La termohidráulica (también llamada termohidráulica ) es el estudio del flujo hidráulico en fluidos térmicos . El área se puede dividir principalmente en tres partes: termodinámica , mecánica de fluidos y transferencia de calor , pero a menudo están estrechamente vinculadas entre sí. Un ejemplo común es la generación de vapor en las centrales eléctricas y la transferencia de energía asociada al movimiento mecánico y el cambio de estados del agua mientras experimenta este proceso. El análisis termohidráulico puede determinar parámetros importantes para el diseño de reactores, como la eficiencia de la planta y la capacidad de refrigeración del sistema. [1]
Los adjetivos comunes son "termohidráulico", "termohidráulico" y "termohidráulico".
En el análisis termodinámico, se supone que todos los estados definidos en el sistema están en equilibrio termodinámico ; cada estado tiene equilibrio mecánico, térmico y de fases, y no hay cambios macroscópicos con respecto al tiempo. Para el análisis del sistema, se pueden aplicar la primera y la segunda ley de la termodinámica. [2]
En el análisis de una planta de energía , una serie de estados pueden formar un ciclo . En este caso, cada estado representa la condición en la entrada/salida de un componente individual. Algunos ejemplos de componentes son la bomba , el compresor , la turbina , el reactor y el intercambiador de calor . Al considerar la ecuación constitutiva para el tipo de fluido dado, se puede analizar el estado termodinámico de cada punto. Como resultado, se puede definir la eficiencia térmica del ciclo.
Entre los ejemplos de ciclo se encuentran el ciclo de Carnot , el ciclo de Brayton y el ciclo de Rankine . A partir del ciclo simple, también existe el ciclo modificado o combinado.
Los autores observaron que el parámetro termohidráulico (THP) es menos sensible al factor de mejora del factor de fricción (FFER). [3] La desviación entre los términos (fR/fS) y (fR/fS)0,33 se ha encontrado entre el 48 % y el 64 % para el rango de rugosidad y otros parámetros con (Re) 2900 – 14 000, que se ha utilizado para el presente estudio. Por lo tanto, para evaluar en proporciones iguales la mejora en la transferencia de calor (Nu) y el factor de fricción (f) en los sistemas térmicos, se ha propuesto e introducido un nuevo parámetro utilizando el presente trabajo que es más realista y se denomina parámetro de mejora termohidráulica (THIP), y se puede evaluar como la relación entre (NNIF) y (FFIF). [3]
Donde (NNIF)=Factor de mejora del número de Nusselt y (FFIF)=Factor de mejora del factor de fricción
La temperatura es una cantidad importante que se debe conocer para comprender el sistema. Las propiedades de los materiales, como la densidad , la conductividad térmica , la viscosidad y el calor específico , dependen de la temperatura, y una temperatura muy alta o muy baja puede generar cambios inesperados en el sistema. En los sólidos, la ecuación del calor se puede utilizar para obtener la distribución de la temperatura dentro del material con geometrías dadas.
Para el caso de estado estable y estático, la ecuación de calor se puede escribir como
donde se aplica la ley de conducción de Fourier .
La aplicación de condiciones de contorno proporciona una solución para la distribución de temperatura.
En la transferencia de calor monofásica, la convección suele ser el mecanismo dominante de transferencia de calor. En el caso del flujo adiabático, en el que el flujo recibe calor, la temperatura del refrigerante cambia a medida que fluye. Un ejemplo de transferencia de calor monofásica es un reactor enfriado por gas y un reactor de sal fundida .
La forma más conveniente de caracterizar la transferencia de calor monofásica se basa en un enfoque empírico, donde la diferencia de temperatura entre la pared y el flujo a granel se puede obtener a partir del coeficiente de transferencia de calor . El coeficiente de transferencia de calor depende de varios factores: modo de transferencia de calor (por ejemplo, flujo interno o externo ), tipo de fluido, geometría del sistema, régimen de flujo (por ejemplo, flujo laminar o turbulento ), condición de contorno, etc.
Ejemplos de correlaciones de transferencia de calor son la correlación de Dittus-Boelter ( convección forzada turbulenta ) y Churchill y Chu ( convección natural ).
En comparación con la transferencia de calor monofásica, la transferencia de calor con cambio de fase es una forma eficaz de transferencia de calor. Generalmente, tiene un valor alto de coeficiente de transferencia de calor debido al gran valor del calor latente del cambio de fase seguido de la mezcla inducida del flujo. Las transferencias de calor por ebullición y condensación se relacionan con una amplia gama de fenómenos.
La ebullición en piscina es la ebullición en un fluido estancado. Su comportamiento está bien caracterizado por la curva de ebullición de Nukiyama [4] , que muestra la relación entre la cantidad de sobrecalentamiento de la superficie y el flujo de calor aplicado en la superficie. Con los diferentes grados de sobrecalentamiento, la curva se compone de convección natural, inicio de ebullición nucleada, ebullición nucleada , flujo de calor crítico , ebullición de transición y ebullición en película. Cada régimen tiene un mecanismo diferente de transferencia de calor y tiene una correlación diferente para el coeficiente de transferencia de calor.
La ebullición por flujo es la ebullición de un fluido en movimiento. En comparación con la ebullición en piscina, la transferencia de calor por ebullición por flujo depende de muchos factores, entre ellos la presión del flujo, el caudal másico, el tipo de fluido, el estado de la corriente ascendente, los materiales de las paredes, la geometría del sistema y el flujo de calor aplicado. La caracterización de la ebullición por flujo requiere una consideración exhaustiva de las condiciones de funcionamiento. [5] En 2021, un prototipo de cable de carga para vehículos eléctricos que utilizaba ebullición por flujo fue capaz de eliminar 24,22 kW de calor, lo que permitió que la corriente de carga alcanzara los 2400 amperios, una cantidad mucho mayor que la de los cables de carga de última generación, que alcanzan un máximo de 520 amperios. [6]
El coeficiente de transferencia de calor debido a la ebullición nucleada aumenta con el sobrecalentamiento de la pared hasta que alcanza un cierto punto. Cuando el flujo de calor aplicado excede el límite determinado, la capacidad de transferencia de calor del flujo disminuye o cae significativamente. Normalmente, el flujo de calor crítico (CHF) corresponde a la salida de la ebullición nucleada (DNB) en el reactor de agua a presión (PWR) y al secado en el reactor de agua en ebullición (BWR). El coeficiente de transferencia de calor reducido observado en la etapa posterior a la DNB o al secado es probable que resulte en daños en la superficie de ebullición. La comprensión del punto exacto y el mecanismo de activación relacionados con el flujo de calor crítico es un tema de interés.
En el caso de la crisis de ebullición de tipo DNB, el flujo se caracteriza por el avance del fluido vaporoso entre el líquido y la pared. Además de la transferencia de calor por convección, la transferencia de calor por radiación contribuye a la transferencia de calor. Después del secado, el régimen de flujo cambia de un flujo anular invertido a un flujo de niebla.
Otros fenómenos termohidráulicos que son objeto de interés son:
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