【文章內(nèi)容簡介】 變化圖圖 24 比熱比隨摩爾百分數(shù)的變化圖 圖 25 普朗特數(shù)隨摩爾百分數(shù)的變化圖 傳熱系數(shù)、壓損和透平機械所需級數(shù)的比較在相同摩爾流量和幾何參數(shù)條件下，對不同工質(zhì)下的傳熱系數(shù)、壓損和透平機械所需級數(shù)進行了分析，其結果為圖 26至 28所示。從圖 26 可以看出，在溫度為 400K時，氮氣為氦氣的 ％，且氦——，氦——二氧化碳混合物的值在摩爾百分數(shù)為 時最小。而在溫度為1200K 時，％，且氦——氮混合物的值在摩爾百分數(shù)為 時最小圖 27給出了壓損率隨摩爾百分數(shù)的變化關系。壓損率與隨摩爾百分數(shù)近似成正比關系，其中二氧化碳的壓損率最大。因此，在工質(zhì)選擇上，壓力損失的影響也是非常大的，必須作為一個重要的參考因素。透平機械級數(shù)之比的結果如圖28所示。在相同條件下，氦氣作為工質(zhì)時，透平機械級數(shù)最大，是氮氣的 ，所以氦氣作為工質(zhì)時，由于級數(shù)多，使得轉(zhuǎn)軸長度較長，這使制造和運行安全都十分困難。 圖 26 傳熱系數(shù)比值隨摩爾百分數(shù)的變化圖 圖 27 壓損率隨摩爾百分數(shù)變化圖圖 28 透平機械級數(shù)比值隨摩爾百分數(shù)的變化圖 本章小結 通過對氦氣、氮氣和二氧化碳及氦——氮和氦——二氧化碳混合物的熱物性、換熱過程的傳熱系數(shù)、壓力損失和透平機械所需的級數(shù)的比較分析，主要得出了以下三個結論： 1．在高溫氣冷堆氣體透平循環(huán)中，氦氣作為工質(zhì)時，壓力損失小，但其傳熱系數(shù)低于二氧化碳，而且其等熵指數(shù)大，難于壓縮，使透平機械需要較多的級數(shù)，這給制造和運行安全帶來影響。 2．用二氧化碳作為工質(zhì)時，其傳熱系數(shù)較高，而且透平機械的級數(shù)較少，但壓力損失比較大，使效率比較低。 3．用一定比例混合的氦——氮氣、氦——二氧化碳混合物作為工質(zhì)時，結合氦氣、二氧化碳和氮氣的優(yōu)勢，一方面可以提高其傳熱系數(shù)和減少透平機械的級數(shù)，另一方面其壓力損失又不會降低過大。 第3章 高溫氣冷堆氦氣輪機循環(huán)的特性研究 裝置實際結構圖 循環(huán)圖 ——采用回熱和壓縮過程中的中間冷卻以提高效率的氣體渦輪裝置方案。它的工作過程按下面的方式進行。 在低壓壓氣機(LCP)中壓縮了的氦氣流經(jīng)中間冷卻器(ICL)，被冷卻以后進入高壓壓氣機(HCP)。在高壓壓氣機中壓縮后，氦氣進入回熱氣(RPT)高壓側(cè)，在回熱器中它從由渦輪出口出來的氦氣取得熱而被加熱。已經(jīng)被部分加熱的氦氣進入高溫氣冷堆(HTGR)。在高溫氣冷堆中被加熱到預定溫度的氦氣進入渦輪中，在其中膨脹、做功，得到的功用來帶動高壓壓氣機，低壓壓氣機和發(fā)電機。然后氦氣流過回熱器低壓側(cè)，部分的冷卻后進入預冷器。冷卻到初始溫度以后進入低壓壓氣機重復循環(huán)。 這個循環(huán)有以下優(yōu)點：: (1)系統(tǒng)簡單。所有設備都可以放在能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的壓力容器中，從而避免蒸汽透平復雜的水汽系統(tǒng)。 (2)循環(huán)效率高。其效率可達48%，甚至超過50%。 (3)避免了反應堆堆芯進水事故的發(fā)生。(Brayton)循環(huán) 高溫氣冷堆氦氣輪機循環(huán)的熱力過程是一個帶有間冷、預冷、回熱的布雷登循環(huán)。理想的布雷登循環(huán)(等嫡壓縮和等嫡膨脹間冷回熱循環(huán))的溫嫡圖(TS圖)如圖所示。 理想布雷登循環(huán)的流程為12a2b234561。狀態(tài)1的低溫低壓氦氣在低壓壓氣機中壓縮以后，到達狀態(tài)2a。由間冷器冷卻以后，到達狀態(tài)2b。由高壓壓氣機壓縮后，到達狀態(tài)2。經(jīng)回熱器換熱后，到達狀態(tài)3:在反應堆內(nèi)被加熱以后，到達狀態(tài)4。進入透平做功后，到達狀態(tài)5。再經(jīng)回熱器換熱后，到達狀態(tài)6。最后經(jīng)預冷器冷卻后，從新回到狀態(tài)1。再次進入壓氣機，重復壓縮過程。 TS圖中各節(jié)點對應著循環(huán)圖中的部件如下: 節(jié)點1:預冷器的出口、低壓壓氣機的入口。 節(jié)點2a:低壓壓氣機的出口、間冷器的入口。 節(jié)點2b:間冷器的出口、高壓壓氣機的入口。 節(jié)點2:高壓壓氣機的出口、回熱器高壓側(cè)的入口。 節(jié)點3:回熱器高壓側(cè)的出口、反應堆的入口。節(jié)點4:高溫氣冷堆的出口、透平的入口。節(jié)點5:透平的出口、回熱器低壓側(cè)的入口。節(jié)點6:回熱器低壓側(cè)的出口、預冷器的入口。 理想布雷登循環(huán)的溫嫡圖 實際的間冷回熱循環(huán)圖 與理想布雷登循環(huán)不同，實際間冷回熱循環(huán)需要考慮各個部件的效率和壓力損失。由于存在著壓力損失，帶有回熱，間冷和預冷過程的實際循環(huán)的溫嫡圖((TS圖)如圖所示。圖中的曲線22p, 1lp和2a2ap為等壓線。循環(huán)的流程為12a2b 234561。從圖中可以看出，實際間冷回熱循環(huán)由于壓力損的存在，其吸熱線(24)和放熱線(51)之間的距離縮小了，從而導致了循環(huán)凈輸出功相對減小。另外，實際間冷回熱循環(huán)中，渦輪的膨脹過程和壓氣機的壓縮過程都不是等嫡過程，存在損失。所以透平的膨脹功會減小，壓氣機的壓縮功將增加，這也導致了循環(huán)凈輸出功的減少。因此，部件效率和壓力損失都降低了循環(huán)效率。，先確定本文中所用符號的含義: (1)Pn、Tn、和Sn分別表示節(jié)點n處氣體的壓力、比容、絕對溫度(開氏溫度)、攝氏溫度、焙和嫡； (2)和分別表示透平和壓氣機的絕熱效率； (3)а表示回熱器的回熱度； (4)表示透平膨脹比； (5)?示壓氣機總壓比，、則分別為高、低壓壓氣機壓比； (6)τ為循環(huán)溫升比，是循環(huán)最高溫度T4與最低溫度T1之比； (7)為循環(huán)中壓損與高壓壓氣機出口壓力之比。參為循環(huán)中從高壓壓氣機出口到透平入口(2→4)的壓力損失；為從透平出口到低壓壓氣機入口(5→1)的壓力損失；為從間冷器(2a→2b)中的壓力損失； (8) Cp為氣體的定壓比熱，℃的范圍內(nèi)，氦氣的定壓比熱Cp= kJ/kgK； (9) k為氣體的等嫡指數(shù)，℃的范圍內(nèi)，氦氣的等嫡指數(shù)k=； (10)φ是表征氣體絕熱過程的參數(shù)，稱之為絕熱因子，φ=（1k）/k； (11)為低壓壓氣機的比壓縮功； (12)為高壓壓氣機的壓縮功； (13)為高、低壓壓氣機的總壓縮功； (14)為透平的膨脹功； (15)為循環(huán)凈輸出功； (16)為冷卻劑從反應堆堆芯吸熱量； (17)η為循環(huán)效率。 (TS圖)。過程的初始參數(shù)為渦輪進口壓力P4，及溫度T4；終了參數(shù)為渦輪出口壓力P5，及溫度T5。在渦輪和壓氣機中，氣體與外界的熱交換極小，可以忽略不計。因此，透平中氣體的膨脹過程可被認為是絕熱過程。透平中氣體的理想膨脹過程4→5s是可逆絕熱過程，即等嫡膨脹過程。而實際膨脹過程4→5是不可逆的絕熱過程。對于透平的膨脹過程中的壓力變化，有如下關系式: () () ()由上述壓力關系式聯(lián)立解得透平膨脹比為: () 透平的絕熱效率幾為實際過程膨脹功與理想過程膨脹功之比: () 對于從T4到T5s、的等嫡過程，存在關系式: ()透平膨脹功WT可表示為: ()：表 壓氣機效率透平效率回熱器效率反應堆損失回熱器高壓側(cè)損失回熱器低壓側(cè)損失90%%95%% %%預冷器損失渦輪出口溫度（℃）壓比T1（℃）P2（MPa）中冷器損失%90035% 壓氣機的實際壓縮過程的溫嫡圖 () ()其中 ()壓氣機的等嫡效率為理想壓縮過程耗功與實際壓縮過程耗功之比: () 解得低壓壓氣機的出口溫度和壓縮功為: () () 同理可得高壓壓氣機出口溫度T2和壓縮功: () () 因此得到高、低壓壓氣機的總壓縮功為: ()回熱器的回熱度為實際的回熱量與理想回熱量之比: ()計算結果：表 P4（MPa）膨脹比P5（MPa）T5（℃）Wt(KW)P1（MPa）253T2（℃）Wc（KW)P2a（MPa）T3（℃）T2as（℃）氦氣布雷登循環(huán)的凈輸出功 ()從堆芯的吸熱量為 ()布雷登循環(huán)效率為循環(huán)凈輸出功與循環(huán)吸熱量之比: ()從循環(huán)效率的表達式可以看出，高溫堆氣體透平循環(huán)效率由7個獨立變量決定。現(xiàn)在，商用球床堆堆芯出口溫度的設計值一般定為900℃，將來隨著高溫堆技術的發(fā)展會進一步提高。直接循環(huán)的設計基于現(xiàn)有技術，透平進口溫度T4=900℃壓氣機進口溫度T1=35℃都取保守值，因此，循環(huán)溫比為常數(shù)，τ= 通過分析氦氣循環(huán)效率的表達式可知，溫比越大，循環(huán)效率越高。因此，循環(huán)效率是溫比的單調(diào)增函數(shù)。從圖3. 7可以看出。在其他條件不變的情況下，循環(huán)效率隨著循環(huán)溫比的增大而增大。從圖中還可以看出，循環(huán)效率隨壓比的變化存在著極大值，這可以從循環(huán)凈輸出功的分析中得到原因。循環(huán)壓比一定時，循環(huán)凈輸出功隨著溫比的增大而增大。在一定的壓比范圍內(nèi)，當循環(huán)溫比一定時，循環(huán)凈輸出功隨著壓比的增大而增大?！簹鈾C效率和循環(huán)總壓損對循環(huán)效率的影響。循環(huán)效率分別是透平效率，壓氣機效率的單調(diào)增函數(shù)和循環(huán)總壓損的單調(diào)減函數(shù)。 循環(huán)效率在不同的溫比下隨壓比的變化 不同渦輪效率下循環(huán)效率與循環(huán)壓比的關系圖 不同壓氣機效率下循環(huán)效率與壓比的關系 不同循環(huán)總壓損下循環(huán)效率與循環(huán)壓比的關系 采用中間冷卻，驅(qū)動壓氣機所消耗的能量減少了。理論上冷卻器級數(shù)越多，能夠得到效率增加也愈大。但是每一個冷卻器都需要進排氣管道，管道系統(tǒng)將變得龐大，此外，進氣和排氣帶來的總壓損失也大。所以通常只采用以及冷卻。在實際循環(huán)中中間冷卻器必然會有總壓損失，這就降低了循環(huán)的有效效率。，中間冷卻對循環(huán)有效效率的影響更大。我們假設高、低壓壓氣機壓比和效率都相等，那么從以上對理想氣體和實際氣體循環(huán)的分析，再根據(jù)氦氣的性質(zhì)及換熱理論可得高溫氣冷堆氦氣輪機循環(huán)的效率和功的表達式: () ()對于實際循環(huán)存在這樣的增壓比:在這個增壓比下保證發(fā)動機的最高有效效率最大，也存在保證循環(huán)功最大的增壓比。在循環(huán)溫比、回熱度、透平效率、壓氣機效率、壓損不變時，循環(huán)效率只是壓比的函數(shù)?？梢缘贸鲅h(huán)功的最佳壓比為： ()、分別是間冷器、反應堆、預冷器、回熱器高壓側(cè)和低壓側(cè)壓力損失的壓力保持系數(shù)。效率的最佳壓比為： ()其中：, 可以看出循環(huán)功的最佳增壓比隨壓氣機效率、渦輪效率、溫度升高比、中冷器壓力保持系數(shù)的增加而增加。隨回熱器、預冷器、反應堆壓力保持系數(shù)的增加而減小。，循環(huán)效率最佳增壓比是壓氣機、渦輪效率的單調(diào)遞增函數(shù):隨著溫升比的增加循環(huán)最佳增壓比單調(diào)遞增，所以循環(huán)效率最佳壓比也是冷源和熱源溫度的函數(shù)。如圖 3. 12, 3. 13，隨回熱器效率的增加而減小，所以換熱設備的選擇對高溫氣冷堆氦氣輪機循環(huán)起重要作用。 本章對高溫氣冷堆氦氣輪機循環(huán)的基本特性進行了分析，計算和研究，并給出設計參數(shù)。對高溫氣冷堆中典型的循環(huán)方案的優(yōu)、缺點進行了比較和分析。本章結合實際情況(循環(huán)壓損)，對實際布雷登循環(huán)的特性進行了探討，推導和歸納出具有普遍性的循環(huán)效率函數(shù)式，并得出適用于高溫氣冷堆氦氣輪機循環(huán)的循環(huán)效率的表達式。在此基礎上，推導出了最佳增壓比的表達式。并分析和計算了實際循環(huán)中的循環(huán)溫比、壓比、回熱度、部件效率、壓損和物性等因素對循環(huán)效率的影響。 第4章 動態(tài)分析求解氦氣輪機全工況問題首先要涉及部件特性和負荷特性的描述,繪制相關的通用特性線。在各個部件中,壓氣機、渦輪的實驗費用昂貴,特性線數(shù)據(jù)一般很少公開發(fā)表。即便已掌握的特性曲線,一般是以離散點數(shù)據(jù)形式輸入到計算機內(nèi), 很難保證精度