O que é densidade de fluxo de calor – Fluxo térmico – Definição

A taxa de transferência de calor por unidade de área normal à direção da transferência de calor é chamada fluxo de calor. Às vezes, também é chamado de densidade do fluxo de calor. Engenharia Térmica

Densidade do fluxo de calor – Fluxo térmico

taxa de transferência de calor por unidade de área normal à direção da transferência de calor é chamada fluxo de calor . Às vezes, também é chamado de densidade do fluxo de calor . No SI, suas unidades são watts por metro quadrado (Wm −2 ). Ele tem uma direção e uma magnitude e, portanto, é uma quantidade vetorial. O fluxo médio de calor é expresso como:

densidade do fluxo de calor - equação

onde A é a área de transferência de calor. A unidade de fluxo de calor em unidades inglesas é Btu / h · ft 2 . Observe que o fluxo de calor pode variar com o tempo e com a posição na superfície.

Nos reatores nucleares , as limitações do fluxo de calor local são da maior importância para a segurança do reator. Como o combustível nuclear consiste em barras de combustível, o fluxo de calor é definido em unidades de W / cm (fluxo de calor linear local) ou kW / haste (potência por barra de combustível).

Medição de fluxo de calor

A medição do fluxo de calor pode ser realizada de algumas maneiras diferentes.

  • Medição com base na diferença de temperatura . Um método geralmente conhecido, mas muitas vezes impraticável, é realizado medindo uma diferença de temperatura em um pedaço de material com condutividade térmica conhecida . Este método pressupõe que a condutividade térmica do material seja bem conhecida. Este método é análogo a uma maneira padrão de medir uma corrente elétrica, onde se mede a queda de tensão em um resistor conhecido.
  • Medição baseada no uso do sensor de fluxo de calor . O fluxo de calor pode ser medido diretamente através de sensores ou transdutores de fluxo de calor. O tipo mais comum de sensor de fluxo de calor é uma termopilha de temperatura diferencial que opera essencialmente com o mesmo princípio do primeiro método de medição. Um sensor de fluxo de calor deve medir a densidade local do fluxo de calor em uma direção. O resultado é expresso em watts por metro quadrado. Essa medição tem a vantagem de que a condutividade térmica não precisa ser um parâmetro conhecido.

Exemplo – Fluxo de calor através de uma janela

Exemplo - Fluxo de Calor - Condução TérmicaPerda de calor através das janelas

Uma das principais fontes de perda de calor de uma casa é através das janelas. Calcule a taxa de fluxo de calor através de uma janela de vidro com 1,5 mx  1,0 m de área e 3,0 mm de espessura, se as temperaturas nas superfícies interna e externa forem de 14,0 ° C e 13,0 ° C, respectivamente. Calcule o fluxo de calor através desta janela.

Solução:

Neste ponto, conhecemos as temperaturas nas superfícies do material. Essas temperaturas são dadas também pelas condições dentro e fora da casa. Nesse caso, o calor flui por condução através do vidro da temperatura interna mais alta para a temperatura externa mais baixa. Usamos a equação de condução de calor:

Perda de calor através da janela - equação

Assumimos que a condutividade térmica de um vidro comum é k = 0,96 W / mK

O fluxo de calor será então:

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

A perda total de calor através desta janela será:

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

Fluxo crítico de calor

Dryout vs. DNBComo foi escrito, nos reatores nucleares , as limitações do fluxo de calor local são da maior importância para a segurança do reator. Para reatores de água pressurizada e também para reatores de água fervente , há fenômenos termo-hidráulicos, que causam uma diminuição repentina na eficiência da transferência de calor (mais precisamente no coeficiente de transferência de calor ). Esses fenômenos ocorrem em determinado valor do fluxo de calor, conhecido como ” fluxo crítico de calor “. Os fenômenos que causam a deterioração da transferência de calor são diferentes para PWRs e BWRs.

Nos dois tipos de reatores, o problema está mais ou menos associado à saída da ebulição nucleada. O fluxo de calor em ebulição nucleado não pode ser aumentado indefinidamente. Em algum valor, chamamos de “ fluxo crítico de calor ” ( CHF ), o vapor produzido pode formar uma camada isolante sobre a superfície, que por sua vez deteriora o coeficiente de transferência de calor. Imediatamente após o fluxo crítico de calor ter sido alcançado, a ebulição se torna instável e a ebulição de película ocorre. A transição da ebulição nucleada para a ebulição de película é conhecida como ” crise de ebulição “. Como foi escrito, os fenômenos que causam a deterioração da transferência de calor são diferentes para PWRs e BWRs.

  • Secar. Nos BWRs, esse fenômeno é conhecido como “seca” e está diretamente associado a alterações no padrão de fluxo durante a evaporação na região de alta qualidade. Em determinadas combinações de taxa de fluxo através de um canal, pressão, qualidade de fluxo e taxa de calor linear, o filme líquido da parede pode esgotar-se e a parede pode ser seca . Normalmente, a superfície do combustível é efetivamente resfriada com líquido fervente. No entanto, quando o fluxo de calor excede um valor crítico (CHF – fluxo de calor crítico), o padrão de fluxo pode atingir as condições de secagem (a película fina de líquido desaparece). A transferência de calor da superfície do combustível para o líquido de arrefecimento é deteriorada, com o resultado deaumento drástico da temperatura da superfície do combustível . Na região de alta qualidade, a crise ocorre com um fluxo de calor menor. Como a velocidade de fluxo no núcleo de vapor é alta, a transferência de calor pós-CHF é muito melhor do que no fluxo crítico de baixa qualidade (ou seja, para PWRs, os aumentos de temperatura são maiores e mais rápidos).
  • fluxo de calor crítico e DNB (partida da ebulição de nucleados)
    Se o fluxo de calor de um sistema de ebulição for maior que o fluxo crítico de calor, poderá ocorrer DNB (Partida da Nucleate Boiling).

    Partida de Nucleate Boiling. No caso de PWRs , a questão crítica de segurança é denominada DNB ( partida da ebulição nucleada ), que causa a formação de uma camada de vapor local , causando uma redução drástica na capacidade de transferência de calor. Esse fenômeno ocorre na região sub-resfriada ou de baixa qualidade. O comportamento da crise de ebulição depende de muitas condições de fluxo (pressão, temperatura, taxa de fluxo), mas a crise de ebulição ocorre em fluxos de calor relativamente altos e parece estar associado à nuvem de bolhas adjacentes à superfície. Essas bolhas ou filme de vapor reduzem a quantidade de água que entra. Como esse fenômeno deteriora o coeficiente de transferência de calor e o fluxo de calor permanece, o calor éacumula-se na barra de combustível, causando aumento dramático do revestimento e da temperatura do combustível . Simplesmente, é necessária uma diferença de temperatura muito alta para transferir o fluxo de calor crítico produzido da superfície da barra de combustível para o líquido de arrefecimento do reator (através da camada de vapor). No caso de PWRs, o fluxo crítico é um fluxo anular invertido , enquanto que nos BWRs, o fluxo crítico é geralmente um fluxo anular. A diferença no regime de fluxo entre o fluxo pós-secagem e o fluxo pós-DNB é mostrada na figura. Em PWRs em operação normal, o fluxo é considerado monofásico. Porém, muitos estudos foram realizados sobre a natureza do fluxo bifásico no caso detransientes e acidentes (como o acidente com perda de refrigerante – LOCA ou disparo de RCPs ), que são importantes na segurança do reator e devem ser comprovados e declarados no Relatório de Análise de Segurança (SAR).

 

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