Qu’est-ce que la circulation naturelle – Définition

La circulation naturelle est la circulation de fluide dans les systèmes de canalisation ou les piscines ouvertes due aux changements de densité causés par les différences de température. Génie thermique

Circulation naturelle

Circulation naturelle - schéma
Circulation naturelle en boucle fermée

La circulation naturelle est la circulation de fluide dans les systèmes de canalisation ou les piscines ouvertes due aux changements de densité causés par les différences de température. La circulation naturelle ne nécessite aucun dispositif mécanique pour maintenir le débit.

Ce phénomène a une nature similaire à la convection naturelle, mais dans ce cas, le coefficient de transfert de chaleur n’est pas un objet d’étude. Dans ce cas, le flux massif dans la boucle fait l’objet d’une étude. Ce phénomène est plutôt un problème hydraulique qu’un problème de transfert de chaleur, bien qu’il en résulte que la circulation naturelle élimine la chaleur de la source et la transporte vers le puits de chaleur et qu’elle revêt la plus haute importance pour la sécurité des réacteurs.

 

Conditions requises pour la circulation naturelle

De même que pour la convection naturelle , la circulation naturelle ne fonctionne essentiellement pas sur l’orbite de la Terre. La circulation naturelle se produit dans une boucle uniquement 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 circulation naturelle sont les suivantes:

  • Présence d’une bonne accélération. La circulation naturelle ne peut se produire que dans un champ gravitationnel ou en présence d’une autre bonne accélération, telle que l’accélération, la force centrifuge.
  • Présence de source de chaleur et dissipateur de chaleur . Une source de chaleur et un dissipateur de chaleur sont nécessaires, car la circulation naturelleest généré par une différence de densité dans le fluide due à une différence de température. Le fluide entrant dans une source de chaleur reçoit de la chaleur et par dilatation thermique devient moins dense et monte. La dilatation thermique du fluide joue un rôle crucial. Le processus dans un chant de chaleur est opposé, le chant de 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 à basse température. Sinon, les températures finiraient par s’égaliser et aucune autre circulation ne se produirait.
  • Géométrie appropriée. La présence et l’ampleur 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 naturels. La circulation naturelle dans une boucle fermée remplie de fluide est établie en plaçant un dissipateur de chaleur dans la boucle à une altitude supérieure à la source de chaleur. Le fluide caloporteur retire la chaleur de la source et la transporte vers 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 à basse température. Sinon, les températures finiraient par s’égaliser, et aucune autre circulation ne se produirait. Il est possible d’avoir une circulation naturelle dans un écoulement diphasique, mais il est généralement plus difficile de maintenir l’écoulement.
  • Fluides en contact . Les deux zones doivent être en contact pour que l’écoulement entre les zones soit possible. Si le chemin d’écoulement est obstrué ou bloqué, la circulation naturelle ne peut pas se produire.

Circulation naturelle – Débit

Le débit de circulation naturelle dans la boucle, en régime permanent, est déterminé à partir de l’ équilibre entre les forces motrices et résistantes . La force motrice résulte de la différence de densité entre la jambe chaude et la jambe froide de la boucle. La tête nécessaire pour compenser les pertes de charge est créée par les gradients de densité et les changements d’élévation.

Tête d’entraînement 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 donc une masse moindre. 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:

tête d'entraînement thermique - équation

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

PLC - Coefficient de perte de pression - équationsComme 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.

Circulation naturelle dans l’ingénierie des réacteurs

Circulation naturelle - schéma
Circulation naturelle en boucle fermée

Dans l’ ingénierie des réacteurs , la circulation naturelle est un phénomène très souhaité, car il est capable d’assurer le refroidissement du cœur du réacteur après la perte des RCP (par exemple après la perte de puissance hors site – LOOP). Dans les REP, la conception de l’usine fournit une différence d’élévation , h , d’environ 12 mètres entre la ligne médiane du générateur de vapeur et la ligne médiane du cœur du réacteur . La disposition du système doit assurer une capacité de circulation naturelle après une perte de débit pour permettre le refroidissement sans surchauffer le cœur. De plus, la tuyauterie d’interconnexion de la cuve sous pression du réacteurLes générateurs de vapeur doivent être intacts, exempts d’obstacles tels que des gaz non condensables (par exemple des poches de vapeur). De cette façon, la circulation naturelle garantira que le fluide continuera à couler tant que le réacteur sera plus chaud que le dissipateur de chaleur, même lorsque l’alimentation des pompes ne pourra pas être assurée.

Les RCP ne sont généralement pas des «systèmes de sécurité», tels que définis. Après la perte de RCP (par exemple après une perte de puissance hors site – LOOP), le réacteur doit être arrêté immédiatement, car les RCP ralentissent lentement jusqu’à un débit nul. Une évacuation suffisante et sûre de la chaleur résiduelle est alors assurée par un flux de circulation naturelle à travers le réacteur. Sans écoulement forcé, le liquide de refroidissement dans le cœur commence à chauffer. L’augmentation de la température du liquide de refroidissement entraîne une réduction de la densité du liquide de refroidissement, qui à son tour déplace le liquide de refroidissement dans le générateur de vapeur. Il faut noter que la circulation naturelle n’est pas suffisante pour évacuer la chaleur générée lorsque le réacteur est à puissance.

Les conceptions de réacteurs modernes utilisent la circulation naturelle, un élément de sécurité très important . De nombreux systèmes de sécurité passive dans les conceptions de réacteurs modernes fonctionnent sans utiliser de pompes, ce qui améliore la sécurité, l’intégrité et la fiabilité de la conception, tout en réduisant simultanément le coût global du réacteur.

Indicateurs de circulation naturelle

Dans les REP, divers paramètres peuvent être utilisés pour indiquer ou vérifier la circulation naturelle. Cela dépend du type d’installation et des systèmes d’installation. Par exemple, pour un PWR, les paramètres sélectionnés qui peuvent être utilisés sont les suivants:

  • Idéalement, le débit peut être mesuré dans chacune des boucles.
  • ΔT ( chaud – T froid ). La différence de température entre les jambes chaudes et les jambes froides doit être de 25 à 80% de la valeur de pleine puissance et doit être constante ou diminuer lentement. Cela indique que la chaleur de décroissance est éliminée du système à un rythme adéquat pour maintenir ou réduire les températures à cœur.
  • Les températures des jambes chaudes et froides doivent être stables ou diminuer lentement. Encore une fois, cela indique que la chaleur est éliminée et que la charge thermique de décroissance diminue comme prévu.
  • La pression de vapeur du générateur de vapeur (pression latérale secondaire) doit suivre la température du système de refroidissement du réacteur. Cela vérifie que le générateur de vapeur élimine la chaleur du liquide de refroidissement RCS.

Référence spéciale: Circulation naturelle dans les centrales nucléaires refroidies par eau, IAEA-TECDOC-1474. AIEA, 2005. ISBN 92–0–110605 – X.

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