03热工水力基础知识

1、第三章热工水力基础知识同常规电厂类似，压水堆核电厂也是用水作为载热流体，同时水又是压水反应堆的慢 化剂，因此有必要对水的热工和水力特性进行研究。本章介绍热传递的物理现象和核电站 典型热工回路中热传递的一般规律，以及水力学的一些基本概念。3.1热工回路3.1.1概述热工回路是指在热源和冷源之间通过载热剂（气体或液体）传递热量的系统，如图3.1 所示。冷源（S2）热源（S）载热剂在图中所示的回路中，要完成热量从热源到冷源的转移，一般要经过下述三个基本步骤：（1）载热剂从温度为4的热源S中提取热量， 称为热传递；图3.1热工回路（2）载热剂将热量从热源出口输送到冷源入 口，这个输送是靠介质的流动来实

2、现的，称为热 输送；（3）载热剂将热量传给温度为的冷源S2，这也是热传递过程。热输送过程的传热功率可以用下式计算：P = G式中P热功率，W；Gm载热剂质量流量，kg/s；Cp载热剂定压比热，J/C；t-一热源或冷源进、出口温差，C。热传递过程则比较复杂，涉及许多因素，下面我们具体分析其传热过程。3.1.2热传递热传递是热量转移的一种物理现象，这种转移可以是热量从同一物体的某一点转移到 另一点或热量从一个物体转移到另一个物体。热传递有导热、对流和辐射三种基本方式。常使用热流量和热流密度这两个物理量表示热传递能力的大小。热流量是指整个传热 面单位时间放出或接收的热量。在国际单位制中，热流量的单位

3、是焦耳/# （J/s），即瓦特 （W）oX程上有时也用大卡/小时（kcal/h），两种单位的转换关系是1 kcal/h=1.16 W。热流密度是单位面积接收或放出的热流量。如果以Q表示热流量，S表示传热面积， 则热流密度q=Q/S。在国际单位制中，热流密度的单位用W/m2表示。导热热量从物体中温度较高部分传递到较低部分，或从温度较高物体传递到与之接触的温度较低的另一物体的过程称为导热，也称热传导。设有一厚度为8的平板，两边温度分别为4和勺且4 t2,则单位时间内通过平板传递热量的大小，与平板换 热面积S、t1与t2的差值和平板材料的导热能力入成正比， 而与平板的厚度8成反比。平板导热的热流量可

4、以用公式表示为：.AtQ = XS 8式中At为平板两边的温度差，。C。图3.2通过平板的热传导导热系数入表示单位时间内1m2面积上，厚度为1m， 两面温差为1C时材料所通过的热量。各种不同的材料有不同的M直，且入随温度变化。对流和对流换热对流是指流体各部分之间发生相对位移，从而把热量从一处带到另一处的热传递现 象。流体对流的方式分为自然对流和强制对流。自然对流是由于流体中各处温度不同而引 起的。温度高的流体密度较低，呈上升趋势，而温度低的流体密度相对较高，呈下降趋势， 从而形成流动，称自然对流。强制对流是流体依靠泵或风机的驱动进行流动，如水在回路 中的流动，这种运动的速度一般都较大，从而可大

5、大提高传热的效率。工程上常遇到的不是单纯的对流方式，而是运动的流体与固体壁之间的传热，称为对 流换热，它是流体的对流与导热联合作用的结果。对流换热的热流量可用公式表达为：Q s（）式中S与流体接触的壁面面积，m2；a对流换热系数，W/ （m2 C）；tw壁面温度，C；f流体平均温度，C。在上式中，a的大小与下述因素有关：流体的性质（密度、比热、导热性）；流体的平均速度；流体流动状态（层流或紊流）；传热面的形状；流体的状态变化（沸腾、凝结）；流体内能可能的变化（放热反应、吸热反应）。这些条件对a的影响比较复杂，通常是用经验公式或实验来确定a值的大小。3 .热辐射所有物体，无论是固态、液态或气态，

6、都会向外辐射热量，这种热量传递的方式称为 热辐射。一个表面积为S的物体在单位时间内辐射的热量为：E* 0ST4式中S物体的辐射表面积，m2；b0黑体辐射常数，也称斯蒂芬一玻尔兹曼常数，其值为 5.67X10-8 W/（m2 K4）；8 该物体的黑度（又称发射率）； T表面的绝对温度，K。只有在物体表面温度较高时热辐射的效应才比较显著。3.1.3反应堆冷却剂系统的热量传递反应堆冷却剂系统（RCP）是一个闭式热工循环回路，其热源是堆芯中的燃料棒，冷 源是蒸汽发生器内的二回路给水，燃料棒产生的热量通过反应堆冷却剂输送到蒸汽发生 器，使二回路水变成蒸汽。所以RCP系统的热传递可以分为三个过程：反应堆内

7、吸热、回 路内的热输送和蒸汽发生器内的放热。反应堆内的吸热核裂变产生的能量约97.4%以热能的形式从燃料棒传出，其余以辐射粒子动能的形式 在反应堆内各处被吸收。在稳定工况下，燃料棒就是一个稳定的热源。燃料棒产生的热量 通过燃料包壳表面（与冷却剂直接接触）传递给冷却剂。这个热传递过程起主要作用的是 冷却剂的流动所产生的对流换热过程。对流换热的热流量可用前面所述的公式表示：Q = aS（tt2）这里热流量Q就是堆功率的97.4%，S为燃料包壳的有效传热面积，4为燃料包壳表面 平均温度tmg，t2为冷却剂进、出口平均温度tm。例3.1：已知核电站在100%额定工况下，燃料包壳表面平均温度：匕=329

8、 1,冷却 剂进出口平均温度t =310 C,燃料包壳有效传热面S = 4525 m2，对流换热系数a =32.8 kW/m2C，求100%功率下反应堆的核功率。解：根据对流导热公式，换热流量为Q = a S（tm,g- tm）= 32.8x4525x（ 329 -310 ）=2819980 kW = 2820 MW由于核功率的97.4%是通过燃料包壳表面传给冷却剂的，所以反应堆的核功率为：P = QI 0.974= 28200.974 = 2895 MW回路内的热量输送回路内的冷却剂必须不断流动才能维持燃料的稳定放热过程，RCP系统靠三台主泵 （每条回路一台）使冷却剂循环。在正常运行下，蒸汽

9、发生器中二回路的给水作为RCP 系统中的冷源，把冷却剂从堆中带来的热量传出。根据热传输公式，单位时间冷却剂输送的热量为：P = G因为kt= Cp其中为堆芯（或蒸汽发生器）进、出冷却剂的焓升（或焓降）， 所以输送的热量又可以表达为：P = G qHA图3.3蒸汽发生器内传热过程蒸汽发生器的传热在蒸汽发生器中，高温的冷却剂在传热管内将热 量传给管外的二回路给水，给水吸收热量变成蒸汽， 蒸汽被输送到汽轮机内做功。在蒸汽发生器内，热量的传递按下面次序从冷却 剂传到二回路水（参见图3.3）：（1）冷却剂向传热管内表面A的传热，这种传 热是对流换热方式。单位时间的传热量为：P1 = aiS（t1-tA）

10、（2）传热管传热，这种传热是金属内的热传导 方式。其单位时间的传热量为：Q = XS fb 乂 8（3）传热管外表面B向给水传热，这种传热也是对流换热方式。其单位时间的传热 量：P3 = a2S (tB- t2)在稳定工况中，上述三个传热过程的热流量应该相等，所以P=P2 = P3。一般来说，蒸汽发生器传热管壁厚度8与传热面积S相比很小，所以可以认为A面与B 面的面积S都是相同的，这样上述三个式子可简化为：P=kS (t&)其中化称为传热系数:11 81一 + 亍 + 一 a X a例3.2 :若每台蒸汽发生器设计的有效传热面积为5435 m2，传热系数k = 6.6 kW/m2C。 在100

11、%功率运行时，一回路输出的热功率为2907 MW，一回路平均温度310C。求在100% 功率运行时，蒸汽发生器的蒸汽压力是多少？（注:RCP系统有三条回路，即有三台蒸汽 发生器。）解：P = KS(t-t2)P2 =1 一 kS=310 -29070003 x 6.6 x 5435= 283 C查水的饱和曲线，对应283C时的蒸汽压力为67 bar。图3.4总结了反应堆冷却剂系统热量传递的整个过程。其中7理为燃料包壳表面平均温 度，Tm为冷却剂平均温度，Gm为冷却剂质量流量。在蒸汽发生器给水侧使用公将=Ga!H 计算，这是因为有相变发生，用明可以准确地反映介质能量的变化。“At Ts - Ti

12、t Gm :;At = Tm TvAH Hl 用Gi :始水流最图3.4反应堆冷却剂系统传热过程3.2水力回路为了把反应堆产生的热量输送到蒸汽发生器产生蒸汽，冷却剂必须持续不断地流动， 因此反应堆冷却剂系统是一个热工回路，又是一个水力回路。本节介绍有关流体流动的一 些基本特性。液体的压力设有一个截面为S的容器，若该容器的底部到水表面的高度为所则液体的体积V=hS， 液体的质量M=phS，其中p为液体的密度。容器底部单位面积所承受的力称为压力P：Pghg为重力加速度。上式也适用于计算液体中任一点的压力，其中力相应代之以该点距液 面的深度。压力的单位是帕斯卡(Pa)，表示1 m2的面积上受到1牛顿

13、的力。由于帕斯卡的单位很 小，在工程上常采用巴(bar)来作压力单位(1 bar=10-5Pa)。静止流体的能量静止流体的能量可以用势能来表示，包括给定点的相对位置势能和压力势能。(a)位置势能(b)压力势能质量为m的流体的位置势能图3.6流体中不同点的势能图3.5静止流体的势能位置势能如图3.5(a)所示，在高度为小勺A点，质量为m的液体所具有的位置势能为:W=G h=mgh对于每单位质量的流体，位置势能W=W/m=gh，单位为J/kg。压力势能如图3.5(b)所示，B点所受的压力为：P = pgh压力为P、质量为m的流体所具有的压力势能与高度为h、 相等(能量守恒)，则压力势能：口， 7P

14、 PW = mgh = mg =m 一PgP每单位质量的压力势能为:此式虽通过液压公式导出，但对于P是加在液面的外压力 的情况也是适用的。加压静止流体的能量当一个离基准面高为H的静液面上加上压力P时，流体中 任一点所具有的能量仍由位置势能与压力势能二部分组成， 但此时的压力势能应包括外加压力P和液体本身的静压力。以图3.6中的b点为例，其位置势能为gH，压力势能包括外压势能P/p和液压势能pgH2 = gH2 = g（H-H1）,总势能为：gH1 + g（H - H1） + P/p =gH + P/p表3.1列出了图3.6中a、b、c三点流体的势能。由 表可以看出，对于静止流体来说，任一点的势

15、能均相 等。表3.1静止流体的势能位置势能压力势能总势能a0P + gH PP + gH pbgH1言 + g(H - H)P + gH pcgHPP上+ gH p流动连续性方程无粘性因而在流动过程中无摩擦的液体称为理想流体。对于不可压缩的流体，在稳定 流动情况下，管路上任一处与流向垂直的横截面内的质量流量或体积流量都相等（见图 3.7）,即：q=v1s1=v2s2=常数也就是说流体的流速与流道的截面成反比。式中V为流体速度，S为流道横截面积。图3.8运动流体的机械能图3.7液体的连续流动无摩擦流体的能量运动流体的能量可以用总机械能来表示：总机械能二位置势能+压力势能+运动流体的动能运动流体的

16、动能与流速的平方成正比，可以表示为：W =一mV2V 2假设流体的质量为1 kg,无摩擦流动，且系稳定流动状态（满足连续性方程），则图 3.8中运动流体的1和2两点的总机械能如表3.2所示。表3.2质量为1公斤流体的总机械能位置势能压力势能动能1点gH1P1PV 212点gH2P2PV 22总机械能1_W = 2 V2 +七 + gH图3.9有摩擦的流动因为无摩擦流体与外界没有能量交换，那么流体内任一点的总机械能都相等，即w1 =w2，其变化的仅是三种能量（位置势能、压力势能和动能）的相互转换。总机械能的普遍表达式可写为：- P、，w = - V 2 + + gH =常数P也可将各项机械能表示成压力形式:P = - pV 2 + P +pgH T 2有摩擦的流动实际上各种流体都是有粘性的。考虑了液体粘性的流体称为实际流体。由于有粘性， 液体在流动过程中，液滴相互之间以及液体与管道之间就会产生摩擦，导致能量的损耗， 这种能量的损耗就是