книги / Теплотехника (курс общей теплотехники)

Тепловой цикл атомной электрической станции может осуществ­ ляться с применением пара или газа. Принципиально возможно частич­ ное непосредственное превращение ядерной энергии в электрическую. В настоящее время наиболее распространены установки с паровым цик­ лом.

На рис. 36-2 показана принципиальная тепловая схема Белоярской атомной электрической станции СССР. Мощность первой очереди этой атомной электрической станции, вырабатываемая турбогенератором ВК-Ю0-90, составляет 100 Мег. Реакторы на станции работают на мед­ ленных нейтронах с графитовым замедлителем. Они являются дальней­ шим развитием реакторов, установленных на первой отечественной атом­ ной станции. Тепловыделяющие элементы у этих станций однотипны, но длина их на рассматриваемой станции составляет 6 м вместо 1,7 м на

первой из них.

Реактор и турбина включены в общую тепловую схему с двумя кон­ турами движения теплоносителя. Оба контура в качестве теплоносите­ ля используют воду. В первом контуре принято давление 15 Мн/м2. Ки­ пение воды в этом контуре происходит в испарительных каналах 3 реактора /, из которых паро-водяная смесь направляется в сепаратор б, где пар отделяется от воды. Пар из сепаратора 6 поступает в испари­ тель 7, где за счет тепла его конденсации вырабатывается пар второго контура. Конденсат пара первого контура из испарителя 7 направляет­ ся в подогреватель-испаритель 5А. В этот подогреватель поступает и конденсат первого контура, отделенный из паро-водяной смеси в се­ параторе 6. Из подогревателя 5А конденсат первого контура поступает

вподогреватель 5Б, где охлаждается примерно до 300°С и далее на­ сосом 4 подается в испарительные каналы 3 и цикл первого контура по­ вторяется. Вторичный пар, полученный в испарителе 7, направляется

вперегревательные каналы 2 реактора, после которых поступает в нор­ мальную турбину ВК-100-90 при давлении 9 Мн/м2 и температуре пере­

грева 500°С.

Питательная вода после нагревания в регенеративных подогрева­

телях турбины до 215°С направляется в подогреватель 5Б>в котором нагревается до температуры сухого насыщенного пара при давлении 11 Мн/м2 и переходит в подогреватель-испаритель 5А. В нем вода час­ тично испаряется и парр-водяная смесь при паросодержании около 20% направляется в испаритель 7, где и испаряется полностью, после чего

цикл повторяется.

В СССР сооружается значительное число АЭС с реакторами, рабо­ тающими на медленных нейтронах.

Заканчивается строительство в г. Шевченко АЭС с реактором, работающим на быстрых нейтронах. Этаустановкаэлектрической мощ­ ностью 150 Мег предназначается для выработки электроэнергии, опрес­ нения 120000 м3 в сутки морской воды и снабжения потребителей теп­ лом. Поскольку максимумы потребностей в электрической энергии, прес­ ной воде и тепле не совпадают по времени года, работа реактора при такой равной по виду нагрузке будет более или менее равномерной и экономичной, учитывая, что опресненную воду можно будет накапли­ вать в запасных емкостях.

Принят к осуществлению проект АЭС мощностью 600 Мет с реак­ тором-размножителем БН-600 на быстрых нейтронах, который сможет обеспечить темп роста энергетических мощностей на 12—15% в год без подпитки реакторов обогащенным ураном.

На основании имеющихся за последние годы результатов эксплуа­ тации действующих атомных электростанций и научно-исследователь­ ских работ можно полагать, что в недалеком будущем АЭС окажутся

467

экономичнее обычных элекростанций, даже в районах с относительно недорогим органическим топливом, и поэтому АЭС получат еще более широкое распространение. В перспективе можно ожидать более широ­ кого и многоцелевого использования ядерного топлива для комплексно­ го энерготехнологического использования, например в энергометаллур­ гических и химических комбинатах с применением у-излучения в спе­ циальных радиационно-химических реакторах.

В девятом пятилетии в СССР будут введены в действие атомные электростанции общей мощностью б—б Гвт с установкой мощных реак­ торов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Ры ж кин В. Я. Тепловые электрические станции. Изд-во «Энергия», 1967.

Глава 37

УСТАНОВКИ ПО ПРЯМОМУ ПРЕВРАЩЕНИЮ ТЕПЛА

ВЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Внастоящее время проводятся интенсивные исследования устройств, предназначенных для прямого превращения тепла в электрическую энергию без применения движущихся механических деталей и частей. Использование таких устройств совместно со стационарными электри­ ческими станциями может значительно повысить их общий к. п.д.

Исследуемые методы для прямого превращения тепла в электричес­

кую энергию основаны на различных принципах, в большинстве давно известных.

МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ (МГД ГЕНЕРАТОРЫ)

К настоящему, времени более других разработан метод магнитогид­ родинамического превращения тепла в электрическую энергию, который может быть использован в крупной стационарной энергетике.

В принципе этот метод основан на известном явлении, заключаю­ щемся в том, что при пересечении проводником магнитных силовых ли­ ний в нем наводится электродвижущая сила. Сильно ионизированный газ при достаточно большой электропроводности его и высокой темпе­ ратуре обладает таким же свойством, которое и используется в магни­ тогидродинамическом (МГД) методе превращения тепла в электричес­

кую энергию.

В качестве рабочего тела в рассматриваемом случае могут быть использованы, например, продукты сгорания топлива. Однако, посколь­ ку они и при высоких температурах не обладают достаточной электри­ ческой проводимостью, ее приходится увеличивать или, другими сло­ вами, повышать степень ионизации газов присадкой к ним небольшого количества (~1%) щелочных металлов (калия, цезия и др.). Наилуч­ шие результаты можно получить при применении плазмы, являющейся нейтральной смесью ионов, электронов и нейтральных частиц (квазинейтральной средой) при очень высоких температурах.

На рис. 37-1 показана принципиальная схема.МГД-генератора. Топ­ ливо— горючий газ (но может быть применено и любое другое), подает­

468

тоящий из экономайзерно-испарительной поверхности нагрева 8 и паро­ перегревателя 7; далее охлажденные продукты сгорания удаляются в

атмосферу через дымовую трубу 9.

Перегретый пар после котельного агрегата 7—8 направляется в нор­ мальную паровую турбину 13, после расширения в которой поступает в охлаждаемый водой конденсатор 14. Конденсат из конденсатора 14 насосом 15 снова закачивается в котельный агрегат. Турбина 13 приво­ дит в действие компрессор //, служащий для сжатия до необходимого давления обогащенного воздуха, и электрический генератор 16 пере­ менного тока, работающий параллельно с преобразователем 10, и сум­ марная электрическая энергия, вырабатываемая МГД-генератором и нормальным электрическим генератором, направляется к ее потреби­ телям.

Эффективность МГД-генератора зависит от интенсивности магнит­ ного поля, создаваемого электромагнитом. Стоимость электромагнита высока и он расходует большое количество электрической энергии.

Присутствие в горячих продуктах сгорания топлива активных при­ садок (цезия) вызывает коррозию электродов и обмуровки газоходов. В связи с этим проводятся широкие исследования по изысканию корро­ зионностойких материалов для МГД-генераторов.

Можно ожидать, что совместная установка МГД-генератора и нор­ мальной теплоэнергетической установки повысит суммарный коэффи­ циент использования тепла топлива минимум на 10%.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

В качестве устройства для прямого превращения тепла в электри­ ческую энергию применяют термоэлектрические генераторы, действие которых основано на принципе работы обычных термопар. Однако та­ кие устройства получаются громоздкими и к.п.д. их не превышает 1%.

Использование в этих преобразователях полупроводниковых термопар позволяет повысить их к. п.д. до 8%.

К. п.д. термоэлемента определяется температурами горячего и хо­ лодного спаев и свойствами материалов, из которых выполнен термо­ элемент — их термоэлектродвижущей силой на 1 град, теплопроводно­ стью и удельным электрическим сопротивлением. На величину к. п.д. термоэлемента оказывает также влияние отношение величины его внут­ реннего омического сопротивления к сопротивлению присоединенной внешней нагрузки.

Академик А. Ф. Иоффе предложил следующую формулу для опре­

где

—, IIград

Тг— температура горячего спая; Тг— температура холодного спая;

470

а—термоэлектродвижущая сила, возникающая при разности темпе­ ратуры спаев в 1град\

К—теплопроводность; г — внутреннее электрическое сопротивление термоэлемента.

Первый множитель в формуле (37-1) выражает термический к. п.д. обратимого теплового двигателя, второй показывает уменьшение этого к. п. д. в результате необратимых потерь в термоэлементе, вызываемых джоулевым теплом и теплопроводностью проводников.

Полупроводники характеризуются более высоким значением а, чем

металлы, и значениями отношения — , входящего в формулу для опреКг

деления оптимального к. п.д., благоприятствующими его повышению. Температура плавления некоторых из полупроводников достаточно вы­ сока и допускает поэтому применение повышенных температур горяче­ го спая, что также способствует повышению к. п.д. термоэлементов.

ТЕРМОЭМИССИОННЫЕ МЕТОДЫПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛА В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮЭНЕРГИЮ

Схема простейшего термоэмиссионного устройства показана на рис. 37-2. Преобразователь состоит из двух электродов: К— катода, на­ греваемого от постороннего источника тепла до Т{ж 1400°К, и А — ано­ да, от которого отводится тепло холодному источнику при температуре 7*2«700°К. При Т\^>Т2 электроны при высокой температуре катода на­ чинают эмиссировать в межэлектродное пространство по направлению к аноду. Количество энергии выхода при эмиссии их с катода больше выделяемой при оседании электронов на холодном аноде. Эту раз­ ницу в энергии используют во внешней цепи и тем самым превращают тепло в электричество. Межэлектродное пространство играет в устрой­

электродном пространстве не слишком высоко, то в этом объеме возни­ кает объемная ионизация, сопровождающаяся свечением плазмы и уве­ личением силы тока.

Весьма благоприятные результаты приносит комбинирование тер­ моэмиссионного устройства с ядерными реакторами.

В Советском Союзе впервые в мире создана термоэмиссионная ус­ тановка с ядерным реактором мощностью в несколько киловатт.

471

ПРИЛОЖЕНИЕ I ПЕРЕСЧЕТ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ИЗ ОДНИХ СИСТЕМЕДИНИЦ

ВДРУГИЕ

473

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

СРЕДНИЕ МАССОВЫЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ГАЗОВ ПРИ ПОСТОЯННОМДАВЛЕНИИ сРт, кдж/(кг-град)

474

ПРИЛОЖЕНИЕ 8

СРЕДНИЕ МАССОВЫЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ГАЗОВ ПРИ ПОСТОЯННОМОБЪЕМЕ с»т, кдж!(кг-град)

475

476