什么是热传导 - 热传导 - 定义

热传导,又称热传导,发生在一个物体内部或两个接触的物体之间,没有涉及质量流动和混合。优德app热能工程

热传导-热传导

热传导 - 导热系数 - 锆热传导,也叫热传导,发生在一个物体内部或两者之间身体接触的没有质量流动和混合的影响。这是直接的微观交换动能通过两个系统的边界。w88优德备用网址 微博通过传导是依靠的“驱动力”吗温差热导率(或对传热的阻力)。w88优德备用网址 微博导热系数取决于传热介质的性质和尺寸。w88优德备用网址 微博所有的传w88优德备用网址 微博热问题都涉及温差,几何学,物理性质被研究对象的。在传导传热问题中,所研究的对w88优德备用网址 微博象通常是固体。

在显微镜下,这种能量转移模式归因于自由电子流动从更高能级到更低能级,晶格振动分子碰撞。考虑一个块石头在高温下,原子围绕它们的平均位置剧烈振荡。在低温下,原子继续振荡,但是低强度zeroth-law-of-w88优德appthermodynamics-heat如果一块热的石头与一块冷的石头接触,热块边缘剧烈振荡的原子将其动能释放给冷块边缘较少振荡的原子。在这种情况下有能量转移在这两个街区和通过这种随机振动从更热到的冷却器块。现代观点是将能量转移归因于由原子运动引起的晶格波。在电绝缘体中,能量转移仅通过这些晶格波。在导体中,它也是由于自由电子的平移运动。

也可以看看:Zeroth热力学定律w88优德app

一般来说,金属通常是良导体热能。它与其密切相关良好的导电性。对于金属,导热率非常高,并且那些是最佳电导体的金属也是最佳的导热器。这是由于金属粘合化学的方式。金属粘合有自由电子(游离电子)通过金属快速传递热能。导电金属固体的电子流体通过固体进行大部分热通量。Phonon助焊剂仍然存在,但较少的能量。这些热传导机制将在后面讨论。

傅里叶热传导定律

w88优德备用网址 微博过程可以用适当的速率方程来量化。这种传热模式下的速率方程是基于w88优德备用网址 微博傅里叶热传导定律。这条法律规定时间传热速度w88优德备用网址 微博通过一种材料与之成比例消极的温度梯度和面积成直角,和梯度成直角,热量通过梯度流动。其微分形式为:

傅里叶热传导定律

热通量
传热速度w88优德备用网址 微博单位面积垂直于传热方向称为w88优德备用网址 微博热通量。有时它也被称为热流密度。在SI中,它的单位是每平方米的瓦特(W.M)−2)。它具有方向和幅度,因此它是矢量数量。平均热通量表示为:

热通量密度 - 方程

其中A是传热面积。w88优德备用网址 微博英国的热流单位是Btu/h·ft2。请注意,热流通量可能随时间和表面位置而变化。

核反应堆,限制当地的热通量对反应堆安全至关重要。由于核燃料由燃料棒组成,热流以W/cm(局部线性热流)或kW/棒(每燃料棒的功率)为单位定义。

关系中获得的比例常数被称为热导率,k(或λ),材料。一种很容易通过传导来传递能量的材料是良好的热导体,具有很高的值k傅里叶的法律定义热导率

由此可见,要解决傅里叶的法律我们必须考虑物体的温差,几何形状,和热导率。这一定律是由约瑟夫·傅里叶在1822年首次提出的,他得出结论:“热传导产生的热流密度与温度梯度的大小成正比,在符号上与之相反。”

同样的傅里叶的法律确定了通过板坯的热流,也可用来确定温差,当是已知的。这可以用来计算燃料球团中心的温度,如下面的部分所示。

热导率
固体材料w88优德备用网址 微博的传热特性通过称为所谓的性质来测量热导率, k(或λ),单位为W / m。K。它是一种测量物质通过传导传递热量的能力的方法。请注意,傅里叶的法律适用于所有物质,无论其状态(固体、液体或气体),因此,它也被定义为液体和气体。

热导率大多数液体和固体随温度而变化。对于蒸汽,它也取决于压力。一般来说:

热导率。定义

大多数材料几乎都是均匀的,因此我们通常可以写字k = k (T)。热导率在y方向和z方向(kykz),但对于各向同性材料,导热系数与传递方向无关x= ky= kz= k。

由上式可知,导热热流密度随导热系数的增大而增大,随温度差的增大而增大。一般来说,固体的热导率大于液体,而液体又大于气体。这种趋势很大程度上是由于分子间距离对于物质的两种状态。特别是,金刚石具有最高的硬度和导热性的任何块状材料。

也可以看看:热导率

二氧化铀的热导率
导热-导热-二氧化铀大多数PWRS.使用铀燃料,其形式是二氧化铀。二氧化铀是一种黑色半导体固体导热系数极低。另一方面,二氧化铀有高熔点并已众所周知的行为。UO2被压进去球团矿,然后将这些颗粒烧结成固体。

这些球团矿然后装入并封装在一个燃料棒(或燃料针)内,这是由锆合金,因为它的非常低的吸收横截面(不像不锈钢)。覆盖小球的管的表面被称为燃料包壳。燃料棒是燃料组件的基本部件。

热导率二氧化铀与金属铀、氮化铀、碳化铀和锆包层材料相比非常低。热导率是决定导热系数的参数之一燃料中心线温度。这种低导热率会导致燃料中心线局部过热,因此必须避免这种过热。保持稳定的峰值状态可以防止燃料过热线性热速率(lhr)或热流密度热通道因子- F(z)低于燃料中心线熔化的水平。中心线熔化时燃料颗粒的膨胀可能导致颗粒应力将包层粘住到故障点。

热导率固体UO2密度为95%的估计是通过以下相关性[克里缅科;佐林:

铀的热导率方程

其中τ= t / 1000。这种相关性的不确定性为+ 10%的范围在298.15至2000 k和2000至3120k的范围内的范围内。

热导率-二氧化铀-图表

特别参考:A.V. Klimenko和V.M. Zorin编著的《热电厂和核电厂/手册》。梅出版社,2003年。

特别参考:核工程材料的热物理性质:数据的教程和收集。国际原子能机构,维也纳,2008年。ISBN 978-92-0-106508-7。

热阻
热阻。定义。类比在工程中,通常使用另一个非常重要的概念。因为有一个比喻之间的扩散的热量电荷,工程师经常使用热阻(即对热传导的热阻)来计算通过材料的传热。w88优德备用网址 微博热阻是热导的倒数。正如电阻与电的传导有关一样,热电阻也可能与热的传导有关。

考虑一个厚度为L,平均导热系数为k的平面壁。壁面的两个表面保持恒定温度T1和T2。对于通过墙壁的一维稳态热传导,我们有T(x)。然后傅里叶的法律热传导对于墙体可以表示为:

热阻的傅里叶定律

热传导方程

核燃料-温度在前几节中,我们特别讨论了一维稳态传热,它的特征是w88优德备用网址 微博傅里叶的法律热的传导。但它的适用性非常有限。该定律假定通过一个平面物体进行稳态传热(注意,傅里叶定律也可w88优德备用网址 微博用于柱坐标和球坐标),没有热源。它只是该传热模式中的速率方程,其中已知温度梯度。w88优德备用网址 微博

但在大多数传导分析中,一个主要问题是确定温度场在由施加对其边界的条件产生的介质中。在工程中,我们必须解决涉及不同几何形状的传​​热问题和诸如圆柱形核w88优德备用网址 微博燃料元件的不同条件,其涉及内部热源或球形容纳的壁。这些问题比我们在前一节中所做的平面分析更复杂。因此,这些问题将是本节的主题,其中热传导方程将被介绍和解决。

也可以看看:热方程

热传导方程-一般形式

热传导方程是描述分布的局部微分方程(或温度场)在特定的身体中。详细的温度场知识在材料的热传导中是非常重要的。一旦知道了温度分布,传导热通量在材料或其表面的任何一点都可以计算傅里叶的法律

热方程是派生的傅里叶的法律能量守恒。傅里叶定律表示时间传热速度w88优德备用网址 微博通过一种材料与之成比例消极的温度梯度和面积成直角,和梯度成直角,热量通过梯度流动。

傅里叶热传导定律

物质单位体积内能的变化,ΔQ,正比于温度的变化,Δu。那就是:

∆Q =ρ. cp∆T。

一般形式

使用这两个方程,我们可以得出一般的导热方程:

热传导方程-傅立叶-比奥方程

这个方程也被称为Fourier-Biot方程,为热传导分析提供了基本工具。由其解,我们可以得到温度场作为时间的函数。

用文字,热传导方程州:

在介质中任意一点,单位体积内传导能量的净传递速率加上热能产生的体积速率,必然等于该体积内储存热能的变化率。

也可以看看:热扩散率

例子-燃料棒的热传导

核燃料-温度大多数的压水器使用铀燃料,其形式是二氧化铀。二氧化铀是黑色半导体固体,导热率非常低。另一方面,二氧化铀具有非常高的熔点并且具有众所周知的行为。UO.2被压缩成圆柱形颗粒,然后将这些颗粒烧结成固体。

这些圆柱形颗粒然后装入并封装在一个燃料棒(或燃料针)内,这是由锆合金,因为它的非常低的吸收横截面(不像不锈钢)。覆盖小球的管的表面被称为燃料包壳

也可以看看:二氧化铀的热传导

机械行为燃料芯块燃料棒构成三大核心设计学科之一。核燃料在非常居住的条件下操作(热,辐射,机械),并且必须承受超过正常情况的操作。例如,燃料颗粒中心的温度达到更多1000°C(1832°F)伴随着裂变气体的释放。因此,详细了解单个燃料棒内的温度分布对于核燃料的安全运行是必不可少的。在这一节我们将学习热传导方程圆柱坐标使用具有给定表面温度的Dirichlet边界条件(即使用Dirichlet边界条件)。燃料棒温度谱的综合分析将在单独的部分中进行研究。

燃料球团中心线的温度

考虑到半径的燃料颗粒rU= 0.40厘米,其中单位体积产生的热量均匀而恒定,V[w / m3.]。而不是体积热速率qV[w / m3.,工程师经常使用线性热速率ql(W / m),表示1米燃料棒的热速率。的线性热速率由容积热率计算得到:

线性热速率和体积热速率

以中心线作为r坐标的原点。由于z方向和方位方向的对称性,我们可以分离变量,将问题简化为一维问题。因此,我们将以半径的函数解决温度,T (r), 只要。对于常数热导率,k,适当的形式圆柱热方程是:

热方程-圆柱- 2

该等方程的一般解决方案是:

热方程-圆柱-通解

其中C1和C2是积分常数。

热传导-燃料颗粒计算温度分布T(r)在这种燃料颗粒中,如果:

  • 燃料颗粒表面的温度是TU= 420°C
  • 燃料球团半径rU= 4毫米
  • 材料的平均电导率为k = 2.8 W/m。K(相当于1000°C时的二氧化铀)
  • 线性热速率是l= 300瓦/厘米所以体积热速率是qV= 597 x 106W / m3.

在这种情况下,表面保持在给定的温度TU。这对应于狄利克雷边界条件。此外,这个问题是热对称的,因此我们也可以使用热对称边界条件。这些常数可以用代入通解的方法求值,其形式如下:

热方程 - 圆柱 - 边界条件

在这些特定的边界条件下,圆柱形燃料球团的结果温度分布和中心线(r = 0)温度(最大值)将是:

热方程-圆柱-解

径向热流在任意半径处,qr[下午1],在缸内,当然可以通过使用温度分布和与傅里叶的法律。注意,随着热的产生,热通量不再独立于r。

(T在燃料球团中

详细了解燃料球团的几何形状、外半径、体积热率和球团表面温度(TU)确定∆T燃料球团外表面与中心线之间。因此我们可以计算出中心线温度(T锆、2)简单地利用在体积中产生的热量和在体积外传递的热量之间的能量守恒:

燃料颗粒方程中的dT

下图显示了不同功率下燃料球团内的温度分布。

温度分布-核燃料

______

运行中的反应堆的温度在系统内随点而变化。因此,总是有一个燃料棒一个当地的卷,这是比其他所有人都多。为了限制这些热的地方峰值功率限制必须引入。峰值功率限制与a沸腾的危机而且这种情况可能会导致燃料球团融化。然而,冶金方面的考虑使上限关于燃料包壳和燃料球团的温度。以上这些温度燃料有被损坏的危险。核反应堆设计的主要目标之一是提供在所需功率水平产生的热量的去除,同时确保最高燃料温度和最高包层温度总是低于这些预定值。

引用:
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