第8章 锅炉水动力特性

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 锅炉水动力学的研究任务是研究锅炉锅炉水动力学的研究任务是研究锅炉蒸发受热面蒸发受热面的的 水动力特性，水动力特性，保证锅炉水循环的可靠性保证锅炉水循环的可靠性。为了使锅炉安。为了使锅炉安 全可靠运行，所有受热面都应受到工质足够的冷却，以全可靠运行，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

2、流动阻力。 在锅炉的受热面中，省煤器中流动的工质为在锅炉的受热面中，省煤器中流动的工质为单相单相流流 体水，过热器中工质为体水，过热器中工质为单相单相流体蒸汽，惟有蒸发受热面流体蒸汽，惟有蒸发受热面 水冷壁上升管中流动的工质为水冷壁上升管中流动的工质为汽水混合物汽水混合物。在上升管受。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

3、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 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：汽泡趋中效应：蒸汽密度比水小，在蒸汽密度比水小，在上升两相流上升两相流 中，在相同压力的作用下，汽泡的上升速度比水中，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。快，水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，阻力如果汽泡在靠近管边处，汽水相对速度大，阻力 大；而汽泡若在管中间则阻力小。汽泡总是往阻大；而汽泡若在管中间则阻力小。汽泡总是往阻 力小的

4、地方运动，所以在上升管中，汽泡都向管力小的地方运动，所以在上升管中，汽泡都向管 中间运动。中间运动。 思考：思考：对于对于下降两相流下降两相流，汽泡如何运动？，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： 混合物含汽率变化，两相流速不同，汽泡趋中效应混合物含汽率变化，两相流速不同，汽泡趋中效应 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 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） (a)泡状流：泡状流：汽水混合汽水混合 物中含汽率较小时，物中含汽率较小时， 蒸汽呈细小的汽泡

5、，蒸汽呈细小的汽泡， 主要在管子中心部分主要在管子中心部分 向上运动。向上运动。 (b)弹状流：弹状流：含汽率增含汽率增 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： 混合物含汽率变化，两相流速不同，汽泡趋中效应混合物含汽率变化，两相流速不同，汽泡趋中效应 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 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） (c)环状流：环状流：含汽率继含汽率继 续

6、增大，弹状汽泡汇续增大，弹状汽泡汇 合成汽柱并沿着管子合成汽柱并沿着管子 中心流动，而水则呈中心流动，而水则呈 环状水膜沿管壁流动。环状水膜沿管壁流动。 (d)雾状流：雾状流：含汽率再含汽率再 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，形成管子在浮力作用下，形成管子上部蒸汽偏多的不对称流动结构上部蒸汽偏多的不对称流动结构。 随着流速减小，流动结构的不对称性增加。当流速小到一随着流

7、速减小，流动结构的不对称性增加。当流速小到一 定程度时，形成定程度时，形成分层分层流动。管子上部与蒸汽接触，管壁温流动。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 。 汽水混合物汽水混合物流速流速，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 ，且尽量避，且尽量避 免使用水平管，以防止发生分层流动。直流锅炉，一般采免使用水平管，以防止发生分层流动。直流锅炉，一

8、般采 用提高流速的方法防止汽水分层。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 在蒸发过程的各个阶段，蒸发管内在蒸发过程的各个阶段，蒸发管内 的流型不断变化，随流型不同流体的流型不断变化，随流型不同流体 与管壁的换热方式也不同，即管内与管壁的换热方式也不同，即管内 流体的流体的放热系数放热系数不断变化。不断变化。放热系放热系 数越大，管壁温度越接近工质温度数越大，管壁温度越接近工质温度。 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 不同负荷时放热系数与不

9、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传热传热 恶化；恶化；FG含水不足段含水不足段 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引起的传 热恶化。当热负荷很高，热恶化。当热负荷很高， 管内壁汽化核心急剧增管内壁汽化核心急剧增 加，形成连续的汽膜，加，形成连续的汽膜， 导致对流放热系数急剧导致对流放热系数急剧 下降，管壁得不到液体下降，管壁得不到液体 冷却而超温破坏。其直冷却而超温破

10、坏。其直 接原因是接原因是热负荷过高热负荷过高。 把出现第一类传热恶化把出现第一类传热恶化 时的热负荷称为临界热时的热负荷称为临界热 负荷负荷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传热传热 恶化；恶化；FG含水不足段含水不足段 第二类传热恶化：第二类传热恶化：因为因为 蒸干蒸干引起的传热恶化。引起的传热恶化。 热负荷比前者低，但含热负荷比前者低，但含 汽率很高时，汽流将水汽

11、率很高时，汽流将水 膜撕破或因蒸发使水膜膜撕破或因蒸发使水膜 部分或全部消失，管壁部分或全部消失，管壁 直接与蒸汽接触而得不直接与蒸汽接触而得不 到液体的足够冷却。其到液体的足够冷却。其 直接原因是直接原因是含汽率过高含汽率过高。 把出现第二类传热恶化把出现第二类传热恶化 时的含汽率称为临界含时的含汽率称为临界含 汽率汽率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，可能下降，导致管壁温度剧增，可能烧坏管子烧坏管子。同时。同时 还会导致管壁温度发生波动，造成还会导致管壁温度发生波动，造成金属疲劳损坏金属疲劳损坏。 第一类传热恶化

12、第一类传热恶化，防止受热面热负荷过高，防止受热面热负荷过高， 即可避免第一类传热恶化。即可避免第一类传热恶化。第二类传热恶化第二类传热恶化，对，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，即可避免；但对直流锅炉，蒸发管内出现过高，即可避免；但对直流锅炉，蒸发管内出现 含水不足的状况不可避免，因此含水不足的状况不可避免，因此无法防止无法防止第二类第二类 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 1. 汽液两相流体流动模型汽液两相流体流动模型 均相

13、模型：均相模型：假定在管内汽水是均匀混假定在管内汽水是均匀混 合的，合的，水和汽之间无相对速度水和汽之间无相对速度，只考，只考 虑汽水比体积的不同。是研究汽液两虑汽水比体积的不同。是研究汽液两 相流动的基础。相流动的基础。 分流模型：分流模型：假定管内汽水混合物分开假定管内汽水混合物分开 流动，汽在管子中央流动，水贴近壁流动，汽在管子中央流动，水贴近壁 面流动；面流动；汽水之间有相对速度汽水之间有相对速度。蒸发。蒸发 管内的流型主要为泡状流、环状流，管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因此分流模型更接近蒸发管内的真实真实 流动情况。流动情况。 分流模型分流模型 2.

14、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单位时间内流经单位流通截面的工质质 量。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。 2 kg/(m s) G w F 0 = m/s G

15、w w F 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。间内流过单位截面积的混合物容积。 0 0 m/s m/s DV w FF GDV w FF 00 m/s m VV www F 真实流速：真实流速：按按分流模型分流模型计算出的汽计算出的汽/水水 流速。流速。 汽水滑动比汽水滑动比S

16、：汽水两相真实流速之比。汽水两相真实流速之比。 S1：ww，为汽水混合物向上流动，为汽水混合物向上流动 S1：wG1G2） 比如：给水量减比如：给水量减 小，开始沸腾点小，开始沸腾点 前移，加热水段前移，加热水段 长度长度L1缩小，蒸发缩小，蒸发 段长度段长度L2也缩小，也缩小， 锅炉受热管总长锅炉受热管总长 度不变，过热段度不变，过热段 长度长度L3相对增大，相对增大， 过热汽温上升。过热汽温上升。 b. 燃料、给水和空气的自动控制及调节要求较高：燃料、给水和空气的自动控制及调节要求较高：直流锅直流锅 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

17、感；工 质预热、蒸发和过热段间无固定界限，若燃水比失调则质预热、蒸发和过热段间无固定界限，若燃水比失调则 不能保证供给合格蒸汽。不能保证供给合格蒸汽。 c. 无自补偿能力：无自补偿能力：蒸发受热面可能出现流动不稳定、脉动蒸发受热面可能出现流动不稳定、脉动 等问题。等问题。 d. 无法避免第二类传热恶化，管壁可能超温破坏：无法避免第二类传热恶化，管壁可能超温破坏：直流锅直流锅 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避免。面出口含汽率很高，第二类传热恶化无法避免。 e. 对给水品质要求很高：对给水品质要

18、求很高：无汽包不能进行连续排污，因此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，消耗电能较大。 复合循环与控制循环的区别：复合循环与控制循环的区别： 没有汽包，代之以简单的汽水没有汽包，代之以简单的汽水 分离器。分离器。 复合循环与直流锅炉的区别：复合循环与直流锅炉的区别： 在省煤器和水冷壁之间装设循在省煤器和水冷壁之间装设循 环泵等，依靠循环泵压头将蒸环泵等，依靠循环泵压头将蒸 发受热面出口的部分或全部工发受热面出口的部分或全部工 质进行再循环，蒸发系统中除质进行再循环，蒸发系统中除 了了直流流量直流流量外，还有循环泵提外，还有循环泵提 供的供的循环流量循环流量。 3. 复合循环锅炉复合循环锅炉 复合循环锅炉工作原理：复合循环锅炉工作原理：依靠循环泵的压头将蒸发受依靠循环泵的压头将蒸发受 热面出口的部分或全部工质进行再循环的锅炉。热面出口的部分或全部工质进行再循环的锅炉。 复合循环示意图复合循环示意图 复合循环锅炉包括复合循环锅炉包括全负荷复合循环锅炉全负荷复合循环锅炉和和部分负荷复部分负荷复 合循环锅炉合循环锅炉两种。两种。 全负荷复合循环锅炉：全负荷复合循环锅炉： 又称又称低倍率循环锅炉低倍率循