Читать онлайн «Большая энциклопедия техники». Страница 223

Тепловой насос

Тепловой насос – устройство, переносящее тепловую энергию теплоотдатчика к теплоприемнику. Теплоотдатчик имеет низкую температуру, теплоприемник имеет высокую температуру. В работе тепловой насос использует внешнюю энергию – электрическую, химическую или механическую. Рабочее тело теплового насоса – жидкость, имеющая низкую температуру кипения (аммиак, фреон).

Тепловой насос имеет большой коэффициент преобразования энергии, так как его теплоприемник принимает тепло еще и от теплоотдатчика, кроме тепла совершаемой работы. Такое преобразование эффективнее по сравнению с прямым превращением механической, химической или электрической энергии в тепло. Но тепловой насос не обладает способностью вырабатывать теплоту и электрическую энергию совместно, что не очень удовлетворяет условиям энергетики. Это снижает возможности применения тепловых насосов. Но при определенных обстоятельствах он эффективен (например, если объект, потребляющий энергию, расположен далеко от ТЭЦ, или в жарком климате для попеременного отопления в холодное время и охлаждения в теплое время года). Применяется в горных районах, где много ГЭС и дешева электрическая энергия.

Тепловой реактор – ядерный реактор, в котором ядра вещества при делении взаимодействуют с тепловыми нейтронами. Тепловые нейтроны образуются при замедлении нейтронов. В активной зоне теплового реактора находится замедлитель – специальное вещество с легкими ядрами, слабо поглощающими нейтроны, это вещество замедляет нейтроны до тепловой энергии. Замедлитель – как правило, это углеводороды, углерод, тяжелая вода, водород, дейтерий, бериллий, окись бериллия, обычная вода, графит. Тепловой реактор работает на ядерном топливе, которым являются изотопы урана и плутония, имеющие большие сечения для захвата нейтронов с малой энергией, это позволяет загружать небольшое количество делящегося вещества. Для использования в качестве топлива природного урана его обогащают изотопом. На поддержание ядерной реакции употребляется, как правило, один нейтрон, остальные не взаимодействуют с ураном – сырьевым материалом, при этом получается вторичное ядерное топливо – плутоний. Свойства замедлителя и количество сырьевого материала определяют, сколько нейтронов будут с ним взаимодействовать. В тепловом реакторе, в котором топливо – уран, сырьевой материал – торий, количество взаимодействующих нейтронов больше количества разделившихся ядер, что позволяет воспроизводить ядерное топливо. Усиление или ослабление процесса деления выполняет регулирующий стержень реактора – это вещество с хорошим поглощением нейтронов (кадмий, редкоземельные элементы, бор или соединения бора – бористая сталь, карбид бора). Изменение концентрации бора, борной кислоты в теплоносителе также регулирует работу теплового реактора. Отношение числа поглощенных в реакторе нейтронов данного и предыдущего поколения называется эффективным коэффициентом размножения. Это основная рабочая характеристика состояния теплового реактора. Газы и жидкости со слабым поглощением нейтронов применяются как теплоносители, отводящие тепло из реактора. Как правило, это гелий, двуокись углерода, органические жидкости, вода обычная или тяжелая, эти вещества эффективно осуществляют теплообмен. Иногда используются и жидкие металлы или соли. Вода в тепловом реакторе, как правило, является и теплоносителем, и замедлителем. Конструкции активной зоны реактора изготовляются из алюминия и циркония, не влияющих на скорость поглощения нейтронов. Современные тепловые реакторы – это наиболее распространенный, основной вид ядерного реактора, имеющий очень широкое распространение в различных отраслях науки и техники. С помощью тепловых реакторов получают электрическую энергию, радиоактивные изотопы, искусственно делящиеся вещества. Тепловые реакторы применяются также для опреснения морской воды, в научных целях при изучении физических процессов или испытаний различных конструкций.

Тепловыделяющий элемент – основной конструктивный узел ядерного реактора с ядерным топливом, который располагается в активной зоне реактора и в котором идет реакция деления ядер ядерного топлива. Конструкция тепловыделяющего элемента включает герметическую оболочку и сердечник. Сердечник, как правило, бывает металлический, керамический или металлокерамический. Металлический сердечник сделан из плутония, урана, тория или их сплавов с цирконием, алюминием, цинком. Металлокерамический сердечник – это сплав урана и алюминия. Керамический сердечник – это сплав окислов, карбидов. Эти сердечники прочны и не изменяют свои размеры и физические свойства в высокотемпературных условиях и в зоне нейтронного излучения. Вещества, не принимающие участия в делении и воспроизводстве ядерного топлива, являются в таких сердечниках наполнителем. Чаще всего сердечники бывают керамические со спеченной двуокисью урана, они не меняют свою форму и размер и не подвержены деформации при выгорании топлива. Такие сердечники используются в энергетических реакторах на слабообогащенном уране. Герметизирующая оболочка защищает сердечник тепловыделяющего элемента от теплоносителя. Это очень важно, так как недопустимо попадание в теплоноситель продуктов деления, поскольку это может нарушить работу реактора. Поэтому материал, из которого сделана герметизирующая оболочка, имеет высокую термическую, коррозионную, эрозионную стойкость и механическую прочность. Чаще всего герметизирующая оболочка изготавливается из сплавов циркония, алюминия и стали. Выбор материала оболочки зависит от температурного режима реактора. В реакторах с температурой ниже 300 °С оболочка выполнена из сплавов алюминия, в реакторах с температурой до 400 °С – из сплавов циркония, в реакторах с температурой более 400 °С – из нержавеющей стали. Иногда герметизирующая оболочка изготавливается из графита с большой плотностью. Диффузное сцепление между герметизирующей оболочкой и сердечником улучшает теплообмен между ними, но это возможно, если материалы, из которых изготовлены оболочки и сердечник, обладают близкими коэффициентами объемного расширения. Если же их коэффициенты сильно отличаются, то зазор между сердечником и оболочкой заполняют теплопроводящим газом – гелием. Форма сердечника определяет форму тепловыделяющего элемента. Как правило, это цилиндрический стержень, но бывают пластинчатые, трубчатые стержни. В реактор тепловыделяющие элементы помещают собранными в виде блоков, кассет, пакетов. В жидких земедлителях, которые являются и теплоносителями, блоки элементов направляют поток жидкости. При твердых замедлителях блоки элементов располагают в каналах с теплоносителем. Тепловыделяющий элемент способен работать в энергетическом реакторе до нескольких лет.

Теплообменник – устройство теплопередачи между несколькими теплоносителями или между теплоносителем и поверхностью. Передача тепла – важнейший процесс в теплотехнике. Теплообменники имеют различную конструкцию, которая определяет их принцип действия. Существуют теплообменники-рекуператоры, регенераторы, смесители. Теплообменники-рекуператоры имеют два подвижных теплоносителя, температура которых различна, их разделяет твердая стенка. Процесс теплообмена между ними – это конвективный теплообмен. Подогреватели и парогенераторы – это рекуперативные теплообменники. Рекуператоры бывают змеевиковые, трубчатые, кожухотрубные, пластинчатые. Регенеративные теплообменники – это поверхность нагрева, которую попеременно омывает то холодный, то горячий теплоноситель. Когда происходит контакт поверхности с холодным теплоносителем, то она охлаждается, отдавая тепло, когда осуществляется контакт с горячим теплоносителем, то она нагревается, отбирая тепло. Как правило, такие регенераторы используются в качестве воздухонагревателей доменной печи. Оба вида теплообменников – и рекуператор, и регенератор – поверхностные, так как передача тепла в них идет на поверхности твердого тела. Смесительные теплообменники работают на основе прямого соприкосновения теплоносителей. Существуют также теплообменники, имеющие внутренний источник тепла. В них работает один теплоноситель. В основном это ядерные реакторы, различные электронагреватели. Для правильного выбора теплоносителя осуществляют его тепловой расчет, учитывающий теплопередачу и тепловой баланс. Поверхность теплообмена определяется специальными проектными расчетами. Количество переданной теплоты при заданной поверхности теплообмена и температура теплоносителей определяются поверочными расчетами. Такие теплообменные устройства широко используются в теплотехнике.