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1、第九章 自然循环原理,第一节 自然循环原理,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，如图所示； 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。,静止状态： A-A左侧 A-A右侧,水在回路中循环流动时：,上式左侧为循环推动力，即运动压头，右侧为循环系统流动阻力,自然循环的实质：由重位压差造成
2、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，使下降管中水的密度xj改变成为上升管中汽水混合物的密度ss，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。,一 汽液两相流的流型,第二节 汽液两相流型及传热,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。
3、汽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x0.4，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
4、带到水流中很快凝结而消失，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
5、剧减小，管壁温度发生突变性提高。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。,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（偏离核态沸腾DNB）：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
6、，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 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。,2 蒸发管内的传热恶化,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
7、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0.30.4，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,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
8、，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用内螺纹管水冷壁是具有相当大的安全裕度。,第二类传热恶化：“蒸干” 管内含汽率x达到一定数值时，贴壁水膜被被中心汽流撕破或蒸干，管壁得不到水的冷却，放热系数明显下降，导致传热恶化。 在自然循环锅炉的水冷壁中，正常运行状态下不会出现“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，也会造成传热恶化。 亚临界压力的自然循环锅炉，其水冷壁内下质的实际含汽
9、率很接近其临界含汽率，故有可能发生第二类传热恶化。 直流锅炉一定会出现第二类传热恶化。,质量流速w ：单位时间内流经单位流通截面的工质质量称为质量流速,第四节 自然循环可靠性指标,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: 循环回路中，进入上升管的循环水量G与上升管出口蒸汽量D之比，称为循环倍率，其意义就是上升管中实际产生一公斤蒸汽需要进入多少公斤水,循环倍率K越大，含汽率x愈小，则上升管出口汽水混合物中水的份额较大，管壁水膜稳定，对管壁冷却作用较好。所以，经常用循环倍率来评定锅炉水循环是
10、否安全。 但是K值过大，上升管产汽量太少，上升管内工质的平均密度增大，循环回路的运动压头减小，将使循环流速降低，对水循环安全也不利。,在一定上升管含汽率范围内，自然循环回路中上升管受热增强时，循环水量和循环流速也随之增大（循环推动力增大），这种循环特性称自补偿能力； 但热负荷太大时，含汽率超过一定值，由于流动阻力的快速增加使循环水流速反而减小，则会失去自补偿能力。 最大循环流速对应的循环倍率称为界限循环倍率。 为了保证自然循环回路的工作安全，锅炉上升管的含汽率必须始终小于界限含汽率，而循环倍率则应始终大于界限循环倍率。,界限循环倍率和循环倍率的推荐值,一 水循环常见故障,1. 循环停滞,水冷壁
11、分成几个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。,第五节 自然循环常见故障及提高安全性措施,停滞现象：循环流速w00，但w0 0；即循环流量G=D，但G0，停滞管的流动阻力ptz0。 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
12、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”。 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
13、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和管内工质密度的变化而变化的。,2. 倒流,3.汽水分层 当汽水混合物在水平或微倾斜管内流动时，出于汽、水密度不同，水在管子下部流动，汽在管子上部流动，形成明显的分界面，这种现象称为汽水分层。 当汽水混合物流速较高时，扰动剧烈，汽水混合较好，管子能得到良好的冷却。 若汽水混合物流速过低，出现汽水分层时，管壁上部温度明显高于下部温度，造成上部管壁超温。同时，上下管壁温差将形成温差热应力。 另外，随着水面波动，在汽水分界面附近，温度交替变化还会产生交变热应力
14、。 防止汽水分层的措施是尽可能避免布置水平或倾角小于150的沸腾管。如在结构上不可避免时，要尽可能提高管内汽水混合物的流速。,4 下降管带汽 当下降管含有蒸汽时，管内工质平均密度减小，运动压头减小，而工质的体积流量将增大，使下降管的流动阻力增加。循环流速和循环倍率降低，使得受热弱的上升管更容易发生循环停滞等故障。 如果下降管中的蒸汽被带入水冷壁管，还会使水冷壁并列管流量分配不均，加剧并列管间的热偏差。 下降管含汽的原因： 下降管受热产生蒸汽； 水在下降管入口汽化； 水进入下降管时带汽； 由于锅炉压力突然下降引起锅水自汽化。,二 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，
15、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。,1. 水冷壁受热不均或受热强度过高,锅炉运行中，炉内火焰偏斜、水冷壁局部结渣和积灰是造成水冷壁吸热不均的主要原因。 受热很弱的管子容易出现停滞或倒流，受热很强的管子可能出现膜态沸腾，其结果都是导致管子局部发生传热恶化，管壁温度升高。,下将管入口产生旋涡漏斗时，旋涡中心将有部
16、分蒸汽被水流抽吸进入下降管。 进入下降管的实际水流量减少，即循环流量降低； 由于下降管内出现汽水两相流动，工质密度减小，使下降管侧的重位压差降低，且流动阻力也相应增大。 导致水循环安全裕度下降，即产生停滞、倒流的可能性增大。 防止下降管带汽的办法：在下将管入口安装隔栅；运行时注意维持正常的锅筒水位。水位过低，下降管入口不但容易产生旋涡漏斗，而且使下降管入口处的静压力降低，容易产生水的自汽化。,2. 下降管带汽或自汽化,3. 水冷壁管内壁结垢,锅炉运行水质不合格，含盐量超标，当水在管内受热蒸发时，盐分从水中析出，沉积在管壁上，管子金属内壁面上无水膜冷却，而管外吸收高温火焰的热量不能被水流及时带走，管壁温度就会升高。水冷壁管内结垢时，流动阻力也随着增大，容易引起停滞或倒流。,4 上升系统的流动阻力,影响上升系统流动阻力的因素很多。如分配水管、水冷壁、汽水导管的管径和水冷壁流通截面的比值、管子弯头数量、汽水分离器的结构阻力系数、循环流速、锅炉负荷等。,5 变负荷速度过快或低负荷运行,锅炉低负荷运行时，蒸发量减少，水冷壁管内工质密度增大，使水冷壁重位压差增大，循环回路
