Termodynamika A Bezpečnost (2)

Technologické systémy v reálném světě jsou buď založeny anebo jsou ve velké míře ovlivněny termodynamickými zákony a technickou termodynamikou. Příkladem můžeme uvést v první části článku (1) zmíněné tepelné motory (tj. například veškeré spalovací motory), tepelná čerpadla, chladničky, klimatizace, chlazené elektrotechnických součástí. Je zřejmé, že některé kritické technologie či technologické procesy jsou v praxi z hlediska termodynamiky velmi zranitelné, tj. citlivé na termodynamické děje (např. citlivé na změnu teploty okolí, závislé na chlazení, citlivé na změnu tlaku apod.). Mohou při změně některých termodynamických parametrů sami způsobit termodynamickou reakci nebo jiné nebezpečné chování, které ohrožuje nebo přímo poškozuje okolí, tj. okolní systémy, životní prostření, ale i lidský systém, zdraví a životy lidí. Uvedené události, které vedou k velkým ztrátám na veřejných aktivech jako je majetek lidí a firem, životní prostředí, životy a zdraví lidí apod., nazýváme extrémní jevy.

Některé extrémní jevy, ve kterých hraje velkou roli termodynamika, jsou uvedené v následujících příkladech.

Zásobníky a přepravní cisterny zkapalněných plynů

Pro popis vlastností zásobníků a přepravních cisteren zkapalněných plynů vycházíme z práce (J. HORÁK) zabývající se využitím termodynamických údajů k hodnocení potenciální nebezpečnosti zásobníků zkapalněných plynů ¹

Za extrémní jev v tomto případě lze považovat únik obsahu zásobníků a cisteren, využívaných především v chemickém a petrochemickém průmyslu. Většina zkapalněných plynů má nebezpečné vlastnosti, některé jsou toxické či žíravé, např. chlor, chlorovodík, oxid siřičitý, amoniak, sirovodík, fosgen, jiné hořlavé, např. amoniak, propan, propen, butan, butadien a vinylchlorid, a proto v případě nehody mohou způsobit velké ztráty na životním prostředí a také na zdraví a životech lidí.

Uvedené zásobníky a cisterny lze tedy považovat za nebezpečný prostředek, který může v případě nehody způsobit:

– únik velkého množství nebezpečné látky,

– vznik směsi nebezpečného plynu a vzduchu,

– v případě toxického plynu, tj. toxický oblak ohrožující obyvatele a životní prostředí,

– v případě hořlavého plynu, tj. hořlavý oblak, který může v určitých podmínkách vzplanout a vytváří pak „ohnivou kouli“ ohrožující sáláním tepla,

– v případě explosivní látky, oblak plynu, který může ohrožuje okolí svojí explozí , její destruktivní vlnou a sáláním tepla.

Citovaná práce ² používá pro analýzu vybraných scénářů havárií následující důležité termíny:

Adiabatický var – pro vznik je zapotřebí tlakem zkapalněný plyn zahřátý nad teplotu normálního bod varu, při uvolnění tlaku dochází k tzv „mžikovému varu“ kde se pro přeměnu fáze využije vnitřní teplo zkapalněného plynu, není zde zpoždění způsobené získáváním tepla z okolí,

Var řízený přenosem tepla do kapaliny – zkapalněné plyny mají normální bod varu nižší než je teplota okolí. Proto při atmosférickém tlaku vřou, přičemž rychlost odpařování varem je limitována rychlostí přenosu tepla z okolí do kapaliny.

Scénáře havárií zásobníků mají rozdělený pracovní prostor na dvě části: kapalinový prostor vyplněný zkapalněným plynem a plynová část vyplněná stlačeným plynem. Scénář úniku jsou dělené na únik z kapalinového prostoru a únik z plynového prostoru. V obou případech se uvažuje tzv. pomalý a rychlí únik plynu či kapaliny z únikových otvorů kapalinového resp. plynového prostoru.

Rychlý únik je doprovázen adiabatickým varem, dochází zde k destruktivnímu účinku expanzní energie páry, dochází k rozptýlení kapaliny v kapkách do prostoru plynu a tím se urychluje proces varu, dochází zde také k vystříkávání kapaliny ve formě pěny. Rychlost úniku závisí na parametrech únikové cesty plynu a zda-li je spojena úniková cesta s kapalinovou a plynovou částí. Jako havarijní únik práce předpokládá rychlý únik.

Pomalý únik je doprovázen varem řízeným přenosem tepla do kapaliny, kde nedochází k úniku kapaliny, pouze stlačený plyn “a významně se neuplatní destruktivní účinek expanzní energie páry”. Příkladem pomalého úniku je při použití tlakových láhví se směsí propanu a butanu k vaření v domácnostech.

„V rozboru scénářů není zahrnut případ, kdy je zásobník roztržen působením tlaku par. K roztržení dochází v extrémních situacích, např. při požáru, kdy je obsah zásobníku ohřát na vysokou teplotu. Tento případ se označuje názvem fyzikální výbuch“ ³.

Citovaná práce zvažuje následující charakteristiky potřebné k získání relevantních výsledků:

– tlak v zásobníku,

– poměr největší zádrže v zásobníku ku zádrži nejnižší,

– pro plynový prostor – odhad hmotnosti zádrže uvolnitelné z parního prostoru zásobníku při uvolnění tlaku,

– pro kapalinový prostor – přehřátí kapaliny nad normální bod varu,

– pro kapalinový prostor – podíl kapaliny odpařitelný adiabatickým varem.

Pro analýzu potenciální nebezpečnosti úniku je nutné vypočítat expansní práci par v plynovém prostoru a par vznikajících varem.

Expanzní práce poskytuje základní informací o razanci, s jakou může pára unikat. Pro výpočet je možné využít vztahy odvozené pro adiabatickou expanzi. “Při adiabatické expanzi koná pára práci na úkor své vnitřní energie, expanzí se tedy pára ochlazuje a platí rovnost”: expanzní práce páry je rovna poklesu vnitřní energie páry. Využitelné jsou dvě mezní hodnoty expanzní práce:

– expanzní práce páry při vratné adiabatické expanzi (maximální expanzní práce),

– expanzní práce páry při nevratné adiabatické expanzi proti okolnímu (atmosférickému) tlaku (nejmenší nutná práce).

Rozdíl mezi uvedenou maximální a nejmenší nutnou prací je tzv. nevázaná práce, která se zpravidla transformuje na jiný druh nebezpečné energie – např. destruktivní tlakovou vlnu, dispergační energii rozptylující kapalinu do jemných kapek nebo na kinetickou energii vytékajícího kapalného a plynného proudu. Tato nevázaná práce pak ovlivňuje i rychlost míšení páry či směsi kapaliny a páry se vzduchem a významně ovlivňuje tvorbu oblaku uniklé látky. Transformace této části energie závisí na rychlosti procesu. Při pomalém úniku může zůstat netransformována ve formě zjevného tepla páry.

Prací vznikající varem jsou uvažovány: objemová práce páry spojená s expanzí páry v plynovém prostoru zásobníku; expanzní práce páry vznikající nevratným adiabatickým varem kapaliny.

Základním konstrukčním parametrem (dle citované práce ⁴), který ovlivňuje závažnost důsledků havárie je objem a zádrž nebezpečné látky v něm. Organizací procesů lze objem zásobníků a zádrže zmenšovat, ovšem v praxi velmi často špatná organizace podniku vynucuje stavbu velkých zásobníků a udržování velké zádrže.

Nejdůležitějším technologickým parametrem je rozdíl mezi teplotou skladování a teplotou normálního bodu varu, protože právě energie akumulovaná ve formě přehřátí obsahu nad normální bod varu představuje nebezpečnou formu energie, která je pak transformována na výparné teplo a expanzní práci. Snížení uvedeného rozdílu teplot znamená zavést dodatečné chladící zařízení, což nese další rizika, proto se musí chlazení řešit specificky pro každý typ zásobníku. Dále dle analýzy průběhu havárie vyplývá, že je nebezpečnější rychlá fáze, kdy je kapalina vytlačována ze zásobníku tlakem par, proto je v případě havárie (resp. úniku) účelné snížit tlak v zásobníku řízeným vypouštěním par. „Ve formě přehřátí je akumulováno relativně velké množství energie, její rozhodující podíl je však transformován na výparné teplo a jen velmi malá část se může projevit jako expanzní práce působící destrukčně. Hlavním zdrojem potenciální nebezpečnosti zásobníků je tedy jejich schopnost uvolnit do okolí velké množství páry a vytvořit oblak nebezpečné látky“.

Na závěr pro ilustraci důležitosti termodynamiky v zásobnících v bezpečnosti můžeme doporučit následující video a dokument:

Termodynamika parního cyklu jaderných elektráren – jaderná havárie

Extrémní jevy způsobené jadernou reakcí není potřeba blíže popisovat, stačí se poohlédnout na nejznámější události v jaderné energetice nebo i válečných konfliktů, světové i v ČSR.

– svržení atomové bomby na města Hirošima a Nagasaki v Japonsku roku 1945,

– jaderná havárie Jaslovské Bohunice A-1 roku 1976 a 1977,

– jaderná havárie Three Mile Island v USA roku 1979,

– velmi těžká jaderná havárie Černobil na Ukrajině roku 1986,

– velmi těžká jaderná havárie Fukushima v Japonsku roku 2011.

V následujících odstavcích vycházíme z bakalářské práce (T. KOZÁK) ⁵, která nepopisuje extrémní jevy, ale obsahuje popis parního cyklu jaderných elektráren z hlediska termodynamiky a souhrnný přehled typů jaderných a jejich konstrukcí. Na základě uvedené práce lze demonstrovat důležitost termodynamiky v oblasti jaderné energetiky, jelikož vnější vlivy, vnitřními organizační i technologické selhání můžou narušit termodynamický cyklus elektrárny, což vede k extrémním jevům, tj. selháním a méně či více závažným jaderným haváriím.

Uvedená práce předkládá stručný úvod a historii jaderného výzkumu a energetiky, dále předkládá úvod do termodynamiky, tj. tepelné oběhy, Carnotův oběh a termodynamiku páry (viz termodynamické zákony a cyklické jevy). Ve druhé části práce popisuje ideální i skutečný Rankin-Clausiův parní oběh, zvýšení termické účinnosti a carnotizaci oběhu.

Ideální Rankin-Clausiův oběh dle mění energii akumulovanou v páře na mechanickou práci. Skládá se ze čtyř termodynamických dějů resp. stavů znázorněných na obrázku, jejichž průběh je zanesen v T-s diagramu vody a vodní páry.

Termodynamika: ***Ideální Rankin-Clausiův oběh*** dle ⁶

Děj 1-2: adiabatická komprese, tj. tlakem zvýšená teplota syté kapaliny.

Děj 2-3: izobarický ohřev; kapalina je v kotli (parogenerátor, reaktor) za konstantního tlaku zahřívána a přeměněna v sytou nebo přehřátou páru.

Děj 3-4: adiabatická expanze; tj. pára expanduje přes turbínu a svojí energii přeměňuje v práci (rotace turbíny),

Děj 4-1: kondenzace; tj. pára kondenzuje zpět na sytou kapalinu.

Ideální tepelný oběh zanedbává ztráty, které mají přímý vliv na pokles termické účinnosti. Jde především o tepelné ztráty a tlakové v kotli a kondenzátoru, potom nevratné děje vznikající v turbíně a čerpadle.

Skutečný Rankin-Clausiův oběh – „Nejvýraznější pokles termické účinnosti oběhu způsobují nevratné děje, které vznikají při průchodu páry turbínou. V případě ideálního oběhu předpokládáme, že expanze v turbíně je izoentropická a odpovídá jí i příslušný tepelný spád (rozdíl entalpií páry na vstupu a výstupu z turbíny). Průchodem páry turbínou ale dochází k expanzním ztrátám, jejich důsledkem se expanzní křivka odklání ve směru vzrůstající entropie. Entalpie páry odcházející z turbíny je vyšší než v případě ideální izoentropické expanze. Proto tím klesne skutečný tepelný spád, to znamená i výkon turbíny. Rovněž s nárůstem entropie vzroste množství tepla, které musí být odvedeno v kondenzátoru. Ztráty podobné ztrátám v turbíně vznikají i v čerpadle, kde rovněž vlivem nárůstu entropie při kompresi kapaliny vzroste práce potřebná pro jeho pohon. Mezi další neméně významné ztráty patří tlakové ztráty způsobené třením a únikem tepla do okolí při tom, jak pracovní látka protéká potrubím, kotlem (parogenerátorem) a kondenzátorem.“. Porovnání ideálního a skutečného oběhu je na dalším obrázku.

Termodynamika: ***Skutečný Rankin-Clausiův oběh*** dle KOZÁK, Tomáš. *Bakalářská práce. Termodynamika parního cyklu jaderných elektráren* Brno: VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav 2013.

Pro zvýšení termické účinnosti (T.HORÁK) uvádí dvě možnosti: snížení tlaku v kondenzátoru a změnu tlaku a teploty páry. Uvedené souvisí s cenou a kvalitou technologií, konstrukce zařízení, a kvalitou a cenou paliva. Běžný tlak v kondenzátorech se podle ceny paliva pohybuje přibližně od 2,5 kPa do 9 kPa, u jaderných elektráren to je v rozmezí 8 až 9 kPa, tedy jaderné palivo se z tohoto pohledu považuje za levné. Tlak a teplotu páry vzhledem k možnostem materiálů nelze libovolně měnit.

U vysoce legovaných austenitických materiálů se u fosilních bloků ustálila teplota na 550°C, tento materiál má ovšem řadu nevýhod, jako je vysoká cena, špatná tepelná vodivost a vysoká tepelná roztažnost. “U jaderných elektráren je tlak a teplota páry omezena použitým typem reaktoru a jeho chladivem. Konstrukce většiny energetických reaktorů neumožňuje přehřev páry, vyrábějí pouze páru sytou o teplotě pohybující se kolem 280-290°C“.

Termodynamika: Nahrazení Rankin-Clausiova oběhu trojicí Carnotových oběhů dle⁷

Při carnotizaci dochází k rozdělení Rankin-Clausiova oběhu do tří částí (viz obrázek): I – ohřev stlačené vody na sytou kapalinu; II – ohřev syté kapaliny na sytou páru; III – přehřev páry.

Účinnost Carnotova oběhu závisí pouze na teplotách, mezi kterými pracuje. Nejnižší účinnost má oblast I. Carnotova cyklu, to se snažíme zvýšit regenerací tepla. „Regenerací tepla se snažíme zmenšit, v ideálním případě odstranit, oblast I, ve které přivádíme teplo pracovní látce při nejnižší teplotě, a tím snížit vliv této oblasti na celkovou termickou účinnost oběhu. Regeneraci tepla provádíme řízeným odběrem páry nejčastěji po expanzi ve vysokotlaké části turbíny. Po expanzi páry ve vysokotlaké části turbíny je část páry odebrána a přivedena do ohříváku (regeneračního výměníku), kde pára předává teplo napájecí vodě ještě před jejím ohřevem reaktorovým teplem. Regenerační pára v ohříváku kondenzuje a vzniklý kondenzát je sveden do kondenzátoru.“. „Výsledná termická účinnost oběhu je vyšší, zmenšením oblasti I došlo ke zvýšení střední teploty, při které se přivádí teplo do oběhu. Provedla se takzvaná carnotizace oběhu.“ ⁸.

Pro zlepšení účinnosti oblasti III. se používá přihřívání páry. „V jaderných elektrárnách je zajištění příhřevu páry obtížné. V jednookruhovém uspořádání jaderné elektrárny, kde pracuje turbína s radioaktivní párou se přihřívání páry nepouţívá, nastává zde problém s umístěním přihříváku. Ve dvou a tříokruhovém uspořádání se příhřev páry provádí několika způsoby. U plynem a tekutým kovem chlazených reaktorů se provádí příhřev primárním chladivem ve zvláštním výměníku nebo v parogenerátoru zabudovaném přihříváku. U reaktorů typu PWR se provádí přihřívání páry zejména vstupní párou do turbíny, nebo odběrovou párou z turbíny. Při tomto způsobu příhřevu ale páru nelze přihřát na teplotu vyšší než je teplota sytosti odpovídající tlaku vstupní páry. S příhřevem páry se většinou zároveň provádí i separace přebytečné vlhkosti v separátoru. Hlavním důvodem proč je příhřev syté páry prováděn zůstává zejména nutnost zajistit suchost páry po expanzi.“ ⁹.

Jaderné elektrárny používají reaktor s aktivní zónou, ve které probíhá řízená štěpná řetězová reakce. Štěpení v celém objemu paliva palivo zahřívá a jaderná energie v něm vázaná se mění na energii tepelnou. Výroba elektrické energie potom probíhá pomocí Rankin-Clausiova oběhu, případně použitím Braytonova oběhu u reaktorů chlazených plynem. Tepelný výkon aktivní zóny je limitován především tepelným výkonem, který jsme schopni z aktivní zóny reaktoru odvést (není teoreticky limitován neuronovým tokem). Z hlediska termodynamiky je nejzajímavější provedení reaktoru, uspořádání a chlazení jeho aktivní zóny, druh a parametry chladiva, případně celková koncepce jaderné elektrárny, viz další obrázek.

Provozní schéma jaderné elektrárny dle KOZÁK, Tomáš. *Bakalářská práce. Termodynamika parního cyklu jaderných elektráren* Brno: VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav 2013.

„Zejména z důvodu možného úniku radioaktivity, nebo kvůli specifické konstrukci reaktoru, nelze přímo teplo vyvíjené v aktivní zóně použít k výrobě páry nebo ohřevu plynu a pohonu parní případně plynové turbíny. Je nutné konstrukčně oddělit zařízení a provozní celky, které mohou být přímo ve styku s radioaktivitou nebo jí mohou být zasaženy, a zařízení, která se do styku s radioaktivitou dostat nesmí. Proto je uspořádání jaderných elektráren vesměs více okruhové, uzavřený primární okruh s radioaktivním chladivem většinou pouze odvádí teplo z reaktoru a předává ho dalším tepelným okruhům. Jaderné elektrárny lze rozdělit do tří skupin – jednookruhové, dvouokruhové a tří okruhové jaderné elektrárny.“.

Kvůli výše uvedeným skutečnostem práce dále popisuje jednotlivé typy reaktorů a technické řešení okruhů. Dalším výsledkem práce je popis programu na vykreslení a výpočet Rankin-Clausiova oběhu v programu MATLAB.

Závěrem je konstatování a zamyšlení nad energetickými trendy a postoji některých zemí k jaderné energetice a současné efektivnosti nahrazování jádra obnovitelnými zdroji. Autor připouští možnost a uplatnitelnost použití menších jaderných reaktorů pro jednotlivé technologické celky či zásobování el. energií menších obytných celků, měst. Jak již bylo řečeno, práce se přímo nezaměřuje extrémní jevy, které mohou v jaderných elektrárnách vlivem okolních i vnitřních poruch nastat, ale vzhledem k ucelenému pohledu k technologiím a využitím termodynamiky lze pozorovat, že se jedná o zařízení, které pracuje s vysokými termodynamickými parametry a bezpečnost provozu vzhledem k uvnitř probíhajícím termodynamickým dějům je velmi citlivá na kvalitu materiálů, technologického řešení a organizaci výstavby, provozu aj.

Na závěr pro ilustraci důležitosti termodynamiky v jaderné energetice bezpečnosti můžeme doporučit následující videa:

Termodynamika a bezpečnost (2)

Štítky:Bezpečnost Fyzika Technologie Termodynamika

Zásobníky a přepravní cisterny zkapalněných plynů

Termodynamika parního cyklu jaderných elektráren – jaderná havárie

Napsat komentář Zrušit odpověď na komentář