核動力裝置循環(huán)熱力分析C核動力裝置

船舶核動力裝置

MarineNuclearPowerPlantsMNPP-C06-L162/2/202326.4分析方法6.4.1的概念6.4.2的計算6.4.3分析基本原理6.4.4核動力裝置分析2/2/20233

6.4.1的概念及計算

的概念建立在熱力學第一定律和第二定律的基礎上，是能量在理論上所具有的最大做功能力的一種度量。在熱力學中，通常定義為：對于穩(wěn)定不變的環(huán)境，單位質量的穩(wěn)定流動工質從所處狀態(tài)可逆變化到與環(huán)境介質相平衡的狀態(tài)時所能做出的最大可用功。當熱力學系統(tǒng)或能流與環(huán)境介質相互作用而達到完全平衡時，外界所得到的最大功。2/2/20234

三個約束條件物質由給定狀態(tài)變化到環(huán)境狀態(tài)的做功過程完全可逆物質作功過程的終態(tài)，應與周圍環(huán)境達到完全平衡的狀態(tài)，包括熱平衡、力平衡和化學平衡在做功過程中，除環(huán)境以外沒有其他熱源或功源環(huán)境所分析的熱力系統(tǒng)外特定的一部分外界，認為是無限廣闊、內部保持均勻一致而且相對靜止，專由地表、海洋和大氣構成的理想外界2/2/20235

與的關系

的概念在一定的環(huán)境基準下，能量中可轉變?yōu)樽畲罂捎霉Φ牟糠址Q為，不能轉變?yōu)橛杏霉Φ牟糠址Q為。與的關系系統(tǒng)的總能量由和兩部分組成：

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基于概念的熱力學定律表述熱力學第一定律在能量轉換和傳遞過程中與的總量是守恒的。熱力學第二定律一切實際過程（即不可逆過程）都是遞減、遞增的過程，即實際過程總是朝著轉換為的方向進行。2/2/20237

的基本性質（1）具有能的屬性。一般來說，蘊含形式的能量所包含的是狀態(tài)量，遷移形式的能量所包含的則是過程量。具有等價性。它是一種用以度量各種形態(tài)能量轉換能力的物理量，表示了能量轉換時可能的極限值。從熱力學角度來看，各種形態(tài)能量的都是等價的。具有互比性。從數(shù)量與質量相結合的角度反映了能的價值，代表了能量中數(shù)量與質量相統(tǒng)一的部分。2/2/20238

的基本性質（2）具有相對性。是以環(huán)境作為基準所取的相對量，在寂態(tài)時，其值為零，偏離寂態(tài)時其值不為零。具有可分性。可以分解為物理、動能、位能、化學等，而物理又能分解為機械與熱；化學同樣也可以分解為擴散與反應。在可逆過程中，具有守恒性，的總值守恒不變。在不可逆過程中，具有非守恒性，不可避免地總有一部分要蛻變?yōu)椤?/2/20239

的計算高于環(huán)境溫度的系統(tǒng)，在給定環(huán)境條件下發(fā)生可逆變化時，通過邊界傳遞的熱量中所能做出的最大有用功，即熱量相對于環(huán)境所具有的最大做功能力稱為熱量。穩(wěn)定流動中的物質，在只可能與環(huán)境交換熱量的情況下，從任意狀態(tài)可逆變化到不完全平衡環(huán)境狀態(tài)時所能做出的最大有用功，稱為穩(wěn)定流動物質的物理。2/2/202310

熱量的計算若以該系統(tǒng)作為熱源，以環(huán)境作為冷源，設想在此熱源與冷源之間有一系列微卡諾熱機工作，以保證系統(tǒng)在放出熱量Q

的同時可逆地發(fā)生狀態(tài)變化。假設系統(tǒng)向微卡諾熱機提供的熱量為dQ

，根據(jù)卡諾循環(huán)的效率公式，這部分熱量對外所做的最大有用功為2/2/202311

恒溫熱源和變溫熱源2/2/202312

熱量的性質熱量是熱量所能轉換的最大有用功，是熱量本身的固有特性。系統(tǒng)放出熱量時，同時放出了該熱量中的；反之，系統(tǒng)吸收熱量時，同時吸收了該熱量中的。熱量的大小不僅與熱量Q有關，還與環(huán)境溫度T0及熱源溫度T有關。熱量、熱量與熱量Q一樣，都是過程量。系統(tǒng)在物理寂態(tài)條件下傳遞的熱量Q，無法轉換為有用功，熱量全部為熱量。相同數(shù)量的熱量Q，在不同溫度條件下具有不同。2/2/202313

穩(wěn)定流動系統(tǒng)2/2/202314

穩(wěn)定流動物系的物理的計算式忽略動能和位能的變化，則上式變?yōu)椋?/2/202315

6.4.2損失與平衡方程

損失平衡方程效率與損系數(shù)分析的單元法2/2/2023161.損失熱力學第二定律規(guī)定了能量系統(tǒng)中過程進行的方向，使用和的概念可以表述為：在可逆過程中，系統(tǒng)的保持守恒；在不可逆過程中，將發(fā)生向的轉變，使的總量減少。而當蛻變?yōu)橐院?，不可能反向轉變?yōu)?。不可逆過程中的減少量被稱為不可逆過程引起的損失，簡稱損失。一切實際的熱力過程中都存在不可逆因素，都會引起損失。2/2/202317

2.平衡方程既然不可逆過程會產生損失，并且損失全部變?yōu)?，所以不可逆過程中不存在守恒關系。為了分析問題方便，仿照建立不可逆過程熵平衡方程式的方法，在不守恒的基礎上附加一項不可逆損失，則可建立起如下的數(shù)量平衡關系，即

輸入系統(tǒng)的=輸出系統(tǒng)的+系統(tǒng)中的變化+損失損失實際上全部是，上式不是守恒方程式，只是具有相同的數(shù)量關系，因此稱為平衡方程式。2/2/202318

內部損失和外部損失損失的大小揭示了過程的不可逆程度，反映了過程中能量轉換與利用的完善程度。根據(jù)損失產生的部位，可以將其分成內部損失和外部損失兩部分。2/2/202319

內部損失內部損失是由熱力系統(tǒng)內部過程的不可逆因素所引起的損失，這類不可逆因素包括節(jié)流、流體阻力、機械摩擦、有限溫差傳熱和濃度差等。內部損失也稱為耗散，指在熱力系統(tǒng)內部的不可逆過程中耗散為的那部分。過程中的內部損失是不可避免的，可以理解為為了推動過程進行所付出的的代價。2/2/202320

外部損失外部損失是由熱力系統(tǒng)外界的不可逆因素引起的損失，既與系統(tǒng)有關又與環(huán)境介質有關。典型的外部損失有：由于系統(tǒng)熱絕緣不善向環(huán)境散熱而引起的損失（亦稱散逸），向環(huán)境排放未加利用的廢熱而引起的損失（亦稱排放）等。2/2/202321

損失的性質耗散是由于系統(tǒng)內部的不可逆性造成的，其值的大小取決于過程的不可逆程度，過程的不可逆程度越大，耗散也越大。由于一切實際過程都是不可逆過程，耗散實際上是不可避免的。只有設法減小，而不能完全消除。在絕大部分情況下，耗散的都是高質能，如因摩擦而耗散的機械，流動阻力而耗散的動能，因電阻而耗散的電能。2/2/202322

3.效率與損系數(shù)通過平衡可以求出各熱力過程及整個系統(tǒng)或設備的損失，這只指出了做功能力損失的絕對量。若全面分析各過程及系統(tǒng)或設備的能量轉換和利用的情況，僅確定的損失顯然是不夠的，因為不能據(jù)此直接分析、比較和判斷出過程及系統(tǒng)或設備利用的情況，以及各個熱力過程對整個系統(tǒng)或設備影響的大小。因此，確定過程及系統(tǒng)或設備能量損失的相對程度是十分必要的。為了評價熱力過程及系統(tǒng)或設備的熱力學完善性，引入了效率的概念。2/2/202323

效率效率是基于熱力學第二定律的分析所提出的一種用來衡量過程、設備或系統(tǒng)熱力學完善性的指標，與基于熱力學第一定律的分析所提出的熱效率互有聯(lián)系，但比熱效率更能深刻地揭示出能量轉換、利用和損耗的實質。效率的一般定義式為2/2/202324

損系數(shù)熱力系統(tǒng)或設備中第j個過程或環(huán)節(jié)的局部損失占整個系統(tǒng)或設備總供給的比例，稱為該過程或環(huán)節(jié)的損系數(shù)。定義式2/2/202325根據(jù)系統(tǒng)的平衡方程可以得到系統(tǒng)效率與過程損系數(shù)的關系

效率與損系數(shù)的關系2/2/202326

6.4.3分析的單元法分析法的主要內容有：進行質量平衡和能量平衡計算，確定熱力系統(tǒng)輸入、輸出的工質流量、能流量以及工質的狀態(tài)參數(shù)（例如溫度、壓力等）；計算物流和熱流；由平衡方程確定各過程的損失；確定系統(tǒng)的效率。2/2/202327

單元法的基本內容當需要對能量系統(tǒng)進行詳細分析時，僅把該系統(tǒng)作為一個整體而做一般評價是遠遠不夠的，需要詳細分析組成能量系統(tǒng)的所有環(huán)節(jié)的損失大小，以及它們在總損失中所占地位，從而確定最大損失的存在部位，找出提高系統(tǒng)熱經濟完善性的努力方向。在實際分析過程中，總是將一個完整的能量系統(tǒng)劃分為若干個組成單元，通過對組成單元逐一分析，掌握系統(tǒng)整體熱經濟性完善程度。2/2/202328

單元法的三個階段分析的單元法將一個獨立的能量系統(tǒng)分成若干個單元，對各單元逐一進行損失計算與分析。這種方法包括以下三個階段：根據(jù)需要將能量系統(tǒng)劃分為單元；對所劃分的單元逐一進行分析計算；將計算結果以表格或線圖形式表示出來。2/2/202329

能量系統(tǒng)單元劃分的原則能量系統(tǒng)的單元劃分是單元法分析的重要一環(huán)，也是整個計算分析的基礎。單元如何劃分，要視不同問題的不同要求而定，即唯一地取決于系統(tǒng)分析的任務和目的。一般來說，能量系統(tǒng)單元劃分的原則為：將給定系統(tǒng)劃分為單元時，所劃分的單元數(shù)取決于研究問題的詳細程度。研究要求越詳細，單元劃分的個數(shù)也越多，給出的分析結果也就更精細。組成系統(tǒng)的單元可以是主輔設備，也可以是系統(tǒng)的連接通道所涉及的過程，因而組成系統(tǒng)的具體單元可以分為兩類，即設備單元和過程單元，前者可以包括后者。2/