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1、第十二章汽液两相流动的基本概念 第十二章汽液两相流动的基本概念 自然循环原理与基本概念自然循环锅炉水冷壁的安全运行蒸发管内的汽液两相流型及传热汽液两相流体的流动参数汽液两相流体的流动阻力 重位压降简单回路的水循环计算和水循环特性曲线复杂回路的水循环计算水循环全特性曲线和循环安全性检查蒸发管传热恶化工况的计算提高循环安全性的措施水冷壁的高温腐蚀 第一节自然循环原理与基本概念 一自然循环原理 定义 在一个闭合的回路中 由于工质自身的密度差造成的重位压差 推动工质流动的现象 自然循环锅炉的循环回路是由锅筒 下降管 分配水管 水冷壁下联箱 水冷壁管 水冷壁上联箱 汽水混合物引出管 汽水分离器组成的 如
2、图12 1所示 重位压差是由下降管和上升管 水冷壁管 内工质密度不同造成的 而密度差是由下降管引入水冷壁的水吸收炉膛内火焰的辐射热量后 进行蒸发 形成汽水混合物 使工质密度降低形成的 下降管侧上升管侧 水在回路中循环流动时 下降管侧压差Yxj等于上升管侧压差Yss 自然循环的实质 由重位压差造成的循环推动力克服上升系统和下降系统的流动阻力 推动工质在循环回路中流动 即由于水冷壁管吸热 使水的密度 xj改变成为汽水混合物的密度 hu 并在高度为H的回路中形成了重位压差 回路高度越高 且工质密度差越大 形成的循环推动力越大 工质密度差不仅与压力有关 而且与水冷壁管吸热强度有关 在正常循环情况下 吸
3、热越多 密度差越大 工质循环流动速度越高 而压力越高 汽 水的密度差降低 工质循环流动速度越低 二自然循环的基本概念 循环流速w0 在饱和水状态下进入上升管入口的水的流速 质量含汽率x 上升管中蒸汽所占循环流量的份额 或汽水混合物中蒸汽所占的份额 循环倍率 上升管中实际产生一公斤蒸汽需要进入多少公斤水 名义循环倍率K0 按锅筒引出的饱和蒸汽量计算的循环倍率 锅筒水室凝汽量 D亚临界锅炉锅筒水室中存在着蒸汽的凝结过程 使水冷壁的实际蒸发量大于从锅筒引出的饱和蒸汽量 在锅筒水室中被凝结的蒸汽量就称为锅筒水室凝汽量 记作 D 由于凝汽量的存在 水冷壁中的质量含汽率应按实际蒸发量计算 凝汽量与循环流量
4、的比值被称为凝汽率xnq 凝汽率与锅炉压力和负荷有关一台容量为1025T H的亚临界参数锅炉 最大凝汽量达到290t h之多 锅筒水室中存在的凝汽过程 使得MCR负荷时水冷壁中实际的蒸发量比名义蒸发量大6 8 水冷壁中的质量含汽率由0 24增大到0 31 由此引起循环系统的实际循环倍率小于名义循环倍率 国内的推荐数据 当p 18 6MPa时 xnq 0 042 第二节自然循环锅炉水冷壁的安全运行 一影响水冷壁安全运行的主要因素 水质不良导致的水冷壁管内结垢与腐蚀 水冷壁受热偏差或管内流动阻力的影响 导致个别或部分管子出现循环流动的停滞或倒流 水冷壁热负荷过大导致的管子内壁面附近出现膜态沸腾 锅
5、筒水位过低引起水冷壁中循环流量不足 甚至发生更为严重的 干锅 燃烧产生的腐蚀性气体对金属管子外壁面的高温腐蚀 结渣和积灰导致的对金属管壁的侵蚀 煤粉气流或含灰气流对金属管壁的磨损 水的冷却 汽的冷却 连续水膜被破坏 传热恶化 二蒸发管内的停滞 倒流和膜态沸腾 1 循环停滞 水冷壁分成几至以至几十个独立的水循环回路 炉膛中温度场分布不均 上升系统的结构偏差和流量分配偏差 虽然管屏进出口联箱的压差是相同的 但每根管子的流动速度可能不同 受热弱的管子中 工质密度大 当这根管子的重位压头接近于管屏的压差时 管屏的压差只能托住液柱 而不能推动液柱的运动 这时 管内就出现了流体的停滞现象 从循环特性 停滞
6、现象 循环流速w0 0 但w0 0 即循环流量G D 但G 0 停滞管的压差等于下降管的压差 即Ytz Yxj 但停滞管的流动阻力 ptz 0 后果 汽泡聚集弯头和焊缝处 并可能形成大汽泡 造成蒸汽塞 管子局部就会过热超温 当存在自由水面时 管子上半部是汽 下半部是水 管子上部就会过热超温 自由水面 进入上升管的循环流量微小 以至在管子微弱吸热后被蒸发成汽泡 后果 当自由水面的位置波动时 还会引起管子的疲劳应力水循环停滞导致水冷壁管传热恶化 主要发生在受热弱的管子上 由于受热不均 有的管中工质向上流 有的管中工质向下流 工质向下流的管子就叫 倒流管 倒流现象 本来应该是工质向上流的上升管 变成
7、了工质向下流的下降管 倒流现象的本质 倒流管的压差大于同一片管屏或同一回路的平均压差 即Ydl Yhl 从而迫使工质向下流动 2 倒流 在倒流管中 水向下运动 而汽泡由于受到浮力向上运动 当倒流速度较慢且等于汽泡向上运动的速度时 向下流的水带不走汽泡 造成汽泡不上不下的状态 引起汽塞 发生传热恶化 以至使管子出现局部过热超温 当管内工质倒流速度很快时 管子仍能得到良好冷却 不出现局部超温 当汽水混合物引出管从汽包汽空间引入时 不会出现倒流 当水冷壁受热不均比较严重时 受热最差的管子有时可能出现停滞 有时可能出现倒流 所以同一根管子出现停滞和倒流以及向上流动的机会并不是固定的 而是随管外吸热状态
8、和管内工质密度的变化而变化的 核态沸腾 水冷壁管受热时 在管子内壁面上开始蒸发 形成许多小汽泡 如果此时管外的热负荷不大 小汽泡可以及时地被管子中心水流带走 并受到 趋中效应 的作用力 向管子中心转移 而管中心的水不断地向壁面补充 膜态沸腾 如果管外的热负荷很高 汽泡生成的速度大于汽泡脱离壁面的速度 汽泡就会在管子内壁面上聚集起来 形成蒸汽膜 将管子中心的水与管壁隔开 使管子壁面得不到水膜的直接冷却 导致管壁超温 也称为第一类传热恶化 过渡沸腾 由核态沸腾向膜态沸腾开始转变的过程 3 膜态沸腾 膜态沸腾一般发生在亚临界参数锅炉水冷壁管内 这是因为水的汽化潜热随着压力提高而大幅度减小 使得亚临界
9、参数下在水冷壁管内壁面附近流体边界层中的水更容易汽化 即容易形成更多的汽化核心 因而产生膜态沸腾的机会相应增加 膜态沸腾的产生取决于水冷壁管外的热负荷 管内工质的质量含汽率 管内的质量流速 工质压力 管径等多种因素 但主要取决于水冷壁的热负荷与质量含汽率 运行和试验证明 尽管亚临界参数锅炉水冷壁管出口汽水混合物的质量含汽率一般只达到0 3 0 4 但发生传热恶化的可能性较大 采用内螺纹管水冷壁可抑制膜态沸腾 第三节蒸发管内的汽液两相流型及传热 一汽液两相流的流型 泡状流 在连续的液相中 分散散存在着小汽泡 弹状流 泡状流中 汽泡浓度增大时 受趋中效应的作用 小汽泡聚合成大汽泡 直径逐渐增大 汽
10、泡直径接近于管子内径时 形成弹状流 环状流 由于汽弹的内压力增大 当汽弹的内压力大于汽泡的表面张力时 汽泡破裂 液相沿管壁流动 形成一层液膜 汽相在管子中心流动 夹带着小液滴 雾状流 管子壁面上的水膜完全蒸干时 蒸干点的质量含汽率x 0 8 即蒸汽中仍然夹带着小液滴 形成雾状流 自然循环锅炉的蒸发管中 因为限制x 0 4 所以一般不会出现雾状流 二蒸发管内的传热 1蒸发管内的流型与传热的关系 单相液体流动阶段 在管子入口处 为过冷水对流传热 放热系数基本不变 过冷沸腾阶段 汽泡状流动的初级阶段 壁面温度大于饱和温度 在壁面上产生小汽泡 而管子中心流体温度尚未达到饱和温度 汽泡被带到水流中很快凝
11、结而消失 放热系数增大 汽泡状流动的后期和环状流动阶段 由于不断吸热 管内的水流达到饱和温度在壁面上产生的蒸汽不再凝结 壁面上不断产生汽泡 又不断脱离壁面 水流中分散着许多小汽泡 此时饱和核态沸腾开始 并一直持续到环状流动阶段结束 管内放热系数变化不大 管壁温度接近流体温度 有卷吸的环状流动阶段 环状流的液膜变薄 管子壁面上的热量很快通过液膜传递到液膜表面 此时在管子壁面上不再产生汽泡 蒸发过程转移的液膜表面进行 放热系数略有提高 管壁温度接近流体温度 雾状流动阶段 由于管子壁面的水膜被蒸干 只有管子中心的蒸汽流中夹带着小液滴 壁面由雾状蒸汽流冷却 工质对管壁的放热系数急剧减小 管壁温度发生突
12、变性提高 随后 由于流动速度增加和小液滴对管壁的润湿作用 使工质对管壁的放热系数又有所增大 管壁温度略有下降 当雾状流蒸汽中水滴全部被蒸干以后 形成单相的过热蒸汽流动 放热系数进一步减小 管壁温度进一步上升 当热负荷不断增大到一定程度时 水冷壁管内就会产生膜态沸腾 膜态沸腾有可能发生在环状流动阶段 当热负荷进一步提高时 也可能发生在泡状流动阶段 特别是可能发生在过冷沸腾阶段 第二类传热恶化 蒸干 在自然循环锅炉的水冷壁中在正常运行状态下不出现 蒸干 导致的传热恶化 在非正常运行状态下一旦出现第二类传热恶化 虽然开始时壁温并不太高 但含盐量较高的炉水水滴润湿管壁时 盐分沉积在管壁上 也会造成传热
13、恶化 2蒸发管内的传热恶化 三内螺纹管抑制传热恶化的作用 鳍片光管 x 0 3 壁温开始飞升x 0 6 壁温达到第一个高峰点 此后壁温略有下降 x 0 8 出现蒸干 管壁温度再次出现飞升 内螺纹管 x 0 8 壁温才开始飞升 说明内螺纹管具有显著的抵抗膜态沸腾 推迟传热恶化的作用 内螺纹管抑制膜态沸腾 推迟传热恶化的机理 工质受到螺纹的作用产生旋转 增强了管子内壁面附近流体的扰动 使水冷壁管内壁面上产生的汽泡可以被旋转向上运动的液体及时带走 而水流受到旋转力的作用紧贴内螺纹槽壁面流动 从而避免了汽泡在管子内壁面上的积聚所形成的 汽膜 保证了管子内壁面上有连续的水流冷却 亚临界参数自然循环锅炉采
14、用内螺纹管水冷壁是具有相当大的安全裕度 第四节汽液两相流体的流动参数 假定在通道内汽和水是均匀混合的 水和汽之间无相对速度 只考虑汽的比容比水的比容大 均相模型虽然与实际的汽液两相流体流动现象有差别 但它是研究汽液两相流动的基础 一汽液两相流体流动的均相模型 1均相模型 1 汽的折算流速 2 水的折算流速 2汽的折算流速和水的折算流速 按容积流量计算的水的折算速度和汽的折算速度 汽水混合物的容积流量为V V V 3 汽水混合物的流速whu 4容积含汽率 二汽液两相流体流动的分流模型 蒸发管内的流型主要表现为泡状流 环状流 这种流型的特征是在管子壁面处形成环状水膜 蒸发产生的蒸汽集中在管子中心处
15、汽液两相流动的分流模型是 管内的汽水混合物是分开流动的 汽在管子中央流动 水贴近壁面流动 汽和水之间有相对速度 由此导出的汽液两相流动参数可视为接近真实的参数 2 汽的真实速度和水的真实速度 汽的真实速度 水的真实速度 3接近真实的汽水混合物的密度 zs 三两相流动参数与均相流动参数的关系 可视为汽和水的速度比 或称为汽水滑动比 设 滑动比S可由试验确定 国内对垂直上升管 采用以下的方法确定S S的物理意义 当w w S 为汽水混合物向上流动工况 当w w S 为混合物向下流动工况 当w w S 为均相流动工况 即 第五节汽液两相流体的流动阻力 重位压降 一两相流体的流动阻力 汽水混合物流动时
16、 在泡状流 弹状流 环状流阶段 汽泡受到浮力的作用 向上运动的速度比水流速度快 两相流体流动阻力 液相水与管壁的摩擦阻力 汽相和液相之间的相对速度引起的摩擦阻力 汽液两相流的流型不同 两相流之间的分布特征和接触面积就不相同 产生的阻力当然也不相同 汽液两相流动的阻力要比单相水的流动阻力大 两相流体流动阻力采用单相流体流动阻力计算公式的形式 带入均匀混合的汽水混合物的流速和密度 然后用修正系数考虑汽液相对速度和流型对流动阻力的影响 两相流动的摩擦阻力计算公式为 两相流体摩擦阻力修正系数 值由试验确定 1 w 1000kg m2 h 国内采用的方法是 2 w 1000kg m2 h 3 w 1000kg m2 h 可以看出 f w x p 两相流体的摩擦阻力与质量流速或汽水混合物的流速 质量含汽率 压力 汽水密度取决于压力 有关 因为whu hu w0 有 沿上升管 随着吸热量的不断增加 x的值不断变化 whu也不断变化 应根据whu或x的变化沿上升管作积分或分段计算 然后再叠加求和 二两相流体的重位压降 蒸发管中沿管子高度方向上 汽水混合物的密度是不断变化的 两相流体的重位压降的计算 应
