Não categorizado

Armazenamento de calor sensível (SHS)

A maneira mais direta é o armazenamento de calor sensível . O armazenamento sensível de calor baseia-se em elevar a temperatura de um líquido ou sólido para armazenar calor e liberá-lo com a diminuição da temperatura quando necessário. Os volumes necessários para armazenar energia na escala que o mundo precisa são extremamente grandes. Os materiais utilizados no armazenamento sensível ao calor devem ter alta capacidade de aquecimento e também alto ponto de ebulição ou fusão. Embora este método de armazenamento de calor seja atualmente menos eficiente para armazenamento de calor, é menos complicado em comparação com o calor latente ou químico e é barato.

Do ponto de vista termodinâmico, o armazenamento de calor sensível é baseado no aumento da entalpia do material na loja, seja um líquido ou um sólido na maioria dos casos. O efeito sensível é uma mudança de temperatura. O calor armazenado pode ser obtido pela equação:

Absorção de calor

Na termodinâmica , energia interna (também chamada de energia térmica ) é definida como a energia associada a formas microscópicas de energia . É uma quantidade extensa , depende do tamanho do sistema ou da quantidade de substância que ele contém. A unidade SI de energia interna é o joule (J) . É a energia contida no sistema, excluindo a energia cinética do movimento do sistema como um todo e a energia potencial do sistema. As formas microscópicas de energia incluem aquelas devidas à rotação , vibração, translação e interaçõesentre as moléculas de uma substância. Nenhuma dessas formas de energia pode ser medida ou avaliada diretamente, mas técnicas foram desenvolvidas para avaliar a mudança na soma total de todas essas formas microscópicas de energia.

Absorção de calor

Além disso, a energia é armazenada nas ligações químicas entre os átomos que compõem as moléculas. Esse armazenamento de energia no nível atômico inclui energia associada a estados orbitais de elétrons, rotação nuclear e forças de ligação no núcleo.

A energia térmica também pode ser efetivamente absorvida e armazenada. Atualmente, a situação nos mercados de energia é diferente. O aumento dos preços das fontes convencionais de energia e a conscientização ambiental levaram a aumentar o uso de energias renováveis ​​e a eficiência energética. O armazenamento de energia térmica é um componente essencial de uma usina para melhorar sua indisponibilidade, especialmente para concentrar usinas de energia solar (CSP). O armazenamento de energia térmica (TES) é alcançado com tecnologias amplamente diferentes. Existem três métodos utilizados e ainda sendo investigados para armazenar energia térmica.

• Armazenamento de calor sensível (SHS)
• Armazenamento de calor latente (LHS)
• Armazenamento termoquímico

Absorção em calor sensível

A maneira mais direta é o armazenamento de calor sensível . O armazenamento sensível de calor baseia-se em elevar a temperatura de um líquido ou sólido para armazenar calor e liberá-lo com a diminuição da temperatura quando necessário. Os volumes necessários para armazenar energia na escala que o mundo precisa são extremamente grandes. Os materiais utilizados no armazenamento sensível ao calor devem ter alta capacidade de aquecimento e também alto ponto de ebulição ou fusão. Embora este método de armazenamento de calor seja atualmente menos eficiente para armazenamento de calor, é menos complicado em comparação com o calor latente ou químico e é barato.

Absorção de calor radiante

Nos capítulos anteriores, discutimos  convecção  e  condução , que exigem a presença de matéria como meio para transportar o calor da região mais quente para a mais fria. Mas um terceiro tipo de transferência de calor,  a transferência de calor por radiação , ocorre sem nenhum meio. Em geral, a  transferência de calor por radiação de uma superfície para outra é a radiação que sai da primeira superfície para a outra menos a que chega da segunda superfície. A transferência de calor  por radiação é mediada pela  radiação eletromagnética , conhecida como  radiação térmica , que surge devido à  temperatura  de um corpo.

Outra propriedade importante de radiação de uma superfície é sua capacidade de  absorção ,  α , que é a fração da energia de radiação incidente em uma superfície que é absorvida pela superfície. Como a emissividade, o valor da absortividade está na faixa de 0 <α <1.

A partir de sua definição, um  corpo negro , que é um corpo físico idealizado, absorve toda a radiação eletromagnética incidente  , independentemente da frequência ou ângulo de incidência. Ou seja, um corpo negro é um absorvedor perfeito. Como para objetos reais a  absorção  é menor que a unidade, um objeto real não pode absorver toda a luz incidente. A absorção incompleta pode ser devida a parte da luz incidente ser transmitida através do corpo ou a parte refletida na superfície do corpo.

Em geral, a  absorção  e a  emissividade  são interconectadas pela  Lei de Kirchhoff da radiação térmica , que afirma:

Para um corpo arbitrário que emite e absorve radiação térmica em equilíbrio termodinâmico, a emissividade é igual à absorção.

emissividade ε = absortividade α

Note que a radiação visível ocupa uma faixa muito estreita do espectro de 0,4 a 0,76 nm, não podemos fazer julgamentos sobre a escuridão de uma superfície com base em observações visuais. Por exemplo, considere o papel branco que reflete a luz visível e, portanto, parece branco. Por outro lado, é essencialmente preto para radiação infravermelha (capacidade de absorção α = 0,94 ), pois eles absorvem fortemente a radiação de comprimento de onda longo.

Armazenamento de energia térmica

Na termodinâmica , energia interna (também chamada de energia térmica ) é definida como a energia associada a formas microscópicas de energia . É uma quantidade extensa , depende do tamanho do sistema ou da quantidade de substância que ele contém. A unidade SI de energia interna é o joule (J) . É a energia contida no sistema, excluindo a energia cinética do movimento do sistema como um todo e a energia potencial do sistema. As formas microscópicas de energia incluem aquelas devidas à rotação , vibração, translação e interaçõesentre as moléculas de uma substância. Nenhuma dessas formas de energia pode ser medida ou avaliada diretamente, mas técnicas foram desenvolvidas para avaliar a mudança na soma total de todas essas formas microscópicas de energia.

Além disso, a energia é armazenada nas ligações químicas entre os átomos que compõem as moléculas. Esse armazenamento de energia no nível atômico inclui energia associada a estados orbitais de elétrons, rotação nuclear e forças de ligação no núcleo.

A energia térmica também pode ser armazenada de maneira muito eficaz. Atualmente, a situação nos mercados de energia é diferente. O aumento dos preços das fontes convencionais de energia e a conscientização ambiental levaram a aumentar o uso de energias renováveis ​​e a eficiência energética. O armazenamento de energia térmica é um componente essencial de uma usina para melhorar sua indisponibilidade, especialmente para concentrar usinas de energia solar (CSP). O armazenamento de energia térmica (TES) é alcançado com tecnologias amplamente diferentes. Existem três métodos utilizados e ainda sendo investigados para armazenar energia térmica.

• Armazenamento de calor sensível (SHS)
• Armazenamento de calor latente (LHS)
• Armazenamento termoquímico

Perfil de temperatura – combustível nuclear

Veja também: Geração de calor em reatores nucleares

Veja também: Temperatura da superfície do revestimento

A maioria dos PWRs usa o combustível de urânio , que está na forma de dióxido de urânio . O dióxido de urânio é um sólido semicondutor preto com condutividade térmica muito baixa. Por outro lado, o dióxido de urânio tem um ponto de fusão muito alto e um comportamento bem conhecido. A UO ₂ é prensada em pastilhas cilíndricas , essas pastilhas são então sinterizadas no sólido.

Esses pellets cilíndricos são então carregados e encapsulados dentro de uma barra de combustível (ou pino de combustível), que é feita de ligas de zircônio devido à sua seção transversal de absorção muito baixa (ao contrário do aço inoxidável). A superfície do tubo, que cobre os pellets, é chamada de revestimento de combustível .

Veja também:  Condução térmica de dióxido de urânio

O comportamento térmico e mecânico dos pellets  e barras de combustível constitui uma das três principais disciplinas do projeto. O combustível nuclear é operado sob condições muito inóspitas (térmica, radiação, mecânica) e deve suportar mais do que as condições normais de operação. Por exemplo, as temperaturas no centro dos pellets de combustível atingem mais de 1000 ° C (1832 ° F) acompanhadas por liberações de gás de fissão. Portanto, o conhecimento detalhado da distribuição de temperatura em uma única barra de combustível é essencial para a operação segura do combustível nuclear. Nesta seção, estudaremos a equação de condução de calor em coordenadas cilíndricasusando a condição limite de Dirichlet com determinada temperatura da superfície (ou seja, usando a condição limite de Dirichlet). A análise abrangente do perfil de temperatura da barra de combustível será estudada em seção separada.

Temperatura na linha central de um pellet de combustível

Considere o pellet de combustível de raio r _U = 0,40 cm , no qual há geração uniforme e constante de calor por unidade de volume, q _V [W / m ³ ] . Em vez da taxa de calor volumétrica q _V [W / m ³ ], os engenheiros costumam usar a taxa de calor linear, q _L [W / m] , que representa a taxa de calor de um metro da barra de combustível. A taxa linear de calor pode ser calculada a partir da taxa volumétrica de calor por:

A linha central é tomada como a origem da coordenada r. Devido à simetria na direção z e na direção azimutal, podemos separar as variáveis ​​e simplificar esse problema para um problema unidimensional . Assim, resolveremos apenas a temperatura em função do raio T (r) . Para condutividade térmica constante , k, a forma apropriada da equação de calor cilíndrica é:

A solução geral desta equação é:

onde C ₁ e C ₂ são as constantes de integração.

Calcule a distribuição de temperatura, T (r) , neste sedimento de combustível, se:

• as temperaturas na superfície do sedimento de combustível são T _U = 420 ° C
• raio da pastilha de combustível r _U = 4 mm .
• a condutividade média do material é k = 2,8 W / mK (corresponde ao dióxido de urânio a 1000 ° C)
• a taxa de calor linear é q _L = 300 W / cm e, portanto, a taxa de calor volumétrica é q _V = 597 x 10 ⁶ W / m ³

Neste caso, a superfície é mantida a temperaturas dadas T _U . Isso corresponde à condição de limite de Dirichlet . Além disso, esse problema é termicamente simétrico e, portanto, também podemos usar a condição de contorno de simetria térmica . As constantes podem ser avaliadas usando a substituição na solução geral e têm a forma:

A distribuição de temperatura resultante e a temperatura da linha central (r = 0) (máxima) neste sedimento cilíndrico de combustível nessas condições de contorno específicas serão:

O fluxo de calor radial em qualquer raio, q _r [Wm ^-1 ], no cilindro pode, é claro, ser determinado usando a distribuição de temperatura e com a lei de Fourier . Observe que, com a geração de calor, o fluxo de calor não é mais independente de r.

A figura a seguir mostra a distribuição de temperatura no pellet de combustível em vários níveis de potência.

______

A temperatura em um reator operacional varia de ponto a ponto dentro do sistema. Como consequência, há sempre uma vara de combustível e um volume local , que está mais quente  do que todo o resto. Para limitar esses locais quentes, os limites de potência máxima devem ser introduzidos. Os limites de potência máxima estão associados a uma crise de ebulição e às condições que podem causar o derretimento do pellet de combustível. No entanto, considerações metalúrgicas impõem limites superiores à temperatura do revestimento do combustível e do sedimento de combustível. Acima dessas temperaturasexiste o perigo de o combustível ser danificado. Um dos principais objetivos no projeto de reatores nucleares é fornecer a remoção do calor produzido no nível de potência desejado, garantindo que a temperatura máxima do combustível e a temperatura máxima do revestimento estejam sempre abaixo desses valores predeterminados.

Veja também:  Temperatura da superfície do revestimento

Delta do líquido refrigerante do reator T – Balanço de energia

Outra relação muito útil é que a energia térmica produzida por um reator está diretamente relacionada à vazão mássica do líquido de arrefecimento do reator e à diferença de temperatura através do núcleo.

Numa base termodinâmica direta, essa geração de calor também está relacionada à diferença de temperatura do fluido através do núcleo e à taxa de fluxo de massa do fluido que passa através do núcleo. Assim, o tamanho do núcleo do reator é dependente e limitado por muito pouco líquido pode ser passado através do núcleo para remover a energia térmica gerada . Observe que, em PWRs , a temperatura de saída do núcleo é limitada. Em um reator de água pressurizada típico, o líquido de arrefecimento primário quente ( água 330 ° C; 626 ° F ) é bombeado para o gerador de vaporatravés da entrada primária. Isso requer manutenção de pressões muito altas para manter a água no estado líquido. Para impedir a ebulição do líquido de arrefecimento primário e fornecer uma margem de sub-resfriamento (a diferença entre a temperatura do pressurizador e a temperatura mais alta no núcleo do reator), pressões em torno de 16 MPa são típicas para PWRs . O vaso de pressão do reator é o componente principal, que limita a eficiência térmica de cada usina nuclear , uma vez que o vaso do reator deve suportar altas pressões. Muitos outros fatores afetam a quantidade de calor gerada dentro do núcleo de um reator, mas sua taxa limitadora de geração é baseada na quantidade de energia que pode ser transportada com segurança pelo refrigerante.

Produção de calor em elementos combustíveis

Nos reatores nucleares , há uma proporcionalidade direta entre o fluxo de nêutronse a energia térmica do reator . Essa proporcionalidade é determinada pela taxa de reação de fissão por unidade de volume ( RR = Ф. Σ ). A taxa de reação de fissão dentro de um reator nuclear é controlada por vários fatores. Por simplicidade, suponha que o material fissionável esteja uniformemente distribuído no reator. Neste caso, as seções macroscópicas são independentes da posição. Multiplicando a taxa de reação de fissão por unidade de volume ( RR = Ф. Σ ) pelo volume totaldo núcleo (V) nos fornece o número total de reações que ocorrem no núcleo do reator por unidade de tempo. Mas também sabemos que a quantidade de energia liberada por uma reação de fissão é de cerca de 200 MeV / fissão . Agora, é possível determinar a taxa de liberação de energia  (potência) devido à reação de fissão. É dado pela seguinte equação:

P = RR. E _r . V = Ф. Σ _f . E _r . V = Ф. N _U235 . σ _f ²³⁵ . E _r . V

Onde:

P – potência do reator (MeV.s ^-1 )

Ф – fluxo de nêutrons (nêutrons.cm ^-2 .s ^-1 )

σ – seção microscópica (cm ² )

N – densidade numérica atômica (atoms.cm ^-3 )

Er – a energia recuperável média por fissão (MeV / fissão)

V – volume total do núcleo (m ³ )

Em geral, a fissão nuclear resulta na liberação de enormes quantidades de energia . A quantidade de energia depende fortemente do núcleo a ser fissionado e também depende fortemente da energia cinética de um nêutron incidente . Para calcular a potência de um reator, é necessário ser capaz de identificar com precisão os componentes individuais dessa energia . A princípio, é importante distinguir entre a energia total liberada e a energia que pode ser recuperada em um reator .

A energia total liberada na fissão pode ser calculada a partir das energias de ligação do núcleo alvo inicial a serem fissionadas e das energias de ligação dos produtos de fissão . Mas nem toda a energia total pode ser recuperada em um reator. Por exemplo, cerca de 10 MeV são liberados na forma de neutrinos (na verdade antineutrinos ). Como os neutrinos estão interagindo fracamente (com seção transversal extremamente baixa de qualquer interação), eles não contribuem para a energia que pode ser recuperada em um reator.

Como pode ser visto na tabela, a energia total liberada em um reator é de cerca de 210 MeV por fissão de ²³⁵ U , distribuída conforme mostrado na tabela. Em um reator, a energia recuperável média por fissão é de cerca de 200 MeV , sendo a energia total menos a energia da energia dos antineutrinos que são irradiados. Isto significa que cerca de 3,1 ⋅ 10 ¹⁰ fissões por segundo são necessárias para produzir uma potência de 1 W . Como 1 grama de qualquer material físsil contém cerca de 2,5 x 10 ²¹ núcleos, a fissão de 1 grama de material físsil produz cerca de 1 megawatt-dia (MWd) de energia térmica.

Como pode ser visto na descrição dos componentes individuais da energia total liberada durante a reação de fissão, há uma quantidade significativa de energia gerada fora do combustível nuclear (barras de combustível externas). Especialmente a energia cinética dos nêutrons imediatos é amplamente gerada no refrigerante ( moderador ) . Esse fenômeno precisa ser incluído nos cálculos nucleares.

Para LWR , é geralmente aceito que cerca de 2,5% da energia total é recuperada no moderador . Essa fração de energia depende dos materiais, sua disposição dentro do reator e, portanto, do tipo de reator.

Também deve ser adicionado, também os outros internos do reator devem ser resfriados o suficiente para evitar o superaquecimento de seus materiais de construção. Um dos componentes mais expostos é o refletor de nêutrons , especialmente o refletor pesado. Enquanto atua como um escudo de nêutrons, o refletor pesado é aquecido devido à absorção da  radiação gama . Para evitar superaquecimento, o calor no refletor é removido pela água que flui através dos canais de resfriamento perfurados no refletor.

Veja também: Liberação de energia por fissão

Veja também: Calor residual

Perfil de temperatura – combustível nuclear

A maioria dos PWRs usa o combustível de urânio , que está na forma de dióxido de urânio . O dióxido de urânio é um sólido semicondutor preto com condutividade térmica muito baixa. Por outro lado, o dióxido de urânio tem um ponto de fusão muito alto e um comportamento bem conhecido. A UO ₂ é prensada em pastilhas cilíndricas , essas pastilhas são então sinterizadas no sólido.

Essas pastilhas cilíndricas são então carregadas e encapsuladas dentro de uma barra de combustível (ou pino de combustível), que é feita de ligas de zircônio devido à sua seção transversal de absorção muito baixa (ao contrário do aço inoxidável). A superfície do tubo, que cobre os pellets, é chamada de revestimento de combustível .

Veja também:  Condução térmica de dióxido de urânio

O comportamento térmico e mecânico dos pellets  e barras de combustível constitui uma das três principais disciplinas do projeto. O combustível nuclear é operado sob condições muito inóspitas (térmica, radiação, mecânica) e deve suportar mais do que as condições normais de operação. Por exemplo, as temperaturas no centro dos pellets de combustível atingem mais de 1000 ° C (1832 ° F) acompanhadas por liberações de gás de fissão. Portanto, o conhecimento detalhado da distribuição de temperatura em uma única barra de combustível é essencial para a operação segura do combustível nuclear. Nesta seção, estudaremos a equação de condução de calor em coordenadas cilíndricasusando a condição limite de Dirichlet com determinada temperatura da superfície (ou seja, usando a condição limite de Dirichlet). A análise abrangente do perfil de temperatura da barra de combustível será estudada em seção separada.

Temperatura na linha central de um pellet de combustível

Considere o pellet de combustível com raio r _U = 0,40 cm , no qual há geração uniforme e constante de calor por unidade de volume, q _V [W / m ³ ] . Em vez da taxa de calor volumétrica q _V [W / m ³ ], os engenheiros costumam usar a taxa de calor linear, q _L [W / m] , que representa a taxa de calor de um metro da barra de combustível. A taxa linear de calor pode ser calculada a partir da taxa volumétrica de calor por:

A linha central é tomada como a origem da coordenada r. Devido à simetria na direção z e na direção azimutal, podemos separar as variáveis ​​e simplificar esse problema para um problema unidimensional . Assim, resolveremos apenas a temperatura em função do raio T (r) . Para condutividade térmica constante , k, a forma apropriada da equação de calor cilíndrica é:

A solução geral desta equação é:

onde C ₁ e C ₂ são as constantes de integração.

Calcule a distribuição de temperatura, T (r) , neste sedimento de combustível, se:

• as temperaturas na superfície do sedimento de combustível são T _U = 420 ° C
• raio da pastilha de combustível r _U = 4 mm .
• a condutividade média do material é k = 2,8 W / mK (corresponde ao dióxido de urânio a 1000 ° C)
• a taxa de calor linear é q _L = 300 W / cm e, portanto, a taxa de calor volumétrica é q _V = 597 x 10 ⁶ W / m ³

Neste caso, a superfície é mantida a temperaturas dadas T _U . Isso corresponde à condição de limite de Dirichlet . Além disso, esse problema é termicamente simétrico e, portanto, também podemos usar a condição de contorno de simetria térmica . As constantes podem ser avaliadas usando a substituição na solução geral e têm a forma:

A distribuição de temperatura resultante e a temperatura da linha central (r = 0) (máxima) neste sedimento cilíndrico de combustível nessas condições de contorno específicas serão:

O fluxo de calor radial em qualquer raio, q _r [Wm ^-1 ], no cilindro pode, é claro, ser determinado usando a distribuição de temperatura e com a lei de Fourier . Observe que, com a geração de calor, o fluxo de calor não é mais independente de r.

A figura a seguir mostra a distribuição de temperatura no pellet de combustível em vários níveis de potência.

______

A temperatura em um reator operacional varia de ponto a ponto dentro do sistema. Como consequência, há sempre uma vara de combustível e um volume local , que está mais quente  do que todo o resto. Para limitar esses locais quentes, os limites de potência máxima devem ser introduzidos. Os limites de potência máxima estão associados a uma crise de ebulição e às condições que podem causar o derretimento do pellet de combustível. No entanto, considerações metalúrgicas impõem limites superiores à temperatura do revestimento do combustível e do sedimento de combustível. Acima dessas temperaturasexiste o perigo de o combustível ser danificado. Um dos principais objetivos no projeto de reatores nucleares é fornecer a remoção do calor produzido no nível de potência desejado, garantindo que a temperatura máxima do combustível e a temperatura máxima do revestimento estejam sempre abaixo desses valores predeterminados.

Geração de calor em reatores nucleares

Como foi escrito, uma usina nuclear ( usina nuclear) parece uma usina termelétrica padrão, com uma exceção. A fonte de calor na usina nuclear é um reator nuclear . Como é típico em todas as centrais térmicas convencionais, o calor é usado para gerar vapor que aciona uma turbina a vapor conectada a um gerador que produz eletricidade. Mas em usinas nucleares, os reatores produzem uma quantidade enorme de calor (energia) em um pequeno volume . A densidade da geração de energia é muito grande e isso exige muito do seu sistema de transferência de calor (sistema de refrigeração do reator).

Para que um reator opere em estado estacionário, todo o calor liberado no sistema deve ser removido tão rápido quanto produzido . Isso é feito passando um líquido refrigerante líquido ou gasoso pelo núcleo e por outras regiões onde o calor é gerado. A transferência de calor deve ser igual ou superior à taxa de geração de calor ou superaquecimento, podendo ocorrer danos ao combustível. A natureza e operação deste sistema de refrigeração é uma das considerações mais importantes no projeto de um reator nuclear.

Deve-se notar que, do ponto de vista estritamente nuclear, teoricamente não há limite superior à energia térmica do reator, que pode ser atingida por qualquer reator crítico com excesso de reatividade suficiente para superar seus feedbacks negativos de temperatura. Em cada reator nuclear , há uma proporcionalidade direta entre o fluxo de nêutrons e a energia térmica do reator . O termo energia térmica é geralmente usado, porque significa a taxa na qual o calor é produzido no núcleo do reator como resultado de fissões no combustível. Além disso, por um curto período, um reator crítico não precisa ter alto excesso de reatividade, como no caso de excursões rápidas de reatividade.

Em resumo, quase todo reator é capaz de exceder a capacidade de remoção de calor de seu sistema de refrigeração. Além deste ponto, o combustível aqueceria e poderá atingir temperaturas muito altas. Essa situação deve ser evitada pelo operador do reator e pelos sistemas de segurança do reator. É essencial que o equilíbrio da taxa de geração de calor e remoção de calor seja mantido para evitar essas temperaturas que podem resultar em falha de combustível ou outros materiais estruturais. Na engenharia de reatores, o sistema hidráulico térmico dos reatores nucleares descreve o esforço que envolve o acoplamento da transferência de calor e da dinâmica de fluidos para atingir a taxa de remoção de calor desejada do núcleo, tanto em condições normais de operação quanto em acidentes.

Produção de calor em elementos combustíveis

Nos reatores nucleares , há uma proporcionalidade direta entre o fluxo de nêutronse a energia térmica do reator . Essa proporcionalidade é determinada pela taxa de reação de fissão por unidade de volume ( RR = Ф. Σ ). A taxa de reação de fissão dentro de um reator nuclear é controlada por vários fatores. Por simplicidade, suponha que o material fissionável esteja uniformemente distribuído no reator. Neste caso, as seções macroscópicas são independentes da posição. Multiplicando a taxa de reação de fissão por unidade de volume ( RR = Ф. Σ ) pelo volume totaldo núcleo (V) nos fornece o número total de reações que ocorrem no núcleo do reator por unidade de tempo. Mas também sabemos que a quantidade de energia liberada por uma reação de fissão é de cerca de 200 MeV / fissão . Agora, é possível determinar a taxa de liberação de energia  (potência) devido à reação de fissão. É dado pela seguinte equação:

P = RR. E _r . V = Ф. Σ _f . E _r . V = Ф. N _U235 . σ _f ²³⁵ . E _r . V

Em geral, a fissão nuclear resulta na liberação de enormes quantidades de energia . A quantidade de energia depende fortemente do núcleo a ser fissionado e também depende fortemente da energia cinética de um nêutron incidente . Para calcular a potência de um reator, é necessário ser capaz de identificar com precisão os componentes individuais dessa energia . A princípio, é importante distinguir entre a energia total liberada e a energia que pode ser recuperada em um reator .

A energia total liberada na fissão pode ser calculada a partir das energias de ligação do núcleo alvo inicial a serem fissionadas e das energias de ligação dos produtos de fissão . Mas nem toda a energia total pode ser recuperada em um reator. Por exemplo, cerca de 10 MeV são liberados na forma de neutrinos (na verdade antineutrinos ). Como os neutrinos estão interagindo fracamente (com seção transversal extremamente baixa de qualquer interação), eles não contribuem para a energia que pode ser recuperada em um reator.

Como pode ser visto na tabela, a energia total liberada em um reator é de cerca de 210 MeV por fissão de ²³⁵ U , distribuída conforme mostrado na tabela. Em um reator, a energia recuperável média por fissão é de cerca de 200 MeV , sendo a energia total menos a energia da energia dos antineutrinos que são irradiados. Isto significa que cerca de 3,1 ⋅ 10 ¹⁰ fissões por segundo são necessárias para produzir uma potência de 1 W . Como 1 grama de qualquer material físsil contém cerca de 2,5 x 10 ²¹ núcleos, a fissão de 1 grama de material físsil produz cerca de 1 megawatt-dia (MWd) de energia térmica.

Como pode ser visto na descrição dos componentes individuais da energia total liberada durante a reação de fissão, há uma quantidade significativa de energia gerada fora do combustível nuclear (barras de combustível externas). Especialmente a energia cinética dos nêutrons imediatos é amplamente gerada no refrigerante ( moderador ) . Esse fenômeno precisa ser incluído nos cálculos nucleares.

Para LWR , é geralmente aceito que cerca de 2,5% da energia total é recuperada no moderador . Essa fração de energia depende dos materiais, sua disposição dentro do reator e, portanto, do tipo de reator.

Também deve ser adicionado, também os outros internos do reator devem ser resfriados o suficiente para evitar o superaquecimento de seus materiais de construção. Um dos componentes mais expostos é o refletor de nêutrons , especialmente o refletor pesado. Enquanto atua como um escudo de nêutrons, o refletor pesado é aquecido devido à absorção da  radiação gama . Para evitar superaquecimento, o calor no refletor é removido pela água que flui através dos canais de resfriamento perfurados no refletor.

Veja também: Liberação de energia por fissão

Veja também: Calor residual

Trocador de Calor Regenerativo

Em geral, os  trocadores de calor  usados ​​na regeneração podem ser classificados como  regeneradores  ou  recuperadores .

• O regenerador (trocador de calor regenerativo)  é um tipo de trocador de calor em que o calor do fluido quente é armazenado intermitentemente em um meio de armazenamento térmico antes de ser transferido para o fluido frio. Possui um único caminho de fluxo no qual os fluidos quente e frio passam alternadamente.

• O Recuperador  é um tipo de trocador de calor com  caminhos de fluxo separados  para cada fluido ao longo de suas próprias passagens e o calor é transferido através das paredes de separação. Os recuperadores (por exemplo, economizadores) são frequentemente usados ​​em engenharia de energia, para aumentar a eficiência geral dos ciclos termodinâmicos. Por exemplo, em um motor de turbina a gás. O recuperador transfere parte do calor residual no escapamento para o ar comprimido, pré-aquecendo-o antes de entrar na câmara de combustão. Muitos recuperators são projetados como   trocadores de calor de contra-fluxo .

Regeneração de calor

Na teoria das turbinas a vapor, é possível obter aumentos significativos na eficiência térmica da turbina a vapor através da redução da  quantidade de combustível  que deve ser adicionada à caldeira. Isso pode ser feito transferindo o calor (por exemplo, vapor parcialmente expandido) de certas seções da turbina a vapor, que normalmente está bem acima da temperatura ambiente, para a água de alimentação. Esse processo é conhecido como  regeneração de calor  e uma variedade de regeneradores de  calor  pode ser usada para essa finalidade. Às vezes, os engenheiros usam o termo  economizador  que são trocadores de calor com o objetivo de reduzir o consumo de energia, especialmente em caso de  pré-aquecimento de um fluido .

Como pode ser visto no artigo ” Gerador de vapor “, a água de alimentação (circuito secundário) na entrada do gerador de vapor pode ter cerca de  ~ 230 ° C (446 ° F) e depois é aquecida até o ponto de ebulição desse fluido  (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) e evaporado. Mas o condensado na saída do condensador pode ter cerca de  40 ° C , portanto a regeneração de calor na PWR típica é significativa e muito importante:

• A regeneração de calor aumenta a eficiência térmica, uma vez que mais do fluxo de calor no ciclo ocorre em temperaturas mais altas.
• A regeneração de calor causa uma diminuição na taxa de fluxo de massa através do estágio de baixa pressão da turbina a vapor, aumentando assim a eficiência da turbina isentrópica LP. Observe que, no último estágio de expansão, o vapor tem um volume específico muito alto.
• A regeneração de calor causa um aumento na qualidade do vapor de trabalho, uma vez que os drenos estão situados na periferia da carcaça da turbina, onde há maior concentração de gotículas de água.

Análise de Trocadores de Calor

Os trocadores de calor são comumente usados ​​na indústria, e o design adequado de um trocador de calor depende de muitas variáveis. Na análise de permutadores de calor, muitas vezes é conveniente trabalhar com um coeficiente de transferência total de calor, conhecido como um factor-L. O fator U é definido por uma expressão análoga à lei do resfriamento de Newton. Além disso, os engenheiros também usam adiferença de temperatura média logarítmica(LMTD) para determinar a força motriz da temperatura na transferência de calor nos trocadores de calor.

Isolamento de celulose

O isolamento da celulose é feito de produtos de papel reciclado, principalmente jornais e tem um conteúdo muito alto de material reciclado. As fibras de celulose obtidas têm uma estrutura semelhante a lã (portanto lã de papel). Para tornar as fibras de celulose úmidas e retardantes de chama, são adicionados ácido bórico ou sulfato de amônio. O isolamento de celulose é usado nas cavidades da parede e do telhado para isolar, à prova de correntes de ar e reduzir o ruído livre. O isolamento de celulose é usado em residências novas e existentes, geralmente como aterro em instalações de sótão aberto e denso em cavidades de edifícios. A celulose e outros materiais de preenchimento solto podem ser levados para sótãos, cavidades de paredes acabadas e áreas de difícil acesso.

Condutividade térmica do isolamento de celulose

Condutividade térmica é definida como a quantidade de calor (em watts) transferida através de uma área quadrada de material de determinada espessura (em metros) devido a uma diferença de temperatura . Quanto menor a condutividade térmica do material, maior a capacidade do material de resistir à transferência de calor e, portanto, maior a eficácia do isolamento. Os valores típicos de condutividade térmica para o isolamento de celulose  estão entre 0,022 e 0.035W / m ∙ K .

Em geral, o isolamento térmico é baseado principalmente na condutividade térmica muito baixa dos gases . Os gases possuem más propriedades de condução térmica em comparação com líquidos e sólidos e, portanto, são um bom material para isolamento se puderem ser presos (por exemplo, em uma estrutura semelhante a espuma). Ar e outros gases geralmente são bons isolantes. Mas o principal benefício é na ausência de convecção. Portanto, muitos materiais isolantes (por exemplo, isolamento de celulose ) funcionam simplesmente com um grande número de bolsas cheias de gás que impedem a convecção em grande escala .

A alternância de bolsa de gás e material sólido faz com que o calor seja transferido através de muitas interfaces, causando uma rápida diminuição no coeficiente de transferência de calor.

Exemplo – Isolamento de Celulose

Uma das principais fontes de perda de calor de uma casa é através das paredes. Calcule a taxa de fluxo de calor através de uma parede com 3 mx 10 m de área (A = 30 m ² ). A parede tem 15 cm de espessura (L ₁ ) e é feita de tijolos com condutividade térmica de k ₁ = 1,0 W / mK (isolador térmico ruim). Suponha que as temperaturas interna e externa sejam 22 ° C e -8 ° C, e os coeficientes de transferência de calor por convecção nos lados interno e externo sejam h ₁ = 10 W / m ² K e h ₂ = 30 W / m ²K, respectivamente. Observe que esses coeficientes de convecção dependem muito das condições ambientais e interiores (vento, umidade etc.).

1. Calcule o fluxo de calor ( perda de calor ) através desta parede não isolada.
2. Agora assuma o isolamento térmico no lado externo desta parede. Use isolamento de celulose com  10 cm de espessura (L ₂ ) com a condutividade térmica de k ₂ = 0,04 W / mK e calcule o fluxo de calor ( perda de calor ) através dessa parede composta.

Solução:

Como foi escrito, muitos dos processos de transferência de calor envolvem sistemas compostos e até envolvem uma combinação de condução e convecção . Com estes sistemas compostos, muitas vezes é conveniente trabalhar com um coeficiente de transferência total de calor , conhecido como um factor-L . O fator U é definido por uma expressão análoga à lei do resfriamento de Newton :

O coeficiente geral de transferência de calor está relacionado à resistência térmica total e depende da geometria do problema.

1. parede nua

Assumindo a transferência de calor unidimensional através da parede plana e desconsiderando a radiação, o coeficiente geral de transferência de calor pode ser calculado como:

O coeficiente geral de transferência de calor é então:

U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 1/30) = 3,53 W / m ² K

O fluxo de calor pode ser calculado simplesmente como:

q = 3,53 [W / m ² K] x 30 [K] = 105,9 W / m ²

A perda total de calor através desta parede será:

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

2. parede compósita com isolamento térmico

Assumindo a transferência de calor unidimensional através da parede composta plana, sem resistência de contato térmico e sem considerar a radiação, o coeficiente geral de transferência de calor pode ser calculado como:

O coeficiente geral de transferência de calor é então:

U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 0,1 / 0,040 + 1/30) = 0,359 W / m ² K

O fluxo de calor pode ser calculado simplesmente como:

q = 0,359 [W / m ² K] x 30 [K] = 10,78 W / m ²

A perda total de calor através desta parede será:

q _perda = q. A = 10,78 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 323 W

Como pode ser visto, uma adição de isolador térmico causa uma diminuição significativa nas perdas de calor. Deve ser adicionado, uma adição da próxima camada de isolador térmico não causa economias tão altas. Isso pode ser visto melhor no método de resistência térmica, que pode ser usado para calcular a transferência de calor através de paredes compostas . A taxa de transferência constante de calor entre duas superfícies é igual à diferença de temperatura dividida pela resistência térmica total entre essas duas superfícies.

Exemplo – Isolamento de Espuma de Poliisocianurato

Uma das principais fontes de perda de calor de uma casa é através das paredes. Calcule a taxa de fluxo de calor através de uma parede com 3 mx 10 m de área (A = 30 m ² ). A parede tem 15 cm de espessura (L ₁ ) e é feita de tijolos com condutividade térmica de k ₁ = 1,0 W / mK (isolador térmico ruim). Suponha que as temperaturas interna e externa sejam 22 ° C e -8 ° C, e os coeficientes de transferência de calor por convecção nos lados interno e externo sejam h ₁ = 10 W / m ² K e h ₂ = 30 W / m ²K, respectivamente. Observe que esses coeficientes de convecção dependem muito especialmente das condições ambientais e interiores (vento, umidade etc.).

1. Calcule o fluxo de calor ( perda de calor ) através desta parede não isolada.
2. Agora assuma o isolamento térmico no lado externo desta parede. Use um  isolamento de espuma de poliisocianurato com 10 cm de espessura (L ₂ ) com a condutividade térmica de k ₂ = 0,022 W / mK e calcule o fluxo de calor ( perda de calor ) através dessa parede composta.

Solução:

Como foi escrito, muitos dos processos de transferência de calor envolvem sistemas compostos e até envolvem uma combinação de condução e convecção . Com estes sistemas compostos, muitas vezes é conveniente trabalhar com um coeficiente de transferência total de calor , conhecido como um factor-L . O fator U é definido por uma expressão análoga à lei do resfriamento de Newton :

O coeficiente geral de transferência de calor está relacionado à resistência térmica total e depende da geometria do problema.

1. parede nua

Assumindo a transferência de calor unidimensional através da parede plana e desconsiderando a radiação, o coeficiente geral de transferência de calor pode ser calculado como:

O coeficiente geral de transferência de calor é então:

U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 1/30) = 3,53 W / m ² K

O fluxo de calor pode ser calculado simplesmente como:

q = 3,53 [W / m ² K] x 30 [K] = 105,9 W / m ²

A perda total de calor através desta parede será:

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

2. parede compósita com isolamento térmico

Assumindo a transferência de calor unidimensional através da parede composta plana, sem resistência de contato térmico e sem considerar a radiação, o coeficiente geral de transferência de calor pode ser calculado como:

O coeficiente geral de transferência de calor é então:

U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 0,1 / 0,022 + 1/30) = 0,207 W / m ² K

O fluxo de calor pode ser calculado simplesmente como:

q = 0,207 [W / m ² K] x 30 [K] = 6,21 W / m ²

A perda total de calor através desta parede será:

q _perda = q. A = 6,21 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 186 W

Como pode ser visto, uma adição de isolador térmico causa uma diminuição significativa nas perdas de calor. Deve ser adicionado, uma adição da próxima camada de isolador térmico não causa economias tão altas. Isso pode ser visto melhor no método de resistência térmica, que pode ser usado para calcular a transferência de calor através de paredes compostas . A taxa de transferência constante de calor entre duas superfícies é igual à diferença de temperatura dividida pela resistência térmica total entre essas duas superfícies.