鍋爐原理課件：鍋爐水動(dòng)力學(xué)及鍋內(nèi)傳熱

鍋爐原理鍋爐水動(dòng)力學(xué)及鍋內(nèi)傳熱鍋爐的工作過程包括鍋內(nèi)過程和爐內(nèi)過程，鍋爐性1/42能優(yōu)劣取決于鍋內(nèi)過程和爐內(nèi)過程能否良好配合。組織良好的鍋內(nèi)過程，就是組織管內(nèi)工質(zhì)的合理流動(dòng)，在各種參數(shù)條件下都能夠使工質(zhì)從火焰或煙氣吸收足夠的熱量，并且要確保管壁得到充分冷卻。鍋爐水動(dòng)力學(xué)研究的是鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中，水、蒸汽及汽水混合物的流動(dòng)規(guī)律。鍋爐水動(dòng)力特性管內(nèi)傳熱惡化2汽水兩相流模型與參數(shù)3管內(nèi)汽水流動(dòng)阻力4主要內(nèi)容5 鍋爐水循環(huán)方式管內(nèi)汽水混合物流型與傳熱過程12/421、汽水混合物的流型與傳熱管內(nèi)汽水兩相流中，氣泡與液體之間存在許多形狀的分界面且不斷變化，將這些界面分成幾類，成為“流型”；管內(nèi)汽和水亦不是均勻分布的，它們的流速也不一樣；流型不同，兩相流體的流動(dòng)阻力和傳熱機(jī)理不同。管內(nèi)工質(zhì)的流速和流型對(duì)管內(nèi)放熱系數(shù)的影響很大。垂直管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流沸騰換熱3/421、管內(nèi)汽水混合物流型與傳熱過程汽水混合物流型汽水混合物的流型：泡狀流：連續(xù)的液相中分散存在著小汽泡。彈狀流：汽泡逐漸增多，趨向于流向管中心區(qū)域，聚合成大汽泡，形成所謂彈狀流型。環(huán)狀流：當(dāng)汽量增多汽彈相互連接時(shí)，就形成中心為汽而周圍一圈水膜的環(huán)狀流型。霧狀流：管子壁面上的水膜完全蒸干時(shí)，蒸汽中仍然夾帶著小液滴，形成霧狀流型。1、管內(nèi)汽水混合物流型與傳熱過程4/42汽水混合物的流型與傳熱：欠熱水由管子下部進(jìn)入，區(qū)域A為單相水的對(duì)流傳熱，水溫低于飽和溫度，管壁金屬溫度稍高于水溫。在B區(qū)內(nèi)，緊貼壁面的水達(dá)到飽和溫度，并產(chǎn)生氣泡，但管子中心的大量水仍處于欠熱狀態(tài)，生成的氣泡脫離壁面后與水混合，又凝結(jié)并將水加熱。此區(qū)域內(nèi)管壁溫度高于飽和溫度，進(jìn)行著過冷核態(tài)沸騰傳熱。垂直管內(nèi)兩相流型和傳熱區(qū)域1、管內(nèi)汽水混合物流型與傳熱過程5/42當(dāng)水進(jìn)入C區(qū)時(shí)全部達(dá)到飽和溫度，傳熱轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡秃藨B(tài)沸騰，此后生成的汽不再凝結(jié)，沿流動(dòng)方向的含汽率逐漸增大，汽泡分散在水中，這種流型稱為汽泡狀流動(dòng)。在D區(qū)內(nèi)，汽泡增多，小汽泡在管子中心聚合成大汽蛋，形成所謂彈狀流型。當(dāng)汽量增多汽彈相互連接時(shí)，就形成中心為汽而周圍有一圈水膜的環(huán)狀流型(E區(qū))。垂直管內(nèi)兩相流型和傳熱區(qū)域1、管內(nèi)汽水混合物流型與傳熱過程6/42環(huán)狀流型后期，中心蒸汽流量很大，其中帶有小水滴，同時(shí)周圍的水環(huán)逐漸變薄，即所謂帶液滴的環(huán)狀流型(F區(qū))。當(dāng)壁面上的水膜完全被“蒸干”后就形成所謂的霧狀流型(G區(qū))。這時(shí)氣流中雖仍有一些水滴，但管壁的冷卻作用不夠，傳熱惡化，管壁金屬溫度會(huì)突然升高。此后隨氣流中水滴的蒸發(fā)，蒸汽流速增大，壁溫又逐漸下降。最后在蒸汽過熱區(qū)域(H區(qū))，由于汽溫逐漸上升，管壁溫度又逐漸升高。垂直管內(nèi)兩相流型和傳熱區(qū)域1、管內(nèi)汽水混合物流型與傳熱過程7/42管內(nèi)傳熱惡化2汽水兩相流模型與參數(shù)3管內(nèi)汽水流動(dòng)阻力4主要內(nèi)容5 鍋爐水循環(huán)方式1 管內(nèi)汽水混合物流型與傳熱過程8/422、管內(nèi)傳熱惡化兩類沸騰傳熱惡化由于受熱增強(qiáng)，汽泡產(chǎn)生的速度超過汽泡脫離的速度，在金屬管壁與水之間形成一層汽泡，把水和管壁隔開，即由核態(tài)沸騰變成膜態(tài)沸騰，導(dǎo)致傳熱惡化，管壁溫度突然升高，稱為第一類傳熱惡化，關(guān)鍵參數(shù)為熱負(fù)荷。管壁上的水膜被蒸干，管壁溫度突然升高的現(xiàn)象叫第二類傳熱惡化。關(guān)鍵參數(shù)為含汽率。膜態(tài)沸騰與蒸干9/42第一類傳熱惡化第二類傳熱惡化惡化后管子中部為含有汽泡的液體惡化后管子中部為含有液滴的蒸汽轉(zhuǎn)入膜態(tài)沸騰然后再過渡到欠液區(qū)直接轉(zhuǎn)入欠液區(qū)通常發(fā)生在含汽率較小，以及熱負(fù)荷高的區(qū)域通常發(fā)生在含汽率較大時(shí)，以及熱負(fù)荷低的區(qū)域α2稍低α2稍高壁溫飛升幅度大壁溫飛升幅度小兩類傳熱惡化的異同相同管壁與蒸汽直接接觸、放熱系數(shù)減小、壁溫飛升。crq↑、x ↓，惡化點(diǎn)提前。不同機(jī)理不同，所處的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)不同，引起的后果也不相同。2、管內(nèi)傳熱惡化10/42傳熱惡化影響因素主要是熱負(fù)荷和質(zhì)量流速質(zhì)量流速一定時(shí)，低熱負(fù)荷時(shí)不會(huì)發(fā)生傳熱惡化。若熱負(fù)荷不變時(shí)，隨著質(zhì)量流速ρw

上升，開始出現(xiàn)傳熱惡化的q也提高；當(dāng)ρw大到一定值時(shí)，傳熱惡化現(xiàn)象消失。超臨界壓力時(shí)的放熱系數(shù)α2(P=24MPa；ρw=700kg/(m2·s)

)11/422、管內(nèi)傳熱惡化2、管內(nèi)傳熱惡化2.3

防止或推遲傳熱惡化的措施①

適當(dāng)提高質(zhì)量流速；②

合理安排受熱面熱負(fù)荷；③

加強(qiáng)流體在管內(nèi)的擾動(dòng)，如采用內(nèi)螺紋管或加裝擾流子。12/42管內(nèi)傳熱惡化2汽水兩相流模型與參數(shù)3管內(nèi)汽水流動(dòng)阻力4主要內(nèi)容5 鍋爐水循環(huán)方式1 管內(nèi)汽水混合物流型與傳熱過程13/423、汽水兩相流模型與流動(dòng)參數(shù)14/42研究?jī)上嗔黧w的流動(dòng)模型均相流模型：兩相流體非常均勻，具有平均流體特性的均質(zhì)單相流體，沒有相對(duì)速度且熱力學(xué)平衡。該模型可以應(yīng)用單相流體的各種方程式。最適用于泡狀流型。分相流模型：假定兩相完全分開，各自以一平均流速流動(dòng)，即兩相流速不等但已經(jīng)達(dá)到熱力動(dòng)態(tài)平衡。可以對(duì)每一相流體寫出一組基本方程式。該模型比較精確但是很復(fù)雜，最適用于環(huán)狀流型。汽液兩相流的基本參數(shù)流量參數(shù)汽液兩相流體的質(zhì)量流量(kg/s)：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過管道流通截面積的汽液兩相流體的質(zhì)量，其值Gh為蒸汽質(zhì)量流量Gq和水質(zhì)量流量Gs之和，即Gh=Gq+

Gs汽液兩相流體的容積流量(m3/s)：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過管道流通截面積的汽液兩相流體的容積，其值Qh為蒸汽質(zhì)量流量Qq和水質(zhì)量流量Qs之和，即Qh=Qq+Qs=GqvYY+

GsvYvY和vYY分別為飽和水及飽和蒸汽的比容，m3/kg。15/423、汽水兩相流模型與流動(dòng)參數(shù)3)

循環(huán)流速(m/s)：流量等于管內(nèi)汽液兩相流體質(zhì)量流量Gh的飽和水流量G0，通過整個(gè)管道截面f時(shí)的水速w0，即w0

=G0vY?鍋爐中，蒸發(fā)管入口的水接近于飽和水，一般認(rèn)為進(jìn)入蒸發(fā)管的水速即等于循環(huán)流速，相應(yīng)的質(zhì)量流量G0即為循環(huán)流量。16/423、汽水兩相流模型與流動(dòng)參數(shù)4)質(zhì)量流速(kg/s-m2)：通過管子單位流通面積的工質(zhì)質(zhì)量流量稱為質(zhì)量流速ρw，即ρw=G0=

Gh? ?根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，無論受熱與否，如管子截面不變，工質(zhì)流經(jīng)管子任一截面的質(zhì)量流速均相等，即ρw=常數(shù)。17/423、汽水兩相流模型與流動(dòng)參數(shù)5)

折算流速(m/s)：在氣液兩相流體中，假設(shè)蒸汽或水單獨(dú)占據(jù)管子全部流通截面積時(shí)的流速分別稱為折算0 0汽速wYY或折算水速wY

，即0wYY

=GqvYYQq0= ， wY ==GsvY Qs? ? ? ?3、汽水兩相流模型與流動(dòng)參數(shù)18/42折算速度在實(shí)際中不存在，也不可測(cè)量，在兩相流體力學(xué)中用于分析流過管子截面時(shí)的壓降。受熱的蒸發(fā)管內(nèi)由于存在相變，因此折算汽速和折算水速值沿管長(zhǎng)不斷變化。循環(huán)流速、質(zhì)量流速以及折算流速三個(gè)參數(shù)雖然都稱為速度，但是它們都是代表流量的參數(shù)。速度參數(shù)汽液兩相流體的混合流速：通過管子單位流通截面積的工質(zhì)容積流量，即hw =QhQ +

Qs q? ?= =

w +

w0 0Y YY0wh=w0

+wYY 1

?根據(jù)質(zhì)量守恒定律，由質(zhì)量流速定義ρYwY+ρYYwYY=

ρYw00 0可得ρYYρY3、汽水兩相流模型與流動(dòng)參數(shù)19/422)

實(shí)際流速：通過管子蒸汽流通截面積?YY

的蒸汽容積sj流量稱為蒸汽的實(shí)際流速wYY

，通過管子水流通截面sj積?Y的水的容積流量稱為水的實(shí)際流速wY

，即sjQqwYY

= ，sjwYQs=?YY ?Y3)

相對(duì)流速與滑移比：汽液兩相流體中，蒸汽實(shí)際流速與水的實(shí)際流速之差稱為相對(duì)速度wxd

，蒸汽實(shí)際流速與水的實(shí)際流速之比稱為滑移比S：wxd=wYY

?wY，S=

wYY/wYsj sj sj sj20/423、汽水兩相流模型與流動(dòng)參數(shù)含汽率質(zhì)量含汽率：汽液兩相流體中，蒸汽質(zhì)量流量所占混合物質(zhì)量流量的份額稱為質(zhì)量含汽率x，也稱為蒸汽干度。當(dāng)兩相流體完全處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)x

=Gq=

0ρYYwYYGh ρYw00將上式帶入混合流速wh

=

w0+

wYY 1?

ρYY?ρY ，可得混合流速與質(zhì)量含氣率之間的關(guān)系式：ρYwh

=

w0 1

+

x ρYY?

121/423、汽水兩相流模型與流動(dòng)參數(shù)x

=對(duì)于受熱蒸發(fā)管，可用熱物性參數(shù)來表示，稱熱力學(xué)含汽率，也稱為沸騰度。在蒸發(fā)管任一截面i?

iYr式中，i為工質(zhì)比焓，kJ/kg；

iY

為工質(zhì)飽和水焓，kJ/kg；r為汽化潛熱，kJ/kg。x

<

0：工質(zhì)處于未飽和水(過冷沸騰)區(qū)；0

≤

x

≤

1，工質(zhì)處于飽和沸騰區(qū)；x

>

1，工質(zhì)處于過熱蒸汽區(qū)。22/423、汽水兩相流模型與流動(dòng)參數(shù)3、汽水兩相流模型與流動(dòng)參數(shù)受熱蒸發(fā)管中入口的水量G0與產(chǎn)生的蒸汽量D的比值，稱為循環(huán)倍率K，為質(zhì)量含汽率的倒數(shù)，即K=G0=

1D x自然循環(huán)23/422)

容積含汽率：汽液兩相混合流體中，蒸汽容積流量所占混合物容積流量的份額稱為容積含汽率β，即β

=QqQh wh=

0

=

0 wYY wYY0 0wY+

wYY0將混合流速wh

=

w0

+

wYY 1

?

ρYY?ρY 和質(zhì)量含汽率0x

=

ρYYwYY?ρYw0

帶入上式，可得出容積含汽率與質(zhì)量含汽率之間的關(guān)系：β

=1ρYY11+

ρY x?

13、汽水兩相流模型與流動(dòng)參數(shù)24/42?

=3)

截面含汽率：反映蒸發(fā)管某截面上工質(zhì)的真實(shí)含汽率稱為截面含汽率，又稱真實(shí)容積含汽率。其值為某一管道截面上蒸汽流通截面積與整個(gè)管道截面的比值：?YY?該值需要通過試驗(yàn)來確定。經(jīng)推導(dǎo)可得截面含汽率與質(zhì)量含汽率或容積含汽率之間的關(guān)系：?

=ρYY11+

S

ρY x?

1=1 11+

S

1?

ββ3、汽水兩相流模型與流動(dòng)參數(shù)25/42相關(guān)公式推導(dǎo)：?YY??

= =sjwYY?YYwYY?=Qqsj

sjwYY?Y+

?YY=QqsjQq+SwY

?Y=Qq=Qq=1=Qq+

SQs11+

S 1/β?

1=Qq

+

S Qh?

Qq11+

S

1?

ββ=1

+

S Qh/Qq?

11ρYY11+

S

ρY x?

13、汽水兩相流模型與流動(dòng)參數(shù)26/42為分析相對(duì)速度對(duì)含汽率的影響，?可改寫為：?

=

0wYY=whsj sjwYY?

0wYY wYYwh=

CβwFF式中C

=

wh

也反映出汽水間存在的相對(duì)速度，可由試27/42sj驗(yàn)確定。該式表明：汽速與水速相等時(shí)：

C

=

1，?

=

β；向上流動(dòng)：蒸汽流速比水快，C

<

1，?

<

β；向下流動(dòng)：當(dāng)β

<

βjx：

C

>

1，?

>

β；當(dāng)β

>

βjx：

C

>

1，?

<

β。3、汽水兩相流模型與流動(dòng)參數(shù)相關(guān)公式推導(dǎo)：?YY?

= =Qq/wYY0? Qq/wYYsj

=0wYYsjwYY?wYY=

?wYY0 sj?Y?=???YY?=1??

=Qs/wYQs/wYsj

=0wY0 sjwY0? wY

=sj1?

? wYwh=wY+

wYY

= 1?

? wY +

?wYY0 0 sj sj如果wY =wYY：wh=wYY，C

=1;sj sj sj如果wY <

wYY(向上流動(dòng))：wh

<

wYY

，

C

<

1;sj sj sj如果wY >

wYY(向上流動(dòng))：wh

>

wYY

，

C

>

1;sj sj sj28/423、汽水兩相流模型與流動(dòng)參數(shù)密度汽液兩相流體中，工質(zhì)的質(zhì)量流量與容積流量的比值稱為汽水混合物密度ρh，即ρh

=GhQhρYYQq+ρYQsQh= =

βρYY

+ 1?β ρY=ρY

?

β ρY?

ρYYβ=1ρYY11+

ρY x?

1ρh

=ρYρY1+

x ρYY?

13、汽水兩相流模型與流動(dòng)參數(shù)29/42hsjρ =Qh=在一長(zhǎng)為ΔL的微元管段上，單位微元管段容積具有的混合工質(zhì)質(zhì)量稱為汽水混合物實(shí)際密度ρhsj，即?YYρYY+

?YρYGh ΔL=?ρYY

+?ΔL1??

ρY=ρY

?? ρY?

ρYY由此得出汽水混合物實(shí)際流速whsj為whsj

=ρYw0ρhsjρYw0=ρY

?

? ρY?

ρYY3、汽水兩相流模型與流動(dòng)參數(shù)30/42管內(nèi)傳熱惡化2汽水兩相流模型與參數(shù)3管內(nèi)汽水流動(dòng)阻力4主要內(nèi)容5 鍋爐水循環(huán)方式1 管內(nèi)汽水混合物流型與傳熱過程31/424、管內(nèi)汽水流動(dòng)阻力32/42鍋爐管內(nèi)工質(zhì)既有單相流體，又有汽液兩相流體，它們?cè)诠軆?nèi)流動(dòng)時(shí)由于需要克服各種阻力會(huì)產(chǎn)生一定的壓力降。按照動(dòng)量守恒方程式，壓降計(jì)算的基本方程為ΔP=ΔPmC+ΔPjb+ΔPzw+

ΔPjs式中：ΔP為總壓降，定義為管道始端終端壓力之差；ΔPmC、ΔPjb分別代表摩擦阻力和局部阻力，這兩項(xiàng)之和通常稱為流動(dòng)阻力ΔP1d

。ΔPzw、ΔPjs分別稱為重位壓降和加速壓降。摩擦阻力單相流體摩擦阻力為ΔPmC=λ

dnl ρ?w22式中：ρ?為工質(zhì)的平均密度，kg/m3；λ為摩擦阻力系數(shù)；dn為管子內(nèi)直徑l為管子長(zhǎng)度33/424、管內(nèi)汽水流動(dòng)阻力汽液兩相流體的摩擦阻力的計(jì)算式大體可以分為均相流模型和分相流模型兩種。我國(guó)電站鍋爐水動(dòng)力計(jì)算方法中采用修正均相流模型法，即借用單相摩擦阻力計(jì)算公式的形式，再進(jìn)行試驗(yàn)修正?？梢缘玫溅mC=

?λl ρYw2

0dn 2ρYρYY1+

x? ?

134/42式中：λ為單相流體摩擦阻力系數(shù)；x?為計(jì)算管段的平均質(zhì)量含汽率；?為摩擦阻力校正系數(shù)，與質(zhì)量含汽率x，壓力p及質(zhì)量流速ρw有關(guān)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，其物理意義是雙相摩擦阻力與按均相模型計(jì)算的摩擦阻力之比。4、管內(nèi)汽水流動(dòng)阻力重位壓降(重位壓頭)單相流體的重位壓降可表示為ΔPzw=

ρ?gΔ?式中：ρ?為工質(zhì)平均密度，kg/m3；Δ?為管子進(jìn)出口之間的水準(zhǔn)標(biāo)高差，m；汽水混合物重位壓降的計(jì)算采用分相流動(dòng)模型，汽水混合物的平均密度取平均實(shí)際密度，計(jì)算式為ΔPzw=

ρ?hsjgΔ?

= ρY

?

?ˉ ρY

?

ρYY gΔ?式中，?ˉ為管段內(nèi)平均截面含汽率。35/424、管內(nèi)汽水流動(dòng)阻力加速壓降單相流體的加速壓降為ΔPjs

=

ρw wC?

wj2= ρw vC?

vj式中，下標(biāo)c和j分別為出口和進(jìn)口參數(shù)。汽液兩相流體的加速壓降采用均相流模型，按下式：2ΔPjs

= ρw xC?

xjvYY?

vY36/42加熱的蒸發(fā)管中不斷汽化，使出口汽水混合物的容積增大很多，因此加速壓降較大，特