核動(dòng)力裝置循環(huán)熱力分析C-核動(dòng)力裝置

船舶核動(dòng)力裝置

MarineNuclearPowerPlants核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（V2009.04.04）MNPP-C06-L169/2/2023《核動(dòng)力裝置》26.4分析方法6.4.1的概念6.4.2的計(jì)算6.4.3分析基本原理6.4.4核動(dòng)力裝置分析9/2/2023《核動(dòng)力裝置》3

6.4.1的概念及計(jì)算

的概念建立在熱力學(xué)第一定律和第二定律的基礎(chǔ)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(xué)中，通常定義為：對(duì)于穩(wěn)定不變的環(huán)境，單位質(zhì)量的穩(wěn)定流動(dòng)工質(zhì)從所處狀態(tài)可逆變化到與環(huán)境介質(zhì)相平衡的狀態(tài)時(shí)所能做出的最大可用功。當(dāng)熱力學(xué)系統(tǒng)或能流與環(huán)境介質(zhì)相互作用而達(dá)到完全平衡時(shí)，外界所得到的最大功。9/2/2023《核動(dòng)力裝置》4

三個(gè)約束條件物質(zhì)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(zhì)作功過程的終態(tài)，應(yīng)與周圍環(huán)境達(dá)到完全平衡的狀態(tài)，包括熱平衡、力平衡和化學(xué)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(rèn)為是無限廣闊、內(nèi)部保持均勻一致而且相對(duì)靜止，專由地表、海洋和大氣構(gòu)成的理想外界9/2/2023《核動(dòng)力裝置》5

與的關(guān)系

的概念在一定的環(huán)境基準(zhǔn)下，能量中可轉(zhuǎn)變?yōu)樽畲罂捎霉Φ牟糠址Q為，不能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ牟糠址Q為。與的關(guān)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(xué)定律表述熱力學(xué)第一定律在能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程中與的總量是守恒的。熱力學(xué)第二定律一切實(shí)際過程（即不可逆過程）都是遞減、遞增的過程，即實(shí)際過程總是朝著轉(zhuǎn)換為的方向進(jìn)行。9/2/2023《核動(dòng)力裝置》7

的基本性質(zhì)（1）具有能的屬性。一般來說，蘊(yùn)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(jià)性。它是一種用以度量各種形態(tài)能量轉(zhuǎn)換能力的物理量，表示了能量轉(zhuǎn)換時(shí)可能的極限值。從熱力學(xué)角度來看，各種形態(tài)能量的都是等價(jià)的。具有互比性。從數(shù)量與質(zhì)量相結(jié)合的角度反映了能的價(jià)值，代表了能量中數(shù)量與質(zhì)量相統(tǒng)一的部分。9/2/2023《核動(dòng)力裝置》8

的基本性質(zhì)（2）具有相對(duì)性。是以環(huán)境作為基準(zhǔn)所取的相對(duì)量，在寂態(tài)時(shí)，其值為零，偏離寂態(tài)時(shí)其值不為零。具有可分性?？梢苑纸鉃槲锢?、動(dòng)能、位能、化學(xué)等，而物理又能分解為機(jī)械與熱；化學(xué)同樣也可以分解為擴(kuò)散與反應(yīng)。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?/2/2023《核動(dòng)力裝置》9

的計(jì)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(shí)，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(duì)于環(huán)境所具有的最大做功能力稱為熱量。穩(wěn)定流動(dòng)中的物質(zhì)，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(shí)所能做出的最大有用功，稱為穩(wěn)定流動(dòng)物質(zhì)的物理。9/2/2023《核動(dòng)力裝置》10

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

的同時(shí)可逆地發(fā)生狀態(tài)變化。假設(shè)系統(tǒng)向微卡諾熱機(jī)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(duì)外所做的最大有用功為9/2/2023《核動(dòng)力裝置》11

恒溫?zé)嵩春妥儨責(zé)嵩?/2/2023《核動(dòng)力裝置》12

熱量的性質(zhì)熱量是熱量所能轉(zhuǎn)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(shí)，同時(shí)放出了該熱量中的；反之，系統(tǒng)吸收熱量時(shí)，同時(shí)吸收了該熱量中的。熱量的大小不僅與熱量Q有關(guān)，還與環(huán)境溫度T0及熱源溫度T有關(guān)。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(zhuǎn)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。9/2/2023《核動(dòng)力裝置》13

穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)9/2/2023《核動(dòng)力裝置》14

穩(wěn)定流動(dòng)物系的物理的計(jì)算式忽略動(dòng)能和位能的變化，則上式變?yōu)椋?/2/2023《核動(dòng)力裝置》15

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9/2/2023《核動(dòng)力裝置》161.損失熱力學(xué)第二定律規(guī)定了能量系統(tǒng)中過程進(jìn)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(zhuǎn)變，使的總量減少。而當(dāng)蛻變?yōu)橐院螅豢赡芊聪蜣D(zhuǎn)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(shí)際的熱力過程中都存在不可逆因素，都會(huì)引起損失。9/2/2023《核動(dòng)力裝置》17

2.平衡方程既然不可逆過程會(huì)產(chǎn)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(guān)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(chǔ)上附加一項(xiàng)不可逆損失，則可建立起如下的數(shù)量平衡關(guān)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(shí)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(guān)系，因此稱為平衡方程式。9/2/2023《核動(dòng)力裝置》18

內(nèi)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(zhuǎn)換與利用的完善程度。根據(jù)損失產(chǎn)生的部位，可以將其分成內(nèi)部損失和外部損失兩部分。9/2/2023《核動(dòng)力裝置》19

內(nèi)部損失內(nèi)部損失是由熱力系統(tǒng)內(nèi)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(jī)械摩擦、有限溫差傳熱和濃度差等。內(nèi)部損失也稱為耗散，指在熱力系統(tǒng)內(nèi)部的不可逆過程中耗散為的那部分。過程中的內(nèi)部損失是不可避免的，可以理解為為了推動(dòng)過程進(jìn)行所付出的的代價(jià)。9/2/2023《核動(dòng)力裝置》20

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(guān)又與環(huán)境介質(zhì)有關(guān)。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。9/2/2023《核動(dòng)力裝置》21

損失的性質(zhì)

耗散是由于系統(tǒng)內(nèi)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(shí)際過程都是不可逆過程，耗散實(shí)際上是不可避免的。只有設(shè)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(zhì)能，如因摩擦而耗散的機(jī)械，流動(dòng)阻力而耗散的動(dòng)能，因電阻而耗散的電能。9/2/2023《核動(dòng)力裝置》22

3.效率與損系數(shù)通過平衡可以求出各熱力過程及整個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備的損失，這只指出了做功能力損失的絕對(duì)量。若全面分析各過程及系統(tǒng)或設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換和利用的情況，僅確定的損失顯然是不夠的，因?yàn)椴荒軗?jù)此直接分析、比較和判斷出過程及系統(tǒng)或設(shè)備利用的情況，以及各個(gè)熱力過程對(duì)整個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備影響的大小。因此，確定過程及系統(tǒng)或設(shè)備能量損失的相對(duì)程度是十分必要的。為了評(píng)價(jià)熱力過程及系統(tǒng)或設(shè)備的熱力學(xué)完善性，引入了效率的概念。9/2/2023《核動(dòng)力裝置》23

效率

效率是基于熱力學(xué)第二定律的分析所提出的一種用來衡量過程、設(shè)備或系統(tǒng)熱力學(xué)完善性的指標(biāo)，與基于熱力學(xué)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(zhuǎn)換、利用和損耗的實(shí)質(zhì)。效率的一般定義式為9/2/2023《核動(dòng)力裝置》24

損系數(shù)熱力系統(tǒng)或設(shè)備中第j個(gè)過程或環(huán)節(jié)的局部損失占整個(gè)系統(tǒng)或設(shè)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9/2/2023《核動(dòng)力裝置》25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(guān)系

效率與損系數(shù)的關(guān)系9/2/2023《核動(dòng)力裝置》26

6.4.3分析的單元法

分析法的主要內(nèi)容有：進(jìn)行質(zhì)量平衡和能量平衡計(jì)算，確定熱力系統(tǒng)輸入、輸出的工質(zhì)流量、能流量以及工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)（例如溫度、壓力等）；計(jì)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。9/2/2023《核動(dòng)力裝置》27

單元法的基本內(nèi)容當(dāng)需要對(duì)能量系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析時(shí)，僅把該系統(tǒng)作為一個(gè)整體而做一般評(píng)價(jià)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要詳細(xì)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(jīng)濟(jì)完善性的努力方向。在實(shí)際分析過程中，總是將一個(gè)完整的能量系統(tǒng)劃分為若干個(gè)組成單元，通過對(duì)組成單元逐一分析，掌握系統(tǒng)整體熱經(jīng)濟(jì)性完善程度。9/2/2023《核動(dòng)力裝置》28

單元法的三個(gè)階段

分析的單元法將一個(gè)獨(dú)立的能量系統(tǒng)分成若干個(gè)單元，對(duì)各單元逐一進(jìn)行損失計(jì)算與分析。這種方法包括以下三個(gè)階段：根據(jù)需要將能量系統(tǒng)劃分為單元；對(duì)所劃分的單元逐一進(jìn)行分析計(jì)算；將計(jì)算結(jié)果以表格或線圖形式表示出來。9/2/2023《核動(dòng)力裝置》29

能量系統(tǒng)單元?jiǎng)澐值脑瓌t能量系統(tǒng)的單元?jiǎng)澐质菃卧ǚ治龅闹匾画h(huán)，也是整個(gè)計(jì)算分析的基礎(chǔ)。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(wù)和目的。一般來說，能量系統(tǒng)單元?jiǎng)澐值脑瓌t為：將給定系統(tǒng)劃分為單元時(shí)，所劃分的單元數(shù)取決于研究問題的詳細(xì)程度。研究要求越詳細(xì)，單元?jiǎng)澐值膫€(gè)數(shù)也越多，給出的分析結(jié)果也就更精細(xì)。組成系統(tǒng)的單元可以是主輔設(shè)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(shè)備單元和過程單元，前者可以包括后者。9/2/2023《核動(dòng)力裝置