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1、1童童 钧钧 耕耕上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 工程热物理研究所工程热物理研究所Tel:021-34206329压水堆核电厂热工压水堆核电厂热工流体理论基础流体理论基础2电厂的任务电厂的任务 核能或化学能核能或化学能热能热能电能电能能量转换的原理和规律能量转换的原理和规律热量传递的规律热量传递的规律流体在各种设备中流动的规律流体在各种设备中流动的规律工程热力学工程热力学传热学传热学流体力学流体力学热工流体理论热工流体理论热工流体理论热工流体理论动力工程动力工程动力工程动力工程专业基础专业基础专业基础专业基础3第一讲第一讲压水堆核电厂二回路热压水堆核电厂二回路热力
2、循环力循环41.1 热能动力装置热能动力装置分类及作功过程：分类及作功过程：共同本质：共同本质：由媒介物（工质）通过吸热由媒介物（工质）通过吸热膨胀作功膨胀作功排热排热 从燃料中获得热能，以及从燃料中获得热能，以及利用热能得到动力的整套设利用热能得到动力的整套设备（包括辅助设备），统称备（包括辅助设备），统称热能动力装置。热能动力装置。气体动力装置气体动力装置 内燃机、喷气动力装置、内燃机、喷气动力装置、燃气轮机动力装置、燃气轮机动力装置、蒸汽动力装置蒸汽动力装置51.2 工质的状态参数工质的状态参数2)状态的单值函数。状态的单值函数。与过程无关与过程无关 1)状态参数是宏观量状态参数是宏观量
3、，是大量粒子的统计平均效，是大量粒子的统计平均效 应，系统有应，系统有多多个状态参数，如个状态参数，如3)状态参数分类状态参数分类 广延量广延量 强度量强度量4）状态参数坐标图状态参数坐标图 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。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。pv1p1v1Ts2T2s2OO.61.3.1 温度温度 热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）:热热热热力力力力学学学学温温温温标标标标
4、取取取取水水水水的的的的三三三三相相相相点点点点为为为为基基基基准准准准点点点点，并并并并定定定定义义义义其其其其温温温温度度度度为为为为273.16 273.16 KK。温差。温差。温差。温差1 1KK相当于相当于相当于相当于水的三相点温度的水的三相点温度的水的三相点温度的水的三相点温度的1/273.161/273.16。摄氏温标摄氏温标摄氏温标摄氏温标:标标标标准准准准大大大大气气气气压压压压下下下下，纯纯纯纯水水水水的的的的冰冰冰冰点点点点温温温温度度度度为为为为0 0 ，纯纯纯纯水水水水的的的的沸沸沸沸点点点点温温温温度度度度为为为为100 100，纯纯纯纯水水水水的的的的三三三三相相
5、相相点点点点（固固固固、液液液液、汽汽汽汽三三三三相相相相平平平平衡衡衡衡共共共共存存存存的的的的状态点）温度为状态点）温度为状态点）温度为状态点）温度为0.010.01 。1 K=1 1 K=1 t t t t=T T 273.15273.15比体积比体积单位质量工质的体积单位质量工质的体积密度密度单位体积工质的质量单位体积工质的质量1.3.2 比体积和密度比体积和密度71.3.3 压力压力绝对压力绝对压力 p;表压力表压力 pe（pg）;真空度真空度 pv当地大气压当地大气压pb常用压力单位：常用压力单位：81.3.4 热力学能和总能热力学能和总能UchUnuUthUk Up总（储存）能总
6、（储存）能总能总能热力学能，内部储存能热力学能，内部储存能外部储存能外部储存能宏观动能宏观动能宏观位能宏观位能热力学能热力学能热力学能单位热力学能单位 工程中关心工程中关心91.3.5 焓焓定义：定义：H=U+pV h=u+pv单位：单位：J（kJ）J/kg（kJ/kg）焓是状态参数。焓是状态参数。1.3.6 熵熵 定义定义熵是状态参数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。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。101.4.1 功功1功的热力学定义：功的热力学定义：传递过程
7、中的机械能。传递过程中的机械能。功是过程量功是过程量除与初终态还与中除与初终态还与中间途经有关间途经有关功可以用功可以用p-v图上过程线图上过程线与与v轴包围的面积表示轴包围的面积表示2功的符号约定：功的符号约定：膨胀：膨胀：膨胀：膨胀：w w 0 0压缩：压缩：压缩：压缩：w w 0 0，所以所以熵可反映某种物质的共同属性熵可反映某种物质的共同属性熵可反映某种物质的共同属性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！孤立系熵增意味机械能损失！孤立系熵增意味机械能损失！孤立系熵增意味机械能损失！孤立系统孤立系统与外界没有任何质量和能量交换的系统与外界没有任何质量和能量交换的系统171.
8、8.1 水蒸气的性质水蒸气的性质汽化：由液态到气态的过程汽化：由液态到气态的过程蒸发蒸发：在液体表面进行的汽化过程在液体表面进行的汽化过程液化液化：由气相到液相的过程由气相到液相的过程沸腾沸腾：在液体表面及内部进行在液体表面及内部进行 的强烈汽化过程。的强烈汽化过程。1.饱和状态饱和状态 当汽化速度当汽化速度=液化速度时，系统处于液化速度时，系统处于动态平衡动态平衡，宏观上气、液两相保持一定的，宏观上气、液两相保持一定的相对数量相对数量饱和状态饱和状态。18饱和状态的温度饱和状态的温度饱和温度饱和温度，ts(Ts)饱和状态的压力饱和状态的压力饱和压力饱和压力，ps 加热，使温度升高如加热，使温
9、度升高如 t，保持定值，系统，保持定值，系统建立新的动态平衡。与之对应，建立新的动态平衡。与之对应，p变成变成ps。一一对应一一对应，只有一个独立变量。，只有一个独立变量。2.几个名词几个名词 饱和液饱和液处于饱和状态的液体处于饱和状态的液体：t=ts；干饱和蒸汽干饱和蒸汽处于饱和状态的蒸汽处于饱和状态的蒸汽：t=ts；未饱和液未饱和液 温度低于所处压力下饱和温度的液体温度低于所处压力下饱和温度的液体：t ts,t ts=d 过热度；过热度；湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽饱和液和干饱和蒸汽的混合物饱和液和干饱和蒸汽的混合物：t=ts。干度干度（湿度湿度 y=1x）湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，用湿蒸汽中
10、干饱和蒸汽的质量分数，用w 或或 x 表示。表示。191.8.2 水定压加热汽化过程水定压加热汽化过程预热预热汽化汽化过热过热t ts20opv.c ccxc”cd.Cbxbdbbb”axadaaa”水定压加热汽化过程的水定压加热汽化过程的p-v图及图及T-s图图oTs.C.aa”ad下界限线下界限线上界限线上界限线下界限线下界限线上界限线上界限线a.aaaxa”ad.pcr=22.12MPa tcr=374.1521 零点规定零点规定规定：三相点液态水热力学能及熵为零规定：三相点液态水热力学能及熵为零可近似为零可近似为零 未饱和水（未饱和水（t，p）查图表或由专用程序计算查图表或由专用程序计
11、算 饱和水和饱和水蒸气饱和水和饱和水蒸气(ps和和ts)查图表或由专用程序计算查图表或由专用程序计算 过热蒸汽（过热蒸汽（p，t）查图表或由专用程序计算。查图表或由专用程序计算。湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽 由由ts（或（或ps）与）与x共同确定共同确定：1.8.3 水和水蒸气状态参数及图表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。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00.0
12、1515253570100110150200250300350373.990.00061120.00061170.00087250.00170530.00316870.00562630.0311780.1013250.1432430.475711.553663.973518.5830816.52122.0640.001000220.001000180.001000080.001000940.001003020.001006050.001022760.001043440.001051560.001090460.001156410.001251450.001403690.001740080.003
13、106206.154206.012147.04877.91043.36225.2225.04431.67361.21060.392860.127320.0501120.0216690.0088120.003106-0.050.0021.0262.96104.77146.59293.01419.06461.33632.28852.341085.31344.01670.32085.92500.512500.532509.712528.072546.292564.382626.102675.712691.262746.352792.472800.662748.712563.392085.872500
14、.62500.52488.72465.12441.52417.82333.12256.62229.92114.11940.11715.41404.7893.00.0-0.00020.00000.07630.22480.36700.50500.95501.30691.41861.84202.33072.79263.25333.77734.40929.15449.15419.02368.77948.55608.35117.75407.35457.23866.83816.43126.07165.70425.21044.4092饱和水和干饱和蒸汽表（节录）饱和水和干饱和蒸汽表（节录）(一)依温度排列2
15、3(二二)依压力排列依压力排列0.0010.0030.0040.0050.010.020.050.10.20.51.02.03.05.010.022.0646.949124.114228.953332.879345.798860.065081.338899.634120.240151.867179.916212.417233.893263.980311.037373.990.00100010.00100280.00100410.00100530.00101030.00101720.00102990.00104320.00106050.00109250.00112720.00117670.001
16、21660.00128620.00145220.003106129.18545.66634.79628.19114.6737.64973.24091.69430.885850.374860.194380.0995880.0666620.0394390.0180260.00310629.21101.07121.30137.72191.76251.43340.55417.52504.78640.35762.84908.641008.21154.21407.22085.92513.292544.682553.462560.552583.722608.902645.312675.142706.5327
17、48.592777.672798.662803.192793.642724.462085.872484.12443.62432.22422.82392.02357.52304.82257.62201.72108.22014.81890.01794.91639.51317.20.00.10560.35460.42210.47610.64900.83201.09121.30281.53031.86102.13882.44712.64542.92013.35914.40928.97358.57588.47258.38308.14817.90687.59287.35897.12726.82146.58
18、596.33956.18545.97245.61394.4092饱和水和干饱和蒸汽表（节录）饱和水和干饱和蒸汽表（节录）242)未饱和水和过热蒸汽表未饱和水和过热蒸汽表p0.001 MPa0.005 MPa0.01 MPa饱和和参参数数ts=6.949 v=0.001 000 1,v”=129.185h=29.21,h”=2513.3s=0.105 6,s”=8.9735ts=32.879 v=0.001 005 3,v”=28.191h=137.72,h”=2 560.6s=0.4761,s”=8.3930ts=45.799 v=0.001 010 3,v”=14.673h=191.76,h
19、”=2583.7s=0.649 0,s”=8.1481tvhsvhsvhsm3/kgkJ/kgkJ/(kgK)m3/kgkJ/kgkJ/(kgK)m3/kgkJ/kgkJ/(kgK)00.0010002-0.05-0.00020.00100020.0010003-0.05-0.00020.0010002-0.04-0.000210130.5982519.08.993842.010.15100.001000342.010.151020135.2262537.79.05880.001001883.870.29630.001001883.870.296340144.4752575.29.182328
20、.8542574.08.43660.001009167.510.572350149.0962593.99.241229.7832592.98.496114.8692591.88.173260153.7172612.79.298430.7122611.88.553715.3362610.88.231380162.9562650.39.408032.5662649.78.663916.2682648.98.3422100172.1922688.09.512034.4182687.58.768217.1962686.98.4471120181.4262725.99.610936.2692725.58
21、.867418.1242725.18.5466253.水蒸气的焓水蒸气的焓熵（熵（h-s）图）图定干度线定干度线定压线定压线定温线定温线 定容线定容线4.水和水蒸气热力性质水和水蒸气热力性质程序程序x=0.94x=0.98p=0.1MPa 0.02MPa 0.002MPa 1MPa550450200100350m3/kgm3/kgx=1s kJ/(kgK)h kJ/kgh kJ/kg5.06.07.07.08.09.0s kJ/(kgK)37003500330031002700350033003100270025002300定干度线定干度线定压线定压线定温线定温线 定容线定容线271.9.1
22、水蒸气的基本过程水蒸气的基本过程过程中状态参数确定过程中状态参数确定图表或专用程序计算。图表或专用程序计算。oTs.C.0123qlqsup.2.定压过程定压过程1.功、热量的计算式功、热量的计算式3.定熵过程定熵过程281.9.2 朗肯循环朗肯循环 1.动力循环动力循环封闭的输出功的热力过程。封闭的输出功的热力过程。.ab.cd.b.cd.a热效率热效率循环循环经济性指标：经济性指标：收益收益代价代价卡诺循环卡诺循环292.水蒸气朗肯循环水蒸气朗肯循环 1）流程图）流程图2）p-v及及T-s图图 .123456.p1.12465.p2.3.ss.30 3）朗肯循环的热效率）朗肯循环的热效率
23、4）提高朗肯循环热效率的措施）提高朗肯循环热效率的措施 a）提高新蒸汽温度）提高新蒸汽温度b）提高新蒸汽压力）提高新蒸汽压力c）降低乏汽压力）降低乏汽压力313.压水堆核电厂二回路循环压水堆核电厂二回路循环4-1 水在蒸汽发生器中的预热、水在蒸汽发生器中的预热、汽化过程近似认为定压过程汽化过程近似认为定压过程 1-2过程绝热过程绝热2-3乏汽在冷凝器中冷凝，乏汽在冷凝器中冷凝，也为定压过程也为定压过程 4-3绝热压缩，给水泵消耗的功绝热压缩，给水泵消耗的功忽略水泵功忽略水泵功 1）理论热效率）理论热效率322）影响循环热效率的因素）影响循环热效率的因素循环平均放热温度循环平均放热温度T m2
24、相等相等,但但1p2p341p的平均吸热温度比循的平均吸热温度比循环环12341平均吸热温度高，因此平均吸热温度高，因此初压较高的循环初压较高的循环1p2p341p热效率热效率较高。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。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。对应，提高二回路蒸汽温度的效果和提高压力效果一样
25、。33提高二回路蒸汽温度（或压力）需提高一回路冷却剂的温度，提高二回路蒸汽温度（或压力）需提高一回路冷却剂的温度，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329.8，一回路压力为一回路压力为15.5MPa（饱和温度（饱和温度344.7）。若提高到）。若提高到20MPa，其饱和温度其饱和温度365.7，两者相比，虽然冷却
26、剂饱和温度提高，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，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在15MPa。维持蒸汽初参数维持蒸汽初参数p1、T1不变，降低乏汽压力不变，降低乏汽压力p2，热
27、效率提高。，热效率提高。乏汽压力乏汽压力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），降低自然界中的水（或空气），降低 p2 受制于环境温度。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。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压水
28、堆电厂的汽水分离再热和回热循环35opvoTs.1234THTL1234.wnetqnet卡诺循环及其热效率卡诺循环及其热效率 1.卡诺循环卡诺循环是是两两个热源的个热源的可逆可逆循环循环绝热压缩绝热压缩等温吸热等温吸热绝热膨胀绝热膨胀等温放热等温放热1 22 33 44 5362.卡诺循环热效率卡诺循环热效率讨论：讨论：2）3）第二类永动机不可能制成。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。卡诺循环指明了一切热机提高热效率的方向。1）即即循环净功小于吸热量，必有放热循环净功小于吸热量，必有放热q2。37卡诺定理卡诺定理 定理定理1：在在相同温度相同温度的高温热源和相同的低温热源之间工作的高温热源和相同的低温热源之间工作 的的一切可逆循环一切可逆循环，其，其热效率都相等热效率都相等，与可逆循环的，与可逆循环的 种类无关种类无关，与采用哪种，与采用哪种工质也无关工质也无关。定理定理2：在同为温度在同为温度T1的热源和同为温度的热源和同为温度T2的冷源间工作的的冷源间工作的 一切不可逆循环一切不可逆循环，热效率必，热效率必小于可逆循环热效率小于可逆循环热效率。理论意义：理论意义：1）提高热机效率的途径：可逆、提高）提高热机效率的途径：可逆、提高T1，降低降低T2；2）提高热机效率的极限。提高热机效率的极限。