核反應(yīng)堆熱工基礎(chǔ)-第二章

核反應(yīng)堆熱工基礎(chǔ)教師：劉曉輝成都理工大學(xué)

核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院1.反應(yīng)堆熱工在核工程領(lǐng)域的地位反應(yīng)堆熱工學(xué)是研究如何將反應(yīng)堆內(nèi)核燃料釋熱安全地輸出堆外的學(xué)科。反應(yīng)堆熱工水力學(xué)是研究在反應(yīng)堆及其回路系統(tǒng)中冷卻劑的流動(dòng)特性和熱量傳輸特性、燃料元件傳熱特性的學(xué)科。研究對(duì)象：燃料元件傳熱特性、冷卻劑流動(dòng)特性、熱量傳輸特性應(yīng)用領(lǐng)域：反應(yīng)堆設(shè)計(jì)、反應(yīng)堆運(yùn)行第二章

熱工學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)第1節(jié)核反應(yīng)堆熱工概述2.反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)的特點(diǎn)（與常規(guī)熱工相比）要考慮放射性對(duì)冷卻劑、固體材料的導(dǎo)熱、結(jié)構(gòu)性能的影響。材料設(shè)計(jì)要考慮中子吸收、慢化性能和輻照效應(yīng)。反應(yīng)堆功率密度很高，某一構(gòu)件內(nèi)部溫差大、熱應(yīng)力大，燃料元件的表面熱負(fù)荷很大，要考慮臨界熱負(fù)荷的安全裕度。3.反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)的作用熱工設(shè)計(jì)在整個(gè)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)過(guò)程中，常常起主導(dǎo)作用和橋梁作用。必須設(shè)計(jì)出一個(gè)良好的堆芯輸熱系統(tǒng)。燃料元件的釋熱率最終要受到冷卻條件和材料性能的限制。一個(gè)完善的堆型方案能否實(shí)現(xiàn)，反應(yīng)堆的安全性、經(jīng)濟(jì)性究竟如何協(xié)調(diào)，也都要在反應(yīng)堆熱工設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出來(lái)。熱工設(shè)計(jì)要對(duì)控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出要求，要為安全保護(hù)系統(tǒng)提供安全整定值等等。4.反應(yīng)堆熱工水力分析（1）反應(yīng)堆熱工水力分析的任務(wù)保證反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)在正常運(yùn)行期間能把燃料元件內(nèi)產(chǎn)生的裂變能傳送到核電廠的熱力系統(tǒng)，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換；在停堆以后也能把衰變熱傳送出來(lái)，保證反應(yīng)堆安全；在事故工況下，緩解事故的后果；對(duì)核物理設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、測(cè)量?jī)x表和控制系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)提出相關(guān)設(shè)計(jì)要求。（2）反應(yīng)堆熱工水力分析的內(nèi)容對(duì)堆芯及整個(gè)熱傳輸系統(tǒng)進(jìn)行的熱工計(jì)算分析——選擇電站總體參數(shù)穩(wěn)態(tài)分析——對(duì)額定功率下反應(yīng)堆穩(wěn)定運(yùn)行的分析——可以在初步設(shè)計(jì)階段對(duì)各種方案進(jìn)行比較，協(xié)調(diào)各種矛盾，并且確定反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)瞬態(tài)分析——研究啟動(dòng)、功率調(diào)節(jié)、停堆和各種事故工況下的瞬態(tài)過(guò)程——可以確定反應(yīng)堆在各種事故工況下的安全性，提出所需要的各種安全保護(hù)系統(tǒng)和工程安全設(shè)施及其動(dòng)作的整定值和動(dòng)作時(shí)間，制定合理的運(yùn)行規(guī)程，并對(duì)反應(yīng)堆的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)提出修正方案（3）反應(yīng)堆熱工水力分析的過(guò)程現(xiàn)象分析?；治龆糠治鰧?shí)驗(yàn)驗(yàn)證程序評(píng)價(jià)1.研究對(duì)象熱能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換有什么共同規(guī)律？如何實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換？如何提高熱機(jī)的熱效率？2.熱工基礎(chǔ)內(nèi)容熱力學(xué)——熱能間接利用所涉及的熱能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。熱力學(xué)第一、第二定律傳熱學(xué)——熱能直接利用中涉及的研究熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科。3種傳熱方式及其基本規(guī)律第2節(jié)熱工基礎(chǔ)的研究對(duì)象、內(nèi)容和方法3.研究方法熱力學(xué)——宏觀、唯象的研究方法——可引用微觀的氣體分子論和統(tǒng)計(jì)熱

力學(xué)傳熱學(xué)

解析法——建立物理模型、數(shù)學(xué)模型→數(shù)學(xué)分

析求解

數(shù)值計(jì)算法——計(jì)算機(jī)近似求解（非線性方程）

試驗(yàn)研究法——實(shí)驗(yàn)測(cè)定→建立實(shí)驗(yàn)方程→分析求

解熱力系、熱力狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)（1）熱力系統(tǒng)：熱力現(xiàn)象中一定范圍的研究對(duì)象

工質(zhì)：實(shí)現(xiàn)能量相互轉(zhuǎn)換的媒介物質(zhì)。

熱力狀態(tài)：熱力系統(tǒng)在某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀

物理狀況。（2）基本狀態(tài)參數(shù)——可直接或容易用儀器測(cè)定比體積（v）單位：m3/kg壓力（p）單位：Pa溫度（T）單位：K，℃第3節(jié)熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)（3）其它狀態(tài)參數(shù)熱力學(xué)能（內(nèi)能）（U）單位：J

工質(zhì)微觀粒子所具有的能量。在分子尺度上它包括分子運(yùn)動(dòng)所具有的內(nèi)動(dòng)能和分子間由于相互作用力所具有的內(nèi)位能。U=U（T,V）焓（H）H=U+pV單位：J

開(kāi)口系中，焓是流入（或流出）系統(tǒng)的工質(zhì)所攜帶的取決于熱力學(xué)狀態(tài)的總能量。

閉口系中，焓是復(fù)合的狀態(tài)參數(shù)。熵（S）單位：J/K表示任何一種能量在空間中分布的混亂（均勻）程度，能量分布得越混亂（均勻），熵就越大。2.水的物性水的物性熱力學(xué)性質(zhì)：溫度、壓力、比體積、比熱容、比焓、比熵輸運(yùn)性質(zhì)：熱導(dǎo)率、動(dòng)力粘度、運(yùn)動(dòng)粘度、表面張力等例題1

求15.5MPa時(shí)，飽和水的溫度和熱導(dǎo)率。3.熱力過(guò)程（1）熱力過(guò)程：熱力系從一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)變化時(shí)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總和。（2）可逆過(guò)程：如果系統(tǒng)完成某一熱力工程后，再沿原來(lái)路徑逆向進(jìn)行時(shí)，能使系統(tǒng)和外界都返回原來(lái)狀態(tài)而不留下任何變化，這一過(guò)程稱為可逆過(guò)程；否則，稱為不可逆過(guò)程。（3）系統(tǒng)對(duì)外做功時(shí)取正值，外界對(duì)系統(tǒng)做功時(shí)取負(fù)值；系統(tǒng)吸熱時(shí)熱量取正值，放熱時(shí)取負(fù)值。4.熱力學(xué)第一定律（1）定律表述：熱可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，功也可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊?；一定量的熱消失時(shí)，必然伴隨產(chǎn)生相應(yīng)量的功；消耗一定的功時(shí)，必然出現(xiàn)與之對(duì)應(yīng)量的熱。熱能可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，機(jī)械能可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，它們的傳遞和轉(zhuǎn)換過(guò)程中，總量保持不變。（2）熱力學(xué)第一定律表達(dá)式（3）閉口系能量方程（4）穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的能量方程5.熱力學(xué)第二定律（1）定律表述克勞修斯——不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化。開(kāi)爾文——不可能從單一熱源取熱使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓＞C合——熱力過(guò)程具有方向性，一個(gè)非自發(fā)過(guò)程的進(jìn)行必須付出某種代價(jià)作為補(bǔ)償。（2）熵增原理

孤立系的熵只能增加，不能減少，極限的情況（可逆過(guò)程）可保持不變。（3）能量的品質(zhì)電能、機(jī)械能品質(zhì)較高；熱能品質(zhì)較低；熱能的溫度愈高其品質(zhì)愈高。（4）能量貶值原理

在孤立系統(tǒng)的能量傳遞與轉(zhuǎn)化過(guò)程中，能量的數(shù)量保持不變，但能量的品質(zhì)卻只能下降，不能升高，極限條件下可保持不變。例題2.設(shè)兩恒溫物體A和B，溫度分別為1500K和500K，試分析以下情況是否可行？（1）B向A傳熱1000kJ；（2）A向B傳熱1000kJ。6.熱力循環(huán)（1）理想循環(huán)：指忽略工作循環(huán)中的所有不可逆因素后仍能近似地反映該類循環(huán)的基本特征的理想可逆循環(huán)。熱效率對(duì)于理想循環(huán)式中，Q1為自高溫?zé)嵩传@得的熱量；Q2為向低溫?zé)嵩捶懦龅臒崃?。?）卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)是由兩個(gè)定溫過(guò)程及兩個(gè)絕熱過(guò)程組成的理想循環(huán)。工質(zhì)在同溫度的T1下，自高溫?zé)崮辔霟崃縌1，在可逆絕熱膨脹過(guò)程中，工質(zhì)溫度自T1降低到T2。然后，工質(zhì)在溫度T2下向同溫度的低溫?zé)嵩捶懦鰺崃縌2。最后，經(jīng)可逆的絕熱壓縮過(guò)程，工質(zhì)溫度由T2升高到T1，完成一個(gè)可逆循環(huán)?？ㄖZ循環(huán)的熱效率公式：卡諾循環(huán)是由兩個(gè)(準(zhǔn)靜態(tài))等溫過(guò)程和兩個(gè)(準(zhǔn)靜態(tài))絕熱過(guò)程組成需要兩個(gè)熱源，高溫?zé)嵩碩1和低溫?zé)嵩碩2。不計(jì)摩擦、熱損失及漏氣，視為理想過(guò)程。

A—B

等溫膨脹B—C

絕熱膨脹

C—D

等溫壓縮D—A

絕熱壓縮WABCD從卡諾循環(huán)的分析可以得到3條重要結(jié)論：卡諾循環(huán)確定了實(shí)際熱力循環(huán)的熱效率可以接近的極限數(shù)值，從而可以度量實(shí)際熱力循環(huán)的熱力學(xué)完善程度。卡諾循環(huán)對(duì)如何提高熱力循環(huán)的熱效率指出了方向：盡可能提高工質(zhì)吸熱時(shí)的溫度以及使工質(zhì)膨脹至盡可能低的溫度，在接近自然環(huán)境溫度下對(duì)外放熱。對(duì)于任意復(fù)雜循環(huán)，提出了廣義(等價(jià))卡諾循環(huán)的概念，即以平均吸熱溫度T1及平均放熱溫度T2來(lái)代替T1及T2的概念，兩者具有相同的熱效率。（3）朗肯循環(huán)迄今為止，在工程上還沒(méi)有造成完全按卡諾循環(huán)工作的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。用飽和蒸汽作為工質(zhì)時(shí)，原理上是可能實(shí)現(xiàn)卡諾循環(huán)的。核電廠大多數(shù)使用飽和蒸汽，但仍不采用卡諾循環(huán)。主要原因之一是在絕熱膨脹末期，蒸汽濕度很高，使汽輪極不能安全運(yùn)行，同時(shí)不可逆損失增大。其次是在低溫放熱終了時(shí)，蒸汽—水混合物的比體積很大，濕蒸汽壓縮會(huì)給泵的設(shè)計(jì)與制造帶來(lái)難以克服的困難。鑒于上述原因，采用飽和蒸汽的蒸汽動(dòng)力裝置不能實(shí)現(xiàn)卡諾循環(huán)。實(shí)際蒸汽動(dòng)力裝置的熱功轉(zhuǎn)換過(guò)程，是在朗肯循環(huán)加以改進(jìn)的基礎(chǔ)上完成的。理想朗肯循環(huán)是研究各種復(fù)雜的蒸汽動(dòng)力裝置的基本循環(huán)。飽和蒸汽的朗肯循環(huán)與卡諾循環(huán)的主要不同之處在于排放的蒸汽是完全凝結(jié)成水。水的升壓要比汽水混合物容易得多，因而簡(jiǎn)化了設(shè)備。朗肯循環(huán)的熱效率低于理論上卡諾循環(huán)的熱效率。朗肯循環(huán)過(guò)程：1——2：蒸汽絕熱膨脹，對(duì)外做功WT

；2——3：蒸汽在冷凝器冷卻，放出熱量Q2；3——4：蒸汽冷凝成的水在水泵中被壓縮升壓，泵消耗外界提供的功WP

；4——1：水在蒸汽發(fā)生器中被加熱，變成蒸汽，吸收熱量Q1。朗肯循環(huán)的熱效率公式：蒸汽發(fā)生器對(duì)核電廠，若汽輪機(jī)對(duì)外輸出的電功率為Pe，冷卻劑循環(huán)泵（給水泵和主泵）消耗的電功率為Pp，堆芯發(fā)熱工率為Pt，一回路冷卻劑質(zhì)量流量為qm（t/s），堆芯出口冷卻劑比焓為hout，堆芯入口冷卻劑平均比焓為hin，則按照朗肯循環(huán)原理，該核電廠的熱效率為例題3某壓水堆核電廠穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，額定發(fā)電功率為900MW，冷卻劑循環(huán)泵總電功率為30MW，一回路冷卻劑質(zhì)量流量為15t/s，冷卻劑系統(tǒng)壓力為15MPa，堆芯出口冷卻劑溫度為330℃，堆芯入口冷卻劑平均溫度為300℃。按照朗肯循環(huán)原理，求該核電廠的熱效率？熱量傳遞的基本方式（1）熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）:物體內(nèi)部存在溫度差或兩個(gè)不同溫度的物體接觸時(shí)，在物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移的情況下，依靠物質(zhì)微粒（分子、原子或自由電子）的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。（2）熱對(duì)流：流體中，溫度不同的各部分之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)所引起的熱量傳遞現(xiàn)象。對(duì)流換熱：流體流過(guò)固體壁面時(shí)發(fā)生的對(duì)流和導(dǎo)熱聯(lián)合作用的熱量熱量傳遞過(guò)程。（3）熱輻射：物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞熱能的方式。熱射線：波長(zhǎng)λ=0.1～100μm的電磁波，包括可見(jiàn)光、部分紫外線和紅外線。

第4節(jié)傳熱學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)2.導(dǎo)熱的基本定律（1）溫度場(chǎng)和溫度梯度溫度場(chǎng)：在某一瞬時(shí)，物體內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布。等溫面（等溫線）：在同一瞬時(shí)，物體內(nèi)溫度相同的各點(diǎn)所連成的面（或線）。溫度梯度：沿等溫面法線方向上的溫度增量與法向距離比值的極限。（2）傅立葉定律——導(dǎo)熱基本定律單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量（即熱流密度q）正比于該處的溫度梯度。（3）熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）與物質(zhì)的種類、溫度、密度和濕度等因素有關(guān)。（4）導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)入微元體的總熱流量+微元體內(nèi)熱源的生成熱-導(dǎo)出微元體的總熱流量=微元體熱力學(xué)能的增量3.對(duì)流換熱（1）流動(dòng)邊界層和熱邊界層流動(dòng)邊界層：粘性流體流過(guò)固體壁面時(shí)，流體速度隨與壁面接近而減小，最終被滯止。流速劇烈變化的薄層成為流動(dòng)邊界層δf。熱邊界層：流體與固體壁面進(jìn)行對(duì)流換熱時(shí)，流體溫度隨與壁面接近而升高（壁面向流體傳熱），最終與壁面溫度相同。流體中溫劇烈變化的薄層稱為熱邊界層δt。（2）對(duì)流換熱微分方程（3）表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h（4）有相變時(shí)的對(duì)流換熱凝結(jié)換熱：膜狀凝結(jié)、珠狀凝結(jié)沸騰換熱：按加熱環(huán)境分：大容器沸騰、管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流沸騰；按流體溫度分：

過(guò)冷沸騰（欠熱沸騰）、飽和沸騰；按傳熱面上的傳熱機(jī)理分:

泡核沸騰（核態(tài)沸騰）、過(guò)渡沸騰、膜態(tài)沸騰4.傳熱過(guò)程（1）流體通過(guò)壁傳熱（2）換熱器5.流體無(wú)量綱物性特征參數(shù)（1）普朗特?cái)?shù)（Pr）表明流動(dòng)邊界層和熱邊界層的關(guān)系（～δf/δt），反映流體物理性質(zhì)對(duì)對(duì)流傳熱過(guò)程的影響。式中：ν——流體運(yùn)動(dòng)粘度，單位：m2·s-1；

a——流體熱擴(kuò)散系數(shù)（率），單位：m2·s-1；

ρ——流體密度，單位：kg·m-3；

c——流體比熱容，單位：J·kg-1·K-1；λ——流體熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)），單位：W·m-1·K-1；

η——流體動(dòng)力粘度，單位：Pa·s。（2）努塞爾數(shù)（Nu）表示對(duì)流換熱強(qiáng)烈程度；表示流體層流底層的導(dǎo)熱阻力與對(duì)流傳熱阻力的比。式中：h——對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位：W·m-2·K-1；

l——換熱面的幾何特征長(zhǎng)度，單位：m；