Пристрій посилення тепловідведення з води для атомних станцій

1. Пристрій тепловідведення з води водосховища - охолоджувача для атомних станцій, що має теплопровідні елементи до розвинених охолоджуючих поверхонь, який відрізняється тим, що теплопровідні елементи виконані у формі повнотілих оребрених циліндрів або брусків прямокутної форми з графітованої гуми. 2. Пристрій тепловідведення з води водосховища охолоджувача для атомних станцій за п. 1, який відрізняється тим, що на теплопровідних елементах, що знаходяться над водою, розташовано охолоджуючий пристрій, поверхню U 2 (19) 1 3 а також у результаті випарування частини води з поверхні водосховища, якщо повітря, що рухається над водосховищем, не насичене водяними парами [1]. Практика застосування водосховища охолоджувача з підвідним та відвідним каналами, що експлуатуються, характеризуються значними обмеженнями безперервного охолодження води та підтримки значної її маси у визначеному температурному режимі якомога менше плюс 33°С. Практика експлуатації атомних станцій ставить актуальне питання щодо посилення охолодження води, для надійного забезпечення безперервної експлуатації станції в умовах нормальної експлуатації у теплий період року. Проектне допустима температура технічної води на вході у обстройку реакторного відділення знаходиться в межах від плюс 5 до плюс 33°С. Перебування у цих умовах не передбачає припинення роботи атомної станції, проте запасів води з визначеними параметрами не завжди вистачає, що призводить, враховуючи досвід роботи, до планового зупинення роботи енергоблоків або зменшення їх потужності. Це як правило пов'язане з великими перебоями у видачі електроенергії, нерівномірному вигоранню ядерного палива, що вкрай технологічно не бажано, і перервами у роботи усіх збалансованих систем та механізмів у цілому. Загальний тепловий баланс водосховища охолоджувача [1] характеризується рівнянням: QC+QВип+QP+QК+QВ=0, (1) де, QC, Qвип, QP, QК, QВ ГДж/діб, означають алгебраїчні величини: QС - притік тепла до води від повітря безпосереднім контактом; QВип охолодження води через випаровування; QР - тепло сонячної радіації; QK - тепло що відводиться з нагрітою у конденсаторах турбін водою; QВ - тепло що відводиться з водосховища з проточною водою; З аналізу рівняння (1) видно, що основними чинниками що впливають на охолодження води є: QВип - охолодження води через випаровування та QВ - тепло що відводиться з водосховища з проточною водою. Проектна система охолодження води дозволяє у певних межах забезпечувати тепловий баланс, проте ці можливості вкрай обмежені. Якщо основні чинники охолодження води у жаркий період року не забезпечують гарантованого охолодження води нижче допустимих показників, менше плюс 33°С, то це призводить до необхідності, як визначалося вище, зменшувати експлуатаційні показники, а у ряді випадків, при недостачі визначеної кількості охолодженої води і до зупинки реакторів. До цього слід добавити, що за останні 20 років з 1986 по 2005 роки на території України відслідковується позитивна тенденція щодо глобального потепління [3]. З характеристик високих температурних параметрів України [4], наведених на схемах 1-2 29247 4 видно, що ця проблема для атомних станцій країни є актуальною, так як значну частину теплого періоду року, температура 25°С і вище становить від 35 до 90 днів або від 200 до 650 годин на рік, що становить від 10 до 25% року, з ймовірністю 94-98%, тобто відбувається кожного року, у місцях розташування атомних станцій на території держави. Відомо, що тепло переходить від більш нагрітого середовища до менш нагрітого. Процес передачі теплоти від нагрітого середовища до холодного, через теплопровідний елемент має назву теплопередача. Від зовнішнього нагрітого водяного середовища з одного боку, до омиваючого теплопровідний елемент з другого боку більш холодного середовища, тепло передається теплообміном (теплопередачею) теплопровідного елементу [5]. Цей процес тим ефективніший чим більша різниця температур. Розрахунки технічних результатів ефективності корисної моделі приведені нижче. При обладнанні водосховища - охолоджувача, теплопровідними елементами відведення теплового потоку розраховується рівнянням: l графітогум а qграфітогум а = ( Т1 - T0 ), (2) d графітогум а де: qграфітогум а щільність відведення теплового потоку з водосховища -охолоджувача, обладнаного теплопровідними елементами з графітованої гуми, Вт/м2; l графітогум а - теплопровідність теплопровідних елементами з графітованої гуми, 60Вт/(м·С) [6]; d графітогум а довжина теплопровідного елементу з графітованої гуми, м; Т1 - температура води у водосховищу охолоджувачу, °С; Т0 - температура на кінці охолоджуючих пристрій теплопровідних елементів з графітованої гуми, С. У верхньому шарі водосховища охолоджувача, на глибину до 5 метрів, вода має однакові температурні показники. Теплопровідні елементи з графітованої гуми, що знаходяться безпосередньо у воді, упродовж всієї довжини, прогріваються до температури води, в якій вони знаходяться. Тепловідведення по теплопровідному елементу проходить по відрізку від умовної границі контакту води з повітрям, до більш холодного кінця теплопровідного елементу. На теплопровідному елементі, що знаходиться над водою, назовні розташовано або вмонтовано охолоджуючі пристрій. Цими пристроями можуть бути шари шерстяної матерії; морозильні камери та устрої з рідким азотом. Пристрої з шарами шерстяної матерії, типу войлока, мають товщиною до 1,5см, до яких по жолобках або трубках зверху, для змочування підводиться вода, яка розходиться по середовищу шерстяної матерії. За рахунок активно розвиненої структури матеріалу, підведена вода інтенсивно випаровується з зовнішньої поверхні. При цьому відбувається активний тепло- і масообмін води з 5 29247 повітрям та охолодження шару шерстяної матерії, яка у такий спосіб відводить тепло від теплопровідного елементу. Цей процес можливо суттєво посилити за рахунок направленої дії повітряних потоків, за допомогою розташованих над теплопровідними елементами вентиляторів. Вентилятори за рахунок інтенсивного прогону повітря будуть активно зменшувати вологість та суттєво впливати на безпосередній процес охолодження елементів. Для змочування шару шерстяної матерії на теплопровідних елементах доцільно застосовувати воду що може подаватись: безпосередньо з водосховища, при цьому охолодження буде здійснюватися за рахунок інтенсивного випаровування, за рахунок чого можливо досягти зменшення температур, відповідно [7] на 10 і більше градусів °С та з артезіанських свердловин, температурою близькою 11,0°С. Пристрої з морозильними камерами становлять собою морозильні камери змонтовані зверху теплопровідних елементів, що можуть їх охолоджувати до температури мінус 20,0°С. Пристрої з рідким азотом становлять собою ємності цієї речовини змонтовані зверху теплопровідних елементів, що можуть їх охолоджувати до температури мінус 190,0°С. Охолоджуючі пристрої мають застосовуватись: устрої з шарами шерстяної матерії, типу войлока постійно у теплу пору року, при температурі повітря 25°С і вище; устрої з морозильними камерами, додатково до устроїв з шарами шерстяної матерії - у жаркий період року, при підвищенні температури повітря до небезпечного рівня 30°С і вище [9], особливо у найбільш жаркий період доби; устрої з рідким азотом додатково до двох попередніх - у жаркий період року, при підвищенні температури повітря до особливо небезпечного рівня 35°С, та при екстремально високих температурах [9]. У районі витоку підігрітої води з відвідного каналу до водосховища - охолоджувача вона має температуру близько 38,0°С. Щільність відведення теплового потоку з, теплопровідними елементами, при різних умовах їх охолодження розрахована по рівнянню (2), наведено у зведеній таблиці. Умови охолодження Вода водосховища охолоджувача Вода водосховища охолоджувача понижена інтенсивним випаровування при застосуванні вентиляторів Вода артезіанських свердловин Морозильні камери Устрої з рідким азотом Параметри Т0, °С 35 25 11 -20 -190 6 З аналізу наведених у зведеній таблиці показників відслідковується закономірність того, що при більш низьких показниках охолоджуючих пристрій, та меншій відстані від них до рівнів тепловідведення теплопровідних елементах, цей процес проходе значно інтенсивніше. Приведені у таблиці розрахунки підтверджують реальність можливості практичного застосування корисної моделі, та доцільність її впровадження. З таблиці видно закономірність можливості зменшення температури у водосховищу охолоджувачу АЕС, за рахунок розташування на його поверхні необхідної кількості теплопровідних елементів, що будуть мати форму повнотілих циліндрів або брусків прямокутної форми. Циліндри або брусків повинні мати активну зовнішню поверхню за рахунок наприклад їх оребрення. Між цими елементами знаходиться простір для продування вітром, чи у разі незначної його швидкості, направленими потоками повітря за допомогою вентиляторів. Природне випаровування буде проходити у місцях між теплопровідними елементами, що суттєво не вплине на екологічний стан довкілля таводосховища - охолоджувача у цілому. Це підтверджує доцільність та ефективність корисної моделі, так як при цьому буде проходити додаткове інтенсивне охолодження води у водосховищу -охолоджувачу, підвищиться можливість водосховища - охолоджувача стосовно вирівнювання температури у сторону її зменшення та буде суттєво покращено умови надійної нормальної експлуатації АЕС. Слід також врахувати, що при збільшенні температури хоча і не суттєво але збільшується теплопровідність теплопровідних елементів графітованої гуми. У технічну основу корисної моделі, що заявляється, поставлена задача збільшення тепловідведення з води у водосховищу охолоджувачу шляхом впровадження розташованих на його поверхні достатньої кількості теплопровідних елементів з графітованої гуми, обладнаних розташованими або вмонтованими охолоджуючими пристроями. Пристрій тепловідведення з води водосховища - охолоджувача для атомних станцій, що має теплопровідні елементи до розвинених Таблиця охолоджуючих поверхонь, який, згідно з корисною моделлю, має теплопровідні елементи виконані у формі повнотілих оребренних циліндрів Щільність відведення теплового потоку, Вт/м2 Довжина або брусків прямокутної форми з графітованої гуми. теплопровідного елементу, м Пристрій тепловідведення з 3 води 0,25 0,5 1 2 водосховища - охолоджувача для атомних станцій, 720 90 60 крім 360 того, на 180 теплопровідних елементах, що знаходяться над водою має охолоджуючий пристрій, поверхню якого виконано з шарів 3120 1560 780 390 260 шерстяної матерії, з можливістю охолодження за рахунок інтенсивного випаровування води, яка для цього підводиться зовні по жолобках або трубках. 6480 3240 1620 810 540 Пристрій тепловідведення з води водосховища - охолоджувача для атомних станцій, 13920 6960 3480 1740 1160 на других теплопровідних елементах, що 54720 27360 13680 6840 4560 знаходяться над водою, має вмонтовані охолоджуючі пристрої з морозильними камерами, 7 які виконані з можливістю охолодження до температури мінус 20,0°С, при підвищенні температури повітря до небезпечного рівня 30°С і вище. Пристрій тепловідведення з води водосховища - охолоджувача для атомних станцій, на інших теплопровідних елементах, що знаходяться над водою, має розташовані охолоджуючі пристрої з рідким азотом, які виконані з можливістю охолодження до температури мінус 190,0°С у жаркий період року, при підвищенні температури повітря до особливо небезпечного рівня 35°С, та при екстремально високих температурах. Доцільність впровадження пристрою тепловідведення з води водосховища охолоджувача для атомних станцій також поясняється Фіг.5 та 6 з [8, 4]. Поставлена задача вирішується тим, що здійснюється передача відведеного від води водосховища охолоджувача тепла до розташованих зовні теплопровідних елементів, обладнаних розташованими або вмонтованими охолоджуючими пристроями. Цими пристроями можуть бути шари шерстяної матерії; морозильні камери та пристрої з рідким азотом. При цьому буде проходити додаткове інтенсивне охолодження води у водосховищу - охолоджувачу, підвищиться можливість водосховища охолоджувача стосовно вирівнювання температури у сторону її зменшення та буде суттєво покращено умови надійної нормальної експлуатації АЕС. Новим у корисній моделі, що заявляється, є те, що проводиться цілеспрямоване відведення тепла від води водосховища - охолоджувача до розташованих зовні теплопровідних елементів, обладнаних розташованими або вмонтованими охолоджуючими пристроями, які розсіюють або відводять це тепло зовні. Оснащення водосховища - охолоджувача теплопровідними елементами, обладнаними шарами шерстяної матерії забезпечить надійне відведення тепла від води водосховища охолоджувача, підвищиться можливість водосховища охолоджувача стосовно вирівнювання температури у сторону її зменшення та надасть можливість підвищити умови нормальної експлуатації АЕС за рахунок зменшення температурного впливу на водосховище - охолоджувач у теплий період року. Дослідження авторів та проведені обчислення доводять, що за рахунок використання у водосховищу охолоджувачу пристрою тепловідведення, суттєво підвищиться надійне її відведення від води, що покращить умови нормальної експлуатації АЕС за рахунок зменшення температурного впливу на водосховище - охолоджувач, та істотно зменшить ризик відключення енергоблоків у теплий період року. Пристрій тепловідведення з води водосховища - охолоджувача для атомних станцій, схематично представлений на Фіг.1 - фрагмент водосховища - охолоджувача з районами на воді 29247 8 де розташовані теплопровідні елементи; Фіг.2 теплопровідний елемент, обладнаний шарами шерстяної матерії, Фіг.3 - теплопровідний елемент, обладнаний морозильною камерою та Фіг.4 теплопровідний елемент, обладнаний пристроєм з рідким азотом, Фіг.5 - Середнє число з днів температурою повітря 25°С та вище. Рік; Фіг.6 Середня тривалість (год) температури повітря 25°С і вище. Рік, де 1 - водосховище охолоджувач, 2 - райони теплопровідних елементів, 3 - вентилятори, 4 - електромагістраль та трубопровід подачі холодної води, 5 - відвідний канал, 6 - теплопровідний елемент, обладнаний шарами шерстяної матері, 7 - мережа підведення води до теплопровідних елементів, по жолобках або трубках, 8 - шари шерстяної матерії, якими обладнані теплопровідні елементи, 9 - морозильна камера, 10 - морозильні елементи, 11 - пристрій з рідким азотом. Таким чином, запропонований пристрій тепловідведення з води водосховища охолоджувача для атомних станцій забезпечить можливість надійного відведення тепла від води водосховища - охолоджувача до достатніх технічних умов, підвищиться можливість водосховища охолоджувача стосовно вирівнювання температури у сторону її зменшення та надасть можливість підвищити умови нормальної експлуатації АЕС за рахунок зменшення температурного впливу на водосховище - охолоджувач в теплий період року. Джерела інформації які були прийняті до уваги: 1. Тепловые электрические станции / Рыжкин В.Я - М.: "ЭНЕРГИЯ", 1976. - 447с. 2. СНиП 2.04.02-84 Строительные нормы и правила. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. - М.: Стройиздат., 1985. - 130с. 3. Стихійні метеорологічні явища на території України за останнє двадцятиріччя (1986-2005) / Ліпінський В.М, Осадчий B.I, Бабіченко В.М. - Київ. Ніка-Центр., 2006p. - 312с. 4. Клімат України. Під ред. В.М. Ліпіньского і др. - Київ, 2003. - 417с. 5. Теплопередача / Исаченко В.П. Осипова В.А Сукомел А.С. Энергоиздат - Москва, 1981 - 417с. 6. Теплотехнический справочник. Том 2. / Под общей ред. Юренева В.Н. и Лебедева П.Д. - М.: ЭНЕРГИЯ., 1976. - 897с. 7. Сборник задач и вопросов по физике. П.А. Знаменский. - М.: Учпедгиз., 1962. - 191с. 8. Температура воздуха на Украине. Под ред. канд. геогр. наук В.Н. Бабиченко. Украинский региональный НИГМИ. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1987г. - 398с. 9. Стихийные метеорологические явления на Украине и в Молдавии. Климатическое пособие. Под ред. канд. геогр. наук В.Н. Бабиченко. УкрНИГМИ. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1991 г. 224с. 9 29247 10