Элементы конструктивной схемы теплотехнологического реактора

Введение
Технология — совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, применяемого в процессе производства для получения готовой продукции.
Все технологические процессы, в которых потребляется тепловая энергия, можно разделить по температурному уровню на низкотемпературные (НТП) и высокотемпературные (ВТП). К высокотемпературным теплотехнологическим процессам относятся: технологические процессы в черной и цветной металлургии, такие как доменный процесс, выплавка стали, меди, никеля и других металлов; технологические процессы производства многих строительных материалов, такие как обжиг цементного клинкера, варка стекла, обжиг керамических изделий; технологические процессы химической, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, такие как термический и каталитический крекинг, пиролиз нефтепродуктов, газификация твердых топлив); процессы сжигания твердых и жидких отходов.
.

Высокотемпературные теплотехнологические процессы характеризуются рядом особенностей:
- в отличие от низкотемпературных технологических процессов, в которых чаще всего используется тепловая энергия горячей воды или пара, в высокотемпературных технологиях для организации процесса расходуется топливо или электроэнергия. Поэтому в высокотемпературных технологиях большое внимание уделяется наилучшей организации процесса горения;
- большую роль играют процессы, в которых температура исходных материалов, промежуточных и конечных продуктов, элементов конструкций технологических агрегатов, имеющих большую массу, изменяется во времени. При этом значительная часть теплоты уходит в виде потерь в окружающую среду;
- в ВТП велика физическая теплота уходящего из установок готового продукта, а также шлаковых отходов, которую целесообразно утилизировать;
- значительны потери теплоты с поверхностей ограждающих конструкций технологических аппаратов в окружающую среду за счет конвекции и излучения.

Теплотехнологический реактор (аппарат, рабочее пространство теплотехнологической установки) — одно- или многокамерное устройство, в пределах которого осуществляются все стадии данного теплотехнологического процесса (Рис. 1) Наиболее распространенными теплотехнологическими реакторами для высокотемпературных процессов являются промышленные печи различных назначения и конструкции.
2.Теплотехнологический реактор

:
Рис. 1 - Потребление различных видов топлива в черной металлургии

Общие сведения о теплотехнических установках и их основные проблемы
Рассмотрим основные составляющие теплового баланса теплотехнологического реактора (рис. 2).
Приход'.
физическая теплота поступающих в установку веществ: топлива, окислителя фт, исходного технологического материала QTM физическая теплота нагрева газа, выделяемая при работе двигателей нагнетателей суммарной мощностью ЕЛ^Д;
подводимая для организации процесса тепловая энергия, выделяющаяся в процессе химической реакции горения топлива либо в электротермических установках, тепловой эффект экзотермических реакций, протекающих в технологической зоне, Qэкз?

Расход:
- физическая теплота уходящих из установки твердых веществ: технологического продукта Qrn, шлаковых отходов Qш 0;
- тепловой эффект эндотермических реакций, протекающих в технологической зоне;
- потери теплоты с отходящими газами, в том числе потери теплоты от неполноты сгорания топлива, т.е. от химического и механического недожога;
- потери теплоты в окружающую среду через обмуровку за счет конвекции и излучения Qoc.
.

. Конструкции реакторов, тепловыделяющие сборки и схемы охлаждения активной зоны
Корпусные реакторы.
Важнейшим элементом конструкции реакторов данного типа является массивный цилиндрический корпус достаточно большого диаметра. Внутри него расположены собственно активная зона с топливными сборками, а также ряд опорных и других внутрикорпусных устройств, обеспечивающих нормальное функционирование реакторной установки. Цилиндрическая обечайка корпуса, эллиптические (или полусферические) днище и крышка изготавливаются из высокопрочной радиационно-стойкой стали и имеют значительную толщину стенок. Состав и конструкции активных зон корпусных ВВЭР СКД могут быть сформированы в двух вариантах: один из них для работы реактора на тепловых нейтронах, другой - на быстрых или быстро резонансных нейтронах. Система каналов охлаждения активных зон таких реакторов может иметь несколько (от одного до трех) заходов для основного потока теплоносителя.

Рис. 3 Проект корпусного реактора SCWR мощностью 1600 МВт (эл.) с тепловым спектром нейтронов и однозаходной схемой движения теплоносителя [6] (<а - продольный разрез корпуса реактора, б - поперечное сечение): 1 - активная зона; 2 - водяные элементы; 3 - верхняя опорная плита активной зоны; 4 - холодный патрубок; 5 - верхняя опорная направляющая плита; 6 - направляющие трубы регулирующих стержней; 7 - опорное кольцо корзины активной зоны; 8 - трубы каландра; 9- горячий патрубок; 10- паропровод; 11- верхняя граница активной части топлива; 12 - нижняя граница активной части топлива; 13 - нижняя плита активной зоны; 14 - корзина активной зоны; 15 - топливные сборки; 16 - обечайка корпуса реактора; 17 - опускной канал

Рис. 3 Топливная сборка с водяными элементами реактора SCWR: I - топливный стержень; 2 - водяной элемент; 3 - измерительный канал; 4 - регулирующий стержень.

Рис. 4 Топливный кластер реактора HPLWR с 9-ю сборками твэлов и водяных элементов: 1 - дистанционирующие устройства; 2 - нижний концевик с диффузором и поршневыми кольцами; 3 - нижняя пластина; 4 - опорная пластина; 5 - верхняя головка с диффузором, стопорным и уплотняющим кольцами; 6 - окно; 7 - уплотняющее кольцо; 8- втулка; 9- пружина; 10- регулирующий стержень; 11- входная камера для замедлителя; 12 - вход/выход теплоносителя; 13 - выходная камера для замедлителя; 14 - вход/выход теплоносителя

Рис. 5 Поперечное сечение топливного кластера реактора HPLWR с органами регулирования цепной ядерной реакции: 1 - канал замедлителя; 2 - регулирующие стержни; 3 - амортизатор; 4 - кожух топливной сборки; 5 - водяной зазор; 6 - тепловыделяющий элемент.

Рис. 6 Поперечное сечение активной зоны реактора HPLWR

Рис. 7 Продольный разрез реактора HPLWR: 1 - нижняя камера реактора; 2 - смесительная камера; 3 - корзина активной зоны; 4 - активная зона; 5 - паровая камера; 6 - верхняя камера реактора; 7 - регулирующие стержни; 8 - крышка реактора; 9 - питательная вода; 10- пар к турбине; 11 - опускной канал; 72- обечайка корпуса; 13 – днище

Рис. 9 Двухходовая схема охлаждения ТВС ядерного реактора СКД с быстро резонансным спектром нейтронов: 1 - стержни СУЗ; 2 - крышка реактора; 3 - внутренняя крышка; 4 - корпус; 5 - теплоизоляция; 6 - выходной патрубок; 7 - входной патрубок; 8 - активная зона; 9 - шахта; 10 - ТВС опускного участка; 11- ТВС подъемного участка; 12 - разделительная обечайка

Элементы конструктивной схемы теплотехнологического реактора
В высокотемпературных топливных теплотехнологических установках используется широкий набор источников энергии (теплоты):
-топливо с воздушным окислителем (ТВ);
-топливо с обогащенным кислородом воздухом (ТОВ);
-топливо с технологическим кислородом (ТК);
-продукты горения топлива (ПГ) от смежных огнетехниче-ских установок (ДГ — дымовые газы, т. е. продукты практически полного сжигания топлива; ГГ — продукты неполного сжигания топлива);
-комбинированные источники энергии, к числу которых отно­сятся ТВ и ТК при их совместном использовании; ТВ (ТК) совместно с электроэнергией (ЭЭ); ТВ совместно с ПГ; другие варианты сочетаний источников энергии.

Разновидности сводов теплотехнологических реакторов
А-распорный
Б- распорно-подвесной
В – подвесной

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Направленный прямой режим радиационного теплообмена обеспе-чивается созданием градиента температур по толщине пламени с приближением максимума температур к поверхности металла, т.е. когда плотность излучения газов на поверхность металла больше чем на кладку. Это достигается неравномерным распределением температуры и степени черноты в объёме газа, печи. Если максимум температуры и степени черноты располагается непосредственно у поверхности нагрева, то прямой направленный теплообмен будет выражен наиболее ярко. Изменение температуры и степени черноты по сечению газового слоя является важным средством для увеличения теплоотдачи на поверхность нагрева и облегчения условий службы кладки. Степень развития кладки на теплоотвод влияет меньше чем при равномерно распределённом. Прямой направленный теплообмен создают окислением топлива в факеле.