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1、第八章第八章 锅炉水动力特性与传热锅炉水动力特性与传热v 锅炉水动力学根底锅炉水动力学根底v 自然循环锅炉的水循环与计算自然循环锅炉的水循环与计算v 强制流动锅炉强制流动锅炉.锅炉水动力学的研究任务是研究锅炉蒸发受热面的锅炉水动力学的研究任务是研究锅炉蒸发受热面的水动力特性，保证锅炉水循环的可靠性。为了使锅炉平水动力特性，保证锅炉水循环的可靠性。为了使锅炉平安可靠运行，所有受热面都应受到工质足够的冷却，以安可靠运行，所有受热面都应受到工质足够的冷却，以保证金属壁温不超过所用钢材的允许工作温度。通过锅保证金属壁温不超过所用钢材的允许工作温度。通过锅炉水动力研究，可以得到锅炉内部工质水、蒸汽及汽炉
2、水动力研究，可以得到锅炉内部工质水、蒸汽及汽水混合物的水动力特性及流动阻力。水混合物的水动力特性及流动阻力。在锅炉的受热面中，省煤器中流动的工质为单相流在锅炉的受热面中，省煤器中流动的工质为单相流体水，过热器中工质为单相流体蒸汽，惟有蒸发受热面体水，过热器中工质为单相流体蒸汽，惟有蒸发受热面水冷壁上升管中流动的工质为汽水混合物。在上升管受水冷壁上升管中流动的工质为汽水混合物。在上升管受热过程中，汽液两相比例不断变化，并且两相之间存在热过程中，汽液两相比例不断变化，并且两相之间存在相对运动，使管内汽液两相流体的流动规律比单相流体相对运动，使管内汽液两相流体的流动规律比单相流体流动复杂的多，且汽相
3、与液相在传热过程中的性质也不流动复杂的多，且汽相与液相在传热过程中的性质也不同，因此必须首先研究汽液两相流体的流动与传热特性。同，因此必须首先研究汽液两相流体的流动与传热特性。.v 锅炉水动力学根底锅炉水动力学根底一、管内汽液两相流体的流动结构一、管内汽液两相流体的流动结构汽泡趋中效应：蒸汽密度比水小，在上升两相流中，汽泡趋中效应：蒸汽密度比水小，在上升两相流中，在相同压力的作用下，汽泡的上升速度比水快，水在相同压力的作用下，汽泡的上升速度比水快，水在管中流动的速度分布是中间大，外侧小。如果汽在管中流动的速度分布是中间大，外侧小。如果汽泡在靠近管边处，汽水相对速度大，阻力大；而汽泡在靠近管边处
4、，汽水相对速度大，阻力大；而汽泡假设在管中间那么阻力小。汽泡总是往阻力小的泡假设在管中间那么阻力小。汽泡总是往阻力小的地方运动，所以在上升管中，汽泡都向管中间运动。地方运动，所以在上升管中，汽泡都向管中间运动。思考：对于下降两相流，汽泡如何运动？思考：对于下降两相流，汽泡如何运动？.1.汽水混合物在垂直管中上升运动：汽水混合物在垂直管中上升运动：2.混合物混合物含汽率变化，两相流速不同，汽泡趋中效应含汽率变化，两相流速不同，汽泡趋中效应3.两相流流型不同两相流流型不同 流动阻力和传热机理不同流动阻力和传热机理不同4.流速大小与传热强弱不同流速大小与传热强弱不同 影响流型影响流型a b c d(
5、a)泡状流：汽水混合泡状流：汽水混合物中含汽率较小时，物中含汽率较小时，蒸汽呈细小的汽泡，蒸汽呈细小的汽泡，主要在管子中心局部主要在管子中心局部向上运动。向上运动。(b)弹状流：含汽率增弹状流：含汽率增大，汽泡开始合并成大，汽泡开始合并成弹状大汽泡，形成阻弹状大汽泡，形成阻力较小的汽弹。力较小的汽弹。.1.汽水混合物在垂直管中上升运动：汽水混合物在垂直管中上升运动：2.混合物混合物含汽率变化，两相流速不同，汽泡趋中效应含汽率变化，两相流速不同，汽泡趋中效应3.两相流流型不同两相流流型不同 流动阻力和传热机理不同流动阻力和传热机理不同4.流速大小与传热强弱不同流速大小与传热强弱不同 影响流型影响
6、流型a b c d(c)环状流：含汽率继环状流：含汽率继续增大，弹状汽泡集续增大，弹状汽泡集合成汽柱并沿着管子合成汽柱并沿着管子中心流动，而水那么中心流动，而水那么呈环状水膜沿管壁流呈环状水膜沿管壁流动。动。(d)雾状流：含汽率再雾状流：含汽率再增大，管壁上水膜变增大，管壁上水膜变薄，汽流将水膜撕破薄，汽流将水膜撕破成小水滴分布于蒸汽成小水滴分布于蒸汽流中被带走，汽水形流中被带走，汽水形成雾状混合物。成雾状混合物。.2.汽水混合物在水平管中的运动：汽水混合物在水平管中的运动：在浮力作用下，形成管子上部蒸汽偏多的不对称流动结构。在浮力作用下，形成管子上部蒸汽偏多的不对称流动结构。随着流速减小，流
7、动结构的不对称性增加。当流速小到一随着流速减小，流动结构的不对称性增加。当流速小到一定程度时，形成分层流动。管子上部与蒸汽接触，管壁温定程度时，形成分层流动。管子上部与蒸汽接触，管壁温度升高，可能过热损坏；在汽水分层的交界面处，由于汽度升高，可能过热损坏；在汽水分层的交界面处，由于汽水波动，可能产生疲劳损坏水波动，可能产生疲劳损坏。汽水混合物流速汽水混合物流速，含汽率，含汽率，管子的倾角，管子的倾角，汽水分层越，汽水分层越易发生。对自然循环锅炉，管子倾角应大于易发生。对自然循环锅炉，管子倾角应大于30，且尽量，且尽量防止使用水平管，以防止发生分层流动。直流锅炉，一般防止使用水平管，以防止发生分
8、层流动。直流锅炉，一般采用提高流速的方法防止汽水分层。采用提高流速的方法防止汽水分层。.二、蒸发管内的传热二、蒸发管内的传热1.垂直蒸发管内的流型与传热的关系垂直蒸发管内的流型与传热的关系2.在蒸发过程的各个阶段，蒸发管在蒸发过程的各个阶段，蒸发管内的流型不断变化，随流型不同流内的流型不断变化，随流型不同流体与管壁的换热方式也不同，即管体与管壁的换热方式也不同，即管内流体的内流体的放热系数放热系数不断变化。不断变化。放热放热系数越大，管壁温度越接近工质温系数越大，管壁温度越接近工质温度度。图：垂直上升蒸发管中两图：垂直上升蒸发管中两相流型和传热工况的关系相流型和传热工况的关系.不同负荷时放热系
9、数与不同负荷时放热系数与x的关系的关系2.蒸发管内的传热恶化蒸发管内的传热恶化AB单相水对流传热；单相水对流传热；BC过冷核过冷核态沸腾；态沸腾；CD饱和核态沸腾；饱和核态沸腾；DE强制水膜对流传热段；强制水膜对流传热段；EF传热恶传热恶化；化；FG含水缺乏段含水缺乏段 第一类传热恶化：第一类传热恶化：因为因为膜态沸腾膜态沸腾引起的传热引起的传热恶化。当热负荷很高，管恶化。当热负荷很高，管内壁汽化核心急剧增加，内壁汽化核心急剧增加，形成连续的汽膜，导致对形成连续的汽膜，导致对流放热系数急剧下降，管流放热系数急剧下降，管壁得不到液体冷却而超温壁得不到液体冷却而超温破坏。其直接原因是破坏。其直接原
10、因是热负热负荷过高荷过高。把出现第一类传。把出现第一类传热恶化时的热负荷称为临热恶化时的热负荷称为临界热负荷界热负荷qcr。.不同负荷时放热系数与不同负荷时放热系数与x的关系的关系2.蒸发管内的传热恶化蒸发管内的传热恶化AB单相水对流传热；单相水对流传热；BC过冷核过冷核态沸腾；态沸腾；CD饱和核态沸腾；饱和核态沸腾；DE强制水膜对流传热段；强制水膜对流传热段；EF传热恶传热恶化；化；FG含水缺乏段含水缺乏段第二类传热恶化：因为第二类传热恶化：因为蒸干引起的传热恶化。热蒸干引起的传热恶化。热负荷比前者低，但含汽率负荷比前者低，但含汽率很高时，汽流将水膜撕破很高时，汽流将水膜撕破或因蒸发使水膜局
11、部或全或因蒸发使水膜局部或全部消失，管壁直接与蒸汽部消失，管壁直接与蒸汽接触而得不到液体的足够接触而得不到液体的足够冷却。其直接原因是含汽冷却。其直接原因是含汽率过高。把出现第二类传率过高。把出现第二类传热恶化时的含汽率称为临热恶化时的含汽率称为临界含汽率界含汽率xcr。.传热恶化时，工质与管壁间的放热系数急剧传热恶化时，工质与管壁间的放热系数急剧下降，导致管壁温度剧增，可能烧坏管子。同时下降，导致管壁温度剧增，可能烧坏管子。同时还会导致管壁温度发生波动，造成金属疲劳损坏。还会导致管壁温度发生波动，造成金属疲劳损坏。第一类传热恶化，防止受热面热负荷过高，第一类传热恶化，防止受热面热负荷过高，即
12、可防止第一类传热恶化。第二类传热恶化，对即可防止第一类传热恶化。第二类传热恶化，对自然循环锅炉，只要保证蒸发管出口含汽率不至自然循环锅炉，只要保证蒸发管出口含汽率不至过高，即可防止；但对直流锅炉，蒸发管内出现过高，即可防止；但对直流锅炉，蒸发管内出现含水缺乏的状况不可防止，因此无法防止第二类含水缺乏的状况不可防止，因此无法防止第二类传热恶化，只能设法减少传热恶化时壁温的上升传热恶化，只能设法减少传热恶化时壁温的上升幅度。幅度。.三、两相流的流动参数三、两相流的流动参数汽液两相流体流动模型汽液两相流体流动模型均相模型：假定在管内汽水是均匀混合均相模型：假定在管内汽水是均匀混合的，水和汽之间无相对
13、速度，只考虑的，水和汽之间无相对速度，只考虑汽水比体积的不同。是研究汽液两相汽水比体积的不同。是研究汽液两相流动的根底。流动的根底。分流模型：假定管内汽水混合物分开流分流模型：假定管内汽水混合物分开流动，汽在管子中央流动，水贴近壁面动，汽在管子中央流动，水贴近壁面流动；汽水之间有相对速度。蒸发管流动；汽水之间有相对速度。蒸发管内的流型主要为泡状流、环状流，因内的流型主要为泡状流、环状流，因此分流模型更接近蒸发管内的真实流此分流模型更接近蒸发管内的真实流动情况。动情况。分流模型分流模型.2.汽液两相流的特征参数汽液两相流的特征参数流量流量质量流量质量流量G(kg/s)=进入上升管的循环流量进入上
14、升管的循环流量M0=上升管中蒸汽流量上升管中蒸汽流量D+饱和水流量饱和水流量M容积流量容积流量V(m3/s)=水容积流量水容积流量V+蒸汽容积流量蒸汽容积流量V流速流速质量流速质量流速w：单位时间内流经单位流通截面的工质质量。单位时间内流经单位流通截面的工质质量。循环循环流速流速w0：循环回路中水在饱和温度下按上升管入口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。截面计算的水流速度。.折算流速：折算流速：假定流过的汽水混合物中的蒸汽假定流过的汽水混合物中的蒸汽/水占水占有管子全部截面时，计算所得的蒸汽有管子全部截面时，计算所得的蒸汽/水流速称为水流速称为该截面的蒸汽该截面的蒸汽/水
15、折算流速。水折算流速。混合物混合物流速流速wm：汽水混合物均匀混合时，单位时间汽水混合物均匀混合时，单位时间内流过单位截面积的混合物容积。内流过单位截面积的混合物容积。.真实流速：按分流模型计算出的汽真实流速：按分流模型计算出的汽/水水流速。流速。汽水滑动比汽水滑动比S：汽水两相真实流速之：汽水两相真实流速之比。比。S1：ww，为汽水混合物向上流动，为汽水混合物向上流动S1：wG1G2比方：给水量减小，比方：给水量减小，开始沸腾点前移，开始沸腾点前移，加热水段长度加热水段长度L1缩小，蒸发段长度缩小，蒸发段长度L2也缩小，锅炉也缩小，锅炉受热管总长度不变，受热管总长度不变，过热段长度过热段长度
16、L3相相对增大，过热汽温对增大，过热汽温上升。上升。.b.燃料、给水和空气的自动控制及调节要求较高：直流锅燃料、给水和空气的自动控制及调节要求较高：直流锅炉的水容积及相应蓄热能力小，对负荷变动较敏感；工炉的水容积及相应蓄热能力小，对负荷变动较敏感；工质预热、蒸发和过热段间无固定界限，假设燃水比失调质预热、蒸发和过热段间无固定界限，假设燃水比失调那么不能保证供给合格蒸汽。那么不能保证供给合格蒸汽。c.无自补偿能力：蒸发受热面可能出现流动不稳定、脉动无自补偿能力：蒸发受热面可能出现流动不稳定、脉动等问题。等问题。d.无法防止第二类传热恶化，管壁可能超温破坏：直流锅无法防止第二类传热恶化，管壁可能超温破坏：直流锅炉蒸发受热面中，水从沸腾一直到完全蒸发，蒸发受热炉蒸发受热面中，水从沸腾一直到完全蒸发，蒸发受热面出口含汽率很高，第二类传热恶化无法防止。面出口含汽率很高，第二类传热恶化无法防止。e.对给水品质要求很高：无汽包不能进行连续排污，因此对给水品质要求很高：无汽包不能进行连续排污，因此对给水品质要求很高。对给水品质要求很高。f.给水泵压头要求较高，消耗电能较大。给水泵压头要求较高，消耗电能
