第8章 鍋爐水動(dòng)力特性

1、第八章第八章 鍋爐水動(dòng)力特性與傳熱鍋爐水動(dòng)力特性與傳熱v 鍋爐水動(dòng)力學(xué)的研究任務(wù)是研究鍋爐鍋爐水動(dòng)力學(xué)的研究任務(wù)是研究鍋爐蒸發(fā)受熱面蒸發(fā)受熱面的的水動(dòng)力特性，水動(dòng)力特性，保證鍋爐水循環(huán)的可靠性保證鍋爐水循環(huán)的可靠性。為了使鍋爐安。為了使鍋爐安全可靠運(yùn)行，所有受熱面都應(yīng)受到工質(zhì)足夠的冷卻，以全可靠運(yùn)行，所有受熱面都應(yīng)受到工質(zhì)足夠的冷卻，以保證金屬壁溫不超過所用鋼材的允許工作溫度。通過鍋保證金屬壁溫不超過所用鋼材的允許工作溫度。通過鍋爐水動(dòng)力研究，可以得到鍋爐內(nèi)部工質(zhì)（水、蒸汽及汽爐水動(dòng)力研究，可以得到鍋爐內(nèi)部工質(zhì)（水、蒸汽及汽水混合物）的水動(dòng)力特性及流動(dòng)阻力。水混合物）的水動(dòng)力特性及流動(dòng)阻力。在

2、鍋爐的受熱面中，省煤器中流動(dòng)的工質(zhì)為在鍋爐的受熱面中，省煤器中流動(dòng)的工質(zhì)為單相單相流流體水，過熱器中工質(zhì)為體水，過熱器中工質(zhì)為單相單相流體蒸汽，惟有蒸發(fā)受熱面流體蒸汽，惟有蒸發(fā)受熱面水冷壁上升管中流動(dòng)的工質(zhì)為水冷壁上升管中流動(dòng)的工質(zhì)為汽水混合物汽水混合物。在上升管受。在上升管受熱過程中，汽液兩相比例不斷變化，并且兩相之間存在熱過程中，汽液兩相比例不斷變化，并且兩相之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使管內(nèi)汽液兩相流體的流動(dòng)規(guī)律比單相流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使管內(nèi)汽液兩相流體的流動(dòng)規(guī)律比單相流體流動(dòng)復(fù)雜的多，且汽相與液相在傳熱過程中的性質(zhì)也不流動(dòng)復(fù)雜的多，且汽相與液相在傳熱過程中的性質(zhì)也不同，因此必須首先研究汽液兩相流體的

3、流動(dòng)與傳熱特性。同，因此必須首先研究汽液兩相流體的流動(dòng)與傳熱特性。v 一、管內(nèi)汽液兩相流體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)一、管內(nèi)汽液兩相流體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)汽泡趨中效應(yīng)：汽泡趨中效應(yīng)：蒸汽密度比水小，在蒸汽密度比水小，在上升兩相流上升兩相流中，在相同壓力的作用下，汽泡的上升速度比水中，在相同壓力的作用下，汽泡的上升速度比水快，水在管中流動(dòng)的速度分布是中間大，外側(cè)小。快，水在管中流動(dòng)的速度分布是中間大，外側(cè)小。如果汽泡在靠近管邊處，汽水相對(duì)速度大，阻力如果汽泡在靠近管邊處，汽水相對(duì)速度大，阻力大；而汽泡若在管中間則阻力小。汽泡總是往阻大；而汽泡若在管中間則阻力小。汽泡總是往阻力小的地方運(yùn)動(dòng)，所以在上升管中，汽泡都向管力小

4、的地方運(yùn)動(dòng)，所以在上升管中，汽泡都向管中間運(yùn)動(dòng)。中間運(yùn)動(dòng)。思考：思考：對(duì)于對(duì)于下降兩相流下降兩相流，汽泡如何運(yùn)動(dòng)？，汽泡如何運(yùn)動(dòng)？ 汽水混合物在垂直管中上升運(yùn)動(dòng)：汽水混合物在垂直管中上升運(yùn)動(dòng)： 混合物含汽率變化，兩相流速不同，汽泡趨中效應(yīng)混合物含汽率變化，兩相流速不同，汽泡趨中效應(yīng) 兩相流流型不同兩相流流型不同 流動(dòng)阻力和傳熱機(jī)理不同流動(dòng)阻力和傳熱機(jī)理不同 流速大小與傳熱強(qiáng)弱不同流速大小與傳熱強(qiáng)弱不同 影響流型影響流型（a） （b） （c） （d）(a)泡狀流：泡狀流：汽水混合汽水混合物中含汽率較小時(shí)，物中含汽率較小時(shí)，蒸汽呈細(xì)小的汽泡，蒸汽呈細(xì)小的汽泡，主要在管子中心部分主要在管子中心部分向

5、上運(yùn)動(dòng)。向上運(yùn)動(dòng)。(b)彈狀流：彈狀流：含汽率增含汽率增大，汽泡開始合并成大，汽泡開始合并成彈狀大汽泡，形成阻彈狀大汽泡，形成阻力較小的汽彈。力較小的汽彈。 汽水混合物在垂直管中上升運(yùn)動(dòng)：汽水混合物在垂直管中上升運(yùn)動(dòng)： 混合物含汽率變化，兩相流速不同，汽泡趨中效應(yīng)混合物含汽率變化，兩相流速不同，汽泡趨中效應(yīng) 兩相流流型不同兩相流流型不同 流動(dòng)阻力和傳熱機(jī)理不同流動(dòng)阻力和傳熱機(jī)理不同 流速大小與傳熱強(qiáng)弱不同流速大小與傳熱強(qiáng)弱不同 影響流型影響流型（a） （b） （c） （d）(c)環(huán)狀流：環(huán)狀流：含汽率繼含汽率繼續(xù)增大，彈狀汽泡匯續(xù)增大，彈狀汽泡匯合成汽柱并沿著管子合成汽柱并沿著管子中心流動(dòng)，而

6、水則呈中心流動(dòng)，而水則呈環(huán)狀水膜沿管壁流動(dòng)。環(huán)狀水膜沿管壁流動(dòng)。(d)霧狀流：霧狀流：含汽率再含汽率再增大，管壁上水膜變?cè)龃?，管壁上水膜變薄，汽流將水膜撕破薄，汽流將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帶走，汽水形流中被帶走，汽水形成霧狀混合物。成霧狀混合物。 2. 汽水混合物在水平管中的運(yùn)動(dòng)：汽水混合物在水平管中的運(yùn)動(dòng)：在浮力作用下，形成管子在浮力作用下，形成管子上部蒸汽偏多的不對(duì)稱流動(dòng)結(jié)構(gòu)上部蒸汽偏多的不對(duì)稱流動(dòng)結(jié)構(gòu)。隨著流速減小，流動(dòng)結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性增加。當(dāng)流速小到一隨著流速減小，流動(dòng)結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性增加。當(dāng)流速小到一定程度時(shí)，形成定程度時(shí)，形成分層分層流動(dòng)。管子上部與蒸汽接觸

7、，管壁溫流動(dòng)。管子上部與蒸汽接觸，管壁溫度升高，可能過熱損壞；在汽水分層的交界面處，由于汽度升高，可能過熱損壞；在汽水分層的交界面處，由于汽水波動(dòng)，可能產(chǎn)生疲勞損壞水波動(dòng)，可能產(chǎn)生疲勞損壞 。汽水混合物汽水混合物流速流速，含汽率，含汽率，管子的傾角，管子的傾角 ，汽水分層越，汽水分層越易發(fā)生。對(duì)自然循環(huán)鍋爐，管子傾角應(yīng)大于易發(fā)生。對(duì)自然循環(huán)鍋爐，管子傾角應(yīng)大于30 ，且盡量避，且盡量避免使用水平管，以防止發(fā)生分層流動(dòng)。直流鍋爐，一般采免使用水平管，以防止發(fā)生分層流動(dòng)。直流鍋爐，一般采用提高流速的方法防止汽水分層。用提高流速的方法防止汽水分層。二、蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱二、蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱 垂直蒸發(fā)管內(nèi)的

8、流型與傳熱的關(guān)系垂直蒸發(fā)管內(nèi)的流型與傳熱的關(guān)系1. 在蒸發(fā)過程的各個(gè)階段，蒸發(fā)管在蒸發(fā)過程的各個(gè)階段，蒸發(fā)管內(nèi)的流型不斷變化，隨流型不同流內(nèi)的流型不斷變化，隨流型不同流體與管壁的換熱方式也不同，即管體與管壁的換熱方式也不同，即管內(nèi)流體的內(nèi)流體的放熱系數(shù)放熱系數(shù)不斷變化。不斷變化。放熱放熱系數(shù)越大，管壁溫度越接近工質(zhì)溫系數(shù)越大，管壁溫度越接近工質(zhì)溫度度。圖：垂直上升蒸發(fā)管中兩圖：垂直上升蒸發(fā)管中兩相流型和傳熱工況的關(guān)系相流型和傳熱工況的關(guān)系不同負(fù)荷時(shí)放熱系數(shù)與不同負(fù)荷時(shí)放熱系數(shù)與x的關(guān)系的關(guān)系2. 蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱惡化蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱惡化AB單相水對(duì)流傳熱；單相水對(duì)流傳熱；BC過冷核過冷核態(tài)沸騰；態(tài)

9、沸騰；CD飽和核態(tài)沸騰；飽和核態(tài)沸騰；DE強(qiáng)制水膜對(duì)流傳熱段；強(qiáng)制水膜對(duì)流傳熱段；EF傳熱傳熱惡化；惡化；FG含水不足段含水不足段 第一類傳熱惡化：第一類傳熱惡化：因?yàn)橐驗(yàn)槟B(tài)沸騰膜態(tài)沸騰引起的傳引起的傳熱惡化。當(dāng)熱負(fù)荷很高，熱惡化。當(dāng)熱負(fù)荷很高，管內(nèi)壁汽化核心急劇增管內(nèi)壁汽化核心急劇增加，形成連續(xù)的汽膜，加，形成連續(xù)的汽膜，導(dǎo)致對(duì)流放熱系數(shù)急劇導(dǎo)致對(duì)流放熱系數(shù)急劇下降，管壁得不到液體下降，管壁得不到液體冷卻而超溫破壞。其直冷卻而超溫破壞。其直接原因是接原因是熱負(fù)荷過高熱負(fù)荷過高。把出現(xiàn)第一類傳熱惡化把出現(xiàn)第一類傳熱惡化時(shí)的熱負(fù)荷稱為臨界熱時(shí)的熱負(fù)荷稱為臨界熱負(fù)荷負(fù)荷qcr。不同負(fù)荷時(shí)放熱系數(shù)

10、與不同負(fù)荷時(shí)放熱系數(shù)與x的關(guān)系的關(guān)系2. 蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱惡化蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱惡化AB單相水對(duì)流傳熱；單相水對(duì)流傳熱；BC過冷核過冷核態(tài)沸騰；態(tài)沸騰；CD飽和核態(tài)沸騰；飽和核態(tài)沸騰；DE強(qiáng)制水膜對(duì)流傳熱段；強(qiáng)制水膜對(duì)流傳熱段；EF傳熱傳熱惡化；惡化；FG含水不足段含水不足段第二類傳熱惡化：第二類傳熱惡化：因?yàn)橐驗(yàn)檎舾烧舾梢鸬膫鳠釔夯?。引起的傳熱惡化。熱?fù)荷比前者低，但含熱負(fù)荷比前者低，但含汽率很高時(shí)，汽流將水汽率很高時(shí)，汽流將水膜撕破或因蒸發(fā)使水膜膜撕破或因蒸發(fā)使水膜部分或全部消失，管壁部分或全部消失，管壁直接與蒸汽接觸而得不直接與蒸汽接觸而得不到液體的足夠冷卻。其到液體的足夠冷卻。其直接原因是

11、直接原因是含汽率過高含汽率過高。把出現(xiàn)第二類傳熱惡化把出現(xiàn)第二類傳熱惡化時(shí)的含汽率稱為臨界含時(shí)的含汽率稱為臨界含汽率汽率xcr。傳熱惡化時(shí)，工質(zhì)與管壁間的放熱系數(shù)急劇傳熱惡化時(shí)，工質(zhì)與管壁間的放熱系數(shù)急劇下降，導(dǎo)致管壁溫度劇增，可能下降，導(dǎo)致管壁溫度劇增，可能燒壞管子燒壞管子。同時(shí)。同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致管壁溫度發(fā)生波動(dòng)，造成還會(huì)導(dǎo)致管壁溫度發(fā)生波動(dòng)，造成金屬疲勞損壞金屬疲勞損壞。第一類傳熱惡化第一類傳熱惡化，防止受熱面熱負(fù)荷過高，防止受熱面熱負(fù)荷過高，即可避免第一類傳熱惡化。即可避免第一類傳熱惡化。第二類傳熱惡化第二類傳熱惡化，對(duì)，對(duì)自然循環(huán)鍋爐，只要保證蒸發(fā)管出口含汽率不至自然循環(huán)鍋爐，只要保證蒸發(fā)

12、管出口含汽率不至過高，即可避免；但對(duì)直流鍋爐，蒸發(fā)管內(nèi)出現(xiàn)過高，即可避免；但對(duì)直流鍋爐，蒸發(fā)管內(nèi)出現(xiàn)含水不足的狀況不可避免，因此含水不足的狀況不可避免，因此無法防止無法防止第二類第二類傳熱惡化，只能設(shè)法減少傳熱惡化時(shí)壁溫的上升傳熱惡化，只能設(shè)法減少傳熱惡化時(shí)壁溫的上升幅度。幅度。三、兩相流的流動(dòng)參數(shù)三、兩相流的流動(dòng)參數(shù) 汽液兩相流體流動(dòng)模型汽液兩相流體流動(dòng)模型均相模型：均相模型：假定在管內(nèi)汽水是均勻混假定在管內(nèi)汽水是均勻混合的，合的，水和汽之間無相對(duì)速度水和汽之間無相對(duì)速度，只考，只考慮汽水比體積的不同。是研究汽液兩慮汽水比體積的不同。是研究汽液兩相流動(dòng)的基礎(chǔ)。相流動(dòng)的基礎(chǔ)。1. 分流模型：分

13、流模型：假定管內(nèi)汽水混合物分開假定管內(nèi)汽水混合物分開流動(dòng)，汽在管子中央流動(dòng)，水貼近壁流動(dòng)，汽在管子中央流動(dòng)，水貼近壁面流動(dòng)；面流動(dòng)；汽水之間有相對(duì)速度汽水之間有相對(duì)速度。蒸發(fā)。蒸發(fā)管內(nèi)的流型主要為泡狀流、環(huán)狀流，管內(nèi)的流型主要為泡狀流、環(huán)狀流，因此分流模型更接近蒸發(fā)管內(nèi)的因此分流模型更接近蒸發(fā)管內(nèi)的真實(shí)真實(shí)流動(dòng)情況。流動(dòng)情況。分流模型分流模型2. 汽液兩相流的特征參數(shù)汽液兩相流的特征參數(shù)流量流量 質(zhì)量流量質(zhì)量流量G (kg/s) = 進(jìn)入上升管的循環(huán)流量進(jìn)入上升管的循環(huán)流量M0 = 上升管中蒸汽流量上升管中蒸汽流量D + 飽和水流量飽和水流量M 容積流量容積流量V (m3/s) = 水容積流量

14、水容積流量V + 蒸汽容積流量蒸汽容積流量V流速流速 質(zhì)量流速質(zhì)量流速w ：單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)單位流通截面的工質(zhì)質(zhì)單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)單位流通截面的工質(zhì)質(zhì)量。量。 循環(huán)循環(huán)流速流速w0：循環(huán)回路中水在飽和溫度下按上升管入口循環(huán)回路中水在飽和溫度下按上升管入口截面計(jì)算的水流速度。截面計(jì)算的水流速度。2 kg/(m s)GwF0= m/sGwwF折算流速：折算流速：假定流過的汽水混合物中的蒸汽假定流過的汽水混合物中的蒸汽/ /水占水占有管子全部截面時(shí)，計(jì)算所得的蒸汽有管子全部截面時(shí)，計(jì)算所得的蒸汽/ /水流速稱為水流速稱為該截面的蒸汽該截面的蒸汽/ /水折算流速。水折算流速?；旌衔锘旌衔锪魉倭魉賥m：汽水混

15、合物均勻混合時(shí)，單位時(shí)汽水混合物均勻混合時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)流過單位截面積的混合物容積。間內(nèi)流過單位截面積的混合物容積。00 m/s m/sDVwFFGDVwFF00 m/smVVwwwF真實(shí)流速：真實(shí)流速：按按分流模型分流模型計(jì)算出的汽計(jì)算出的汽/水水流速。流速。汽水滑動(dòng)比汽水滑動(dòng)比S：汽水兩相真實(shí)流速之比。汽水兩相真實(shí)流速之比。 S1：ww，為汽水混合物向上流動(dòng)，為汽水混合物向上流動(dòng) S1：wG1G2）比如：給水量減比如：給水量減小，開始沸騰點(diǎn)小，開始沸騰點(diǎn)前移，加熱水段前移，加熱水段長度長度L1縮小，蒸發(fā)縮小，蒸發(fā)段長度段長度L2也縮小，也縮小，鍋爐受熱管總長鍋爐受熱管總長度不變，過熱段度不變

16、，過熱段長度長度L3相對(duì)增大，相對(duì)增大，過熱汽溫上升。過熱汽溫上升。b. 燃料、給水和空氣的自動(dòng)控制及調(diào)節(jié)要求較高：燃料、給水和空氣的自動(dòng)控制及調(diào)節(jié)要求較高：直流鍋直流鍋爐的水容積及相應(yīng)蓄熱能力小，對(duì)負(fù)荷變動(dòng)較敏感；工爐的水容積及相應(yīng)蓄熱能力小，對(duì)負(fù)荷變動(dòng)較敏感；工質(zhì)預(yù)熱、蒸發(fā)和過熱段間無固定界限，若燃水比失調(diào)則質(zhì)預(yù)熱、蒸發(fā)和過熱段間無固定界限，若燃水比失調(diào)則不能保證供給合格蒸汽。不能保證供給合格蒸汽。c. 無自補(bǔ)償能力：無自補(bǔ)償能力：蒸發(fā)受熱面可能出現(xiàn)流動(dòng)不穩(wěn)定、脈動(dòng)蒸發(fā)受熱面可能出現(xiàn)流動(dòng)不穩(wěn)定、脈動(dòng)等問題。等問題。d. 無法避免第二類傳熱惡化，管壁可能超溫破壞：無法避免第二類傳熱惡化，管壁

17、可能超溫破壞：直流鍋直流鍋爐蒸發(fā)受熱面中，水從沸騰一直到完全蒸發(fā)，蒸發(fā)受熱爐蒸發(fā)受熱面中，水從沸騰一直到完全蒸發(fā)，蒸發(fā)受熱面出口含汽率很高，第二類傳熱惡化無法避免。面出口含汽率很高，第二類傳熱惡化無法避免。e. 對(duì)給水品質(zhì)要求很高：對(duì)給水品質(zhì)要求很高：無汽包不能進(jìn)行連續(xù)排污，因此無汽包不能進(jìn)行連續(xù)排污，因此對(duì)給水品質(zhì)要求很高。對(duì)給水品質(zhì)要求很高。f. 給水泵壓頭要求較高，消耗電能較大。給水泵壓頭要求較高，消耗電能較大。復(fù)合循環(huán)與控制循環(huán)的區(qū)別：復(fù)合循環(huán)與控制循環(huán)的區(qū)別：沒有汽包，代之以簡單的汽水沒有汽包，代之以簡單的汽水分離器。分離器。復(fù)合循環(huán)與直流鍋爐的區(qū)別：復(fù)合循環(huán)與直流鍋爐的區(qū)別：在省煤

18、器和水冷壁之間裝設(shè)循在省煤器和水冷壁之間裝設(shè)循環(huán)泵等，依靠循環(huán)泵壓頭將蒸環(huán)泵等，依靠循環(huán)泵壓頭將蒸發(fā)受熱面出口的部分或全部工發(fā)受熱面出口的部分或全部工質(zhì)進(jìn)行再循環(huán)，蒸發(fā)系統(tǒng)中除質(zhì)進(jìn)行再循環(huán)，蒸發(fā)系統(tǒng)中除了了直流流量直流流量外，還有循環(huán)泵提外，還有循環(huán)泵提供的供的循環(huán)流量循環(huán)流量。3. 復(fù)合循環(huán)鍋爐復(fù)合循環(huán)鍋爐復(fù)合循環(huán)鍋爐工作原理：復(fù)合循環(huán)鍋爐工作原理：依靠循環(huán)泵的壓頭將蒸發(fā)受依靠循環(huán)泵的壓頭將蒸發(fā)受熱面出口的部分或全部工質(zhì)進(jìn)行再循環(huán)的鍋爐。熱面出口的部分或全部工質(zhì)進(jìn)行再循環(huán)的鍋爐。復(fù)合循環(huán)示意圖復(fù)合循環(huán)示意圖復(fù)合循環(huán)鍋爐包括復(fù)合循環(huán)鍋爐包括全負(fù)荷復(fù)合循環(huán)鍋爐全負(fù)荷復(fù)合循環(huán)鍋爐和和部分負(fù)荷復(fù)部分負(fù)荷復(fù)合循環(huán)鍋爐合循環(huán)鍋爐兩種。兩種。全負(fù)荷復(fù)合循環(huán)鍋爐：全負(fù)荷復(fù)合循環(huán)鍋爐：又稱又稱低倍率循環(huán)鍋爐低倍率循