Теплотехническое обеспечение обитаемости

Министерство сельского хозяйства РФ

федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н.Прянишникова»

 

А.Т. Манташов

 

ТЕПЛОТЕХНИКА

 

 

Часть II

Теплотехническое обеспечение обитаемости

Объектов сельскохозяйственного назначения

У ч е б н о е п о с о б и е

 

 

Пермь 2011

УДК 631.371 (075.8)

ББК 40.7

М.23

 

 

Рецензент:

Доктор технических наук, профессор Пермской государственной сельскохозяйственной академии имени академика Д.Н.Прянишникова А.Д. Галкин

 

Манташов А.Т.

М 23 Теплотехника. Часть II.Теплотехническое обеспечение объектов сельскохозяйственного назначения; Учебное пособие. – Пермь: Изд-во ПГCХА, 2011 – 116 с.

В настоящем учебном пособии изложена часть 1I дисциплины “Теплотехника”, утвержденной Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования, в качестве обязательной при подготовке дипломированного специалиста 660300 Агроинжинерии. В часть 1I дисциплины включены разделы “Источники и преобразователи энергии объектов обитания”, «Теплоснабжение сельскохозяйственных сооружений» и “Вентиляция и кондиционирование обитаемых объектов”.

Учебное пособие предназначено для студентов очного и заочного обучения по специальностям: 110 301 – “Механизация сельского хозяйства”, 280 101 – “Безопасность жизнедеятельности в техносфере”,. 110 304 – “Технология обслуживания и ремонта машин в АПК” и 190603 – “Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (в автомобильном транспорте)”.

 

Печатается по решению методической комиссии инженерного факультета ПГСХА (протокол № 7 от «15» июня 2011 года)

 

 

УДК 631.371 (075.8)

ББК 40.7

© «ФГБОУ ВПО. Пермская ГСХА»

О г л а в л е н и е Предисловие ……………………………………………………………….   Раздел 1. Источники и преобразователи энергии объектов обитания ….   Глава 1.Обитаемость сельскохозяйственных сооружений ……………..   1.1. Понятие обитаемости …………………………………………………   1.2. Теплотехнические требования к условиям обитаемости ……………   Глава 2. Источники энергии ………………………………………………   2.1. Невозобновляемые источники энергии …………………………….   2.1.1. Энергия химических топлив ………………………………………..   2.1.2. Ядерная энергия ……………………………………………………..   2.2. Возобновляемые источники энергии ………………………………..   2.2.1. Солнечная энергия …………………………………………………….   2.2.2. Энергия движения воздуха в атмосфере …………………………..   2.2.3. Энергия движения в реках и морях …………………………………..   Глава 3. Основы горения и воспламенения топлив ………………………   3.1. Кинетика процессов горения …………………………………………   3.2. Воспламенение топлив ………………………………………………..   3.2.1. Тепловое воспламенение ……………………………………………   3.2.2. Цепное воспламенение ………………………………………………   3.3. Горение гомогенных топлив ………………………………………….   3.4. Горение гетерогенных топлив ………………………………………..   3.4.1. Горение жидкого горючего в среде газообразного окислителя ….   3.4.2. Горение твердого горючего в среде газообразного окислителя ….   3.5. Понятие о детонационном горении …………………………………..   Глава 4. Преобразователи энергии химических топлив …………………   4.1. Виды преобразователей энергии и их характеристики ……………..   4.2. Котельные установки …………………………………………………   4.2.1. Котельный агрегат …………………………………………………..   4.2.2. Системы подачи горючего и окислителя ………………………….   4.2.3. Система водоснабжения котельной установки ……………………   4.2.4. Система удаления продуктов сгорания топлив ……………………   4.3. Паровые и водогрейные котлы ……………………………………….   4.3.1. Паровые котлы ………………………………………………………   4.3.2. Водогрейные котлы …………………………………………………   4.4. Воздухонагреватели ……………………………………………………….   4.4.1. Воздухонагреватели на химических топливах ……………………   4.4.2. Водяные и электрические воздухонагреватели ……………………     Раздел II. Теплоснабжение сельскохозяйственных сооружений ………..   Глава 5. Тепловые сети и тепловые пункты ………………………………   5.1. Тепловые сети …………………………………………………………   5.3. Тепловые пункты ………………………………………………………   Глава 6. Отопление и горячее водоснабжение …………………………   6.1. Системы отопления …………………………………………………..   6.1.1. Общие сведения о системах отопления ……………………………   6.1.2. Потребная тепловая мощность систем отопления ………………..   6.1.3. Системы водяного отопления ……………………………….   6.2. Общие сведения о горячем водоснабжении …………………………   Раздел III. Вентиляция и кондиционирование обитаемых объектов ……   Глава 7. Вентиляция ……………………………………………………….   7.1. Назначение и виды систем вентиляции ……………………………..   7.2. Вентиляторы и их характеристики ……………………………………   7.3. Расчет систем вентиляции ……………………………………………   7.3.1. Определение подачи вентилятора ………………………………….   7.3.2. Определение потребного давления на выходе из вентилятора …….   7.4. Подбор вентиляторов …………………………………………………   Глава 8. Кондиционирование ……………………………………………..   8.1. Назначение и виды систем кондиционирования ……………………   8.2. Процессы обработки воздуха в кондиционерах …………………….   8.2.1. Очистка воздуха ……………………………………………………..   8.2.2. Тепловлажностная обработка воздуха ……………………………   8.2.3. Процессы ионизации и озонирования ……………………………..   8.3. Кондиционеры ………………………………………………………..   Библиографический список ……………………………………………….   Приложение …………………………………………………………………

 

Предисловие

 

Учебное пособие включает материал по второй части дисциплины “Теплотехника”, соответствующей ее программе по специальности 660300 Агроинжинерии. По содержанию пособие полезно и для специалистов других отраслей.

В первом разделе введен новый термин «о б и т а е м о с т ь» и показаны связи теплотехники с обеспечением жизнедеятельности организмов в объектах сельскохозяйственного назначения. По - иному трактуется понятие

«т о п л и в о», позволяющее более достоверно определить энергетические характеристики продуктов сгорания. Несколько подробнее, по сравнению с имеющейся по данной специальности учебной литературой, изложен вопрос о воспламенении и горении топлив.

Второй и третий разделы посвящены рассмотрению прикладных вопросов теплотехники в системах отопления, вентиляции и кондиционирования объектов обитания.

В приложении приведены данные справочного характера, позволяющие решать конкретные теплотехнические задачи.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность

А.Д. Галкину за ценные пожелания, высказанные при рецензировании пособия.

Замечания читателей, направленные на совершенствование учебного пособия, будут приняты автором с признательностью.

Автор

 

Раздел 1

Источники и преобразователи энергии

Объектов обитания

Глава 1

Обитаемость сельскохозяйственных сооружений

Понятие обитаемости

К объектам сельскохозяйственного назначения см. относят: жилые, коммунально - бытовые, производственные помещения; сооружения для содержания скота и птицы; теплицы; зерно – и овощехранилища; кабины транспортных средств; фургоны для перевозки продуктов сельскохозяйственного производства и др. В этих объектах необходимо поддерживать оптимальные условия для производственной деятельности и отдыха людей; наивысшей продуктивности животных и растений; сохранности продуктов питания и сырья.

Совокупность условий, обеспечивающих жизнедеятельность человека

и жизнеспособность других организмов, именуют о б и т а е м о с т ь ю.

Обитаемость объекта зависит от множества факторов, которые возможно сгруппировать в природные, физические, технические и психобиологические.

К природным факторам относят: географическое место объекта, время года, часть суток, метериологические условия, наличие различных катаклизмов.

Физические факторы включают: состав воздуха, его температурно - влажностный режим, освещенность объекта, вибрацию, воздействие акустических и электромагнитных полей.

Технические факторы: это форма и размер сооружения, система отопления и вентиляции, санитарно-гигиеническое обеспечение, скорость перемещения воздуха, интерьер, информационное обеспечение.

К психобиологическим факторам относят: режим труда и отдыха, индивидуальную совместимость, наличие грызунов и различных микроорганизмов.

Из перечисленных факторов в сферу компетенции теплотехники входят немногие, но немаловажные для жизнедеятельности человека и других живых организмов. К ним относят: состав и скорость перемещения воздуха внутри объекта, температурно-влажностный режим в нем.

В закрытых сооружениях состав воздуха подвержен существенным изменениям. Так в процессе жизнедеятельности человека, животных, птиц, растений, овощей выделяются углекислый газ, аммиак, сероводород; при проведении различного рода работ в воздух могут попадать соединения хлора, фтора, азота; в негерметичные помещения могут подсасываться продуты сгорания различных веществ, пары различных жидкостей, пыль.

Температура воздуха в помещении определяется условиями тепломассопереноса в пространстве. В процессе изменения температуры участвуют нагревательные приборы, ограждения сооружений, солнечная радиация, технологические процессы, все живые организмы, окислительно - восстановительные реакции отходов животноводства и птицеводства и т.д.

Содержание влаги в воздухе зависит не только от метеорологических условий. Значительное количество водяных паров выделяют в процессе жизнедеятельности человек, животные, птицы, продукты сельскохозяйственного производства. Много влаги выделяется при запаривание кормов, в мойках, кухнях, душевых и т.п.

Внутри помещения всегда можно обнаружить различной интенсивности потоки движущегося воздуха. Их причиной являются искусственно созданные напоры, либо естественная конвекция, возникающая при изменении температуры по высоте помещения.

В медицине рассматривают четыре уровня нормативов к обитаемости сооружений: оптимальный, рабочий, предельно допустимый и критический (предельно переносимый). Эти уровни подробно проанализированы в

Так, оптимальный уровень оказывает наиболее благоприятное воздействие на его организм человека, создает условия для максимальной производительности труда. Рабочий (допустимый) уровень хотя и вызывает некоторое напряжение организма, но не приводит к нарушению здоровья и заметному снижению работоспособности. Предельно допустимый уровень возможен в тех случаях, когда предполагается эпизодическое пребывание человека в неблагоприятных условиях и характер работы допускает временное снижение уровня работоспособности. Критический уровень допускается только в аварийных ситуациях, когда нормальная трудовая деятельность заменяется необходимостью спасения человека.

1.2. Теплотехнические требования к условиям обитаемости

Максимальные производительность труда человека, продуктивность животных и птицы, урожайность овощей и фруктов в теплицах, сохранность

продуктов сельскохозяйственного производства на складах и хранилищах определяются незначительным диапазоном величин, характеризующих состав воздуха, его температуру, относительную влажность и скоростью движения. Этот диапазон величин для каждого живого организма различен.

Требования к составу воздуха обусловлены физиологическими особенностями орга­низма человека. Живой организм может нормально функционировать только при условии, что его ткани и органы получают строго определенное, завися­щее от нагрузки, количество кислорода. Для обеспечения нормальной жиз­недеятельности человека требуется не менее 0,23 л кислорода в минуту. Дос­тавка кислорода тканям осуществляется главным образом через легкие в процессе дыхания и частично через поверхность кожи.

В процессе дыхания кислород связывается с гемоглобином крови и разносится по всему организму. Достигая клетки, кислород освобождается от гемоглобина и в результате сложных химических реакций превращается в углекислый газ, который затем удаляется из организма, транспортируясь к легким тем же гемоглобином. Таким образом, человек поглощает из воздуха кислород и выделяет углекислый газ.

В процессе дыхания человек поглощает только незначительную часть содержащегося во вдыхаемом воздухе кислорода (около 20%). Так, если вдыхаемый человеком воздух содержит 21 % кислорода, 0,04 % углекислого газа

и различное количество водяного пара, то выдыхаемый воздух включает 15,3…18 % кислорода, 2,5…5 % углекислого газа, насыщенный водяной пар и имеет температуру 35…37 °С. Процесс ды­хания сопровождается образованием в организме человека теп­лоты в количестве 19,7…21,2 кДж на литр кис-

лорода, перешедшего в угле­кислый газ.

Химический состав сухого атмосферного воздуха представлен в табл. 1. 1. Содержание углеки­слого газа в помещениях, где находятся люди, может быть более значительным. Накопление углекислого газа в воздухе в больших концентрациях и длительное пребывание людей в такой атмосфере может привести к появлению головной боли, головокружения, слабости, по­тере чувствительности и даже потере сознания.

 

Таблица 1.1 – Газовый состав сухого атмосферного воздуха при р = 1 бар

Составные части воздуха	Химическая формула	q i – мас- совая доля	ri – объем- ная доля	рi–парциальное давление, бар
Азот	N2	0,7553	0,7808	0,7808
Кислород	O2	0,2314	0,2095	0,2095
Аргон	Ar	0,0128	0,0093	0,0093
Углекислый газ	CO2	0,0004	0,0003	0,0003
Прочие газы – неон, гелий и др.	Ne, He	0,0001	0,0001	0,0001

 

Наличие в воздухе различных примесей оказывает вредное воздействие на живые организмы, оборудование, материалы и технологические процессы. Попадая даже в небольших количествах в организм человека через дыхательные пути, кожу и пищеварительный тракт, газы и пары вредных веществ могут вызывать отравление. Физиологическое влияние вредных примесей зависит от их токсичности и концентрации в объекте обитания, а также от времени их воздействия. Полное удаление из воздуха вредных включений связано с большими трудностями. Поэтому приходится допускать некоторое количество вредных примесей в воздухе помещений. Нормы п р е д е л ь н о д о п у с т и м ы х к о н ц е н т р а ц и й (ПДК) вредных примесей в воздухе регламентируются ГОСТ 12. 1.005-76 и СН 245-71. В табл. 1.2 приведены ПДК некоторых вредных для человека веществ в воздухе рабочей зоны.

Таблица 1.2 – Предельно допустимые для человека концентрации веществ

Вещество	ПДК мг/м^3	Вещество	ПДК мг/м^3
Фреон - 22		Поливинилхлорид
Керосин		Спирт метиловый
Бензин		Серная кислота
Масла минеральные		Хлор
Аммиак		Озон	0,1
Оксид углерода (СО)		Фтор	0,5
Сероводород		Фосген	0,5
Окислы азота		Тетраэтилсвинец	0,005

 

Наличие в воздухе пыли нежелательно или даже опасно для человека. Пыль образуется в результате измельчения и подъема в воздухе грунта, покрытий дорог, мусора и т.д. Кроме того пыль может выбрасываться промышленными предприятиями, котельными и т.п. Пыль, находящаяся в наружном воздухе, в общем, обладает тонкой дисперсностью и характеризуется размером 5…10 мк. Допустимая концентрация пыли в воздухе установлена ГОСТ 12. 1. 005-76.

Организм человека можно рассматривать как саморегулирующуюся систему, поддерживающую постоянную температуру внутренней среды путем удаления избытка тепла поверхностью тела. По разным источникам, человек в состоянии относительного покоя отдает в окружающую среду теплоту путем конвективного теплообмена – 14 … 32, путем излучения – 44…59, испарением влаги с поверхности тела – 21…30 %. Любая степень дискомфорта по причине уменьшения или увеличения температуры характеризуется развитием процессов торможения в коре головного мозга, вызывающих снижение работоспособности.

Понижение температуры воздуха относительно комфортной приведет к интенсификации теплообмена человека со средой путем конвекции, излучения и испарения. Система терморегуляции организма отреагирует на эти изменения: подвод тепла на сохранение температуры тела повысится, а теплопередача вследствие спазмы сосудов, особенно конечностей, снизится. Это состояние неустойчиво и при дальнейшем снижении температуры окружающей среды может привести к нарушению теплового равновесия, при котором понизится температура организма, что влечет к летальному исходу.

При повышении температуры среды, окружающей человека, теплоотдача конвекцией и излучением снижается. Для поддержания температуры организма неизменной система терморегулирования интенсифицирует потоотделение. Теплообмен испарением превышает 50 % от общего теплоотвода и составляет при температуре 28 ⁰С в состоянии покоя 64 %, а при 35 ⁰С – более 90 %. Водопотери организма при этом могут достигать 500…2000 г/ч. Часть пота, не успевая испариться, стекает (профузное потоотделение). В таком состоянии система терморегуляции также неустойчива, возможен перегрев организма, при этом возрастает частота сердечных сокращений, появляется слабость и чувство беспокойства.

Влажность воздуха оказывает существенное влияние на теплообмен: с повышением влажности теплообмен испарением снижается.

Подвижность воздуха влияет на теплоотдачу человека, а также на испарение влаги с тела.

В сооружениях для содержания животных и птицы, в складах и овощехранилищах, в теплицах имеют место специфические температурно - влажностные условия. От животных теплота передается внутренним поверхностям ограждений как излучением, так и конвекцией. Конвекцией и излучением осуществляется теплообмен с поверхности почвы в сооружениях защищенного грунта. Биохимические процессы в подстилке, навозе и помете, гниение овощей и фруктов являются источниками дополнительной теплоты и вредных газов. Источником выделения влаги являются животные и птицы, поилки, открытые поверхности жидкости и т.п. На складах и хранилищах влага выделяется в результате жизнедеятельности зерна, овощей, фруктов. В теплицах влажность изменяется за счет испарения с листьев и грунта. Условия обитаемости должны обеспечить для животных и птицы максимальную их продуктивность, а для продуктов сельскохозяйственного производства – максимальную их сохранность.

Сочетания температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха, соответствующие комфортному состоянию человека в рабочей зоне производственных помещений, приведены в табл. 1.3. Требования СНиП к параметрам воздуха внутри помещения для человека и при содержании животных и птицы показаны в Приложении, таблицы 1, 3 и 4.

 

Таблица 1.3 – Параметры комфортных условий для человека

Сезон года	Категория работ. энергозатраты	t, ^0C	φ,%	с, м/с
Холодный и переходный периоды года	Легкая, до 170 Вт	20…23	60…40	0,2
Средней тяжести - А, 170…230 Вт	18…20	60…40	0,2
Средней тяжести - Б, 230…290 Вт	17…19	60…40	0,3
Тяжелая, свыше 290 Вт	16…18	60…40	0,3
Теплый период года	Легкая, до 170 Вт	22…25	60…40	0,2
Средней тяжести - А, 170…230 Вт	21…23	60…40	0,3
Средней тяжести - Б, 230…290 Вт	20…2	60…40	0,4
Тяжелая, свыше 290 Вт	18…20	60…40	0,5

 

В процессе эксплуатации сельскохозяйственных сооружений оптимальный, чаще всего рабочий, уровень обитаемости поддерживаются системами теплоснабжения и вентиляции, в отдельных случаях – системами кондиционирования.

Глава 2

Источники энергии

Под и с т о ч н и к о м э н е р г и и следует понимать материальное тело (или тела), доля энергетического потенциала которого может быть передана другим объектам.

При производстве сельскохозяйственной продукции, ее переработке, хранении, в обеспечении бытовых и технологических процессов используются различные виды энергии. Это химическая энергия топлив, солнечная энергия, электрическая энергия, внутренняя энергия окружающей среды и др. Формой передачи энергии от её источника к потребителю является в большинстве случаев теплота. Теоретические основы и особенности взаимопреобразование различных видов энергии с участием теплоты подробно рассмотрены в

Источники энергии в подавляющем случае природного происхождения. Часть из них извлекают из недр Земли или вод Мирового океана, их запасы постепенно уменьшаются. Это так называемые н е в о з о б н о в л я е м ы е источники энергии. Другая часть природных источников энергии имеет хотя и непостоянную концентрацию по месту и времени, но постоянно в о –

з о б н о в л я е м у ю энергию: солнечное излучение, энергия движения вод в морях и океанах, энергия движения воздуха в атмосфере и т.д.

К источникам энергии искусственного происхождения относят вещества созданные человеком, например, бензин, спирт, кокс и др.

Таблица 2.1 – Валентность некоторых химических элементов

Элемент	Валентность	Элемент	Валентность
H	+1	O	-2
Li	+1	F	-1
Be	+2	Na	+1
C	+4	Al	+3
N		Cl	-1
Mq	+2	S	+4

 

Если действительное количество окислителя, подаваемое для сгорания 1 кг горючего, отличается от теоретически необходимого, то такая смесь будет характеризоваться действительным коэффициентом соотношения компонентов, обозначаемым К:

K = . (2.4)

Отличие действительного соотношения от стехиометрического оценивается коэффициентом избытка окислителя, который равен

. (2.5)

При >1 топливо содержит избыток окислителя, а при < 1 – избыток горючего.

В настоящее время в теплоэнергетике широко используются химические топлива состава: окислитель – атмосферный воздух; горючее – добываемые из недр вещества органического происхождения, которыми являются уголь, нефть, природный газ.

Антрацит, каменный и бурый уголь, торф, сланцы, дрова – относят

к твердым горючим естественного происхождения. Твердые горючие искусственного происхождения это кокс, древесный уголь, брикеты из древесных и растительных отходов.

Нефть – жидкое органическое горючее естественного происхождения. Из нефти путем ее переработки (принципиальная схема переработки нефти приведена на рис. 2.1) получают бензин, керосин, мазут и др., см. Последние являются органическими горючими искусственного происхождения.

Природные и попутные нефтяные газы (метан, этан, пропан, бутан) прекрасные органические горючие естественного происхождения. К искусственным газообразным горючим относятся генераторные газы (воздушной, водяной, подземной газификации), побочные газы (доменный, крекинговый).

Обычно энергия химического топлива освобождается в процессе горения в форме теплоты. Количество теплоты, выделившееся при сгорании

1 кг топлива, называют т е п л о т о й с г о р а н и я т о п л и в а, обозначают Q_в и измеряют в Дж/кг. Если в качестве окислителя используется воздух, то выделившееся тепло относят только к массе горючего. В большинстве случаев не удается использовать всю теплоту Q_в. поскольку часть ее уносится с парами воды в продуктах сгорания в виде скрытой теплоты парообразования Q_w. Поэтому теплоту сгорания Q_в называют в ы с ш е й, а разность

Q_н = Q_в – Q_w – н и з ш е й т е п л о т о й с г о р а н и я.

В табл. 2.2 приведены значения Q_н при сгорании в воздухе ряда го-

рючих.

Таблица 2.2 – Низшая теплота сгорания некоторых горючих в воздухе

Горючее	Qн, МДж/кг
Нефть	40 … 46
Бензин	44 … 48
Дизельное горючее	42 … 45
Мазут	39 … 42
Природный газ	33 …40
Генераторный газ	5 … 6,5
Каменный уголь	25 … 27
Дрова	12 … 19
Торф	4 … 12

Для сравнительной оценки энергоресурсов различных источников введен единый эквивалент – у с л о в н о е т о п л и в о (у. т.). Расчетная теплота сгорания условного топлива равна 29,308 МДж/кг.

Технология получения искусственного углеводородного горючего из природной нефти объясняется рисунком 2.1.

 

Рис. 2.1. Принципиальная схема переработки нефти

 

Сырую нефть обезвоживают, удаляют из нее попутные газы, а затем нагревают до 350 ⁰С. Далее смесь паров и горячей нефти в ректификационной колонне при атмосферном давлении разгоняют на фракции: бензиновую (около 15%, t_к = 30…180 ⁰С); керосиновую (около 17%, t_к = 150 …280 ⁰С); газойлевую и соляровую (около 18%, t_к = 280 … 350 ⁰С). Жидкий осадок с температурой начала кипения 330 … 350 ⁰С называется мазутом.

2.1.2 Ядерная энергия

Ядерная энергия – энергия связи нуклонов в ядре, освобождающаяся в различных видах при делении тяжелых и синтезе легких ядер. В последнем случае её принято называть «термоядерной».

Промышленное использование ядерной (атомной) энергии стало возможным благодаря осуществлению искусственно регулируемого процесса расщепления ядер, которое происходит в результате бомбардировки нейтронами атомов делящегося вещества – я д е р н о г о т о п л и в а. Устройства, в которых протекает управляемая самоподдерживающаяся ядерная реакция называют я д е р н ы м и (атомными) р е а к т о р а м и.

В качестве ядерного топлива применяют в основном природный уран. Природный уран – это смесь трех изотопов с атомными массами 238, 235 и 234. Основная часть массы в количестве 99,28% приходится на долю U²³⁸ и только 0,714% – U²³⁵; 0,006% – U²³⁴. Из этих изотопов непосредственно используется U²³⁵, так как его ядра расщепляются под воздействием нейтронов любой энергии. Практическое использование U²³⁸ возможно при его обогащении ураном U²³⁵. С целью воспроизводства ядерного топлива на специальных заводах осуществляется сложнейший процесс разделения изотопов.

В реакторах на быстрых нейтронах из U²³⁸ получают новый делящийся материал – плутоний Pu²³⁹, а из тория Th²³² – уран U²³³. Таким образом, количество ядерного топлива существенно увеличивается. По расчетам специалистов ядерные энергоресурсы можно увеличить в 15–25 раз.

При делении ядра U²³⁵ освобождающаяся энергия распределяется между различными продуктами деления следующим образом, МэВ:

– кинетическая энергия осколков деления...... ……. 168;

– энергия нейтронов деления................. ………. 5;

– энергия мгновенного - излучения........... …….. 5;

– энергия - распада....................... ………. 7;

– энергия фотонов - распада осколков деления.. …… 6;

– энергия нейтрино.......................... ……. 11.

В с е г о............... … 220

Энергия, уносимая нейтрино, не может быть уловлена.

Кинетическая энергия осколков деления в теплоносителе преобразуется в теплоту. Так 1 кг ядерного топлива обеспечивает получение мощности

2000 кВт в течение года.

Ядерное топливо применяется в реакторах в виде металлических стержней, которые обладают высокой эффективностью использования нейтронов, хорошей теплопроводностью, значительным сопротивлением термическим ударам (внезапным изменениям теплового режима при выключении и включении реактора). Но твердое металлическое ядерное топливо имеет и ряд недостатков: низкую температуру плавления (t_пл = 1133 ⁰С), малую прочность и др. Эти недостатки в меньшей мере присущи различным видам керамического ядерного топлива – двуокиси урана UO₂ (t_пл = 2800 ⁰С), карбиду урана UC (t_пл = 2700 ⁰С) и др.

По мимо твердых, на базе указанных выше делящихся материалов, готовят жидкие и газообразные ядерные топлива.

Принципиальная схема ядерного реактора, работающего на медленных нейтронах, приведена на рис. 2.2.

Тепловыделяющие элементы (твелы) 1 устанавливаются в активной зоне реактора между замедлителями нейтронов 2.С целью защиты от коррозии и предотвращения разлетания осколков деленияядерное топливоразмещается в оболочке из стали, либо алюминия или циркония. Используемые оболочки, как правило цилиндрической формы. В качестве замедлителя нейтронов используют графит, бериллий, воду и др. Количество поглощаемых нейтронов, а следовательно и мощность реактора регулируется изменением глубины погружения в активную зону регулирующих стержней 3 (материал стержней – бор и кадмий). Большая часть кинетической энергии осколков делящегося ядерного топлива поглощается теплоносителем и нагревает его. Роль теплоносителя могут выполнять жидкие вещества (вода, расплавленный металл) или газы (гелий, воздух). Для защиты от радиоактивных излучений активная зона ядерного реактора ограждена толстыми (1,5 – 2 м) бетонными стенами 4. Отражатель 5 предотвращает утечку нейтронов из реактора. В настоящее время в мире создано большое количество типов ядерных реакторов, как для стационарных атомных станций, так и для различных транспортных средств. На рис. 2.3 приведена принципиальная схема водоводяной атомной электростанции.

К достоинствам ядерного топлива относят:

- высокую удельную энергию;

- сравнительную простоту доставки к энергоустановкам;

- отсутствие выбросов в атмосферу вредных газов.

Ограничения в использовании ядерной энергии обусловлены проблемами, возникающими при эксплуатации реакторов, а также относительной дороговизной ядерного топлива и сложностью утилизации его отходов.

 

 

 

Глава 3

Кинетика процессов горения

Кинетика горения – это учение о скорости и механизме химических реакций при сгорании топлив.

Под горением понимают быстропротекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением значительного количества тепла и обычно ярким свечением (пламенем).

В общем случае при горении происходит образование новых молекул или перераспределение химических связей между молекулами, участвующими в реакции. Такой процесс возможен, если топливо имеет состав, несущественно отличающийся от стехиометрического и реагирующие элементы находятся в непосредственном соприкосновении. Следовательно, необходимым условием осуществления окислительно-восстановительной реакции является столкновение реагирующих молекул. Согласно молекулярно-кинетической теории газов, каждая молекула за счет хаотического теплового движения испытывает 10⁹ столкновений в секунду. Если бы при каждом соударении молекулы реагировали между собой, то любая реакция протекала бы мгновенно. Этого мы не наблюдаем на практике.

E1

E2

E

E0

Еисх

Q

2СО + О2=2СО2+ Q

3.1. Изменение энергии при горении окиси углерода

Для того, чтобы произошла реакция, т.е. образовались новые молекулы, необходимо сначала разорвать или ослабить связи между атомами в молекулах исходных веществ. На это надо затратить определенную энергию. Если сталкивающиеся молекулы не обладают такой энергией, столкновение будет неэффективным. В качестве примера на рис.3.1 схематично показано изменение энергии по времени при догорании угарного газа в среде кислорода

В исходном состоянии средняя энергия всех частиц, находящаяся в реагирующей системе, – E _исх. При подведении энергии в каком-либо объеме системы и доведение ее до уровня Е₁ начнется химическая реакция, которая затем пойдет самопроизвольно с выделением теплоты, при этом энергетический уровень продуктов реакции понизится до Е₂. Здесь количество выделенной теплоты Q = E_исх – Е₂. Превышение энергии Е₁ над Е_исх обозначают Е₀, измеряют в Дж/кг и называют э н е р г и е й а к т и –

в а ц и и.

 

Для моля энергия активации обозначается и измеряется в Дж/моль

Энергия активации, это избыточная энергия, которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение могло привести к началу химической реакции.

Величина энергии активации зависит от структуры молекул, температуры реагирующих компонентов. Определяют ее