XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ AN TOÀN DÙNG NHIỆT HÓA HỌC TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (777.29 KB, 47 trang )
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KỸ THUẬT HẠT NHÂN VÀ VẬT LÝ MÔI TRƯỜNG
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ AN TOÀN DÙNG
NHIỆT HÓA HỌC TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
SINH VIÊN THỰC HIÊN
: NGÔ HOÀNG ANH
Lớp
:
KỸ THUẬT HẠT NHÂN VÀ VẬT LÝ MÔI TRƯỜNG
Khoá
:
54 (2009 – 2014)
Hà Nội, tháng 6 năm 2014
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
1
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................7
MỞ ĐẦU.....................................................................................................................8
1.
Lý do chọn đề tài: ..........................................................................................8
2.
Mục đích nghiên cứu .....................................................................................8
3.
Nhiệm vụ nghiên cứu ....................................................................................8
4.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.....................................................................................10
1.1. Công nghệ lò phản ứng nước nhẹ và sự cố LOCA......................................10
1.1.1.
Công nghệ lò phản ứng nước nhẹ......................................................10
1.1.2.
Sự cố LOCA ......................................................................................14
1.2. Lưu trữ năng lượng nhiệt.............................................................................15
1.2.1.
Tổng quan về lưu trữ năng lượng ......................................................15
1.2.2.
Công nghệ lưu trữ năng lượng ..........................................................15
1.3. Phương pháp sử dụng nhiệt hóa học............................................................19
1.4. So sánh các phương pháp lưu trữ nhiệt .......................................................20
CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ XÂY DỰNG THIẾT BỊ .............................................25
2.1. Ý tưởng mô hình thiết bị giải nhiệt hóa học................................................25
2.2. Nguyên lý thiết bị giải nhiệt dùng nhiệt hóa học.........................................25
2.3. Phân loại máy bơm nhiệt hóa học ...............................................................26
2.4. Lựa chọn chất hóa học phù hợp...................................................................30
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
2
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT DÙNG
NHIỆT HÓA HỌC....................................................................................................32
3.1. Điều kiện đầu của bài toán trao đổi nhiệt ....................................................32
3.2. Tính toán các thông số nhiệt của mô hình thiết bị.......................................35
3.2.1.
Tính toán nhiệt lượng trao đổi..........................................................35
3.2.2.
Tính toán hệ số truyền nhiệt ..............................................................35
3.2.3.
Tính diện tích trao đổi nhiệt ..............................................................39
3.2.4.
Xây dựng hình thiết bị.......................................................................39
3.3. Hoạt động của thiết bị..................................................................................42
KẾT LUẬN ...............................................................................................................46
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................47
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
3
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH
Hình 1.1. Chu trình nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân nước áp lực (PWR) ............11
Hình 1.2. Chu trình nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân nước sôi (BWR).................12
Hình 1.3. Chu trình nhiệt trong lò phản ứng nước áp lực (SCWR) .........................13
Hình 1.4. Lưu trữ và sử dụng năng lượng nhiệt mặt trời bằng nước. ......................16
Hình 1.5. Quá trình biến đổi pha của vật liệu ..........................................................17
Hình 1.6. Mô hình lưu trữ dùng vật liệu biến đổi pha Na2S ....................................18
Hình 1.7. Các quá trình của chu trình lưu trữ dùng nhiệt hóa học............................19
Hình 1.8. Nguyên tắc lưu trữ sử dụng nhiệt phản ứng hóa học của Silicagel khô ..23
Hình 2.1: Nguyên lý thiết bị giải nhiệt dùng nhiệt hóa học......................................26
Hình 2.2:Ba kiểu máy bơm nhiệt hóa học đặc trưng ................................................28
Hình 2.3. Nguyên lý hoạt động của máy bơm nhiệt dùng MgO/H2O.......................28
Hình 2.4. Nguyên lý hoạt động của máy bơm nhiệt dùng CaO/PbO/CO2 ................29
Hình 2.5. Nguyên lý hoạt động của máy bơm nhiệt dùng axeton/H2/2-propanol.....30
Hình 2.6. Nguyên tắc hoạt động của bơm nhiệt hóa học MgO/H2O ........................31
Hình 3. 1. Kích thước hạt Mg(OH)2..........................................................................33
Hình 3. 2. Sắp xếp ống trong thiết bị ........................................................................34
Hình 3. 3. Phần trăm độ rỗng của môi chất Mg(OH)2 .............................................34
Hình 3. 4. Cách sắp xếp các ống vào bình trao đổi nhiệt..........................................40
Hình 3. 5. Mặt cắt đứng mô hình thiết bị trao đổi nhiệt dùng Mg(OH)2 ..................41
Hình 3. 6. Hiệu suất nhiệt phân Mg(OH)2 theo thời gian[5]....................................43
Hình 3. 7. Nhiệt độ viên Mg(OH)2 theo thời gian nhiệt phân [5] ............................44
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
4
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
Bảng 1. 1. :Bảng so sánh các phương pháp lưu trữ nhiệt .........................................20
Bảng 1. 2. Giá trị về sức chứa và phạm vi nhiệt độ của một số chất và hợp chất ....22
Bảng 2. 1. Phân loại máy bơm nhiệt hóa học: ..........................................................26
Bảng 3. 1. Các thông số về hai mẫu nguyên liệu MgO.............................................32
Bảng 3. 2. Bảng thông số nhiệt của môi chất............................................................35
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
5
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
KÝ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT
-
BWR: Boiling Water Reactors
-
PCM : Phase Change Materials
-
PWR : Pressurized Water Reactors
-
SCWR: Supercritical Water-Cooled Reactor
-
ECCS - Emergency core cooling system
-
C: nhiệt dung riêng [J/kg.K]
-
d: đường kính ống [m]
-
F: tổng diện tích trao đổi nhiệt [m2]
-
G: lưu lượng dòng môi chất [t/s]
-
Gr: hằng số Garshof
-
K: hệ số trao đổi nhiệt tổng [W/m.K]
-
L, l: chiều dài ống [m]
-
N: số ống
-
Nu: hằng số Nusselt
-
Pr: hằng số Prand
-
Q: nhiệt lượng [W]
-
Re: hằng số Reynold
-
s: khoảng cách giữa tâm 2 ống liền kề[m]
-
t: nhiệt độ [0C]
-
α: hệ số trao đổi nhiệt riêng [W/m.K]
-
µ: độ nhớt động lực học [kg/m.s]
-
γ: độ nhớt động học [m2/s]
-
ρ: mật độ khối [kg/m3]
-
ω: tốc độ dòng môi chất [m/s]
-
Φ: tỷ lệ khối lượng
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
6
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
LỜI CẢM ƠN
Để có được những kiến thức, những hiểu biết trong suốt thời gian qua học ở
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, cũng như thời gian thực hiện đề tài em đã nhận
được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè.
Với lòng biết ơn sâu sắc nhất em xin gửi lời cảm ơn tới các Thầy Cô ở Viện
kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã
cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho
chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ThS. Cao Đức Lượng – Giảng viên đã
trực tiếp hướng dẫn em trong suốt thời gian em thực hiện đề tài tại Viện Kỹ thuật
hạt nhân và Vật lý môi trường. Thầy là người đã không tiếc thời gian, công sức tận
tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiên giúp đỡ em hoàn thành đề tài này.
Do còn thiếu kỹ năng là kinh nghiệm trong nghiên cứu vì vậy không tránh
khỏi những thiếu sót, em mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của các
Thầy Cô và các bạn để em có thể hoàn thiện hơn.
Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô trong Viện kỹ thuật hạt nhân và
Vật lý môi trường – ThS. Cao Đức lượng thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục
để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau.
Trân trọng!
Hà Nội, tháng 6 năm 2014
Sinh viên thực hiện
Ngô Hoàng Anh
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
7
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Năng lượng hạt nhân là một loại công nghệ hạt nhân sử dụng năng lượng hữu
ích từ hạt nhân nguyên tử thông quá các lò phản ứng hạt nhân có kiểm soát. Với
trên 50 năm hình thành và phát triển, hiện nay trên thế giới có hàng trăm lò phản
ứng hạt nhân thương mại sản xuất điện phục vụ nhu cầu năng lượng của con người.
Trong vấn đề phát triển năng lượng, để giải quyết nhu cầu nguồn năng lượng ngày
càng tăng nhanh của Việt Nam, quyết định lựa chọn điện hạt nhân đã được đưa ra là
phương án tối ưu nhất.
Với hai nhà máy Điện hạt nhân Ninh Thuận I và Ninh Thuận II sắp xây dựng
sử dụng công nghệ lò nước áp lực PWR (Pressurized Water Reactors), vấn đề được
quan tâm nhất hiện nay là an toàn của các lò phản ứng hạt nhân đặc biệt khi xuất
hiện sự cố điện hạt nhân. Qua các thế hệ nhà máy điện hạt nhân cải tiến, hệ thống an
toàn trong nhà máy điện hạt nhân ngày càng được thiết kế bảo vệ theo chiều sâu
hơn với các nguyên tắc thiết kế: nguyên tắc dự phòng, nguyên tắc độc lập, nguyên
tắc tách rời, nguyên tắc khác biệt.
Công nghệ lò nước nhẹ sử dụng nước để giải nhiệt cho nước đi ra từ lõi lò và
quá trình này không thể thiếu nước vì vậy tiềm ẩn nguy cơ cao khi xảy ra sự cố mất
nước. Dựa trên các nguyên tắc an toàn trên và tính ứng dụng của nhiệt hóa học
chúng tôi thực hiện đề tài “Xây dựng mô hình thiết bị an toàn dùng nhiệt hóa học
trong nhà máy điện hạt nhân”.
2. Mục đích nghiên cứu
Đề tài được nghiên cứu với mục đích xây dựng mô hình một thiết bị giải nhiệt
cho nước đi ra từ lõi lò phản ứng trong nhà máy điện hạt nhân nâng tăng tính an
toàn của nhà máy điện hạt nhân.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
-
Tìm hiểu về các tai nạn nhà máy điện hạt nhân.
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
8
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
-
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
Nghiên cứu về các phương pháp lưu trữ năng lượng nhiệt. So sánh và đánh
giá phương pháp lưu trữ dùng nhiệt hóa học với các phương pháp lưu trữ
khác.
-
Nghiên cứu thiết bị giải nhiệt sử dụng các chất hóa học thay thế nước. Xây
dựng mô hình thiết bị giải nhiệt sử dụng nhiệt phản ứng hóa học trong lò nhà
máy điện hạt nhân công nghệ lò nước áp lực.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng chất hóa học Magie
hydroxit Mg(OH)2, sử dụng số liệu nghiên cứu đã được công bố bởi giáo sư
Yukitaka Kato – Trung tâm nghiên cứu hạt nhân – Viện công nghệ Tokyo.
Phạm vi nghiên cứu: Do khó khăn đặc thù của ngành năng lượng hạt nhân tại
Việt Nam vì vậy mô hình thiết bị này chỉ nghiên cứu trên phạm vi lý thuyết thuần
túy có sử dụng những số liệu khoa học đã được công nhận.
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
9
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.
Công nghệ lò phản ứng nước nhẹ và sự cố LOCA
1.1.1. Công nghệ lò phản ứng nước nhẹ
Lò phản ứng nước nhẹ (LWR – Light Water Reactors) là một kiểu lò phản ứng
hạt nhân sử dụng notron nhiệt, chất làm lạnh được sử dụng là nước đồng thời nước
cũng là chất làm chậm notron. Các lò phản ứng notron nhiệt là loại lò phản ứng hạt
nhân phổ biến nhất, và các lò phản ứng nước nhẹ là phổ biến nhất trong các lò phản
ứng notron nhiệt. Có 3 dạng lò phản ứng nước nhẹ: lò phản ứng nước áp lực (PWR
- Pressurized Water Reactors), lò phản ứng nước sôi (BWR - Boiling Water
Reactors), và (hầu hết thiết kế của) lò phản ứng nước siêu tới hạn (SCWR Supercritical Water-Cooled Reactor ).
a. Lò phản ứng nước áp lực (PWR)
Lò phản ứng nước áp lực (PWR) là một trong hai loại lò phản ứng hạt
nhân thuộc nhóm lò phản ứng nước nhẹ, loại lò này được sử dụng rất phổ biến ở các
nước phương Tây.
Vòng sơ cấp: nước đi qua vùng hoạt và nhận nhiệt từ lớp vỏ thanh nhiên
liệu. Phần nước nóng này được đưa đến lối ra của khoang trên vùng hoạt, sau đó
chảy qua kênh nóng tới lối vào của bình sinh hơi.
+ Bình sinh hơi: nước của vòng sơ cấp trao đổi nhiệt với nước của vòng thứ cấp, sau
đó đi qua kênh lạnh và đổ vào khoang lưu hồi của thùng lò.
+ Khoang lưu hồi: dẫn nước đến lối vào vùng hoạt. Quá trình tuần hoàn của
nước được lặp lại.
+ Bình điều áp: có hệ thống sưởi nước để tạo hơi nước và hệ thống phun nước để
làm ngưng tụ một phần hơi nước, nhằm điều chỉnh áp suất hệ thống trong
một khoảng ổn định. Hệ thống sưởi nước là các lò xo nhiệt, được sử dụng để làm
tăng áp suất trong trường hợp hệ thống bị giảm áp, còn hệ thống phun nước được
sử dụng để giảm áp suất trong trường hợp hệ thống bị tăng áp quá mức. Dưới các
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
10
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
điều kiện vận hành bình thường, bình điều áp thường ngập một nửa dưới là nước và
nửa trên là hơi nước bão hòa. Bình điều áp hoạt động theo nguyên tắc bể tràn trong
suốt quá trình chuyển tiếp.
Hình 1.1. Chu trình nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân nước áp lực (PWR)
+ Ngoài ra còn có các hệ thống khác như hệ thống làm mát vùng hoạt khẩn
cấp (ECCS - Emergency core cooling system), hệ thống cung cấp và xả nước để bổ
sung thành phần hóa học và làm sạch nước…
Vòng thứ cấp: hơi nước được sinh ra trong bình sinh hơi, đi qua hệ thống
tách ẩm, hệ thống làm khô hơi nước và đi vào tuabin.
+ Tuabin: quay là nhờ áp lực của hơi nước. Hơi nước sau khi qua tuabin
được ngưng tụ và đưa trở lại bình sinh hơi. Phần nước này được trộn với phần nước
tách từ hệ thống tách ẩm và làm khô hơi nước, đi vào khoang lưu hồi của bình sinh
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
11
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
hơi. Quá trình trao đổi nhiệt giữa nước của vòng sơ cấp và nước của vòng thứ cấp
trong bình sinh hơi được lặp lại.
b. Lò phản ứng nước sôi (BWR)
Lò phản ứng hạt nhân nước sôi (BWR) hay còn gọi tắt là lò phản ứng nước
sôi là lò phản ứng hạt nhân thuộc nhóm nước nhẹ, được sử dụng để sản xuất điện.
Đây là kiểu lò phản ứng hạt nhân sản xuất điện phổ biến thứ 2 sau kiểu lò phản ứng
nước áp lực (PWR), cũng thuộc nhóm lò phản ứng nước nhẹ. BWR sử dụng nước
đã khử khoáng để làm lạnh và điều khiển nơtron.
Hình 1.2. Chu trình nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân nước sôi (BWR)
Nhiệt được tạo ra từ phản ứng phân hạch trong lõi lò phản ứng, nung sôi
nước để tạo ra hơi nước. Hơi nước được sử dụng trực tiếp để quay turbine, sau đó
hơi nước được làm lạnh ở bộ phân ngưng tụ và trở về dạng lỏng. Nước sau khi được
ngưng tụ tiếp tục quay trở về lõi của lò phản ứng và tiếp tục chu trình tuần hoàn của
nó. Nước lạnh được duy trì ở khoảng 75 atm (7,6 MPa) vì vậy nó sôi trong lõi ở
nhiệt độ khoảng 285°C. Nếu so sánh với lò PWR, thì lò PWR sẽ không cho phép
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
12
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
nước sôi vì sáp suất cao được duy trì trong suốt quá trình tuần hoàn của nó, vào
khoảng 158 atm (16 MPa, 2300 psi).
c. Lò phản ứng nước siêu tới hạn (SCWR)
Công nghệ lò phản ứng nước siêu tới hạn (SCWR) vẫn đang trong quá trình
phát triển, hứa hẹn nhiều ưu thế so với lò PWR và lò BWR Nhiệm vụ chính của
SCWR là phát điện với chi phí thấp nhờ kết hợp hai công nghệ: công nghệ LWR
truyền thống và công nghệ lò hơi siêu tới hạn đốt nhiên liệu hoá thạch. Căn cứ các
nghiên cứu thiết kế có thể tiên đoán hiệu suất nhiệt của nhà máy sẽ cao hơn các lò
LWR hiện nay khoảng một phần ba.
Hình 1.3. Chu trình nhiệt trong lò phản ứng nước áp lực (SCWR)
Từ hình 1.3. có thể thấy các hệ thống còn lại của nhà máy và các đặc điểm an
toàn thụ động của lò SCWR cũng tương tự như đối với lò BWR, nhưng lại đơn giản
hơn nhiều do chất làm mát không thay đổi về pha trong lò phản ứng. Nước siêu tới
hạn làm quay trực tiếp tuabin, không cần đến hệ thống hơi trung gian. Trên thế giới,
dẫn đầu là Nhật Bản, người ta đang tìm cách giải quyết các vấn đề cấp bách nhất về
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
13
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
vật liệu và tính bất định trong thiết kế hệ thống nhằm chứng minh tính khả thi về kỹ
thuật của lò SCWR.
1.1.2. Sự cố LOCA
LOCA: viết tắt của cụm từ “Loss Of Coolant Accident” nghĩa là “sự cố mất
chất làm mát”. Nguyên nhân: sự cố được khởi phát từ sự kiện mất nước tải nhiệt
của vòng sơ cấp.
+ Lò phản ứng nước nhẹ sử dụng nước làm chất tải nhiệt và làm chậm. Do đó,
khi xảy ra sự cố vỡ ống hay thùng lò làm mất nước thì khả năng làm chậm nơtron
giảm, dẫn đến đưa công suất lò dưới tới hạn. Đặc trưng cho sự kiện này của lò là
chế độ tự dập lò phản ứng khi mất nước hoạt động.
+ Khi mất chất tải nhiệt, nhiệt trong các thanh nhiên liệu được phân bố lại.
Lượng nhiệt dư do quá trình phân rã gây ra khi dập lò không lớn như khi vận hành
nhưng do mất chất tải nhiệt nên vẫn có thể gây nóng chảy vỏ thanh nhiên liệu.
+ Khi vỏ thanh nhiên liệu bị nóng chảy mạnh, hiện tượng oxy hóa xảy ra bởi hơi
nước và nước làm hư hỏng các thiết bị, sinh ra lượng hydro lớn có thể gây nổ lò
phản ứng. Các phản ứng oxy hóa này cũng sản sinh nhiệt và đóng góp thêm vào
lượng nhiệt dư.
- Để đảm bảo an toàn khi xảy ra sự cố: hệ thống ECCS được thiết kế nhằm tải nhiệt
vùng hoạt khi LOCA, cung cấp chất làm mát cho nhiên liệu.
- Phân loại LOCA: có 2 loại LOCA chính: vỡ nhỏ SBLOCA ( Small-Break LossOf-Coolant Accident) và vỡ lớn LBLOCA (Large Break Loss-of-Coolant
Accident ).
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
14
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1.2.
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
Lưu trữ năng lượng nhiệt
1.2.1. Tổng quan về lưu trữ năng lượng
Trong các hệ thống năng lượng truyền thống, nhu cầu lưu trữ nhiệt thường là
ngắn hạn do đó các giải pháp kỹ thuật cho việc lưu trữ năng lượng nhiệt có thể khá
đơn giản, và đối với hầu hết các trường hợp đều sử dụng công nghệ lưu trữ dùng
môi chất truyền nhiệt là nước.
Có ba cách chính để lưu trữ năng lượng nhiệt: hệ dùng nhiệt trực tiếp, biến đổi
pha và nhiệt phản ứng hóa học. Lưu trữ dựa trên phản ứng hóa học có hiệu suất
nhiệt cao hơn so với Hệ nhả nhưng chưa được sử dụng cũng như thương mại hóa
rộng rãi. Công nghệ của Hệ nhả là một công nghệ với tổn thất nhiệt thấp, chi phí sản
xuất thấp đang hứa hẹn là một công nghệ hấp dẫn trong tương lai.
1.2.2. Công nghệ lưu trữ năng lượng
a) Hệ sử dụng năng lượng trực tiếp:
Trong hệ sử dụng năng lượng trực tiếp, năng lượng (hoặc nhiệt) được lưu trữ/sử
dụng bằng cách nung nóng/làm mát một chất lỏng hoặc các vật liệu lưu trữ thể rắn
thông qua sự tương tác truyền nhiệt. Giá trị công suất lưu trữ là [J/g] bằng tích của
nhiệt dung nhiệt và nhiệt độ thay đổi. Dạng lưu trữ phổ biến nhất có thể thấy đó là
lưu trữ năng lượng mặt trời. Lưu trữ năng lượng là một vấn đề quan trọng bởi vì các
hệ thống năng lượng hiện đại thường giả định sẵn có liên tục của năng lượng.
Hệ thống nhiệt khối có thể lưu trữ năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt ở nhiệt độ
trong nước hữu ích cho mỗi ngày hoặc mùa thời. Hệ thống được thiết kế tốt có thể
hạ thấp nhu cầu cao điểm, thay đổi thời gian sử dụng về các giờ ngoài giờ cao điểm
và giảm các yêu cầu sưởi ấm và làm mát tổng thể.
Trong hình 1.4. bên dưới là sơ đồ mô tả quá trình lưu trữ và sử dụng nhiệt năng
từ mặt trời sử dụng vật liệu lưu trữ là hệ thống nước ngầm. Ban ngày khi mặt trời
chiếu sáng, nước được bơm từ khoang lạnh lên sau khi nhận nhiệt được dẫn đến nơi
sử dụng và phần còn lại dẫn xuống bể nóng lưu trữ. Ban đêm khi muốn sử dụng
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
15
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
nhiệt ta lại bơm từ bể nóng qua thiết bị trao đổi nhiệt nước được giải nhiệt và được
dẫn trở lại bể lạnh. Vòng tuần hoàn này được lặp đi lặp lại.
Hình 1.4. Lưu trữ và sử dụng năng lượng nhiệt mặt trời bằng nước.
Vật liệu thường được sử dụng như một phương tiện lưu trữ được nước, không
khí, dầu, đá, gạch,bê tông, cát và đất. Dải nhiệt độ có thể sử dụng từ 600C 4000C. Phương pháp này chủ yếu được áp dụng cho các hệ thống trong nước, sưởi
ấm và các nhu cầu công nghiệp.
b) Biến đổi pha phản ứng (nhiệt ẩn):
Vật liệu chuyển pha (PCM - Phase Change Materials) là vật liệu có nhiệt nóng
chảy cao, nóng chảy và đông cứng xung quanh một nhiệt độ ổn định, có khả năng
thu nhận hoặc giải phóng nhiệt lượng lớn. Khi vật liệu đông cứng, nó tỏa nhiệt, khi
vật liệu nóng chảy, nó thu nhiệt. Vật liệu này đóng vai trò bộ phận dự trữ nhiệt, giúp
ổn định nhiệt độ cho các hệ thống sử dụng chúng.
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
16
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
Hình 1.5. Quá trình biến đổi pha của vật liệu
Dự trữ nhiệt năng thông qua chuyển pha có thể được thực hiện khi chuyển trạng
thái rắn-rắn, rắn-lỏng (hiện tượng nóng chảy), rắn-khí (hiện tượng thăng hoa), khílỏng (hiện tượng bay hơi). Tuy nhiên chuyển pha khí-lỏng hay rắn-khí gây ra thay
đổi thể tích lớn, còn chuyển pha rắn-rắn dự trữ ít nhiệt; dẫn đến chuyển pha rắnlỏng được sử dụng nhiều trong các ứng dụng ổn nhiệt.
Trong hiện tượng nóng chảy, khi nhiệt độ của vật liệu nhỏ hơn nhiệt độ nóng
chảy, nó ở trạng thái rắn. Cung cấp nhiệt cho vật liệu, nhiệt độ cửa nó tăng lên cho
tới khi nó bắt đầu nóng chảy. Nhiệt độ của vật liệu giữ nguyên ở nhiệt độ nóng
chảy, dù có cấp thêm nhiệt lượng, chừng nào vật liệu chưa tan chảy hết. Đây chính
là tính chất giúp ổn nhiệt của vật liệu. Khi vật liệu tan chảy hết, nhiệt độ nó lại tiếp
tục tăng khi cấp nhiệt lượng.
Ngược lại, khi nhiệt độ trong môi trường xung quanh giảm thấp; vật liệu tỏa
nhiệt ra môi trường và bắt đầu đông cứng. Nhiệt độ của vật liệu sẽ giữ nguyên ở
nhiệt độ nóng chảy, chừng nào nó chưa đông cứng hết.
Có một dải rộng các vật liệu chuyển pha có nhiệt độ nóng chảy trong khoảng từ
-5 tới 1900C, phục vụ cho các ứng dụng ổn nhiệt khác nhau. Với ứng dụng điều hòa
nhiệt độ phù hợp cho sinh hoạt của con người, tầm 200 to 300C, một số vật liệu đã
được phát triển, chứa từ 5 đến 14 nhiệt lượng trên mỗi đơn vị thể tích hơn các vật
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
17
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
liệu thông thường như nước, đá. Một số chất được sử dụng là các muối vô cơ, các
hợp chất hữu cơ và như Na2SO4.10H2O; CaCl2.6H2O; Parafin (t0 nóng chảy từ
20-600C)…
Hình 1.6. Mô hình lưu trữ dùng vật liệu biến đổi pha Na2S
Hình 1.6. mô tả cấu trúc hệ lưu trữ dùng vật liệu biến đổi pha Na2S. Na2S được
nén, ép thành dạng viên nang có vỏ là nhựa. Đây chính là công nghệ bọc vĩ mô: vật
liệu được bọc trong các túi đựng (như hình cầu, hình trụ). Công nghệ này có nhược
điểm là độ dẫn nhiệt thấp, và các vật liệu có xu hướng đông cứng ở rìa gần vỏ bọc,
giảm đáng kể tính dẫn nhiệt của hệ thống. Các viên nang này được xếp vào một bể
lưu trữ, tại đây viên nang thực hiện quá trình nhận – nhả nhiệt phụ thuộc quá trình
biến đổi pha.
c) Nhiệt phản ứng hóa học:
Lưu trữ bằng cách dùng phản ứng hóa học thuận nghịch có sực hấp thụ hơi nhiệt.
AB + heat <----> A + B(g)
Hấp thụ nhiệt: AB + heat ----> A + B(g)
Nhả nhiệt: A + B(g) ---->AB + heat
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
18
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
Quá trình hấp thụ nhiệt ta dùng nhiệt thực hiện phản ứng phân hủy hợp chất
AB thành hai phần A và B có khả năng lưu giữ riêng. Quá trình nhả nhiệt ta thực
hiện phản ứng tái kết hợp A và B với nhau tạo thành hợp chất AB đồng thời giải
phóng nhiệt. Giá trị công suất lưu trữ chính là nhiệt của phản ứng.
Lưu trữ năng lượng dựa trên phản ứng hóa học đặc biệt thích hợp cho các ứng
dụng lưu trữ lâu dài, vì quá trình liên quan đến hầu như không có tổn thất năng
lượng trong thời gian lưu trữ. Lưu trữ thường được thực hiện ở nhiệt độ môi trường
xung quanh.
1.3.
Phương pháp sử dụng nhiệt hóa học
Một chu kỳ của lưu trữ nhiệt hóa học gồm 3 quá trình như hình 1.7. bên dưới:
-
Quá trình hấp thụ: Hợp chất C nhận nhiệt và phân tách thành A và B.
-
Quá trình lưu trữ: A và B được lưu trữ riêng biệt.
-
Quá trình nhả nhiệt: Thực hiện phản ứng kết hợp A và B dưới điều kiện thích
hợp ta thu được hợp chất C, quá trình này là quá trình tỏa nhiệt.
Hình 1.7. Các quá trình của chu trình lưu trữ dùng nhiệt hóa học
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
19
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
Ưu điểm của lưu trữ năng lượng sử dụng nhiệt hóa học
Hệ thống lưu trữ nhiệt dùng nhiệt hóa học có nhiều lợi thế hơn các loại lưu trữ
nhiệt khác:
• Các thành phần (A và B) thường có thể được lưu trữ riêng biệt ở nhiệt độ môi
trường. Vì vậy, có rất ít hoặc không có sự mất nhiệt trong thời gian lưu trữ, nên ta
không cần sử dụng lớp cách nhiệt.
• Do các tổn thất nhiệt thấp, hệ thống lưu trữ năng lượng dùng nhiệt hóa học đặc
biệt thích hợp cho việc lưu trữ năng lượng dài hạn (ví dụ, lưu trữ theo mùa).
• Vật liệu nhiệt hóa có mật độ năng lượng cao hơn so với vật liệu biến đổi pha PCM
(Phase Change Materials) và vật liệu lưu trữ của phương pháp nhả. Mật độ năng
lượng cao hơn, vì vậy không gian lưu trữ nhỏ gọn hơn so với phương pháp lưu trữ
chuyển pha và phương pháp lưu trữ sử dụng nhiệt trực tiếp.
1.4.
So sánh các phương pháp lưu trữ nhiệt
Bảng 1. 1. :Bảng so sánh các phương pháp lưu trữ nhiệt
Giá
trị Các phương pháp lưu trữ năng lượng
tham số
PP sử dụng nhiệt PP biến đổi pha phản PP nhiệt phản ứng
trực tiếp
Phạm vi •
nhiệt độ
ứng
Nhiệt
hóa học
thông •Nước là môi chất có •Rất rộng có thể từ
thường cho bể nước phậm vi lưu trữ rộng vài chục tới vài trăm
nóng là 110°C .
•
Lưu
trữ
phụ thuộc vào áp suất độ C tùy thuộc vào
nước môi trường lưu trữ.
vật liệu lưu trữ.
ngầm hoặc trên bề •20-40°C (Là nhiệt
mặt trung bình là độ nóng chảy của
50°C
Parafin)
•Lưu trữ trong bê •30-80°C (Là muối
tông đất đá có thể hydrat khi nhiệt nhiệt
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
20
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
lên tới 400°C.
Mật
phân)
độ Thấp – chỉ khoảng Vừa phải
lưu trữ
0,2 GJ/m3
khoảng Phân bố trên khoảng
0,3-0,5 GJ/m3 ở 1atm
rộng trung bình từ
(Đối với bể chứa
0,4-3 GJ/m3tuỳ thuộc
nước thông thường
vật liệu
ở 1atm)
Thời
Vật liệu lưu trữ sử Thường hạn chế do Phụ thuộc vào sự mất
gian lưu dụng được lâu dài
vật liệu lưu trữ bị mất mát chất phản ứng và
trữ
dần phẩm chất theo các phản ứng phụ
vật
liệu
thời gian.
Tình
Công nghệ sẵn có, Công nghệ mới chỉ Nói chung không có
trạng
mức độ thương mại được nghiên cứ cho sẵn, nhưng đã trải qua
công
rộng rãi
một vài mức nhiệt độ nghiên cứu và thí
nghệ
và một vài vật liệu cụ nghiệm kiểm tra trong
thể.
Lợi thế
nhiều dự án.
-Chi phí thấp
-Mật độ lưu trữ trung -Mật độ lưu trữ cao
-Đáng tin cậy
bình
-Ứng
dụng
-Tổn thất nhiệt thấp
đơn -Khối lượng nhỏ
giản, vật liệu sẵn có
-Khả
-Lưu trữ lâu dài
năng
vận -Vận chuyển được ở
chuyện trong khoảng khoảng cách xa
cách gần
-Rất nhỏ gọ
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
21
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
Nhược
-Mất nhiệt đáng kể
-Dẫn nhiệt thấp
-Chi phí vốn cao
điểm
theo thời gian
-Ăn mòn vật liệu
-Phức tạp về mặt kỹ
(Tùy thuộc vào
-Mất nhiệt đáng kể
thuật
mức độ cách nhiệt)
(Tùy thuộc vào
-Cần
một
khối mức độ cách nhiệt)
lượng lớn vật liệu
lưu trữ
Trong bảng 1.2. là giá trị về sức chứa và phạm vi nhiệt độ của một số chất
và hợp chất dùng trong ba phương pháp nêu trên. Trong đó DT là nhiệt độ trung
bình của nước. Các chất khác ta có thể xem cụ thể trong bảng 1.2.
Bảng 1. 2. Giá trị về sức chứa và phạm vi nhiệt độ của một số chất và hợp chất
Lưu trữ năng lượng nhiệt bằng phương pháp sử dụng nhiệt trực tiếp có lợi
thế là tương đối rẻ nhưng mật độ năng lượng thấp và có sự chênh lệch nhiệt độ giữ
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
22
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
quá trình hấp thụ và nhả. Để khắc phục nhược điểm đó ta có thể dùng những vật
liệu đổi pha để lưu trữ nhiệt. Các quá trình đảo pha có thể là một quá trình tan chảy
hoặc một quá trình bốc hơi. Quá trình tan chảy có mật độ năng lượng khoảng100
kWh / m³, còn quá trình bốc hơi là khoảng 25 kWh/m³, tùy từng mục đích ta có thể
chọn một trong hai quá trình đó.
Vật liệu lưu trữ nhiệt hóa học có sức chứa lưu trữ cao nhất trong tất cả các
vật liệu lưu trữ. Một số các vật liệu thậm chí có thể lưu trữ xấp xỉ với mật độ lưu trữ
của sinh khối. Silica gel rắn (SiO2.nH2O; n<2)có khả năng lưu trữ mà gấp khoảng 4
lần so với nước.
Hiện nay, lưu trữ năng lượng trong thương mại chủ yếu dùng hệ thống lưu trữ sử
dụng môi chất truyền nhiệt là nước. Lưu trữ dùng quá trình chuyển pha được dùng
cho một số ứng dụng đặc biệt. Cả hai vật liệu lưu trữ dùng quá trình chuyển pha và
nhiệt hóa học cần nghiên cứu và cải tiến phát triển sâu hơn nữa để áp dụng rộng rãi
trong thực tế.
Trong hình1.8 mô tả nguyên tắc hoạt động và sử dụng nhiệt phản ứng hóa học
của Silicagel khô.
Hình 1.8. Nguyên tắc lưu trữ sử dụng nhiệt phản ứng hóa học của Silicagel khô
Quá trình lưu trữ nhiệt: nguồn nhiệt ở nhiệt độ cao đi vào thiết bị chứa
Silicagel tại đây xảy ra quá trình giải hấp thụ (phản ứng nhiệt phân) tạo Silicagel
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
23
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
khô và hơi nước. Hơi nước được ngưng tụ, sau cả quá trinh nhiệt đầu ra thấp hơn
nhiệt độ đầu vào.
Quá trình nhả nhiệt: khi ta cần sử dụng nhiệt ta thực hiện quá trình hấp thụ
hơi nước của Silicagel khô. Sau khi hấp thụ hơi nước quá trình này tỏa nhiệt, nguồn
nhiệt này được dẫn đến nới tiêu thụ. Vật liệu Silicagel lại tiếp tục thực hiện hai quá
trình hấp thụ và giải hấp thụ cho các chu trính sau của thiết bị.
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
24
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
GVHD: ThS. CAO ĐỨC LƯỢNG
CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ XÂY DỰNG THIẾT BỊ
2.1.
Ý tưởng mô hình thiết bị giải nhiệt hóa học
-
Vận dụng phương pháp lưu trữ năng lượng nhiệt phản ứng hóa học.
-
Thiết bị sử dụng giải nhiệt cho nước ở lối ra lõi lò phản ứng. Trong trường
hợp xảy ra sự cố mất nước làm mát, bơm chân lạnh bị hỏng...
-
Tính toán với thống số nhiệt lò PWR tại mức công suất 100%.
-
Nghiên cứu sử dụng vật liệu mới thay thế vai trò nước giải nhiệt dư trong
nhà máy điện hạt nhân.
-
Nguyên tắc đảm bảo an toàn: khác biệt, dự phòng, tách rời, độc lập của mô
hình.
2.2.
Nguyên lý thiết bị giải nhiệt dùng nhiệt hóa học
Nước ở trong vòng thứ cấp có vai trò đặc biệt quan trọng giúp giải nhiệt nước ở
vòng sơ cấp để đưa trở lại lõi lò. Quá trình này không thể tách dời khỏi nguồn nước
vì vậy tiềm ẩn nguy cơ cao của vấn đề an toàn trong trường hợp xảy ra sự cố liên
quan đến mất nước. Dựa trên nguyên tắc khác biệt, nguyên tắc dự phòng, nguyên
tắc tách rời, nguyên tắc độc lập đề tài này thực hiện tìm tòi và nghiên cứu để xây
dựng mô hình thiết bị giải nhiệt lõi lò sử dụng môi chất hóa học, ứng dụng nhiệt hóa
học.
NGÔ HOÀNG ANH – K54 – KTHN & VLMT
25
