核动力装置循环热力分析C-核动力装置

船舶核动力装置

MarineNuclearPowerPlants核科学与技术学院（V2009.04.04）MNPP-C06-L169/2/2023《核动力装置》26.4分析方法6.4.1的概念6.4.2的计算6.4.3分析基本原理6.4.4核动力装置分析9/2/2023《核动力装置》3

6.4.1的概念及计算

的概念建立在热力学第一定律和第二定律的基础上，是能量在理论上所具有的最大做功能力的一种度量。在热力学中，通常定义为：对于稳定不变的环境，单位质量的稳定流动工质从所处状态可逆变化到与环境介质相平衡的状态时所能做出的最大可用功。当热力学系统或能流与环境介质相互作用而达到完全平衡时，外界所得到的最大功。9/2/2023《核动力装置》4

三个约束条件物质由给定状态变化到环境状态的做功过程完全可逆物质作功过程的终态，应与周围环境达到完全平衡的状态，包括热平衡、力平衡和化学平衡在做功过程中，除环境以外没有其他热源或功源环境所分析的热力系统外特定的一部分外界，认为是无限广阔、内部保持均匀一致而且相对静止，专由地表、海洋和大气构成的理想外界9/2/2023《核动力装置》5

与的关系

的概念在一定的环境基准下，能量中可转变为最大可用功的部分称为，不能转变为有用功的部分称为。与的关系系统的总能量由和两部分组成：

9/2/2023《核动力装置》6

基于概念的热力学定律表述热力学第一定律在能量转换和传递过程中与的总量是守恒的。热力学第二定律一切实际过程（即不可逆过程）都是递减、递增的过程，即实际过程总是朝着转换为的方向进行。9/2/2023《核动力装置》7

的基本性质（1）具有能的属性。一般来说，蕴含形式的能量所包含的是状态量，迁移形式的能量所包含的则是过程量。具有等价性。它是一种用以度量各种形态能量转换能力的物理量，表示了能量转换时可能的极限值。从热力学角度来看，各种形态能量的都是等价的。具有互比性。从数量与质量相结合的角度反映了能的价值，代表了能量中数量与质量相统一的部分。9/2/2023《核动力装置》8

的基本性质（2）具有相对性。是以环境作为基准所取的相对量，在寂态时，其值为零，偏离寂态时其值不为零。具有可分性。可以分解为物理、动能、位能、化学等，而物理又能分解为机械与热；化学同样也可以分解为扩散与反应。在可逆过程中，具有守恒性，的总值守恒不变。在不可逆过程中，具有非守恒性，不可避免地总有一部分要蜕变为。9/2/2023《核动力装置》9

的计算高于环境温度的系统，在给定环境条件下发生可逆变化时，通过边界传递的热量中所能做出的最大有用功，即热量相对于环境所具有的最大做功能力称为热量。稳定流动中的物质，在只可能与环境交换热量的情况下，从任意状态可逆变化到不完全平衡环境状态时所能做出的最大有用功，称为稳定流动物质的物理。9/2/2023《核动力装置》10

热量的计算若以该系统作为热源，以环境作为冷源，设想在此热源与冷源之间有一系列微卡诺热机工作，以保证系统在放出热量Q

的同时可逆地发生状态变化。假设系统向微卡诺热机提供的热量为dQ

，根据卡诺循环的效率公式，这部分热量对外所做的最大有用功为9/2/2023《核动力装置》11

恒温热源和变温热源9/2/2023《核动力装置》12

热量的性质热量是热量所能转换的最大有用功，是热量本身的固有特性。系统放出热量时，同时放出了该热量中的；反之，系统吸收热量时，同时吸收了该热量中的。热量的大小不仅与热量Q有关，还与环境温度T0及热源温度T有关。热量、热量与热量Q一样，都是过程量。系统在物理寂态条件下传递的热量Q，无法转换为有用功，热量全部为热量。相同数量的热量Q，在不同温度条件下具有不同。9/2/2023《核动力装置》13

稳定流动系统9/2/2023《核动力装置》14

稳定流动物系的物理的计算式忽略动能和位能的变化，则上式变为：9/2/2023《核动力装置》15

6.4.2损失与平衡方程

损失平衡方程效率与损系数分析的单元法9/2/2023《核动力装置》161.损失热力学第二定律规定了能量系统中过程进行的方向，使用和的概念可以表述为：在可逆过程中，系统的保持守恒；在不可逆过程中，将发生向的转变，使的总量减少。而当蜕变为以后，不可能反向转变为。不可逆过程中的减少量被称为不可逆过程引起的损失，简称损失。一切实际的热力过程中都存在不可逆因素，都会引起损失。9/2/2023《核动力装置》17

2.平衡方程既然不可逆过程会产生损失，并且损失全部变为，所以不可逆过程中不存在守恒关系。为了分析问题方便，仿照建立不可逆过程熵平衡方程式的方法，在不守恒的基础上附加一项不可逆损失，则可建立起如下的数量平衡关系，即

输入系统的=输出系统的+系统中的变化+损失损失实际上全部是，上式不是守恒方程式，只是具有相同的数量关系，因此称为平衡方程式。9/2/2023《核动力装置》18

内部损失和外部损失

损失的大小揭示了过程的不可逆程度，反映了过程中能量转换与利用的完善程度。根据损失产生的部位，可以将其分成内部损失和外部损失两部分。9/2/2023《核动力装置》19

内部损失内部损失是由热力系统内部过程的不可逆因素所引起的损失，这类不可逆因素包括节流、流体阻力、机械摩擦、有限温差传热和浓度差等。内部损失也称为耗散，指在热力系统内部的不可逆过程中耗散为的那部分。过程中的内部损失是不可避免的，可以理解为为了推动过程进行所付出的的代价。9/2/2023《核动力装置》20

外部损失外部损失是由热力系统外界的不可逆因素引起的损失，既与系统有关又与环境介质有关。典型的外部损失有：由于系统热绝缘不善向环境散热而引起的损失（亦称散逸），向环境排放未加利用的废热而引起的损失（亦称排放）等。9/2/2023《核动力装置》21

损失的性质

耗散是由于系统内部的不可逆性造成的，其值的大小取决于过程的不可逆程度，过程的不可逆程度越大，耗散也越大。由于一切实际过程都是不可逆过程，耗散实际上是不可避免的。只有设法减小，而不能完全消除。在绝大部分情况下，耗散的都是高质能，如因摩擦而耗散的机械，流动阻力而耗散的动能，因电阻而耗散的电能。9/2/2023《核动力装置》22

3.效率与损系数通过平衡可以求出各热力过程及整个系统或设备的损失，这只指出了做功能力损失的绝对量。若全面分析各过程及系统或设备的能量转换和利用的情况，仅确定的损失显然是不够的，因为不能据此直接分析、比较和判断出过程及系统或设备利用的情况，以及各个热力过程对整个系统或设备影响的大小。因此，确定过程及系统或设备能量损失的相对程度是十分必要的。为了评价热力过程及系统或设备的热力学完善性，引入了效率的概念。9/2/2023《核动力装置》23

效率

效率是基于热力学第二定律的分析所提出的一种用来衡量过程、设备或系统热力学完善性的指标，与基于热力学第一定律的分析所提出的热效率互有联系，但比热效率更能深刻地揭示出能量转换、利用和损耗的实质。效率的一般定义式为9/2/2023《核动力装置》24

损系数热力系统或设备中第j个过程或环节的局部损失占整个系统或设备总供给的比例，称为该过程或环节的损系数。定义式9/2/2023《核动力装置》25根据系统的平衡方程可以得到系统效率与过程损系数的关系

效率与损系数的关系9/2/2023《核动力装置》26

6.4.3分析的单元法

分析法的主要内容有：进行质量平衡和能量平衡计算，确定热力系统输入、输出的工质流量、能流量以及工质的状态参数（例如温度、压力等）；计算物流和热流；由平衡方程确定各过程的损失；确定系统的效率。9/2/2023《核动力装置》27

单元法的基本内容当需要对能量系统进行详细分析时，仅把该系统作为一个整体而做一般评价是远远不够的，需要详细分析组成能量系统的所有环节的损失大小，以及它们在总损失中所占地位，从而确定最大损失的存在部位，找出提高系统热经济完善性的努力方向。在实际分析过程中，总是将一个完整的能量系统划分为若干个组成单元，通过对组成单元逐一分析，掌握系统整体热经济性完善程度。9/2/2023《核动力装置》28

单元法的三个阶段

分析的单元法将一个独立的能量系统分成若干个单元，对各单元逐一进行损失计算与分析。这种方法包括以下三个阶段：根据需要将能量系统划分为单元；对所划分的单元逐一进行分析计算；将计算结果以表格或线图形式表示出来。9/2/2023《核动力装置》29

能量系统单元划分的原则能量系统的单元划分是单元法分析的重要一环，也是整个计算分析的基础。单元如何划分，要视不同问题的不同要求而定，即唯一地取决于系统分析的任务和目的。一般来说，能量系统单元划分的原则为：将给定系统划分为单元时，所划分的单元数取决于研究问题的详细程度。研究要求越详细，单元划分的个数也越多，给出的分析结果也就更精细。组成系统的单元可以是主辅设备，也可以是系统的连接通道所涉及的过程，因而组成系统的具体单元可以分为两类，即设备单元和过程单元，前者可以包括后者。9/2/2023《核动力装置