ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA STROJNÍ

Transkript

1 ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA STROJNÍ Studijní rogram: Studijní zaměření: B30 Strojní inženýrstí Staba energetických strojů a zařízení BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Technologie chlazení reaktoru s kaalným aliem na bázi roztaených solí Autor: Vedoucí ráce: Ing. Milosla Hron, CSc. Akademický rok 03/04

2 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Prohlášení o autorstí Předkládám tímto k osouzení a obhajobě bakalářskou ráci, zracoanou na záěr studia na Fakultě strojní Záadočeské unierzity Plzni. Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou ráci yracoal samostatně, s oužitím odborné literatury a ramenů, uedených seznamu, který je součástí této bakalářské ráce. V Plzni dne:

3 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 PODĚKOVÁNÍ Chtěl bych oděkoat anu ing. Miloslau Hronoi, CSc., jakož i anu ing. Miroslau Mikiskoi, Ph.D., a anu ing. Palu Žitkoi, kteří mi během yracoáání této ráce ěnoali sůj čas a oskytoali mi odborné edení.

4 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 ANOTAČNÍ LIST BAKALÁŘSKÉ PRÁCE AUTOR Příjmení Hůlka Jméno Petr STUDIJNÍ OBOR 30R06 Staba energetických strojů a zařízení VEDOUCÍ PRÁCE Příjmení (četně titulů) Ing. Hron, CSc. Jméno Milosla PRACOVIŠTĚ ZČU FST KKE DRUH PRÁCE DIPLOMOVÁ BAKALÁŘSKÁ Nehodící se škrtněte NÁZEV PRÁCE Technologie chlazení reaktoru s kaalným aliem na bázi roztaených solí FAKULTA strojní KATEDRA KKE ROK ODEVZD. 04 POČET STRAN (A4 a ekialentů A4) CELKEM 5 TEXTOVÁ ČÁST 50 GRAFICKÁ ČÁST STRUČNÝ POPIS (MAX 0 ŘÁDEK) ZAMĚŘENÍ, TÉMA, CÍL POZNATKY A PŘÍNOSY KLÍČOVÁ SLOVA ZPRAVIDLA JEDNOSLOVNÉ POJMY, KTERÉ VYSTIHUJÍ PODSTATU PRÁCE Tématem bakalářské ráce je technologie chlazení reaktorů racujících s roztaenými solemi - MSR, které jsou součástí reaktorů tz. IV. generace. V rní části ráce je zracoán ýoj těchto reaktorů do současného stau. Ve druhé části je roeden nárh usořádání rimárního a sekundárního okruhu s reaktorem MSR. Ve třetí části je roeden nárh srážeče řehřátí ro systém regenerace sekundárním okruhu a je oronán jeho li ři oužití na nízkotlakém nebo ysokotlakém ohříáku. MSR, jaderný reaktor, rimární okruh, sekundární okruh, IV. generace, roztaená sůl, srážeč řehřátí

5 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 SUMMARY OF BACHELOR SHEET AUTHOR Surname Hůlka Name Petr FIELD OF STUDY 30R06 Energy Resources and Equiment SUPERVISOR Surname (Inclusie of Degrees) Ing. Hron, CSc. Name Milosla INSTITUTION ZČU FST KKE TYPE OF WORK DIPLOMA BACHELOR Delete when not alicable TITLE OF THE WORK The Cooling technology of molten salt reactors FACULTY Mechanical Engineering DEPARTMENT KKE SUBMITTED IN 04 NUMBER OF PAGES (A4 and eq. A4) TOTALLY 5 TEXT PART 50 GRAPHICAL PART BRIEF DESCRIPTION TOPIC, GOAL, RESULTS AND CONTRIBUTIONS The main toic of bachelor thesis is the cooling technology of reactors working with molten salts MSR which are the art of Generation IV reactors. In the first art of the work there is described the eolution of these reactors to the current state. In the second art there is made the design of rimary and secondary circuit with MSR reactor. In the third art there is made the design of desuerheater for heat recoery system in secondary circuit and there is comared its influence if used in lowressure or in high-ressure heat exchanger. KEY WORDS MSR, nuclear reactor, rimary circuit, secondary circuit, IV th generation, molten salt, desuerheater

6 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4. Úod Jaderné alioé cykly Výoj reaktorů s roztaenými solemi (MSR) Projekt Aircraft Nuclear Proulsion(ANP) Projekt Molten-Salt Reactor Exeriment (MSRE) Projekt Molten-Salt Breeder Reactor (MSBR) Projekt GIF[3] Projekt TMSR (Thorium-based Molten Salt Reactor) Reaktory s Thorioým alioým cyklem Indii Nárh usořádání rimárního a sekundárního okruhu Primární okruh Sekundární okruh Nárh srážeče řehřátí Teelný ýočet Zadané hodnoty Ronice teelné ronoáhy Střední logaritmický telotní sád Podobnostní čísla Koeficient rostuu tela Celkoá locha trubek Délka trubek Penostní ýočet Hydraulický ýočet Místní ztráty Třecí ztráty Výočet liu Záěr... 46

7 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4. Úod Protním zdrojem energie e esmíru je jaderná reakce, která robíhá jádrech hězd odobě slučoání atomů (fúze). Jednodušší rky jako odík a helium se ostuně slučují, řičemž se uolňuje jaderná energie a znikají rky jako uhlík, kyslík a další až o železo, které má nejyšší azebnou energii, tj. je to nejstabilnější rek a ro ytoření rků těžších než železo by bylo otřeba energii naoak dodáat. Železo zniká jádrech těch nejhmotnějších hězd, rotože jenom těch jsou odmínky k tomu, aby se fúzní reakcí mohlo železo tořit. Hězdy takoémto stádiu jsou šak nestabilní a nezřídka končí sůj žiot jako suernoy. Při tomto ýbuchu jsou řítomny takoé odmínky, že dojde k ytoření rků s ětší hmotností (yšším nukleonoým číslem) než má železo, což je ětšina známých rků, e kterých je energie ýbuchu uložena. Některé rky jsou nestabilní a rozadají se (štěí) a řitom uolňují naakumuloanou energii ýbuchu, kterou jsme se naučili získáat e štěných reaktorech racujících uran-lutonioém cyklu. Jaderná energetika yužíající štěení uranu se na očátku sého ýoje zdála tralým řešením ro okrýání energetických otřeb lidsta. S rozojem moderních technologií, které lidsto činily ostuně čím dál tím íce záislé na elektřině, se šak ukázalo, že ři takoéto sotřebě ydrží známé a získatelné zásoby yužitelného štěného materiálu ouze několik desítek let. Mezitím se šak jaderná energetika stala nezanedbatelnou, některých říadech dokonce nenahraditelnou složkou energetické olitiky mnoha států. Toto zjištění se tak stalo hlaní hnací silou ýzkumu, který měl řinést noé možnosti yužití štěného materiálu, který jaderných reaktorech s teelnými neutrony nelze yužít. Nezanedbatelnost jaderné energetiky je současné době dána hlaně ožadakem na ekologické zdroje energie. Zajištění dodáek elektřiny ři současném slnění ožadaků ekologů na snižoání emisí CO, NO X, SO, SO 3 a dalších, nelze ani dohledné době lně nahradit obnoitelnými zdroji energie. Vzniká tedy jakýsi aradox, kdy na jedné straně ekologoé zatracují jadernou energetiku, kůli jadernému odadu, ale na straně druhé se snaží o ukončení roozu jediných zdrojů, které jsou dnes schony dodat otřebný ýkon a yužíání jaderné energie si tak lastně ynucují. Alternatiou k štěným jaderným reaktorům jsou fúzní reaktory, kde se snažíme naodobit rocesy robíhající e hězdách. Nař. Max-Planck-Institut für Plasmahysik Německém Greifswaldu se nyní dokončuje exerimentální fúzní reaktor Wendelstein 7-X, e kterém, jak ědci doufají, bude možné roce 05 udržet stabilní lasma. Cílem tohoto rojektu je ouze oěření, že ýočty a ředoklady ědců o choání lazmatu e ětším měřítku jsou radié. Nijak se šak nebude řešit ýroba elektrické energie, která je u fúzních reaktorů technologicky elice náročná a bude trat ještě dlouho dobu, než budeme elektřinu touto cestou schoni yrábět. Naíc i zde se bude racoat s radioaktiním materiálem, který je u jaderné energetiky očích široké eřejnosti nejětší hrozbou. Zde sice nebude žádný znikat, ale ro rooz je zaotřebí tritia, které radioaktiní je, i když jen slabě a s relatině dlouhým oločasem rozadu (,3 roku)[5]. Vraťme se nyní zět k štěným jaderným reaktorům. Výzkum se dnes ubírá směrem, který byl ytyčen tz. Generation IV International Forum (GIF), němž jsou reaktory zcela noé koncece, které budou moci yužíat i 38 U, který je zatím, mimo ýroby lutonia teelných reaktorech, rakticky neyužitelný, a thorium, se kterým by reaktory racoaly thorium-uranoém cyklu. Využití 38 U se dá dosáhnout tz. rychlých množiých reaktorech (FBR), které by se daly současně yužít k ýrobě elektrické energie a k rodukci lutonia ro teelné reaktory, čím by došlo k uzaření alioého cyklu. Také by se daly 9

8 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 yužít k řeměně ysoceaktiního radioaktiního odadu na směs nízko či středně aktiních izotoů s relatině krátkým oločasem rozadu a tím ulehčit skladoání oužitého jaderného alia, což je také jeden z cílů GIF. Dalšími cíli GIF jsou urychlení samotné ýstaby jaderných elektráren, zýšení jejich bezečnosti rostřednictím asiních bezečnostních rků a konkurenceschonost ůči ostatním zdrojům energie. Jednou z ariant rámci GIF jsou reaktory s roztaenými solemi (MSR), které byly yzkoušeny ro malé ýkony, ašak jejich ýoj byl zastaen z olitických a ekonomických důodů. Těmito reaktory se nyní budeme zabýat odrobněji. Čtenáře seznámíme se základní koncecí reaktorů MSR, důodem jejich zniku a jejich ýojem. 0

9 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4. Jaderné alioé cykly V klasických reaktorech s teelným sektrem neutronů, jako jsou nař. PWR (VVER), CANDU, BWR a dalších se yužíá zejména štěení 35 U. Uran je reaktoru e formě UO různém rocentuálním odílu res. obohacení 35 U, odle druhu reaktoru, e kterém je alio yužíáno. Běžně se oužíá obsah od řírodního odílu 0,7% 35 U až do obohacení 5% 35 U. Zbytek alia toří těchto reaktorech 38 U. Ten během chodu zachycuje hlaně rezonanční a také teelné neutrony a následkem toho dochází k jeho ostuné řeměně na 39 Pu. Tento cyklus charakterizuje ráě růběh řeměny 38 U na 39 Pu. 38 U zachytí neutron a řeměňuje se na 39 U s oločasem rozadu 3min. Záchytem neutronu se sníží jeho kinetická energie a řebytek je yzářen odobě záření. 39 U se -rozadem řemění na 39 N s oločasem rozadu,3dnů. Tento radionuklid se oté -rozadem řemění na 39 Pu. Toto lze zasat 3min,3dnů U0n 9U 93N 94Pu. [] Pu je štěné a lze jej dále oužít jako alio. S oločasem rozadu let se rozadem řeměňuje na 35 U. Jako součást jaderného odadu je lutonium kůli dlouhému oločasu rozadu roblematické. Je nebezečné kůli sé chemické toxicitě i radiotoxicitě a je také zneužitelné ro ýrobu nukleárních bomb. Proto se současnosti očítá s jeho yužitím klasických reaktorech e formě tz. alia MOX a rychlých množiých reaktorech (FBR). V těchto by se yužíalo alia složeného z lutonia a ochuzeného uranu. Během roozu reaktoru by se část neutronů ze štěení yužila k lození 39 Pu z 38 U. Reaktor by takto mohl yrobit íce alia, než by sám sotřeboal.[] Neýhody uran-lutonioého cyklu zejména s ohledem na radiotoxicitu lutonia a minoritních aktinidů lze z elké části minimalizoat oužitím thorium-uranoého cyklu. Ten může racoat jak s teelnými, tak s rychlými neutrony a yhořelé alio obsahuje oronání s U-Pu cyklem jen minimální množstí transuranů (Pu,Am, Cm, ) s dlouhým oločasem rozadu. Thorium je zemské kůře zastoueno řibližně 4x ětší koncentraci než uran, takže je jeho oužití ersektiní. 3 Th záchytem neutronu řemění na 33 Th s oločasem rozadu min, řebytečná energie je oět yzářena odobě záření. Následně se 33 Th rozadem řeměně na 33 Pa s oločasem rozadu 7 dnů a to se rozadem řeměňuje na 33 U, který je štěný. Toto lze zasat min 7dnů Th0n 90Th 9Pa 9U. 33 U je schoen štěné řetězoé reakce a neutrony zniklé tímto štěením jsou kromě dalšího štěení také absorboány 3 Th. Vzhledem k dlouhému oločasu rozadu Protaktinia hrozí, že 33 Pa zachytí další neutron, čímž dojde k řeměně na 34 Pa a následnou řeměnu na 34 U, který zhoršuje neutronoou bilanci reaktoru. Bylo by roto ýhodné 33 Pa z reaktoru růběžně odebírat, nechat jej e hodném zásobníku mimo reaktor rozadnout na 33 U a ten ak rátit do reaktoru. Očekáá se, že to bude možné realizoat u reaktorů s aliem rozuštěným roztaených solích s růběžnou chemicko-izotooou searací. []

10 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 3. Výoj reaktorů s roztaenými solemi (MSR) Myšlenka reaktorů s kaalným aliem e formě taeniny fluoridů se objeila u amerických ědců e 40. letech 0. století. Výzkum této oblasti ak zajišťoala od 50. let americká ýzkumná laboratoř Oak Ridge National Laboratory (ORNL), řeážně zajišťující ýzkum oblasti energetiky. Od sého založení e 40. letech byla totiž yužíána armádou, ať už ro ýrobu lutonia ro jaderné hlaice, nebo ro ýzkum ohonů onorek či letadel. 3.. Projekt Aircraft Nuclear Proulsion(ANP) Jednalo se o ýzkumný rojekt ro americké letecto s cílem yrobit jaderný ohon ro americké strategické bombardéry. Výzkum začal roce 95 a roce 954 byl úsěšné testoán rní reaktor o ýkonu,5mwt. Než šak stihl být ytořen funkční rototy motoru, byl ýzkum roce 96 ukončen, neboť byl yinut systém balistických střel ICBM (Inter-Continental Ballistic Missile) a strategické bombardéry již nebyly tolik zaotřebí. [3][5]. Projekt řinesl informace o choání taeniny okruhu, o jejích účincích na materiál reaktoru a o regulaci jaderné reakce. Informace takto získané ak osloužily jako základ ro další exerimenty. [6] Exerimentální reaktor ARE (Aircraft Reactor Exeriment) racoal s aliem e formě směsi NaF-UF 4 obohacené o 35 U. Ta byla rozuštěna e směsi NaF-ZrF 4. Palio se dolňoalo manuálně raoáním alioé směsi do jímky, dokud se nedosáhlo kritického množstí uranu. Celkem bylo do reaktoru raeno 6kg 35 U, zároeň šak docházelo k odběru zorků, takže ři dosažení kritického množstí se nacházelo e směsi 384g 35 U na litr fluoridoé směsi a aktiní zóně se nacházelo 4,9kg 35 U. [6] Celá směs cirkuloala trubkách z Inconelu, které byly edeny skrz hexagonální bloky BeO, který sloužil jako moderátor. Usořádání je na obr.. Aktiní zóna byla chlazena tekutým sodíkem. Toto usořádání si yžádalo chlazení ěte s aliem i ěte se sodíkem. K tomu bylo obou říadech oužito helium. To ředáalo telo odě a ta nakonec odáděla telo do okolí. Schéma je na obr.. [6] Obr. Usořádání aktiní zóny ARE [6]

11 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Obr. Schéma ododu tela u ARE Významné bylo zjištění, že reaktor má elký záorný koeficient telotní reaktiity, tzn., že s rostoucí telotou rychlost štěné reakce klesá. Dále se ukázalo, že Xenonoá otraa, nebyla tak eliká, jak se očekáalo. V celém objemu solí nebylo zjištěno íce než 5% 35 Xe. Jedním z důodů bylo, že směs se liem cirkulace nacházela aktiní zóně ouze čtrtinu času. Dále nebyla ozoroána koroze oužitých materiálů. Činnost reaktoru byla řerušena o rodukci 96 MWh a oté byl rozebrán. V roozu byl íce než 000 hodin. 3.. Projekt Molten-Salt Reactor Exeriment (MSRE) Projekt naazuje na APN. Vědci ěřili otenciál MSR ciilní energetice a roto byl roce 956 ytořen rojekt MSRE, jehož cílem bylo zjistit technické charakteristiky a ýkon reaktoru, ekonomickou náročnost roozu a otestoat různá alia a konstrukční materiály. V růběhu několika let bylo narženo několik koncecí. Při nich byly uažoány arianty usořádání aktiní zóny homogenní a heterogenní. Při homogenní ariantě by se jako moderátor oužila samotná taenina. Tato arianta nakonec byla zarhnuta ro malou moderační schonost taeniny. Vybrána byla arianta heterogenní, kde byl jako moderátor oužit grafit. Reaktor měl racoat s aliem thorium-uranoém cyklu. Bylo totiž zjištěno, že thorium-uranoý cyklus, kde se ytáří a zároeň saluje 33 U má reaktoru s roztaenými solemi leší ýkonnost než uran-lutonioý cyklus, kde je množiým materiálem 38 U a ytáří se a saluje 39 Pu. Tento samotný nárh měl další arianty: Single-fluid, kde bylo thorium i uran rozuštěno roztoku a Two-fluid, kde byla množiá sůl obsahující thorium oddělena od štěné soli, e které se nacházel uran. Obě tyto arianty byly studoány, ale ětší ozornost byla ěnoána ariantě Two-fluid, řestože byla technologicky náročnější, než rní arianta, ašak měla leší účinnost.[7] Pro ýzkumný reaktor šak byla ro sou technologickou jednoduchost zolena ráě arianta Single-fluid, ale jako alio byla oužita sůl bez thoria, což odoídá ariantě Two-fluid. Příray staby reaktoru začaly roce 960. Během říray byla ro rimární a sekundární okruh yinuta slitina Hastelloy-N, která zajišťoala odolnost ůči korozi. [5] Staba samotná byla zahájena roce 96 a kritický byl reaktor oré roce 965. [7] Aktiní zóna se skládala z 68 grafitoých tyčí, které ytořily mříž s 50 kanály. Reaktor racoal s termálními neutrony, maximální ýkon činil 8 MWt a během doby roozu byly testoány 3 tyy alia. Počáteční alio obsahoalo štěný izoto 35 U (obohacení 33 %), 3

12 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 jehož bylo aktiní zóně 3kg, celém okruhu ak 45kg. Poté byla krátce testoána směs 35 U+ 39 Pu a nakonec 33 U (obohacení 9 %). Reaktor byl ůbec rním na sětě, který yužíal jako alio 33 U, hlaní nální ráce ýzkumníků tak bylo ředeším zkoumání neutronoých charakteristik 33 U.[3] Palio e formě UF 4 bylo rozuštěno e směsi 7 LiF- BeF -ZrF 4 (65-9-5mol %), fluorid zirkoničitý byl řidán, aby se zabránilo oxidaci uranu na UO. Jako chladící sůl byla oužita směs 7 Li-BeF 4. Během roozu bylo nutné odádět štěné rodukty, které se choaly jako ýrazné absorbátory neutronů, nař. 35 Xe, 85 Kr a další izotoy Krytonu. Xenon ani Kryton nejsou solích rozustné a lze je odstranit robublááním Heliem. Helium bylo osledních fázích rojektu nahrazeno Argonem, který má solích mnohem menší rozustnost.[5] Usořádání reaktoru je na obr. 3. Obr. 3 Usořádání MSRE [4] Při exerimentu bylo zjištěno, že alioá směs je radiačně stabilní a má elmi nízký tlak nasycených ar (3 Pa), grafit neodléhal chemickému ůsobení solí, ašak docházelo k radiačnímu oškození, takže grafitoé tyče musely být častěji měněny.[3],[7] Koroze materiálu reaktoru byla minimální. Parametry reaktoru shrnuje tab.. 4

13 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Teelný ýkon Tab. Parametry MSRE [3] 8 MWt 7 LiF-BeF -ZrF 4-35 UF 4 Palio 7 LiF- BeF -ZrF 4-35 UF- 39 PuF 3 LiF-BeF - 33 UF 4 Charakter zóny Jednookruhoý Moderátor Grafit o hustotě 880 kg m -3 Chladio 7 LiF-BeF Teelná kaacita - 38 J kg - K Telota tání alioé směsi 434 C Telota alia na stuu 635 C Telota alia na ýstuu 663 C Výška reaktoroé nádoby,73 m Průměr reaktoroé nádoby,4 m 3.3. Projekt Molten-Salt Breeder Reactor (MSBR) Úsěch ředchozího rojektu nastartoal rojekt MSBR, jehož cílem bylo ostaení demonstrační jednotky množiého reaktoru racujícího thorium-uranoém alioém cyklu o ýkonu 50MWt a 000MWe, tedy s účinností 44%.[3][4] Množiý faktor byl odhadnut na,07, což znamená, že by yrodukoal o 7% íce materiálu, než by během sého roozu sotřeboal[5]. Pro dobré arametry množiého systému a zhledem k obtížné searaci uranu od thoria a taeniny byla zolena arianta Two-fluid, kde se uran a thorium nestýkaly. Složitější usořádání s sebou šak řinášelo mnohé technické roblémy, nař. nedostatečnou odolnost grafitu ůči radiačnímu oškození, odobně jako u MSRE. [3] V roce 968 šak nastal růlomoý okrok technologii chemické searace a díky tomu i konceci reaktoru. Byla naržena extrakce kaalným bismutem, která odstraňoala rotaktinium a lanthanoidy z alioé soli, 7 LiF-BeF -ThF 4 -UF 4 (7,7-6--0,3mol%) [4]. To bylo zásadní, rotože jak rotaktinium, tak lanthanoidy negatině oliňují říznié neutronoé hosodaření, které je ro množiý reaktor klíčoé. Protaktinium je naíc nutno searoat z aktiní zóny kůli možnému záchytu neutronu na 33 Pa a následné torbě nežádoucího 34 U namísto 33 U. To umožnilo rojekt řeracoat a zjednodušit oužitím Single-fluid koncece. [3] Secifikem reaktoru měla být řítomnost chemické řeracoací jednotky, která měla mít za úkol searaci uranu jeho fluorací za zniku UF 6, následná redukce na UF 4 rací uran zět do reaktoru, searaci rotaktinia reduktiní extrakcí do kaalného bismutu a searaci lanthanoidů neutronoých jedů, také reduktiní extrakcí do kaalného bismutu. Při douokruhoé konceci měla být alioá smyčka ostuně řeracoána během 60 dní, lodiá otom během 3 dní. Po úraě rojektu byla jednookruhoé konceci doba řeracoání soli stanoena na 0 dní. [3] 5

14 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Palio mělo rocházet aktiní zónou růchody grafitoých blocích. V aktiní zóně se mělo nacházet 3% alia, 37-00% by se ak nacházelo nádobách o obodu reaktoru. Thorium by zde zachycoalo íc neutronů a tím by znikla na eriferii aktiní zóny lodiá rsta. Grafit kolem aktiní zóny měl sloužit jako reflektor. [3][5] Pod reaktorem se měla nacházet drenážní nádrž, kam mělo být směřoáno alio (říadně i chladio ze sekundárního okruhu) době odstáky nebo říadě mimořádné události. Tato nádrž byla naíc ybaena účinným chladicím systémem, založeným na řirozené cirkulaci alia, který je schoen dostatečně odádět telo uolněné rozadem štěných roduktů. Zamezení úniku alia by se roedlo jeho ochlazením od telotu tuhnutí. Elektrárna měla mít tři okruhy. V rimárním by cirkuloala alioá sůl, která by ředáala teelném ýměníku telo chladicí soli sekundárního okruhu o složení NaBF 4 -NaF (9-8 mol %), ta by následně ředáala telo odě terciárního okruhu arogenerátoru, kde znikala ára o telotě 538 C a tlaku 4MPa.[3][5] Schéma rojektu MSBR je na obr. 4. Obr. 4 Schéma usořádání MSBR V růběhu 70. let byly yracoány odrobné studie a staba demonstrační jednotky mohla začít. Během říra byla zracoána i ekonomická analýza, která udáala zhruba sronatelné náklady na ybudoání jednotky jako ro klasický PWR. Cena alioého cyklu měla být dokonce nižší než u PWR. Nejětší odíl na ceně za kwh ředstaoal rooz chemického záodu. Při naýšení nominálního ýkonu reaktoru, říadně sdružení několika jednotek, by rooz chemického záodu měl nižší odíl na roozních nákladech. Tím ádem by došlo k ýznamnému snížení ceny za kwh. Vláda USA šak roce 976 zastaila financoání šem rojektům množiých reaktorů četně tohoto, obaě ze snadnějšího šíření štěného 6

15 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 materiálu a s tím souisejícím ohrožením globální bezečnosti. Projekt tak skončil náhle a bez raktického oěření konkurenceschonosti s technologií PWR, nicméně množstí recizně odedené ýzkumné ráce neřišlo zcela nazmar. Projekt MSBR je nyní ři každém nárhu noých systémů MSR udáán jako tz. referenční, ůči kterému se noější rojekty oměřují, nebo ze kterého ycházejí. Parametry reaktoru jsou tab. [3] Tab. Parametry MSBR jednookruhoém usořádání [3] Teelný ýkon Čistý ýkon 50 MWt 000 MWe Teelná účinnost 44 % Vstuní telota soli rim. okruhu 566 C Výstuní telota soli rim. okruhu 704 C Vstuní telota soli sek. okruhu 454 C Výstuní telota soli sek. okruhu 6 C Parametry áry 4 MPa, 538 C Výška reaktoroé nádoby Vnitřní růměr reaktoroé nádoby Výška AZ Průměr AZ 6, m 6,8 m 4,0 m 4,3 m Celkoý objem soli rim. okruhu l Hustota toku termálních neutronů 8, cm - s Množiý faktor,07 ± 0, Projekt GIF[3] Generation IV International Forum (GIF) je nadnárodní rojekt založený roce 000 z iniciatiy USA. Projekt sdružuje šest okročilých reaktoroých systémů, tz. reaktorů IV. generace. Na rozdíl od reaktorů III. generace (a generace III+), které jsou eolučním yústěním současných zaedených reaktoroých tyů, stojí reaktory IV. generace kalitatině ýš a nabízejí reoluční řešení (nejen) ro jadernou energetiku. Reaktory IV. generace mají ýznamně řeyšoat současnosti budoané reaktory e šech hlediscích, tedy ekonomickém, bezečnostním (četně rizika šíření jaderného materiálu) i ekologickém. V ožadacích je zajištění bezečnosti asiními rky, které nejsou záislé na zásahu oerátora či řísunu energie zenčí. Mezi těchto šest reaktoroých systému atří []: Rychlý lynem chlazený reaktor GFR (Gas cooled Fast Reactor) Velmi ysokotelotní reaktor VHTR (Very High Temerature Reactor), chlazený heliem. Díky ysoké ýstuní telotě helia 000 C se očítá s jeho yužitím ro ýrobu odíku nebo jiné yužití etrochemickém růmyslu solečně s ýrobou elektřiny. Nadkritickou odou chlazený reaktor SCWR (SuerCritical Water cooled Reactor) 7

16 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Rychlý sodíkem chlazený reaktor SFR (Sodium cooled Fast Reactor) Rychlý oloem chlazený reaktor LFR (Lead cooled Fast Reactor) Reaktor chlazený roztaenými solemi MSR (Molten Salt Reactor), jehož schéma je na obr. 5. Koncetem GIF je dlouhodobá udržitelnost jaderné energetiky. Jde zejména o hosodárnější yužití jaderných suroin (doosud je yužíán jen 35 U, tořící 0,7% zásob uranu) jejich množením reaktorech a následným efektiním hosodařením s jaderným odadem. Systém MSR rámci GIF je odkazem na nenalněný rojekt MSBR. Kromě yužití thoriumuranoého alioého cyklu s množiým otenciálem je rámci rojektu GIF ěnoána ozornost i druhému možnému ulatnění systému MSR a tím je yužití jakožto saloače aktinoidů (transmuter). Parametry reaktoru jsou tab. 3. Obr. 5 Schéma MSR odle GIF [8] Tab. 3 Parametry MSR rámci GIF Čistý ýkon 000 MWe Měrné teelné zatížení MWt m -3 Teelná účinnost % Vstuní telota soli rim. okruhu 565 C Výstuní telota soli rim. okruhu 700 C (850 C ro rodukci odíku) Tlak ar soli rim. okruhu < 690 Pa Moderátor Grafit Praconí cyklus Ericsson-Braytonů, mnohonásobná rekuerace Neutronoé sektrum Termální 8

17 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Základem těchto izí byly zejména ráce na rojektu MSBR. GIF ze současného ohledu yhodnocuje roeditelnost rojektu MSBR a oukazuje na technologické mezery, které je nutné dořešit: Rozustnost aktinoidů a lanthanoidů soli ři elkých koncentracích aktinoidů režimu saloače (transmuter) Chemie soli celém jejím žiotním cyklu, č. řeracoání a eentuálního uložení konečného odadního roduktu Komatibilita konstrukčních materiálů a grafitu k čersté i ozářené soli ro alikace yžadující yšší teloty Usazoání nerozustných koů (noble metals) na stěně teelného ýměníku Oěření záornosti telotních koeficientů reaktiity Předokládaný harmonogram ýzkumu a ýoje se nestal skutečností, neboť o technologie nebyl rojeen ětší zájem a financoání robíhá jen rámci dílčích roblematik. Výzkum tak roozuje ouze Francie (LPSC UJF Grenoble) či Česká reublika (ÚJV Řež) Projekt TMSR (Thorium-based Molten Salt Reactor) 5. ledna 0 Čína oznámila na konferenci Čínské Akademie Věd zahájení rojektu TMSR, jehož cílem je do roku 07 ostait ýzkumný reaktoroý systém o ýkonu MWt a na základě ýzkumů ak následně ystaět demonstrační reaktor o ýkonu 0MWt a zahájit ýstabu reaktorů o ýkonu 00MWt.[9] Tento rojekt je samostatný, neboť Čína se odmítla řiojit k rojektu GIF. [0] V rámci TSMR robíhá ýzkum hodného usořádání aktiní zóny, neutronoé bilance reaktoru, lastnosti solí záislosti na telotě, získáání izotou 7 Li, usořádání alioých smyček a ýoj jejich komonent. Dále se ýzkum zaměřuje na odstraňoání štěných roduktů z alioé soli chemickou searací, ýrobu oxidů a fluoridů thoria a neoslední řadě na ýoj noých, ysoko-telotně odolných materiálů.[] 3.6. Reaktory s Thorioým alioým cyklem Indii Indie je státem s nejětšími sětoými zásobami Thoria, které činí tun, odle některých odhadů až tun. Naroti tomu se indické zásoby uranu odhadují na tun, a tudíž jsou ro Indii reaktory racující s thoriem elmi lákaé. Dlouhodobým cílem Indického jaderného rogramu se stal ýoj okročilého těžkoodního reaktoru racujícího thorioém cyklu. Prní fáze ýoje sočíá roozu klasických těžkoodních reaktorů (PHWR) racujících s řírodním uranem a lehkoodních reaktorů (PWR, VVER) s obohaceným uranem, ři jejichž roozu by kromě elektřiny znikalo jako druhotný rodukt lutonium. V druhé fázi by se takto zniklé lutonium saloalo rychlých reaktorech (FBR), kolem jejichž AZ by byla lodiá rsta (zóna) obsahující uran a thorium, takže by bylo rodukoáno další lutonium solečně s 33 U. Ve třetí fázi by okročilé těžkoodní reaktory (AHWR) saloaly thorium-lutonioá alia a rodukoaly 33 U, který by mohl dále sloužit jako alio. Alternatiou třetí fáze jsou množié reaktory s roztaenými solemi (MSBR), jejichž nasazení e elkém měřítku se ráě yhodnocuje. V roce 00 regulační komise ydala oolení ro zahájení staby rototyu FBR Kalakkamu s ýkonem 500MWe. Jeho suštění se očekáá roce 04 s aliem e formě 9

18 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 směsi oxidů uranu a lutonia a lodié rstě (zóně) s uranem a thoriem ro množení 33 U a dalšího lutonia. Tím se Indie e sém ýzkumu osune do fáze. Dále byl oznámen záměr ystaět dalších 6 FBR o ýkonu 500MWe, z nichž 4 by měly být dokončeny do roku 00. Tyto reaktory by měly rodukoat lutonium, které je důležité ro možnost yužití thoria AHWR reaktorech. Získání otřebného množstí lutonia může trat 5-0 let. Alternatiou je yužití reaktorů MSBR. [][3] 0

19 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 4. Nárh usořádání rimárního a sekundárního okruhu Pro tento nárh budeme ycházet z rojektu MSBR, který slouží jako referenční rojekt MSR. Pro další ostu budeme uažoat stejné arametry, jako měl tento rojekt (iz Tab. ). Primárním okruhem bude této ráci míněn jednak okruh s reaktorem, hlaními cirkulačními čeradly a teelným meziýměníkem, kde se racuje s rimární solí (solí s aliem), jednak na něj naazující ložený meziokruh, racující se sekundární solí (solí bez alia). 4.. Primární okruh Základem rimárního okruhu je reaktor o ýkonu 300 MWt s nádobou o nitřním růměru 6,8m a ýškou 6,m, který se nachází betonoé šachtě. Reaktor racuje thorium-uranoém alioém cyklu a s teelnými neutrony. Jako moderátor slouží grafit. Ten je reaktoru e formě bloků, mezi kterými rotéká směs soli s aliem. Na dně šachty se nachází drenážní nádrž, která je rotkána sítí kanálů. Unitř těchto kanálů by říadě haárie roudila oda na základě řirozené cirkulace, tím by došlo k ochlazení a následně utuhnutí taeniny a zamezení úniku radioaktiních látek do okolí. Při klasickém usořádání by na reaktoroou nádobu byly naojeny 4 chladicí smyčky s teelnými meziýměníky, řičemž k zajištění dostatečného růtoku chladia by dostačoala funkce 3 smyček. Toto by bylo hodné, rotože s ohledem na ysoké teloty solí (704 C na ýstuu, 566 C na stuu do reaktoru) a štěným materiálem obsaženým římo cirkulující směsi je třeba očítat s ětší oruchoostí hlaních cirkulačních čeradel (HCČ), zůsobené tečením a radiačním křehnutím materiálů. V říadě oruchy jednoho z HCČ by tak stačily zbýající odést bez roblémů telo, než by byl reaktor lně odstaen. Aby se snížilo teelné namáhání čeradel, čeradla by se nacházela na studených ětích za teelným meziýměníkem. Na každou smyčku by naazoala další smyčka, která by obsahoala teelný meziýměník, arogenerátor s řehříákem (PG) a sekundární čeradlo. V teelných meziýměnících by docházelo k řenosu mezi rimární a sekundární solí. Sekundární sůl by měla na stuu do meziýměníku telotu 454 C a na ýstuu 6 C. Čeradlo by se jako ředcházejícím říadě nacházelo na studené ěti, aby se snížilo teelné zatížení součástí čeradla. Alternatiou by bylo usořádání integrální, ři němž by se HCČ a meziýměníky nacházely unitř reaktoroé nádoby. Od meziýměníků k PG by edla otrubí skrz nátrubky e íku reaktoru. Sekundární čeradla by se nacházela mimo nádobu reaktoru. Mezi ýhody tohoto řešení by atřila yšší bezečnost ři oruše, ři které by došlo k úniku chladia, rotože by uniklo ouze zět do reaktoru. Neýhodou by šak byla otřeba rozměrnější nádoby, obtížnější údržba a yšší indukoaná radioaktiita jednotliých komonent, než ři klasickém usořádání. Součástí rimárního okruhu by byla dále chemická řeracoací jednotka, e které by docházelo k čištění alioé soli. Při něm by docházelo k odstraňoání 33 Pa a dalších štěných roduktů z okruhu. 33 Pa by se zásobnících nechalo rozadnout na 33 U, který by byl následně rácen zět do reaktoru. Přeracoání eškerého objemu rimárního okruhu by tralo 0 dnů. Dále by byl HCČ do soli střikoán Argon, který by řes odtahoý systém lynů čeradle odáděl Kryton a Xenon.[4]

20 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 4.. Sekundární okruh Na rimární okruh naazuje u arogenerátoru. V arogenerátoru by se ohříala oda sekundárního okruhu a znikala by ára, která by řehříáku dosáhla tlaku 4MPa a teloty 538 C, jednalo by se tedy o nadkritickou áru (odu). Na PG jsou řiojena řeáděcí otrubí, která edou zniklou áru do Hlaního Parního Kolektoru (HPK), kde se ára z jednotliých PG mísí a dochází tak k yronání tlaků. Na HPK jsou řiojena řiáděcí otrubí, která řiádí ostrou áru na turbínu. Při nárhu usořádání sekundárního okruhu budeme ycházet ze zjednodušeného teelného schématu JE Temelín, které bude uraeno zhledem k arametrům áry. Turbína je ěti-tělesoá kondenzační ro nadkritické arametry s jedním ysokotlakým (VT), jedním středotlakým (ST) a třemi nízkotlakými (NT) díly a ohání generátor o ýkonu 000MWe. Jelikož turbína racuje Rankine-Clausioě cyklu s nadkritickými arametry, je zhledem k elkému tlakoému sádu, a tudíž delší exanzi, ýhodné oužít omaluběžnou turbínu (500ot./min). Tím se sníží namáhání loatek osledních stuňů VT a ST dílu, díky čemuž budou moci být tyto loatky delší. Tím dojde ke snížení ztrát úlaech loatkoé mříži a tím také ke zýšení účinnosti cyklu. Pro zýšení účinnosti se za VT-díl zařadí řihříač áry. Pokud bychom řihříali ouze jednou, koncoé stuně NT-dílů by racoaly s mokrou arou a zýšilo by se riziko jejich koroze. Proto se za ST-dílem nachází druhý řihříač. Znamená to sice yšší inestiční náklady, ale dojde k dalšímu zýšení účinnosti. Kondenzát z řihříačů je omocným čeradlem racen do naajecí nádrže. Zbylá ára se řihříá ostrou arou a ak je ak edena do NT-dílů. Na NT-díly naazují kondenzátory, kde ára kondenzuje a zniklý kondenzát je následně eden kondenzátními čeradly do naajecí nádrže řes systém nízkotlaké regenerace. Ten je tořen čtyřmi nízkotlakými ohříáky. Prní 3 ohříáky jsou naájeny odběroou arou z NTdílů, čtrtý je naájen z odběru za ST-dílem. Pro leší yužití tela z odběrů jsou NTO 3 a 4 dolněny o odchlazoač kondenzátu. Na naájecí nádrži je umístěn teelný odlyňoák, který je naájen z odběru za ST-dílem. Voda z naajecí nádrže je naajecími čeradly edena do PG řes systém ysokotlaké regenerace tořený děma ysokotlakými ohříáky. Ty jsou naájeny arou z odběrů na VT-dílu. Z důodu lešího yužití tela jsou i VTO dolněny odchlazoači kondenzátu, dále jsou ještě ředřazeny srážeče řehřátí odběroé áry. Schéma ideálního cyklu bez regenerace je na obr. 6. Schéma usořádání je na obr. 7.

21 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Obr. 6 Ideální Rankine-Clausiů cyklus bez regenerace 3

22 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Obr. 7 Schéma usořádání okruhů 4

23 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 5. Nárh srážeče řehřátí Cílem roozoatele každého energetického zařízení je ýroba co nejětšího množstí elektrické energie ři minimálních nákladech. Toho se dá dosáhnout snižoáním nákladů na údržbu či oray, zkrácením doby údržby (u JE zkrácení doby odstáek) a neoslední řadě zyšoání účinnosti zařízení. Toho se dá docílit několika zůsoby, jejichž yužitím se snažíme řiblížit Carnotou cyklu, tj. cyklu s nejyšší teoretickou účinností. Jedním ze zůsobů je zyšoání tlaku stuní áry, jeho ýznam ale není říliš elký. Při zednutí tlaku se totiž o exanzi nachází NT-dílu turbíny mokrá ára s nižší suchostí, než ři nižším ýchozím tlaku. Tím jednak klesá termodynamická účinnost turbíny, jednak se zyšuje riziko eroziního oškozoání loatek. Dalším zůsobem je zyšoání teloty stuní áry, čímž se zýší suchost áry osledních stuních NT-dílu a zroste i termodynamická účinnost, rotože dojde ke snížení ztrát rací loatek mokré áře. Narážíme zde šak na materiáloá omezení odobě mezí kluzu a enosti oužitých materiálů, jež řicházejí do styku s ostrou arou. Dalším zůsobem je řihříání áry o částečné exanzi, nejčastěji za VT-dílem. Tím se oět dosáhne zýšení suchosti áry a snížení ztrát rací mokré áře. Další možností je zlešení akua kondenzátoru. Tato možnost je šak úzce ázána na klimatické odmínky a je tak nutno oužít ětších kondenzátorů, což znamená yšší stuní náklady, nebo ětšího růtoku chladicí ody, což znamená ětší lastní sotřebu elektrárny. Nejíce oužíaným se tak stalo regeneratiní ohříání kondenzátu a naájecí ody.[6] Regeneratiní oběh sočíá ředehřátí kondenzátu res. naájecí ody řed stuem do PG nebo kotle až na teloty blízké telotě sytosti ři daném tlaku. Ohře robíhá ohříácích omocí áry z odběrů na turbíně. Pára ohříácích kondenzuje a kondenzát je kaskádoitě řeáděn do ohříáků, které racují s odběroou arou o nižších arametrech, tudíž i tamější kondenzát má nižší telotu. Dojde ke smísení kondenzátů, tím ke zrůstu teloty a zýšení množstí tela ředaného kondenzátu nebo naájecí odě. Z ysokotlakých ohříáků je kondenzát odáděn do naajecí nádrže a z nízkotlakých je odáděn na sání kondenzátního čeradla. Pára z odběrů s yšším číslem (tj. s odběroou arou o yšším tlaku) není na mezi sytosti, tj. jedná se o řehřátou áru. Přestu tela z áry do kaaliny je nejintenzinější ři kondenzaci[7]. Pro hosodárné yužití tela se tedy řed ýměník mohou řidat další telosměnné lochy - srážeče řehřátí. Pro yužití tela kondenzátu se ještě mohou řidat k ýměníku odchlazoače kondenzátu. Tyto dodatkoé lochy mohou být buď součástí ýměníku (integrální řešení), nebo mohou být samostatném tělese. Průběh telot u ohříáku se srážečem řehřátí a odchlazoačem kondenzátu je na obr. 8. [8, str ] Nárh srážeče bude roeden ro Rankine-Clausiů oběh s kondenzační turbínou o ýkonu 480MW. Jelikož ýočet arametrů áry, kondenzátu ani naájecí ody není ředmětem této bakalářské ráce, bude nárh roeden ro zaojení odle zdroje [9]. Teelné schéma oběhu, četně arametrů je na obr. 9. Srážeč bude konstruoán jako samostatný teelný ýměník rotiroudé konstrukce. Do srážečů se ro zýšení jejich liu řiádí oda, která již rošla šemi stuni regenerace, res. je maximálně ohřátá, množstí 5-0% z celkoého růtoku. Toto množstí je ak řiedeno zět do otrubí edoucímu k arogenerátoru. Nárh bude roeden ro ohříáky VTO3 a NTO3. Následně bude oronán jejich li na účinnost oběhu. Odběry se obykle číslují odle toku áry odzadu, tj. odběr č. je na NT-dílu a odběroá ára má tlak o málo ětší než je kondenzátoru, u odběru č. má ára yšší tlak než u č. atd. 5

24 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Obr. 8 Průběh telot u ohříáku s dodatkoými lochami [8, str. 3] 5.. Teelný ýočet Postu teelného ýočtu zahrnuje následující body: stanoení arametrů áry ze zadání stanoení teelného ýkonu ýočet ohřátí kondenzátu/naájecí ody ýočet středního logaritmického telotního sádu nárh očtu trubek růtočný růřez stanoení středních rychlostí roudění zaedení odobnostních čísel ýočet součinitelů řestuu tela ýočet součinitele rostuu tela celkoá ýhřená locha ýočet délky trubek I. zákon termomechaniky ro kontrolní objem ro elementární změny [0]: dq dh dat gdy wdw (5.) U ýměníku nedochází ke konání ráce, tudíž da t 0. Změnu kinetické energie lze zanedbat - wdw 0, stejně jako změnu otenciální energie - gdy 0. Ronice (5.) tak řejde na tar: Po integraci: dq dh (5.) q h h [ J kg ] (5.3) 0 6

25 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Obr. 9 Schéma oběhu ro ýočet srážeče řehřátí [9] 7

26 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Celkoý teelný ýkon ak je: Q m ( h h ) [ J s ] (5.4) Při izobarickém ději latí: 0 W h c T (5.5) Dosazením (5.5) do (5.4) a ři uažoání c konst dostaneme: Q m c ( T T ) 0 [ ] (5.6) Q - teelný ýkon [W ] W m - hmotnostní růtok [ kg s ] T - telota na stuu do ýměníku [K] T 0 - telota na ýstuu z ýměníku [K] c - měrná teelná kaacita [ J kg K ] Měrná teelná kaacita a ozději další eličiny se určí ro růměrnou telotu média e ýměníku, která se sočítá jako aritmetický růměr telot na stuu a ýstuu. T stř T 0 T [ K] Jednotlié arametry ody/áry byly odečítány zde: [8] (5.7) 5... Zadané hodnoty Ze schématu získáme tyto hodnoty: NTO3 Tab. 4 Parametry ze zadání VTO3 [MPa] 0,304 [MPa] 6,49 [ kg s ] 6,8 [ kg s ] 38,9 m h s t s [ C] 08 t s [ C] 365 [ J kg ] h s [ J kg ] [MPa] 0,5 [MPa] 3,5 [ kg s ] 7,6 [ kg s ] 36 m t s [ C] 9 t s [ C] 75 Srážečem řehřátí se obykle řeouští 5-0% ody a řiáděná řehřátá ára se ochlazuje na 5-30 C nad telotu sytosti. [6] Pro srážeč řehřátí u nízkotlakého ohříáku tedy latí: 3 m NTO sr 0,5 7,6 40,89kg s m m 8

27 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Pro tlak áry odečteme z tabulek telotu sytosti tedy budeme ochlazoat na t NTO 3 ýs t NTO 3 s 33, 53C a hodnotu entalie. Páru 33, C. Nyní s yužitím zorce (5.7) můžeme určit střední telotu áry, ro kterou tabulkách odečteme hodnoty eličin, které ozději yužijeme ři určoání odobnostních čísel. Těmito arametry jsou hustota, měrná teelná kaacita, kinematická azkost a součinitel teelné odiosti. t stř C Hodnoty ro oba srážeče jsou shrnuty tab. 5. NTO3 Tab. 5 Doočtené a odečtené arametry VTO3 [ kg s ] 40,89 [ kg s ] 54,5 m sr h ýs t ýs [ C] 60 t ýs [ C] 300 [ J kg ] h ýs [ J kg ] t stř [ C] 84 t stř [ C] 33,5 3 3 [ kgm ],468 [ kgm ] 6,93 m sr 6 [ m s ] 0,596 0 [ m s ] 6 0,79 0 [ W m K ] 0,0378 [ W m K ] 0,05809 c [ J kg K ] 076,646 c [ J kg K ] 3 48, Ronice teelné ronoáhy Sestaíme ji s yužitím ronic (5.4) a (5.6). Q m ( h h ) m c ( t t ) k S t (5.8) s ýs sr ýs c - měrná teelná kaacita ody ři stálém tlaku [ J kg K ] k - součinitel rostuu tela [ W m K ] S - telosměnná locha [ m ] - střední logaritmický telotní sád [ C] t S Úraou ronice (5.8) získáme ztah ro ýočet ýstuní telotu ody: t ýs m ( h s h ýs ) t m c sr s s S (5.9) Hodnotu měrné teelné kaacity ro střední telotu ody zatím nemůžeme určit. Proto ji odečteme ro stuní telotu ody, sočteme ýstuní telotu ody, yočteme střední telotu ody, určíme ro ni měrnou teelnou kaacitu a sočteme noou ýstuní telotu. 9

28 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 V říadě otřeby budeme celý ostu dále oakoat. Pro srážeč u nízkotlakého ohříáku latí: c 4 6,768[ J kg K 9 C ] t ýsi 6,8 ( ) 9 38, 38C 40,89 46, ,38 t stř 33, 69C c 47,386[ J kg K 33,69C t ýsii 6,8 ( ) 9 38, 36C 40,89 47,386 ] Teloty se od sebe liší ouze rámci setin stuně, další ýočty tedy nebudeme oakoat. Dále budeme u ody e srážeči u NTO3 oužíat měrnou teelnou kaacitu ři 33,69 C. Pro tuto střední telotu ody roněž z tabulek odečteme elikosti hustoty, kinematické iskozity a součinitele teelné odiosti Střední logaritmický telotní sád Pro určení střední hodnoty telotního rozdílu mezi kondenzátem/naajecí odou a tonou arou odél celého ýměníku oužijeme zorec, který má ro rotiroudý ýměník tento tar: t t t ln t t s (5.0) Význam jednotliých členů je atrný z obr. 0. Obr. 0 Význam členů ronici (5.0) 30

29 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Po dosazení ro nízkotlaký ohříák latí: ( t ýs t s ) ( t s t ýs ) (60 9) (08 38,36) t s 47, 47C ( t ýs t s ) 60 9 ln ln ( t t ) 08 38,36 s ýs Výstuní teloty ody, arametry ři střední telotě ody a střední logaritmické telotní rozdíly ro oba srážeče jsou shrnuty tab. 6. t ýs NTO3 Tab. 6 Parametry ody VTO3 [ C] 38,36 t ýs [ C] 305 t stř [ C] 33,69 t stř [ C] 33,5 3 [ kgm ] 93,767 3 [ kgm ] 769,30 [ m s ] 0, [ m s ] 0,688 0 [ W m K ] 0,68378 [ W m K ] 0,606 c [ J kg K ] 4 7,386 c [ J kg K ] 4 98,33 [ C] 47,47 [ C] 39,98 t s Podobnostní čísla Pro odhad součinitelů řestuu tela ři konekci analytickým zůsobem yužíáme ýsledky měření, které byly naměřeny exerimentátory dříe. Výsledky měření byly yjádřeny omocí odobnostních čísel. Vztah mezi odobnostními čísly oté byl yjádřen formou kriteriálních ronic. Volba konkrétní ronice záleží na situaci, ři které dochází k řenosu tela ty roudění, geometrie ýměníku, atd. Budeme otřeboat určit tato odobnostní čísla: Reynoldsoo číslo: [0] Re wl [ ] w rychlost roudění [ m s ] l - charakteristický rozměr [m] t s 6 (5.) - kinematická iskozita [ m s ] Rychlost roudění trubce se yočte z uraené ronice kontinuity: m w [] S (5.) m - růtočná hmotnost jednou trubkou [ kg s ] S t - růtočný růřez [m] 3

30 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 3 hustota [ kg m ] Charakteristickým rozměrem může být délka desky/otrubí nebo růměr otrubí. Pro roudění ně trubek nebo /ně trubek nekruhoého růřezu je charakteristickým rozměrem ekialentní (hydraulický) růměr, který se určí ze ztahu: [] d ek 4 S [ m] (5.3) O O tekutinou smáčený obod [m] Prandtloo číslo: [0] Pr a [ ] (5.4) a součinitel telotní odiosti [ W m ], který je definoán ztahem: [0] a c [ W m ] (5.5) - součinitel teelné odiosti [ W m K ] Nuseltoo číslo: [0] l Nu [] (5.6) - součinitel řestuu tela [ W m K ] Pro ýočet Reynoldsoa čísla otřebujeme znát rychlost roudění. Pro jeho ýočet šak musíme znát růtočný růřez. Ten získáme z očtu trubek, který lyne z jejich usořádání. Volíme šestiúhelníkoé usořádání, jehož schéma je na obr.. Vnitřní růměr trubek si zolíme. Obr. Šestiúhelníkoé usořádání trubek Pro očet trubek jednotliých řadách latí ztah: [] n ti ( i ) 6 [ ] (5.7) 3

31 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 n ti - očet trubek i-té řadě. V rní řadě je ouze jedna trubka. Dále je třeba zít úahu rostor, který zbýá mezi stranou šestiúhelníku stěnou ýměníku. Proto je na každé straně řiočtena jedna řada trubek bez 4 krajních. Celkoý očet trubek se dá yjádřit: [] n r 6 ( nř 5) ( i 6) 6 [ ] n (5.8) tr n r - očet řad trubek [] i Jelikož si nitřní růměr olíme, je nutné nější růměr yočítat. Z teorie silnostěnných nádob je znám ztah: D r r (5.9) D - doolené naětí [MPa], to získáme z (smluní) meze kluzu dělením koeficientem bezečnosti r, - nitřní/nější oloměr [m], - tlak média unitř/ně trubky [MPa] Po úraě dostaneme ro nější růměr trubky: d r r ( D ) [m] (5.0) Budeme uažoat otor trubkonici o růměru d. Potom lze minimální rozteč trubek určit odle ztahu: [] s min d d d s d d d [ m] (5.) Potom lze nitřní růměr láště trubkonice určit ze ztahu: D nr s [ ] (5.) min m Průtočný růřez ro odu určíme odle ztahu: S d n t [ m ] 4 Obdobně určíme růtočný růřez ro áru: S D 4 d nt 4 [ m ] (5.3) (5.4) Výočet očtů trubek ro různé očty řad byl roeden e ýočetním rogramu Matlab. Poté byly tabulkoém rocesoru Excel ro očet řad 0, 0,, 00 roedeny ýočty jednotliých eličin. Poté byla ybrána jedna arianta, která je zde osána. 33

32 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Pro srážeč u nízkotlakého ohříáku bylo ybráno 0 řad trubek o celkoém očtu trubek 3. Vnitřní růměr trubek byl zolen 0 mm. Jako materiál byla zolena ocel 08Ch8N0T (DIN.454). Jedná se o austenitickou ocel ysoce legoanou chrómem, čímž je zajištěna její korozizdornost. Její složení je tab. 7. Velikost smluní meze kluzu záislosti na telotě je tab. 8. [3],[4] Tab. 7 Složení oceli 08Ch8N0T [3] C Si Mn P S Cr Ni Mo Ti 08Ch8N0T 0,08,00,00 0,04 0, x%C Max. 0,7% Tab. 8 Záislost meze kluzu a součinitele teelné odiosti oceli 08Ch8N0T na telotě [4] Telota [ C] R 0, [ MPa] [ W m K ] 6 6,5 7 Nyní můžeme řejít k ýočtu tloušťky stěny. Vzhledem k tomu, že stuní telota áry je >00 C, budeme oužíat hodnotu R 0, 57 MPa. Koeficient bezečnosti olíme. Odtud dosazením do ronice (5.0) dostaneme: 0,005 d r 0, 0005 m olím d 6 0, 0 m. (0,5 0,304) Pro srážeč u ysokotlakého ohříáku bude oužita hodnota R 0, 36 Dosazením do ztahu (5.) získáme minimální rozteč mezi trubkami. s d d 0,0 0,0 0, 04 m min MPa Dosazením do ztahu (5.) dostaneme minimální růměr láště trubkonice: D 0 0,04 0, 56 m Průtočný růřez ro odu určíme ze ztahu (5.3): S 0,0 3 0, m 4 Průtočnou hmotnost jednou trubkou určíme z celkoé růtočné hmotnosti dělením očtem trubek. m t, ,0337 kg s 3 Rychlost roudění trubce určíme ze ztahu (5.): 34

33 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 w t 0,0337 0, 4539 m s 0,0 93,767 4 Reynoldsoo číslo ro odu určíme ze ztahu (5.): w t d 0,4539 0,0 Re 047 jedná se o turbulentní roudění (Re>300) 6 0,730 Prandtloo číslo ro odu určíme ze ztahu (5.4) Pr a c 6 c 0, ,3393,767,9 0, Pro turbulentní roudění trubce latí kriteriální Dittusoa-Boelteroa ronice: 0,8 0,4 Nu 0,03 Re Pr (5.5) Tato ronice latí za těchto odmínek: Re 0000, 0.7 Pr 60, L 0 d Dosazením do (5.5): Nu 0, ,8,9 0,4 7,63 Z Nuseltoa čísla ro odu určíme součinitel řestuu tela ro odu úraou ztahu (5.6) Nu d 7,63 0, ,0 4896,7 Wm Průtočný růřez ro áru určíme ze ztahu (5.4): S 0,56 4 0,0 3 4 Rychlost roudění áry určíme ze ztahu (5.) w m S 0,07078 m 6,8 06,88 m s,468 0,07078 Ekialentní růměr určíme ze ztahu (5.3): 4 S 4 0,07078 dek 0, m O ( D n d ) Reynoldsoo číslo ro áru určíme ze ztahu (5.): t w d ek 06,88 0,00889 Re 90 57, 37 turbulentní roudění 6 0,596 0 Prandtloo číslo ro áru určíme ze ztahu (5.4): Pr c a 6 00, ,646,468 0,979 0,0378 K 35

34 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Pro odélné obtékání trubek ři turbulentním roudění také latí ronice (5.5). Dosazením yočteme Nuseltoo číslo ro áru: Nu 0, ,37 0,8 0,979 0,4 0,5 Z Nuseltoa čísla ro áru určíme součinitel řestuu tela ro áru úraou ztahu (5.6) Nu d ek 0,5 0,0378 0, ,586 Wm Koeficient rostuu tela Koeficient rostuu tela oužijeme ro ýočet délky trubek a určíme je odle ztahu: K Po dosazení: k d d d oc d ln d [ W m K ] [5] (5.6) k 0,0 0,0 0,0 ln 0,0 4896,7 6,5 0,0 774,586 64,07 W m K ] Celkoá locha trubek Celkoou lochu trubek získáme úraou ronice (5.8): Po dosazení: m ( h s h ) Q ýs m ( h h ) k S t S s ýs ct S ct [ m ] (5.7) k t S ct 6,8 ( ) 54,934 m 64,07 47, Délka trubek Délku trubek určíme odle ztahu ro orch láště trubky: S ct Po dosazení: Sct nt d L L (5.8) n d 54,934 L, 835m 3 0,0 t Délku trubek naýšíme o 5% z důodu ředokládaného zanášení během roozu. Délka trubek tedy bude: L, 36m Výsledky ýočtů srážeče jsou ro oba ohříáky shrnuty tab. 9. s 36

35 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Tab. 9 Výsledky teelného ýočtu srážeče NTO3 VTO3 n [] 0 40 r n [] t d [ mm] 0 0 d [ mm] 0 s [ mm] 4 30 min D [ ] 0,56,4 m S [ m ] 0, ,38438 [ kg s ] 0,0337 0,0074 m t w t [ m s ] 0,4539 0,83378 Re [ ] ,87 Pr [ ],9,053 Nu [] 7,63 39,83 [ W m K ] 4896,7 44,395 S [ m ] 0,07078, w [ m s ] 06,88 0,48 d ek [mm] 8,89 0, Re [ ] 90 57, ,8 Pr [ ] 0,979,5 Nu [] 0,5 75, [ W m K ] 774,586 5,95036 [ W m K ] 6 7 oc k [ W m K ] 64,07 0,444 S ct [ m ] 54, ,7399 L [m],36 7,44 37

36 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 5.. Penostní ýočet Pro ýočet tloušťky stěny res. nějšího růměru álcoé části srážeče oět yužijeme ztah (5.0). Poté roedeme kontrolu enosti ři tlakoé zkoušce, kdy hodnotu tlaku zýšíme o 5%. Nejdříe určíme doolené naětí stejným zůsobem, jako ři nárhu trubek. Koeficient bezečnosti onecháme. Pro srážeče u nízkotlakého res. ysokotlakého ohříáku: R 0, 57 0, 36 d 78, 5 MPa res. d 68 MPa Jako tlak dosadíme tlak áry 0, MPa. Dosazením do (5.0): R 0, 304 MPa a za tlak dosadíme atmosférický tlak 0,8 D r 0,565 m ts D D 0, 005m 6 (0,304 0,) ,8 0 Volíme t s 0,0m D 0, 58m. Zkušební tlak: zk,5,5 0,3496 0, 35 MPa Úraou ztahu (5.9) získáme ztah ro kontrolu: Po dosazení: r r D (5.9) r r D zk r r r r 0,350,9 0, 0,9 68 MPa 7, 377 MPa tloušťka stěny yhouje. 0,9 0,8 Elitické dno bude mít stejnou tloušťku stěny jako álcoá část. Pro ýočet ýšky elitického dna yužijeme následující ztah. Tato ýška se uažuje od konce álcoé části o rch elitické části []. H 0,5 D 0,5 0,56 0, 4m Velikost stuních otorů ro média určíme tak, aby růtočný růřez byl stejný jako unitř srážeče. Vstuní otor ro odu: 4 S 4 0, D 0, 35 m 38

37 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Tloušťku stěny oět určíme s yužitím ztahu (5.0): 0,75 D 0,358 m ts D D 0, 008m 6 (0,5 0,) ,8 0 Oět olíme tloušťku ts 0,0m D 0, 37m Vstuní otor ro áru: 4 S 4 0,07078 D 0, 37 m Tloušťka stěny: 0,85 D 0,37 m ts D D 0, 00m 6 (0,304 0,) ,8 0 Oět olíme tloušťku ts 0,0m D 0, 39m Na řienění srážeče u nízkotlakého ohříáku ík oužijeme šrouby M0x očtu 0ks, nejmenší růměr šroubu je d3 8, 773mm. Nyní roedeme kontrolu, jestli šrouby yhoují. Jako ýočtoý tlak oužijeme součet tlaků ody a áry naýšený o 5%. Šrouby budou z materiálu 38ChN3MFA. Hodnoty R 0, ro tuto ocel se mezi telotami 00 C a 350 C ohybují od 650 do 540MPa. [6] Pro ýočty budeme uažoat u srážeče u nízkotlakého ohříáku 60MPa a u srážeče u ysokotlakého ohříáku 580MPa. Koeficient bezečnosti onecháme. Plocha, na kterou ůsobí tlak médií: D S 4 0,56 4 Síla, kterou média yinou: 0,463 m 6 F S,5 (0,304 0,5) 0 0, N Síla na jeden šroub: F F šr 45 N 0 386, Doolené naětí: 60 Dšr 340 MPa Naětí e šroubu: Fšr Fšr 4 386,45 šr 88, MPa S d 8, šr 4 3 Dšr šrouby yhoují. 39

38 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Stejným zůsobem se ostuuje u srážeče u ysokotlakého ohříáku. Výsledky ýočtů ro oba srážeče jsou shrnuty tab. 0. Tab. 0 Výsledky enostního ýočtu srážečů NTO3 VTO3 [MPa] 78,5 68 d D [ ] 0,58,7 m zk [MPa] 0,35 7,4 H [m] 0,4 0,6 D [ ] 0,35 0,7 m D [ ] 0,37 0,78 m D [ ] 0,37 8x0,7 m D [ ] 0,39 8x0,78 m Záit M0x M00x6 Počet šroubů 0 00 S [ m ] 0,463 4,54 F [N] F šr [N] 386, [MPa] Dšr [MPa] 88,37 57 šr 5.3. Hydraulický ýočet Hydraulický ýočet je zaměřen na odhad tlakoých ztrát. Ty rozdělujeme na ztráty místní, zůsobené změnou směru roudění nebo rozšíření kanálu, e kterém kaalina roudí, a na ztráty třením. Tlakoou ztrátu na straně áry nebudeme uažoat Místní ztráty Voda roudící trubkami e íkách srážeče stuuje a ystuuje z trubkonic. Při toku nebo naoak ři ýtoku ody z trubkonic dochází k nárůstu tlakoé ztráty. Příčinou je geometrické usořádání rozmezí trubka trubkonice. Ronice ro ýočet tlakoé ztráty, která je tímto zůsobena, yadá následoně:[7] w [ Pa] (5.30) - součinitel místního odoru, jehož elikost záisí na geometrii stuu do trubky. Hodnoty součinitele ro námi oužitý stu (obr. ) jsou tab.. 40

39 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Tab. Hodnoty ztrátoého součinitele [5] t / d 0 0,004 0,008 0,0 0,06 0,00 0,04 0,030 0,040 0,050 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Obr. Geometrie stuu do trubky Pro srážeč u nízkotlakého ohříáku máme: d d 0 d d 0 mm, t mm t d 0 0, 0,5 D Rychlost řed trubkonicí získáme ze ztahu (5.), kde S [ m ] 4 w iko m S 4 40,89 0, 78 m s 93,767 0,56 Ztrátu stuem do trubek trubkonici získáme o dosazení do (5.30) a ynásobením očtem trubek: tr wíko 0,78 0,5 93, , Pa Ztráta ýstuem z trubek: tr w 0,4539 0,5 93, Pa Třecí ztráty 7,38 Pa 48 Pa Tyto ztráty se týkají roudění dlouhých římých trubkách a latí zde ztah:[7] L w [ Pa] (5.3) d f - součinitel tření [-] Pro ýočet součinitele tření existují různé zůsoby. Jeho elikost záisí na drsnosti orchu trubky. 4

40 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Víme, že námi narhoaném srážeči je trubkách turbulentní roudění. Neíme šak, zda je otrubí hydraulicky hladké nebo drsné. Pro turbulentní rouděné hydraulicky hladkém otrubí latí ro ýočet součinitele tření ztah:[7] 0,364 [ ] (5.3) 4 Re A ro hydraulicky drsné otrubí se dá součinitel tření určit z Prandtloy funkce drsnosti: [7] log R k f (log Re*) k - střední ýška zdrsnění [m] R / k - stueň zdrsnění [-] R - oloměr trubky [m] Re*-Reynoldsoo číslo drsnosti [-] Re* w* w k w* 8 [ ] [ m s (5.33) (5.34) ]-třecí rychlost (5.35) Zatím budeme uažoat hydraulicky hladké otrubí a latnost zorce (5.3). Střední ýšku zdrsnění budeme uažoat 0 3 m. 0,364 4 Re w* w 0,364 0, , , k w* 0,00 0,06 Re* ,730 log Re*,07 0,06 m s R Z diagramu na obr. 3 je atrné, že ronice (5.33) nabýá hodnoty log, 74. k 4

41 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/4 Obr. 3 K Prandtloě funkci drsnosti Úraou ronice (5.33) a dosazením máme: log R k,74 0,005 log,74 0,00 0,056 Pokud bychom ostu oakoali od ýočtu třecí rychlosti, zjistili bychom, že se součinitel tření již nemění. Nyní můžeme řejít k ýočtu tlakoé ztráty yčíslením ztahu (5.3):,36 0, ,056 93, Pa 0,0 Výměník bude roozoán horizontální oloze, zanedbáme ztrátu liem ůsobení hydrostatického tlaku. Celkoá tlakoá ztráta: Pa 3 Výsledky ro srážeče u obou ohříáků shrnuje tab.. Tab. Výsledky hydraulického ýočtu NTO3 VTO3 t / d [ ] 0, 0, [] 0,5 0,5 w iko [ m s ] 0,78 0,0556 [ Pa] [ Pa] log Re*,07,83 [] 0,056 0,056 3 [ Pa] [Pa]

42 Záadočeská unierzita Plzni, Fakulta strojní. Bakalářská ráce, akad. rok 03/ Výočet liu Pro ýočet liu srážeče na teelnou účinnost cyklu zaedeme značení odle obr. 4. Obr. 4 Značení ro ýočet účinnosti Pro srážeč u nízkotlakého dílu z ředchozích ýočtů a ze zadání známe: h 3 40kJ kg 4, 0,5MPa, t C, m 0,304MPa, t m 5 m 4 08C, m 7,6kg s 5 m 6 m, m 7 3 0,5 m 6,8kg s,, Nyní h5 880kJ kg, t6 60C, h6 78,6kJ kg, t7 34C, h7 560kJ kg můžeme ostuně sočítat, jak se zýší telota ody nasazením srážeče řehřátí. Měrné teelné kaacity ro jednotlié teloty zde nebudou zlášť yisoány. Lze je najít zde: [8] K tomuto účelu budeme yužíat ronici (5.9) a uraenou směšoací ronici taru: mic iti t (5.36) m c i i Dosazením do (5.9): t t t 3 4 m 6 ( h7 h8 ) 6,8 (78,6 560) t 96 8, 47C m c 7,6 4,08 m 6 ( h6 h7 ) 6,8 (880 78,6) t 8,47 37, 86C m c 40,89 4,6 ( m 3 ( m 3 m ) c 3 t m ) c 3 m 3 m 3 c c 3 3 t (7,6 40,89) 4,088,47 40,89 4,6 37,86 9,9C (7,6 40,89) 4,08 40,89 4,6 Pro tuto telotu je h 4 546, 6kJ kg. 3 44