船舶核动力装置Marine Nuclear Power Plants核科学与技术学院核科学与技术学院（V2009.04.04）MNPP-C06-L166.4 分析方法分析方法6.4.1 的概念的概念6.4.2 的计算的计算6.4.3 分析基本原理分析基本原理6.4.4 核动力装置核动力装置 分析分析8/13/20242核动力装置核动力装置6.4.1 的概念及计算的概念及计算l 的概念建立在热力学第一定律和第二定律的基础上，是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。能量在理论上所具有的最大做功能力的一种度量。l在热力学中，在热力学中，通常定义为：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。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。时，外界所得到的最大功。8/13/20243核动力装置核动力装置三个约束条件三个约束条件l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由给定状态变化到环境状态的做功过程完全可逆l物物质质作作功功过过程程的的终终态态，应应与与周周围围环环境境达达到到完完全全平平衡衡的的状状态，包括热平衡、力平衡和化学平衡态，包括热平衡、力平衡和化学平衡l在做功过程中，除环境以外没有其他热源或功源在做功过程中，除环境以外没有其他热源或功源环境环境 所所分分析析的的热热力力系系统统外外特特定定的的一一部部分分外外界界，认认为为是是无无限限广广阔阔、内内部部保保持持均均匀匀一一致致而而且且相相对对静静止止，专专由由地地表表、海海洋洋和大气构成的理想外界和大气构成的理想外界8/13/20244核动力装置核动力装置 与与 的关系的关系l 的概念的概念 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称为，不能转变为有用功的部分称为，不能转变为有用功的部分称为。l 与与 的关系的关系 系统的总能量由系统的总能量由 和和 两部分组成：两部分组成： 8/13/20245核动力装置核动力装置基于基于 概念的热力学定律表述概念的热力学定律表述l热力学第一定律热力学第一定律 在能量转换和传递过程中在能量转换和传递过程中与与的总量是守恒的。的总量是守恒的。l热力学第二定律热力学第二定律 一切实际过程（即不可逆过程）都是一切实际过程（即不可逆过程）都是递减、递减、递增的过递增的过程，即实际过程总是朝着程，即实际过程总是朝着转换为转换为的方向进行。的方向进行。8/13/20246核动力装置核动力装置的基本性质（的基本性质（1）1.具有能的属性具有能的属性。一般来说，蕴含形式的能量所包含的。一般来说，蕴含形式的能量所包含的是是状态量，迁移形式的能量所包含的状态量，迁移形式的能量所包含的则是过程量。则是过程量。2.具有等价性。具有等价性。它是一种用以度量各种形态能量转换能力的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，各种形态能量的来看，各种形态能量的都是等价的。都是等价的。3.具有互比性。具有互比性。从数量与质量相结合的角度反映了能的价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。值，代表了能量中数量与质量相统一的部分。8/13/20247核动力装置核动力装置的基本性质（的基本性质（2）4.具有相对性。具有相对性。是以环境作为基准所取的相对量，在寂态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。时，其值为零，偏离寂态时其值不为零。5.具有可分性。具有可分性。可以分解为物理可以分解为物理、动能、动能、位能、位能、化、化学学等，而物理等，而物理又能分解为机械又能分解为机械与热与热；化学；化学同样同样也可以分解为扩散也可以分解为扩散与反应与反应。6.在可逆过程中，在可逆过程中，具有守恒性，具有守恒性，的总值守恒不变。的总值守恒不变。7.在不可逆过程中，在不可逆过程中，具有非守恒性，具有非守恒性，不可避免地总有一部不可避免地总有一部分分要蜕变为要蜕变为。8/13/20248核动力装置核动力装置 的计算的计算l高高于于环环境境温温度度的的系系统统，在在给给定定环环境境条条件件下下发发生生可可逆逆变变化化时时，通通过过边边界界传传递递的的热热量量中中所所能能做做出出的的最最大大有有用用功功，即即热热量量相相对于环境所具有的最大做功能力称为对于环境所具有的最大做功能力称为热量热量。l稳稳定定流流动动中中的的物物质质，在在只只可可能能与与环环境境交交换换热热量量的的情情况况下下，从从任任意意状状态态可可逆逆变变化化到到不不完完全全平平衡衡环环境境状状态态时时所所能能做做出出的的最大有用功，称为稳定流动物质的最大有用功，称为稳定流动物质的物理物理。8/13/20249核动力装置核动力装置热量热量 的计算的计算l若若以以该该系系统统作作为为热热源源，以以环环境境作作为为冷冷源源，设设想想在在此此热热源源与与冷冷源源之之间间有有一一系系列列微微卡卡诺诺热热机机工工作作，以以保保证证系系统统在在放放出出热热量量 Q 的的同同时时可可逆逆地地发发生生状状态态变变化化。假假设设系系统统向向微微卡卡诺诺热热机机提提供供的的热热量量为为 dQ ，根根据据卡卡诺诺循循环环的的效效率率公公式式，这这部部分分热热量对外所做的最大有用功为量对外所做的最大有用功为8/13/202410核动力装置核动力装置恒温热源和变温热源恒温热源和变温热源8/13/202411核动力装置核动力装置热量热量 的性质的性质1.热热量量是是热热量量所所能能转转换换的的最最大大有有用用功功，是是热热量量本本身身的的固固有有特特性性。系系统统放放出出热热量量时时，同同时时放放出出了了该该热热量量中中的的；反反之之，系统吸收热量时，同时吸收了该热量中的系统吸收热量时，同时吸收了该热量中的。2.热热量量的的大大小小不不仅仅与与热热量量Q有有关关，还还与与环环境境温温度度T0及及热热源源温温度度T有关。有关。3.热量热量、热量、热量与热量与热量Q一样，都是过程量。一样，都是过程量。4.系系统统在在物物理理寂寂态态条条件件下下传传递递的的热热量量Q，无无法法转转换换为为有有用用功功，热量全部为热量热量全部为热量。5.相同数量的热量相同数量的热量Q，在不同温度条件下具有，在不同温度条件下具有不同。不同。8/13/202412核动力装置核动力装置稳定流动系统稳定流动系统8/13/202413核动力装置核动力装置稳定流动物系的物理稳定流动物系的物理 的计算式的计算式忽略动能和位能的变化，则上式变为：忽略动能和位能的变化，则上式变为：8/13/202414核动力装置核动力装置 6.4.2 损失与平衡方程损失与平衡方程1. 损失损失2. 平衡方程平衡方程3. 效率与效率与 损系数损系数4. 分析的单元法分析的单元法8/13/202415核动力装置核动力装置1. 损失损失l热力学第二定律规定了能量系统中过程进行的方向，使用热力学第二定律规定了能量系统中过程进行的方向，使用和和的概念可以表述为：的概念可以表述为： 在可逆过程中，系统的在可逆过程中，系统的保持守恒；在不可逆过程中，将保持守恒；在不可逆过程中，将发生发生向向的转变，使的转变，使的总量减少。而当的总量减少。而当蜕变为蜕变为以以后，后，不可能反向转变为不可能反向转变为。l不可逆过程中不可逆过程中的减少量被称为不可逆过程引起的的减少量被称为不可逆过程引起的损失，损失，简称简称损失。损失。l一切实际的热力过程中都存在不可逆因素，都会引起一切实际的热力过程中都存在不可逆因素，都会引起损损失。失。8/13/202416核动力装置核动力装置2. 平衡方程平衡方程l既然不可逆过程会产生既然不可逆过程会产生损失，并且损失，并且损失全部变为损失全部变为，所以不可逆过程中不存在所以不可逆过程中不存在守恒关系。守恒关系。l为了分析问题方便，仿照建立不可逆过程熵平衡方程式的为了分析问题方便，仿照建立不可逆过程熵平衡方程式的方法，在方法，在不守恒的基础上附加一项不可逆不守恒的基础上附加一项不可逆损失，则可损失，则可建立起如下的数量平衡关系，即建立起如下的数量平衡关系，即 输入系统的输入系统的=输出系统的输出系统的+系统中系统中的变化的变化+损失损失l 损失实际上全部是损失实际上全部是 ，上式不是，上式不是 守恒方程式，只是具守恒方程式，只是具有相同的数量关系，因此称为有相同的数量关系，因此称为 平衡方程式。平衡方程式。8/13/202417核动力装置核动力装置内部内部 损失和外部损失和外部 损失损失l损失的大小揭示了过程的不可逆程度，反映了过程中能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。量转换与利用的完善程度。l根据根据损失产生的部位，可以将其分成内部损失产生的部位，可以将其分成内部损失和外部损失和外部损失两部分。损失两部分。8/13/202418核动力装置核动力装置内部内部 损失损失l内部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、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。有限温差传热和浓度差等。l内部内部损失也称为损失也称为耗散，指在热力系统内部的不可逆过耗散，指在热力系统内部的不可逆过程中耗散为程中耗散为的那部分的那部分。l过程中的内部过程中的内部损失是不可避免的，可以理解为为了推动损失是不可避免的，可以理解为为了推动过程进行所付出的过程进行所付出的的代价。的代价。8/13/202419核动力装置核动力装置外部外部 损失损失l外外部部损损失失是是由由热热力力系系统统外外界界的的不不可可逆逆因因素素引引起起的的损损失失，既与系统有关又与环境介质有关。既与系统有关又与环境介质有关。l典典型型的的外外部部损损失失有有：由由于于系系统统热热绝绝缘缘不不善善向向环环境境散散热热而而引引起起的的损损失失（亦亦称称散散逸逸），向向环环境境排排放放未未加加利利用用的的废废热而引起的热而引起的损失（亦称损失（亦称排放）等。排放）等。8/13/202420核动力装置核动力装置损失的性质损失的性质1.耗耗散散是是由由于于系系统统内内部部的的不不可可逆逆性性造造成成的的，其其值值的的大大小小取取决决于于过过程程的的不不可可逆逆程程度度，过过程程的的不不可可逆逆程程度度越越大大，耗耗散散也越大。也越大。2.由由于于一一切切实实际际过过程程都都是是不不可可逆逆过过程程，耗耗散散实实际际上上是是不不可可避免的。只有设法减小，而不能完全消除。避免的。只有设法减小，而不能完全消除。3.在在绝绝大大部部分分情情况况下下，耗耗散散的的都都是是高高质质能能，如如因因摩摩擦擦而而耗耗散散的的机机械械，流流动动阻阻力力而而耗耗散散的的动动能能，因因电电阻阻而而耗耗散散的的电能电能。8/13/202421核动力装置核动力装置3. 效率与效率与 损系数损系数l通通过过平平衡衡可可以以求求出出各各热热力力过过程程及及整整个个系系统统或或设设备备的的损损失，这只指出了做功能力损失的绝对量。失，这只指出了做功能力损失的绝对量。l若若全全面面分分析析各各过过程程及及系系统统或或设设备备的的能能量量转转换换和和利利用用的的情情况况，仅仅确确定定的的损损失失显显然然是是不不够够的的，因因为为不不能能据据此此直直接接分分析析、比比较较和和判判断断出出过过程程及及系系统统或或设设备备利利用用的的情情况况，以以及及各各个个热力过程对整个系统或设备影响的大小。热力过程对整个系统或设备影响的大小。l因因此此，确确定定过过程程及及系系统统或或设设备备能能量量损损失失的的相相对对程程度度是是十十分分必必要要的的。为为了了评评价价热热力力过过程程及及系系统统或或设设备备的的热热力力学学完完善善性性，引入了引入了效率的概念。效率的概念。8/13/202422核动力装置核动力装置 效率效率l效效率率是是基基于于热热力力学学第第二二定定律律的的分分析析所所提提出出的的一一种种用用来来衡衡量量过过程程、设设备备或或系系统统热热力力学学完完善善性性的的指指标标，与与基基于于热热力力学学第第一一定定律律的的分分析析所所提提出出的的热热效效率率互互有有联联系系，但但比比热热效效率率更更能深刻地揭示出能量转换、利用和损耗的实质。能深刻地揭示出能量转换、利用和损耗的实质。l效率的一般定义式为效率的一般定义式为8/13/202423核动力装置核动力装置 损系数损系数l热力系统或设备中第热力系统或设备中第j个过程或环节的局部个过程或环节的局部损失占整个损失占整个系统或设备总供给系统或设备总供给的比例，称为该过程或环节的的比例，称为该过程或环节的损系损系数。数。l定义式定义式8/13/202424核动力装置核动力装置l根据系统的根据系统的平衡方程平衡方程l可以得到系统可以得到系统 效率与过程效率与过程 损系数的关系损系数的关系 效率与效率与 损系数的关系损系数的关系8/13/202425核动力装置核动力装置6.4.3 分析的单元法分析的单元法 分析法的主要内容有：分析法的主要内容有：1.进行质量平衡和能量平衡计算，确定热力系统输入、输出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、压的工质流量、能流量以及工质的状态参数（例如温度、压力等）；力等）；2.计算物流计算物流和热流和热流；3.由由平衡方程确定各过程的平衡方程确定各过程的损失；损失；4.确定系统的确定系统的效率。效率。8/13/202426核动力装置核动力装置单元法的基本内容单元法的基本内容l当当需需要要对对能能量量系系统统进进行行详详细细分分析析时时，仅仅把把该该系系统统作作为为一一个个整整体体而而做做一一般般评评价价是是远远远远不不够够的的，需需要要详详细细分分析析组组成成能能量量系系统统的的所所有有环环节节的的损损失失大大小小，以以及及它它们们在在总总损损失失中中所所占占地地位位，从从而而确确定定最最大大损损失失的的存存在在部部位位，找找出出提提高高系系统统热热经济完善性的努力方向。经济完善性的努力方向。l在在实实际际分分析析过过程程中中，总总是是将将一一个个完完整整的的能能量量系系统统划划分分为为若若干干个个组组成成单单元元，通通过过对对组组成成单单元元逐逐一一分分析析，掌掌握握系系统统整整体体热经济性完善程度。热经济性完善程度。8/13/202427核动力装置核动力装置单元法的三个阶段单元法的三个阶段l分分析析的的单单元元法法将将一一个个独独立立的的能能量量系系统统分分成成若若干干个个单单元元，对各单元逐一进行对各单元逐一进行损失计算与分析。损失计算与分析。l这种方法包括以下三个阶段：这种方法包括以下三个阶段：1.根据需要将能量系统划分为单元；根据需要将能量系统划分为单元；2.对所划分的单元逐一进行对所划分的单元逐一进行分析计算；分析计算；3.将计算结果以表格或线图形式表示出来。将计算结果以表格或线图形式表示出来。8/13/202428核动力装置核动力装置能量系统单元划分的原则能量系统单元划分的原则l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。于系统分析的任务和目的。l一般来说，能量系统单元划分的原则为：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。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。元，前者可以包括后者。8/13/202429核动力装置核动力装置6.4.4 单元的串联和并联模型单元的串联和并联模型l基本单元之间的组合，并联或串联基本单元之间的组合，并联或串联l设备的黑箱模型设备的黑箱模型l把设备看作由不透明边界所包围的系统。以实线表示边界，把设备看作由不透明边界所包围的系统。以实线表示边界，带箭头的实线表示输入、输出，带箭头的虚线表示设备内带箭头的实线表示输入、输出，带箭头的虚线表示设备内部不可逆损失。部不可逆损失。l不考虑设备内部实际过程，借助于输入、输出的能流信息不考虑设备内部实际过程，借助于输入、输出的能流信息来研究设备的用能过程宏观特性的一种方法来研究设备的用能过程宏观特性的一种方法l对设备内部各个具体过程的对设备内部各个具体过程的损系数无法确定。损系数无法确定。 8/13/202430核动力装置核动力装置串联模型串联模型8/13/202431核动力装置核动力装置并联模型并联模型8/13/202432核动力装置核动力装置