Trocador de calor em usina nuclear

Tipos de trocadores de calor em centrais nucleares

Um trocador de calor em uma central nuclear é um componente crucial que facilita a transferência de calor entre dois fluidos sem misturá-los. Ele desempenha um papel significativo na manutenção da eficiência e segurança do processo de geração de energia nuclear. Em uma central nuclear, os trocadores de calor são usados para transferir calor do núcleo do reator nuclear, onde ocorre a fissão nuclear, para outros sistemas que precisam dele, como o gerador de vapor ou o condensador.

A função principal de um trocador de calor em uma central nuclear é converter o calor gerado pelo reator nuclear em vapor, que pode então acionar turbinas para produzir eletricidade. O trocador de calor garante que o calor do reator seja utilizado de forma eficiente, mantendo os fluidos envolvidos separados para evitar qualquer contaminação ou risco de segurança potencial. Isso é especialmente importante porque o refrigerante usado no reator pode ser radioativo e não deve se misturar com a água usada para produzir vapor para as turbinas.

Várias classes de trocadores de calor desempenham funções diferentes em uma central nuclear.

• Gerador de vapor

  Um gerador de vapor/trocador de calor produz vapor transferindo calor do circuito de refrigerante primário para o circuito secundário. O circuito primário transporta refrigerante quente do reator, enquanto o circuito secundário contém água que é aquecida para formar vapor. Os geradores de vapor usam um projeto de trocador de calor tubular para separar a água radioativa da água não radioativa. Existem principalmente três tipos de geradores de vapor: geradores de vapor de tubo em U, geradores de vapor horizontais e geradores de vapor verticais:

  • Gerador de vapor de tubo em U:

    Nos geradores de vapor de tubo em U, o refrigerante primário flui por tubos em forma de U. A tubulação permite a expansão devido a mudanças de temperatura diferentes entre os circuitos primário e secundário. Os geradores de tubo em U são compactos e comumente usados em reatores de água pressurizada (PWRs).

  • Gerador de vapor horizontal:

    Os geradores de vapor horizontais têm feixes de tubos horizontais. Eles são frequentemente usados em projetos de PWR mais antigos. As taxas de transferência de calor são altas nos geradores de vapor horizontais devido à área de superfície maior.

  • Gerador de vapor vertical:

    Os geradores de vapor verticais têm feixes de tubos dispostos em um eixo vertical. O projeto moderno de PWR geralmente usa geradores verticais. A água sobe ao longo dos tubos sob a ação da gravidade, o que promove a formação de vapor. Além disso, os geradores verticais ocupam menos espaço do que os horizontais.

• Trocadores de calor

  Em uma central nuclear, um trocador de calor transfere calor entre dois fluidos: o fluido de trabalho e o refrigerante. Normalmente, o fluido de trabalho é água que foi aquecida pelo reator. O trocador de calor garante que o fluido de trabalho e o refrigerante permaneçam separados, reduzindo o risco de contaminação. Os refrigerantes comumente usados em trocadores de calor incluem ar, água e metais líquidos.

Especificações e manutenção

A função principal de um trocador de calor é transferir calor entre dois ou mais fluidos. Sua tecnologia de trocador de calor de central nuclear é necessária para ter uma queda de alta eficiência e taxa de fluxo, pressão e transferência de calor. Os trocadores de calor modernos em centrais nucleares têm características de baixa queda de pressão, propriedades antifouling e superfícies integrais de transferência de calor. A força no trocador determina o desempenho e a porcentagem de resíduos que precisam ser dissipados, enquanto a pressão é baseada na pressão de projeto da planta. Os trocadores de calor são construídos com a ideia de resistência à incrustação fixa na capacitância de queda, queda de pressão e transferência de calor, com a maior parte do lado da água representando a resistência à incrustação fixa.

Os trocadores de calor em uma central nuclear devem ser mantidos para garantir o máximo desempenho e segurança de toda a planta. Verificações e manutenções regulares de trocadores de calor são vitais para evitar qualquer acidente nuclear potencial. As principais funções da manutenção são garantir uma transferência de calor eficaz, minimizar qualquer perda de energia, evitar vazamentos de radiação e toxinas e manter todos os equipamentos intactos. Isso é feito por meio de inspeções frequentes, que são testes não destrutivos ou raios-X de soldas, e quaisquer depósitos ou incrustantes são removidos. Alguns trocadores também são inspecionados com a ajuda de pequenas câmeras e robôs. Outros métodos de garantir uma manutenção adequada são revisões de rotina, um sistema para substituir ou reparar quaisquer peças deterioradas e recondicionamento de trocadores.

Aplicações de trocadores de calor em centrais nucleares

Os trocadores de calor são a espinha dorsal de uma central nuclear. Todos os trocadores de calor usados no sistema de energia de uma central nuclear devem ser utilizáveis sob os seguintes cenários:

• Os circuitos de refrigerante do reator operam a aproximadamente 500 graus Fahrenheit (260 graus Celsius) ou mais. O aço de liga ou aço inoxidável que é normalmente usado pode suportar essa temperatura.
• Os componentes do trocador de calor que tocam o refrigerante do reator são resistentes à degradação da radiação. Este componente é conhecido como "barreira de radiação". O material comum que serve como barreira de radiação é o cobre-níquel soldado em dupla haste.
• Os trocadores de calor são capazes de suportar as altas pressões de centrais nucleares. Isso é cerca de 1.000 libras por polegada quadrada (69,0 bar) ou mais no reator.
• Os trocadores de calor são à prova de vazamentos. O tipo mais comum que é propenso a vazamentos é o resfriado a ar, onde nenhum fluido está envolvido. Em vez disso, o ar é direcionado através de tubos com aletas.
• Os trocadores de calor nucleares podem operar por décadas sem problemas, pois a manutenção programada, o reabastecimento e as inspeções só podem ocorrer a cada 18 a 24 meses.
• Os trocadores de calor devem ser resistentes à corrosão. As altas taxas de fluxo dentro das plantas causam erosão, enfraquecendo o metal ao longo do tempo. A liga e o aço inoxidável usados devem ser puros o suficiente para reduzir a suscetibilidade à corrosão por tensões intergranulares.

Tipos de trocadores de calor comumente usados em energia nuclear:

• Trocador de calor casco e tubo

  O trocador de calor casco e tubo é um projeto muito difundido que inclui um feixe de tubos dentro de um casco. Um fluido flui pelos tubos, enquanto um segundo fluido flui sobre os tubos dentro do casco, permitindo que os fluidos troquem calor. Em uma planta nuclear, os trocadores de calor casco e tubo são comumente usados como trocadores de calor intermediários, resfriadores de geradores de vapor ou trocadores de calor de resfriamento de componentes.

• Trocador de calor de placas soldadas por difusão

  O DBHE é composto por centenas de placas finas de aço inoxidável que foram soldadas por difusão. Isso cria um conjunto de canais para dois fluidos fluírem em direções opostas, maximizando a transferência de calor. O DBHE é usado em plantas AP1400 como gerador de vapor. Ele transfere calor do circuito de refrigerante primário para a água, que é então transformada em vapor.

• Trocador de calor espiral

  Composto por duas seções espirais, uma para cada fluido, os trocadores de calor espirais têm a capacidade de operar com coeficientes de transferência de calor elevados, resultando em projetos mais compactos. Eles são mais resistentes à corrosão e incrustação, o que reduz as necessidades de manutenção de centrais nucleares. Um trocador de calor espiral é usado em plantas AP600 para algumas aplicações de resfriamento de processo.

Como escolher trocadores de calor para centrais nucleares

As dicas a seguir podem ajudar os compradores na seleção de trocadores de calor para centrais nucleares.

• Entenda as condições operacionais

  É crucial estudar cuidadosamente as condições operacionais da central nuclear. Os compradores devem considerar a temperatura e pressão do fluido de trabalho. Além disso, eles devem prestar atenção às propriedades do fluido de trabalho, como corrosividade e tendência de incrustação. Somente trocadores de calor que podem se adaptar aos fatores mencionados são adequados.

• Opte por materiais confiáveis

  O desempenho e a segurança dos trocadores de calor serão afetados se os materiais forem inferiores. Os compradores devem escolher trocadores de calor com materiais de construção de qualidade. Esses materiais podem fornecer resistência mecânica, condutividade térmica e resistência à corrosão.

• Considere a eficiência de transferência de calor

  A eficiência de transferência de calor é um fator significativo que impacta o desempenho geral da central nuclear. Os compradores não devem negligenciar consultar os dados técnicos de diferentes tipos de trocadores de calor. Se possível, os compradores também podem analisar os modelos matemáticos para garantir que estão escolhendo os que têm desempenho de transferência de calor ideal.

• Preste atenção à montagem e manutenção

  Em algumas circunstâncias, é necessário montar, desmontar e manter os trocadores de calor. Assim, os compradores devem considerar o projeto e a operabilidade do equipamento. Os trocadores escolhidos devem ter um projeto que permita a montagem e a manutenção com facilidade. Eles também devem ter acessibilidade adequada.

• Garantir a conformidade com os padrões relevantes

  Os trocadores de calor para centrais nucleares devem cumprir padrões e regulamentos específicos. Essas normas estão relacionadas ao projeto, fabricação e manutenção. Ao selecionar os trocadores de calor, os compradores devem garantir que os fornecedores podem atender aos requisitos mencionados. Os compradores também devem garantir que a documentação esteja disponível para revisão.

• Considere os custos

  Inicialmente, o custo de compra do trocador de calor é essencial. No entanto, os compradores também devem levar em conta os custos de operação de longo prazo. Os trocadores de calor com maior eficiência de transferência ajudarão a reduzir as despesas de energia. Os trocadores de calor que exigem baixos custos de manutenção também ajudarão a economizar dinheiro a longo prazo.

Perguntas e Respostas

P1: Por que um trocador de calor é importante em um reator nuclear?

A1: O trocador de calor desempenha um papel fundamental na operação segura do reator. Ele transfere o calor gerado pelo processo de fissão nuclear para um fluido de trabalho, normalmente água, que então ferve para produzir vapor para geração de eletricidade ou para fornecer circuitos de refrigeração.

P2: Existem tendências inovadoras em trocadores de calor para centrais nucleares?

A2: Sim, trocadores de calor compactos de nova geração, como trocadores de calor de circuito impresso (PCHX) e trocadores de calor de tubo duplo soldado, estão ganhando popularidade devido à sua eficiência, pegada reduzida e confiabilidade aprimorada para futuros desenvolvimentos de energia nuclear.

P3: Quais são os desafios associados aos trocadores de calor de centrais nucleares?

A3: Manter um desempenho térmico eficaz, prevenir corrosão e incrustação, garantir a integridade estrutural e abordar as preocupações ambientais são alguns dos desafios que os trocadores de calor enfrentam em centrais nucleares.

P4: Quais materiais são comumente usados para trocadores de calor em centrais nucleares?

A4: Escolher o material certo é crucial para garantir durabilidade, resistência à corrosão e compatibilidade com os fluidos de trabalho. Alguns materiais comuns incluem aço carbono, aço de baixa liga, aço inoxidável e ligas à base de níquel.