Способы получения низких температур

Ряд процессов химической технологии проводят при температурах, значительно более низких, чем температура окружающей среды.

Если температура тела выше температуры окружающей среды, такое тело, как было сказано выше, считается теплым или нагретым, самопроизвольное снижение его температуры до температуры окружающей среды представляет собой процесс естественного охлаждения. Снижение температуры тела ниже температуры окружающей среды возможно за счет искусственного охлаждения.

Охлаждение тел можно осуществлять двумя способами:

- с помощью других тел, имеющих более низкую температуру и воспринимающих тепло при изменении его агрегатного состояния;

- с помощью специальных охлаждающих устройств, называемых холодильными установками.

Установки искусственного охлаждения в зависимости от уровня создаваемых температур делят на две группы:

холодильные установки (уровень температур выше –160 ºС, температуры кипения метана при атмосферном давлении), которые предназначены для охлаждения и поддержания при низкой температуре различных объектов и технических систем;

криогенные установки с уровнем температур ниже –160 ºС, которые предназначены для охлаждения и поддержания низких температур в различных объектах и технических системах, а также разделения газовых смесей (воздуха, природного газа и др.) и cжижения газов (кислорода, азота, водорода, гелия, метана и др.).

________________________________________________________________________________

Теплоносители в ядерных реакторах

В тепловых реакторах наиболее распространены следующие теплоносители: обычная и тяжёлая вода, водяной пар, газы, органические жидкости. В быстрых реакторах в качестве теплоносителя используются жидкие металлы и газы.

Вода. Вода, очевидно, является наиболее известным из теплоотводящих материалов, особенно в области электроэнергетики. Вода представляет интерес в качестве охладителя для ядерных реакторов. Она дешева. Ядерные свойства воды удовлетворительны как в отношении сечения поглощения нейтронов, так и в отношении искусственной радиоактивности. Особенно важным является то обстоятельство, что вода в реакторах некоторых конструкций может служить одновременно замедлителем и охладителем.

Плотность воды практически не зависит от давления, но при повышении температуры от 523 К до 573 К, плотность уменьшается на 11.9%. В то время как повышение давления от 0.1 до 10 мПа, плотность увеличивается всего на 0.5%, удельная теплоемкость =33,61 Дж/моль·К (газ) и 4600 Дж/моль·К (жид), плотность =1000,0 кг/м³.

Однако вода как охладитель имеет ряд серьезных недостатков. Относительно низкая точка кипения является важным недостатком воды при использовании ее в энергетических реакторах. Тепловой КПД системы съема тепла, выделяющегося в реакторе, непосредственно зависит от температуры охладителя. В энергетических реакторах неизбежно повышение температуры охладителя выше точки кипения воды при атмосферном давлении. Это потребует увеличения давления в системе охлаждения с вытекающими отсюда проблемами. Независимо от усложнений механического характера, возникающих в системах, охлаждаемых водой под давлением, коррозионная активность воды при таких условиях становится особенно угрожающей. Материалы конструкции таких систем должны отвечать требованиям высокой коррозионной устойчивости наряду со способностью выдерживать напряжения, возникающие при высоких давлениях.

Из-за активного коррозионного взаимодействия воды со многими конструкционными материалами отдельные узлы реактора и трубопроводы необходимо выполнять из нержавеющей стали или специальных сплавов.

Возможно самым не благоприятным свойством воды, является высокое давление насыщенных паров. К примеру давление паров при 372.6 К равна 0.098 мПа, но при 647.1 К уже 22.11 мПа

Тяжёлая вода (D2O). Критическая температура=644,05 К; Критическое давление=21,86 МПа; Плотность=1104 кг/м³; Температура кипения=101,43° С; Температура плавления=3,813° С; Молярная изобарная теплоемкость=84,3 Дж/моль·К, и 34,4 Дж/моль·К (газ)

Газы

Водород. Самый приемлемый из газов, представляет интерес с точки зрения требований теплопередачи и небольшой затраты энергии на его перекачку, а также в отношении малого сечения поглощения нейтронов. Однако опасность взрывов в связи с возможной утечкой водорода из закрытой системы очень велика. В дополнение к этому содержание водорода при повышенных температурах и давлении является трудной проблемой и требует применения для баллонов и трубопроводов специальных материалов, не подверженных «водородной» хрупкости.

Температура плавления =-259,19° С, температура кипения =-252,77° С, Критическая температура =33,24 К, Критическое давление =1,297 МПа, Плотность p =89,88Ч 10-3 кг/м³, p=70,8 кг/м³ (при t=-252,8° C), p =76,0 кг/м³ (при t=-262° C); Молярная теплоемкость=20,784 Дж/моль·К (атом).

Метан. Требует меньших затрат на прокачку чем водород, но из-за сильной диссоциации уже при 770 К используется исключительно в низкотемпературных установках.

Критическая плотность=160 кг/м³; Критическая температура=190,6 К; Критический объем=100 10^-6 м³/моль; Критическое давление=4,63 МПа; Плотность=466 кг/м3 (при t=-164° С); Температура кипения=-164° С; Температура плавления=-182,48° С; Удельная теплоёмкость=35,71 Дж/моль·К

Гелий. Не менее интересен с точки зрения теплопередачи, чем водород, благоприятная характеристика — низкое сечение поглощения нейтронов и химическая инертность — делают заманчивым его использование в качестве охладителя. Поэтому возможность применения гелия как охладителя серьезно исследовалась. Однако высокая стоимость гелия является существенным недостатком, вследствие чего, а также в связи с проблемами герметизации системы высокого давления гелий в качестве рабочего охладителя реактора не использовался. С другой стороны, возможность использования гелия должна учитываться в будущем в усовершенствованных конструкциях, особенно в газотурбинных энергосистемах с замкнутым циклом.

Плотность 0,17847 кг/м, точка кипения T = 4,215 K (для 4He), теплоёмкость 1 кДж/моль·К. При нормальном давлении жидкий гелий не удается превратить в твердое вещество даже при температурах, близких к абсолютному нулю (0К). При давлении около 3,76 МПа температура плавления гелия 2,0К

Двуокись углерода. Это объясняется успешной работой энергетических реакторов типа реактора «Колдер-холл», построенных в Великобритании. Хотя в реакторе этого типа имеются недостатки в системах теплопередачи, но невысокие затраты энергии на перекачку охладителя, низкое сечение поглощения нейтронов охладителем, надежность, малая стоимость и химическая совместимость двуокиси углерода с компонентами активной зоны перевешивают эти недостатки.

Критическая плотность=468 кг/м³; Критическая температура=304,15 К; Критическое давление=7,387 МПа; Плотность=0,001977 кг/м³; Удельная теплоемкость=37,11 Дж/моль·К.

Азот. Плотность=1,2506 кг/м3, p=808 кг/м3 (при t=-195,8° С); Температура кипения=-210,012° С; Критическая температура=126,25 К; Критическое давление=3,999 МПа; Молярная изобарная теплоемкость=29,12 Дж/моль·К.

В случае газового охлаждения реактора затраты энергии на перекачку теплоносителя достигают величины около 20% выработанной энергии, в то время как для воды эта величина составляет 5-6%. За счет значительных затрат на перекачку теплоносителя полный КПД установки остается все же низким, несмотря на то, что тепловой КПД установки может быть высоким.

Для улучшения теплопередающих свойств газов и уменьшения затрат на перекачку, а в конечном счете для получения большей полезной мощности от реакторов газовый теплоноситель обычно используют под давлением в несколько десятков атмосфер. Применение повышенных давлений требует создания надежной герметичности циркуляционного контура, что является весьма сложной конструктивной задачей. В настоящее время давление газового теплоносителя в энергетических ядерных установках еще невелико и обычно не превышает нескольких десятков атмосфер. Однако совершенно очевидна тенденция к дальнейшему увеличению давления теплоносителя.

На ранней стадии разработок реакторов часто рассматривалась возможность использования воздуха в качестве охладителя для реактора. В действительности воздух использовался первоначально в Стэгфилдском реакторе, а позднее в Брукхейвенском исследовательском реакторе. Однако по мере увеличения мощности реактора низкий коэффициент передачи тепла воздухом приобрел важное значение. Стало ясно, что в энергетических реакторах энергия, поглощаемая при перекачке воздуха через систему охлаждения, будет составлять значительную часть общей производимой энергии. Дополнительный недостаток воздуха как охладителя заключается в возникновении химической реакции при повышенных температурах между кислородом и азотом, с одной стороны, и компонентами в активной зоне и конструкции реактора — с другой. Следовательно, использование воздуха в качестве охладителя ограничивается исследовательскими реакторами с малой мощностью, отнесенной к единице объема, где неэффективность применения воздуха в качестве охладителя возмещается простотой системы. Искусственная радиоактивность воздуха является результатом образования аргона и относительно несущественна, так что воздух может быть выпущен через высокую дымовую трубу.

Жидкие металлические охладители

Висмут и свинец обладают малыми сечениями поглощения нейтронов, можно применить материалы с еще более низкой температурой плавления, получаемые при сплавлении этих обоих металлов. Эвтектический сплав Pb—Bi содержит 44,5% свинца и 54,5% висмута и плавится при 125° С. Подобное же снижение точки плавления может быть достигнуто сплавлением между собою натрия и калия с образованием сплавов, содержащих от 45 до 85% калия. Эти сплавы имеют точки плавления от +10 до -12° С. Благодаря относительно большому поперечному сечению калия концентрацию сплавов NaK для реакторов обычно выбирают в области, более богатой натрием.

Благоприятная характеристика висмута при использовании его в качестве охладителя заставляет рассмотреть его. Кроме эффектов коррозии, которые в случае применения висмута не являются серьезными, наиболее важным недостатком висмута и его сплавов как охладителей являются изменения, происходящие в висмуте под действием радиации. Bi209, из которого состоит весь природный висмут, подвергается реакции (п, у) при облучении его нейтронами, причем образуется Bi210 (радий Е).

Все эти проблемы могут быть разрешены на практике. Висмут и эвтектический сплав свинца и висмута могут найти применение в реакторах, работающих при таких температурах, когда преимущества, даваемые высокой температурой кипения охладителя, оправдывают затраты на предохранительные мероприятия при обращении с облученным висмутом. Тот факт, что висмут расширяется при затвердевании, создает дополнительную трудность, которая должна учитываться при конструировании системы циркуляции теплоносителя при использовании висмута. В рассматриваемой системе должны быть приняты меры предосторожности, чтобы охладитель никогда не смог бы затвердевать. Затвердевание охладителя и связанный с этим эффект расширения висмута могут привести к разрушению теплообменника и ряда других элементов конструкции реактора.

Химические свойства натрия хорошо известны, особенно высокая скорость, с которой он реагирует с воздухом и с водой. Естественно, что эти свойства усиливаются при повышении температуры. Поэтому в натриевой системе охлаждения должна быть предусмотрена «оболочка» из инертных газов, а также приняты меры против возможного контакта натрия с водой. Последнее требование связано, как указывалось, с конструкцией теплообменника. Обычное решение этой проблемы привело к использованию промежуточного слоя жидкости, как, например, ртути между натрием и водой. Необходимость изолирования воды в свою очередь выдвигает проблемы охлаждения ряда других элементов конструкции реактора (регулирующих стержней и экранов), например, с помощью органических веществ.

Высокая химическая активность натрия требует герметизации системы охлаждения. К сожалению, свойства натрия усложняют техническое решение этой задачи. По-видимому, вследствие сочетания низкой вязкости, небольшого удельного веса, малого поверхностного натяжения и характеристик смачивания различных твердых тел жидким натрием, последний может просачиваться через исключительно малые отверстия. В системах, которые считаются герметичными при комнатной температуре, может обнаруживаться утечка натрия при повышенной температуре. Натрий может просачиваться через поверхности раздела между зернами аустенита и включениями карбидов в нержавеющей стали. Перечисленные обстоятельства требуют особого внимания при конструировании любой системы, в которой должен содержаться жидкий натрий при повышенной температуре.

Некоторое внимание в отношении возможности использования в качестве охладителя уделялось олову, главным образом благодаря его необычайно высокой температуре кипения, равной 2270°С. Это свойство олова может быть использовано только в реакторах, работающих при очень высокой температуре в активной зоне. Однако исследования в области изучения применения олова как охладителя были весьма ограниченными.

Требование небольшого объема теплоносителя определяет малую величину проходных сечений технологических каналов в активной зоне. В этих условиях для организации интенсивного отвода тепла необходимо допускать большие повышения температуры при значительной скорости потока теплоносителя. В современных реакторах с жидкометаллическим охлаждением температура теплоносителя при его прохождении через реактор повышается на 100-120оС. Так как жидкие металлы имеют малую величину давления насыщенных паров, то максимальное давление в системе с жидкометаллическим теплоносителем определяется только потерей напора в контуре, которое обычно не превышает 7-8 ат. Низкое давление существенно упрощает конструкцию и эксплуатацию, как самого реактора, так и вспомогательного оборудования станции. Высокая температура кипения жидких металлов обеспечивает большую надежность в работе реактора.

Реакторную установку с жидкометаллическим теплоносителем существенно усложняют дополнительные устройства, необходимые по эксплуатационным условиям. Такими дополнительными устройствами являются: установка для плавления твердого металла и передавливания расплавленного металла в теплообменный контур; устройство для удаления окислов металла из циркуляционного контура; ловушки для паров жидкого металла; устройство для прогрева контура.

Высокая теплопроводность металлических жидкостей приводит к тому, что в стенках труб контура по их радиусу возникают значительные температурные перепады. При колебаниях температуры теплоносителя (имеющих место при неустойчивой работе реактора и в период разогрева или охлаждения) возможно появление резких изменений температурных напряжений в металле (тепловые удары), что приводит к уменьшению прочности конструкционных материалов. По этой причине ответственные детали оборудования должны рассчитываться на сопротивляемость тепловым ударам.

При турбулентном течении жидкостей в трубах передача тепла осуществляется как за счет турбулентного перемешивания потока, так и путём молекулярной теплопроводности теплоносителя. Жидкометаллические теплоносители обладают лучшей по сравнению с другими теплоносителями молекулярной теплопроводностью. Это определяет большую долю тепла, переносимого за счёт теплопроводности, и обеспечивает лучшие теплопередающие свойства жидких металлов, что в основном и определяет их широкое использование в качестве теплоносителей.