Enheten og operasjonsprinsippet er basert på initialisering og kontroll av en selvopprettholdende kjernefysisk reaksjon. Den brukes som et forskningsverktøy, for produksjon av radioaktive isotoper, og som energikilde for kjernekraftverk.
arbeidsprinsipp (kort)
Her brukes en prosess hvor en tung kjerne brytes opp i to mindre fragmenter. Disse fragmentene er i en svært opphisset tilstand og sender ut nøytroner, andre subatomære partikler og fotoner. Nøytroner kan forårsake nye spaltninger, som et resultat av at flere nøytroner sendes ut, og så videre. En slik kontinuerlig selvopprettholdende serie av splittelser kalles en kjedereaksjon. I dette tilfellet frigjøres en stor mengde energi, hvis produksjon er formålet med å bruke atomkraftverk.
Prinsippet for drift av en atomreaktor er slik at ca. 85 % av fisjonsenergien frigjøres i løpet av svært kort tid etter starten av reaksjonen. Resten produseres av radioaktivt nedbrytning av fisjonsprodukter etter at de har sendt ut nøytroner. Radioaktivt forfall er prosessen der et atom når en mer stabil tilstand. Det fortsetter også etter at delingen er fullført.
I en atombombe øker kjedereaksjonen i intensitet til det meste av materialet er splittet. Dette skjer veldig raskt, og produserer ekstremt kraftige eksplosjoner som er karakteristiske for slike bomber. Enheten og prinsippet for drift av en atomreaktor er basert på å opprettholde en kjedereaksjon på et kontrollert, nesten konstant nivå. Den er utformet på en slik måte at den ikke kan eksplodere som en atombombe.
Kjedereaksjon og kritikk
Fysikken til en kjernefysisk fisjonsreaktor er at kjedereaksjonen bestemmes av sannsynligheten for kjernefysisk fisjon etter utslipp av nøytroner. Hvis befolkningen til sistnevnte synker, vil fisjonshastigheten til slutt falle til null. I dette tilfellet vil reaktoren være i en subkritisk tilstand. Hvis populasjonen av nøytroner holdes på et konstant nivå, vil fisjonshastigheten forbli stabil. Reaktoren vil være i kritisk tilstand. Og til slutt, hvis populasjonen av nøytroner vokser over tid, vil fisjonshastigheten og kraften øke. Tilstanden til kjernen vil bli superkritisk.
Prinsippet for drift av en atomreaktor er som følger. Før lanseringen er nøytronpopulasjonen nær null. Operatørene fjerner deretter kontrollstavene fra kjernen, noe som øker kjernefysisk fisjon, noe som midlertidig setter reaktoren i en superkritisk tilstand. Etter å ha nådd den nominelle effekten, returnerer operatørene delvis kontrollstengene, og justerer antall nøytroner. I fremtiden holdes reaktoren i en kritisk tilstand. Når den må stoppes, setter operatørene inn stengene helt. Dette undertrykker fisjon og bringer kjernen til en subkritisk tilstand.
Reaktortyper
De fleste av verdens atominstallasjoner er energigenererende, og genererer varmen som trengs for å rotere turbinene som driver generatorene av elektrisk energi. Det er også mange forskningsreaktorer, og noen land har atomdrevne ubåter eller overflateskip.
Kraftverk
Det finnes flere typer reaktorer av denne typen, men lettvanndesignet har fått bred anvendelse. På sin side kan den bruke trykkvann eller kokende vann. I det første tilfellet oppvarmes væsken under høyt trykk av varmen fra kjernen og kommer inn i dampgeneratoren. Der overføres varmen fra primærkretsen til sekundæren, som også inneholder vann. Den til slutt genererte dampen tjener som arbeidsfluid i dampturbinsyklusen.
Reaktor av kokende type opererer på prinsippet om en direkte energisyklus. Vann, som passerer gjennom den aktive sonen, bringes til å koke ved et gjennomsnittlig trykknivå. Mettet damp passerer gjennom en rekke separatorer og tørkere plassert i reaktorbeholderen, som bringer den til en overopphetet tilstand. Den overopphetede vanndampen brukes deretter som arbeidsvæske for å snu en turbin.
Høytemperatur gasskjølt
En høytemperatur gasskjølt reaktor (HTGR) er en atomreaktor hvis driftsprinsipp er basert på bruk av en blanding av grafitt og brenselmikrokuler som brensel. Det er to konkurrerende design:
- det tyske "fill"-systemet, som bruker 60 mm sfæriske brenselelementer, som er en blanding av grafitt og drivstoff i et grafittskall;
- en amerikansk versjon i form av sekskantede grafittprismer som låses sammen for å danne en aktiv sone.
I begge tilfeller består kjølevæsken av helium ved et trykk på ca. 100 atmosfærer. I det tyske systemet passerer helium gjennom hull i laget av sfæriske brenselelementer, og i det amerikanske systemet gjennom hull i grafittprismer plassert langs aksen til reaktorens sentrale sone. Begge alternativene kan operere ved svært høye temperaturer, da grafitt har en ekstremt høy sublimasjonstemperatur, mens helium er fullstendig kjemisk inert. Varmt helium kan brukes direkte som arbeidsfluid i en gassturbin ved høy temperatur, eller varmen kan brukes til å generere damp i en vannsyklus.
Flytende metall og arbeidsprinsipp
Natriumkjølte hurtignøytronreaktorer fikk mye oppmerksomhet på 1960- og 1970-tallet. Da så det ut til at deres evne til å reprodusere i nær fremtid var nødvendig for produksjon av drivstoff til den raskt utviklende atomindustrien. Da det på 1980-tallet ble klart at denne forventningen var urealistisk, bleknet entusiasmen. Det er imidlertid bygget en rekke reaktorer av denne typen i USA, Russland, Frankrike, Storbritannia, Japan og Tyskland. De fleste av dem kjører på urandioksid eller dets blanding med plutoniumdioksid. I USA har imidlertid den største suksessen vært med metalliske drivmidler.
CANDU
Canada har fokusert sin innsats på reaktorer som bruker naturlig uran. Dette eliminerer behovet for berikelse for å ty til tjenester fra andre land. Resultatet av denne politikken var deuterium-uran-reaktoren (CANDU). Kontroll og kjøling i den utføres av tungtvann. Enheten og prinsippet for drift av en atomreaktor er å bruke en tank med kald D 2 O ved atmosfærisk trykk. Kjernen er gjennomboret av rør laget av zirkoniumlegering med naturlig uranbrensel, som tungtvann kjøler den gjennom. Elektrisitet produseres ved å overføre fisjonsvarmen i tungtvann til kjølevæske som sirkuleres gjennom dampgeneratoren. Dampen i sekundærkretsen passerer deretter gjennom en konvensjonell turbinsyklus.
Forskningsanlegg
For vitenskapelig forskning brukes oftest en atomreaktor, hvis driftsprinsipp er bruk av vannkjøling og lamellære uranbrenselelementer i form av sammenstillinger. Kan operere over et bredt spekter av effektnivåer, fra noen få kilowatt til hundrevis av megawatt. Siden kraftproduksjon ikke er hovedoppgaven til forskningsreaktorer, er de preget av generert termisk energi, tetthet og nominell energi til nøytroner i kjernen. Det er disse parameterne som bidrar til å kvantifisere en forskningsreaktors evne til å gjennomføre spesifikke undersøkelser. Laveffektsystemer brukes vanligvis på universiteter for undervisning, mens høy effekt er nødvendig i forskningslaboratorier for material- og ytelsestesting og generell forskning.
Den vanligste forskningsatomreaktoren, hvis struktur og driftsprinsipp er som følger. Dens aktive sone ligger på bunnen av et stort dypt vannbasseng. Dette forenkler observasjon og plassering av kanaler som nøytronstråler kan rettes gjennom. Ved lave effektnivåer er det ikke nødvendig å tømme kjølevæske, da den naturlige konveksjonen av kjølevæsken gir tilstrekkelig varmeavledning til å opprettholde en sikker driftstilstand. Varmeveksleren er vanligvis plassert på overflaten eller på toppen av bassenget hvor varmtvann samler seg.
Skipsinstallasjoner
Den opprinnelige og viktigste anvendelsen av atomreaktorer er deres bruk i ubåter. Deres største fordel er at de, i motsetning til forbrenningssystemer for fossilt brensel, ikke krever luft for å generere elektrisitet. Derfor kan en atomubåt forbli nedsenket i lange perioder, mens en konvensjonell dieselelektrisk ubåt med jevne mellomrom må stige til overflaten for å starte motorene sine i luften. gir en strategisk fordel til marineskip. Takket være det er det ikke nødvendig å fylle drivstoff i utenlandske havner eller fra lett sårbare tankskip.
Prinsippet for drift av en atomreaktor på en ubåt er klassifisert. Det er imidlertid kjent at det i USA bruker høyanriket uran, og nedbremsing og avkjøling skjer med lett vann. Utformingen av den første reaktoren til atomubåten USS Nautilus var sterkt påvirket av kraftige forskningsanlegg. Dens unike funksjoner er en veldig stor reaktivitetsmargin, som sikrer en lang driftsperiode uten påfylling og muligheten til å starte på nytt etter en driftsstans. Kraftstasjonen i ubåtene må være svært stillegående for å unngå deteksjon. For å møte de spesifikke behovene til forskjellige klasser av ubåter, ble det laget forskjellige modeller av kraftverk.
Hangarskipene til den amerikanske marinen bruker en atomreaktor, hvis prinsipp antas å være lånt fra de største ubåtene. Detaljer om designet deres er heller ikke publisert.
I tillegg til USA har Storbritannia, Frankrike, Russland, Kina og India atomubåter. I hvert tilfelle ble designet ikke avslørt, men det antas at de alle er veldig like - dette er en konsekvens av de samme kravene til deres tekniske egenskaper. Russland har også en liten flåte som er utstyrt med de samme reaktorene som de sovjetiske ubåtene.
Industrianlegg
For produksjonsformål brukes en atomreaktor, hvis driftsprinsipp er høy produktivitet med lavt nivå av energiproduksjon. Dette skyldes det faktum at et langt opphold av plutonium i kjernen fører til akkumulering av uønsket 240 Pu.
Tritium produksjon
For tiden er tritium (3 H eller T) hovedmaterialet produsert av slike systemer - ladningen for Plutonium-239 har en lang halveringstid på 24 100 år, så land med atomvåpenarsenaler som bruker dette elementet har en tendens til å ha det mer enn nødvendig. I motsetning til 239 Pu har tritium en halveringstid på omtrent 12 år. For å opprettholde de nødvendige forsyningene må denne radioaktive isotopen av hydrogen derfor produseres kontinuerlig. I USA driver for eksempel Savannah River, South Carolina, flere tungtvannsreaktorer som produserer tritium.
Flytende kraftenheter
Det er laget atomreaktorer som kan gi elektrisitet og dampoppvarming til avsidesliggende isolerte områder. I Russland, for eksempel, har små kraftverk spesielt utviklet for å betjene arktiske samfunn funnet bruk. I Kina leverer et 10 MW HTR-10-anlegg varme og kraft til forskningsinstituttet der det er lokalisert. Små kontrollerte reaktorer med tilsvarende kapasitet utvikles i Sverige og Canada. Mellom 1960 og 1972 brukte den amerikanske hæren kompakte vannreaktorer for å drive fjernbaser på Grønland og Antarktis. De ble erstattet av oljefyrte kraftverk.
Utforsking av verdensrommet
I tillegg er det utviklet reaktorer for strømforsyning og bevegelse i verdensrommet. Mellom 1967 og 1988 installerte Sovjetunionen små atominstallasjoner på Kosmos-satellittene for å drive utstyr og telemetri, men denne politikken ble et mål for kritikk. Minst én av disse satellittene kom inn i jordens atmosfære, noe som resulterte i radioaktiv forurensning av fjerntliggende områder i Canada. USA lanserte bare én atomdrevet satellitt i 1965. Imidlertid fortsetter det å utvikles prosjekter for deres bruk i dype romflyvninger, bemannet utforskning av andre planeter eller på en permanent månebase. Dette vil nødvendigvis være en gasskjølt eller flytende metall atomreaktor, hvis fysiske prinsipper vil gi høyest mulig temperatur som er nødvendig for å minimere størrelsen på radiatoren. I tillegg bør romfartøysreaktoren være så kompakt som mulig for å minimere mengden materiale som brukes til skjerming og for å redusere vekten under oppskyting og romfart. Drivstofftilførselen vil sikre driften av reaktoren for hele perioden av romflukten.
Forelesningsplan:
4.1 Typer kjemiske reaktorer. Reaktorer med ideell blanding og ideell fortrengning.
4.2 Reaktorer for homogene prosesser
4.3. Reaktorer for heterogene fastfaseprosesser
4.4. Reaktorer for gass-væske prosesser
I henhold til den første funksjonen er reaktorer delt inn i periodiske, kontinuerlige og semi-kontinuerlige. Reaktorene er kontinuerlige, d.v.s. med kontinuerlig tilførsel av reagenser og fjerning av produkter, blir i sin tur delt opp i henhold til arten av bevegelsen av reaksjonsmediet (dvs. i henhold til den hydrodynamiske situasjonen i reaktoren) i pluggstrømsreaktorer og ideelle blandereaktorer.
Periodiske reaktorer karakterisert ved en engangsbelastning av reagenser. I dette tilfellet består prosessen av tre stadier: lasting av råvarer, prosessering (kjemisk transformasjon) og lossing av det ferdige produktet. Etter fullføringen av sekvensen av disse stadiene, gjentas de igjen, dvs. driften av reaktoren utføres syklisk. Varigheten av en syklus utført i en batch-reaktor bestemmes av ligningen
τ p = τ + τ rev, (4.1)
hvor τ p er den totale syklustiden; τ - arbeidstid (brukt på den kjemiske reaksjonen); τ av - hjelpetid (lasting av reagenser og lossing av produktet).
Ideelt sett blandet batch-reaktor er et apparat med en rører, hvor initiale reagenser periodisk lastes inn (fig. 4.1). I en slik reaktor skapes det svært intensiv blanding, derfor er konsentrasjonen av reaktantene til enhver tid den samme gjennom hele reaktorens volum og endres bare over tid, ettersom den kjemiske reaksjonen fortsetter. Slik blanding kan betraktes som ideell.
Ris. 4.1 Ideell blandingsreaktor
Endring i konsentrasjonen av den opprinnelige reagensen MEN i tid og i reaktorens volum er vist i fig. 10. Betegnelser gitt i fig. 4.1 og 4.2 har følgende betydninger: N A, 0, N A - mengden av det initiale reagens A i reaksjonsblandingen ved begynnelsen og slutten av prosessen; CA, 0, CA - start- og sluttkonsentrasjoner av reagens A i reaksjonsblandingen; X A, 0, X A - initial og endelig grad av omdannelse av reagens A; τ - tid; y- romlig koordinat (plasseringskoordinat).
Ris. 4.2. Fordelingen av konsentrasjonen av reagenset i en batch-reaktor med ideell blanding: a) i tid, b) på plass (volum).
Periodiske kjemiske prosesser er i sin natur alltid ikke-stasjonære (ustabile), siden prosessparametrene i løpet av en kjemisk reaksjon endres med tiden (for eksempel konsentrasjonen av stoffer som er involvert i reaksjonen, dvs. reaksjonsproduktene akkumulere).
Batch-reaktorer er enkle i design, krever et lite antall hjelpeutstyr, og derfor er de spesielt praktiske for eksperimentelt arbeid med studiet av kjemisk kinetikk. I industrien brukes de vanligvis i småskala produksjon og til bearbeiding av relativt dyre kjemiske produkter. De fleste industrielle prosesser er designet ved bruk av kontinuerlige reaktorer.
I kontinuerlige reaktorer(eller strømningsreaktorer), tilførsel av reagenser og fjerning av reaksjonsprodukter utføres kontinuerlig. Hvis det i en batch-reaktor er mulig å måle reaksjonstiden direkte, med klokken, kan dette ikke gjøres i en kontinuerlig reaktor, siden parametrene i disse reaktorene ikke endres med tiden under stabile forhold. I denne forbindelse, for kontinuerlige reaktorer, brukes konseptet med den betingede oppholdstiden for reagensene i systemet (kontakttid).
hvor Vr er volumet til reaktoren; V 0 er volumet av reaksjonsblandingen som kommer inn i reaktoren per tidsenhet (den volumetriske strømningshastigheten til reagensene).
Plug-flow reaktor(RIV) er et rørformet apparat hvor forholdet mellom lengden av røret L og dets diameter d er stort nok. Startreagenser mates kontinuerlig inn i reaktoren, som omdannes til reaksjonsprodukter når de beveger seg langs reaktorens lengde (fig. 4.3). Det hydrodynamiske regimet i RIV er preget av det faktum at enhver partikkel av strømmen beveger seg bare i én retning langs lengden av reaktoren, det er ingen omvendt (langsgående) blanding; det er heller ingen blanding over tverrsnittet av reaktoren.
Det antas at fordelingen av stoff over denne seksjonen er ensartet, d.v.s. verdiene til parametrene til reaksjonsblandingen er de samme. Hvert volumelement i reaksjonsmassen dV r beveger seg langs reaktorens lengde, ikke blandes med de forrige og påfølgende volumelementene, og oppfører seg som et stempel i en sylinder, og forskyver alt foran seg. Derfor kalles et slikt regime for bevegelse av reagenser noen ganger et stempel eller full forskyvningsregime.
Sammensetningen av hvert element i volumet endres sekvensielt langs lengden av reaktoren på grunn av forekomsten av en kjemisk reaksjon. Konsentrasjonen av startreagensen A endres gradvis langs reaktorens lengde fra startverdien C A,0 til sluttverdien CA (fig. 4.3). Konsekvensen av denne bevegelsesmåten for reaksjonsblandingen er at oppholdstiden for hver partikkel i reaktoren er den samme. Når man kompilerer en matematisk beskrivelse av RIE, går man ut fra differensialligningen for materialbalansen, og transformerer den under hensyntagen til egenskapene ovenfor til denne reaktoren.
I en ekte reaktor skiller den hydrodynamiske situasjonen seg fra situasjonen i en ideell reaktor. For eksempel, i en reell fortrengningsreaktor, i tillegg til stempelbevegelsen til hovedstrømmen langs reaktorens lengde, er det mulig å blande strømmen i langsgående og radielle retninger. Graden av avvik av indikatorene til en reell reaktor fra den ideelle avhenger av tre størrelser: koeffisienten for langsgående blanding (konvektiv diffusjon) D L, den lineære strømningshastigheten w og lengden på reaktoren L. Disse mengdene reduseres til en dimensjonsløst kompleks D L /(wL).
Ris. 4.3 Plug-and-play-reaktor og avhengigheten av konsentrasjonen av reagens C A og graden av omdannelse av X A av reaktorens lengde.
En generell oversikt over reaktoren og diagrammer av noen av dem er vist i fig. 4.4.
Den kapasitive reaktoren 1 er utstyrt med en rører som blander reagensene (vanligvis væsker, suspensjoner) plassert inne i apparatet. Temperaturregimet opprettholdes ved hjelp av en kjølevæske som sirkulerer i reaktorkappen eller i en varmeveksler innebygd i den. Etter reaksjonen blir produktene losset, og etter rengjøring av reaktoren gjentas syklusen. Prosessen er periodisk.
Den kapasitive reaktoren 2 er en strømningsreaktor, fordi reagenser (vanligvis gass, væske, suspensjon) passerer kontinuerlig gjennom den. Gassen bobler gjennom væsken. Kolonnereaktoren 3 er karakterisert ved et forhold mellom høyde og diameter, som for industrielle reaktorer er 4-6 (i tankreaktorer er dette forholdet ca. 1). Samspillet mellom gass og væske er det samme som i reaktor 2.
Ris. 4.4. Opplegg for kjemiske reaktorer:
G - gass; Zh - væske; T - kjølevæske; H - dyse; TV - fast reagens; K - katalysator; Xg - kald gass; Brensel - drivstoff.
Pakket reaktor 4 er utstyrt med Raschig-ringer eller andre små pakningselementer. Gass og væske samhandler. Væsken strømmer ned gjennom dysen, og gassen beveger seg mellom elementene i dysen.
Reaktor 5-8 brukes hovedsakelig for interaksjon av gass med et fast reagens. I reaktoren 5 er den faste reaktanten ubevegelig, den gassformige eller flytende reaktanten passerer kontinuerlig gjennom den. Prosessen er periodisk i fast stoff.
Reaktorene 6-8 er modifisert på en slik måte at prosessen er kontinuerlig med hensyn til det faste reagenset. Den faste reagensen beveger seg langs den roterende skrått monterte runde reaktoren 6 eller våkner opp gjennom reaktoren 7. I reaktoren 8 kommer gassen inn nedenfra under høyt trykk slik at de faste partiklene er i suspensjon og danner et fluidisert eller fluidisert sjikt, som har noen av egenskapene til en væske.
Den rørformede reaktoren 9 ligner i utseende på en mantel- og rørvarmeveksler. Gassformige eller flytende reagenser passerer gjennom rørene der reaksjonen fortsetter. Vanligvis er rørene lastet med en katalysator. Temperaturregimet er gitt av sirkulasjonen av kjølevæsken i ringrommet.
Reaktor 5 og 9 brukes også for å utføre prosesser på en fast katalysator.
Den rørformede reaktoren 10 brukes ofte til å utføre homogene høytemperaturreaksjoner, inkludert i en viskøs væske (for eksempel pyrolyse av tunge hydrokarboner). Ofte kalles slike reaktorer ovner.
Flerlagsreaktoren 11 er utstyrt med et system som gjør det mulig å avkjøle eller varme reaktanten mellom flere lag av et fast stoff, som for eksempel fungerer som katalysator. Figuren viser avkjølingen av det opprinnelige gassformige stoffet med kald gass innført mellom de øvre lagene av katalysatoren og kjølevæsken gjennom et system av varmevekslere plassert mellom andre lag av katalysatoren.
Flerlagsreaktoren 12 er konstruert for å utføre gass-væske-prosesser i den.
Skjemaene vist i fig. 4.4 viser kun en del av reaktorene som brukes i industrien. Den videre systematiseringen av reaktordesign og pågående prosesser gjør det imidlertid mulig å forstå og forske på noen av dem.
Alle reaktorer er preget av vanlige strukturelle elementer presentert i reaktoren i fig. 4.5, lik den 11. i fig. 4.4.
Reaksjonssone 1, der en kjemisk reaksjon finner sted, er representert ved flere lag av en katalysator. Det er til stede i alle reaktorer: i reaktorene 1-3 i fig. 4.4 - dette er et væskelag, i reaktor 4, 5, 7 - et lag av en pakking eller en fast komponent, i reaktorer 6, 8 - en del av volumet til reaktoren med en fast komponent, i reaktorer 9, 10 - det indre volumet av rørene der reaksjonen finner sted.
Ris. 4.5. Strukturelle elementer i en kjemisk reaktor:
1 - reaksjonssone; 2 - inngangs- og distribusjonsenhet; 3 - mikser; 4 - varmeveksler; 5 - utgangsenhet; Xg - kald gass; T - kjølevæske; I og P er henholdsvis start- og sluttproduktet.
Den første reaksjonsblandingen mates gjennom toppbeslaget. En strømningsfordeler er installert for å sikre jevnt fordelt gasspassasje gjennom reaksjonssonen, noe som forårsaker en jevn kontakt mellom reaktantene. Dette er inngangsanordning 2. I reaktor 2 i fig. 4.4 gassfordeleren er en bobler, i reaktoren 4 - en sprinkler.
Mellom det første og andre laget blandes de to strømmene i en blander 3. Mellom det andre og tredje laget er det plassert en varmeveksler 4. Disse strukturelle elementene er konstruert for å endre sammensetningen og temperaturen på strømmen mellom reaksjonssonene. Varmeveksling med reaksjonssonen (fjerning av varme frigjort som et resultat av eksoterme reaksjoner eller oppvarming av den reagerende blandingen) utføres gjennom overflaten av de innebygde varmevekslerne eller gjennom den indre overflaten av reaktorkappen (apparat 1 i Fig. 4.4), eller gjennom rørveggene i reaktor 9, 10. Reaktoren kan utstyres med strømningsseparasjonsanordninger. Produktene sendes ut gjennom utgangsenheten 5.
I varmevekslere og enheter for inngang, utgang, blanding, separering, fordeling av strømmer foregår fysiske prosesser. Kjemiske reaksjoner utføres hovedsakelig i reaksjonssonene, som vil være et videre studieobjekt. Prosessen som foregår i reaksjonssonen er et sett med deltrinn, som er skjematisk vist i fig. 4.6 for katalytisk og gass-væske interaksjon.
Ris. 4.6. Skjema av strømninger i katalytiske (a) og gass-væske (b) prosesser.
Ris. 4.6a representerer skjemaet for reaksjonsprosessen med deltagelse av en katalysator, gjennom det faste sjiktet som den totale (konvektive) strømmen av gassformige reaktanter (1) passerer. Reagensene diffunderer til overflaten av kornene (2) og trenger inn i porene til katalysatoren (3), på hvis indre overflate reaksjonen (4) fortsetter.
De resulterende reaksjonsproduktene tømmes tilbake i strømmen. Varmen som frigjøres som følge av kjemisk transformasjon overføres gjennom laget (5) på grunn av termisk ledningsevne, og fra laget gjennom veggen til kuldemediet (6). De fremkommende konsentrasjons- og temperaturgradientene forårsaker ytterligere strømmer av varme og stoff (7) til hovedkonveksjonsbevegelsen til reagensene i laget.
På fig. 4.6b viser prosessen i et væskelag som det bobler gass gjennom. Mellom bobler (1) av gass og væske er det en masseutveksling av reagenser (2). Væskedynamikk er sammensatt av bevegelse rundt boblene (3) og sirkulasjon på lagskalaen (4). Den første ligner turbulent diffusjon, den andre ligner sirkulasjonskonvektiv bevegelse av væske gjennom reaksjonssonen. I en væske og i det generelle tilfellet i en gass skjer det en kjemisk transformasjon (5).
De gitte eksemplene viser den komplekse strukturen til prosessene som foregår i reaksjonssonen. Hvis vi tar hensyn til de mange ordningene og designene til eksisterende reaktorer, øker variasjonen av prosesser i dem mange ganger. Det trengs en vitenskapelig metode for å systematisere dette mangfoldet, finne fellesskap i det, utvikle et system av ideer om fenomenenes mønstre og sammenhengene mellom dem, dvs. lage en teori om kjemiske prosesser og reaktorer.
Den er koblet i serie til kretsen hvis strøm må begrenses, og fungerer som induktiv(reaktiv) tilleggsmotstand som reduserer strømmen og opprettholder spenningen i nettverket under en kortslutning, noe som øker stabiliteten til generatorene og systemet som helhet.
applikasjon
Ved kortslutning øker strømmen i kretsen betydelig sammenlignet med normalmodusstrømmen. I høyspentnett kan kortslutningsstrømmene nå slike verdier at det ikke er mulig å velge installasjoner som tåler de elektrodynamiske kreftene som oppstår fra flyten av disse strømmene. For å begrense kortslutningsstrømmen brukes strømbegrensende reaktorer som ved kortslutning. også støtte på samleskinner forsyningsspenningen er tilstrekkelig høy (på grunn av et større fall på selve reaktoren), noe som er nødvendig for normal drift av andre belastninger.
Enhet og operasjonsprinsipp
Typer reaktorer
Strømbegrensende reaktorer er delt inn i:
- på installasjonsstedet: utendørs og innendørs;
- spenning: middels (3 -35 kV) og høy (110 -500 kV);
- etter design for: betong, tørr, olje og panser;
- etter fasearrangement: vertikal, horisontal og trinnvis;
- ved viklingsdesign: enkel og dobbel;
- etter funksjonelt formål: mater, mategruppe og kryss.
betongreaktorer
De er mye brukt i innendørs installasjoner for nettspenninger opp til 35 kV inklusive. Betongreaktoren er en konsentrisk anordnede spoler av isolert trådet ledning, hellet i radialt anordnede betong kolonner. Ved kortslutninger opplever viklingene og delene betydelige mekaniske påkjenninger på grunn av elektrodynamiske krefter, derfor brukes høyfast betong i produksjonen. Alle metalldeler i reaktoren er laget av ikke-magnetiske materialer. Ved høye strømmer benyttes kunstig kjøling.
Reaktorens fasespoler er arrangert slik at når reaktoren er satt sammen, er feltene til spolene motsatte, noe som er nødvendig for å overvinne de langsgående dynamiske kreftene under en kortslutning. Betongreaktorer kan drives både med naturlig-luft- og lufttvungen kjøling (for store nominelle effekter), den såkalte. "blast" (bokstaven "D" er lagt til i merkingen).
Fra og med 2014 anses betongreaktorer som utdaterte og erstattes av tørre reaktorer.
Oljereaktorer
De brukes i nettverk med spenninger over 35 kV. Oljereaktoren består av viklinger av kobberledere isolert med kabelpapir, som plasseres på isolasjonssylindre og fylles med oljemaleri eller annet elektrisk dielektrisk. Væsken fungerer både som et isolerende og kjølende medium. For å redusere oppvarmingen av tankveggene fra vekselfeltet til reaktorspolene, elektromagnetiske skjermer og magnetiske shunter.
Det elektromagnetiske skjoldet består av kortsluttede kobber- eller aluminiumspoler anordnet konsentrisk i forhold til reaktoren som er viklet rundt tankveggene. Skjerming oppstår på grunn av at det i disse svingene induseres et elektromagnetisk felt, rettet motsatt og kompenserer for hovedfeltet.
Magnetisk shunt - dette er platestålpakker plassert inne i tanken nær veggene, som skaper en kunstig magnetisk krets med magnetisk motstand, mindre enn tankveggene, noe som får reaktorens hovedmagnetiske fluks til å lukke seg langs den, og ikke gjennom tankveggene.
For å forhindre eksplosjoner knyttet til overoppheting av oljen i tanken, skal alle reaktorer med en spenning på 500 kV og over ifølge PUE være utstyrt med gassbeskyttelse.
Tørre reaktorer
Tørre reaktorer er en ny retning i utformingen av strømbegrensende reaktorer og brukes i nettverk med en merkespenning på opptil 220 kV. I en av variantene av den tørre reaktordesignen er viklingene laget i form av kabler (vanligvis av en rektangulær seksjon for å redusere dimensjoner, øke mekanisk styrke og levetid) med organisk silisiumisolasjon, viklet på en dielektrisk ramme. I en annen utforming av reaktorer er viklingstråden isolert med en polyamidfilm, og deretter med to lag glasstråder med liming og impregnering med silikonlakk og påfølgende baking, som tilsvarer varmebestandighetsklassen H (driftstemperatur opp til 180 ° C); pressing og avretting av viklingene med bandasjer gjør dem motstandsdyktige mot mekanisk påkjenning under støtstrøm.
pansrede reaktorer
Til tross for tendensen til å produsere strømbegrensende reaktorer uten en ferromagnetisk magnetisk krets (på grunn av faren for metning av det magnetiske systemet ved kortslutningsstrøm og som et resultat et kraftig fall i strømbegrensende egenskaper), produserer bedrifter reaktorer med pansrede kjerner laget av elektrisk stål. Fordelen med denne typen strømbegrensende reaktorer er lavere vekt- og størrelsesparametere og kostnader (på grunn av en reduksjon i andelen ikke-jernholdige metaller i designet). Ulempe: muligheten for tap av strømbegrensende egenskaper ved overspenningsstrømmer større enn den nominelle for en gitt reaktor, noe som igjen krever en nøye beregning av kortslutningsstrømmer. i nettverket og velge en pansret reaktor på en slik måte at sjokket kortslutter i enhver modus av nettverket ikke oversteg den nominelle verdien.
Tvillingreaktorer
Doble reaktorer brukes til å redusere spenningsfallet i normal modus, hvor hver fase består av to viklinger med en sterk magnetisk forbindelse, slått på i motsatte retninger, som hver er koblet til omtrent samme belastning, som et resultat av at induktansen avtar (avhenger av det resterende magnetiske forskjellsfeltet). Ved kortslutning i kretsen til en av viklingene øker feltet kraftig, induktansen øker og prosessen med strømbegrensning oppstår.
Interseksjonelle og matereaktorer
Tverrsnittsreaktorer slås på mellom seksjonene for å begrense strøm og opprettholde spenning i en av seksjonene, ved kortslutning. i en annen seksjon. Matere og gruppematere er installert på utgående matere (gruppematere er felles for flere matere).
Litteratur
- Rodstein L.A."Elektriske apparater: Lærebok for tekniske skoler" - 3. utg., L .: Energoizdat. Leningrad. avdeling, 1981.
- "Reaktorutstyr. Katalog over løsninger innen forbedring av elektrisitetskvalitet, beskyttelse av elektriske nettverk og organisering av høyfrekvent kommunikasjon". SVEL konsern.
En elektrisk reaktor er en elektrisk enhet hvis hovedoppgave er å kontrollere størrelsen på kortslutningsstrømmer og opprettholde spenningstilstanden på bussene til elektriske distribusjonsenheter under forhold med kortslutning i det elektriske nettverket.
Den elektriske reaktoren består av en spole uten stålkjerne. Induktansen til en elektrisk reaktor forblir uendret og påvirkes ikke av strømendringer og andre fenomener. Elektriske reaktorer er lineære og samleskinne. Samleskinneelektriske reaktorers oppgave er å redusere kortslutningsstrømmer både i selve det elektriske nettet og i selve installasjonen under kortslutningsforhold i samleskinneseksjoner. I utgangspunktet skjer spenningsfallet under kortslutningsforhold i selve reaktoren. Denne funksjonen opprettholder bare den nødvendige spenningen på dekkene.
Ved design er elektriske reaktorer tørre og olje. De første er nødvendige for installasjon i lukket bryterutstyr, hvis spenning er opptil 35 kV. Sammenkoblingen mellom svingene til viklingene oppnås ved hjelp av betongsøyler.
Isoleringen av fasene til den elektriske reaktoren utføres ved hjelp av støtteisolatorer. For å redusere de elektrodynamiske kreftene har spolen til sentralfasen til den elektriske reaktoren motsatt retning av viklingen av svingene i forhold til spolene til de ytre fasene.
Oljefylte elektriske reaktorer er nødvendig for installasjon i åpne koblingsanlegg, hvis spenning er fra 35 kV. Disse reaktorene er bygd opp av 1-3 spoler, som igjen er plassert i en jerntank med spesiell transformatorolje.
For å forhindre overoppheting av tanken, kompenseres den magnetiske fluksen ved skjerming eller ved hjelp av en ekstra magnetisk krets shuntes den, noe som også gjøres ved bruk av magnetisk beskyttelse.
Bruken av en elektrisk reaktor forbedrer påliteligheten til ulike elektriske apparater, og tillater også bruk av utstyr som er designet for begrensede kortslutningsstrømmer. Elektriske reaktorer har funnet en ganske bred anvendelse ved start av synkronmotorer og kompensatorer.
Å starte med en elektrisk reaktor er billigere og enklere enn å starte med autotransformatorer som er brukt før.
Når du bruker elektriske reaktorer, er det nødvendig å ta hensyn til deres designfunksjoner: tørre elektriske reaktorer er praktiske, enkle, men kan bare brukes innendørs, oljereaktorer er mer kompliserte og dyre, men de har ingen plasseringsbegrensninger under bruk.
