Qu’est-ce que la densité de flux thermique – Flux thermique – Définition

Le taux de transfert de chaleur par unité de surface perpendiculaire à la direction du transfert de chaleur est appelé flux de chaleur. Parfois, on parle aussi de densité de flux de chaleur. Génie thermique

Densité de flux thermique – Flux thermique

Le taux de transfert de chaleur par unité de surface perpendiculaire à la direction du transfert de chaleur est appelé flux de chaleur . Parfois, on parle aussi de densité de flux de chaleur . En SI, ses unités sont les watts par mètre carré (Wm -2 ). Il a à la fois une direction et une magnitude, il s’agit donc d’une quantité vectorielle. Le flux thermique moyen est exprimé comme suit:

densité de flux thermique - équation

où A est la zone de transfert de chaleur. L’unité de flux de chaleur en unités anglaises est Btu / h · ft 2 . Notez que le flux de chaleur peut varier avec le temps ainsi que la position sur une surface.

Dans les réacteurs nucléaires , la limitation du flux de chaleur local est de la plus haute importance pour la sécurité des réacteurs. Le combustible nucléaire étant constitué de barres de combustible, le flux de chaleur y est défini en unités de W / cm (flux de chaleur linéaire local) ou en kW / barres (puissance par barre de combustible).

Mesure du flux thermique

La mesure du flux de chaleur peut être effectuée de différentes manières.

  • Mesure basée sur la différence de température . Une méthode couramment connue, mais souvent peu pratique, est réalisée en mesurant une différence de température sur un morceau de matériau ayant une conductivité thermique connue . Cette méthode suppose que la conductivité thermique du matériau est bien connue. Cette méthode est analogue à une méthode standard de mesure d’un courant électrique, où l’on mesure la chute de tension sur une résistance connue.
  • Mesure basée sur l’utilisation du capteur de flux de chaleur . Le flux de chaleur peut être directement mesuré via des capteurs de flux de chaleur ou des transducteurs de flux de chaleur. Le type le plus courant de capteur de flux de chaleur est une thermopile à température différentielle qui fonctionne essentiellement sur le même principe que la première méthode de mesure. Un capteur de flux de chaleur doit mesurer la densité de flux de chaleur locale dans une direction. Le résultat est exprimé en watts par mètre carré. Cette mesure présente l’avantage que la conductivité thermique n’a pas besoin d’être un paramètre connu.

Exemple – Flux de chaleur à travers une fenêtre

Exemple - Flux thermique - Conduction thermiquePerte de chaleur par les fenêtres

Les fenêtres constituent une source majeure de perte de chaleur dans une maison. Calculez le taux de flux de chaleur à travers une fenêtre en verre de 1,5 mx  1,0 m de surface et de 3,0 mm d’épaisseur, si les températures aux surfaces intérieure et extérieure sont respectivement de 14,0 ° C et 13,0 ° C. Calculez le flux de chaleur à travers cette fenêtre.

Solution:

À ce stade, nous connaissons les températures à la surface des matériaux. Ces températures sont également données par les conditions à l’intérieur et à l’extérieur de la maison. Dans ce cas, la chaleur circule par conduction à travers le verre de la température intérieure la plus élevée à la température extérieure la plus basse. Nous utilisons l’équation de conduction thermique:

Perte de chaleur par la fenêtre - équation

Nous supposons que la conductivité thermique d’un verre commun est k = 0,96 W / mK

Le flux de chaleur sera alors:

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

La perte de chaleur totale à travers cette fenêtre sera:

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

Flux thermique critique

Sécher vs DNBComme cela a été écrit, dans les réacteurs nucléaires , les limitations du flux de chaleur océanique sont de la plus haute importance pour la sûreté des réacteurs. Pour les réacteurs à eau sous pression et également pour les réacteurs à eau bouillante , il existe des phénomènes thermohydrauliques qui provoquent une baisse brutale de l’ efficacité du transfert de chaleur (plus précisément du coefficient de transfert de chaleur ). Ces phénomènes se produisent à une certaine valeur du flux de chaleur, connue sous le nom de « flux de chaleur critique ». Les phénomènes qui provoquent la détérioration du transfert de chaleur sont différents pour les REP et pour les REB.

Dans les deux types de réacteurs, le problème est plus ou moins associé au départ de l’ébullition nucléée. Le flux de chaleur d’ébullition nucléée ne peut pas être augmenté indéfiniment. À une certaine valeur, nous l’appelons le « flux de chaleur critique » ( CHF ), la vapeur produite peut former une couche isolante sur la surface, qui à son tour détériore le coefficient de transfert de chaleur. Immédiatement après que le flux de chaleur critique a été atteint, l’ébullition devient instable et l’ébullition en film se produit. La transition de l’ébullition nucléée à l’ébullition pelliculaire est connue sous le nom de « crise d’ébullition ». Comme cela a été écrit, les phénomènes qui provoquent la détérioration du transfert de chaleur sont différents pour les REP et pour les REB.

  • Déssecher. Dans les REB, ce phénomène est connu sous le nom de «dessèchement» et il est directement associé aux changements du schéma d’écoulement lors de l’évaporation dans la région de haute qualité. À des combinaisons données de débit à travers un canal, de pression, de qualité d’écoulement et de taux de chaleur linéaire, le film liquide de la paroi peut s’échapper et la paroi peut être séchée . Normalement, la surface du carburant est efficacement refroidie par ébullition du liquide de refroidissement. Cependant, lorsque le flux de chaleur dépasse une valeur critique (CHF – flux de chaleur critique), le schéma d’écoulement peut atteindre les conditions de séchage (une mince couche de liquide disparaît). Le transfert de chaleur de la surface du carburant vers le liquide de refroidissement est détérioré, avec pour résultat uneaugmentation drastique de la température de surface du carburant . Dans la région de haute qualité, la crise se produit à un flux de chaleur plus faible. Étant donné que la vitesse d’écoulement dans le noyau de vapeur est élevée, le transfert de chaleur après CHF est bien meilleur que pour un flux critique de faible qualité (c’est-à-dire que pour les PWR, les augmentations de température sont plus élevées et plus rapides).
  • flux thermique critique et DNB (départ de l'ébullition nucléée)
    Si le flux de chaleur d’un système d’ébullition est supérieur au flux de chaleur critique, un DNB (départ de l’ébullition nucléée) peut se produire.

    Départ de Nucleate Boiling. Dans le cas des REP , le problème de sécurité critique est nommé DNB ( départ de l’ébullition nucléée ), ce qui provoque la formation d’une couche de vapeur locale , entraînant une réduction spectaculaire de la capacité de transfert de chaleur. Ce phénomène se produit dans la région sous-refroidie ou de mauvaise qualité. Le comportement de la crise d’ébullition dépend de nombreuses conditions d’écoulement (pression, température, débit), mais la crise d’ébullition se produit à des flux de chaleur relativement élevés et semble être associée au nuage de bulles, adjacent à la surface. Ces bulles ou film de vapeur réduisent la quantité d’eau entrante. Ce phénomène détériorant le coefficient de transfert de chaleur et le flux thermique restant, la chaleurs’accumule dans la barre de combustible provoquant une augmentation spectaculaire de la gaine et de la température du combustible . Simplement, une différence de température très élevée est nécessaire pour transférer le flux de chaleur critique produit de la surface du crayon de combustible au réfrigérant du réacteur (à travers la couche de vapeur). Dans le cas des REP, le flux critique est un flux annulaire inversé , tandis que dans les REP, le flux critique est généralement un flux annulaire. La différence de régime d’écoulement entre l’écoulement post-dessèchement et l’écoulement post-DNB est illustrée sur la figure. Dans les REP en fonctionnement normal, le débit est considéré comme monophasé. Mais de nombreuses études ont été réalisées sur la nature des écoulements diphasiques en cas deles transitoires et les accidents (tels que l’ accident de perte de liquide de refroidissement – LOCA ou le déclenchement des RCP ), qui sont importants pour la sûreté du réacteur et doivent être prouvés et déclarés dans le rapport d’analyse de sûreté (SAR).

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