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1、锅炉过热器、再热器型布置流动机理研究 摘要 应用动量守恒原理，建立了U型过热器、再热器的理论模型，获得了包括结构尺寸和流动因子的特征参数。依据M，U型过热器、再热器流动可分为三种状态，并依据实验数据，提出了U型过热器、再热器流量均布设计的基本原则和提高方向。 关键词 过热器再热器 流量均布 分支流 符号表 D-直箱直径 f-摩擦系数 F-集箱横截面 Fc支管截面 -支管阻力系数 k动量交换系数 L集箱长度 M-特征参数 n孔数p-集箱内静压-支管流速 -集箱内轴向速度 wo入口速度 wx任意点速度 wc孔出流带出的轴向速度分量 -轴向坐标(-流动密度 （(-壁面切应力 上标:-汇流 引言 在大
2、型电站锅炉中,过热器、再热器并联管组常使用U布置。这种U型过热器、再热器并联管组的流量偏差，主要来自两方面原因:烟气侧受热偏差和蒸汽侧水动力偏差。相对来说,烟气侧受热偏差受到了研究者的普遍重视，而蒸汽侧的研究却相对较少1,成为近年来过热器、再热器超温管爆管的主要原因之一。因此，在大型电站锅炉设计中，U型布置的过热器、再热器的操作工况、经济性、安全性等，在很大程度上取决于水动力计算方法的合理性。 在过去的0多年里,过热器、再热器的水动力特性正逐渐受到研究者者的重视,已分别研究了分、汇流集箱内的流动机理。显然,进一步的研究应考虑集箱的布置形式。但这方面的研究开始较晚,美国学者Bau-ra做了这方面
3、开创性的工作。然而，Bjura的计算模型过于复杂，计算过程繁琐，必须应用计算机计算。本文引入化工中的类似模型扩展应用于锅炉过热器、再热器型布置的计算。类似文献，获得了较简单的、便于工程应用的计算结果。 理论类型 型布置的过热器、再热器通常有两个集箱组成，如图1所示。因此,理论模型的建立依赖于建立分流、汇流集箱的理论模型。在建立理论模型前，我们先做以下假设:(）分流、汇流集箱内流体流动是一维、不可压的；(2）集箱是等截面;(3)各支管间的间距相等,并且各支管是等截面、等长度的；（4)在分流集箱中，流体在入口处速度最大，在封闭处速度为零;而在汇流集箱中,正好相反。 2.1分流集箱 取如图所示支管附
4、近微远控制体,并按质量和动量守恒建立方程组。 图2分流集箱微元控制体 (1)质量守恒 (（(+(/dx)dx)+(c 即：u=-F/Fcndw/dx （1） 其中，dx=L/n (2）动量守恒 轴向流体动量增加是轴向各力作用的结果,在微元控制体上，动量平衡: （F-(+(dx)d)F(d(F(（+（d/dx)dx）2-（F（2(Fu( 对圆截面集箱，管壁摩擦力(（=(（(2/8）,忽略dx的高阶微量,方程简化为: 1/(d（/dx+（/(2+2（/d+Fu/FL(c= () （c表示支管分流带走的流体轴向分量，其大小依赖于管尺寸和支管所处的位置，可大于或小于(，由此(可表示为: （c=(22k
5、）（ (3) 在锅炉设计中，k常称为动量交换系数。 将方程(1)和()代入方程（2),动量方程化简为: /(d(/x+(2(2+k(dw/dx=0 （4) 2.2汇流集箱 取如图3所示支管接头附近微元控制体。 图汇流集箱微元控制体 (1)质量守恒 (*（*=(*(*+（d/dx)dx)+(F*cu 令=L/，上式解得: =F*L/F（ w*/dx (） ()动量守恒 轴向流体动量增量是轴向各力作用的结果,在微元控制体上,作用着静压力和壁面摩擦力。按动量守恒可得: pF-（p(d（/dx)x)F*+（(*=(（(*+(d/dx)2-(F(2（F(*c 对圆截面多孔管,管壁摩擦力（*(=(*(*2
6、/)，忽略dx的高阶微量,方程简化为: /(d(/dx（(*/2D*)2（*dw*/x+(F/F*L)u(*c=0（6) (c表示支管分流带走的流体轴向分量,其大小依赖于管尺寸和支管所处的位置,可大于或小于(,由此(c*可表示为： (*c=(2-k)(*（) 在锅炉设计中，k*常称为动量交换系数。 将方程(5）和（7)代入方程(6）,动量方程化简为: (d(/dx-(*/2*）(*2+k*(*d/dx=(8) 由方程(1)和方程（)，可得： (=（F/F)( （3)支管方程 p-*=H(/2 (1) 由方程()减去方程(）,可得： 1（ d（p-*)/dx+1/2(/D+(*/D*(F/F*)
7、2(2-2k*(F/F*)22k(dw/dx= (11） 将方程()代入方程(10)，得： p-p*=2H(FL/Fn）2(dw/dx）n（12) 引入无量纲变量: Pp/（(20，=(0,Uu(,(L 代入方程(1）和(12),可得无量钢方程组: 1/( d(p-*)/x+1/2(/D+（*/D*(F/F*)Wk(FF）2-kdW/dX= (13) p-p*1/2H（Fcn)（ddX）2 (14) 3方程组的求稳 对锅炉过热器、再热器集箱，集箱长度相等集箱直径并不大，其摩擦作用相对于动量作用很小，所以,忽略摩擦项不会产生明显的误差。因此,方程(3)化为： d（p-p*)/dX2k（F/F*)
8、2-2kWdWx=0 () 把方程(14）代入方程(15），我们可获得两个常微分方程: 2W/d2-=0(16) dWDx=0(1) 其中 2=2k/Hk*/(FF*)-1(n/F)2 方程(1a)表示过热器、再热器内无流体流动。方程(6)的解依赖于M2的符号。型过热器、再热器的边界条件为： 在=0时,=;在X=时,=0. 按M2的不同，我们可得到以下三种流动状况: (1)M20，或k*k(F/*)2 方程(6)的解为: CeMX+C2-MX 代入边界条件,可确定积分常数1和C2。由此,我们可获得方程的特解： W=em(1-x)e-m(1-x)/m-e-m=shM(1X)sh (7) 将方程(
9、17）代入方程(9)，可得： =（F/F*)=(F/F*）h(-X)/hM(8) 考虑方程(4)和（)，在忽略摩擦项后,从0到X积分,可得： P-P0=k1-sh2M(1-X)(19) P*-P*0=*(F/F*）1-sh2M(1-)h (20) p-*=H/2(F/c)2M2ch(1-X）/sh2M kk/k（/F*)2-ch2(1- ）/sh (21） (2)m20,或k*(F/F)21 在此情况下，方程(16)化简为: d2W/X20 (22) 从0到X积分上述方程,方程为通释为： W1-X (3) 应用上述的边界条件,分流和汇流集箱的速度分布为： W*=F*(1-X) (2) 代入动量方程（4）和(8)，在忽略摩擦项后，从0到积分，我们可得分流、汇流集箱的静压分布: P-P0=*0=(2X)(25) 将方程(3)代入方程(4),可得: p-p*=H/2(F/nFc)2 (2) (3)M2 令M12-M2,解方程（1),分流和汇流集箱的速度分布为： W=sinM1（1X）/sin1 (27） W*(F*)=*F/*sinM1(-X)/sinM (8) 将方程(27）和(28）代入方程()和（8）,在忽略摩擦项后,从0到X积分,分别得到分流和汇流集箱的静压分布： p
