Тепловой контур

Очень важную роль в процессах происходящих на АЭС играет тепловая энергия. Тепловая энергия - это энергия хаотического движения молекул или атомов в жидкостях и газах и колебательного движения молекул или атомов в твердом теле. Чем выше скорость этого движения тем большей тепловой энергией обладает тело.

Процесс передачи энергии в результате обмена хаотическим движением молекул, атомов или микрочастиц называется теплообменом.

Способы теплообмена:

Как правило в промышленных энергоустановках процесс преобразования энергии источника в тепловую происходит в одном месте (котел для ТЭС, реактор для АЭС), а процесс преобразования тепловой энергии в механическую и далее в электрическую в другом, следовательно возникает проблема перемещения тепловой энергии в пространстве. Как можно передать тепловую энергию из одной точки пространства в другую?

Теплопроводность

Теплопроводность представляет собой процесс передачи теплоты в сплошной среде посредством хаотического движения микро частиц.

Конвективный теплообмен

Конвективный теплообмен - перенос теплоты при перемешивании более нагретых частиц среды с менее нагретыми.

Теплообмен излучением

Теплообмен излучением - это передача тепловой энергии с помощью электромагнитных волн.

В современных АЭС при нормальной работе теплообмен излучением пренебрежимо мал по сравнению с конвективным.

Рассмотрев способы возможные теплообмена, вернемся к вопросу о передаче тепловой энергии в условиях АЭС или ТЭС. Как известно, на работающих станциях процесс преобразования энергии источника в тепловую происходит непрерывно и в случае прекращения теплоотвода произойдет неизбежный перегрев установки. Следовательно на ряду с источником необходим потребитель тепловой энергии, который будет забирать тепло и либо преобразовывать его в другие формы энергии либо передавать его в другие системы. Передачу тепла от источника к потребителю осуществляется с помощью теплоносителя. На основании выше сказанного можно изобразить простейший тепловой контур, содержащий источник энергии, потребитель энергии, и тракты теплоносителя.

Упрощенная принципиальная тепловая схема AЭС с реактором типа РБМК-1000

Реакторная установка РБМК-1000 является одноконтурной по теплоносителю, поскольку вода пройдя реактор, нагревшись и частично испарившись, в виде пара поступает в турбину и совершив работу снова возвращается в реактор. Но в тепловой схеме можно выделить два тепловых контура, со своими источниками и потребителями тепловой энергии.

Контур многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) Источником тепловой энергии, как и на всех АЭС, является активная зона реактора. В качестве теплоносителя используется вода, которая проходя через активную зону реактора частично испаряется. На выходе из реактора вода содержит в среднем 15% пара (паросодержание p = 0.15). Давление воды в трактах теплоносителя 0.7 МПа (около 70 атм.) при таком давлении температура кипения воды 284 ° С. Пароводяная смесь из реактора направляется в барабан сепаратор, который в тепловом контуре, выполняет роль потребителя тепловой энергии. В барабане сепараторе из пароводяной смеси забирается пар и добавляется питательная вода, на выходе из барабана сепаратора мы получаем воду в качестве "холодного" теплоносителя,причем температура практически остается такой же.

В качестве способа теплообмена используется вынужденная конвекция, другими словами используется насос для прокачки теплоносителя через активную зону реактора.

На основании выше сказанного можно изобразить тепловую схему, для контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) реактора РБМК-1000

Второй тепловой контур.

Рассмотрим второй тепловой контур. Барабан сепаратор, забирая тепловую энергию вместе с паром из первого контура, где он является потребителем, отдает ее во второй контур. Следовательно он является источником тепловой энергии для второго теплового контура.

"Горячим" теплоносителем является пар, отделенный от пароводяной смеси в барабане сепараторе. Температура пара около 284 ° С давление Р = 7 МПа. После барабана сепаратора, пар поступает в турбину, где он вращает ротор (происходит преобразование тепловой энергии в механическую), турбина является потребителем тепловой энергии. С ротором турбины жестко связан ротор электрического генератора, вырабатывающий электроэнергию. Параметры пара на выходе из турбины: температура - 30 ° С, давление P - 0.004 МПа. После турбины пар необходимо перевести в жидкое состояние, то есть превратить воду, этот процесс происходит в конденсаторе. Пар в конденсаторе предает свою тепловую энергию воде, которая поступает из пруда охладителя, конденсатор, таким образом, также является потребителем энергии. На выходе из конденсатора мы получаем воду, с параметрами близким к параметрам пара, которая является "холодным" теплоносителем для второго теплового контура. Эта вода, пройдя через несколько вспомогательных устройств, становится питательной водой и с помощью питательного насоса подается в барабан сепаратор.

Следует понимать, что выше описанная схема является, только приближением к реальной тепловой схеме. В ней отражены только ключевые элементы необходимые для понятия базовых принципов работы энергоустановки. Такие важные элементы как деаэратор, конденсатный насос, промежуточные подогреватели, не показаны в данной схеме.

Потери тепловой энергии в тепловом контуре.

В схеме присутствуют два потребителя тепловой энергии. Первый - турбина преобразует тепловую энергию в механическую, которая в генераторе преобразуется в электрическую, таким образом совершается полезное преобразование энергии. Второй потребитель - конденсатор превращает тепловую энергию пара в тепловую энергию воды водохранилища. Тепловая мощность реактора РБМК-1000 приблизительно 3200 МВт а электрическая мощность реакторной установки 1000 МВт. 2200 МВт тратится на обогрев водохранилища и окружающей среды. Получение незамерзающего зимой водоема с большой натяжкой можно назвать полезным преобразованием энергии, однако обойтись без таких потерь тепловой энергии невозможно.

В термодинамике есть теорема о предельном КПД (коэффициент полезного действия) для преобразования тепловой энергии в механическую. Попробуем понять, не пользуясь этой теоремой, необходимость конденсатора в тепловой схеме. В турбине происходит снижение температуры и давления пара за счет совершения работы (вращение ротора), понятно что температуру и давление нельзя снижать бесконечно (трудно получить арктическую температуру, и космический вакуум без дополнительных и дорогих установок), поэтому на выходе из турбины мы получаем пар с температурой - 30 ° С, давлением P - 0.004 МПа (0.04атм.). Однако даже такой пар, который нельзя использовать, ни для обогрева, ни для вращения ротора турбины, содержит количество тепловой энергии почти в два раза большее чем он отдал проходя через турбину. Эта энергия передается охлаждающей воде в конденсаторе при превращении пара в воду, температура при этом остается приблизительно 30° .