Condições necessárias para a circulação natural
Da mesma forma que na convecção natural , a circulação natural não opera essencialmente na órbita da Terra. A circulação natural ocorre em um loop apenas sob condições específicas. Mesmo após o início da circulação natural, a remoção de qualquer uma dessas condições fará com que a circulação natural pare . As condições para circulação natural são as seguintes:
- Presença de aceleração adequada. A circulação natural só pode ocorrer em um campo gravitacional ou na presença de outra aceleração adequada, como aceleração, força centrífuga.
- Presença de fonte de calor e dissipador de calor . Fonte de calor e dissipador de calor são necessários, porque a circulação naturalé gerado pela diferença de densidade no fluido que ocorre devido à diferença de temperatura. O fluido que entra na fonte de calor recebe calor e, por expansão térmica, torna-se menos denso e sobe. A expansão térmica do fluido desempenha um papel crucial. O processo em um canto de calor é oposto, o canto de calor recebe calor e o fluido se torna mais denso. A diferença de densidade é a força motriz do fluxo de circulação natural. A diferença de temperatura deve ser mantida para que a circulação natural continue. A adição de calor por uma fonte de calor deve existir na área de alta temperatura. A remoção contínua de calor por um dissipador de calor deve existir na área de baixa temperatura. Caso contrário, as temperaturas acabariam se igualando e nenhuma circulação adicional ocorreria.
- Geometria adequada. A presença e magnitude da circulação natural também dependem da geometria do problema. A presença de um gradiente de densidade de fluido em um campo gravitacional não garante a existência de correntes de convecção naturais. A circulação natural em um circuito fechado cheio de fluido é estabelecida pela localização de um dissipador de calor no circuito a uma elevação mais alta que a fonte de calor. O fluido circulante remove o calor da fonte e o transporta para a pia. O fluxo pode ser monofásico ou bifásico, em que o vapor flui ao longo do líquido. A diferença de temperatura deve ser mantida para que a circulação natural continue. A adição de calor por uma fonte de calor deve existir na área de alta temperatura. A remoção contínua de calor por um dissipador de calor deve existir na área de baixa temperatura. Caso contrário, as temperaturas eventualmente se igualariam, e não ocorreria mais circulação. É possível que a circulação natural ocorra em fluxo bifásico, mas geralmente é mais difícil manter o fluxo.
- Fluidos em contato . As duas áreas devem estar em contato para que o fluxo entre as áreas seja possível. Se o caminho do fluxo estiver obstruído ou bloqueado, a circulação natural não poderá ocorrer.
Circulação Natural – Vazão
A taxa de fluxo de circulação natural no circuito, em estado estacionário, é determinada a partir do equilíbrio entre as forças motriz e resistência . A força motriz resulta da diferença de densidade entre a perna quente e a perna fria do circuito. A cabeça necessária para compensar as perdas de cabeça é criada por gradientes de densidade e alterações de elevação.
Cabeça de condução térmica
Cabeça de acionamento térmico é a força que causa a circulação natural . É causada pela diferença de densidade entre dois corpos ou áreas de fluido. Considere dois volumes iguais do mesmo tipo de fluido. Se os dois volumes não estiverem na mesma temperatura , o volume com a temperatura mais alta também terá uma densidade mais baixa e, portanto, menos massa. Sabe-se que a densidade de gases e líquidos depende da temperatura, geralmente diminuindo (devido à expansão do fluido) com o aumento da temperatura. Como o volume a uma temperatura mais alta terá uma massa menor, também terá menos força exercida sobre ele pela gravidade. Essa diferença na força da gravidade exercida sobre o fluido tenderá a fazer com que o fluido mais quente suba e o fluido mais frio afunde. A cabeça de acionamento térmico pode ser simplesmente calculada usando a diferença de pressões hidrostáticas:
Como pode ser visto, quanto maior a diferença de temperatura entre as áreas quentes e frias do fluido, maior a cabeça de acionamento térmico e a vazão resultante.
Força de resistência hidráulica
Como foi escrito, a taxa de fluxo de circulação natural , V, no circuito fechado, em condições de estado estacionário, é determinada a partir do equilíbrio entre a cabeça motriz e as forças resistentes. Como o atrito do tubo, as perdas de pressão gerais são proporcionais ao quadrado da vazão e, portanto, podem ser facilmente integradas na equação de Darcy-Weisbach . Os engenheiros costumam usar o coeficiente de perda de pressão , CLP . Nota-se K ou ξ (pronunciado “xi”). Este coeficiente caracteriza a perda de pressãode um determinado sistema hidráulico ou de uma parte de um sistema hidráulico. Pode ser facilmente medido em loops hidráulicos. O coeficiente de perda de pressão pode ser definido ou medido para tubos retos e especialmente para perdas locais (menores) . Como o fator de atrito de Darcy é uma função da velocidade (no número de Reynolds), o cálculo do coeficiente de perda de pressão é um processo iterativo.
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