Loi de Newton sur le refroidissement
Malgré la complexité de la convection , on constate que le taux de transfert de chaleur par convection est proportionnel à la différence de température et s’exprime de manière appropriée par la loi de Newton sur le refroidissement , selon laquelle:
Le taux de perte de chaleur d’un corps est directement proportionnel à la différence de température entre le corps et son environnement, à condition que la différence de température soit petite et que la nature de la surface rayonnante reste la même.
Notons que, ΔT est donné par la température de surface ou de paroi , la paroi T et la température globale , T ∞ , qui est la température du fluide suffisamment loin de la surface.
Coefficient de transfert de chaleur par convection
Comme on peut le constater, la constante de proportionnalité sera cruciale dans les calculs et est connue sous le nom de coefficient de transfert de chaleur par convection , h . Le coefficient de transfert de chaleur par convection, h, peut être défini comme suit:
Le taux de transfert de chaleur entre une surface solide et un fluide par unité de surface par unité de différence de température.
Le coefficient de transfert de chaleur par convection dépend des propriétés physiques du fluide et de la situation physique. Le coefficient de transfert de chaleur par convection n’est pas une propriété du fluide. C’est un paramètre déterminé expérimentalement dont la valeur dépend de toutes les variables qui influencent la convection, telles que la géométrie de la surface , la nature du mouvement du fluide , les propriétés du fluide et la vitesse du fluide .
Typiquement, le coefficient de transfert de chaleur par convection pour un écoulement laminaire est relativement faible par rapport au coefficient de transfert de chaleur par convection pour un écoulement turbulent . Ceci est dû à un écoulement turbulent ayant une couche de film fluide stagnante plus mince sur la surface de transfert de chaleur.
Il faut noter que cette couche de film fluide stagnante joue un rôle crucial pour le coefficient de transfert de chaleur par convection. On observe que le fluide s’arrête complètement à la surface et assume une vitesse nulle par rapport à la surface. Ce phénomène est connu sous le nom de condition de non-glissement et, par conséquent, à la surface, le flux d’énergie se produit uniquement par conduction. Mais dans les couches suivantes, il se produit des mouvements de conduction et de diffusion-masse au niveau moléculaire ou au niveau macroscopique. En raison du mouvement de masse, le taux de transfert d’énergie est plus élevé. Comme il était écrit, faire bouillirà la surface perturbe efficacement cette couche stagnante et par conséquent, une ébullition nucléée augmente considérablement la capacité d’une surface à transférer de l’énergie thermique à un fluide en vrac.
Un phénomène similaire se produit pour la température. On observe que la température du fluide à la surface et la surface auront la même température au point de contact. Ce phénomène est connu sous le nom de condition sans saut de température et il est très important pour la théorie de l’ébullition nucléée .
Les valeurs du coefficient de transfert de chaleur , h, ont été mesurées et tabulées pour les fluides couramment rencontrés et les situations d’écoulement se produisant pendant le transfert de chaleur par convection.
Exemple: coefficient de transfert de chaleur par convection
De: Exemple – Transfert de chaleur par convection
Une connaissance détaillée de la géométrie, des paramètres des fluides, du rayon extérieur du revêtement, du taux de chaleur linéaire, du coefficient de transfert de chaleur par convection nous permet de calculer la différence de température ∆T entre le liquide de refroidissement (T en vrac ) et la surface du revêtement (T Zr, 1 ).
Pour calculer la température de surface de la gaine, il faut savoir:
- le diamètre extérieur du revêtement est: d = 2 x r Zr, 1 = 9,3 mm
- le nombre de Nusselt, qui est Nu Dh = 890
- le diamètre hydraulique du canal de carburant est: D h = 13,85 mm
- la conductivité thermique du liquide de refroidissement du réacteur (300 ° C) est: k H2O = 0,545 W / mK
- la température en vrac du liquide de refroidissement du réacteur à cette coordonnée axiale est: T en vrac = 296 ° C
- le taux de chaleur linéaire du combustible est: q L = 300 W / cm (F Q ≈ 2.0)
Le coefficient de transfert de chaleur par convection, h , est donné directement par la définition du nombre de Nusselt:
Enfin, nous pouvons calculer la température de surface de la gaine (T Zr, 1 ) simplement en utilisant la loi de Newton du refroidissement :
Pour les REP en fonctionnement normal, il y a une eau liquide comprimée à l’ intérieur du cœur du réacteur, des boucles et des générateurs de vapeur. La pression est maintenue à environ 16 MPa . À cette pression, l’eau bout à environ 350 ° C (662 ° F). Comme on peut le voir, la température de surface T Zr, 1 = 325 ° C garantit que même une ébullition sous-refroidie ne se produit pas. Notez que l’ébullition sous-refroidie nécessite T Zr, 1 = T sat . Étant donné que les températures d’entrée de l’eau sont généralement d’environ 290 ° C (554 ° F), il est évident que cet exemple correspond à la partie inférieure du noyau. Aux altitudes plus élevées du cœur, la température globale peut atteindre jusqu’à 330 ° C. La différence de température de 29 ° C peut entraîner une ébullition sous-refroidie (330 ° C + 29 ° C> 350 ° C). D’autre part, l’ ébullition nucléée à la surface perturbe efficacement la couche stagnante et, par conséquent, l’ébullition nucléée augmente considérablement la capacité d’une surface à transférer l’ énergie thermique au fluide en vrac. En conséquence, le coefficient de transfert de chaleur convectif augmente considérablement et donc à des altitudes plus élevées, la différence de température (T Zr, 1 – T en vrac ) diminue considérablement.
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