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Qué es el almacenamiento de calor latente – LHS – Definición

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El almacenamiento de calor latente tiene las ventajas de una alta densidad de almacenamiento (debido al alto calor de fusión latente) y la naturaleza isotérmica del proceso de almacenamiento. Ingenieria termal

Almacenamiento de calor latente (LHS)

Un enfoque común para el almacenamiento de energía térmica es utilizar materiales conocidos como materiales de cambio de fase (PCM). Estos materiales almacenan calor cuando experimentan un cambio de fase , por ejemplo, de sólido a líquido, de líquido a gas o de sólido a sólido (cambio de una forma cristalina a otra sin un cambio de fase físico).

El cambio de fase ” sólido a líquido ” es el más utilizado, pero también es interesante el cambio de sólido a sólido. Estos materiales se pueden usar como una forma efectiva de almacenar energía térmica (energía solar, electricidad fuera del pico, calor residual industrial). En comparación con los sistemas de almacenamiento de calor sensible, el almacenamiento de calor latente tiene las ventajas de una alta densidad de almacenamiento (debido al alto calor de fusión latente ) y la naturaleza isotérmica del proceso de almacenamiento. El calor de fusión o el calor de evaporación es mucho mayor que la capacidad calorífica específica. La comparación entre el almacenamiento de calor latente y el almacenamiento de calor sensible muestra que en el almacenamiento de calor latente las densidades de almacenamiento son típicamente de 5 a 10 veces más altas.

En general, los efectos de calor latente asociados con el cambio de fase son significativos. El calor latente , conocido también como la entalpía de vaporización (cambio de fase de líquido a vapor) o entalpía de fusión (cambio de fase de sólido a líquido), es la cantidad de calor agregado o eliminado de una sustancia para producir un cambio en fase. Esta energía descompone las fuerzas de atracción intermoleculares, y también debe proporcionar la energía necesaria para expandir la sustancia (el trabajo pΔV ). Cuando se agrega calor latente , no ocurre cambio de temperatura.

Material de cambio de fase

Los materiales de cambio de fase (PCM) son materiales de almacenamiento de calor latente. Es posible encontrar materiales con un calor latente de fusión y temperatura de fusión dentro del rango deseado. El PCM que se utilizará en el diseño de sistemas de almacenamiento térmico debe lograr propiedades termofísicas, cinéticas y químicas deseables.

Propiedades termofísicas

  • Temperatura de transición de fase adecuada para la aplicación específica.
  • Alto calor latente de transición de fase para ocupar el mínimo volumen posible. .
  • Temperatura de fusión en el rango de temperatura de funcionamiento deseado.
  • Alto calor específico para proporcionar un almacenamiento adicional significativo de calor sensible.
  • Alta conductividad térmica para minimizar el gradiente de temperatura y ayudar a la carga y descarga de energía de los sistemas de almacenamiento.
  • Pequeños cambios de volumen en la transformación de fase y pequeña presión de vapor a temperaturas de operación para reducir el problema de contención.

Propiedades cinéticas

  • Alta velocidad de nucleación para evitar el sobreenfriamiento de la fase líquida.
  • Alta tasa de crecimiento de cristales, por lo que el sistema puede satisfacer las demandas de recuperación de calor del sistema de almacenamiento.

Propiedades químicas

  • Materiales no tóxicos, no inflamables y no explosivos por razones de seguridad.
  • Estabilidad química a largo plazo y ciclo de fusión / congelación reversible completo.
  • Sin degradación después de una gran cantidad de ciclos de congelación / fusión.
  • Baja corrosividad

Finalmente, el material debe ser abundante, disponible y barato para ayudar a la viabilidad del uso del sistema de almacenamiento.

Hay una gran cantidad de PCM, se pueden dividir en tres grupos:

  • PCM orgánicos
  • PCM inorgánicos
  • PCM eutécticos

Como ejemplo, el almacenamiento de energía térmica se puede utilizar en estaciones de energía solar de concentración (CSP), en las que la principal ventaja es la capacidad de almacenar energía de manera eficiente, lo que permite el envío de electricidad durante un período de hasta 24 horas. En una planta de CSP que incluye almacenamiento, la energía solar se usa primero para calentar la sal fundida o el aceite sintético para almacenar energía térmica a alta temperatura en tanques aislados. Más tarde, la sal fundida caliente se usa para la producción de vapor para generar electricidad mediante un turbogenerador de vapor según los requisitos. El uso de calor latente y calor sensible en la concentración de estaciones de energía solar es posible con el aporte térmico solar de alta temperatura. Diversas mezclas eutécticas de metales, como el aluminio y el silicio (AlSi12) ofrecen un alto punto de fusión (577 ° C) adecuado para la generación eficiente de vapor,

Almacenamiento de energía térmica

Energía microscópica - Energía internaEn termodinámica , la energía interna (también llamada energía térmica ) se define como la energía asociada con formas microscópicas de energía . Es una cantidad extensa , depende del tamaño del sistema o de la cantidad de sustancia que contiene. La unidad SI de energía interna es el julio (J) . Es la energía contenida dentro del sistema, excluyendo la energía cinética de movimiento del sistema como un todo y la energía potencial del sistema. Las formas microscópicas de energía incluyen aquellas debidas a la rotación , vibración, traslación e interacciones.entre las moléculas de una sustancia. Ninguna de estas formas de energía se puede medir o evaluar directamente, pero se han desarrollado técnicas para evaluar el cambio en la suma total de todas estas formas microscópicas de energía.

Además, la energía se puede almacenar en los enlaces químicos entre los átomos que forman las moléculas. Este almacenamiento de energía a nivel atómico incluye energía asociada con estados orbitales de electrones, espín nuclear y fuerzas de unión en el núcleo.

Planta de energía solar PS10 en España. Fuente: wikipedia.org Licencia: CC BY 2.0
Planta de energía solar PS10 en España. Fuente: wikipedia.org Licencia: CC BY 2.0

La energía térmica también se puede almacenar de manera muy efectiva. Hoy en día, la situación en los mercados energéticos es diferente. El aumento de los precios de las fuentes de energía convencionales y la conciencia ambiental han contribuido a aumentar el uso de energías renovables y la eficiencia energética. El almacenamiento de energía térmica forma un componente clave de una planta de energía para mejorar su capacidad de envío, especialmente para concentrar plantas de energía solar (CSP). El almacenamiento de energía térmica (TES) se logra con tecnologías muy diferentes. Hay tres métodos utilizados y que aún se están investigando para almacenar energía térmica.

  • Almacenamiento de calor sensible (SHS)
  • Almacenamiento de calor latente (LHS)
  • Almacenamiento termoquímico

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

¿Qué es la absorción de calor? Definición

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Absorción de calor. La energía térmica también puede ser absorbida y almacenada de manera muy efectiva. Hay tres métodos utilizados y que aún se están investigando para almacenar energía térmica. Ingenieria termal

Absorción de calor

Energía microscópica - energía internaEn  termodinámica  ,  la energía interna  (también llamada  energía térmica  ) se define como la energía asociada con  formas microscópicas de energía  . Es una  cantidad extensa  , depende del tamaño del sistema o de la cantidad de sustancia que contiene. La unidad SI de  energía interna  es el  julio (J)  . Es la energía contenida dentro del sistema, excluyendo la energía cinética de movimiento del sistema como un todo y la energía potencial del sistema. Las formas microscópicas de energía  incluyen aquellas debidas a la  rotación  ,  vibración, traslación  e  interacciones.entre las moléculas de una sustancia. Ninguna de estas formas de energía se puede medir o evaluar directamente, pero se han desarrollado técnicas para evaluar el cambio en la suma total de todas estas formas microscópicas de energía.

Absorción de calor

Además, la energía se puede almacenar en los enlaces químicos entre los átomos que forman las moléculas. Este  almacenamiento de energía  a nivel atómico incluye energía asociada con estados orbitales de electrones, espín nuclear y fuerzas de unión en el núcleo.

Planta de energía solar PS10 en España. Fuente: wikipedia.org Licencia: CC BY 2.0
Planta de energía solar PS10 en España. Fuente: wikipedia.org Licencia: CC BY 2.0

La energía térmica  también puede ser absorbida y almacenada de manera muy efectiva. Hoy en día, la situación en los mercados energéticos es diferente. El aumento de los precios de las fuentes de energía convencional y la conciencia ambiental han contribuido a aumentar el uso de energías renovables y la eficiencia energética. El almacenamiento de energía térmica  forma un componente clave de una planta de energía para mejorar su capacidad de envío, especialmente para concentrar plantas de energía solar (CSP). El almacenamiento de energía térmica (TES)  se logra con tecnologías muy diferentes. Hay tres métodos utilizados y que aún se están investigando para almacenar energía térmica.

  • Almacenamiento de calorías sensible (SHS)
  • Almacenamiento de calor latente (LHS)
  • Almacenamiento termoquímico

Absorción en calor sensible

La forma más directa es el almacenamiento de calor sensible . El almacenamiento de calor sensible se basa en elevar la temperatura de un líquido o sólido para almacenar calor y liberarlo con la disminución de temperatura cuando se requiera. Los volúmenes necesarios para almacenar energía en la escala que necesita el mundo son extremadamente grandes. Los materiales utilizados en el almacenamiento de calor sensible deben tener una alta capacidad calorífica y también un alto punto de ebullición o fusión. Aunque este método de almacenamiento de calor es actualmente menos eficaz para el almacenamiento de calor, es menos complicado en comparación con el calor latente o químico y es económico.

Desde el punto de vista termodinámico, el almacenamiento de calor sensible se basa en el aumento de entalpía del material en el almacén, ya sea líquido o sólido en la mayoría de los casos. El efecto sensible es un cambio de temperatura. El calor almacenado se puede obtener mediante la ecuación:

almacenamiento de calor sensible - ecuación[/lgc_column]

Absorción en calor latente

Un enfoque común para el almacenamiento de energía térmica es utilizar materiales conocidos como materiales de cambio de fase (PCM). Estos materiales almacenan calor cuando experimentan un cambio de fase , por ejemplo, de sólido a líquido, de líquido a gas o de sólido a sólido (cambio de una forma cristalina a otra sin cambio de fase física).

El cambio de fase ” sólido a líquido ” es el más utilizado, pero también es de interés el cambio de sólido a sólido. Estos materiales se pueden utilizar como una forma eficaz de almacenar energía térmica (energía solar, electricidad fuera de horas pico, calor residual industrial). En comparación con los sistemas de almacenamiento de calor sensible, el almacenamiento de calor latente tiene las ventajas de una alta densidad de almacenamiento (debido al alto calor de fusión latente ) y la naturaleza isotérmica del proceso de almacenamiento. El calor de fusión o el calor de evaporación es mucho mayor que la capacidad calorífica específica. La comparación entre el almacenamiento de calor latente y el almacenamiento de calor sensible muestra que en el almacenamiento de calor latente las densidades de almacenamiento son típicamente de 5 a 10 veces más altas.

En general, los efectos del calor latente asociados con el cambio de fase son significativos. El calor latente , también conocido como entalpía de vaporización (cambio de fase de líquido a vapor) o entalpía de fusión (cambio de fase de sólido a líquido), es la cantidad de calor que se agrega o elimina de una sustancia para producir un cambio en fase. Esta energía descompone las fuerzas de atracción intermoleculares y también debe proporcionar la energía necesaria para expandir la sustancia (el trabajo pΔV ). Cuando se agrega calor latente , no se produce ningún cambio de temperatura. [/ Lgc_column]

Absorción en energía química

Uno de los tres enfoques posibles para el almacenamiento de energía térmica es utilizar reacciones termoquímicas reversibles . La ventaja más importante del método de almacenamiento termoquímico es que la entalpía de reacción es considerablemente mayor que el calor específico o el calor de fusión. Por tanto, la densidad de almacenamiento es mucho mejor. En las reacciones químicas , la energía se almacena en los enlaces químicos entre los átomos que forman las moléculas. Almacen de energiaa nivel atómico incluye la energía asociada con los estados orbitales de los electrones. Ya sea que una reacción química absorba o libere energía, no hay un cambio general en la cantidad de energía durante la reacción. Eso se debe a la ley de conservación de la energía , que establece que:

La energía no se puede crear ni destruir . La energía puede cambiar de forma durante una reacción química .

Un ejemplo de un sistema de almacenamiento experimental basado en energía de reacción química es la tecnología de hidrato de sal . El sistema es especialmente ventajoso para el almacenamiento de energía térmica estacional . El sistema utiliza la energía de reacción creada cuando las sales se hidratan o deshidratan. Funciona almacenando calor en un recipiente que contiene una solución de hidróxido de sodio (NaOH) al 50%. El calor (por ejemplo, del uso de un colector solar) se almacena evaporando el agua en una reacción endotérmica. Cuando se agrega agua nuevamente, se libera calor en una reacción exotérmica a 50 ° C. Los sistemas actuales funcionan con una eficiencia del 60%.

Absorción de calor radiante

emisividad de varios materialesEn capítulos anteriores, hemos discutido la  convección  y la  conducción , que requieren la presencia de materia como medio para llevar el calor de la región más caliente a la más fría. Pero un tercer tipo de transferencia de calor,  la transferencia de calor por radiación , ocurre sin ningún medio. En general, la  transferencia de calor por radiación de una superficie a otra es la radiación que sale de la primera superficie por la otra menos la que llega desde la segunda superficie. La transferencia de calor  por radiación está mediada por  radiación electromagnética , conocida como  radiación térmica , que surge debido a la  temperatura  de un cuerpo.

Otra propiedad de radiación importante de una superficie es su  capacidad de absorción ,  α , que es la fracción de la energía de radiación incidente en una superficie que es absorbida por la superficie. Al igual que la emisividad, el valor de la absortividad está en el rango 0 <α <1.

Según su definición, un  cuerpo negro , que es un cuerpo físico idealizado, absorbe toda la radiación electromagnética incidente  , independientemente de la frecuencia o el ángulo de incidencia. Es decir, un cuerpo negro es un absorbente perfecto. Dado que para los objetos reales la  absortividad  es menor que la unidad, un objeto real no puede absorber toda la luz incidente. La absorción incompleta puede deberse a que parte de la luz incidente se transmite a través del cuerpo o que parte de ella se refleja en la superficie del cuerpo.

En general, la  absortividad  y la  emisividad  están interconectadas por la  Ley de radiación térmica de Kirchhoff , que establece:

Para un cuerpo arbitrario que emite y absorbe radiación térmica en equilibrio termodinámico, la emisividad es igual a la absortividad.

emisividad ε = absortividad α

Tenga en cuenta que la radiación visible ocupa una banda muy estrecha del espectro de 0,4 a 0,76 nm, no podemos hacer ningún juicio sobre la negrura de una superficie sobre la base de observaciones visuales. Por ejemplo, considere el papel blanco que refleja la luz visible y, por lo tanto, parece blanco. Por otro lado, es importante negro para la radiación infrarroja (  absortividad α = 0,94  ) ya que absorben fuertemente la radiación de longitud de onda larga.

References:
Transferencia de calor:
  1. Fundamentos de la transferencia de calor y masa, séptima edición. Theodore L. Bergman, Adrienne S. Lavine, Frank P. Incropera. John Wiley & Sons, Incorporated, 2011. ISBN: 9781118137253.
  2. Transferencia de calor y masa. Yunus A. Cengel. McGraw-Hill Education, 2011. ISBN: 9780071077866.
  3. Departamento de Energía, Termodinámica, Transferencia de Calor y Flujo de Fluidos de EE. UU. Manual de fundamentos del DOE, volumen 2 de 3. Mayo de 2016.

Física nuclear y de reactores:

  1. JR Lamarsh, Introducción a la teoría de los reactores nucleares, 2ª ed., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
  2. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
  3. WM Stacey, Física de reactores nucleares, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
  4. Glasstone, Sesonske. Ingeniería de Reactores Nucleares: Ingeniería de Sistemas de Reactores, Springer; 4a edición, 1994, ISBN: 978-0412985317
  5. WSC Williams. Física nuclear y de partículas. Prensa de Clarendon; 1 edición, 1991, ISBN: 978-0198520467
  6. GRKeepin. Física de la cinética nuclear. Addison-Wesley Pub. Co; 1a edición, 1965
  7. Robert Reed Burn, Introducción a la operación de reactores nucleares, 1988.
  8. Departamento de Energía, Física Nuclear y Teoría de Reactores de EE. UU. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
  9. Paul Reuss, Física de neutrones. EDP ​​Sciences, 2008. ISBN: 978-2759800414.

Física avanzada de reactores:

  1. KO Ott, WA Bezella, Introductory Nuclear Reactor Statics, American Nuclear Society, edición revisada (1989), 1989, ISBN: 0-894-48033-2.
  2. KO Ott, RJ Neuhold, Introducción a la dinámica de los reactores nucleares, Sociedad Nuclear Estadounidense, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
  3. DL Hetrick, Dinámica de los reactores nucleares, Sociedad Nuclear Estadounidense, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.
  4. EE Lewis, WF Miller, Métodos computacionales de transporte de neutrones, American Nuclear Society, 1993, ISBN: 0-894-48452-4.

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: Translations@nuclear-power.net o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

¿Qué es el almacenamiento de energía térmica? Definición

por
El almacenamiento de energía térmica forma un componente clave de una planta de energía para mejorar su capacidad de envío. El almacenamiento de energía térmica (TES) se logra con tecnologías muy diferentes. Ingenieria termal

Almacenamiento de energía térmica

Energía microscópica - Energía internaEn termodinámica , la energía interna (también llamada energía térmica ) se define como la energía asociada con formas microscópicas de energía . Es una cantidad extensa , depende del tamaño del sistema o de la cantidad de sustancia que contiene. La unidad SI de energía interna es el julio (J) . Es la energía contenida dentro del sistema, excluyendo la energía cinética de movimiento del sistema como un todo y la energía potencial del sistema. Las formas microscópicas de energía incluyen aquellas debidas a la rotación , vibración, traslación e interacciones.entre las moléculas de una sustancia. Ninguna de estas formas de energía se puede medir o evaluar directamente, pero se han desarrollado técnicas para evaluar el cambio en la suma total de todas estas formas microscópicas de energía.

Además, la energía se puede almacenar en los enlaces químicos entre los átomos que forman las moléculas. Este almacenamiento de energía a nivel atómico incluye energía asociada con estados orbitales de electrones, espín nuclear y fuerzas de unión en el núcleo.

Planta de energía solar PS10 en España. Fuente: wikipedia.org Licencia: CC BY 2.0
Planta de energía solar PS10 en España. Fuente: wikipedia.org Licencia: CC BY 2.0

La energía térmica también se puede almacenar de manera muy efectiva. Hoy en día, la situación en los mercados energéticos es diferente. El aumento de los precios de las fuentes de energía convencionales y la conciencia ambiental han contribuido a aumentar el uso de energías renovables y la eficiencia energética. El almacenamiento de energía térmica forma un componente clave de una planta de energía para mejorar su capacidad de envío, especialmente para concentrar plantas de energía solar (CSP). El almacenamiento de energía térmica (TES) se logra con tecnologías muy diferentes. Hay tres métodos utilizados y que aún se están investigando para almacenar energía térmica.

Almacenamiento de calor sensible (SHS)

La forma más directa es el almacenamiento de calor sensible . El almacenamiento de calor sensible se basa en elevar la temperatura de un líquido o sólido para almacenar calor y liberarlo con la disminución de la temperatura cuando sea necesario. Los volúmenes necesarios para almacenar energía en la escala que el mundo necesita son extremadamente grandes. Los materiales utilizados en el almacenamiento de calor sensible deben tener una alta capacidad de calor y también un alto punto de ebullición o fusión. Aunque este método de almacenamiento de calor es actualmente menos eficiente para el almacenamiento de calor, es menos complicado en comparación con el calor latente o químico y es económico.

Desde el punto de vista de la termodinámica, el almacenamiento de calor sensible se basa en el aumento de la entalpía del material en la tienda, ya sea líquido o sólido en la mayoría de los casos. El efecto sensible es un cambio de temperatura. El calor almacenado se puede obtener mediante la ecuación:

almacenamiento de calor sensible - ecuación

Capacidad calorífica

Tabla de capacidades caloríficas específicasLas diferentes sustancias  se ven afectadas a  diferentes magnitudes  por la  adición de calor . Cuando se agrega una cantidad determinada de calor a diferentes sustancias, sus temperaturas aumentan en diferentes cantidades. Esta  constante de proporcionalidad  entre el  calor Q  que el objeto absorbe o pierde y el cambio de temperatura resultante  T  del objeto se conoce como la  capacidad calorífica C  de un objeto.

C = Q / ΔT

La capacidad de calor  es una  propiedad extensa  de la materia, lo que significa que es proporcional al tamaño del sistema. La capacidad calorífica C  tiene la unidad de energía por grado o energía por kelvin. Cuando se expresa el mismo fenómeno que una  propiedad intensiva , la  capacidad calorífica  se divide por la cantidad de sustancia, masa o volumen, por lo que la cantidad es independiente del tamaño o extensión de la muestra.

Almacenamiento de calor latente (LHS)

Un enfoque común para el almacenamiento de energía térmica es utilizar materiales conocidos como materiales de cambio de fase (PCM). Estos materiales almacenan calor cuando experimentan un cambio de fase , por ejemplo, de sólido a líquido, de líquido a gas o de sólido a sólido (cambio de una forma cristalina a otra sin un cambio de fase físico).

El cambio de fase ” sólido a líquido ” es el más utilizado, pero también es interesante el cambio de sólido a sólido. Estos materiales se pueden usar como una forma efectiva de almacenar energía térmica (energía solar, electricidad fuera del pico, calor residual industrial). En comparación con los sistemas de almacenamiento de calor sensible, el almacenamiento de calor latente tiene las ventajas de una alta densidad de almacenamiento (debido al alto calor de fusión latente ) y la naturaleza isotérmica del proceso de almacenamiento. El calor de fusión o el calor de evaporación es mucho mayor que la capacidad calorífica específica. La comparación entre el almacenamiento de calor latente y el almacenamiento de calor sensible muestra que en el almacenamiento de calor latente las densidades de almacenamiento son típicamente de 5 a 10 veces más altas.

En general, los efectos de calor latente asociados con el cambio de fase son significativos. El calor latente , conocido también como la entalpía de vaporización (cambio de fase de líquido a vapor) o entalpía de fusión (cambio de fase de sólido a líquido), es la cantidad de calor agregado o eliminado de una sustancia para producir un cambio en fase. Esta energía descompone las fuerzas de atracción intermoleculares, y también debe proporcionar la energía necesaria para expandir la sustancia (el trabajo pΔV ). Cuando se agrega calor latente , no ocurre cambio de temperatura.

Material de cambio de fase

Los materiales de cambio de fase (PCM) son materiales de almacenamiento de calor latente. Es posible encontrar materiales con un calor latente de fusión y temperatura de fusión dentro del rango deseado. El PCM que se utilizará en el diseño de sistemas de almacenamiento térmico debe lograr propiedades termofísicas, cinéticas y químicas deseables.

Propiedades termofísicas

  • Temperatura de transición de fase adecuada para la aplicación específica.
  • Alto calor latente de transición de fase para ocupar el mínimo volumen posible. .
  • Temperatura de fusión en el rango de temperatura de funcionamiento deseado.
  • Alto calor específico para proporcionar un almacenamiento adicional significativo de calor sensible.
  • Alta conductividad térmica para minimizar el gradiente de temperatura y ayudar a la carga y descarga de energía de los sistemas de almacenamiento.
  • Pequeños cambios de volumen en la transformación de fase y pequeña presión de vapor a temperaturas de operación para reducir el problema de contención.

Propiedades cinéticas

  • Alta velocidad de nucleación para evitar el sobreenfriamiento de la fase líquida.
  • Alta tasa de crecimiento de cristales, por lo que el sistema puede satisfacer las demandas de recuperación de calor del sistema de almacenamiento.

Propiedades químicas

  • Materiales no tóxicos, no inflamables y no explosivos por razones de seguridad.
  • Estabilidad química a largo plazo y ciclo de fusión / congelación reversible completo.
  • Sin degradación después de una gran cantidad de ciclos de congelación / fusión.
  • Baja corrosividad

Finalmente, el material debe ser abundante, disponible y barato para ayudar a la viabilidad del uso del sistema de almacenamiento.

Hay una gran cantidad de PCM, se pueden dividir en tres grupos:

  • PCM orgánicos
  • PCM inorgánicos
  • PCM eutécticos

Como ejemplo, el almacenamiento de energía térmica se puede utilizar en estaciones de energía solar de concentración (CSP), en las que la principal ventaja es la capacidad de almacenar energía de manera eficiente, lo que permite el envío de electricidad durante un período de hasta 24 horas. En una planta de CSP que incluye almacenamiento, la energía solar se usa primero para calentar la sal fundida o el aceite sintético para almacenar energía térmica a alta temperatura en tanques aislados. Más tarde, la sal fundida caliente se usa para la producción de vapor para generar electricidad mediante un turbogenerador de vapor según los requisitos. El uso de calor latente y calor sensible en la concentración de estaciones de energía solar es posible con el aporte térmico solar de alta temperatura. Diversas mezclas eutécticas de metales, como el aluminio y el silicio (AlSi12) ofrecen un alto punto de fusión (577 ° C) adecuado para la generación eficiente de vapor,

Almacenamiento termoquímico

Uno de los tres enfoques posibles para el almacenamiento de energía térmica es utilizar reacciones termoquímicas reversibles . La ventaja más importante del método de almacenamiento termoquímico es que la entalpía de reacción es considerablemente mayor que el calor específico o el calor de fusión. Por lo tanto, la densidad de almacenamiento es mucho mejor. En las reacciones químicas , la energía se almacena en los enlaces químicos entre los átomos que forman las moléculas. Almacen de energiaa nivel atómico incluye energía asociada con estados orbitales de electrones. Ya sea que una reacción química absorba o libere energía, no hay un cambio general en la cantidad de energía durante la reacción. Eso se debe a la ley de conservación de la energía , que establece que:

La energía no puede ser creada o destruida . La energía puede cambiar de forma durante una reacción química .

Un ejemplo de un sistema de almacenamiento experimental basado en la energía de reacción química es la tecnología de hidrato de sal . El sistema es especialmente ventajoso para el almacenamiento estacional de energía térmica . El sistema utiliza la energía de reacción creada cuando las sales se hidratan o deshidratan. Funciona almacenando calor en un recipiente que contiene una solución de hidróxido de sodio al 50% (NaOH). El calor (por ejemplo, mediante el uso de un colector solar) se almacena evaporando el agua en una reacción endotérmica. Cuando se agrega agua nuevamente, se libera calor en una reacción exotérmica a 50 ° C. Los sistemas actuales operan al 60% de eficiencia.

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

Qué es el perfil de temperatura – Combustible nuclear – Definición

por
Perfil de temperatura – Combustible nuclear. Este ejemplo muestra cómo calcular la distribución de temperatura y el perfil de temperatura, T (r), en la pastilla de combustible. Ingenieria termal

Perfil de temperatura – Combustible nuclear

Combustible nuclear - Temperaturas

Ver también: generación de calor en reactores nucleares

Ver también: temperatura de la superficie del revestimiento

La mayoría de los PWR utilizan el combustible de uranio , que está en forma de dióxido de uranio . El dióxido de uranio es un sólido semiconductor negro con muy baja conductividad térmica. Por otro lado, el dióxido de uranio tiene un punto de fusión muy alto y tiene un comportamiento bien conocido. El UO 2 se presiona en gránulos cilíndricos , estos gránulos se sinterizan en el sólido.

Estos gránulos cilíndricos se cargan y encapsulan dentro de una barra de combustible (o pasador de combustible), que está hecha de aleaciones de circonio debido a su sección transversal de muy baja absorción (a diferencia del acero inoxidable). La superficie del tubo, que cubre los gránulos, se llama revestimiento de combustible .

Ver también:  conducción térmica de dióxido de uranio

El comportamiento térmico y mecánico de las pastillas de combustible  y las barras de combustible constituyen una de las tres disciplinas clave de diseño principales. El combustible nuclear se opera en condiciones muy inhóspitas (térmicas, de radiación, mecánicas) y debe soportar un funcionamiento superior al normal. Por ejemplo, las temperaturas en el centro de los gránulos de combustible alcanzan más de 1000 ° C (1832 ° F) acompañadas de liberaciones de gases de fisión. Por lo tanto, el conocimiento detallado de la distribución de temperatura dentro de una sola barra de combustible es esencial para la operación segura del combustible nuclear. En esta sección estudiaremos la ecuación de conducción de calor en coordenadas cilíndricas.usando la condición de límite de Dirichlet con la temperatura de superficie dada (es decir, usando la condición de límite de Dirichlet). El análisis exhaustivo del perfil de temperatura de la barra de combustible se estudiará en una sección separada.

Temperatura en la línea central de una pastilla de combustible

Considere la pastilla de combustible de radio r U = 0.40 cm , en la cual hay una generación de calor uniforme y constante por unidad de volumen, q V [W / m 3 ] . En lugar de la tasa de calor volumétrica q V [W / m 3 ], los ingenieros a menudo usan la tasa de calor lineal, q L [W / m] , que representa la tasa de calor de un metro de varilla de combustible. La tasa de calor lineal se puede calcular a partir de la tasa de calor volumétrica mediante:

tasa de calor lineal vs tasa de calor volumétrica

La línea central se toma como el origen de la coordenada r. Debido a la simetría en la dirección zy en la dirección azimutal, podemos separar las variables y simplificar este problema a un problema unidimensional . Por lo tanto, resolveremos la temperatura solo en función del radio, T (r) . Para una conductividad térmica constante , k, la forma apropiada de la ecuación de calor cilíndrica , es:

ecuación de calor - cilíndrica - 2

La solución general de esta ecuación es:

ecuación de calor - cilíndrica - solución general

donde C 1 y C 2 son las constantes de la integración.

Conducción térmica - pellet de combustibleCalcule la distribución de temperatura, T (r) , en esta pastilla de combustible, si:

  • las temperaturas en la superficie del pellet de combustible son T U = 420 ° C
  • el radio de la pastilla de combustible r U = 4 mm .
  • la conductividad promedio del material es k = 2.8 W / mK (corresponde a dióxido de uranio a 1000 ° C)
  • la tasa de calor lineal es q L = 300 W / cm y, por lo tanto, la tasa de calor volumétrica es q V = 597 x 10 6 W / m 3

En este caso, la superficie se mantiene a temperaturas dadas T U . Esto corresponde a la condición límite de Dirichlet . Además, este problema es térmicamente simétrico y, por lo tanto, podemos usar también la condición de límite de simetría térmica . Las constantes pueden evaluarse utilizando la sustitución en la solución general y tienen la forma:

ecuación de calor - cilíndrica - condiciones de contorno

La distribución de temperatura resultante y la temperatura de la línea central (r = 0) (máxima) en esta pastilla de combustible cilíndrica en estas condiciones límite específicas serán:

ecuación de calor - cilíndrica - solución

El flujo de calor radial en cualquier radio, q r [Wm -1 ], en el cilindro puede, por supuesto, determinarse usando la distribución de temperatura y con la ley de Fourier . Tenga en cuenta que, con la generación de calor, el flujo de calor ya no es independiente de r.

La siguiente figura muestra la distribución de temperatura en la pastilla de combustible a varios niveles de potencia.

Distribución de temperatura - combustible nuclear

______

La temperatura en un reactor en funcionamiento varía de un punto a otro dentro del sistema. Como consecuencia, siempre hay una barra de combustible y un volumen local , que están más calientes  que el resto. Con el fin de limitar estos lugares calientes los límites de potencia de pico deben ser introducidos. Los límites de potencia máxima están asociados con una crisis de ebullición y con las condiciones que podrían causar la fusión de los pellets de combustible. Sin embargo, las consideraciones metalúrgicas imponen límites superiores a la temperatura del revestimiento de combustible y la pastilla de combustible. Por encima de estas temperaturasExiste el peligro de que el combustible se dañe. Uno de los objetivos principales en el diseño de reactores nucleares es proporcionar la eliminación del calor producido al nivel de potencia deseado, mientras se asegura que la temperatura máxima del combustible y la temperatura máxima del revestimiento estén siempre por debajo de estos valores predeterminados.

Ver también:  temperatura de la superficie del revestimiento

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

¿Qué es el Reactivo refrigerante delta T? – Balance de energía – Definición

por
Reactor Coolant delta T – Balance de energía. La potencia térmica producida por un reactor está directamente relacionada con el caudal másico del refrigerante del reactor y la diferencia de temperatura a través del núcleo. Ingenieria termal

Reactivo refrigerante delta T – Balance energético

Otra relación muy útil es que la potencia térmica producida por un reactor está directamente relacionada con la velocidad de flujo másico del refrigerante del reactor y la diferencia de temperatura a través del núcleo.

ecuación de balance de energía - reactor

Sobre una base termodinámica directa, esta generación de calor también está relacionada con la diferencia de temperatura del fluido a través del núcleo y la velocidad de flujo másico del fluido que pasa a través del núcleo. Por lo tanto, el tamaño del núcleo del reactor depende y está limitado por la gran cantidad de líquido que puede pasar a través del núcleo para eliminar la energía térmica generada . Tenga en cuenta que, en PWR , la temperatura de salida del núcleo es limitada. En un reactor de agua a presión típico, el refrigerante primario caliente ( agua 330 ° C; 626 ° F ) se bombea al generador de vapora través de la entrada primaria. Esto requiere mantener presiones muy altas para mantener el agua en estado líquido. Para evitar la ebullición del refrigerante primario y proporcionar un margen de subenfriamiento (la diferencia entre la temperatura del presurizador y la temperatura más alta en el núcleo del reactor), las presiones alrededor de 16 MPa son típicas para los PWR . El recipiente a presión del reactor es el componente clave, que limita la eficiencia térmica de cada central nuclear , ya que el recipiente del reactor debe soportar altas presiones. Muchos otros factores afectan la cantidad de calor generado dentro del núcleo de un reactor, pero su tasa de generación limitante se basa en la cantidad de energía que el refrigerante puede transportar de manera segura.

 

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¿Qué es la producción de calor en elementos combustibles? Definición

por
Producción de calor en elementos combustibles. En los elementos combustibles, el calor es producido por varios mecanismos. Este artículo describe la producción de calor en elementos de combustible típicos. Ingenieria termal

Producción de calor en elementos combustibles

En los reactores nucleares , existe una proporcionalidad directa entre el flujo de neutronesy la potencia térmica del reactor . Esta proporcionalidad está determinada por la velocidad de reacción de fisión por unidad de volumen ( RR = Ф. Σ ). La velocidad de reacción de fisión dentro de un reactor nuclear está controlada por varios factores. Por simplicidad, supongamos que el material fisionable está distribuido uniformemente en el reactor. En este caso, las secciones transversales macroscópicas son independientes de la posición. Multiplicar la velocidad de reacción de fisión por unidad de volumen ( RR = Ф. Σ ) por el volumen totaldel núcleo (V) nos da el número total de reacciones que ocurren en el núcleo del reactor por unidad de tiempo. Pero también sabemos que la cantidad de energía liberada por cada reacción de fisión es de aproximadamente 200 MeV / fisión . Ahora, es posible determinar la velocidad de liberación de energía  (potencia) debido a la reacción de fisión. Se da mediante la siguiente ecuación:

P = RR. E r . V = Ф. Σ f . E r . V = Ф. N U235 . σ f 235 . E r . V

dónde:

P – potencia del reactor (MeV.s -1 )

Ф – flujo de neutrones (neutrones.cm -2 .s -1 )

σ – sección transversal microscópica (cm 2 )

N – densidad de número atómico (átomos.cm -3 )

Er – la energía recuperable promedio por fisión (MeV / fisión)

V – volumen total del núcleo (m 3 )

En general, la fisión nuclear da como resultado la liberación de enormes cantidades de energía . La cantidad de energía depende fuertemente del núcleo a ser fisionado y también depende fuertemente de la energía cinética de un neutrón incidente . Para calcular la potencia de un reactor, es necesario poder identificar con precisión los componentes individuales de esta energía . Al principio, es importante distinguir entre la energía total liberada y la energía que se puede recuperar en un reactor .

Liberación de energía por fisiónLa energía total liberada en la fisión puede calcularse a partir de las energías de unión del núcleo objetivo inicial a ser fisionadas y las energías de unión de los productos de fisión . Pero no toda la energía total se puede recuperar en un reactor. Por ejemplo, se liberan alrededor de 10 MeV en forma de neutrinos (de hecho, antineutrinos ). Dado que los neutrinos están interactuando débilmente (con una sección transversal extremadamente baja de cualquier interacción), no contribuyen a la energía que se puede recuperar en un reactor.

Como se puede ver en la tabla, la energía total liberada en un reactor es de aproximadamente 210 MeV por 235 U de fisión , distribuida como se muestra en la tabla. En un reactor, la energía recuperable promedio por fisión es de aproximadamente 200 MeV , siendo la energía total menos la energía de la energía de los antineutrinos que se irradian. Esto significa que alrededor de 3,1 ⋅ 10 10 fisiones por segundo se requieren para producir una potencia de 1 W . Dado que 1 gramo de cualquier material fisible contiene aproximadamente 2.5 x 10 21 núcleos, la fisión de 1 gramo de material fisionable produce aproximadamente 1 megavatio-día (MWd) de energía térmica.

Energía nuclear - Calor de decaimiento
Fuentes de energía térmica en la operación de potencia del reactor de agua a presión.

Como se puede ver en la descripción de los componentes individuales de la energía energética total liberada durante la reacción de fisión, se genera una cantidad significativa de energía fuera del combustible nuclear (barras de combustible externas). Especialmente la energía cinética de los neutrones rápidos se genera en gran medida en el refrigerante ( moderador ) . Este fenómeno necesita ser incluido en los cálculos nucleares.

Reflector de neutrones
Reflector de neutrones dentro de un núcleo de reactor de LWR. Es solo un ejemplo ilustrativo.

Para LWR , generalmente se acepta que aproximadamente el 2.5% de la energía total se recupera en el moderador . Esta fracción de energía depende de los materiales, su disposición dentro del reactor y, por lo tanto, del tipo de reactor.

También debe agregarse, también las otras partes internas del reactor deben enfriarse lo suficiente para evitar el sobrecalentamiento de sus materiales de construcción. Uno de los componentes más expuestos es el reflector de neutrones , especialmente el reflector pesado. Mientras actúa como un escudo de neutrones, el reflector pesado se calienta debido a la absorción de la  radiación gamma . Para evitar el sobrecalentamiento, el calor en el reflector es eliminado por el agua que fluye a través de los canales de enfriamiento perforados a través del reflector.

Ver también: liberación de energía por fisión

Ver también: calor residual

Perfil de temperatura – Combustible nuclear

Combustible nuclear - TemperaturasLa mayoría de los PWR utilizan el combustible de uranio , que está en forma de dióxido de uranio . El dióxido de uranio es un sólido semiconductor negro con muy baja conductividad térmica. Por otro lado, el dióxido de uranio tiene un punto de fusión muy alto y tiene un comportamiento bien conocido. El UO 2 se presiona en gránulos cilíndricos , estos gránulos se sinterizan en el sólido.

Estos gránulos cilíndricos se cargan y encapsulan dentro de una barra de combustible (o pasador de combustible), que está hecha de aleaciones de circonio debido a su sección transversal de muy baja absorción (a diferencia del acero inoxidable). La superficie del tubo, que cubre los gránulos, se llama revestimiento de combustible .

Ver también:  conducción térmica de dióxido de uranio

El comportamiento térmico y mecánico de las pastillas de combustible  y las barras de combustible constituyen una de las tres disciplinas clave de diseño principales. El combustible nuclear se opera en condiciones muy inhóspitas (térmicas, de radiación, mecánicas) y debe soportar un funcionamiento superior al normal. Por ejemplo, las temperaturas en el centro de los gránulos de combustible alcanzan más de 1000 ° C (1832 ° F) acompañadas de liberaciones de gases de fisión. Por lo tanto, el conocimiento detallado de la distribución de temperatura dentro de una sola barra de combustible es esencial para la operación segura del combustible nuclear. En esta sección estudiaremos la ecuación de conducción de calor en coordenadas cilíndricas.usando la condición de límite de Dirichlet con la temperatura de superficie dada (es decir, usando la condición de límite de Dirichlet). El análisis exhaustivo del perfil de temperatura de la barra de combustible se estudiará en una sección separada.

Temperatura en la línea central de una pastilla de combustible

Considere la pastilla de combustible de radio r U = 0.40 cm , en la cual hay una generación de calor uniforme y constante por unidad de volumen, q V [W / m 3 ] . En lugar de la tasa de calor volumétrica q V [W / m 3 ], los ingenieros a menudo usan la tasa de calor lineal, q L [W / m] , que representa la tasa de calor de un metro de varilla de combustible. La tasa de calor lineal se puede calcular a partir de la tasa de calor volumétrica mediante:

tasa de calor lineal vs tasa de calor volumétrica

La línea central se toma como el origen de la coordenada r. Debido a la simetría en la dirección z y en la dirección azimutal, podemos separar las variables y simplificar este problema a un problema unidimensional . Por lo tanto, resolveremos la temperatura solo en función del radio, T (r) . Para una conductividad térmica constante , k, la forma apropiada de la ecuación de calor cilíndrica , es:

ecuación de calor - cilíndrica - 2

La solución general de esta ecuación es:

ecuación de calor - cilíndrica - solución general

donde C 1 y C 2 son las constantes de la integración.

Conducción térmica - pellet de combustibleCalcule la distribución de temperatura, T (r) , en esta pastilla de combustible, si:

  • las temperaturas en la superficie del pellet de combustible son T U = 420 ° C
  • el radio de la pastilla de combustible r U = 4 mm .
  • la conductividad promedio del material es k = 2.8 W / mK (corresponde a dióxido de uranio a 1000 ° C)
  • la tasa de calor lineal es q L = 300 W / cm y, por lo tanto, la tasa de calor volumétrica es q V = 597 x 10 6 W / m 3

En este caso, la superficie se mantiene a temperaturas dadas T U . Esto corresponde a la condición límite de Dirichlet . Además, este problema es térmicamente simétrico y, por lo tanto, podemos usar también la condición de límite de simetría térmica . Las constantes pueden evaluarse utilizando la sustitución en la solución general y tienen la forma:

ecuación de calor - cilíndrica - condiciones de contorno

La distribución de temperatura resultante y la temperatura de la línea central (r = 0) (máxima) en esta pastilla de combustible cilíndrica en estas condiciones límite específicas serán:

ecuación de calor - cilíndrica - solución

El flujo de calor radial en cualquier radio, q r [Wm -1 ], en el cilindro puede, por supuesto, determinarse usando la distribución de temperatura y con la ley de Fourier . Tenga en cuenta que, con la generación de calor, el flujo de calor ya no es independiente de r.

La siguiente figura muestra la distribución de temperatura en la pastilla de combustible a varios niveles de potencia.

Distribución de temperatura - combustible nuclear

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La temperatura en un reactor en funcionamiento varía de un punto a otro dentro del sistema. Como consecuencia, siempre hay una barra de combustible y un volumen local , que están más calientes  que el resto. Con el fin de limitar estos lugares calientes los límites de potencia de pico deben ser introducidos. Los límites de potencia máxima están asociados con una crisis de ebullición y con las condiciones que podrían causar la fusión de los pellets de combustible. Sin embargo, las consideraciones metalúrgicas imponen límites superiores a la temperatura del revestimiento de combustible y la pastilla de combustible. Por encima de estas temperaturasExiste el peligro de que el combustible se dañe. Uno de los objetivos principales en el diseño de reactores nucleares es proporcionar la eliminación del calor producido al nivel de potencia deseado, mientras se asegura que la temperatura máxima del combustible y la temperatura máxima del revestimiento estén siempre por debajo de estos valores predeterminados.

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

¿Qué es la generación de calor? Definición

por
Es esencial que se mantenga el equilibrio entre la generación de calor y la tasa de eliminación de calor para evitar estas temperaturas que podrían provocar la falla del combustible u otros materiales estructurales. Ingenieria termal

Generación de calor en reactores nucleares

Como se escribió, una planta de energía nuclear (estación de energía nuclear) se parece a una estación de energía térmica estándar con una excepción. La fuente de calor en la central nuclear es un reactor nuclear . Como es típico en todas las centrales térmicas convencionales, el calor se utiliza para generar vapor que impulsa una turbina de vapor conectada a un generador que produce electricidad. Pero en las centrales nucleares, los reactores producen una enorme cantidad de calor (energía) en un pequeño volumen . La densidad de la generación de energía es muy grande y esto exige mucho a su sistema de transferencia de calor (sistema de refrigeración del reactor).

Distribución de energía - Reactor nuclear
En los núcleos de reactores comerciales, la distribución del flujo está significativamente influenciada por muchos factores. Simplemente, no hay coseno y J0 en el reactor de potencia comercial en la operación de potencia.

Para que un reactor funcione en un estado estable, todo el calor liberado en el sistema debe eliminarse tan rápido como se produce . Esto se logra haciendo pasar un líquido refrigerante gaseoso a través del núcleo y a través de otras regiones donde se genera calor. La transferencia de calor debe ser igual o mayor que la tasa de generación de calor o sobrecalentamiento y puede producirse un posible daño al combustible. La naturaleza y el funcionamiento de este sistema de refrigeración es una de las consideraciones más importantes en el diseño de un reactor nuclear.

Cabe señalar que, desde un punto de vista estrictamente nuclear, en teoría no existe un límite superior para la potencia térmica del reactor, que puede ser alcanzado por cualquier reactor crítico que tenga un exceso de reactividad suficiente para superar sus retroalimentaciones de temperatura negativas. En cada reactor nuclear , existe una proporcionalidad directa entre el flujo de neutrones y la potencia térmica del reactor . El término energía térmica se usa generalmente, porque significa la velocidad a la que se produce calor en el núcleo del reactor como resultado de fisión en el combustible. Además, durante un período corto, un reactor crítico no necesita tener un alto exceso de reactividad como en el caso de excursiones de reactividad rápidas.

En resumen, casi cualquier reactor puede superar la capacidad de eliminación de calor de su sistema de refrigeración. Más allá de este punto, el combustible se calienta y puede alcanzar temperaturas muy altas. El operador del reactor y los sistemas de seguridad del reactor deben evitar esta situación. Es esencial que se mantenga el equilibrio entre la generación de calor y la tasa de eliminación de calor para evitar estas temperaturas que podrían provocar la falla del combustible u otros materiales estructurales. En la ingeniería de reactores, la hidráulica térmica de los reactores nucleares describe el esfuerzo que implica el acoplamiento de la transferencia de calor y la dinámica de fluidos para lograr la tasa de eliminación de calor deseada del núcleo en condiciones normales de operación y accidente.

Producción de calor en elementos combustibles

En los reactores nucleares , existe una proporcionalidad directa entre el flujo de neutronesy la potencia térmica del reactor . Esta proporcionalidad está determinada por la velocidad de reacción de fisión por unidad de volumen ( RR = Ф. Σ ). La velocidad de reacción de fisión dentro de un reactor nuclear está controlada por varios factores. Por simplicidad, supongamos que el material fisionable está distribuido uniformemente en el reactor. En este caso, las secciones transversales macroscópicas son independientes de la posición. Multiplicar la velocidad de reacción de fisión por unidad de volumen ( RR = Ф. Σ ) por el volumen totaldel núcleo (V) nos da el número total de reacciones que ocurren en el núcleo del reactor por unidad de tiempo. Pero también sabemos que la cantidad de energía liberada por cada reacción de fisión es de aproximadamente 200 MeV / fisión . Ahora, es posible determinar la velocidad de liberación de energía  (potencia) debido a la reacción de fisión. Se da mediante la siguiente ecuación:

P = RR. E r . V = Ф. Σ f . E r . V = Ф. N U235 . σ f 235 . E r . V

dónde:

P – potencia del reactor (MeV.s -1 )

Ф – flujo de neutrones (neutrones.cm -2 .s -1 )

σ – sección transversal microscópica (cm 2 )

N – densidad de número atómico (átomos.cm -3 )

Er – la energía recuperable promedio por fisión (MeV / fisión)

V – volumen total del núcleo (m 3 )

 

En general, la fisión nuclear da como resultado la liberación de enormes cantidades de energía . La cantidad de energía depende fuertemente del núcleo a ser fisionado y también depende fuertemente de la energía cinética de un neutrón incidente . Para calcular la potencia de un reactor, es necesario poder identificar con precisión los componentes individuales de esta energía . Al principio, es importante distinguir entre la energía total liberada y la energía que se puede recuperar en un reactor .

Liberación de energía por fisiónLa energía total liberada en la fisión puede calcularse a partir de las energías de unión del núcleo objetivo inicial a ser fisionadas y las energías de unión de los productos de fisión . Pero no toda la energía total se puede recuperar en un reactor. Por ejemplo, se liberan alrededor de 10 MeV en forma de neutrinos (de hecho, antineutrinos ). Dado que los neutrinos están interactuando débilmente (con una sección transversal extremadamente baja de cualquier interacción), no contribuyen a la energía que se puede recuperar en un reactor.

Como se puede ver en la tabla, la energía total liberada en un reactor es de aproximadamente 210 MeV por 235 U de fisión , distribuida como se muestra en la tabla. En un reactor, la energía recuperable promedio por fisión es de aproximadamente 200 MeV , siendo la energía total menos la energía de la energía de los antineutrinos que se irradian. Esto significa que alrededor de 3,1 ⋅ 10 10 fisiones por segundo se requieren para producir una potencia de 1 W . Dado que 1 gramo de cualquier material fisible contiene aproximadamente 2.5 x 10 21 núcleos, la fisión de 1 gramo de material fisionable produce aproximadamente 1 megavatio-día (MWd) de energía térmica.

Energía nuclear - Calor de decaimiento
Fuentes de energía térmica en la operación de potencia del reactor de agua a presión.

Como se puede ver en la descripción de los componentes individuales de la energía energética total liberada durante la reacción de fisión, se genera una cantidad significativa de energía fuera del combustible nuclear (barras de combustible externas). Especialmente la energía cinética de los neutrones rápidos se genera en gran medida en el refrigerante ( moderador ) . Este fenómeno necesita ser incluido en los cálculos nucleares.

Reflector de neutrones
Reflector de neutrones dentro de un núcleo de reactor de LWR. Es solo un ejemplo ilustrativo.

Para LWR , generalmente se acepta que aproximadamente el 2.5% de la energía total se recupera en el moderador . Esta fracción de energía depende de los materiales, su disposición dentro del reactor y, por lo tanto, del tipo de reactor.

También debe agregarse, también las otras partes internas del reactor deben enfriarse lo suficiente para evitar el sobrecalentamiento de sus materiales de construcción. Uno de los componentes más expuestos es el reflector de neutrones , especialmente el reflector pesado. Mientras actúa como un escudo de neutrones, el reflector pesado se calienta debido a la absorción de la  radiación gamma . Para evitar el sobrecalentamiento, el calor en el reflector es eliminado por el agua que fluye a través de los canales de enfriamiento perforados a través del reflector.

Ver también: liberación de energía por fisión

Ver también: calor residual

Distribución de energía en núcleos de reactores convencionales

Cabe señalar que la forma de flujo derivada de la teoría de la difusión es solo un caso teórico en un reactor cilíndrico homogéneo uniforme a bajos niveles de potencia (con ” criticidad de potencia cero “). Supusimos implícitamente que el núcleo que consta de miles de elementos de combustible y control, refrigerante y estructura puede representarse mediante una mezcla homogénea efectiva. Esta es una suposición muy fuerte , porque no tiene en cuenta la heterogeneidad de un núcleo.

Ver también: Ecuación de difusión – Reactor cilíndrico finito

En los núcleos de reactores comerciales, la distribución del flujo está significativamente influenciada por muchos factores. Uno de los aspectos más importantes es la heterogeneidad del ensamblaje del moderador de combustible. Este problema es muy complejo y se describe por separado en:

Ver también: Distribución de energía

Límites térmicos

La temperatura en un reactor en funcionamiento varía de un punto a otro dentro del sistema. Como consecuencia, siempre hay una barra de combustible y un volumen local , que están más calientes que el resto. Con el fin de limitar estos lugares calientes los límites de potencia de pico deben ser introducidos. Los límites de potencia máxima están asociados con fenómenos tales como la salida de la ebullición de los nucleados y con las condiciones que podrían causar la fusión del granulado de combustible.

Por lo tanto, la distribución de energía dentro del núcleo debe estar adecuadamente limitada. Estas limitaciones generalmente se dividen en dos categorías básicas:

Reactivo refrigerante delta T – Balance energético

Otra relación muy útil es que la potencia térmica producida por un reactor está directamente relacionada con el caudal másico del refrigerante del reactor y la diferencia de temperatura a través del núcleo.

ecuación de balance de energía - reactor

Sobre una base termodinámica directa, esta generación de calor también está relacionada con la diferencia de temperatura del fluido a través del núcleo y la velocidad de flujo másico del fluido que pasa a través del núcleo. Por lo tanto, el tamaño del núcleo del reactor depende y está limitado por la gran cantidad de líquido que puede pasar a través del núcleo para eliminar la energía térmica generada . Tenga en cuenta que, en PWR , la temperatura de salida del núcleo es limitada. En un reactor típico de agua a presión, el refrigerante primario caliente ( agua 330 ° C; 626 ° F ) se bombea al generador de vapora través de la entrada primaria. Esto requiere mantener presiones muy altas para mantener el agua en estado líquido. Para evitar la ebullición del refrigerante primario y proporcionar un margen de subenfriamiento (la diferencia entre la temperatura del presurizador y la temperatura más alta en el núcleo del reactor), las presiones alrededor de 16 MPa son típicas para los PWR . El recipiente a presión del reactor es el componente clave, que limita la eficiencia térmica de cada planta de energía nuclear , ya que el recipiente del reactor debe soportar altas presiones. Muchos otros factores afectan la cantidad de calor generado dentro del núcleo de un reactor, pero su tasa de generación limitante se basa en la cantidad de energía que el refrigerante puede transportar de manera segura.

Perfil de temperatura – Combustible nuclear

Combustible nuclear - TemperaturasVer también:  temperatura de la superficie del revestimiento

La mayoría de los PWR utilizan el combustible de uranio , que está en forma de dióxido de uranio . El dióxido de uranio es un sólido semiconductor negro con muy baja conductividad térmica. Por otro lado, el dióxido de uranio tiene un punto de fusión muy alto y tiene un comportamiento bien conocido. El UO 2 se presiona en gránulos cilíndricos , estos gránulos se sinterizan en el sólido.

Estos gránulos cilíndricos se cargan y encapsulan dentro de una barra de combustible (o pasador de combustible), que está hecha de aleaciones de circonio debido a su sección transversal de muy baja absorción (a diferencia del acero inoxidable). La superficie del tubo, que cubre los gránulos, se llama revestimiento de combustible .

Ver también:  conducción térmica de dióxido de uranio

El comportamiento térmico y mecánico de las pastillas de combustible  y las barras de combustible constituyen una de las tres disciplinas clave de diseño principales. El combustible nuclear se opera en condiciones muy inhóspitas (térmicas, de radiación, mecánicas) y debe soportar un funcionamiento superior al normal. Por ejemplo, las temperaturas en el centro de los gránulos de combustible alcanzan más de 1000 ° C (1832 ° F) acompañadas de liberaciones de gases de fisión. Por lo tanto, el conocimiento detallado de la distribución de temperatura dentro de una sola barra de combustible es esencial para la operación segura del combustible nuclear. En esta sección estudiaremos la ecuación de conducción de calor en coordenadas cilíndricas.usando la condición de límite de Dirichlet con la temperatura de superficie dada (es decir, usando la condición de límite de Dirichlet). El análisis exhaustivo del perfil de temperatura de la barra de combustible se estudiará en una sección separada.

Temperatura en la línea central de una pastilla de combustible

Considere la pastilla de combustible de radio r U = 0.40 cm , en la cual hay una generación de calor uniforme y constante por unidad de volumen, q V [W / m 3 ] . En lugar de la tasa de calor volumétrica q V [W / m 3 ], los ingenieros a menudo usan la tasa de calor lineal, q L [W / m] , que representa la tasa de calor de un metro de varilla de combustible. La tasa de calor lineal se puede calcular a partir de la tasa de calor volumétrica mediante:

tasa de calor lineal vs tasa de calor volumétrica

La línea central se toma como el origen de la coordenada r. Debido a la simetría en la dirección z y en la dirección azimutal, podemos separar las variables y simplificar este problema a un problema unidimensional . Por lo tanto, resolveremos la temperatura solo en función del radio, T (r) . Para una conductividad térmica constante , k, la forma apropiada de la ecuación de calor cilíndrica , es:

ecuación de calor - cilíndrica - 2

La solución general de esta ecuación es:

ecuación de calor - cilíndrica - solución general

donde C 1 y C 2 son las constantes de la integración.

Conducción térmica - pellet de combustibleCalcule la distribución de temperatura, T (r) , en esta pastilla de combustible, si:

  • las temperaturas en la superficie del pellet de combustible son T U = 420 ° C
  • el radio de la pastilla de combustible r U = 4 mm .
  • la conductividad promedio del material es k = 2.8 W / mK (corresponde a dióxido de uranio a 1000 ° C)
  • la tasa de calor lineal es q L = 300 W / cm y, por lo tanto, la tasa de calor volumétrica es q V = 597 x 10 6 W / m 3

En este caso, la superficie se mantiene a temperaturas dadas T U . Esto corresponde a la condición límite de Dirichlet . Además, este problema es térmicamente simétrico y, por lo tanto, podemos usar también la condición de límite de simetría térmica . Las constantes pueden evaluarse utilizando la sustitución en la solución general y tienen la forma:

ecuación de calor - cilíndrica - condiciones de contorno

La distribución de temperatura resultante y la temperatura de la línea central (r = 0) (máxima) en esta pastilla de combustible cilíndrica en estas condiciones límite específicas serán:

ecuación de calor - cilíndrica - solución

El flujo de calor radial en cualquier radio, q r [Wm -1 ], en el cilindro puede, por supuesto, determinarse usando la distribución de temperatura y con la ley de Fourier . Tenga en cuenta que, con la generación de calor, el flujo de calor ya no es independiente de r.

La siguiente figura muestra la distribución de temperatura en la pastilla de combustible a varios niveles de potencia.

Distribución de temperatura - combustible nuclear

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La temperatura en un reactor en funcionamiento varía de un punto a otro dentro del sistema. Como consecuencia, siempre hay una barra de combustible y un volumen local , que están más calientes  que el resto. Con el fin de limitar estos lugares calientes los límites de potencia de pico deben ser introducidos. Los límites de potencia máxima están asociados con una crisis de ebullición y con las condiciones que podrían causar la fusión de los pellets de combustible. Sin embargo, las consideraciones metalúrgicas imponen límites superiores a la temperatura del revestimiento de combustible y la pastilla de combustible. Por encima de estas temperaturasExiste el peligro de que el combustible se dañe. Uno de los objetivos principales en el diseño de reactores nucleares es proporcionar la eliminación del calor producido al nivel de potencia deseado, mientras se asegura que la temperatura máxima del combustible y la temperatura máxima del revestimiento estén siempre por debajo de estos valores predeterminados.

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¿Qué es el intercambiador de calor regenerativo? Definición

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Intercambiador de calor regenerativo. Regenerator es un tipo de intercambiador de calor donde el calor del fluido caliente se almacena de forma intermitente en un medio de almacenamiento térmico antes de ser transferido al fluido frío. Ingenieria termal

Intercambiador de calor regenerativo

En general, los  intercambiadores de calor  utilizados en la regeneración pueden clasificarse como  regeneradores  o  recuperadores .

  • Regenerador (Intercambiador de calor regenerativo)  es un tipo de intercambiador de calor donde el calor del fluido caliente se almacena de forma intermitente en un medio de almacenamiento térmico antes de ser transferido al fluido frío. Tiene una única ruta de flujo en la que los fluidos calientes y fríos pasan alternativamente.
  • El recuperador  es un tipo de intercambiador de calor que tiene  rutas de flujo separadas  para cada fluido a lo largo de sus propios pasos y el calor se transfiere a través de las paredes de separación. Los recuperadores (p. Ej. Economizadores) a menudo se utilizan en ingeniería de energía, para aumentar la eficiencia general de los ciclos termodinámicos. Por ejemplo, en un motor de turbina de gas. El recuperador transfiere parte del calor residual en el escape al aire comprimido, precalentando así antes de ingresar a la cámara de combustión. Muchos recuperadores están diseñados como   intercambiadores de calor de contraflujo .

Regeneración de calor

En la teoría de las turbinas de vapor, se pueden lograr aumentos significativos en la eficiencia térmica de la turbina de vapor mediante la reducción de la  cantidad de combustible  que se debe agregar a la caldera. Esto se puede hacer transfiriendo calor (por ejemplo, vapor parcialmente expandido) desde ciertas secciones de la turbina de vapor, que normalmente está muy por encima de la temperatura ambiente, al agua de alimentación. Este proceso se conoce como  regeneración de calor  y se puede usar una variedad de regeneradores de  calor  para este propósito. A veces, los ingenieros usan el término  economizador  que son intercambiadores de calor destinados a reducir el consumo de energía, especialmente en caso de  precalentamiento de un fluido .

Como se puede ver en el artículo ” Generador de vapor “, el agua de alimentación (circuito secundario) en la entrada del generador de vapor puede tener aproximadamente  ~ 230 ° C (446 ° F) y luego se calienta hasta el punto de ebullición de ese fluido  (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) y evaporado. Pero el condensado en la salida del condensador puede tener aproximadamente  40 ° C , por lo que la regeneración de calor en PWR típico es significativa y muy importante:

  • La regeneración de calor aumenta la eficiencia térmica, ya que una mayor parte del flujo de calor en el ciclo ocurre a una temperatura más alta.
  • La regeneración de calor provoca una disminución en el caudal másico a través de la etapa de baja presión de la turbina de vapor, lo que aumenta la eficiencia de la turbina isentrópica de LP. Tenga en cuenta que en la última etapa de expansión, el vapor tiene un volumen específico muy alto.
  • La regeneración de calor provoca un aumento en la calidad del vapor de trabajo, ya que los desagües están situados en la periferia de la carcasa de la turbina, donde hay una mayor concentración de gotas de agua.

Análisis de intercambiadores de calor

Los intercambiadores de calor se usan comúnmente en la industria, y el diseño adecuado de un intercambiador de calor depende de muchas variables. En el análisis de los intercambiadores de calor, a menudo es conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor en general, conocido como un factor U. El factor U se define por una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton. Además, los ingenieros también utilizan ladiferencia de temperatura media logarítmica (LMTD) para determinar la fuerza impulsora de la temperatura para la transferencia de calor en los intercambiadores de calor.

 

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¿Qué es el aislamiento de celulosa? – Lana de papel – Definición

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El aislamiento de celulosa está hecho de productos de papel reciclado, principalmente periódicos y tiene un contenido de material reciclado muy alto. Las fibras de celulosa obtenidas tienen una estructura similar a la lana (por lo tanto, lana de papel). Ingenieria termal

Aislamiento de celulosa

El aislamiento de celulosa está hecho de productos de papel reciclado, principalmente periódicos y tiene un contenido de material reciclado muy alto. Las fibras de celulosa obtenidas tienen una estructura similar a la lana (por lo tanto, lana de papel). Para hacer que las fibras de celulosa sean resistentes a la humedad y a la llama, se añaden ácido bórico o sulfato de amonio. El aislamiento de celulosa se usa en cavidades de paredes y techos para aislar, a prueba de corrientes de aire y reducir el ruido libre. El aislamiento de celulosa se usa tanto en hogares nuevos como existentes, generalmente como relleno suelto en instalaciones de áticos abiertos y densamente empacado en cavidades de edificios. La celulosa y otros materiales de relleno suelto se pueden soplar en áticos, cavidades de paredes terminadas y áreas de difícil acceso.

Conductividad térmica del aislamiento de celulosa

Aisladores Térmicos - ParámetrosLa conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de espesor dado (en metros) debido a una diferencia de temperatura . Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor y, por lo tanto, mayor será la efectividad del aislamiento. Valores de conductividad térmica típica para el aislamiento de celulosa  son entre 0.022 y 0.035W / m ∙ K .

En general, el aislamiento térmico se basa principalmente en la muy baja conductividad térmica de los gases . Los gases poseen malas propiedades de conducción térmica en comparación con los líquidos y los sólidos, y por lo tanto son un buen material de aislamiento si pueden quedar atrapados (por ejemplo, en una estructura similar a la espuma). El aire y otros gases son generalmente buenos aislantes. Pero el principal beneficio es la ausencia de convección. Por lo tanto, muchos materiales aislantes (por ejemplo, aislamiento de celulosa ) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala .

La alternancia de la bolsa de gas y el material sólido hace que el calor se transfiera a través de muchas interfaces, lo que provoca una disminución rápida del coeficiente de transferencia de calor.

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El ejemplo – Cálculo de aislamiento de espuma de poliisocianurato – Definición

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Ejemplo: cálculo de aislamiento de espuma de poliisocianurato. Calcule el flujo de calor (pérdida de calor) a través de la pared aislada. Utilice aislamiento de espuma de poliisocianurato de 10 cm de espesor. Compárelo con una pared desnuda. Ingenieria termal

Ejemplo: aislamiento de espuma de poliisocianurato

pérdida de calor a través de la pared - ejemplo - cálculoUna fuente importante de pérdida de calor de una casa es a través de las paredes. Calcule la tasa de flujo de calor a través de una pared de 3 mx 10 m de área (A = 30 m 2 ). La pared tiene 15 cm de espesor (L 1 ) y está hecha de ladrillos con la conductividad térmica de k 1 = 1.0 W / mK (aislante térmico deficiente). Suponga que las temperaturas interior y exterior son 22 ° C y -8 ° C, y los coeficientes de transferencia de calor por convección en los lados interior y exterior son h 1 = 10 W / m 2 K y h 2 = 30 W / m 2K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida especialmente de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).

  1. Calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared no aislada.
  2. Ahora suponga aislamiento térmico en el lado exterior de esta pared. Utilice  aislamiento de espuma de poliisocianurato de 10 cm de espesor (L 2 ) con la conductividad térmica de k 2 = 0.022 W / mK y calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared compuesta.

Solución:

Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de conducción y convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor en general , conocido como un factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton :

factor u - coeficiente global de transferencia de calor

El coeficiente global de transferencia de calor está relacionado con la resistencia térmica total y depende de la geometría del problema.

  1. pared desnuda

Suponiendo que la transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el coeficiente global de transferencia de calor se puede calcular como:

coeficiente global de transferencia de calor - cálculo de pérdida de calor

El coeficiente global de transferencia de calor es entonces:

U = 1 / (1/10 + 0.15 / 1 + 1/30) = 3.53 W / m 2 K

El flujo de calor se puede calcular simplemente como:

q = 3.53 [W / m 2 K] x 30 [K] = 105.9 W / m 2

La pérdida total de calor a través de este muro será:

q pérdida = q. A = 105,9 [W / m 2 ] x 30 [m 2 ] = 3177W

  1. pared compuesta con aislamiento térmico

Suponiendo que la transferencia de calor unidimensional a través de la pared compuesta plana, sin resistencia de contacto térmico y sin tener en cuenta la radiación, el coeficiente global de transferencia de calor se puede calcular como:

coeficiente global de transferencia de calor - cálculo del aislamiento térmico

aislamiento de espuma de poliisocianuratoEl coeficiente global de transferencia de calor es entonces:

U = 1 / (1/10 + 0.15 / 1 + 0.1 / 0.022 + 1/30) = 0.207 W / m 2 K

El flujo de calor se puede calcular simplemente como:

q = 0.207 [W / m 2 K] x 30 [K] = 6.21 W / m 2

La pérdida total de calor a través de este muro será:

q pérdida = q. A = 6.21 [W / m 2 ] x 30 [m 2 ] = 186 W

Como se puede ver, una adición de aislante térmico causa una disminución significativa en las pérdidas de calor. Debe agregarse, una adición de la siguiente capa de aislante térmico no causa un ahorro tan alto. Esto se puede ver mejor con el método de resistencia térmica, que se puede utilizar para calcular la transferencia de calor a través de paredes compuestas . La tasa de transferencia de calor constante entre dos superficies es igual a la diferencia de temperatura dividida por la resistencia térmica total entre esas dos superficies.

resistencia térmica - ecuación

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