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1、1,童 钧 耕,上海交通大学机械与动力工程学院 工程热物理研究所,Tel:021-34206329,压水堆核电厂热工流体理论基础,2,电厂的任务,核能或化学能,热能,电能,能量转换的原理和规律,热量传递的规律,流体在各种设备中流动的规律,工程热力学,传热学,流体力学,热工流体理论,动力工程专业基础,3,第一讲压水堆核电厂二回路热力循环,4,1.1 热能动力装置,分类及作功过程：,共同本质：由媒介物（工质）通过吸热膨胀作功排热,从燃料中获得热能，以及利用热能得到动力的整套设备（包括辅助设备），统称热能动力装置。,气体动力装置 内燃机、喷气动力装置、燃气轮机动力装置、蒸汽动力装置,5,1.2 工质
2、的状态参数,2)状态的单值函数。与过程无关,1)状态参数是宏观量，是大量粒子的统计平均效 应，系统有多个状态参数，如,3)状态参数分类 广延量 强度量,4）状态参数坐标图,气体工质可用平面坐标上一点确定其状态，反之任一状态可在平面坐标上找到对应点；无穷多状态构成的过程可表示成曲线。,p,v,1,p1,v1,T,s,2,T2,s2,O,O,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,6,1.3.1 温度,热力学温标（绝对温标）:,热力学温标取水的三相点为基准点，并定义其温度为273.16 K。温差1K相当于水的三相点温度的1/273.16。,摄氏温标:,标准大气压下，纯水的冰点温度为0，纯水的沸
3、点温度为100，纯水的三相点（固、液、汽三相平衡共存的状态点）温度为0.01。,1 K=1,t=T 273.15,比体积,单位质量工质的体积,密度,单位体积工质的质量,1.3.2 比体积和密度,7,1.3.3 压力,绝对压力 p;表压力 pe（pg）;真空度 pv,当地大气压pb,常用压力单位：,8,1.3.4 热力学能和总能,UchUnuUth,Uk,Up,总（储存）能,总能,热力学能，内部储存能,外部储存能,宏观动能,宏观位能,热力学能,热力学能单位,工程中关心,9,1.3.5 焓,定义：H=U+pV h=u+pv单位：J（kJ）J/kg（kJ/kg）焓是状态参数。,1.3.6 熵,定义,
4、熵是状态参数,焓是增加或减少工质而造成系统能量的变化量,熵变化意味着系统与外界交换热量或发生摩擦、电热等过程。,10,1.4.1 功,1功的热力学定义：传递过程中的机械能。,功是过程量除与初终态还与中间途经有关,功可以用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示,2功的符号约定：,膨胀：w 0,压缩：w 0,1.4.2 热量,1定义：由于温差通过边界传递的能量。,2符号约定：系统吸热“+”；放热“-”,.,.,1,2,o,热量是过程量,热量可以用T-s图上过程线与s轴包围的面积表示,1,2,.,.,11,1.4.3 热量与功的异同：,1.均为通过边界传递的能量；,3.功传递由压力差推动，比体积变化是
5、作功标志；热量传递由温差推动，比熵变化是传热的标志；,4.功是物系间通过宏观运动发生相互作用传递的能量；热是物系间通过紊乱的微粒运动发生相互作用而传递的能量。,功,2.均为过程量；,热是无条件的；,热,功是有条件、限度的。,12,1.5.1 热力学第一定律的实质 能量守恒与转换定律在热现象中的应用。,加入系统的能量总和热力系统输出的能量总和=热力系总储存能的增量,第一定律第一解析式,功的基本表达式,热,工质吸热与升温关系，还取决于W 的“+”、“”、数值大小。,1.5.2 热力学第一定律解析式,第一定律第二解析式稳定流动能量方程式,轴功,13,1.5.3 稳定流动能量方程式的应用,1.蒸汽轮机
6、、气轮机,2.风机，水泵类,3.换热器（锅炉、蒸汽发生器器等）,14,1.7.1 热力学第二定律,只要Q不大于Q，并不违反第一定律,?,1.自发过程的方向性,电流通过电阻，产生热量,对电阻加热，电阻内产生反向电流？电能不大于加入热能，不违反第一定律。,归纳：1）自发过程有方向性；2）自发过程的反方向过程并非不可进行，要有附加条件；3）并非所有不违反第一定律的过程均可进行。,15,能量转换方向性的实质是能质有差异,无限可转换能机械能，电能,部分可转换能热能,不可转换能环境介质的热力学能,2.第二定律的两种典型表述,1.克劳修斯叙述热量不可能自发地不花代价地从低温 物体传向高温物体。2.开尔文-普
7、朗克叙述不可能制造循环热机，只从一 个热源吸热，将之全部转化为功，而 不在外界留下任何影响。,3.关于第二类永动机,16,1.7.2 孤立系统熵增原理,孤立系统熵增原理（简称熵增原理）：孤立系内一切实际过程均使孤立系统熵增加。,讨论：1）熵增原理Siso 0，可作为第二定律 基本表达式，根据熵增原理可判别过程进行的方向；,2）孤立系统中一切过程均不改变其总能，即任意过程中能量守恒。但各种不可逆过程均可造成机械能损失，而任何不可逆过程均是Siso 0，所以熵可反映某种物质的共同属性,孤立系熵增意味机械能损失！,孤立系统与外界没有任何质量和能量交换的系统,17,1.8.1 水蒸气的性质,汽化：由液
8、态到气态的过程,蒸发：在液体表面进行的汽化过程,液化：由气相到液相的过程,沸腾：在液体表面及内部进行 的强烈汽化过程。,1.饱和状态,当汽化速度=液化速度时，系统处于动态平衡，宏观上气、液两相保持一定的相对数量饱和状态。,18,饱和状态的温度饱和温度，ts(Ts)饱和状态的压力饱和压力，ps,加热，使温度升高如 t，保持定值，系统建立新的动态平衡。与之对应，p变成ps。,一一对应，只有一个独立变量。,2.几个名词 饱和液处于饱和状态的液体：t=ts；干饱和蒸汽处于饱和状态的蒸汽：t=ts；未饱和液 温度低于所处压力下饱和温度的液体：t ts,t ts=d 过热度；湿饱和蒸汽饱和液和干饱和蒸汽的
9、混合物：t=ts。,干度,（湿度 y=1x）,湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用w 或 x 表示。,19,1.8.2 水定压加热汽化过程,预热,汽化,过热,t ts,t=ts,t=ts,t=ts,t ts,20,o,p,v,.,.,.,.,.,.,c,c,cx,c”,cd,.,.,.,C,bx,bd,b,b,b”,ax,ad,a,a,a”,水定压加热汽化过程的p-v图及T-s图,o,T,s,.,C,.,.,.,.,.,.,.,.,.,a,a”,ad,下界限线,上界限线,下界限线,上界限线,a,.,.,a,a,ax,a”,ad,.,.,.,.,.,.,.,.,pcr=22.12MPa tcr=37
10、4.15,21,零点规定,规定：三相点液态水热力学能及熵为零,可近似为零,未饱和水（t，p）,查图表或由专用程序计算,饱和水和饱和水蒸气(ps和ts)查图表或由专用程序计算,过热蒸汽（p，t）,查图表或由专用程序计算。,湿饱和蒸汽,由ts（或ps）与x共同确定：,1.8.3 水和水蒸气状态参数及图表,1.水和水蒸气的状态参数按不同区域，由给出的独立状态参数通过实际气体方程计算（通常由计算机完成）或查图表确定。,2.水蒸气表 1)饱和水和干饱和蒸汽表,饱和水和干饱和蒸汽表（节录）(一)依温度排列,23,(二)依压力排列,饱和水和干饱和蒸汽表（节录）,24,2)未饱和水和过热蒸汽表,25,3.水蒸
11、气的焓熵（h-s）图,定干度线定压线定温线 定容线,4.水和水蒸气热力性质程序,x=0.94,x=0.98,p=0.1MPa,0.02MPa,0.002MPa,1MPa,550,450,200,100,350,m3/kg,m3/kg,x=1,s kJ/(kgK),h kJ/kg,h kJ/kg,5.0,6.0,7.0,7.0,8.0,9.0,s kJ/(kgK),3700,3500,3300,3100,2700,3500,3300,3100,2700,2500,2300,定干度线定压线定温线 定容线,27,1.9.1 水蒸气的基本过程,过程中状态参数确定图表或专用程序计算。,o,T,s,.,C
12、,.,.,0,1,2,3,ql,qsup,.,.,2.定压过程,1.功、热量的计算式,3.定熵过程,28,1.9.2 朗肯循环 1.动力循环封闭的输出功的热力过程。,.,a,b,.,c,d,.,b,.,c,d,.,.,a,热效率,循环经济性指标：,收益,代价,卡诺循环,29,2.水蒸气朗肯循环 1）流程图,2）p-v及T-s图,.,.,.,1,2,3,4,5,6,.,.,p1,.,1,2,4,6,5,.,p2,.,3,.,.,.,s,s,.,30,3）朗肯循环的热效率,4）提高朗肯循环热效率的措施,a）提高新蒸汽温度,b）提高新蒸汽压力,c）降低乏汽压力,31,3.压水堆核电厂二回路循环,4-
13、1 水在蒸汽发生器中的预热、汽化过程近似认为定压过程,1-2过程绝热,2-3乏汽在冷凝器中冷凝，也为定压过程,4-3绝热压缩，给水泵消耗的功,忽略水泵功,1）理论热效率,32,2）影响循环热效率的因素,循环平均放热温度T m2 相等,但1p2p341p的平均吸热温度比循环12341平均吸热温度高，因此初压较高的循环1p2p341p热效率较高。,单纯提高初压力，虽可提高热效率，但同时也造成汽轮机出口蒸汽干度下降，蒸汽干度过低将危及汽轮机的安全运行。,压水堆用二回路采用饱和蒸汽，饱和蒸汽的温度和压力一一 对应，提高二回路蒸汽温度的效果和提高压力效果一样。,33,提高二回路蒸汽温度（或压力）需提高一
14、回路冷却剂的温度，应提高一回路压力，所以，提高一回路冷却剂压力是提高核电厂循环热效率的有效途径。但是，这种影响受到水的热物理性质的制约。如，大亚湾核电厂反应堆出口冷却剂平均温度为329.8，一回路压力为15.5MPa（饱和温度344.7）。若提高到20MPa，其饱和温度365.7，两者相比，虽然冷却剂饱和温度提高21，可以使二回路蒸汽的初温有一定的提高，而带来循环热效率的些微提高，但一回路压力却因此而提高了4.5MPa，这将提高系统内各主要设备的承压要求及材料和加工制造的难度，最终影响到电厂的经济性所以，目前压水堆核电厂一回路系统的工作压力大多在15MPa。,维持蒸汽初参数p1、T1不变，降低
15、乏汽压力p2，热效率提高。,乏汽压力p2选择取决于冷凝器内冷却流体的温度，冷却流体是自然界中的水（或空气），降低 p2 受制于环境温度。,提高核电厂循环热效率的方法，除提高初温（初压）及降低 终压外，还可以从减少循环的不可逆性和改进循环着手，如 采用抽汽回热循环、再热循环等。,34,压水堆核电厂二回路简化流程,3）压水堆电厂的汽水分离再热和回热循环,35,o,p,v,o,T,s,.,.,.,.,1,2,3,4,TH,TL,1,2,3,4,.,.,.,.,wnet,qnet,卡诺循环及其热效率 1.卡诺循环,是两个热源的可逆循环,绝热压缩,等温吸热,绝热膨胀,等温放热,1 2,2 3,3 4,4 5,36,2.卡诺循环热效率,讨论：,2）,3）,第二类永动机不可能制成。,4）卡诺循环指明了一切热机提高热效率的方向。,1）,即,循环净功小于吸热量，必有放热q2。,37,卡诺定理 定理1：在相同温度的高温热源和相同的低温热源之间工作 的一切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的 种类无关，与采用哪种工质也无关。定理2：在同为温度T1的热源和同为温度T2的冷源间工作的 一切不可逆循环，热效率必小于可逆循环热效率。理论意义：1）提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低T2；2）提高热机效率的极限。,
