades que rigen su influencia en la conductancia de contacto.
En ingeniería térmica, la conductancia de contacto térmico [W / m 2 .K] o la resistencia de contacto térmico [m 2 .K / W] representa la conducción de calor entre dos cuerpos sólidos. Cuando los componentes se atornillan o se presionan juntos, también se necesita un conocimiento del rendimiento térmico de tales juntas. En estos sistemas compuestos, la caída de temperatura a través de la interfaz entre materiales puede ser apreciable. Esta caída de temperatura se caracteriza por el coeficiente de conductancia de contacto térmico , h c, que es una propiedad que indica la conductividad térmica, o la capacidad de conducir calor, entre dos cuerpos en contacto. Si bien existen bases de datos extensas sobre las propiedades térmicas de los materiales a granel, no existen bases de datos similares para contactos prensados.
La inversa de esta propiedad se denomina resistencia de contacto térmico .
La resistencia de contacto depende en gran medida de la rugosidad de la superficie . La presión que mantiene juntas las dos superficies también influye en la resistencia de contacto. Se observa que la resistencia térmica de contacto disminuye al disminuir la rugosidad de la superficie y al aumentar la presión de la interfaz. Esto se atribuye al hecho de que la superficie de contacto entre los cuerpos crece a medida que aumenta la presión de contacto. Cuando dos de esas superficies se presionan entre sí, los picos formarán un buen contacto con el material, pero los valles formarán huecos llenos de aire.. Estos huecos llenos de aire actúan como aislamiento debido a la baja conductividad térmica del aire. El número y el tamaño limitados de los puntos de contacto dan como resultado un área de contacto real que es significativamente más pequeña que el área de contacto aparente. En el caso de material compuesto metálico, que se coloca al vacío, la conducción térmica a través de los puntos de contacto es el modo principal de transferencia de calor, y la resistencia de contacto es generalmente mayor que cuando el material compuesto está en presencia de aire u otro fluido. Además, la resistencia de contacto térmico es significativa y puede dominar para buenos conductores de calor como los metales, pero puede descuidarse para los malos conductores de calor como los aislantes.
Por ejemplo:
La conductancia de contacto térmico para placas de aluminio con una rugosidad superficial de 10 μm colocada en el aire con una presión de interfaz de 1 atm es h c = 3640 W / m 2 .K
La conductancia de contacto térmico para placas de aluminio con una rugosidad superficial de 10 μm colocada en helio con una presión de interfaz de 1 atm es h c = 9520 W / m 2 .K
La conductancia de contacto térmico para placas de acero inoxidable con una rugosidad de la superficie de 2.5 μm colocada en el aire con una presión de interfaz de 1 MPa es aproximadamente h c = 3000 W / m 2 .K
Referencia especial: Madhusudana, Chakravarti V., Conductancia de contacto térmico. Springer International Publishing, 2014. ISBN: 978-3-319-01276-6.
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Pérdida de calor a través de ventanas.
