第十章 动力循环
1．基本概念
热机：将热能转化为机械能的设备叫做热力原动机，简称热机。
动力循环：热机的工作循环称为动力循环。根据热机所用工质的不同，动力循环可分为蒸汽动力循环和燃气动力循环两大类。
朗肯循环（Rankine Cycle ）：由可逆绝热压缩过程、定压加热过程、可逆绝热膨胀过程、定压冷却过程组成的热力循环，主要工质为水。若使用有机工质，则为有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle ，简称ORC ）
抽汽回热循环：分级抽取汽轮机中的蒸汽加热低温段的水，提高平均吸热温度，从而提高水蒸气动力循环的热效率。
再热循环：为了克服汽轮机尾部蒸汽湿度过大造成的危害，将汽轮机高压段中膨胀到一定压力的蒸汽重新引到锅炉的中间加热器（称为再热器）加热升温，然后再送入汽轮机使之继续膨胀做功。
奥托循环：定容加热理想循环是汽油机实际工作循环的理想化，又称为奥托循环。理论上，由可逆绝热压缩过程、定容加热过程、可逆绝热膨胀过程、定容冷却过程组成。
狄塞尔（Diesel ）循环：定压加热理想循环是柴油机实际工作循环的理想化。理论上，由可逆绝热压缩过程、定压加热过程、可逆绝热膨胀过程、定容冷却过程组成。
燃气轮机：燃气轮机装置是一种以空气和燃气为工质、旋转式的热力发动机。燃气轮机装置主要由三部分组成，即燃气轮机、压气机和燃烧室。
布雷顿（Brayton ）循环：理论上，由可逆绝热压缩过程、定压加热过程、可逆绝热膨胀过程、定压冷却过程组成。
2．常用公式
朗肯循环的热效率:
31323112
11s.p s.t 10t )
()('
'----=
-=-==
h h h h h h q q q q w w q w ＝消耗收获η
通常水泵消耗轴功与汽轮机作功量相比甚小，可忽略不计，因此33h h ='，于是可简化为
3
12
1t h h h h --=
η
二级回热循环热效率:
()()()()()1616812820
t 1
17
11h h a h h a a h h q h h ωη-+--+---=
=
-
式中 h 1、h 2——汽轮机入口蒸气与乏汽的焓;
h 6、h 8——第一、第二次抽汽的焓；
h 7、h 9——第一、第二次抽汽压力下饱和水的焓； h 3——乏汽压力下凝结水的焓。 再热循环热效率:
()()()()()
131'62'312t 1131'6h h h h h h q q q h h h h η-+----=
=-+- 或
()()()()
161'2'131'6t h h h h h h h h η-+-=
-+-
定容加热循环热效率：
1t,v 11
2211
2111
1111T T T v T v κκηε--=-
=-=-=-??
???
式中，1
2
v v ε=
称为压缩比，是个大于1的数，表示工质在燃烧前被压缩的程度。 定压加热循环热效率：
()t.p 1
1
11κκρηκρε
--=-- 混合加热循环热效率：
()()
t,c 1
1
1
111κκλρηελκλρ--=--+- 燃气轮机的理想循环热效率：
t (1)1
1κκ
ηβ-=-
3．重要图表
第20卷 第3期核科学与工程Vo1.20 No.3 2000年 9月Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering Sep. 2000 核燃料循环系统3 刘远松 (中国核工业集团公司核燃料部) 1 前 言 在“核燃料立足于国内”的方针指引下,“九五”计划期间我国核燃料工业与我国核电同步建设、配套发展,“十五”计划期间核燃料系统也必将与我国核电配套发展。在“十五”计划期间的配套建设中,我们将继续走引进与国产化相结合的道路,积极采用先进技术和先进工艺,追求规模效益,把我国核燃料系统建成具有国际竞争能力的行业。然而要实现这一目标,在铀转化、铀浓缩、元件制造、后处理、放射性废物处理和核设施退役这些领域中还有许多重大技术问题有待于解决,还有待于我国核工业的科技人员的相互合作和共同努力。 2 中国核工业集团公司核燃料部所属民用领域简介 氟化转化铀浓缩元件制造 后处理退役、三废处置 3 各领域简介 311 氟化转化 (1)原理 氟化转化是将氧化铀经过氢氟化反应生成四氟化铀,然后经氟化反应转变为六氟化铀的过程。 (2)六氟化铀的用处 1909年德国化学家发现了六氟化铀。由于六氟化铀易于升华以及天然氟只有19F的单一同位素,这使六氟化铀成为同位素分离工厂惟一的工作介质。 312 铀浓缩 提高铀同位素混合物中235U的丰度的过程称为铀浓缩。主要工业铀浓缩方法为扩散法 收稿日期:199928220 作者简介:刘远松,1982年毕业于山东化工学院化工机械专业,1989年获铀同位素专业硕士学位,现任中国核工业集团公司核燃料部副总工程师。 3本文对原报告做了删节。 252
核燃料循环 核燃料以反应堆为中心循环使用。 （一）铀的开采、冶炼、精制及转化：铀是比较分散的元素。世界上重要的产铀国家有：加拿大、美国、独联体、澳大利亚、刚果、尼日利亚等。我国的东北、西北、西南及中南地区都蕴藏有铀。但是可提供一定铀产量的铀矿石的含铀量的品位较低（10-4～10-2），掘出的含铀矿石必须经过复杂的化学富集，才能得到可作粗加工的原料。过去开采铀矿石都采用传统的掘进方式（耗能大、成本高、生产周期长，还有运输、尾矿等问题）。近来根据铀矿石性质的多样性，又开发了地表堆浸、井下堆浸以及原地浸取等方式。 我国的铀矿石属低品位等级，一般在千分之一含量就要开采，成本较高。为了降低成本，充分利用低品位矿石，80年代以来就积极开发堆浸、地浸技术，现已投产。例如地表堆浸，处理品位为8×10-4的沙岩矿，成本降低 40％。原地浸取工程也已经开工。原地浸取采矿的优点是：成本低（投资只有掘进的1／2）、工艺简单、节约能源（省去了磨碎、运输等工序，可节约能源 60％）、节约劳动力、减轻劳动强度（节约劳动力数十倍，工人进行流体物操作，劳动条件大为改善）、矿山建设周期短、可以充分利用低品位铀资源。因此受到重视而被称为铀矿冶技术上的一场革命。 浸取液经过离子交换、萃取以富集铀，再经过酸性条件下沉淀（与硷金属及碱土金属分离）和碱性条件下溶解（与过渡元素分离）以进一步净化铀，最后得到铀的精炼物。将此精炼物进一步纯化，并将铀转化成低沸点的UF6（升华温度：1大气压下56℃；0.13大气压下25℃），即可用作浓缩235U同位素的原料。 （二）235U同位素的浓缩：235U是唯一天然存在的易裂变核素。不同设计的反应堆需要不同浓缩度的铀（如：压水堆——当前核电站应用最多的堆型——需要2～3％；游泳池堆需要10%；快堆需要25％；高通量材料试验堆需要90%）。而核弹则需要更高的浓缩度。因此生产浓缩铀是核工业中十分重要的环节。 同一元素的同位素化学性质相同，只在质量上有所差别。利用这一差别可以实现同位素的浓缩／分离。核素越重，质量差别越小（如：氢、氘相差一倍；而235U、238U。则相差～1％）。可见实现235U同位素的浓缩，技术上的难度很大。 利用因质量不同而引起的速度效应或离心力效应可以分离同位素，并已达到工业化的程度。它们分别是气体扩散法和气体离心法，此外空气动力法也有了中间工厂。 ①气体扩散法：这是已实现工业应用多年（1946～）的大规模生产方法。其原理是：不同分子量的气体混合物在热运动平衡时，具有相同的平均动能，因而速度不同。由 M1V12=M2V22可得：
核燃料循环复习资料 1-2 核燃料后处理的任务及其产品形式是什么？ 后处理厂的产品形式，取决于乏燃料中易裂变核素的种类和数量、还取决于产品的用途。钚是后处理厂最主要的产品。 1-3 核燃料后处理厂的特点（书P12）
1-4核燃料后处理工艺的发展简史给你什么启发？（P14） 1-5 简述轻水堆铀燃料循环的主要工艺流程
2-3 理解并会应用描述磷酸三丁酯萃取铀钚效果的三个概念：分配系数、分离系数、净化系数。（会计算） ● 分配系数α：某物质在互不相溶的两相间达到萃取平衡时，它在有机相和水相中浓度的 比值。 a C C O =α O C ——某物质在有机相中的平衡浓度 a C ——某物质在水相中的平衡浓度 分配系数越大，平衡时，该物质进入有机相的量越多，而在水相中的量越少。 ● 分离系数β——铀钚彼此间的分离效果 铀中去钚的分离系数βPu/U ： 钚中去铀的分离系数βU/Pu ： ● 净化系数DF ——用于表示铀、钚中对裂片元素的去除程度。
2-4 理解、记忆影响磷酸三丁酯萃取铀钚的因素 答：影响TBP 萃取铀的因素：水相中UO2(NO3)2浓度；有机相铀饱和度；硝酸浓度；TBP 浓度；共存的络合剂；温度 影响TBP 萃取钚的因素：硝酸浓度；TBP 中的铀饱和度；TBP 浓度；温度；TBP 降解产物的影响 2-5 磷酸三丁酯对裂变元素的萃取性能。P52 2-6 有机溶剂的降解产物及其对萃取工艺的影响(PPT) 降解产物：磷酸二丁酯、磷酸一丁酯、磷酸、其它。磷酸二丁酯产额最高。 降解产物对萃取工艺的影响： 1）形成DBP·TBP萃取络合物，增大有机相粘度。 2）钚的萃取物很难反萃，降低了钚回收率。 3）增加界面乳化，增加分离难度。 3-1简述不同类型反应堆乏燃料元件对后处理工艺的影响（轻水堆+快中子堆,见P70）
工程热力学13---动- 力-循-环
动 力 循 环 一、动力循环的分析方法 1．热力学第一定律分析方法（以热效率t η为指标）： 热力学第一定律效率= 投入系统的能量 有效利用的能量 动力循环 Q W t = η 121212111T T S T S T Q Q Q W t -=??-=-==η （S TdS T ?≡?? ） 理想 1 2 1T T C -=η 循环完善性 充满系数= ABCDA abcda 面积面积对应卡诺循环功量实际循环功量= 2．热力学第二定律分析方法（以火用效率ex η为指标）： 热力学第二定律效率= 投入系统的可用能 有效利用的可用能 T
动力循环 sup ,x t ex E W = η 或 sup ,,0sup ,11x i g x i ex E S T E I ∑∑-=-=η sup ,x E 核算起点不同，可有两种结果： ① 以投入的燃料的化学能为起点 Q E E F x x ==,sup , ② 以释放热量的可用能为起点 ??? ? ?-==T T Q E E Q x x 0,sup ,1 两种分析法，一个考虑能量的“数量”，一个考虑能量的“质量”。各有侧重，相辅相成，不可偏废。两者的结合才能全面反映能量的经济性。 如书上本章*10-6 对蒸气动力循环的火用分析， 用热一律分析： 乏汽排热能量损耗最大，冷凝器散热损失约占总热量的 54.26%， 但因放热温度低，火用损失并不大，约占总火用的2.22%； 用热二律分析：锅炉的燃烧与传热火用损失最大，约占总火用的58.91% /35.84%；但其热损失仅为10%。 13 蒸汽动力循环 13.1 朗肯循环 根据热力学第二定律，在一定温度范围内卡诺循环的效率最高。 如果采用
15． 制冷循环 15.1制冷与逆卡诺循环 将物体冷却到低于周围环境的温度，并且维持这一低温，称为制冷。为实现这一目的，需要将热量从低温物体（如冷藏室）移向高温物体（如环境）。由热力学第二定律可知，这一过程不能自发实现，必须消耗外部可用能，通常是消耗机械能或高温热源所提供的热能。因此制冷循环是一种逆向循环。如果循环的目的是从低 温物体取走热量，以维持物体的低温状态，称之为制冷循环。 前已述及，在两个恒温热源间的动力循环中，卡诺循环的热效率最高。按照 图15-1，由两个定温过程和两个定熵过程按照与卡诺循环相反方向（逆时针）运行的循环称为逆卡诺循环。可以证明在两个恒温热源间，逆卡诺循环的制 冷系数最大，为 L H L T T T -= max ε （15-1） 式中，H T 和L T 分别是高温热源与低温热源的温度。 L H L L Q Q Q W Q -== ε ← L L H H T Q T Q ≤ 从式中可以看出，和卡诺循环一样，逆卡诺循环的制冷系数也只与高温热源与低 温热源的温度有关。 15.2 空气压缩式制冷循环 利用空气作为制冷工质构成空气压缩制冷循环——逆布雷顿循环。和下节将要讲到的蒸汽制冷循环不同的是：在空气制冷循环中，工质不会发生相变，而是依靠显热在定压情况下吸收和放出热量，因此制冷量较小，偏离逆卡诺循环较远，经济性较低。
鉴于空气定温吸热、放热不易实现，改用两个定压过程代替，因而压缩空气制冷循环实为逆向的布雷顿循环。 分析：低温热源（冷库）吸热 412h h q -= 高温热源（环境）放热 321 h h q -= 耗功 ()()413221h h h h q q w ---=-= 制冷系数 ()()()()1 14 1324132414132412---=----=----== T T T T T T T T T T h h h h h h w q ε 过程1-2、 3-4 定熵， 43112 12T T p p T T =??? ? ??=-κ κ → κκπ1 1 24132-==--T T T T T T 故 1 1 1-= -κ κπ ε （15-2） 可见 ↑→ ↓ επ 减小增压比，可使 制冷系数提高， 但这会使 膨胀温降减小，制冷量下降。 压缩空气制冷循环的 优点：工质易得，安全。 缺点：制冷量不大。（空气热容小，增加↑π → ↓ε） 故一般在普冷（50->℃）很少用(除了用于飞机空调，直排)，在深冷（100-<℃）可用于导弹内红外探测器的冷却，不计成本效率）。 为增大制冷量须增大流量，活塞式的压气机、膨胀机让位于 叶轮式的压气
7 动力循环（Power Cycles） 热能向机械能转换需要通过工质地循环,理想地循环是卡诺循环,但卡诺循环并不实用,其中地等温过程就难以实现.利用相变过程固然可以实现等温过程,但在吸热温度、压力方面却不遂人愿,所以实际循环与卡诺循环地差异比较大.但实际循环与卡诺循环并不是一点关系也没有,实际循环与卡诺循环一样,也有吸热、作功、放热、压缩四种过程组成,其中吸热常常伴随燃料燃烧放热. 为了提高动力循环地能量转换地经济性,必须依照热力学基本定律对动力循环进行分析,以寻求提高经济性地方向及途径. 实际动力循环都是不可逆地,为提高循环地热经济性而采取地各种措施又使循环变得非常复杂.为使分析简化,突出热功转换地主要过程,一般采用下述手段：首先将实际循环抽象概括成为简单可逆理论循环,分析该理论循环,找出影响其循环热效率地主要因素和提高热效率地可逆措施；然后分析实际循环与理论循环地偏离之处和偏离程度,找出实际损失地部位、大小、原因及改进办法.本课程主要关心循环中地能量转换关系,减少实际损失是具体设备课程地任务,因此我们主要论及前者. 7.1 内燃动力循环 内燃机地燃料燃烧（吸热）、工质膨胀、压缩等过程都是在同一设备——气缸–活塞装置中进行地,结构紧凑.由于燃烧是在作功设备
内进行地,所以称为内燃机. 汽车最常用地动力机是内燃机,但是随着技术地进步、环境保护标准地提高与石油天然气资源紧缺,使用蓄电池、燃料电池或太阳能电池地电动汽车已经呼之欲出.目前提到汽车发动机仍然主要是指内燃机. 内燃机具有结构紧凑、体积小、移动灵活、热效率高和操作方便等特点,广泛用于交通运输、工程机械、农业机械和小型发电设备等领域.它是仿照蒸汽机地结构发明地,最初使用煤气作为燃料.随着石油工业地发展,内燃机获得了更合适地燃料——汽油和柴油.德国人奥托（Nicolaus A. Otto）首先于1877年制成了实用地点燃式四 1—气缸盖和气缸体；2—活塞；3—连杆；4—水泵；5—飞轮；6 —曲轴；7—润滑油管；8—油底壳；9—润滑油泵；10—化油器； 11—进气管；12—进气门；13—排气门；14—火花塞 图7-1 单缸四冲程内燃机结构
第十一章蒸汽压缩制冷循环 制冷：对物体进行冷却，使其温度低于周围环境温度，并维持这个低温，称为制冷。 制冷技术广泛应用于生产、科研、生活中。 制冷循环的目的：是将低温热源的热量转移到高温热源。 根据热力学第二定律，为了达到这个目的，必须提供机械能或热能作为代价。 根据所消耗的能量形式不同，一般可将逆循环分为两大类： ①消耗机械能的压缩式制冷循环。 包括：空气压缩制冷循环和蒸汽压缩制冷循环。 ②消耗热能的制冷循环。 包括：蒸汽喷射式制冷循环和吸收式制冷循环。 本章介绍最常用的蒸汽压缩制冷循环，并分析提高其经济性的途径。 第一节制冷剂及p-h图 制冷剂是制冷装置的工质，主要是低沸点物质。蒸汽压缩制冷装置中的制冷剂主要是氟里昂和液氨。 常用的氟利昂有：氟利昂12（CF2Cl2）、氟利昂22（CHF2Cl）、氟利昂134a （C2H2F4）、氨等。物理性质见表11-1。
制冷剂在制冷循环中存在汽-液相变，为了计算制冷循环中个过程的能量变化和状态参数，需要查找制冷剂的饱和蒸汽表和过热蒸汽表。 但是，工程上更多的是应用制冷剂的压-焓图（p-h图）进行分析。 p-h图是根据制冷剂蒸汽性质表绘制的。 p-h图是以logp为纵坐标、以h为横坐标建立的半对数坐标图。 如图11-1所示。 说明：①采用logp为坐标，可以使压力从0.001~0.01Mpa，从0.01~0.1Mpa，从0.1~1Mpa所占的坐标高度相同，使低压区图线面积增大，读数更准确。 ②因为实际蒸汽压缩制冷循环常用的工作压力围都远低于临界压力，所以工程上使用的p-h图都没有绘制较高压力部分。 p-h图分析：全图共有六条线、三个区（未饱和液体区、湿蒸汽区、过热蒸汽区）和一个点临界点C）。
第十章 蒸汽动力循环 蒸汽动力装置：是实现热能→机械能的动力装置之一。 工质 ：水蒸汽。 用途 ：电力生产、化工厂原材料、船舶、机车等动力上的应用。 本章重点： 1、蒸汽动力装置的基本循环 朗肯循环匀速回热循环 2、蒸汽动力装置循环热效率分析 y T 的计算公式 y T 的影响因素分析 y T 的提高途径 10-1 水蒸气作为工质的卡诺循环 热力学第二定律通过卡诺定理证明了在相同的温度界限间，卡诺循环的热效率最高，但实际上存在种种困难和不利因素，使得实际循环（蒸汽动力循环）至今不能采用卡诺循环但卡诺循环在理论上具有很大的意义。 二、为什么不能采用卡诺循环 若超过饱和区的范围而进入过热区则不易保证定温加热和定温放热，即不能按卡诺循环进行。 1-2 绝热膨胀（汽轮机） 2-C 定温放热（冷凝汽） 可以实现 5-1 定温加热（锅炉） C-5 绝热压缩（压缩机） 难以实现 原因：2-C 过程压缩的工质处于低干度的湿汽状态 1、水与汽的混合物压缩有困难，压缩机工作不稳定，而且3点的湿蒸汽比容比 水大的多'23νν>'232000νν≈需比水泵大得多的压缩机使得输出的净功大大 p v
减少，同时对压缩机不利。 2、循环仅限于饱和区，上限T1受临界温度的限制，即使是实现卡诺循环，其理论效率也不高。 3、膨胀末期，湿蒸汽所含的水分太多不利于动机 为了改进上述的压缩过程人们将汽凝结成水，同时为了提高上 限温这就需要对卡诺循环进行改进，温度采用过热蒸汽使T1高于临界温度，改进的结果就是下面要讨论的另一种循环—朗肯循环。 10-2 朗肯循环 过程： 从锅炉过热器与出来的过热蒸汽通过管道进入汽轮机T，蒸汽部分热能在T 中转换为机械带动发电机发电，作了功的低压乏汽排入C，对冷却水放出γ，凝结成水，凝结成的水由给水泵P送进省煤器D′进行预热，然后在锅炉内吸热汽化，饱和蒸汽进入S继续吸热成过热蒸汽，过程可理想化为两个定压过程，两个绝热过程—朗诺循环。 1-2 绝热膨胀过程，对外作功 2-3 定温（定压）冷凝过程（放热过程） 3-4 绝热压缩过程，消耗外界功 4-1 定压吸热过程，（三个状态） 4-1过程：水在锅炉和过热器中吸热由未饱和水变为过热蒸汽过程中工质与外界无技术功交换。 1-2过程：过热蒸汽在汽抡机中绝热膨胀，对外作功，在汽轮机出口工质达到低压低温蒸汽状态称乏汽。 2-3过程：在冷凝器中乏汽对冷却水放热凝结为饱和水。 3-4过程：水泵将凝结水压力提高，再次送入锅炉，过程中消耗外功。
动 力 循 环 一、动力循环的分析方法 1．热力学第一定律分析方法（以热效率t η为指标）： 热力学第一定律效率= 投入系统的能量 有效利用的能量 动力循环 Q W t = η 121212111T T S T S T Q Q Q W t -=??-=-==η （S TdS T ?≡?? ） 理想 1 2 1T T C -=η 循环完善性 充满系数= ABCDA abcda 面积面积对应卡诺循环功量实际循环功量= 2．热力学第二定律分析方法（以火用效率ex η为指标）： 热力学第二定律效率= 投入系统的可用能 有效利用的可用能 动力循环 sup ,x t ex E W = η 或 sup ,,0sup ,11x i g x i ex E S T E I ∑∑-=-=η T
sup ,x E 核算起点不同，可有两种结果： ① 以投入的燃料的化学能为起点 Q E E F x x ==,sup , ② 以释放热量的可用能为起点 ??? ? ?-==T T Q E E Q x x 0,sup ,1 两种分析法，一个考虑能量的“数量”，一个考虑能量的“质量”。各有侧重，相辅相成，不可偏废。两者的结合才能全面反映能量的经济性。 如书上本章*10-6 对蒸气动力循环的火用分析， 用热一律分析： 乏汽排热能量损耗最大，冷凝器散热损失约占总热量的54.26%， 但因放热温度低，火用损失并不大，约占总火用的2.22%； 用热二律分析：锅炉的燃烧与传热火用损失最大，约占总火用的58.91% /35.84%； 但其热损失仅为10%。 13 蒸汽动力循环 13.1 朗肯循环 根据热力学第二定律，在一定温度范围内卡诺循环的效率最高。 如果采用气体作为工质，则很难实现卡诺循环中的等温吸热和等温放热这两个过程。 然而我们已经知道，在湿蒸汽区内，蒸汽的 吸热和放热都是等温过程，同时也是等压过程。因此如果以饱和蒸汽作为工质，可以在蒸汽的湿蒸汽区内实现卡诺循环。图 13-1给出了饱和蒸汽卡诺循环的T －s 图。等温吸热过程4-1为在锅炉中的定压吸热过程；等温放热过程2-3
2020年第十章气体动力循环精品版
第十、十一、十二章热力装置及其循环气（气体动力循环、蒸汽循环、制冷循环、热泵循环）气体动力循环一、目的及要求 了解各种内燃机的热力过程，掌握朗肯循环的热力循环过程，了解制冷循环及热泵循环的热力过程。 二、内容： 10.1分析动力循环的一般方法 10.2活塞式内燃机实际循环的简化 10.3活塞式内燃机的理想循环 10.4活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较 10.5燃气轮机装置循环 10.6燃气轮机装置的定压加热实际循环 10.7简单蒸汽动力装置循环――朗肯循环 10.8再热循环及回热循环 10.9制冷循环概况 10.10压缩空气与压缩蒸汽制冷循环 10.11制冷剂的性质 10.12热泵循环 三、重点及难点： 10.1掌握各种装置循环的实施设备及工作流程。
10.2掌握将实际循环抽象和简化为理想循环的一般方法，并能分析各种循环的热 力过程组成。 10.3掌握各种循环的吸热量、放热量、作功量及热效率等能量分析和计算的方 法。 10.4会分析影响各种循环热效率的因素。 10.5掌握提高各种循环能量利用经济性的具体方法和途径。 四、主要外语词汇： sabeander cycle, diesel cycle, otto cycle, spark ignition, brayton cycle, gas turbine, rankine cycle, vapor, air standard assumptions, refrigerator cycle, heat pump cycle 五、本章节采用多媒体课件 六、复习思考题及作业： 1、试以活塞式内燃机和定压加热燃气轮机装置为例，总结分析动力循环的一般方法。 2、活塞式内燃机循环理论上能否利用回热来提高热效率？实际中是否采用？为什么？ 3、燃气轮机装置循环中，压缩过程若采用定温压缩可减少压缩所消耗的功，因而增加了循环净功，但在没有回热的情况下循环热效率为什么反而降低，试分析之。 4、干饱和蒸汽朗肯循环与同样初压下的过热蒸汽朗肯循环相比较，前者更接近卡诺循环，但热效率却比后者低，如何解释此结果？ 5、各种实际循环的热效率，无论是内燃机循环、燃气轮机装置循环或是蒸汽循环肯定地与工质性质有关，这些事实是否与卡诺定理相矛盾？
中国核工业的创建与核燃料循环体系 核工业是20世纪产生和发展起来的新兴产业，是世界最伟大的工程成就之一。中国是世界上少有的具有完整的核工业体系的国家之一。 1955年1月，中央作出了中国要发展原子能事业的伟大战略决策，开始创建我国的核工业。从此，炎黄子孙在华夏热土上开始了前所未有的伟大工程。 1958年我国建成了第一座研究性重水反应堆和第一台回旋加速器，标志着我国进入了原子能时代。而后相继建立了铀水冶厂、同位素分离厂、铀转换厂、核燃料元件制造厂、后处理厂和一批研究设计院所。1964年10月，我国成功地爆炸了第一颗原子弹；1967年6月，又成功地爆炸了第一颗氢弹。从原子弹爆炸试验成功到氢弹爆炸试验成功，我国用了两年零8个月的时间，比美国、苏联、英国、法国快得多。与此同时，1971年，我国第一艘核潜艇顺利建成下水。这些举世瞩目的成就，大大提高了我国的国际地位和综合国力。1999年9月18日，中共中央、国务院、中央军委授予为研制“两弹一星”做出突出贡献的23位科技专家“两弹一星功勋奖章”，其中有10位是核科学家。 核燃料循环工业是建立和发展核工业的基础。核燃料循环包括核燃料进入反应堆前的制备和在反应堆中的裂变及以后处理的整个过程。进入反应堆前的过程为核燃料循环的前段，而从反应堆卸出后的处理和处
置为核燃料循环的后段。核燃料循环前段的第一个环节是铀矿的普查勘探，包括查明铀资源，勘探铀矿床，提交铀储量。我国核工业部门1958年就向国家提交了第一批铀储量，1960年先后提交开采基地8处。经过半个世纪的努力，已提交了花岗岩型、火山岩型、砂岩型和碳硅泥岩型为主的相当可观的铀资源。近年来，开展了可地浸砂岩型铀矿的找矿工作，并落实了铀的资源基地。 第二个环节是铀矿石的采冶，包括铀矿石的开采、加工和铀的精制。把具有工业价值的铀矿石从矿床中开采出来，然后加工成核纯的重铀酸铵、三碳酸铀酰铵、八氧化三铀、二氧化铀，为进一步制备各种类型的核燃料提供原料。我国在铀矿冶创建初期，就实现了从矿石到二氧化铀的工业生产。目前，铀的地下浸出、堆浸和原地爆破浸出新工艺都已投入生产，其产量占我国天然铀年总产量的70%。 第三个环节是铀的同位素分离，即铀-235的富集，以得到所需富集度的铀-235。我国的铀同位素分离开始采用的是气体扩散法。在进行气体扩散前，首先要将固态的二氧化铀(UO2)经过铀转换厂转化成六氟化铀(UF6)气体。然后利用气体扩散将分子量存在着细微差别的235UF6和238UF6分开。20世纪90年代，我国完成了由扩散法向离心法的过渡。采用气体离心法，其单位分离功耗电只是气体扩散法的5%，成本下降了75%。 第四个环节是核燃料元件的制造。核燃料元件是反应堆的核心部件。在制造核燃料元件之前，需要将一定富集度的气态UF6转化成固态
核燃料循环，也被称为核燃料链，指的是核燃料经过在使用过程中所经过的一系列不同的阶段。它主要包括前端步骤，其中有制造核燃料的过程、使用期间的各个步骤、以及后端步骤，其中有在核燃料使用完毕时或者核燃料再处理或者处理乏核燃料的过程。 核燃料循环有3种主要型式 1一次通过。使用过的燃料元件不进行后处理，而直接作为废物加以处置。 2热中子堆中再循环。使用过的燃料元件经后处理回收其中未用完的铀和新产生的钚，返回重新制造元件，循环使用。3快中子增殖堆中再循环。快中子增殖堆燃料由钚和贫化铀构成。使用过后，经后处理回收其中铀和钚，返回循环使用。 在核燃料循环中，以反应堆为中心，划分为堆前部分（前段）和堆后部分（后段）。前段指核燃料在入堆前的制备，包括铀矿的开采、铀矿石的加工精制（即前处理）、铀的转化、铀的浓缩和燃料元件制造等过程。后段指从反应堆卸出的乏燃料的处理，包括乏燃料的中间储存，乏燃料中铀、钚和裂变产物的分离（即核燃料后处理），以及放射性废物处理和放射性废物最终处置等过程。 核燃料循环从开采铀资源开始。铀是普遍使用的核燃料。天
然铀中只含0.7%的U235，其余为U238。天然铀的这个浓度正好能使核反应堆实现自持核裂变链式反应，因而成为最早的核燃料，功率密度,一般要用U含量大于0.7%的浓缩铀。为了把天然铀中铀235的含量提高到3%,需要进行铀同位素分离即铀的浓缩。当前工业规模的铀的浓缩工厂以六氟化铀为供料，因此需要把前处理的产品八氧化三铀进行还原、氢氟化和氟化转变为六氟化铀，这就是铀的转化过程。在铀的浓缩工厂中，六氟化铀中的铀235含量被浓缩至3%左右。这样得到的六氟化铀须再经过一个转化过程变为二氧化铀，才能送至元件制造厂制成含铀235约3%的低浓铀燃料元件。为了制成核燃料，浓缩后的六氟化铀需要转化为二氧化铀（UO2) 粉末，随后制成小颗粒。这些浓缩铀的小颗粒然后经过高温烧结，形成坚硬的陶瓷颗粒。这些柱形的小颗粒经过研磨，形成均匀的颗粒。根据反应堆核心的设计要求，这些小颗粒需要堆叠在耐腐蚀的金属合金管中。最后，将这些管道密封起来以保存燃料的颗粒。这些管道被称为燃料棒。制成的燃料棒放在专门的燃料箱中，以建造核反应堆的燃料核心。 核反应堆中取出的乏燃料包含有大量的可裂变物质（如铀-235、钚-239等）、增殖性物质（铀-238）以及其他放射性物质，包括放射性毒素。这也正是燃料需要移除的原因。裂
我国先进核燃料循环技术的现状研究 姓名：颜邦益班级：核化121班学号：20124150130 目前 , 全世界核发电能力约350GW , 每年产生的乏燃料约10 500t , 累计存量达到130 000 t 。乏燃料中含有大量的U、Pu、次量锕系元素 (MA) 和裂变产物 (FP) , 其中的锕系元素 ( 如 Pu 、 Np 、 Am 和 Cm 等 ) 和长寿命裂变产物 (LLFP) 构成了对地球生物和人类环境主要的长期放射性危害。这一问题如不能妥善解决 , 则将制约核能的持续发展。近年来 , 国际上正在积极开展先进燃料循环体系或洁净核能体系的研究 , 其目标是降低核电生产成本 , 提高核电生产体系的经济性 ; 减少废物产生量 , 促成生态和谐 ; 充分利用铀资源 ; 确保核不扩散。 一、燃料循环体系概念 目前 , 国际上有2种核燃料循环方式 , 即“一次通过” (once 2 through cycle) 和“后处理燃料循环” (reprocessing fuel cycle) 。所谓“一次通过”方式 , 是将乏燃料作为废物直接进行地质处置。由于乏燃料中包含了所有的放射性核素 , 要在处置过程中衰减到低于天然铀矿的放射性水平 , 将需要10 万年以上。所以 , “一次通过”方式对环境安全的长期威胁“后处理燃料循环”方式是通过后处理将乏燃料中的 U 和 Pu 提取出来进行再循环 , 以充分利用铀资源。 后处理所产生的高放废液(HLLW) 经玻璃固化后进行地质处置。由于玻璃固化废物中含有所有的 MA 和 FP , 其长期放射性危害依然存在。如果将 MA和LLFP 从 HLLW 中分离出来 , 则所制得的玻璃固化废物存放 10 3 a 左右后 , 其放射性毒性即可降至天然铀矿水平。如果将分离出的 MA和 LLFP 通过嬗变使之转变成短寿命或稳定核素 , 则核能生产对环境可能造成的放射性危害可减到很低的程度。同时 , 嬗变过程中所释放的能量也可以利用 , 从而进一步提高铀资源的利用率。 MA 和 LLFP 的分离嬗变方案是对“后处理燃料循环”体系的延伸 ,在此基础上 , 将形成“先进燃料循环” (advancedfuel cycle) 体系。 不同燃料循环方式下核废物长期放射性风险。“先进燃料循环”体系是对现有核能生产及其燃料循环体系的进一步发展 , 它是现有的热堆燃料循环与将来的快堆或加速器驱动系统(accelerator 2 driven system , ADS) 燃料循环的结合。随着快堆和 ADS 燃料循环的逐步引入 , 今后的先进后处理技术将同时处理热堆和快堆乏燃料以及嬗变靶件 , 实现U、Pu的闭路循环和MA 的嬗变。与现有的燃料循环体系相比 , 先进燃料循环体系应具有更高的铀资源利用率、更好的核能生产经济性、更佳的环境安全性以及更强的防核扩散能力。为此 , 今后的燃料循环过程将进一步简化。例如 , 在满足快堆燃料循环要求的前提下 , 水法后处理可开发“一循环” Purex 流程 , 钚产品对FP 的去污因子可降至103 , 这可能使投资费用降低 1/ 2 ～ 1/ 3 , 产品的强辐射还能提供防核扩散屏障。如果今后干法后处理能够实现工业化 , 则具有更好的经济性和防核扩散能力。 后处理的去污水平降低要求后 , 相应的燃料元件的制备过程必须实现远距离操作 , 由此导致的费用上升可以通过简化燃料元件制备工艺得以补偿。燃料循环过程中产生的 Pu 、 MA 和LLFP , 将在快堆或 ADS 中燃烧或嬗变 , 以减少其长期放射性危害 , 保证环境安全 , 并利用燃烧过程中释放的能量。“先进
工程热力学第十章蒸汽动力装置循环教案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
第十章 蒸汽动力循环 蒸汽动力装置：是实现热能→机械能的动力装置之一。 工质 ：水蒸汽。 用途 ：电力生产、化工厂原材料、船舶、机车等动力上的应用。 本章重点： 1、蒸汽动力装置的基本循环 朗肯循环匀速 回热循环 2、蒸汽动力装置循环热效率分析 y T 的计算公式 y T 的影响因素分析 y T 的提高途径 10-1 水蒸气作为工质的卡诺循环 热力学第二定律通过卡诺定理证明了在相同的温度界限间，卡诺循环的热效率最高，但实际上存在种种困难和不利因素，使得实际循环 （蒸汽动力循环）至今不能采用卡诺循环但卡诺循环在理论上具有很大的意义。 二、为什么不能采用卡诺循环 若超过饱和区的范围而进入过热区则不易保证定温加热和定温放热，即不能按卡诺循环进行。 1-2 绝热膨胀（汽轮机） 2-C 定温放热（冷凝汽） 可以实现 5-1 定温加热（锅炉） C-5 绝热压缩（压缩机） 难以实现 原因：2-C 过程压缩的工质处于低干度的湿汽状态 1、水与汽的混合物压缩有困难，压缩机工作不稳定，而且3点的湿蒸汽比容比水大的多'23νν>' 232000νν≈需比水泵大得多的压缩机使得输出的净功大大减少，同时对压缩机不利。 p v
2、循环仅限于饱和区，上限T1受临界温度的限制，即使是实现卡诺循环，其理论效率也不高。 3、膨胀末期，湿蒸汽所含的水分太多不利于动机 为了改进上述的压缩过程人们将汽凝结成水，同时为了提高上 限温这就需要对卡诺循环进行改进，温度采用过热蒸汽使T1高于临界温度，改进的结果就是下面要讨论的另一种循环—朗肯循环。 10-2 朗肯循环 过程： 从锅炉过热器与出来的过热蒸汽通过管道进入汽轮机T，蒸汽部分热能在T中转换为机械带动发电机发电，作了功的低压乏汽排入C，对冷却水放出γ，凝结成水，凝结成的水由给水泵P送进省煤器D′进行预热，然后在锅炉内吸热汽化，饱和蒸汽进入S继续吸热成过热蒸汽，过程可理想化为两个定压过程，两个绝热过程—朗诺循环。 1-2 绝热膨胀过程，对外作功 2-3 定温（定压）冷凝过程（放热过程） 3-4 绝热压缩过程，消耗外界功 4-1 定压吸热过程，（三个状态） 4-1过程：水在锅炉和过热器中吸热由未饱和水变为过热蒸汽过程中工质与外界无技术功交换。 1-2过程：过热蒸汽在汽抡机中绝热膨胀，对外作功，在汽轮机出口工质达到低压低温蒸汽状态称乏汽。 2-3过程：在冷凝器中乏汽对冷却水放热凝结为饱和水。 3-4过程：水泵将凝结水压力提高，再次送入锅炉，过程中消耗外功。朗肯循环与卡诺循环
核燃料循环原理 1．核工业体系的组成及其流程 核工业是一个十分广大的系统工程，其组成体系包括：铀矿勘探、铀矿开采与铀的提取、燃料元件制造、铀同位素分离、反应堆发电、乏燃料后处理、同位素应用以及与核工业相关的建筑安装、仪器仪表、设备制造与加工、安全防护及环境保护。 2．核燃料循环及其组成 核燃料循环是核工业体系中的重要组成部分。所谓核燃料循环是指核燃料的获得、使用、处理、回收利用的全过程。 燃料循环通常分成两大部分，即前端和后端，它包括铀矿开采、矿石加工（选矿、浸出、沉淀等多种工序）、铀的提取、精制、转换、浓缩、元件制造等；后端包括对反应堆辐照以后的乏燃料元件进行铀钚分离的后处理以及对放射性废物处理、贮存和处置。 3．铀矿地质勘探 铀是核工业最基本的原料。铀矿地质勘探的任务，是查明和研究铀矿床形成的地质条件，阐明铀矿床在时间上和空间上分布的规律，运用铀矿床形成和分布的规律指导普查勘探，探明地下的铀矿资源。
地壳中的铀，以铀矿物、类质图象（形成含铀矿物）和吸附状态的形式存在。由于铀的化学性质活泼，所以不存在天然的纯元素。铀矿物主要是形成化合物。目前已发现的铀矿物和含铀矿物有170种以上，其中只有25-30种铀矿物具有实际的开采价值。 铀矿床是铀矿物的堆积体。铀矿床是分散在地壳中的铀元素在各种地质作用下不断集中而成的，也是地壳不断演变的结果。查明铀矿床的形成过程，对有效地指导普查勘探具有十分重要的意义。 并不是所有的铀矿床都有开采、进行工业利用的价值。影响铀矿床工业评价的因素很多，有矿石品位、矿床储量、矿石技术加工性能、矿床开采条件，有用元素综合利用的可能性和交通运输条件等。其中矿石品位和矿床储量是评价铀矿床的两个主要指标。 铀矿普查勘探工作的程序，包括区域地质调查、普查和详查、揭露评价、勘探等相互衔接的阶段。同时还伴随-系列的基础地质工作，如地形测量、地质填图、原始资料编录、岩石矿物鉴定、样品的化学和物理分析、矿石工艺试验等。 4．铀矿开采 铀矿开采是生产铀的第一步。它的任务是把工业品位的铀矿厂从地下矿床中开采出来，或将铀经化学溶浸，生产出液体铀化合物。铀矿的开采与其它金属矿的开采基本相同，但是由于铀矿有放射性，能
14 气体动力循环 14.1 燃气轮机装置与定压加热循环 燃气轮机装置是以燃气为工质的热动力装置，最简单的燃气轮机装置示意图如图14-1所示，由压气机、燃烧室和燃气轮机三个基本部分组成。 在燃气轮机循环中，空气不断地被压气机吸入，经压缩升压后，送入燃烧室； 压缩空气在燃烧室中和供入的燃料在定压下燃烧，形成高温燃气；高温燃气与来自燃烧室夹层通道中的压缩空气混合，使混合气体的温度降到燃气轮机叶片所能承受的温度范围后，进入燃气轮机的喷管；燃气在喷管中膨胀加速，形成高速气流，冲击叶轮对外输出功量；做功后的废气排入环境。燃气轮机做出的功量除一部分带动压气机外，其余部分（循环净功）对外输出。 显然，上述燃气轮机循环是一个不可逆的开式循环，而且循环中工质的成分、 质量都有变化。为了便于分析，需要把实际循环作理想化的假设： ① 燃烧室中喷入的燃料质量忽略不计； ② 忽略阻力的影响，燃烧过程压力变化不大，可以把燃料燃烧的化学过程假 定为工质从高温热源吸收热量的定压吸热过程； ③ 燃气轮机 排出的废气压力和压气机吸入的气体压力都非常接近大
气压力，可以把废气的排放假定为 工质向冷源放热后，再返回到压气机的定压放热过程； ④ 工质在压气机和燃气轮机中向外散热很少，可以理想化为可逆绝热过 程，即定熵过程； ⑤ 工质为理想气体，比热容为定值。 通过上述假定，燃气轮机循环就被简化为定量工质完成的可逆的封闭循环。该循环由定熵压缩过程（1-2）、定压加热过程（2-3）、定熵膨胀过程（3-4） 和定压放热过程（4-1）四个可逆过程组成，称为燃气轮机装置的定压加热理想循环，又称布雷顿循环，其p-v 图和T-s 图如图14-2所示。 对组成布雷顿循环的各过程进行能量分析计算，可以得出其热效率如下： 吸热量（2-3）： ()2323T T c h h q p H -=-= 放热量（4-1）： ()1414T T c h h q p L -=-= 按照循环热效率的定义，可得： ()() 2 3142314111T T T T T T c T T c q q p p H L t --- =--- =- =η （14-1） 由于1-2以及3-4是定熵过程，并且23p p =,14p p =,可得，
第十、十一、十二章热力装置及其循环气（气体动力循环、蒸汽循环、制冷循环、热泵循环）气体动力循环 一、目的及要求 了解各种内燃机的热力过程，掌握朗肯循环的热力循环过程，了解制冷循环及热泵循环的热力过程。 二、内容： 10.1分析动力循环的一般方法 10.2活塞式内燃机实际循环的简化 10.3活塞式内燃机的理想循环 10.4活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较 10.5燃气轮机装置循环 10.6燃气轮机装置的定压加热实际循环 10.7简单蒸汽动力装置循环――朗肯循环 10.8再热循环及回热循环 10.9制冷循环概况 10.10压缩空气与压缩蒸汽制冷循环 10.11制冷剂的性质 10.12热泵循环 三、重点及难点： 10.1掌握各种装置循环的实施设备及工作流程。 10.2掌握将实际循环抽象和简化为理想循环的一般方法，并能分析各种循环的热力过程组成。 10.3掌握各种循环的吸热量、放热量、作功量及热效率等能量分析和计算的方法。 10.4会分析影响各种循环热效率的因素。 10.5掌握提高各种循环能量利用经济性的具体方法和途径。 四、主要外语词汇： sabeander cycle, diesel cycle, otto cycle, spark ignition, brayton cycle, gas turbine, rankine cycle, vapor, air standard assumptions, refrigerator cycle, heat pump cycle 五、本章节采用多媒体课件 六、复习思考题及作业： 1、试以活塞式内燃机和定压加热燃气轮机装置为例，总结分析动力循环的一般方法。 2、活塞式内燃机循环理论上能否利用回热来提高热效率？实际中是否采用？为什么？ 3、燃气轮机装置循环中，压缩过程若采用定温压缩可减少压缩所消耗的功，因而增加了循环净功，但在没有回热的情况下循环热效率为什么反而降低，试分析之。 4、干饱和蒸汽朗肯循环与同样初压下的过热蒸汽朗肯循环相比较，前者更接近卡诺循环，但热效率却比后者低，如何解释此结果？
核燃料及燃料循环
——放射性废物处理与处置
黄群英
中国科学技术大学 核科学技术学院 中国科学院 等离子体物理研究所
Tel：5593328 E-mail: qyhuang@https://www.doczj.com/doc/e68388051.html, https://www.doczj.com/doc/e68388051.html,
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中科大硕士课程 ?
裂变能面临的重要问题
? 核废料
一座 1000MW 核电站每年产生约数百吨的 核废料；其中高放废料约27吨。 ? 要用 1.2×1010万吨水稀释后，才能 达到排放标准！ ? 相当于整条长江136年的水流量！
? 核废物的危害
? 含有放射性物质：不能消除，只能靠 自身的衰变而减少。 ? 射线危害：核素释放的射线通过电离 和激发，对生物体造成辐射损伤。 ? 热能释放：衰变放出的能量，会导致 废液的温度不断上升甚至自行沸腾。
提 纲
1 放射性废物的基本概念 2 放射性废水的处理和处置 3 放射性废气的处理和处置 4 放射性固体废物的处理和处置
? 基本概念
放射性废物的处理和处置
? 放射性废物指放射性核素含量超过国家规定限 制的固体、液体和气体废弃物。 ? 放射性废物的主要来源是乏燃料后处理厂；
? 卸出的核燃料中新产生的放射性物质，有99%以上最 后都存在于后处理厂的废物里，而且绝大部分存在 于高放废物中。
? 后处理厂为了保持周围区域的地面、地表水、空气中的放射性水平低于有关的 限值，需对放射性废物进行必要的处理和处置。
? 放射性废物的种类
? 按比活度与半衰期区分：高放长寿命、中放长寿命、低放长寿命、中放短寿 命、低放短寿命五类； ? 通常认为放射性半衰期长于30年为长寿命放射性核素；
第六章 水蒸气性质和蒸汽动力循环 思 考 题 1. 理想气体的热力学能只是温度的函数，而实际气体的热力学能则和温度及压力都有关。试根据水蒸气图表中的数据，举例计算过热水蒸气的热力学能以验证上述结论。 [答]： 以500℃的过热水蒸汽为例，当压力分别为1bar 、30bar 、100bar 及300bar 时，从表中可查得它们的焓值及比容，然后可根据u h pv =-计算它们的热力学能，计算结果列于表中： 由表中所列热力学能值可见：虽然温度相同，但由于是实际气体比容不同，热力学能值也不同。 2. 根据式(3-31)c h T p p =?? ????? ??? ? ????可知：在定压过程中d h =c p d T 。这对任何物质都适用，只要过程是定压的。如果将此式应用于水的定压汽化过程，则得d h = c p d T =0 （因为水定压汽化时温度不变，d T =0）。然而众所周知 , 水在汽化时焓是增加的 (d h >0)。问题到底出在哪里? [答] ：的确，d h =c p d T 可用于任何物质，只要过程是定压过程。水在汽化时，压力不变，温度也不变，但仍然吸收热量（汽化潜热）吸热而不改变温度，其比热应为无穷大，即此处的p C 亦即为T C ，而T C =∞。此时0dh =∞g ＝不定值，因此这时的焓差或热量（潜热）不同通过比热和温差的乘积来计算。 3. 物质的临界状态究竟是怎样一种状态？ [答] ：在较低压力下，饱和液体和饱和蒸汽虽具有相同的温度和压力，但它们的密度却有很大的差别，因此在重力场中有明显的界面（液面）将气液两相分开，随着压力升高，两饱和相的密度相互接近，而在逼近临界压力（相应地温度也逼近临界温度）时，两饱和相的密度差逐渐消失。流体的这种汽液两相无法区分的状态就是临界状态。由于在临界状态下，各微小局部的密度起伏较大，引起光线的散射形成所谓临界乳光。