03熱工水力基礎(chǔ)知識(shí)

1、第三章熱工水力基礎(chǔ)知識(shí)同常規(guī)電廠類似，壓水堆核電廠也是用水作為載熱流體，同時(shí)水又是壓水反應(yīng)堆的慢 化劑，因此有必要對(duì)水的熱工和水力特性進(jìn)行研究。本章介紹熱傳遞的物理現(xiàn)象和核電站 典型熱工回路中熱傳遞的一般規(guī)律，以及水力學(xué)的一些基本概念。3.1熱工回路3.1.1概述熱工回路是指在熱源和冷源之間通過載熱劑（氣體或液體）傳遞熱量的系統(tǒng)，如圖3.1 所示。冷源（S2）熱源（S）載熱劑在圖中所示的回路中，要完成熱量從熱源到冷源的轉(zhuǎn)移，一般要經(jīng)過下述三個(gè)基本步驟：（1）載熱劑從溫度為4的熱源S中提取熱量， 稱為熱傳遞；圖3.1熱工回路（2）載熱劑將熱量從熱源出口輸送到冷源入 口，這個(gè)輸送是靠介質(zhì)的流動(dòng)來實(shí)

2、現(xiàn)的，稱為熱 輸送；（3）載熱劑將熱量傳給溫度為的冷源S2，這也是熱傳遞過程。熱輸送過程的傳熱功率可以用下式計(jì)算：P = G式中P熱功率，W；Gm載熱劑質(zhì)量流量，kg/s；Cp載熱劑定壓比熱，J/C；t-一熱源或冷源進(jìn)、出口溫差，C。熱傳遞過程則比較復(fù)雜，涉及許多因素，下面我們具體分析其傳熱過程。3.1.2熱傳遞熱傳遞是熱量轉(zhuǎn)移的一種物理現(xiàn)象，這種轉(zhuǎn)移可以是熱量從同一物體的某一點(diǎn)轉(zhuǎn)移到 另一點(diǎn)或熱量從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體。熱傳遞有導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種基本方式。常使用熱流量和熱流密度這兩個(gè)物理量表示熱傳遞能力的大小。熱流量是指整個(gè)傳熱 面單位時(shí)間放出或接收的熱量。在國際單位制中，熱流量的單位

3、是焦耳/# （J/s），即瓦特 （W）oX程上有時(shí)也用大卡/小時(shí)（kcal/h），兩種單位的轉(zhuǎn)換關(guān)系是1 kcal/h=1.16 W。熱流密度是單位面積接收或放出的熱流量。如果以Q表示熱流量，S表示傳熱面積， 則熱流密度q=Q/S。在國際單位制中，熱流密度的單位用W/m2表示。導(dǎo)熱熱量從物體中溫度較高部分傳遞到較低部分，或從溫度較高物體傳遞到與之接觸的溫度較低的另一物體的過程稱為導(dǎo)熱，也稱熱傳導(dǎo)。設(shè)有一厚度為8的平板，兩邊溫度分別為4和勺且4 t2,則單位時(shí)間內(nèi)通過平板傳遞熱量的大小，與平板換 熱面積S、t1與t2的差值和平板材料的導(dǎo)熱能力入成正比， 而與平板的厚度8成反比。平板導(dǎo)熱的熱流量可

4、以用公式表示為：.AtQ = XS 8式中At為平板兩邊的溫度差，。C。圖3.2通過平板的熱傳導(dǎo)導(dǎo)熱系數(shù)入表示單位時(shí)間內(nèi)1m2面積上，厚度為1m， 兩面溫差為1C時(shí)材料所通過的熱量。各種不同的材料有不同的M直，且入隨溫度變化。對(duì)流和對(duì)流換熱對(duì)流是指流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，從而把熱量從一處帶到另一處的熱傳遞現(xiàn) 象。流體對(duì)流的方式分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。自然對(duì)流是由于流體中各處溫度不同而引 起的。溫度高的流體密度較低，呈上升趨勢，而溫度低的流體密度相對(duì)較高，呈下降趨勢， 從而形成流動(dòng)，稱自然對(duì)流。強(qiáng)制對(duì)流是流體依靠泵或風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行流動(dòng)，如水在回路 中的流動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)的速度一般都較大，從而可大

5、大提高傳熱的效率。工程上常遇到的不是單純的對(duì)流方式，而是運(yùn)動(dòng)的流體與固體壁之間的傳熱，稱為對(duì) 流換熱，它是流體的對(duì)流與導(dǎo)熱聯(lián)合作用的結(jié)果。對(duì)流換熱的熱流量可用公式表達(dá)為：Q s（）式中S與流體接觸的壁面面積，m2；a對(duì)流換熱系數(shù)，W/ （m2 C）；tw壁面溫度，C；f流體平均溫度，C。在上式中，a的大小與下述因素有關(guān)：流體的性質(zhì)（密度、比熱、導(dǎo)熱性）；流體的平均速度；流體流動(dòng)狀態(tài)（層流或紊流）；傳熱面的形狀；流體的狀態(tài)變化（沸騰、凝結(jié)）；流體內(nèi)能可能的變化（放熱反應(yīng)、吸熱反應(yīng)）。這些條件對(duì)a的影響比較復(fù)雜，通常是用經(jīng)驗(yàn)公式或?qū)嶒?yàn)來確定a值的大小。3 .熱輻射所有物體，無論是固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)，

6、都會(huì)向外輻射熱量，這種熱量傳遞的方式稱為 熱輻射。一個(gè)表面積為S的物體在單位時(shí)間內(nèi)輻射的熱量為：E* 0ST4式中S物體的輻射表面積，m2；b0黑體輻射常數(shù)，也稱斯蒂芬一玻爾茲曼常數(shù)，其值為 5.67X10-8 W/（m2 K4）；8 該物體的黑度（又稱發(fā)射率）； T表面的絕對(duì)溫度，K。只有在物體表面溫度較高時(shí)熱輻射的效應(yīng)才比較顯著。3.1.3反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的熱量傳遞反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（RCP）是一個(gè)閉式熱工循環(huán)回路，其熱源是堆芯中的燃料棒，冷 源是蒸汽發(fā)生器內(nèi)的二回路給水，燃料棒產(chǎn)生的熱量通過反應(yīng)堆冷卻劑輸送到蒸汽發(fā)生 器，使二回路水變成蒸汽。所以RCP系統(tǒng)的熱傳遞可以分為三個(gè)過程：反應(yīng)堆內(nèi)

7、吸熱、回 路內(nèi)的熱輸送和蒸汽發(fā)生器內(nèi)的放熱。反應(yīng)堆內(nèi)的吸熱核裂變產(chǎn)生的能量約97.4%以熱能的形式從燃料棒傳出，其余以輻射粒子動(dòng)能的形式 在反應(yīng)堆內(nèi)各處被吸收。在穩(wěn)定工況下，燃料棒就是一個(gè)穩(wěn)定的熱源。燃料棒產(chǎn)生的熱量 通過燃料包殼表面（與冷卻劑直接接觸）傳遞給冷卻劑。這個(gè)熱傳遞過程起主要作用的是 冷卻劑的流動(dòng)所產(chǎn)生的對(duì)流換熱過程。對(duì)流換熱的熱流量可用前面所述的公式表示：Q = aS（tt2）這里熱流量Q就是堆功率的97.4%，S為燃料包殼的有效傳熱面積，4為燃料包殼表面 平均溫度tmg，t2為冷卻劑進(jìn)、出口平均溫度tm。例3.1：已知核電站在100%額定工況下，燃料包殼表面平均溫度：匕=329

8、 1,冷卻 劑進(jìn)出口平均溫度t =310 C,燃料包殼有效傳熱面S = 4525 m2，對(duì)流換熱系數(shù)a =32.8 kW/m2C，求100%功率下反應(yīng)堆的核功率。解：根據(jù)對(duì)流導(dǎo)熱公式，換熱流量為Q = a S（tm,g- tm）= 32.8x4525x（ 329 -310 ）=2819980 kW = 2820 MW由于核功率的97.4%是通過燃料包殼表面?zhèn)鹘o冷卻劑的，所以反應(yīng)堆的核功率為：P = QI 0.974= 28200.974 = 2895 MW回路內(nèi)的熱量輸送回路內(nèi)的冷卻劑必須不斷流動(dòng)才能維持燃料的穩(wěn)定放熱過程，RCP系統(tǒng)靠三臺(tái)主泵 （每條回路一臺(tái)）使冷卻劑循環(huán)。在正常運(yùn)行下，蒸汽

9、發(fā)生器中二回路的給水作為RCP 系統(tǒng)中的冷源，把冷卻劑從堆中帶來的熱量傳出。根據(jù)熱傳輸公式，單位時(shí)間冷卻劑輸送的熱量為：P = G因?yàn)閗t= Cp其中為堆芯（或蒸汽發(fā)生器）進(jìn)、出冷卻劑的焓升（或焓降）， 所以輸送的熱量又可以表達(dá)為：P = G qHA圖3.3蒸汽發(fā)生器內(nèi)傳熱過程蒸汽發(fā)生器的傳熱在蒸汽發(fā)生器中，高溫的冷卻劑在傳熱管內(nèi)將熱 量傳給管外的二回路給水，給水吸收熱量變成蒸汽， 蒸汽被輸送到汽輪機(jī)內(nèi)做功。在蒸汽發(fā)生器內(nèi)，熱量的傳遞按下面次序從冷卻 劑傳到二回路水（參見圖3.3）：（1）冷卻劑向傳熱管內(nèi)表面A的傳熱，這種傳 熱是對(duì)流換熱方式。單位時(shí)間的傳熱量為：P1 = aiS（t1-tA）

10、（2）傳熱管傳熱，這種傳熱是金屬內(nèi)的熱傳導(dǎo) 方式。其單位時(shí)間的傳熱量為：Q = XS fb 乂 8（3）傳熱管外表面B向給水傳熱，這種傳熱也是對(duì)流換熱方式。其單位時(shí)間的傳熱 量：P3 = a2S (tB- t2)在穩(wěn)定工況中，上述三個(gè)傳熱過程的熱流量應(yīng)該相等，所以P=P2 = P3。一般來說，蒸汽發(fā)生器傳熱管壁厚度8與傳熱面積S相比很小，所以可以認(rèn)為A面與B 面的面積S都是相同的，這樣上述三個(gè)式子可簡化為：P=kS (t&)其中化稱為傳熱系數(shù):11 81一 + 亍 + 一 a X a例3.2 :若每臺(tái)蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)的有效傳熱面積為5435 m2，傳熱系數(shù)k = 6.6 kW/m2C。 在100

11、%功率運(yùn)行時(shí)，一回路輸出的熱功率為2907 MW，一回路平均溫度310C。求在100% 功率運(yùn)行時(shí)，蒸汽發(fā)生器的蒸汽壓力是多少？（注:RCP系統(tǒng)有三條回路，即有三臺(tái)蒸汽 發(fā)生器。）解：P = KS(t-t2)P2 =1 一 kS=310 -29070003 x 6.6 x 5435= 283 C查水的飽和曲線，對(duì)應(yīng)283C時(shí)的蒸汽壓力為67 bar。圖3.4總結(jié)了反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)熱量傳遞的整個(gè)過程。其中7理為燃料包殼表面平均溫 度，Tm為冷卻劑平均溫度，Gm為冷卻劑質(zhì)量流量。在蒸汽發(fā)生器給水側(cè)使用公將=Ga!H 計(jì)算，這是因?yàn)橛邢嘧儼l(fā)生，用明可以準(zhǔn)確地反映介質(zhì)能量的變化?！癆t Ts - Ti

12、t Gm :;At = Tm TvAH Hl 用Gi :始水流最圖3.4反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)傳熱過程3.2水力回路為了把反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量輸送到蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，冷卻劑必須持續(xù)不斷地流動(dòng)， 因此反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)是一個(gè)熱工回路，又是一個(gè)水力回路。本節(jié)介紹有關(guān)流體流動(dòng)的一 些基本特性。液體的壓力設(shè)有一個(gè)截面為S的容器，若該容器的底部到水表面的高度為所則液體的體積V=hS， 液體的質(zhì)量M=phS，其中p為液體的密度。容器底部單位面積所承受的力稱為壓力P：Pghg為重力加速度。上式也適用于計(jì)算液體中任一點(diǎn)的壓力，其中力相應(yīng)代之以該點(diǎn)距液 面的深度。壓力的單位是帕斯卡(Pa)，表示1 m2的面積上受到1牛頓

13、的力。由于帕斯卡的單位很 小，在工程上常采用巴(bar)來作壓力單位(1 bar=10-5Pa)。靜止流體的能量靜止流體的能量可以用勢能來表示，包括給定點(diǎn)的相對(duì)位置勢能和壓力勢能。(a)位置勢能(b)壓力勢能質(zhì)量為m的流體的位置勢能圖3.6流體中不同點(diǎn)的勢能圖3.5靜止流體的勢能位置勢能如圖3.5(a)所示，在高度為小勺A點(diǎn)，質(zhì)量為m的液體所具有的位置勢能為:W=G h=mgh對(duì)于每單位質(zhì)量的流體，位置勢能W=W/m=gh，單位為J/kg。壓力勢能如圖3.5(b)所示，B點(diǎn)所受的壓力為：P = pgh壓力為P、質(zhì)量為m的流體所具有的壓力勢能與高度為h、 相等(能量守恒)，則壓力勢能：口， 7P

14、 PW = mgh = mg =m 一PgP每單位質(zhì)量的壓力勢能為:此式雖通過液壓公式導(dǎo)出，但對(duì)于P是加在液面的外壓力 的情況也是適用的。加壓靜止流體的能量當(dāng)一個(gè)離基準(zhǔn)面高為H的靜液面上加上壓力P時(shí)，流體中 任一點(diǎn)所具有的能量仍由位置勢能與壓力勢能二部分組成， 但此時(shí)的壓力勢能應(yīng)包括外加壓力P和液體本身的靜壓力。以圖3.6中的b點(diǎn)為例，其位置勢能為gH，壓力勢能包括外壓勢能P/p和液壓勢能pgH2 = gH2 = g（H-H1）,總勢能為：gH1 + g（H - H1） + P/p =gH + P/p表3.1列出了圖3.6中a、b、c三點(diǎn)流體的勢能。由 表可以看出，對(duì)于靜止流體來說，任一點(diǎn)的勢

15、能均相 等。表3.1靜止流體的勢能位置勢能壓力勢能總勢能a0P + gH PP + gH pbgH1言 + g(H - H)P + gH pcgHPP上+ gH p流動(dòng)連續(xù)性方程無粘性因而在流動(dòng)過程中無摩擦的液體稱為理想流體。對(duì)于不可壓縮的流體，在穩(wěn)定 流動(dòng)情況下，管路上任一處與流向垂直的橫截面內(nèi)的質(zhì)量流量或體積流量都相等（見圖 3.7）,即：q=v1s1=v2s2=常數(shù)也就是說流體的流速與流道的截面成反比。式中V為流體速度，S為流道橫截面積。圖3.8運(yùn)動(dòng)流體的機(jī)械能圖3.7液體的連續(xù)流動(dòng)無摩擦流體的能量運(yùn)動(dòng)流體的能量可以用總機(jī)械能來表示：總機(jī)械能二位置勢能+壓力勢能+運(yùn)動(dòng)流體的動(dòng)能運(yùn)動(dòng)流體的

16、動(dòng)能與流速的平方成正比，可以表示為：W =一mV2V 2假設(shè)流體的質(zhì)量為1 kg,無摩擦流動(dòng)，且系穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)（滿足連續(xù)性方程），則圖 3.8中運(yùn)動(dòng)流體的1和2兩點(diǎn)的總機(jī)械能如表3.2所示。表3.2質(zhì)量為1公斤流體的總機(jī)械能位置勢能壓力勢能動(dòng)能1點(diǎn)gH1P1PV 212點(diǎn)gH2P2PV 22總機(jī)械能1_W = 2 V2 +七 + gH圖3.9有摩擦的流動(dòng)因?yàn)闊o摩擦流體與外界沒有能量交換，那么流體內(nèi)任一點(diǎn)的總機(jī)械能都相等，即w1 =w2，其變化的僅是三種能量（位置勢能、壓力勢能和動(dòng)能）的相互轉(zhuǎn)換?？倷C(jī)械能的普遍表達(dá)式可寫為：- P、，w = - V 2 + + gH =常數(shù)P也可將各項(xiàng)機(jī)械能表示成壓力形式:P = - pV 2 + P +pgH T 2有摩擦的流動(dòng)實(shí)際上各種流體都是有粘性的?？紤]了液體粘性的流體稱為實(shí)際流體。由于有粘性， 液體在流動(dòng)過程中，液滴相互之間以及液體與管道之間就會(huì)產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致能量的損耗， 這種能量的損耗就是