锅炉原理课件13讲解

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1、第十三章 蒸发受热面的工质 流动和传热,本章主要内容： 两相流动和传热及其各项参数； 自然循环原理和计算； 自然循环的安全性； 强制流动蒸发受热面的水动力特性。,第一节 两相流动和传热 一、两相流动和传热的基本概念,图 13-1 垂直上升蒸发管中的两相流型和传热,影响两相流动的主要因素： 1、工质的流向（向上 、向下、水平） 2、流速 3、管径 4、压力（汽水密度差） 5、粘度 6、含汽率 7、热负荷,二、两相传热恶化,图13-2 不同负荷时放热系数与x的关系,1、某一负荷下，放热系数沿流程的变化 以图13-2的负荷1为例： （1）A-B段（单相过冷水， 有所增加）； （2）B-C段（过冷沸腾

2、， 明显增加）； （3）C-D段（饱和核态沸腾，增加不多）； （4）D-E段（饱和核态沸腾 强制水膜对流， 进一步增加）； （5）E-F段（液雾流、含水不足， 迅速降低、出现第二类传热恶化 ）； （6）F点以后（蒸汽的单相换热，有所增加）。,2、负荷变化对的影响 随着负荷增加： （图13-2中负荷线由1逐步变到7） （1）过冷沸腾点提前 （对应于B点）； （2）饱和核态沸腾时的放热系数增加（对应C-D段）； （3）转为强制水膜对流传热的 x 增加（对应D-E段）； （4）传热恶化出现点提前： （对应于E点） 1）含水不足提前；（负荷2 ） （第二类传热恶化。特征参数：临界含汽率） 2）膜态沸腾

3、提前。（负荷37 ） （第一类传热恶化。特征参数：临界热负荷）,三、超临界压力下的传热 1、超临界压力下的参数变化特点 （1）最大比热容点 （2）拟临界温度（准临界温度） （3）大比热容区,在超临界压力下的大比热区内，工质与管壁的传热却类似于亚临界压力下的沸腾换热,2、大比热容区的对流放热系数 W/(m2) （式13-1）,类膜态沸腾,超临界压力下在相变点附近工质特性变化很大，影响传热特性,9,由于超临界压力工质的特性在相变区发生显著变化，因此在一定条件下，仍然可能发生传热恶化。传热恶化现象类似于亚临界压力时的膜态沸腾，称类膜态沸腾。工质特性突变的影响表现为：因管壁面附近温度比管中心高 管壁附

4、近的粘度比管中心小得多，粘度梯度的作用引起流体边界层流动层流化 在边界层中流体密度降低，产生浮力，促使紊流传热层流化 壁面附近流动层流化 壁面附近传热系数低,类膜态沸腾,10,四、传热恶化的防止措施 传热恶化 第一类传热恶化(膜态沸腾或类膜态沸腾)：防止它的产生 。防止受热面热负荷过高，以避免它的发生。 第二类传热恶化（蒸干）：允许它发生，但防止壁温超过容许值。 自然循环锅炉：只要保证蒸发管出口的含汽率不是过高，就可以避免该传热恶化的出现； 直流锅炉：蒸发管内出现含水不足的传热恶化是不可避免的，因此要设法减少传热恶化时壁温的上升幅度，而不是防止它的产生。,四、传热恶化的措施 （书p.23423

5、5） 1、保证一定的质量流速； 2、使流体在管内产生旋转流动或破坏汽膜边界层； 内螺纹管、扰流子。 3、降低受热面的热负荷。,12,内螺纹管,内螺纹管既强化传热，又强化扰动而避免汽膜的产生因而避免壁温的飞升。,第二节 两相流的基本参数和流动压降 一、两相流的基本参数 基本参数包括 ： 1、流量参数： 根据流过的工质的质量平衡或能量平衡计算得到的参数；流过截面的汽水混合物流动参数 ； 2、真实流动特性参数： 截面上的汽、水真实流动参数 。,14,(一）流量参数：根据流过的工质的质量平衡或能量平衡计算得到的参数。 质量流速 循环流速 折算流速 混合物流速 质量含汽率和容积含汽率 流量密度,15,质

6、量流速,质量流量G (kg/s) 水的质量流量 G-D kg/s 蒸汽的质量流量 D kg/s G= (G-D) + D 容积流量V (m3/s) 水的容积流量V (m3/s) 蒸汽的容积流量V (m3/s) V= V + V 质量流速：单位时间内流经单位流通截面的工质质量。,16,循环流速,循环流速：循环回路中水在饱和温度下按上升管入口截面计算的水流速度。,17,折算流速,对于管内汽水两相流 蒸汽折算流速：假定流过的蒸汽占有管子全部截面时计算所得的蒸汽的流速。 平均蒸汽折算流速： 水的折算流速： 循环流速与折算流速的关系,（一）流量参数 （书p.236238） 1、质量流速（单位面积的质量流

7、量） kg/(m2s) （式13-3） 2、循环流速（以饱和水密度计算的上升管进口工质流速） m/s （式13-4） 3、折算流速 （1）蒸汽折算流速 m/s （式13-5） （2）水的折算流速 m/s （式13-7） 质量流速 kg/(m2s ),19,混合物流速,混合物流速：流经管子截面的混合物容积等于流过的水容积和汽容积之和，混合物的平均流速为,20,含汽率,质量含汽率：蒸汽的质量流量D与工质总的质量流量G之比称为质量含汽率（又称：蒸汽干度） 。 容积含汽率：流经管子某一截面的蒸汽容积流量与混合物的总容积流量之比，称为该截面上的容积含汽率 。,与x之间的关系,（式13-16 ）,21,流

8、量密度,流量密度：汽水混合物的质量流量与体积流量之比 （式13-17 ）,22,（二）真实流动特性参数：表示流体（汽相、液相或汽液混合物）流动时的真实状态的参数 真实流速 截面含汽率 汽水混合物的真实密度,23,真实流速,真实流速：实际上在两相流体中蒸汽或水只占管子截面的一部分，设水和汽所占管子截面的面积分别为F和F，则该截面上水的真实流速为 汽的真实流速： 汽水滑动比,24,截面含汽率,在某一截面上，蒸汽所占截面积F与管子总截面积F之比，称为截面含汽率,（C与工质流动方向、压力、流速、含汽率有关） 用汽水滑动比表示：,25,真实密度,流通截面上的工质密度，称为真实密度。 流量密度 向上流动，

9、真实密度 流量密度,二、两相流动的压降 （式13-25） 摩擦阻力 均相模型加修正系数 局部阻力 重位压差 平均真实密度 加速压降,第三节 自然循环原理及计算 一、自然水循环原理 （一）自然循环回路,（二）循环压头 1、运动压头Sdr及其与流动阻力的平衡式 自然循环回路中克服流动阻力的推动力。 （式13-34, 35） 影响运动压头的因素： （1）水循环高度h ； （2）下降管与上升管的工质密度差 1）压力大小； 2）上升管平均含汽率,2、有效压头Sef及其与流动阻力的平衡式 有效压头Sef 运动压头中，用于克服下降管阻力的压头。 Sef与流动阻力的平衡式 （式13-36） 3、下降管、上升管

10、两端压差的平衡式 （式13-37） 式13-35、36、37分别是： 运动压头法、有效压头法、压差法。,（三）循环流速和循环倍率 水循环安全性的两个重要指标。 1、循环流速 （式13-4） 2、循环倍率K 进入上升管的循环水流量G与上升管出口 蒸汽流量D之比。,1） 界限含汽率xth ：自然循环开始失去自补偿能力时的x。 2） 界限循环倍率： Kth=1/ xth。（表13-2） x xth ： x增加 w减小。（强制流动特性 ）,二、水循环计算 水循环计算的任务 （1）计算整个循环回路的工作点； 循环流量G或循环流速w0 （2）校验水循环的安全性。 水循环计算的已知条件 （1）结构尺寸； （

11、管径、高度等） （2）热负荷、压力等。 （热力计算的结果）,（一）简单回路的水循环计算 简单循环回路（图13-10） 复杂循环回路（图13-13）,1、基本方程 （1）压差法 （式13 - 40） 式中： （2）有效压头法 （式13 - 43）,2、加热水段高度的计算,计算思路： 经过多少吸热高度才能使工质欠焓i变为0。,（1）上升管吸热段进口的工质欠焓i （式13-44） （2）工质欠焓由进口的i减少到0，所需的吸热高度 1）工质在吸热段上升单位高度（1米）时，欠焓的减少量 （式13-44） （ 上升单位高度的流动阻力） 2）根据qh和i求加热水段高度 （式13-44） 或,（3）下降管进口

12、工质的欠焓 能量平衡： 得： （式13-45）,对iuh计算的说明： 1、 iuh太小 下降管容易含汽 流阻增加； 2、 iuh太大 热水段增加 运动压头减小； 3、一般Gx D： （ 中1） （1）蒸汽在汽包中被部分省煤器来的水凝结； （2）下降管带汽 。,3、循环回路工作点的计算 使水循环基本方程式成立的循环流量G的计算。 （1）压差法 （式13 - 40） （2）有效压头法 （式13 - 43）,影响工作点循环流量的因素： （根据计算式13-40或13-43） （1）工作压力； （2）含汽率； （3）循环回路的高度； （4）上升管流动阻力； （5）下降管流动阻力。,（二） 复杂回路的水循

13、环计算,计算方法 串联回路：流量相同，压差（有效压头）相加； 并联回路：流量相加，压差（有效压头）相同。 （各子回路的重位压头、阻力按各自的高度和流程计算） （1）压差法,（2）有效压头法,第四节 自然循环的安全性 一、水循环安全性检查 检查内容：停滞、自由水面、倒流。 检查目的：防止有的受热面出现传热恶化。 （一）循环完全特性曲线 1、定义： （书p.247） 既包括正向流动，又包括反向流动的压差 （或压头）与循环流量之间的关系曲线 。 2、作用： 检查水循环是否会出现停滞、自由水面、倒流。,3、水循环完全特性曲线的建立 压差法,4、对水循环完全特性曲线的说明 1）在倒流区的上升管压差有一个

14、最大值 ； 2）Yfrv与倒流流量 成正比的区间是不稳定区间； （图中B点所在的区间） 3）-DGD的区间，是不稳定的区间。,（二）循环停滞和循环倒流 1、循环停滞 某上升管内水流量仅仅等于产汽量时的状态 。 2、循环倒流 循环回路的上升管中发生水自上而下的流动。 3、循环停滞的原因： 吸热不均 （受热最弱的上升管最容易发生停滞现象 ） 4、循环倒流的原因： 吸热不均 上升管出口接到汽包水空间（或有上联箱） 5、检查水循环安全性的依据 （图13-15）,（三）下降管带汽和汽化 对水循环的影响： （书p.248） 下降管工质密度减小、流动阻力增加 水循环可靠性降低 下降管带汽和汽化的原因： （书

15、p.248249） 1、下降管进口水汽化； 2、下降管进口形成漩涡而带汽； 3、 汽包内进入下降管的水中含有蒸汽； 4、下降管受热。,二、 提高循环安全性的措施 （防止出现：循环停滞、倒流、自由水位、传热恶化） （一）减少并联管子的吸热不均 1、减小炉膛热负荷不均； 2、上升管分成多个独立回路。 （二）减少下降管、汽水导管和汽水分离装置流动阻力 （三）合适的上升管高度、管径和流动阻力 （四）降低上升管工质密度 1、入口欠焓不太大； 2、压力不太高。,第五节 强制流动蒸发受热面的水动力特性 水动力特性的定义（书p.251） 在一定的负荷下，工质的流量与压降p之间的关系。 一、蒸发管的流动阻力 （式13-52） 是单值的：水动力特性稳定； 是多值的：水动力特性不稳定。,二、平置蒸发管的水动力特性 1、平置蒸发管水动力特性的数学描述 对平置蒸发管作如下简化： （1）加速压降pac忽略不计； （2）局部阻力较小，归并到摩擦阻力中； （3）汽、水混合均匀。 由（式13-52）得： （式13-55）,把式13-5660代入式