Conditions requises pour la circulation naturelle
De même que pour la convection naturelle , la circulation naturelle ne fonctionne pas essentiellement dans l’orbite de la Terre. La circulation naturelle se produit dans une boucle que dans des conditions spécifiques. Même après le début de la circulation naturelle, l’élimination de l’une de ces conditions entraînera l’ arrêt de la circulation naturelle . Les conditions de la circulation naturelle sont les suivantes:
- Présence d’une accélération appropriée. La circulation naturelle ne peut se produire que dans un champ gravitationnel ou en présence d’une autre accélération appropriée, telle qu’une accélération, une force centrifuge.
- Présence d’une source de chaleur et d’un dissipateur thermique . Une source de chaleur et un dissipateur de chaleur sont nécessaires, car la circulation naturelleest généré par la différence de densité dans le fluide due à la différence de température. Le fluide pénétrant dans une source de chaleur reçoit de la chaleur et par dilatation thermique, il devient moins dense et augmente. La dilatation thermique du fluide joue un rôle crucial. Le processus dans une chaleur est opposé, la chaleur reçoit de la chaleur et le fluide devient plus dense. La différence de densité est la force motrice du flux de circulation naturel. La différence de température doit être maintenue pour que la circulation naturelle se poursuive. L’addition de chaleur par une source de chaleur doit exister dans la zone de température élevée. L’évacuation continue de la chaleur par un dissipateur thermique doit exister dans la zone de basse température. Sinon, les températures finiraient par s’égaliser et aucune circulation supplémentaire ne se produirait.
- Bonne géométrie. La présence et la magnitude de la circulation naturelle dépendent également de la géométrie du problème. La présence d’un gradient de densité de fluide dans un champ gravitationnel ne garantit pas l’existence de courants de convection naturelle. La circulation naturelle dans une boucle fermée remplie de fluide est établie en plaçant un puits de chaleur dans la boucle à une altitude supérieure à la source de chaleur. Le fluide en circulation extrait la chaleur de la source et la transporte dans l’évier. L’écoulement peut être monophasé ou biphasé dans lequel la vapeur s’écoule le long du liquide. La différence de température doit être maintenue pour que la circulation naturelle se poursuive. L’addition de chaleur par une source de chaleur doit exister dans la zone de température élevée. L’évacuation continue de la chaleur par un dissipateur thermique doit exister dans la zone de basse température. Sinon, les températures finiraient par s’égaliser, et aucune autre circulation ne se produirait. Il est possible que la circulation naturelle se déroule dans un écoulement diphasique, mais il est généralement plus difficile de maintenir l’écoulement.
- Fluides en contact . Les deux zones doivent être en contact afin que le flux entre les zones soit possible. Si la voie d’écoulement est obstruée ou bloquée, la circulation naturelle ne peut pas se produire.
Circulation naturelle – débit
Le débit naturel de circulation dans la boucle, dans des conditions stables, est déterminé à partir de l’ équilibre entre les forces motrice et résistante . La force motrice résulte de la différence de densité entre la jambe chaude et la jambe froide de la boucle. La tête requise pour compenser les pertes de charge est créée par les gradients de densité et les changements d’altitude.
Tête de conduite thermique
La tête d’entraînement thermique est la force qui provoque la circulation naturelle . Elle est causée par la différence de densité entre deux corps ou zones de fluide. Considérons deux volumes égaux du même type de fluide. Si les deux volumes ne sont pas à la même température , alors le volume avec la température la plus élevée aura également une densité plus faible et, par conséquent, moins de masse. Il est connu que la densité des gaz et des liquides dépend de la température, diminuant généralement (en raison de l’expansion du fluide) avec l’augmentation de la température. Étant donné que le volume à la température plus élevée aura une masse inférieure, il aura également moins de force exercée sur lui par gravité. Cette différence de force de gravité exercée sur le fluide aura tendance à faire monter le fluide plus chaud et à couler le fluide plus froid. La tête d’entraînement thermique peut être calculée simplement en utilisant la différence de pressions hydrostatiques:
Comme on peut le voir, plus la différence de température entre les zones chaudes et froides de fluide est grande, plus la tête d’entraînement thermique et le débit résultant sont importants.
Force de résistance hydraulique
Comme il a été écrit, le débit de circulation naturel , V, dans la boucle, dans un état stationnaire est déterminé à partir de l’équilibre entre la tête d’entraînement et les forces de résistance. Comme la friction des tuyaux, les pertes de charge globales sont proportionnelles au carré du débit et peuvent donc être facilement intégrées dans l’ équation de Darcy-Weisbach . Les ingénieurs utilisent souvent le coefficient de perte de pression , PLC . Il est noté K ou ξ (prononcé «xi»). Ce coefficient caractérise la perte de pressiond’un certain système hydraulique ou d’une partie d’un système hydraulique. Il peut être facilement mesuré dans les boucles hydrauliques. Le coefficient de perte de charge peut être défini ou mesuré pour les deux tuyaux droits et en particulier pour les pertes locales (mineures) . Comme le facteur de friction de Darcy est fonction de la vitesse (en nombre de Reynolds), le calcul du coefficient de perte de pression est un processus itératif.
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