03热工水力基础知识

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
总机械能
1点
gH1
2点
gH2
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：
也可将各项机械能表示成压力形式：
5.有摩擦的流动
1．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。
设有一厚度为的平板，两边温度分别为t1和t2，且t1＞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成正比，而与平板的厚度成反比。
Q＝S（t1-t2）
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，t1为燃料包壳表面平均温度tm,g，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：tm,g＝329℃，冷却剂进出口平均温度tm＝310℃，燃料包壳有效传热面积S＝4525 m2，对流换热系数α＝32.8kW/m2℃，求100％功率下反应堆的核功率。
P3＝2S（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P1＝P2＝P3。
一般来说，蒸汽发生器传热管壁厚度与传热面积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（t1—t2）
其中k称为传热系数：
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/m2℃。在100％功率运行时，一回路输出的热功率为2907 MW，一回路平均温度310℃。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。）
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）。
这些条件对的影响比较复杂，通常是用经验公式或实验来确定值的大小。
3．热辐射
所有物体，无论是固态、液态或气态，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：
P=GmCpt
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/℃；
t——热源或冷源进、出口温差，℃。
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。
E=0ST4
式中S——物体的辐射表面积，m2；
0——黑体辐射常数，也称斯蒂芬—玻尔兹曼常数，其值为5.67×10-8W/（m2∙K4）；
ε——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：反应堆内吸热、回路内的热输送和蒸汽发生器内的放热。
1.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：
（a）位置势能（b）压力势能
图3.5静止流体的势能
（1）位置势能
如图3.5(a)所示，在高度为h的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Wh＝W/m＝gh，单位为J/kg。
（2）压力势能
如图3.5(b)所示，B点所受的压力为：
P=gh
压力为P、质量为m的流体所具有的压力势能与高度为h、质量为m的流体的位置势能相等（能量守恒），则压力势能：
实验证明，压力损失大致同流体速度的平方成正比，可以用公式表达为：
系数k与管道截面变化、流向变化、阀门、粘度、管壁粗糙度和管道长度等因素有关。
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。
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＝1S（t1-tA）
（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：
（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：
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压力损失。
由于压力损失，流动过程中总压力不再是常数。图3.9中，1点和2点的总压力变为：
即：P1=P2＋P
P称作压头损失。为了补偿这一损失，维持流体流动，必须在流体回路中加一个与它相等的驱动力P，这可应用泵或通过重力和密度差产生的自然循环来达到。
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。
4.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＝位置势能＋压力势能＋运动流体的动能
运动流体的动能与流速的平方成正比，可以表示为：
假设流体的质量为1kg，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。
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。
1.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h，则液体的体积V＝hS，液体的质量M＝hS，其中为液体的密度。
平板导热的热流量可以用公式表示为：
式中t为平板两边的温度差，℃。
导热系数表示单位时间内1m2面积上，厚度为1m，两面温差为1℃时材料所通过的热量。各种不同的材料有不同的值，且随温度变化。
2．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，从而可大大提高传热的效率。
解：根据对流导热公式，换热流量为
Q＝αS（tm,g-tm）
＝32.8×4525×（329-310）
＝2819980kW＝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＝Q／0.974
＝2820÷0.974＝2895 MW
2．回路内的热量输送Байду номын сангаас
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=GmCpt
因为Δt＝ΔH／Cp，其中ΔH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=GmH
3.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。
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，热流量的单位是焦耳/秒（J/s），即瓦特（W）。工程上有时也用大卡/小时（kcal/h），两种单位的转换关系是1kcal/h＝1.16W。
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。
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（twtf）
式中S——与流体接触的壁面面积，m2；
——对流换热系数，W/（m2∙℃）；
tw——壁面温度，℃；
tf——流体平均温度，℃。
在上式中，的大小与下述因素有关：
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t1的热源S1中提取热量，称为热传递；
（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现的，称为热输送；