ČNS představuje své kolektivní členy - ČEZ, a. s.

více zde

Vzpomínka na Ing. Jiřího Suchomela, CSc.

více zde

CYG 1997-2004

více zde

Uzávěr potrubí s tuhnutím pracovní látky

Anotace

Příspěvek je shrnutím obsahu diplomové práce, která se zabývá problematikou nestacionárního vedení tepla s fázovou přeměnou pracovní látky v uzávěru potrubí. Cílem je především odvození rovnic, udávajících vztah mezi posuvem hranice pásma fázové přeměny a časem za daných okrajových a počátečních podmínek, potřebných pro praktický konstrukční návrh uzávěru, tj. především ke stanovení doby potřebné k otevření či uzavření potrubí. Pro vyslovené podmínky řešení jsou výsledné rovnice i jejich okrajové podmínky formulovány v bezrozměrovém tvaru. Diskutováno je srovnání řešení z analyticky odvozených rovnic s odpovídajícím numerickým modelem vytvořeným v systému ANSYS. Součástí práce je navíc praktický konstrukční návrh uzávěru pro malý průměr potrubí a vybranou pracovní látku.

Úvod

V průběhu padesátých a šedesátých let probíhal v Oak Ridge National Laboratory v USA vývoj a experimentální provoz jaderného reaktoru s chladivem a palivem na bázi roztavených fluoridových solí MSRE. Ačkoliv byl projekt MSRE později zastaven, stále se uvažuje s vysokoteplotními reaktory příbuzného typu v projektech Generation IV.
Uzávěr potrubí je problematický prvek v potrubních systémech vysokoteplotních reaktorů s FS. V současné době pravděpodobně neexistuje, a nebo je nadmíru obtížné zkonstruovat mechanický uzávěr, který by splňoval náročné požadavky na těsnost a spolehlivost při teplotách nad 600°C, navíc v prostředí vysoce agresivních fluoridových solí. Uzávěr potrubí, který nemá pohyblivé části a je zcela těsný vůči okolí může být koncipován jedině jako tzv. „zámrzný“ – uzavření se uskuteční řízeným ochlazováním stěny uzávěru, které způsobí změnu fáze z kapalné v tuhou, pokračující až do úplného uzavření průřezu a naopak. Schéma uzávěru při procesu uzavírání je na obr. 1.

Obr. 1: Schéma uzávěru s tuhnutím pracovní látky. Tnekonečno je teplota chladiva, Tw je teplota stěny potrubí, alfa součinitel přestupu tepla na vnějším povrchu

Uzávěr může být s výhodou koncipován i jako pasivní bezpečnostní prvek, který zajistí uzavření nebo otevření příslušné větve potrubního systému díky přirozeným fyzikálním principům.

Teoretická část

Praktický konstrukční návrh uzávěru mimo jiné předpokládá i znalost procesů nestacionárního vedení tepla s fázovou přeměnou proudící látky. Výchozí rovnice vedení tepla pohybující se látky je rovnice Fourierova-Kirchhoffova. Pro dané okrajové podmínky však není analyticky řešitelná a stejně tak nelze řešit ani jednodušší rovnici Fourierovu pro stagnující pracovní látku ve válcovém souřadném systému. Důvodem je skutečnost, že hranice tuhé a roztavené fáze se v čase posouvá. K vyjádření rovnic pohybu pásma fázové přeměny bylo proto použito kvazistacionárního přiblížení s těmito předpoklady:

• teplotní pole v každém časovém okamžiku je popsáno stacionárním průběhem,
• pracovní látka neproudí,
• nejsou uvažovány objemové zdroje vývinu tepla (např. teplo uvolňované rozpadem produktů štěpení v pracovní látce),
• teplotní pole pracovní látky v trubce je osově symetrické,
• teplotní pole a souřadnice pásma fázové přeměny je funkcí pouze času a poloměru, t.j. platí pro potrubí chlazené na dostatečně dlouhém úseku,
• teplota tavení a tuhnutí pracovní látky je totožná,
• termofyzikální vlastnosti pracovní látky jsou nezávislé na teplotě.

Za těchto předpokladů byly odvozeny bezrozměrové rovnice udávající relaci mezi Fourierovým číslem a bezrozměrovou radiální souřadnicí pohybu pásma fázové přeměny pro okrajové podmínky prvního, druhého a třetího druhu na povrchu potrubí.
Protože se jedná o přibližné analytické vyjádření, vzniká určitá neshoda mezi takto získanými výsledky výpočtů souřadnice pásma fázové přeměny a odpovídajícím (přesnějším) modelem numerickým. Dá se ukázat, že přesnost odvozených vztahů závisí především na velikosti Biotova čísla. Srovnání vypočtených časů úplného ztuhnutí či roztavení pracovní látky pomocí modelu v systému ANSYS a výsledků výpočtů z odvozených vztahů dává relativní rozdíl menší než 2%, jestliže platí Bi<0,01, čili nejsou-li významné rozdíly teploty v ose a povrchu potrubí. Prakticky to velmi přibližně odpovídá odvádění tepla při volné konvekci vzduchu, je-li pracovní látkou fluoridová sůl s nízkou tepelnou vodivostí, nebo ochlazování potrubí se sodíkem při nucené konvekci vzduchu. Čas ochlazování nebo ohřevu bez fázové přeměny se vypočte pomocí rovnice nestacionárního vedení tepla ve válci, nebo pomocí tzv. kapacitní metody.

Konstrukční návrh uzávěru

Výhodou tohoto uzávěru je možnost koncipovat jej jako pasivní bezpečnostní prvek. Z této myšlenky vychází i konstrukční návrh nakreslený na Obr. 2. Ochlazování povrchu potrubí s pracovní látkou 1 je realizováno podélnou nucenou nebo přirozenou konvekcí vzduchu. Ohřev naopak zajišťují dvě elektrická topná tělesa. Uzávěr je složen ze dvou svisle orientovaných, symetrických samostatných polovin (komor), které mají společnou dělící rovinu. Obě komory tak vytváří prostor pro pohyb vzduchu a dále nesou a přitlačují topná elektrická tělesa k povrchu potrubí. Vzduch A dodávaný ventilátorem proudí vstupním hrdlem 6 do prostoru mezi vnějším a vnitřním pláštěm.Ve spodní části uzávěru se tok vzduchu obrací a přechází do prstencového kanálu tvořeného stěnou trubky s pracovní látkou 1 a stěnou vnitřního kruhového pláště 3, stoupá vzhůru, odvádí teplo z povrchu stěny nucenou konvekcí a odchází volně ven. Aby byla zajištěna volná konvekce vzduchu, je vytvořen mezikruhový prostor pro vstup okolního vzduchu v proudu B ve spodní přírubě uzávěru. Levá i pravá komora je odnímatelná a každá polovina nese jedno topné těleso. Obě poloviny uzávěru jsou k potrubí pouze sevřeny. Souosost chladicí komory a potrubí je zajištěna distančními přepážkami, poz. 4. Jak vidno, žádný konstrukční prvek uzávěru není k potrubí nijak pevně vázán. Tím jsou umožněny zejména délkové teplotní dilatace potrubí i vnější konstrukce, aniž by docházelo k přídavnému mechanickému namáhání. Další významnou pozitivní vlastností této konstrukce je možnost snadné montáže a výměny bez jakéhokoliv zásahu do potrubí, čili bez nutnosti vyprázdnění obsahu smyčky s pracovní látkou. Tato vlastnost významně usnadňuje manipulaci, zvláště jedná-li se o uzávěr začleněný v primárním okruhu.

Obr. 2: Konstrukční návrh uzávěru potrubí s tuhnutím pracovní látky 1-potrubí s pracovní látkou, 2-vnější plášť, 3-vnitřní plášť, 4-distanční přepážka, 5-výztužná žebra, 6-hrdlo vstupu chladicího vzduchu, 7-tepelná izolační podložka, 8-topná tělesa, A-ventilátorový vzduch, B-proud okolního vzduchu, C-výstup ohřátého vzduchu.

Závěr

Autorem analyticky odvozené přibližné kvazistacionární výpočtové vztahy ke stanovení doby potřebné k otevření či uzavření jsou užitečné ve výpočtu v prvním přiblížení. Dávají velmi dobré výsledky v případech pracovních látek s vysokou tepelnou vodivostí (sodík), tj. pro podmínku Bi<0,01. Pro vyšší hodnoty Biotových čísel, což je případ ochlazování či ohřevu fluoridových solí, vychází podle kvazistacionárního modelu potřebný čas k uzavření či otevření kratší až o 50%. Poněvadž nejsou k dispozici jiné jednoduché ani složitější analytické rovnice, může být i takový výpočet užitečný pokud je respektována zmíněná nepřesnost. Stejně tak neexistují exaktní analytická řešení pro proudící pracovní látku a prostorový charakter teplotního pole s probíhající fázovou přeměnou. Využití numerických výpočtových modelů pro simulaci chování konkrétního konstrukčního řešení, při vyšetřování chování uzávěru v provozních i mimoprovozních stavech a současné ověřování vybraného konstrukčního návrhu na experimentálním stendu je proto nezbytné.
Samostatnou problematikou je systém měření teplot povrchu uzávěru tak, aby bylo možné sledovat stav otevření či uzavření průtočného průřezu.
Objemové změny ztuhlé pracovní látky při vysokém tempu ochlazování nebo ohřevu budou způsobovat určité mechanické pnutí ve stěně potrubí. Z tohoto důvodu je nutné posoudit i možné stavy z hlediska integrity uzávěru a potrubí.
Předložený konstrukční návrh není jediný možný. Úpravou tvaru trubky zmáčknutím, nebo vytvořením prstencového kanálu se mohou výrazně zlepšit podmínky pro přenos tepla v pracovní látce, což zřejmě povede na kratší časy tuhnutí či tavení při zachování stejných parametrů chladicího média, ale sledované teplotní pole získá výraznější prostorový charakter a nelze již využít přibližných analytických bezrozměrových rovnic.

Literatura

[1] Šen, H.: Uzávěr potrubí s tuhnutím pracovní látky – diplomová práce, VUT Brno, FSI, 2004-11-18
[2] Siefken, L., J., Harvego, E., A.: Transient Analysis Needs for Generation IV Reactor Concepts, INEEL, 2001

Ing. Hugo Šen, VUT Brno, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav, Odbor energetického inženýrství
(vítězná diplomová práce oceněná výborem ČNS)

4. Mikulášské setkání sekce mladých při ČNS

více zde

Reaktorová fyzika při ČNS

více zde

Výběr zahraničních zpráv

3. blok JE Kalininská připojen k síti

Nový 3. blok jaderné elektrárny Kalininská (VVER 1000) byl poprvé připojen k elektrické síti v závěru minulého roku (16.12.04). Slavnostního uvedení do zkušebního provozu se zúčastnil i prezident Vladimír Putin, který této příležitosti využil a uspořádal zde mimořádné zasedání Státní dumy. Mezi jinými tématy zde bylo řečeno, že Rusko do r. 2010 postaví dva nové jaderné bloky a na 10 starších stávajících jaderných blocích provede rekonstrukci a prodloužení jejich životnosti. Dále zde byla probírána řada otázek jako zajištění jaderné a radiační bezpečnosti, mezinárodní spolupráce v jádře a další využití odstavených jaderných reaktorů z ruského vojenského námořnictva. P. Putin zde vyjádřil jednoznačnou podporu ruskému jadernému průmyslu a novým jaderným technologiím s tím, že tento průmysl bude hrát rozhodující roli v budoucí poptávce po energiích a Rusko bude upevňovat v této oblasti své světové postavení.

Ruské palivo pro JE Busher a nová jaderná elektrárna v Iránu

Rusko se připravuje podepsat koncem ledna 2005 dohodu o dodávce jaderného paliva pro JE Busher, která je t.č. budována s ruskou pomocí. Dohoda zahrnuje i část, která počítá s návratem použitého paliva zpět do Ruska. Podpis smlouvy bude společně s dalšími dohodami o pokračující jaderné spolupráci uskutečněn u příležitosti chystané návštěvy předsedy Ruské federální atomové agentury (Rosatom) p. Rumjanceva v Teheránu. Tyto záležitosti jsou již dohodnuty na úrovni pracovních komisí o ekonomické spolupráci, jakož i výstavba další nové jaderné elektrárny v Iránu.

Modernizace JE Loviisa

JE Loviisa zahajuje v lednu 2005 modernizaci svých řídících a automatizačních systémů. Finská energetická společnost Fortum, které Loviisa patří, financuje modernizaci této JE jejíž první fáze právě začíná a má být dokončena v několika fázích v r. 2014. Dodavatelem obnovy SkŘ je Framatome ANP a Siemens a tato bude stát v první fázi více než 50 mil. EUR.

Vyřazení 1. bloku JE Ignalina z provozu

Litevská jaderná elektrárna Ignalina vyřadila natrvalo z provozu svůj 1. reaktorový blok (RBMK 1500) k termínu 31. prosince 2004. První blok této elektrárny byl uveden do provozu v r. 1983 a byl následován druhým v r. 1987. Jedná se o bloky RBMK s největší výkonem na světě – původně 1380 MWe, který však byl později po rekonstrukci snížen na 1185 MWe. Oba bloky dodávaly do litevské energetické sítě cca 80% elektřiny. Odstavení 1. bloku JE Ignalinská bylo dohodnuto již před několika lety jako podmínka pro vstup Litvy do EU a dle této dohody 2. blok čeká stejný osud v r. 2009. EU poskytla Litvě počáteční finanční kompenzaci ve výši 315 mil. EUR na vyřazování JE z provozu a dalších 1052 mil.EUR má vyplatit postupně do r. 2013.

Tsunami a jaderné elektrárny

Živelná pohroma v jihovýchodní Asii (zemětřesení a vlny tsunami) zasáhla také pobřežní oblasti Kalpakkam a JE Madras v Indii. Ztráty na životech se týkaly i 5 zaměstnanců Státního úřadu pro atomovou energii Indie (Department of Atomic Energy) v jejich domovech. Jaderná elektrárna Madras však byla bezpečně odstavena a nedošlo k žádnému úniku radioaktivních látek do ŽP. Na lokalitě jsou dva reaktorové bloky v provozu a staví se další blok prototyp rychlého množivého reaktoru (fast breeder). Staveniště bylo z části zatopeno, 2. blok JE Madras (PWR, 155 MWe) byl řízeně odstaven jakmile se zvýšila hladina v sání chladící vody z moře. 1. blok JE Madras je v dlouhodobé odstávce na celkovou rekonstrukci zařízení již od srpna 2003. Hladina vody nedosáhla úrovně HVB, ale zatopila pouze část budovy centrální čerpací stanice, bez podstatného vlivu na bezpečný chod elektrárny. Systémy chlazení zůstaly všechny provozuschopné a událost byla kvalifikována jako INES 0. Jakmile pominulo nebezpečí vln tsunami, tak po provedené inspekci byl 2. blok dne 2.1.2005 opět uveden do provozu. Podobná situace je na staveništi nové JE Kudankulan (2x 1000 MWe) nedaleko města Kanyakumari, kde hladina vod zůstala hodně pod úrovní elektrárny a nezpůsobila žádné poškození. Jaderný dozor Indie NPCIL vydal prohlášení, že jaderná zařízení v Indii jsou pod podrobnou kontrolou a jaderná i radiační bezpečnost je zajištěna.

Polská vláda schválila výstavbu jaderné elektrárny

Polská vláda na svém zasedání 4. ledna 2005 schválila návrh státní energetické politiky na období do r. 2025 a v této souvislosti schválila principiálně výstavbu nové jaderné elektrárny v Polsku s uvedením do provozu v letech 2021-2022. Vláda okamžitě zahájila k tomuto tématu veřejnou diskusi. Pro Polsko je to změna orientace na jadernou energetiku. Důvodem pro toto rozhodnutí je nutná diversifikace primárních energetických zdrojů (omezené zásoby uhlí, limitující infrastruktura zemního plynu, bezpečnostní důvody) a hlavně snížení emisí skleníkových plynů do ovzduší. Jsou to zejména environmentální důvody, které vedou Polsko k této změně politiky. Bez jaderné energetiky nemůže země dostát svým závazkům na snížení emisí. Ministři se dohodli, že i pokud začne proces přípravy výstavby okamžitě, tak to bude trvat nejméně příštích 17 let, což je doba potřebná na povzbuzení investičního zájmu zahrnujícího přípravu politických dokumentů, legislativu, veřejnou kampaň, technologickou přípravu a lidské zdroje. Polská vláda se opírá i o řadu dalších studií a prognóz vč. národního výboru organizace World Energy Council, studií IAEA a Finenergy, která analyzuje potřebu dalších cca 60 000 až 70 000 MW instalovaného výkonu v několika zemích v tomto regionu, vč. Polska během příštích 10 let.

Zdroj: Výběr zahraničních zpráv, Zbyněk Grunda

NUSIM 2005 - first announcement

více zde

WIN GLOBAL 2005

4. - 8. dubna 2005
Český Krumlov
Hotel Růže

Předběžný program:

4. dubna
Registrace, Board and Executive Committee Meeting
5. dubna
Výroční zasedání WIN Global, prezentace jednotlivých zemí (Country Reports)
6. dubna
Odborná konference (sekce: Komunikace, Nakládání s odpady, Radiační ochrana, zdraví a životní prostředí)
7. dubna
Technická exkurze, výběr z následujících možností:
1) JE Temelín
2) Úložiště Richard u Litoměřic
3) Léčebné lázně Jáchymov
8. dubna
Exkurze Praha, možnost návštěvy infocentra SÚRAO

ICONE 13

více zde

Co vyšlo na web stránkách ČNS od vydání posledního čísla Zpravodaje

Zpravodaj ČNS 1/2005, vydán 21.1.2005
Sídlo ČNS: V Holešovičkách 2, 180 00 Praha 8, cns@troja.fjfi.cvut.cz, www.csvts.cz/cns
Prezident: Václav Hanus, tel.: 385 782 143, hanusv1.ete@mail.cez.cz
Sekretariát: František Mantlík, ÚJV Řež, 250 68 Řež, tel/fax 266 172 342, mantlik@nri.cz
Povolení MK ČR E 11041 ze dne 8.1.2001