核反应堆热工基础-第二章

1、核反应堆热工基础核反应堆热工基础教师：刘晓辉成都理工大学核技术与自动化工程学院1. 反应堆热工在核工程领域的地位反应堆热工在核工程领域的地位l 反应堆热工学反应堆热工学是研究如何将反应堆内核燃料释热安是研究如何将反应堆内核燃料释热安全地输出堆外的学科。全地输出堆外的学科。l 反应堆热工水力学反应堆热工水力学是研究在反应堆及其回路系统中是研究在反应堆及其回路系统中冷却剂的流动特性和热量传输特性、燃料元件传热冷却剂的流动特性和热量传输特性、燃料元件传热特性的学科。特性的学科。l 研究对象：燃料元件传热特性、冷却剂流动特性、研究对象：燃料元件传热特性、冷却剂流动特性、热量传输特性热量传输特性l 应用

2、领域：反应堆设计、反应堆运行应用领域：反应堆设计、反应堆运行第二章第二章 热工学基础知识热工学基础知识第第1节节 核反应堆热工概述核反应堆热工概述2. 反应堆热工设计的特点（与常规热工相比）反应堆热工设计的特点（与常规热工相比）l要考虑放射性对冷却剂、固体材料的导热、结要考虑放射性对冷却剂、固体材料的导热、结构性能的影响。构性能的影响。l材料设计要考虑中子吸收、慢化性能和辐照效材料设计要考虑中子吸收、慢化性能和辐照效应。应。l反应堆功率密度很高，某一构件内部温差大、反应堆功率密度很高，某一构件内部温差大、热应力大，燃料元件的表面热负荷很大，要考热应力大，燃料元件的表面热负荷很大，要考虑临界热负

3、荷的安全裕度。虑临界热负荷的安全裕度。3. 反应堆热工设计的作用反应堆热工设计的作用l热工设计在整个反应堆设计过程中，常常起主热工设计在整个反应堆设计过程中，常常起主导作用和桥梁作用。导作用和桥梁作用。l必须设计出一个良好的堆芯输热系统。燃料元必须设计出一个良好的堆芯输热系统。燃料元件的释热率最终要受到冷却条件和材料性能的件的释热率最终要受到冷却条件和材料性能的限制。限制。 l一个完善的堆型方案能否实现，反应堆的安全一个完善的堆型方案能否实现，反应堆的安全性、经济性究竟如何协调，也都要在反应堆热性、经济性究竟如何协调，也都要在反应堆热工设计中体现出来。工设计中体现出来。 l热工设计要对控制系统

4、、安全保护系统的设计热工设计要对控制系统、安全保护系统的设计提出要求，要为安全保护系统提供安全整定值提出要求，要为安全保护系统提供安全整定值等等。等等。 4. 反应堆热工水力分析反应堆热工水力分析（1）反应堆热工水力分析的任务）反应堆热工水力分析的任务l保证反应堆冷却剂系统在正常运行期间能把燃保证反应堆冷却剂系统在正常运行期间能把燃料元件内产生的裂变能传送到核电厂的热力系料元件内产生的裂变能传送到核电厂的热力系统，进行能量转换；统，进行能量转换；l在停堆以后也能把衰变热传送出来，在停堆以后也能把衰变热传送出来， 保证反保证反应堆安全；应堆安全；l在事故工况下，缓解事故的后果；在事故工况下，缓解

5、事故的后果；l对核物理设计、机械设计、测量仪表和控制系对核物理设计、机械设计、测量仪表和控制系统等的设计提出相关设计要求。统等的设计提出相关设计要求。（2）反应堆热工水力分析的内容）反应堆热工水力分析的内容l 对堆芯及整个热传输系统进行的热工计算分析对堆芯及整个热传输系统进行的热工计算分析选选择电站总体参数择电站总体参数l 稳态分析稳态分析对额定功率下反应堆稳定运行的分析对额定功率下反应堆稳定运行的分析可以在初步设计阶段对各种方案进行比较，协调各可以在初步设计阶段对各种方案进行比较，协调各种矛盾，并且确定反应堆的结构参数和运行参数种矛盾，并且确定反应堆的结构参数和运行参数l 瞬态分析瞬态分析研

6、究启动、功率调节、停堆和各种事故研究启动、功率调节、停堆和各种事故工况下的瞬态过程工况下的瞬态过程可以确定反应堆在各种事故工可以确定反应堆在各种事故工况下的安全性，提出所需要的各种安全保护系统和工况下的安全性，提出所需要的各种安全保护系统和工程安全设施及其动作的整定值和动作时间，制定合理程安全设施及其动作的整定值和动作时间，制定合理的运行规程，并对反应堆的稳态设计提出修正方案的运行规程，并对反应堆的稳态设计提出修正方案（3）反应堆热工水力分析的过程）反应堆热工水力分析的过程l现象分析现象分析l模化分析模化分析l定量分析定量分析l实验验证实验验证l程序评价程序评价1. 研究对象研究对象热能和机械

7、能之间的转换有什么共同规律？热能和机械能之间的转换有什么共同规律？如何实现热能和机械能之间的转换？如何实现热能和机械能之间的转换？如何提高热机的热效率？如何提高热机的热效率？2. 热工基础内容热工基础内容热力学热力学热能间接利用所涉及的热能和机械能之热能间接利用所涉及的热能和机械能之间的转换。间的转换。热力学第一、第二定律热力学第一、第二定律传热学传热学热能直接利用中涉及的研究热量传递规热能直接利用中涉及的研究热量传递规律的学科。律的学科。3种传热方式及其基本规律种传热方式及其基本规律第第2节节 热工基础的研究对象、内容和方法热工基础的研究对象、内容和方法3. 研究方法研究方法热力学热力学宏观

8、、唯象的研究方法宏观、唯象的研究方法 可引用微观的气体分子论和统计热可引用微观的气体分子论和统计热 力学力学传热学传热学 解析法解析法建立物理模型、数学模型建立物理模型、数学模型数学分数学分 析求解析求解 数值计算法数值计算法计算机近似求解（非线性方程）计算机近似求解（非线性方程） 试验研究法试验研究法实验测定实验测定建立实验方程建立实验方程分析求分析求 解解1. 热力系、热力状态及状态参数热力系、热力状态及状态参数（1）热力系统：热力现象中一定范围的研究对象）热力系统：热力现象中一定范围的研究对象 工质：实现能量相互转换的媒介物质。工质：实现能量相互转换的媒介物质。 热力状态：热力系统在某一

9、瞬间所呈现的宏观热力状态：热力系统在某一瞬间所呈现的宏观 物理状况。物理状况。（2）基本状态参数）基本状态参数可直接或容易用仪器测定可直接或容易用仪器测定 比体积（比体积（v） 单位：单位：m3/kg 压力（压力（p） 单位：单位：Pa 温度（温度（T） 单位：单位：K ， 第第3节节 热力学基础知识热力学基础知识（3）其它状态参数）其它状态参数 热力学能（内能）（热力学能（内能）（U） 单位：单位：J 工质微观粒子所具有的能量。在分子尺度上它包括分子运动工质微观粒子所具有的能量。在分子尺度上它包括分子运动所具有的内动能和分子间由于相互作用力所具有的内位能。所具有的内动能和分子间由于相互作用力

10、所具有的内位能。U=U（T,V） 焓（焓（H） H=U+pV 单位：单位：J 开口系中，焓是流入（或流出）系统的工质所携带的取决开口系中，焓是流入（或流出）系统的工质所携带的取决于热力学状态的总能量。于热力学状态的总能量。 闭口系中，焓是复合的状态参数。闭口系中，焓是复合的状态参数。 熵（熵（S） 单位：单位：J/K 表示任何一种能量在空间中分布的混乱（均匀）程度，能表示任何一种能量在空间中分布的混乱（均匀）程度，能量分布得越混乱（均匀），熵就越大。量分布得越混乱（均匀），熵就越大。2. 水的物性水的物性水的物性水的物性热力学性质：温度、压力、比体积、热力学性质：温度、压力、比体积、比热容、比

11、焓、比熵比热容、比焓、比熵输运性质：热导率、动力粘度、运动输运性质：热导率、动力粘度、运动粘度、表面张力等粘度、表面张力等例题例题1 求求15.5 MPa时，饱和水的温度和时，饱和水的温度和热导率。热导率。3. 热力过程热力过程（1）热力过程热力过程：热力系从一个状态向另一个状态变化：热力系从一个状态向另一个状态变化时所经历的全部状态的总和。时所经历的全部状态的总和。（2）可逆过程可逆过程：如果系统完成某一热力工程后，再沿：如果系统完成某一热力工程后，再沿原来路径逆向进行时，能使系统和外界都返回原原来路径逆向进行时，能使系统和外界都返回原来状态而不留下任何变化，这一过程称为可逆过来状态而不留下

12、任何变化，这一过程称为可逆过程；否则，称为不可逆过程。程；否则，称为不可逆过程。（3）系统对外做功时取正值，外界对系统做功时取负）系统对外做功时取正值，外界对系统做功时取负值；系统吸热时热量取正值，放热时取负值。值；系统吸热时热量取正值，放热时取负值。4. 热力学第一定律热力学第一定律（1）定律表述：热可以转变为功，功也可以转变为热；）定律表述：热可以转变为功，功也可以转变为热；一定量的热消失时，必然伴随产生相应量的功；一定量的热消失时，必然伴随产生相应量的功；消耗一定的功时，必然出现与之对应量的热。消耗一定的功时，必然出现与之对应量的热。热能可以转变为机械能，机械能可以转变为热能，热能可以转

13、变为机械能，机械能可以转变为热能，它们的传递和转换过程中，总量保持不变。它们的传递和转换过程中，总量保持不变。（2）热力学第一定律表达式）热力学第一定律表达式（3）闭口系能量方程）闭口系能量方程（4）稳定流动系统的能量方程）稳定流动系统的能量方程5. 热力学第二定律热力学第二定律（1）定律表述）定律表述 克劳修斯克劳修斯不可能把热量从低温物体传向高温物不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。体而不引起其它变化。 开尔文开尔文不可能从单一热源取热使之完全变为功不可能从单一热源取热使之完全变为功而不引起其它变化。而不引起其它变化。 综合综合热力过程具有方向性，一个非自发过程的热力过程具

14、有方向性，一个非自发过程的进行必须付出某种代价作为补偿。进行必须付出某种代价作为补偿。（2）熵增原理）熵增原理 孤立系的熵只能增加，不能减少，极限的情况（可孤立系的熵只能增加，不能减少，极限的情况（可逆过程）可保持不变。逆过程）可保持不变。（3）能量的品质）能量的品质 电能、机械能品质较高；电能、机械能品质较高； 热能品质较低；热能品质较低； 热能的温度愈高其品质愈高。热能的温度愈高其品质愈高。（4）能量贬值原理）能量贬值原理 在孤立系统的能量传递与转化过程中，能量的数量在孤立系统的能量传递与转化过程中，能量的数量保持不变，但能量的品质却只能下降，不能升高，保持不变，但能量的品质却只能下降，不

15、能升高，极限条件下可保持不变。极限条件下可保持不变。例题例题2. 设两恒温物体设两恒温物体A和和B，温度分别为，温度分别为1500K和和500K，试分析以下情况是否可行？试分析以下情况是否可行？（1）B向向A传热传热1000kJ；（2） A向向B传热传热1000kJ。6. 热力循环热力循环（1）理想循环：理想循环：指忽略工作循环中的所有不可逆因素指忽略工作循环中的所有不可逆因素后仍能近似地反映该类循环的基本特征的理想可后仍能近似地反映该类循环的基本特征的理想可逆循环。逆循环。 热效率热效率 对于理想循环对于理想循环式中，式中，Q1为自高温热源获得的热量；为自高温热源获得的热量；Q2为向低温热源

16、放出的热为向低温热源放出的热量。量。（2）卡诺循环）卡诺循环 卡诺循环是由两个定温过程及两个绝热过程组成卡诺循环是由两个定温过程及两个绝热过程组成的理想循环。工质在同温度的的理想循环。工质在同温度的T1下，自高温热泥吸入下，自高温热泥吸入热量热量Q1，在可逆绝热膨胀过程中，工质温度自，在可逆绝热膨胀过程中，工质温度自T1降低降低到到T2。然后，工质在温度。然后，工质在温度T2下向同温度的低温热源放下向同温度的低温热源放出热量出热量Q2。最后，经可逆的绝热压缩过程，工质温度。最后，经可逆的绝热压缩过程，工质温度由由T2 升高到升高到T1，完成一个可逆循环。，完成一个可逆循环。卡诺循环的热效率公式

17、：卡诺循环的热效率公式：121CtTTT 卡诺循环是由两个(准静态)等温过程和两个(准静态)绝热过程组成需要两个热源，高温热源 T1 和低温热源 T2 。不计摩擦、热损失及漏气，视为理想过程。 A B 等温膨胀 B C 绝热膨胀 C D 等温压缩 D A 绝热压缩Vop2TW1TABCD1p2p4p3p1V4V2V3V21TT abQcdQ从卡诺循环的分析可以得到从卡诺循环的分析可以得到3条重要结论：条重要结论：卡诺循环确定了实际热力循环的热效率可以接近的极卡诺循环确定了实际热力循环的热效率可以接近的极限数值，从而可以度量实际热力循环的热力学完善程限数值，从而可以度量实际热力循环的热力学完善程

18、度。度。卡诺循环对如何提高热力循环的热效率指出了方向：卡诺循环对如何提高热力循环的热效率指出了方向：尽可能提高工质吸热时的温度以及使工质膨胀至尽可尽可能提高工质吸热时的温度以及使工质膨胀至尽可能低的温度，在接近自然环境温度下对外放热。能低的温度，在接近自然环境温度下对外放热。对于任意复杂循环，提出了广义对于任意复杂循环，提出了广义(等价等价)卡诺循环的概卡诺循环的概念，即以平均吸热温度念，即以平均吸热温度T1及平均放热温度及平均放热温度T2来代替来代替T1及及T2的概念，两者具有相同的热效率。的概念，两者具有相同的热效率。（3）朗肯循环）朗肯循环迄今为止，在工程上还没有造成完全按卡诺循环工作迄

19、今为止，在工程上还没有造成完全按卡诺循环工作的热力发动机。的热力发动机。用饱和蒸汽作为工质时，原理上是可能实现卡诺循环用饱和蒸汽作为工质时，原理上是可能实现卡诺循环的。核电厂大多数使用饱和蒸汽，但仍不采用卡诺循的。核电厂大多数使用饱和蒸汽，但仍不采用卡诺循环。主要原因之一是在绝热膨胀末期，蒸汽湿度很高，环。主要原因之一是在绝热膨胀末期，蒸汽湿度很高，使汽轮极不能安全运行，同时不可逆损失增大。其次使汽轮极不能安全运行，同时不可逆损失增大。其次是在低温放热终了时，蒸汽是在低温放热终了时，蒸汽水混合物的比体积很大，水混合物的比体积很大，湿蒸汽压缩会给泵的设计与制造带来难以克服的困难。湿蒸汽压缩会给泵

20、的设计与制造带来难以克服的困难。鉴于上述原因，采用饱和蒸汽的蒸汽动力装置不能实鉴于上述原因，采用饱和蒸汽的蒸汽动力装置不能实现卡诺循环。现卡诺循环。实际蒸汽动力装置的热功实际蒸汽动力装置的热功转换过程，是在朗肯循环加转换过程，是在朗肯循环加以改进的基础上完成的。理以改进的基础上完成的。理想朗肯循环是研究各种复杂想朗肯循环是研究各种复杂的蒸汽动力装置的基本循环。的蒸汽动力装置的基本循环。饱和蒸汽的朗肯循环与卡饱和蒸汽的朗肯循环与卡诺循环的主要不同之处在于诺循环的主要不同之处在于排放的蒸汽是完全凝结成水。排放的蒸汽是完全凝结成水。水的升压要比汽水混合物容水的升压要比汽水混合物容易得多，因而简化了设

21、备。易得多，因而简化了设备。朗肯循环的热效率低于理朗肯循环的热效率低于理论上卡诺循环的热效率。论上卡诺循环的热效率。朗肯循环过程：朗肯循环过程：12：蒸汽绝热膨胀，对外做：蒸汽绝热膨胀，对外做功功WT ；23：蒸汽在冷凝器冷却，放：蒸汽在冷凝器冷却，放出热量出热量Q2；34：蒸汽冷凝成的水在水泵：蒸汽冷凝成的水在水泵中被压缩升压，泵消耗中被压缩升压，泵消耗外界提供的功外界提供的功WP ；41：水在蒸汽发生器中被加：水在蒸汽发生器中被加热，变成蒸汽，吸收热热，变成蒸汽，吸收热量量Q1。朗肯循环的热效率公式：朗肯循环的热效率公式：蒸汽发蒸汽发生器生器1PTtQWW L对核电厂，若汽轮机对外输出的电

22、功率为对核电厂，若汽轮机对外输出的电功率为Pe，冷却剂循环泵（给水泵和主泵）消耗的冷却剂循环泵（给水泵和主泵）消耗的 电功率为电功率为Pp，堆芯发热工率为堆芯发热工率为 Pt，一回路冷却剂质量流量为，一回路冷却剂质量流量为qm（t/s），堆芯出口冷却剂比焓为），堆芯出口冷却剂比焓为hout，堆芯入口冷却，堆芯入口冷却剂平均比焓为剂平均比焓为hin，则按照朗肯循环原理，该核电厂，则按照朗肯循环原理，该核电厂的热效率为的热效率为)h(hqPPPPPinoutmpetpetL例题例题3某压水堆核电厂稳定运行时，额定发电功率为某压水堆核电厂稳定运行时，额定发电功率为900MW，冷却剂循环泵总电功率为，

23、冷却剂循环泵总电功率为30MW，一回路，一回路冷却剂质量流量为冷却剂质量流量为15 t/s，冷却剂系统压力为，冷却剂系统压力为15 MPa，堆芯出口冷却剂温度为堆芯出口冷却剂温度为330，堆芯入口冷却剂平均，堆芯入口冷却剂平均温度为温度为300 。按照朗肯循环原理，求该核电厂的。按照朗肯循环原理，求该核电厂的热效率？热效率？1. 热量传递的基本方式热量传递的基本方式（1）热传导（导热）热传导（导热）: 物体内部存在温度差或两个不同温度的物体内部存在温度差或两个不同温度的物体接触时，在物体各部分之间不发生相对位移的情况下，物体接触时，在物体各部分之间不发生相对位移的情况下，依靠物质微粒（分子、原

24、子或自由电子）的热运动而产生依靠物质微粒（分子、原子或自由电子）的热运动而产生的热量传递现象。的热量传递现象。（2）热对流：流体中，温度不同的各部分之间发生相对位移）热对流：流体中，温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递现象。时所引起的热量传递现象。对流换热：流体流过固体壁面时发生的对流和导热联合作对流换热：流体流过固体壁面时发生的对流和导热联合作用的热量热量传递过程。用的热量热量传递过程。（3）热辐射：物体通过电磁波来传递热能的方式。）热辐射：物体通过电磁波来传递热能的方式。热射线：波长热射线：波长=0.1100m的电磁波，包括可见光、部分的电磁波，包括可见光、部分紫外线和红外线

25、。紫外线和红外线。 第第4节节 传热学基础知识传热学基础知识2. 导热的基本定律导热的基本定律（1）温度场和温度梯度）温度场和温度梯度温度场：在某一瞬时，物体内各点的温度分布。温度场：在某一瞬时，物体内各点的温度分布。等温面（等温线）：在同一瞬时，物体内温度相同的各点等温面（等温线）：在同一瞬时，物体内温度相同的各点所连成的面（或线）。所连成的面（或线）。温度梯度：沿等温面法线方向上的温度增量与法向距离比温度梯度：沿等温面法线方向上的温度增量与法向距离比值的极限。值的极限。（2）傅立叶定律）傅立叶定律导热基本定律导热基本定律单位时间内通过单位面积的热量（即热流密度单位时间内通过单位面积的热量（

26、即热流密度q）正比于该）正比于该处的温度梯度。处的温度梯度。（3）热导率（导热系数）热导率（导热系数）与物质的种类、温度、密度和湿度等因素有关。与物质的种类、温度、密度和湿度等因素有关。ntngradtq（4）导热微分方程）导热微分方程 导入微元体的总热流量导入微元体的总热流量+微元体内热源的生成热微元体内热源的生成热-导出微元导出微元体的总热流量体的总热流量=微元体热力学能的增量微元体热力学能的增量3. 对流换热对流换热（1）流动边界层和热边界层）流动边界层和热边界层流动边界层：粘性流体流过固体壁面时，流体速度随与壁流动边界层：粘性流体流过固体壁面时，流体速度随与壁面接近而减小，最终被滞止。

27、流速剧烈变化的薄层成为流面接近而减小，最终被滞止。流速剧烈变化的薄层成为流动边界层动边界层f。热边界层：流体与固体壁面进行对流换热时，流体温度随热边界层：流体与固体壁面进行对流换热时，流体温度随与壁面接近而升高（壁面向流体传热），最终与壁面温度与壁面接近而升高（壁面向流体传热），最终与壁面温度相同。流体中温剧烈变化的薄层称为热边界层相同。流体中温剧烈变化的薄层称为热边界层t。（2）对流换热微分方程）对流换热微分方程（3）表面传热系数）表面传热系数hthytqxyx0)(（4）有相变时的对流换）有相变时的对流换热热凝结换热：膜状凝结、凝结换热：膜状凝结、珠状凝结珠状凝结沸腾换热：沸腾换热：按加热

28、环境分：大容器沸腾、按加热环境分：大容器沸腾、管内强制对流沸腾；管内强制对流沸腾；按流体温度分：按流体温度分： 过冷沸腾（欠热沸腾）、过冷沸腾（欠热沸腾）、饱和沸腾；饱和沸腾；按传热面上的传热机理分按传热面上的传热机理分: 泡核沸腾（核态沸腾）、泡核沸腾（核态沸腾）、过渡沸腾、膜态沸腾过渡沸腾、膜态沸腾4. 传热过程传热过程（1）流体通过壁传热）流体通过壁传热（2）换热器）换热器5. 流体无量纲物性特征参数流体无量纲物性特征参数（1）普朗特数（）普朗特数（Pr） 表明流动边界层和热边界层的关系（表明流动边界层和热边界层的关系（f/ t ），反），反映流体物理性质对对流传热过程的影响。映流体物理性质对对流传热过程的影响。式中：式中：流体运动粘度，单位：流体运动粘度，单位：m2s-1； a流体热扩散系数（率），单位：流体热扩散系数（率），单位：m2s-1； 流体密度，单位：流体密度，单位：kgm-3； c流体比热容，单位：流体比热容，单位：Jkg-1K-