《鍋爐原理》課件-第8章-鍋爐水動(dòng)力特性

第八章鍋爐水動(dòng)力特性與傳熱

鍋爐水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)與計(jì)算強(qiáng)制流動(dòng)鍋爐第八章鍋爐水動(dòng)力特性與傳熱鍋爐水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)1鍋爐水動(dòng)力學(xué)的研究任務(wù)是研究鍋爐蒸發(fā)受熱面的水動(dòng)力特性，保證鍋爐水循環(huán)的可靠性。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，以保證金屬壁溫不超過(guò)所用鋼材的允許工作溫度。通過(guò)鍋爐水動(dòng)力研究，可以得到鍋爐內(nèi)部工質(zhì)（水、蒸汽及汽水混合物）的水動(dòng)力特性及流動(dòng)阻力。在鍋爐的受熱面中，省煤器中流動(dòng)的工質(zhì)為單相流體水，過(guò)熱器中工質(zhì)為單相流體蒸汽，惟有蒸發(fā)受熱面水冷壁上升管中流動(dòng)的工質(zhì)為汽水混合物。在上升管受熱過(guò)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)律比單相流體流動(dòng)復(fù)雜的多，且汽相與液相在傳熱過(guò)程中的性質(zhì)也不同，因此必須首先研究汽液兩相流體的流動(dòng)與傳熱特性。鍋爐水動(dòng)力學(xué)的研究任務(wù)是研究鍋爐蒸發(fā)受熱面的水動(dòng)力特性2

鍋爐水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)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)：蒸汽密度比水小，在上升兩相流中，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。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。汽泡總是往阻力小的地方運(yùn)動(dòng)，所以在上升管中，汽泡都向管中間運(yùn)動(dòng)。思考：對(duì)于下降兩相流，汽泡如何運(yùn)動(dòng)？鍋爐水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)一、管內(nèi)汽液兩相流體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)3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)兩相流流型不同流動(dòng)阻力和傳熱機(jī)理不同流速大小與傳熱強(qiáng)弱不同影響流型（a）（b）（c）（d）(a)泡狀流：汽水混合物中含汽率較小時(shí)，蒸汽呈細(xì)小的汽泡，主要在管子中心部分向上運(yùn)動(dòng)。(b)彈狀流：含汽率增大，汽泡開(kāi)始合并成彈狀大汽泡，形成阻力較小的汽彈。汽水混合物在垂直管中上升運(yùn)動(dòng)：（a）（b）4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)兩相流流型不同流動(dòng)阻力和傳熱機(jī)理不同流速大小與傳熱強(qiáng)弱不同影響流型（a）（b）（c）（d）(c)環(huán)狀流：含汽率繼續(xù)增大，彈狀汽泡匯合成汽柱并沿著管子中心流動(dòng)，而水則呈環(huán)狀水膜沿管壁流動(dòng)。(d)霧狀流：含汽率再增大，管壁上水膜變薄，汽流將水膜撕破成小水滴分布于蒸汽流中被帶走，汽水形成霧狀混合物。汽水混合物在垂直管中上升運(yùn)動(dòng)：（a）（b）52.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)流速小到一定程度時(shí)，形成分層流動(dòng)。管子上部與蒸汽接觸，管壁溫度升高，可能過(guò)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。汽水混合物流速↓，含汽率↑，管子的傾角↓，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30，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，一般采用提高流速的方法防止汽水分層。2.汽水混合物在水平管中的運(yùn)動(dòng)：6二、蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱垂直蒸發(fā)管內(nèi)的流型與傳熱的關(guān)系在蒸發(fā)過(guò)程的各個(gè)階段，蒸發(fā)管內(nèi)的流型不斷變化，隨流型不同流體與管壁的換熱方式也不同，即管內(nèi)流體的放熱系數(shù)不斷變化。放熱系數(shù)越大，管壁溫度越接近工質(zhì)溫度。圖：垂直上升蒸發(fā)管中兩相流型和傳熱工況的關(guān)系二、蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱圖：垂直上升蒸發(fā)管中兩相流型和傳熱工況的關(guān)7不同負(fù)荷時(shí)放熱系數(shù)與x的關(guān)系2.蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱惡化AB單相水對(duì)流傳熱；BC過(guò)冷核態(tài)沸騰；CD飽和核態(tài)沸騰；DE強(qiáng)制水膜對(duì)流傳熱段；EF傳熱惡化；FG含水不足段第一類傳熱惡化：因?yàn)槟B(tài)沸騰引起的傳熱惡化。當(dāng)熱負(fù)荷很高，管內(nèi)壁汽化核心急劇增加，形成連續(xù)的汽膜，導(dǎo)致對(duì)流放熱系數(shù)急劇下降，管壁得不到液體冷卻而超溫破壞。其直接原因是熱負(fù)荷過(guò)高。把出現(xiàn)第一類傳熱惡化時(shí)的熱負(fù)荷稱為臨界熱負(fù)荷qcr。不同負(fù)荷時(shí)放熱系數(shù)與x的關(guān)系2.蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱惡化AB單相8不同負(fù)荷時(shí)放熱系數(shù)與x的關(guān)系2.蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱惡化AB單相水對(duì)流傳熱；BC過(guò)冷核態(tài)沸騰；CD飽和核態(tài)沸騰；DE強(qiáng)制水膜對(duì)流傳熱段；EF傳熱惡化；FG含水不足段第二類傳熱惡化：因?yàn)檎舾梢鸬膫鳠釔夯?。熱?fù)荷比前者低，但含汽率很高時(shí)，汽流將水膜撕破或因蒸發(fā)使水膜部分或全部消失，管壁直接與蒸汽接觸而得不到液體的足夠冷卻。其直接原因是含汽率過(guò)高。把出現(xiàn)第二類傳熱惡化時(shí)的含汽率稱為臨界含汽率xcr。不同負(fù)荷時(shí)放熱系數(shù)與x的關(guān)系2.蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱惡化AB單相9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，可能燒壞管子。同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致管壁溫度發(fā)生波動(dòng)，造成金屬疲勞損壞。

第一類傳熱惡化，防止受熱面熱負(fù)荷過(guò)高，即可避免第一類傳熱惡化。第二類傳熱惡化，對(duì)自然循環(huán)鍋爐，只要保證蒸發(fā)管出口含汽率不至過(guò)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，因此無(wú)法防止第二類傳熱惡化，只能設(shè)法減少傳熱惡化時(shí)壁溫的上升幅度。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10三、兩相流的流動(dòng)參數(shù)汽液兩相流體流動(dòng)模型均相模型：假定在管內(nèi)汽水是均勻混合的，水和汽之間無(wú)相對(duì)速度，只考慮汽水比體積的不同。是研究汽液兩相流動(dòng)的基礎(chǔ)。分流模型：假定管內(nèi)汽水混合物分開(kāi)流動(dòng)，汽在管子中央流動(dòng)，水貼近壁面流動(dòng)；汽水之間有相對(duì)速度。蒸發(fā)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)的真實(shí)流動(dòng)情況。分流模型三、兩相流的流動(dòng)參數(shù)分流模型112.汽液兩相流的特征參數(shù)①流量質(zhì)量流量G(kg/s)=進(jìn)入上升管的循環(huán)流量M0

=上升管中蒸汽流量D+飽和水流量M容積流量V(m3/s)=水容積流量V’+蒸汽容積流量V’’②流速質(zhì)量流速ρw

：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)單位流通截面的工質(zhì)質(zhì)量。循環(huán)流速w0：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。2.汽液兩相流的特征參數(shù)12折算流速：假定流過(guò)的汽水混合物中的蒸汽/水占有管子全部截面時(shí)，計(jì)算所得的蒸汽/水流速稱為該截面的蒸汽/水折算流速?；旌衔锪魉賥m：汽水混合物均勻混合時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)單位截面積的混合物容積。折算流速：假定流過(guò)的汽水混合物中的蒸汽/水占有管子全部截面時(shí)13真實(shí)流速：按分流模型計(jì)算出的汽/水流速。

汽水滑動(dòng)比S：汽水兩相真實(shí)流速之比。S>1：w’’>w’，為汽水混合物向上流動(dòng)S<1：w’’<w’，為汽水混合物向下流動(dòng)S=1：w’’=w’，為均相流動(dòng)工況分流模型分流模型真實(shí)流速：按分流模型計(jì)算出的汽/水流速。分流模型分流模型14③含汽率質(zhì)量含汽率x：蒸汽質(zhì)量流量D與工質(zhì)總質(zhì)量流量G之比，也稱為蒸汽干度。容積含汽率β

：流經(jīng)管內(nèi)某一截面的蒸汽容積流量與汽水混合物總?cè)莘e流量之比。截面含汽率φ：在某一截面上，蒸汽所占截面積F’’與管子總截面積F之比（分流模型）。③含汽率15④密度流量密度ρm

：汽水混合物的質(zhì)量流量與體積流量之比。真實(shí)密度ρtr：流通截面上的工質(zhì)密度（分流模型）。分流模型④密度分流模型163.汽液兩相流的壓降工質(zhì)流經(jīng)某管段時(shí)，在進(jìn)出口截面1、2間的壓力降：3.汽液兩相流的壓降17①兩相流的摩擦阻力：除了汽水混合物與管壁的摩擦阻力，還有汽相與液相之間的相對(duì)速度引起的摩擦阻力，不同流型摩擦阻力也不相同。②兩相流的局部阻力：包括流經(jīng)管子彎頭、管子進(jìn)口、管子出口、閥門和分叉管時(shí)，因流動(dòng)方向改變或流通截面改變而產(chǎn)生的流動(dòng)阻力。①兩相流的摩擦阻力：除了汽水混合物與管壁的摩擦阻力，還有汽相18③流體加速壓降：流體在管內(nèi)因受熱或壓力變化等原因會(huì)引起流速改變，并使得流體沿流程的動(dòng)量及其對(duì)應(yīng)的靜壓發(fā)生改變，這種因動(dòng)量改變而引起的靜壓改變就是流體的加速壓降。④重位壓差：兩流通截面之間的高度差為h時(shí)，兩相流體重位壓差為③流體加速壓降：流體在管內(nèi)因受熱或壓力變化等原因會(huì)引起流速改19

自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)與計(jì)算一、自然循環(huán)工作原理蒸發(fā)受熱面內(nèi)的工質(zhì)，依靠下降管中的水與上升管中的汽水混合物之間的密度差所產(chǎn)生的重位壓差進(jìn)行循環(huán)。在回路中，蒸汽行程并非閉合路線，僅有水在循環(huán)流動(dòng)，因此又稱為水循環(huán)。自然循環(huán)回路汽包→下降管→下聯(lián)箱→水冷壁（上升管）→汽包自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)與計(jì)算一、自然循環(huán)工作原理自然循環(huán)回路20自然循環(huán)回路二、自然循環(huán)基本概念簡(jiǎn)單循環(huán)回路壓差平衡式：運(yùn)動(dòng)壓頭：下降管中的工質(zhì)柱重和上升管中的工質(zhì)柱重之差是自然循環(huán)回路的推動(dòng)力，稱為運(yùn)動(dòng)壓頭。有效壓頭：用于克服下降管中的流動(dòng)阻力。自然循環(huán)回路二、自然循環(huán)基本概念21循環(huán)倍率K：進(jìn)入上升管的循環(huán)水流量G與上升管出口蒸汽流量D之比。是衡量鍋爐水循環(huán)可靠性的指標(biāo)之一。自然循環(huán)特性：鍋爐熱負(fù)荷Q↑，D↑，X↑↓，Sdr↑，w0↑↑，w0↓上升管w0與x的關(guān)系當(dāng)x不太高時(shí)，運(yùn)動(dòng)壓頭增加幅度大于流動(dòng)阻力增加幅度，因此循環(huán)流速w0隨x的增加而增加；當(dāng)x過(guò)高時(shí)，流動(dòng)阻力增加幅度超過(guò)運(yùn)動(dòng)壓頭增加幅度，因此循環(huán)流速w0隨x增加反而減小。上升管w0與x的關(guān)系上升管w0與x的關(guān)系循環(huán)倍率K：進(jìn)入上升管的循環(huán)水流量G與上升管出口蒸汽流量D之22上升管w0與x的關(guān)系自然循環(huán)自補(bǔ)償能力：當(dāng)x不太高時(shí)，隨著熱負(fù)荷Q的增大，質(zhì)量含汽率x增大，循環(huán)水流速w0相應(yīng)增大的能力稱為自補(bǔ)償能力。自然循環(huán)的自補(bǔ)償能力可避免管壁超溫。循環(huán)倍率是衡量鍋爐水循環(huán)可靠性的指標(biāo)之一：K過(guò)大，x過(guò)小：運(yùn)動(dòng)壓頭過(guò)小，可能出現(xiàn)循環(huán)停滯等水循環(huán)故障；K過(guò)小，x過(guò)大：將失去自補(bǔ)償能力，造成管壁超溫；可能出現(xiàn)第二類傳熱惡化。界限循環(huán)倍率Kth：自然循環(huán)開(kāi)始失去自補(bǔ)償能力時(shí)的循環(huán)倍率?；芈费h(huán)倍率K應(yīng)大于界限循環(huán)倍率。上升管w0與x的關(guān)系自然循環(huán)自補(bǔ)償能力：當(dāng)x不太高時(shí)，隨著熱23界限循環(huán)倍率和推薦循環(huán)倍率三、簡(jiǎn)單回路水循環(huán)計(jì)算自然循環(huán)鍋爐水循環(huán)計(jì)算的目的：根據(jù)循環(huán)回路工質(zhì)流動(dòng)過(guò)程中壓差與流量的平衡關(guān)系，計(jì)算確定回路的循環(huán)流速和循環(huán)倍率，校驗(yàn)循環(huán)回路中蒸發(fā)受熱面的安全性。界限循環(huán)倍率和推薦循環(huán)倍率三、簡(jiǎn)單回路水循環(huán)計(jì)算24簡(jiǎn)單循環(huán)回路2.簡(jiǎn)單回路水循環(huán)計(jì)算原理：①上升管區(qū)段劃分：以水冷壁下聯(lián)箱為起點(diǎn)，進(jìn)行上升管區(qū)段劃分。熱水段hhw：進(jìn)入的水由于靜壓升高和省煤器出口水不飽和而需被繼續(xù)加熱才能達(dá)到沸騰。在沸騰點(diǎn)之前，上升管內(nèi)為單相水。含汽段hvc：為上升管主要區(qū)段，由于受熱其含汽率變化較大，應(yīng)根據(jù)吸熱強(qiáng)度或管徑、傾斜度而分段計(jì)算。簡(jiǎn)單循環(huán)回路2.簡(jiǎn)單回路水循環(huán)計(jì)算原理：25簡(jiǎn)單循環(huán)回路熱后段hlp：導(dǎo)管不受熱，該段含汽率保持不變。超高段hov：高于汽包水位的一段導(dǎo)汽管，其產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)壓頭小于零，視為阻力損失。②循環(huán)特性方程組：壓差方程：流量方程：水冷壁吸熱方程：簡(jiǎn)單循環(huán)回路26《鍋爐原理》課件-第8章-鍋爐水動(dòng)力特性27四、自然循環(huán)故障自然循環(huán)鍋爐蒸發(fā)受熱面安全工作的條件是保證管子內(nèi)壁有連續(xù)水膜覆蓋。正常水力工況被破壞是蒸發(fā)管過(guò)熱的主要原因，即管壁經(jīng)?；蛑芷谛缘嘏c停滯或緩慢流動(dòng)的蒸汽接觸，造成管壁超溫。1.循環(huán)停滯、自由水面和倒流：循環(huán)停滯：當(dāng)循環(huán)回路中某個(gè)上升管的循環(huán)水量G降低到僅等于該管子所產(chǎn)生的蒸汽流量D時(shí)，這種工況稱為循環(huán)停滯。受熱弱的管子含汽率小，運(yùn)動(dòng)壓頭不足，循環(huán)流速降低，易出現(xiàn)循環(huán)停滯。循環(huán)停滯導(dǎo)致汽泡易聚集為大汽泡，形成汽塞，使管子局部超溫。四、自然循環(huán)故障28自由水面：當(dāng)上升管引入汽包汽空間，發(fā)生循環(huán)停滯時(shí)管中工質(zhì)無(wú)法到達(dá)上升管的最高點(diǎn)，即出現(xiàn)自由水面。自由水面以上是汽，以下是水，管子上部會(huì)過(guò)熱超溫，且當(dāng)自由水面波動(dòng)時(shí)，引起管子疲勞損傷。倒流：當(dāng)上升管引入汽包水容積，并且受熱很弱時(shí)，上升管中工質(zhì)的重位壓差大于循環(huán)回路的工作壓差，上升管中會(huì)發(fā)生水自上而下的流動(dòng)，稱為循環(huán)倒流。上升管引入汽包汽空間時(shí)不會(huì)發(fā)生倒流。若倒流速度大，管子可有足夠冷卻；若倒流速度小，汽泡沿管壁緩慢流動(dòng)或上下波動(dòng)，則可能導(dǎo)致管子燒壞。自由水面：當(dāng)上升管引入汽包汽空間，發(fā)生循環(huán)停滯時(shí)管中工質(zhì)無(wú)法292.膜態(tài)沸騰：

熱負(fù)荷過(guò)高，汽泡在管子內(nèi)壁面聚集形成完整的汽膜，使管壁得不到水膜直接冷卻，導(dǎo)致管壁超溫。3.下降管帶汽與汽化：

汽包中的水進(jìn)入下降管時(shí)，因流阻和加速產(chǎn)生壓降使下降管進(jìn)口處發(fā)生自汽化；下降管進(jìn)口形成渦漩漏斗狀吸入蒸汽；汽包水容積內(nèi)所含蒸汽被帶入下降管中。這些都會(huì)導(dǎo)致下降管帶汽。其后果是使下降管中工質(zhì)密度減小，運(yùn)動(dòng)壓頭下降，影響回路正常水循環(huán)。2.膜態(tài)沸騰：30五、提高自然循環(huán)安全性措施：①減小并聯(lián)管子吸熱不均，保持爐內(nèi)溫度場(chǎng)均勻設(shè)計(jì)時(shí)將整面水冷壁劃分為若干個(gè)獨(dú)立的循環(huán)回路；采用四角布置燃燒器；將爐膛四角上1～2根管子取消或?qū)t膛設(shè)計(jì)成八角形。運(yùn)行中避免火焰偏斜；防止水冷壁管積灰結(jié)渣；限制最小負(fù)荷，避免因部分燃燒器停用造成更大的吸熱不均。沿高度方向采用多個(gè)小功率燃燒器，以減小爐內(nèi)熱偏差，避免局部熱負(fù)荷過(guò)高②降低汽水導(dǎo)管和下降管中的流動(dòng)阻力相當(dāng)于增加了工質(zhì)流動(dòng)的推動(dòng)力，因而可提高循環(huán)流速和循環(huán)倍率?？刹捎迷黾庸茏拥牧魍ń孛?、采用大直徑的管子、減少管子的長(zhǎng)度和彎頭等措施實(shí)現(xiàn)。五、提高自然循環(huán)安全性措施：31③水冷壁管采用適當(dāng)?shù)母叨?、管徑和流?dòng)阻力高度：高度↑，下降管與上升管內(nèi)工質(zhì)柱重差↑，利于水循環(huán)；高度↑，管子出口含汽率x↑，可能導(dǎo)致第二類傳熱惡化，或循環(huán)倍率過(guò)低，循環(huán)回路失去自補(bǔ)償能力。管徑：管徑↓，金屬耗量↓，管內(nèi)工質(zhì)含汽率x↑，運(yùn)動(dòng)壓頭↑，但流動(dòng)阻力↑，同樣可能導(dǎo)致傳熱惡化和循環(huán)倍率過(guò)低。流動(dòng)阻力：上升管內(nèi)流阻↑，運(yùn)動(dòng)壓頭↓，不利水循環(huán)；但上升管內(nèi)流阻過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致上升管內(nèi)工質(zhì)流量隨壓差變化太敏感，不利于水循環(huán)穩(wěn)定。④防止下降管帶汽對(duì)高壓以上鍋爐，在下降管入口處加裝格板；采用大直徑集中下降管時(shí)，應(yīng)在入口處加裝十字板或格板。③水冷壁管采用適當(dāng)?shù)母叨?、管徑和流?dòng)阻力32⑤使流體在管內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)或破壞汽膜邊界層，避免傳熱惡化采用內(nèi)螺紋管：當(dāng)工質(zhì)在內(nèi)螺紋管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，發(fā)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，將水壓向壁面并迫使汽泡脫離壁面被水帶走，破壞汽膜層的形成，使管內(nèi)壁溫度降低。加裝擾流子：擾流子是塞在管中的螺旋狀金屬薄片。在推遲傳熱惡化和降低壁溫方面，擾流子可起到與內(nèi)螺紋管類似的作用，在強(qiáng)化傳熱方面不及內(nèi)螺紋管。⑤使流體在管內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)或破壞汽膜邊界層，避免傳熱惡化33光管：在x=0.3左右，壁溫開(kāi)始飛升，在x=0.6左右，壁溫達(dá)到第一個(gè)峰值，此后由于汽水混合物的流速增大，壁溫略有下降。大約在x=0.8左右，由于蒸干壁溫再次出現(xiàn)飛升。內(nèi)螺紋管：在x=0.8時(shí)壁溫才開(kāi)始飛升，充分說(shuō)明了內(nèi)螺紋管具有顯著抵抗膜態(tài)沸騰、推遲傳熱惡化的作用。水冷壁壁溫與含汽率x的關(guān)系1-內(nèi)螺紋管2-光管光管：在x=0.3左右，壁溫開(kāi)始飛升，在x=0.6左右，壁溫34

內(nèi)螺紋管抵抗膜態(tài)沸騰、推遲傳熱惡化的機(jī)理：由于工質(zhì)收到螺紋的作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，增強(qiáng)了管子內(nèi)壁面附近的擾動(dòng)，使水冷壁管內(nèi)壁面上產(chǎn)生的氣泡可以被旋轉(zhuǎn)向上運(yùn)動(dòng)的液體及時(shí)帶走。水流收到旋轉(zhuǎn)力的作用，緊貼內(nèi)螺紋槽壁面流動(dòng)，從而避免了氣泡在管子內(nèi)壁面上的積聚所形成的汽膜，保證了管子內(nèi)壁面上有連續(xù)的水流冷卻。由于推遲了傳熱惡化，因此發(fā)生傳熱惡化的管子位置離爐膛火焰中心較遠(yuǎn)，對(duì)應(yīng)熱負(fù)荷較低，且汽水流速較高，使管壁溫度不會(huì)因傳熱惡化而升高幅度過(guò)大。內(nèi)螺紋管抵抗膜態(tài)沸騰、推遲傳熱惡化的機(jī)理：35

強(qiáng)制流動(dòng)鍋爐提高壓力可以提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，因此高參數(shù)是鍋爐發(fā)展的必然趨勢(shì)。當(dāng)壓力提高時(shí)，汽水密度差’-’’減小，自然循環(huán)的推動(dòng)力下降，因此須采用強(qiáng)制流動(dòng)。強(qiáng)制流動(dòng)鍋爐主要有三種類型：控制循環(huán)鍋爐、直流鍋爐和復(fù)合循環(huán)鍋爐。

強(qiáng)制流動(dòng)鍋爐工作原理：為提高循環(huán)推動(dòng)力，在循環(huán)回路下降管系統(tǒng)增設(shè)循環(huán)泵。蒸發(fā)受熱面內(nèi)的工質(zhì)循環(huán)的推動(dòng)力為汽水密度差及循環(huán)泵壓頭。強(qiáng)制流動(dòng)鍋爐提高壓力可以提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，因此高參數(shù)36控制循環(huán)鍋爐①結(jié)構(gòu)：具有汽包，循環(huán)回路下降管系統(tǒng)增設(shè)循環(huán)泵8，工質(zhì)流動(dòng)動(dòng)力為循環(huán)泵壓頭和工質(zhì)密度差。②特點(diǎn)：采用循環(huán)泵后，循環(huán)推動(dòng)力增大，循環(huán)倍率降低，循環(huán)穩(wěn)定。循環(huán)可靠性主要取決于循環(huán)泵的可靠性?？刂蒲h(huán)鍋爐37復(fù)習(xí)：采用循環(huán)泵使循環(huán)回路能克服較大的流動(dòng)阻力，因此控制循環(huán)的蒸發(fā)系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

水冷壁可根據(jù)鍋爐形狀自由布置，不必按吸熱量不同劃分多個(gè)回路。

可采用小直徑水冷壁管，節(jié)省金屬耗量；汽包內(nèi)可采用更高效的汽水分離器，可減小汽包直徑。

工質(zhì)質(zhì)量流速較高，對(duì)管子冷卻條件好，循環(huán)倍率比自然循環(huán)小，一般為25。循環(huán)穩(wěn)定，不易出現(xiàn)循環(huán)異常，但可能出現(xiàn)流動(dòng)不穩(wěn)定、脈動(dòng)等。

水冷壁下聯(lián)箱（環(huán)形下水包）內(nèi)可裝置節(jié)流圈來(lái)調(diào)節(jié)各水冷壁管的水流量，減小水冷壁的熱偏差。

循環(huán)泵制約系統(tǒng)可靠性，并使設(shè)備制造和運(yùn)行費(fèi)用增加。復(fù)習(xí)：采用循環(huán)泵使循環(huán)回路能克服較大的流動(dòng)阻力，因此控制循環(huán)382.直流鍋爐①直流鍋爐工作原理：給水在給水泵的壓頭下，順序通過(guò)熱水段、蒸發(fā)段和過(guò)熱段受熱面，一次將給水全部轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝Ｖ绷麇仩t循環(huán)倍率K=1，不存在汽包。

沿管子長(zhǎng)度方向工質(zhì)參數(shù)變化情況：

熱水段：水的焓和溫度逐漸增高，比容略有加大，壓力則由于流動(dòng)阻力而有所降低。2.直流鍋爐沿管子長(zhǎng)度方向工質(zhì)參數(shù)變化情況：39

沿管子長(zhǎng)度方向工質(zhì)參數(shù)變化情況

蒸發(fā)段：汽水混合物的焓繼續(xù)提高，比容急劇增加，壓力降低較快，相應(yīng)的飽和溫度隨著壓力的降低亦降低一些。

過(guò)熱段：蒸汽焓、溫度和比容均增大，壓力則由于流動(dòng)阻力較大而下降更快。沿管子長(zhǎng)度方向工質(zhì)參數(shù)變化情況蒸發(fā)段：汽水混合物的焓繼續(xù)40

②直流鍋爐工作特點(diǎn)：a.由于沒(méi)有汽包進(jìn)行汽水分離，因此水的加熱、蒸發(fā)和過(guò)熱受熱面沒(méi)有固定的界限。給水量變化時(shí)加熱、蒸發(fā)、過(guò)熱受熱面界限變化（G3>G1>G2）比如：給水量減小，開(kāi)始沸騰點(diǎn)前移，加熱水段長(zhǎng)度L1縮小，蒸發(fā)段長(zhǎng)度L2也縮小，鍋爐受熱管總長(zhǎng)度不變，過(guò)熱段長(zhǎng)度L3相對(duì)增大，過(guò)熱汽溫上升。②直流鍋爐工作特點(diǎn)：給水量變化時(shí)比如：給水量減小，開(kāi)始沸騰41b.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(guò)熱段間無(wú)固定界限，若燃水比失調(diào)則不能保證供給合格蒸汽。c.無(wú)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)等問(wèn)題。d.無(wú)法避免第二類傳熱惡化，管壁可能超溫破壞：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)受熱面出口含汽率很高，第二類傳熱惡化無(wú)法避免。e.對(duì)給水品質(zhì)要求很高：無(wú)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。f.給水泵壓頭要求較高，消耗電能較大。b.燃料、給水和空氣的自動(dòng)控制及調(diào)節(jié)要求較高：直流鍋爐的水42復(fù)合循環(huán)與控制循環(huán)的區(qū)別：沒(méi)有汽包，代之以簡(jiǎn)單的汽水分離器。復(fù)合循環(huán)與直流鍋爐的區(qū)別：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)中除了直流流量外，還有循環(huán)泵提供的循環(huán)流量。3.復(fù)合循環(huán)鍋爐①?gòu)?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)與控制循環(huán)的區(qū)別：沒(méi)有汽包，代之以簡(jiǎn)單的汽水分離器。43

復(fù)合循環(huán)鍋爐包括全負(fù)荷復(fù)合循環(huán)鍋爐和部分負(fù)荷復(fù)合循環(huán)鍋爐兩種。②全負(fù)荷復(fù)合循環(huán)鍋爐：又稱低倍率循環(huán)鍋爐。控制閥4僅作節(jié)流用，在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)投入循環(huán)泵運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)再循環(huán)。水冷壁出口工質(zhì)平均含汽率小于1，循環(huán)倍率約為1.2-1.4。全負(fù)荷循環(huán)部分負(fù)荷循環(huán)1-省煤器；2-混合器；3-循環(huán)泵；4-控制閥；5-節(jié)流圈；6-水冷壁；7-汽水分離器

復(fù)合循環(huán)鍋爐包括全負(fù)荷復(fù)合循環(huán)鍋爐和部分負(fù)荷復(fù)合循環(huán)鍋爐兩44

復(fù)合循環(huán)鍋爐包括全負(fù)荷復(fù)合循環(huán)鍋爐和部分負(fù)荷復(fù)合循環(huán)鍋爐兩種。③部分負(fù)荷復(fù)合循環(huán)鍋爐：低負(fù)荷范圍內(nèi)開(kāi)啟控制閥，按再循環(huán)方式運(yùn)行。高負(fù)荷時(shí)關(guān)閉控制閥，循環(huán)泵作為給水泵起增壓作用，按直流鍋爐方式運(yùn)行。既保證低負(fù)荷下必須的工質(zhì)質(zhì)量流速；又降低高負(fù)荷時(shí)的水泵功耗。全負(fù)荷循環(huán)部分負(fù)荷循環(huán)1-省煤器；2-混合器；3-循環(huán)泵；4-控制閥；5-節(jié)流圈；6-水冷壁；7-汽水分離器

復(fù)合循環(huán)鍋爐包括全負(fù)荷復(fù)合循環(huán)鍋爐和部分負(fù)荷復(fù)合循環(huán)鍋爐兩45Thankyou!Thankyou!46第八章鍋爐水動(dòng)力特性與傳熱

鍋爐水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)與計(jì)算強(qiáng)制流動(dòng)鍋爐第八章鍋爐水動(dòng)力特性與傳熱鍋爐水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)47鍋爐水動(dòng)力學(xué)的研究任務(wù)是研究鍋爐蒸發(fā)受熱面的水動(dòng)力特性，保證鍋爐水循環(huán)的可靠性。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，以保證金屬壁溫不超過(guò)所用鋼材的允許工作溫度。通過(guò)鍋爐水動(dòng)力研究，可以得到鍋爐內(nèi)部工質(zhì)（水、蒸汽及汽水混合物）的水動(dòng)力特性及流動(dòng)阻力。在鍋爐的受熱面中，省煤器中流動(dòng)的工質(zhì)為單相流體水，過(guò)熱器中工質(zhì)為單相流體蒸汽，惟有蒸發(fā)受熱面水冷壁上升管中流動(dòng)的工質(zhì)為汽水混合物。在上升管受熱過(guò)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)律比單相流體流動(dòng)復(fù)雜的多，且汽相與液相在傳熱過(guò)程中的性質(zhì)也不同，因此必須首先研究汽液兩相流體的流動(dòng)與傳熱特性。鍋爐水動(dòng)力學(xué)的研究任務(wù)是研究鍋爐蒸發(fā)受熱面的水動(dòng)力特性48

鍋爐水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)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)：蒸汽密度比水小，在上升兩相流中，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。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。汽泡總是往阻力小的地方運(yùn)動(dòng)，所以在上升管中，汽泡都向管中間運(yùn)動(dòng)。思考：對(duì)于下降兩相流，汽泡如何運(yùn)動(dòng)？鍋爐水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)一、管內(nèi)汽液兩相流體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)49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)兩相流流型不同流動(dòng)阻力和傳熱機(jī)理不同流速大小與傳熱強(qiáng)弱不同影響流型（a）（b）（c）（d）(a)泡狀流：汽水混合物中含汽率較小時(shí)，蒸汽呈細(xì)小的汽泡，主要在管子中心部分向上運(yùn)動(dòng)。(b)彈狀流：含汽率增大，汽泡開(kāi)始合并成彈狀大汽泡，形成阻力較小的汽彈。汽水混合物在垂直管中上升運(yùn)動(dòng)：（a）（b）50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)兩相流流型不同流動(dòng)阻力和傳熱機(jī)理不同流速大小與傳熱強(qiáng)弱不同影響流型（a）（b）（c）（d）(c)環(huán)狀流：含汽率繼續(xù)增大，彈狀汽泡匯合成汽柱并沿著管子中心流動(dòng)，而水則呈環(huán)狀水膜沿管壁流動(dòng)。(d)霧狀流：含汽率再增大，管壁上水膜變薄，汽流將水膜撕破成小水滴分布于蒸汽流中被帶走，汽水形成霧狀混合物。汽水混合物在垂直管中上升運(yùn)動(dòng)：（a）（b）512.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)流速小到一定程度時(shí)，形成分層流動(dòng)。管子上部與蒸汽接觸，管壁溫度升高，可能過(guò)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。汽水混合物流速↓，含汽率↑，管子的傾角↓，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30，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，一般采用提高流速的方法防止汽水分層。2.汽水混合物在水平管中的運(yùn)動(dòng)：52二、蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱垂直蒸發(fā)管內(nèi)的流型與傳熱的關(guān)系在蒸發(fā)過(guò)程的各個(gè)階段，蒸發(fā)管內(nèi)的流型不斷變化，隨流型不同流體與管壁的換熱方式也不同，即管內(nèi)流體的放熱系數(shù)不斷變化。放熱系數(shù)越大，管壁溫度越接近工質(zhì)溫度。圖：垂直上升蒸發(fā)管中兩相流型和傳熱工況的關(guān)系二、蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱圖：垂直上升蒸發(fā)管中兩相流型和傳熱工況的關(guān)53不同負(fù)荷時(shí)放熱系數(shù)與x的關(guān)系2.蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱惡化AB單相水對(duì)流傳熱；BC過(guò)冷核態(tài)沸騰；CD飽和核態(tài)沸騰；DE強(qiáng)制水膜對(duì)流傳熱段；EF傳熱惡化；FG含水不足段第一類傳熱惡化：因?yàn)槟B(tài)沸騰引起的傳熱惡化。當(dāng)熱負(fù)荷很高，管內(nèi)壁汽化核心急劇增加，形成連續(xù)的汽膜，導(dǎo)致對(duì)流放熱系數(shù)急劇下降，管壁得不到液體冷卻而超溫破壞。其直接原因是熱負(fù)荷過(guò)高。把出現(xiàn)第一類傳熱惡化時(shí)的熱負(fù)荷稱為臨界熱負(fù)荷qcr。不同負(fù)荷時(shí)放熱系數(shù)與x的關(guān)系2.蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱惡化AB單相54不同負(fù)荷時(shí)放熱系數(shù)與x的關(guān)系2.蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱惡化AB單相水對(duì)流傳熱；BC過(guò)冷核態(tài)沸騰；CD飽和核態(tài)沸騰；DE強(qiáng)制水膜對(duì)流傳熱段；EF傳熱惡化；FG含水不足段第二類傳熱惡化：因?yàn)檎舾梢鸬膫鳠釔夯?。熱?fù)荷比前者低，但含汽率很高時(shí)，汽流將水膜撕破或因蒸發(fā)使水膜部分或全部消失，管壁直接與蒸汽接觸而得不到液體的足夠冷卻。其直接原因是含汽率過(guò)高。把出現(xiàn)第二類傳熱惡化時(shí)的含汽率稱為臨界含汽率xcr。不同負(fù)荷時(shí)放熱系數(shù)與x的關(guān)系2.蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱惡化AB單相55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，可能燒壞管子。同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致管壁溫度發(fā)生波動(dòng)，造成金屬疲勞損壞。

第一類傳熱惡化，防止受熱面熱負(fù)荷過(guò)高，即可避免第一類傳熱惡化。第二類傳熱惡化，對(duì)自然循環(huán)鍋爐，只要保證蒸發(fā)管出口含汽率不至過(guò)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，因此無(wú)法防止第二類傳熱惡化，只能設(shè)法減少傳熱惡化時(shí)壁溫的上升幅度。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56三、兩相流的流動(dòng)參數(shù)汽液兩相流體流動(dòng)模型均相模型：假定在管內(nèi)汽水是均勻混合的，水和汽之間無(wú)相對(duì)速度，只考慮汽水比體積的不同。是研究汽液兩相流動(dòng)的基礎(chǔ)。分流模型：假定管內(nèi)汽水混合物分開(kāi)流動(dòng)，汽在管子中央流動(dòng)，水貼近壁面流動(dòng)；汽水之間有相對(duì)速度。蒸發(fā)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)的真實(shí)流動(dòng)情況。分流模型三、兩相流的流動(dòng)參數(shù)分流模型572.汽液兩相流的特征參數(shù)①流量質(zhì)量流量G(kg/s)=進(jìn)入上升管的循環(huán)流量M0

=上升管中蒸汽流量D+飽和水流量M容積流量V(m3/s)=水容積流量V’+蒸汽容積流量V’’②流速質(zhì)量流速ρw

：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)單位流通截面的工質(zhì)質(zhì)量。循環(huán)流速w0：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。2.汽液兩相流的特征參數(shù)58折算流速：假定流過(guò)的汽水混合物中的蒸汽/水占有管子全部截面時(shí)，計(jì)算所得的蒸汽/水流速稱為該截面的蒸汽/水折算流速。混合物流速wm：汽水混合物均勻混合時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)單位截面積的混合物容積。折算流速：假定流過(guò)的汽水混合物中的蒸汽/水占有管子全部截面時(shí)59真實(shí)流速：按分流模型計(jì)算出的汽/水流速。

汽水滑動(dòng)比S：汽水兩相真實(shí)流速之比。S>1：w’’>w’，為汽水混合物向上流動(dòng)S<1：w’’<w’，為汽水混合物向下流動(dòng)S=1：w’’=w’，為均相流動(dòng)工況分流模型分流模型真實(shí)流速：按分流模型計(jì)算出的汽/水流速。分流模型分流模型60③含汽率質(zhì)量含汽率x：蒸汽質(zhì)量流量D與工質(zhì)總質(zhì)量流量G之比，也稱為蒸汽干度。容積含汽率β

：流經(jīng)管內(nèi)某一截面的蒸汽容積流量與汽水混合物總?cè)莘e流量之比。截面含汽率φ：在某一截面上，蒸汽所占截面積F’’與管子總截面積F之比（分流模型）。③含汽率61④密度流量密度ρm

：汽水混合物的質(zhì)量流量與體積流量之比。真實(shí)密度ρtr：流通截面上的工質(zhì)密度（分流模型）。分流模型④密度分流模型623.汽液兩相流的壓降工質(zhì)流經(jīng)某管段時(shí)，在進(jìn)出口截面1、2間的壓力降：3.汽液兩相流的壓降63①兩相流的摩擦阻力：除了汽水混合物與管壁的摩擦阻力，還有汽相與液相之間的相對(duì)速度引起的摩擦阻力，不同流型摩擦阻力也不相同。②兩相流的局部阻力：包括流經(jīng)管子彎頭、管子進(jìn)口、管子出口、閥門和分叉管時(shí)，因流動(dòng)方向改變或流通截面改變而產(chǎn)生的流動(dòng)阻力。①兩相流的摩擦阻力：除了汽水混合物與管壁的摩擦阻力，還有汽相64③流體加速壓降：流體在管內(nèi)因受熱或壓力變化等原因會(huì)引起流速改變，并使得流體沿流程的動(dòng)量及其對(duì)應(yīng)的靜壓發(fā)生改變，這種因動(dòng)量改變而引起的靜壓改變就是流體的加速壓降。④重位壓差：兩流通截面之間的高度差為h時(shí)，兩相流體重位壓差為③流體加速壓降：流體在管內(nèi)因受熱或壓力變化等原因會(huì)引起流速改65

自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)與計(jì)算一、自然循環(huán)工作原理蒸發(fā)受熱面內(nèi)的工質(zhì)，依靠下降管中的水與上升管中的汽水混合物之間的密度差所產(chǎn)生的重位壓差進(jìn)行循環(huán)。在回路中，蒸汽行程并非閉合路線，僅有水在循環(huán)流動(dòng)，因此又稱為水循環(huán)。自然循環(huán)回路汽包→下降管→下聯(lián)箱→水冷壁（上升管）→汽包自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)與計(jì)算一、自然循環(huán)工作原理自然循環(huán)回路66自然循環(huán)回路二、自然循環(huán)基本概念簡(jiǎn)單循環(huán)回路壓差平衡式：運(yùn)動(dòng)壓頭：下降管中的工質(zhì)柱重和上升管中的工質(zhì)柱重之差是自然循環(huán)回路的推動(dòng)力，稱為運(yùn)動(dòng)壓頭。有效壓頭：用于克服下降管中的流動(dòng)阻力。自然循環(huán)回路二、自然循環(huán)基本概念67循環(huán)倍率K：進(jìn)入上升管的循環(huán)水流量G與上升管出口蒸汽流量D之比。是衡量鍋爐水循環(huán)可靠性的指標(biāo)之一。自然循環(huán)特性：鍋爐熱負(fù)荷Q↑，D↑，X↑↓，Sdr↑，w0↑↑，w0↓上升管w0與x的關(guān)系當(dāng)x不太高時(shí)，運(yùn)動(dòng)壓頭增加幅度大于流動(dòng)阻力增加幅度，因此循環(huán)流速w0隨x的增加而增加；當(dāng)x過(guò)高時(shí)，流動(dòng)阻力增加幅度超過(guò)運(yùn)動(dòng)壓頭增加幅度，因此循環(huán)流速w0隨x增加反而減小。上升管w0與x的關(guān)系上升管w0與x的關(guān)系循環(huán)倍率K：進(jìn)入上升管的循環(huán)水流量G與上升管出口蒸汽流量D之68上升管w0與x的關(guān)系自然循環(huán)自補(bǔ)償能力：當(dāng)x不太高時(shí)，隨著熱負(fù)荷Q的增大，質(zhì)量含汽率x增大，循環(huán)水流速w0相應(yīng)增大的能力稱為自補(bǔ)償能力。自然循環(huán)的自補(bǔ)償能力可避免管壁超溫。循環(huán)倍率是衡量鍋爐水循環(huán)可靠性的指標(biāo)之一：K過(guò)大，x過(guò)?。哼\(yùn)動(dòng)壓頭過(guò)小，可能出現(xiàn)循環(huán)停滯等水循環(huán)故障；K過(guò)小，x過(guò)大：將失去自補(bǔ)償能力，造成管壁超溫；可能出現(xiàn)第二類傳熱惡化。界限循環(huán)倍率Kth：自然循環(huán)開(kāi)始失去自補(bǔ)償能力時(shí)的循環(huán)倍率。回路循環(huán)倍率K應(yīng)大于界限循環(huán)倍率。上升管w0與x的關(guān)系自然循環(huán)自補(bǔ)償能力：當(dāng)x不太高時(shí)，隨著熱69界限循環(huán)倍率和推薦循環(huán)倍率三、簡(jiǎn)單回路水循環(huán)計(jì)算自然循環(huán)鍋爐水循環(huán)計(jì)算的目的：根據(jù)循環(huán)回路工質(zhì)流動(dòng)過(guò)程中壓差與流量的平衡關(guān)系，計(jì)算確定回路的循環(huán)流速和循環(huán)倍率，校驗(yàn)循環(huán)回路中蒸發(fā)受熱面的安全性。界限循環(huán)倍率和推薦循環(huán)倍率三、簡(jiǎn)單回路水循環(huán)計(jì)算70簡(jiǎn)單循環(huán)回路2.簡(jiǎn)單回路水循環(huán)計(jì)算原理：①上升管區(qū)段劃分：以水冷壁下聯(lián)箱為起點(diǎn)，進(jìn)行上升管區(qū)段劃分。熱水段hhw：進(jìn)入的水由于靜壓升高和省煤器出口水不飽和而需被繼續(xù)加熱才能達(dá)到沸騰。在沸騰點(diǎn)之前，上升管內(nèi)為單相水。含汽段hvc：為上升管主要區(qū)段，由于受熱其含汽率變化較大，應(yīng)根據(jù)吸熱強(qiáng)度或管徑、傾斜度而分段計(jì)算。簡(jiǎn)單循環(huán)回路2.簡(jiǎn)單回路水循環(huán)計(jì)算原理：71簡(jiǎn)單循環(huán)回路熱后段hlp：導(dǎo)管不受熱，該段含汽率保持不變。超高段hov：高于汽包水位的一段導(dǎo)汽管，其產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)壓頭小于零，視為阻力損失。②循環(huán)特性方程組：壓差方程：流量方程：水冷壁吸熱方程：簡(jiǎn)單循環(huán)回路72《鍋爐原理》課件-第8章-鍋爐水動(dòng)力特性73四、自然循環(huán)故障自然循環(huán)鍋爐蒸發(fā)受熱面安全工作的條件是保證管子內(nèi)壁有連續(xù)水膜覆蓋。正常水力工況被破壞是蒸發(fā)管過(guò)熱的主要原因，即管壁經(jīng)常或周期性地與停滯或緩慢流動(dòng)的蒸汽接觸，造成管壁超溫。1.循環(huán)停滯、自由水面和倒流：循環(huán)停滯：當(dāng)循環(huán)回路中某個(gè)上升管的循環(huán)水量G降低到僅等于該管子所產(chǎn)生的蒸汽流量D時(shí)，這種工況稱為循環(huán)停滯。受熱弱的管子含汽率小，運(yùn)動(dòng)壓頭不足，循環(huán)流速降低，易出現(xiàn)循環(huán)停滯。循環(huán)停滯導(dǎo)致汽泡易聚集為大汽泡，形成汽塞，使管子局部超溫。四、自然循環(huán)故障74自由水面：當(dāng)上升管引入汽包汽空間，發(fā)生循環(huán)停滯時(shí)管中工質(zhì)無(wú)法到達(dá)上升管的最高點(diǎn)，即出現(xiàn)自由水面。自由水面以上是汽，以下是水，管子上部會(huì)過(guò)熱超溫，且當(dāng)自由水面波動(dòng)時(shí)，引起管子疲勞損傷。倒流：當(dāng)上升管引入汽包水容積，并且受熱很弱時(shí)，上升管中工質(zhì)的重位壓差大于循環(huán)回路的工作壓差，上升管中會(huì)發(fā)生水自上而下的流動(dòng)，稱為循環(huán)倒流。上升管引入汽包汽空間時(shí)不會(huì)發(fā)生倒流。若倒流速度大，管子可有足夠冷卻；若倒流速度小，汽泡沿管壁緩慢流動(dòng)或上下波動(dòng)，則可能導(dǎo)致管子燒壞。自由水面：當(dāng)上升管引入汽包汽空間，發(fā)生循環(huán)停滯時(shí)管中工質(zhì)無(wú)法752.膜態(tài)沸騰：

熱負(fù)荷過(guò)高，汽泡在管子內(nèi)壁面聚集形成完整的汽膜，使管壁得不到水膜直接冷卻，導(dǎo)致管壁超溫。3.下降管帶汽與汽化：

汽包中的水進(jìn)入下降管時(shí)，因流阻和加速產(chǎn)生壓降使下降管進(jìn)口處發(fā)生自汽化；下降管進(jìn)口形成渦漩漏斗狀吸入蒸汽；汽包水容積內(nèi)所含蒸汽被帶入下降管中。這些都會(huì)導(dǎo)致下降管帶汽。其后果是使下降管中工質(zhì)密度減小，運(yùn)動(dòng)壓頭下降，影響回路正常水循環(huán)。2.膜態(tài)沸騰：76五、提高自然循環(huán)安全性措施：①減小并聯(lián)管子吸熱不均，保持爐內(nèi)溫度場(chǎng)均勻設(shè)計(jì)時(shí)將整面水冷壁劃分為若干個(gè)獨(dú)立的循環(huán)回路；采用四角布置燃燒器；將爐膛四角上1～2根管子取消或?qū)t膛設(shè)計(jì)成八角形。運(yùn)行中避免火焰偏斜；防止水冷壁管積灰結(jié)渣；限制最小負(fù)荷，避免因部分燃燒器停用造成更大的吸熱不均。沿高度方向采用多個(gè)小功率燃燒器，以減小爐內(nèi)熱偏差，避免局部熱負(fù)荷過(guò)高②降低汽水導(dǎo)管和下降管中的流動(dòng)阻力相當(dāng)于增加了工質(zhì)流動(dòng)的推動(dòng)力，因而可提高循環(huán)流速和循環(huán)倍率?？刹捎迷黾庸茏拥牧魍ń孛?、采用大直徑的管子、減少管子的長(zhǎng)度和彎頭等措施實(shí)現(xiàn)。五、提高自然循環(huán)安全性措施：77③水冷壁管采用適當(dāng)?shù)母叨?、管徑和流?dòng)阻力高度：高度↑，下降管與上升管內(nèi)工質(zhì)柱重差↑，利于水循環(huán)；高度↑，管子出口含汽率x↑，可能導(dǎo)致第二類傳熱惡化，或循環(huán)倍率過(guò)低，循環(huán)回路失去自補(bǔ)償能力。管徑：管徑↓，金屬耗量↓，管內(nèi)工質(zhì)含汽率x↑，運(yùn)動(dòng)壓頭↑，但流動(dòng)阻力↑，同樣可能導(dǎo)致傳熱惡化和循環(huán)倍率過(guò)低。流動(dòng)阻力：上升管內(nèi)流阻↑，運(yùn)動(dòng)壓頭↓，不利水循環(huán)；但上升管內(nèi)流阻過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致上升管內(nèi)工質(zhì)流量隨壓差變化太敏感，不利于水循環(huán)穩(wěn)定。④防止下降管帶汽對(duì)高壓以上鍋爐，在下降管入口處加裝格板；采用大直徑集中下降管時(shí)，應(yīng)在入口處加裝十字板或格板。③水冷壁管采用適當(dāng)?shù)母叨?、管徑和流?dòng)阻力78⑤使流體在管內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)或破壞汽膜邊界層，避免傳熱惡化采用內(nèi)螺紋管：當(dāng)工質(zhì)在內(nèi)螺紋管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，發(fā)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，將水壓向壁面并迫使汽泡脫離壁面被水帶走，破壞汽膜層的形成，使管內(nèi)壁溫度降低。加裝擾流子：擾流子是塞在管中的螺旋狀金屬薄片。在推遲傳熱惡化和降低壁溫方面，擾流子可起到與內(nèi)螺紋管類似的作用，在強(qiáng)化傳熱方面不及內(nèi)螺紋管。⑤使流體在管內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)或破壞汽膜邊界層，避免傳熱惡化79光管：在x=0.3左右，壁溫開(kāi)始飛升，在x=0.6左右，壁溫達(dá)到第一個(gè)峰值，此后由于汽水混合物的流速增大，壁溫略有下降。大約在x=0.8左右，由于蒸干壁溫再次出現(xiàn)飛升。內(nèi)螺紋管：在x=0.8時(shí)壁溫才開(kāi)始飛升，充分說(shuō)明了內(nèi)螺紋管具有顯著抵抗膜態(tài)沸騰、推遲傳熱惡化的作用。水冷壁壁溫與含汽率x的關(guān)系1-內(nèi)螺紋管2-光管光管：在x=0.3左右，壁溫開(kāi)始飛升，在x=0.6左右，壁溫80

內(nèi)螺紋管抵抗膜態(tài)沸騰、推遲傳熱惡化的機(jī)理：由于工質(zhì)收到螺紋的作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，增強(qiáng)了管子內(nèi)壁面附近的擾動(dòng)，使水冷壁管內(nèi)壁面上產(chǎn)生的氣泡可以被旋轉(zhuǎn)向上運(yùn)動(dòng)的液體及時(shí)帶走。水流收到旋轉(zhuǎn)力的作用，緊貼內(nèi)螺紋槽壁面流動(dòng)，從而避免了氣泡在管子內(nèi)壁面上的積聚所形成的汽膜，保證了管子內(nèi)壁面上有連續(xù)的水流冷卻。由于推遲了傳熱惡化，因此發(fā)生傳熱惡化的管子位置離爐膛火焰中心較遠(yuǎn)，對(duì)應(yīng)熱負(fù)荷較低，且汽水流速較高，使管壁溫度不會(huì)因傳熱惡化而升高幅度過(guò)大。內(nèi)螺紋管抵抗膜態(tài)沸騰、推遲傳熱惡化的機(jī)理：81

強(qiáng)制流動(dòng)鍋爐提高壓力可以提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，因此高參數(shù)是鍋爐發(fā)展的必然趨勢(shì)。當(dāng)壓力提高時(shí)，汽水密度差’-’’減小，自然循環(huán)的推動(dòng)力下降，因此須采用強(qiáng)制流動(dòng)。強(qiáng)制流動(dòng)鍋爐主要有三種類型：控制循環(huán)鍋爐、直流鍋爐和復(fù)合循環(huán)鍋爐。

強(qiáng)制流動(dòng)鍋爐工作原理：為提高循環(huán)推動(dòng)力，在循環(huán)回路下降管系統(tǒng)增設(shè)循環(huán)泵。蒸發(fā)受熱面內(nèi)的工質(zhì)循環(huán)的推動(dòng)力為汽水密度差及循環(huán)泵壓頭。強(qiáng)制流動(dòng)鍋爐提高壓力可以提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，因此高參數(shù)82控制循環(huán)鍋爐①結(jié)構(gòu)：具有汽包，循環(huán)回路下降管系統(tǒng)增設(shè)循環(huán)泵8，工質(zhì)流動(dòng)動(dòng)力為循環(huán)泵壓頭和工質(zhì)密度差。②特點(diǎn)：采用循環(huán)泵后，循環(huán)推動(dòng)力增大，循環(huán)倍率降低，循環(huán)穩(wěn)定。循環(huán)可靠性主要取決于循環(huán)泵的可靠性?？刂蒲h(huán)鍋爐83復(fù)習(xí)：采用循環(huán)泵使循環(huán)回路能克服較大的