锅炉原理13章

1、 第十三章第十三章 蒸发受热面的工质蒸发受热面的工质 流动和传热流动和传热 本章主要内容：本章主要内容：l 两相流动和传热及其各项参数；两相流动和传热及其各项参数；l 自然循环原理和计算；自然循环原理和计算；l 自然循环的安全性；自然循环的安全性；l 强制流动蒸发受热面的水动力特性强制流动蒸发受热面的水动力特性。 第一节第一节 两相流动和传热两相流动和传热 一、两相流动和传热的基本概念一、两相流动和传热的基本概念 影响两相流动的主要因素：影响两相流动的主要因素： 1、工质的流向、工质的流向（向上（向上 、向下、水平）、向下、水平） 2、流速、流速 3、管径、管径 4、压力（汽水密度差）、压力（

2、汽水密度差） 5、粘度、粘度 6、含汽率、含汽率 7、热负荷、热负荷 二、两相传热恶化二、两相传热恶化 1、某一负荷下，放热系数、某一负荷下，放热系数沿流程的变化沿流程的变化 以图以图13-2的负荷的负荷1为例：为例：（1）A-B段（单相过冷水，段（单相过冷水， 有所增加有所增加）；）；（2）B-C段（过冷沸腾，段（过冷沸腾， 明显增加明显增加）；）；（3）C-D段（饱和核态沸腾，段（饱和核态沸腾，增加不多增加不多）；）；（4）D-E段（饱和核态沸腾段（饱和核态沸腾 强制水膜对流，强制水膜对流， 进一步增加进一步增加）；）；（5）E-F段（液雾流、含水不足，段（液雾流、含水不足， 迅速降低、出

3、现第二类传热恶化迅速降低、出现第二类传热恶化 ）；）；（6）F点以后（蒸汽的单相换热，点以后（蒸汽的单相换热，有所增加有所增加）。）。2、负荷变化对、负荷变化对的影响的影响 随着负荷增加：随着负荷增加： （图（图13-2中负荷线由中负荷线由1逐步变到逐步变到7）（1）过冷沸腾过冷沸腾点提前点提前 （对应于（对应于B点）点）；（2）饱和核态沸腾饱和核态沸腾时的放热系数增加时的放热系数增加（对应（对应C-D段）段）；（3）转为）转为强制水膜对流传热强制水膜对流传热的的 x 增加增加（对应（对应D-E段）段）；（4）传热恶化传热恶化出现点提前：出现点提前： （对应于（对应于E点）点） 1）含水不足提

4、前；）含水不足提前；（负荷（负荷2 ） （第二类传热恶化。特征参数：临界含汽率）（第二类传热恶化。特征参数：临界含汽率） 2）膜态沸腾提前。）膜态沸腾提前。（负荷（负荷37 ） （第一类传热恶化。特征参数：临界热负荷）（第一类传热恶化。特征参数：临界热负荷） 三、超临界压力下的传热三、超临界压力下的传热 1、超临界压力下的参数变化特点、超临界压力下的参数变化特点 （1）最大比热容点）最大比热容点 （2）拟临界温度（准临界温度）拟临界温度（准临界温度） （3）大比热容区）大比热容区 2、大比热容区的对流放热系数、大比热容区的对流放热系数 W/(m2) （式（式13-1） 0A四、传热恶化的措施四

5、、传热恶化的措施 （书（书p.234235） 1、保证一定的质量流速；、保证一定的质量流速；2、使流体在管内产生旋转流动或破坏汽膜边界层；、使流体在管内产生旋转流动或破坏汽膜边界层； 内螺纹管、扰流子。内螺纹管、扰流子。3、降低受热面的热负荷。、降低受热面的热负荷。第二节第二节 两相流的基本参数和流动压降两相流的基本参数和流动压降 一、两相流的基本参数一、两相流的基本参数基本参数包括基本参数包括 ：1、流量参数：流量参数： 流过截面流过截面的汽水混合物流动参数的汽水混合物流动参数 ；2、真实流动特性参数：真实流动特性参数： 截面上截面上的汽、水真实流动参数的汽、水真实流动参数 。（一）流量参数

6、（一）流量参数 （书（书p.236238）1、质量流速、质量流速（单位面积的质量流量）（单位面积的质量流量） kg/(m2s) （式（式13-3）2、循环流速循环流速（以饱和水密度计算的上升管进口工质流速）（以饱和水密度计算的上升管进口工质流速） m/s （式（式13-4）3、折算流速、折算流速 （1）蒸汽折算流速蒸汽折算流速 m/s （式（式13-5） （2）水的折算流速水的折算流速 m/s （式（式13-7） 质量流速质量流速 kg/(m2s ) FGw FGw0FDw 0FDGw000)(wwFDGDw 4、混合物流速混合物流速（式式13-9 ） m/s 5、质量含汽率、质量含汽率 （式

7、式13-12 ）riiiiiiGDx 00wwFDGDwm 总的截面积总的容积流量6、容积含汽率、容积含汽率（式式13-15 ） （V ”、V ：汽、水容积流量：汽、水容积流量 ） 与与x之间的关系：之间的关系： （式式13-16 ）7、流量密度、流量密度 （式式13-17 ） mwwFwFwFwVVV0000 1111x 1VVVVm容积流量质量流量（二）真实流动特性参数（二）真实流动特性参数 某流动截面上的某流动截面上的“当地当地”参数。参数。 1、真实流速、真实流速 水的真实流速水的真实流速 蒸汽的真实流速蒸汽的真实流速 汽水滑动比汽水滑动比 FFwFVw 0FFFwFVw 0wwS 2

8、、截面含汽率、截面含汽率（空隙率）（空隙率） （式（式13-21） 与与之间的关系之间的关系 ： （式（式13-22） 令令 得得 （C与工质流动方向、压力、流速、含汽率有关）与工质流动方向、压力、流速、含汽率有关） 用汽水滑动比表示：用汽水滑动比表示：FF总的流通截面积蒸汽所占流通截面积 Cwwhu ChuhuwwFwFwVVV 量汽水混合物总的容积流蒸汽的容积流量 111S（二）真实流动特性参数（二）真实流动特性参数 3、真实密度、真实密度 某一流通截面上汽水混合物的密度。某一流通截面上汽水混合物的密度。 （式（式13-24） 1tr（二）真实流动特性参数（二）真实流动特性参数 3、真实密

9、度、真实密度 某一流通截面上汽水混合物的密度。某一流通截面上汽水混合物的密度。 （式（式13-24） 1tr二、两相流动的压降二、两相流动的压降 （式（式13-25） 摩擦阻力摩擦阻力 局部阻力局部阻力 重位压差重位压差 加速压降加速压降 gracfrppppghpgr 11 ,2,mmacwwwp第三节第三节 自然循环原理及计算自然循环原理及计算 一、自然水循环原理一、自然水循环原理（一）自然循环回路（一）自然循环回路（二）循环压头（二）循环压头1、运动压头、运动压头Sdr及其与流动阻力的平衡式及其与流动阻力的平衡式 自然循环回路中克服流动阻力的推动力。自然循环回路中克服流动阻力的推动力。

10、（式（式13-34, 35） 影响运动压头的因素：影响运动压头的因素： （1）水循环高度）水循环高度h ； （2）下降管与上升管的工质密度差）下降管与上升管的工质密度差 1）压力大小；）压力大小； 2）上升管平均含汽率）上升管平均含汽率 ridcridcdrppghghS2、有效压头、有效压头Sef及其与流动阻力的平衡式及其与流动阻力的平衡式 有效压头有效压头Sef 运动压头中，用于克服下降管阻力的压头。运动压头中，用于克服下降管阻力的压头。 Sef与流动阻力的平衡式与流动阻力的平衡式 （式（式13-36）3、下降管、上升管两端压差的平衡式、下降管、上升管两端压差的平衡式 （式（式13-37）

11、 式式13-35、36、37分别是：分别是： 运动压头法、有效压头法、压差法。运动压头法、有效压头法、压差法。dcridrefppSSriridcdcpghpgh（三）循环流速和循环倍率（三）循环流速和循环倍率 水循环安全性的两个重要指标。水循环安全性的两个重要指标。 1、循环流速、循环流速 （式（式13-4） 2、循环倍率、循环倍率K 进入上升管的循环水流量进入上升管的循环水流量G与上升管出口与上升管出口 蒸汽流量蒸汽流量D之比。之比。 xGxGK1 1） 界限含汽率界限含汽率xth ：自然循环开始失去自补偿能力时的自然循环开始失去自补偿能力时的x。 2） 界限循环倍率：界限循环倍率： Kt

12、h=1/ xth。（表（表13-2） x xth ： x增加增加 w减小。减小。（强制流动特性（强制流动特性 ） w0w0,max 0 xth x 图图 13-9 x与与w0的关系的关系二、水循环计算二、水循环计算水循环计算的任务水循环计算的任务（1）计算整个循环回路的工作点；）计算整个循环回路的工作点； 循环流量循环流量G或循环流速或循环流速w0（2）校验水循环的安全性。）校验水循环的安全性。水循环计算的已知条件水循环计算的已知条件（1）结构尺寸；）结构尺寸； （管径、高度等）（管径、高度等）（2）热负荷、压力等。）热负荷、压力等。 （热力计算的结果）（热力计算的结果）（一）简单回路的水循环

13、计算（一）简单回路的水循环计算 简单循环回路简单循环回路（图（图13-10） 复杂循环回路复杂循环回路（图（图13-13） 1、基本方程、基本方程（1）压差法）压差法 （式（式13 - 40） 式中：式中：（2）有效压头法）有效压头法 （式（式13 - 43）acseovlplplpriiidcdcppppghpghpgh ovovovghpdcacseovlpridrefppppppSS2、加热水段高度的计算、加热水段高度的计算 h 2hhw 1 v v D： （ 中中1） （1）蒸汽在汽包中被部分）蒸汽在汽包中被部分省煤器来的水省煤器来的水凝结；凝结； （2）下降管带汽）下降管带汽 。xK

14、DG13、循环回路工作点的计算、循环回路工作点的计算 使水循环基本方程式成立的循环流量使水循环基本方程式成立的循环流量G的计算。的计算。（1）压差法）压差法 （式（式13 - 40）（2）有效压头法）有效压头法 （式（式13 - 43）acseovlplplpriiidcdcppppghpghpghdcacseovlpridrefppppppSS影响工作点有效压头的因素：影响工作点有效压头的因素：（根据计算式（根据计算式13-40或或13-43）（1）工作压力；）工作压力；（2）含汽率；）含汽率；（3）循环回路的高度；）循环回路的高度；（4）上升管流动阻力；）上升管流动阻力；（5）下降管流动阻

15、力。）下降管流动阻力。 （二）（二） 复杂回路的水循环复杂回路的水循环计算计算计算方法计算方法 串联回路：串联回路：流量流量相同相同，压差（有效压头），压差（有效压头）相加相加； 并联回路：并联回路：流量流量相加相加，压差（有效压头），压差（有效压头）相同相同。 （各子回路的重位压头、阻力按各自的高度和流程计算）（各子回路的重位压头、阻力按各自的高度和流程计算） （1）压差法）压差法（2）有效压头法）有效压头法第四节第四节 自然循环的安全性自然循环的安全性 一、水循环安全性检查一、水循环安全性检查 检查内容：检查内容：停滞、自由水面、倒流。停滞、自由水面、倒流。 检查目的：检查目的：防止有的受

16、热面出现传热恶化。防止有的受热面出现传热恶化。（一）循环完全特性曲线（一）循环完全特性曲线 1、定义：、定义： （书（书p.247） 既包括正向流动既包括正向流动，又包括反向流动又包括反向流动的压差的压差 （或（或压头）与循环流量之间的关系曲线压头）与循环流量之间的关系曲线 。 2、作用：、作用： 检查水循环是否会出现检查水循环是否会出现停滞、自由水面、倒流停滞、自由水面、倒流。 3、水循环完全特性曲线的建立、水循环完全特性曲线的建立 压差法压差法 4、对水循环完全特性曲线的说明、对水循环完全特性曲线的说明1）在倒流区的上升管压差有一个最大值在倒流区的上升管压差有一个最大值 ； 2）Yfrv与

17、倒流流量与倒流流量 成正比的区间是不稳定区间；成正比的区间是不稳定区间； （图中（图中B点所在的区间）点所在的区间）3）-DG0： 有有2个实根，个实根，水动力不稳定；水动力不稳定； 2）如果）如果B2-3AC0： 有有2个虚根，个虚根，水动力稳定；水动力稳定； 3）如果）如果B2-3AC=0： 有有2个重根，个重根，水动力稳定边界点。水动力稳定边界点。wCwBwAp230232CwBwAwdpdAACBBAACBBw3361242220wdpd 水动力稳定的条件：水动力稳定的条件： B2-3AC0 把式把式13-62, 63, 64 代入代入上式得：上式得： 式中：式中： v”、v是汽、水比

18、容；是汽、水比容； （式（式13-57） i是进口工质的欠焓；是进口工质的欠焓； （式（式13-58） r是汽化潜热。是汽化潜热。 （式（式13-60） 146. 7vvri2、影响水动力多值性的因素、影响水动力多值性的因素 水动力不稳定（多值性）的根本原因：水动力不稳定（多值性）的根本原因： （书（书p.253） 蒸发段压降可能随流量增加而减小。蒸发段压降可能随流量增加而减小。（流程缩短、比容减小）（流程缩短、比容减小） 1）工作压力）工作压力 压力提高，稳定性提高。压力提高，稳定性提高。 2）进口工质欠焓）进口工质欠焓 进口欠焓进口欠焓i减小，稳定性提高。减小，稳定性提高。 3）热负荷）热

19、负荷 热负荷增加：相当于进口欠焓热负荷增加：相当于进口欠焓i减小；减小； 4）局部阻力）局部阻力 比容变化小的热水段中，局部阻力增加，则稳定性提高。比容变化小的热水段中，局部阻力增加，则稳定性提高。 超临界压力下：超临界压力下： 在大比热区，也会出现水动力不稳定性。在大比热区，也会出现水动力不稳定性。（图（图13-22）三、立置蒸发管的水动力特性三、立置蒸发管的水动力特性 与平置蒸发管的区别：与平置蒸发管的区别：增加了重位压头的影响。增加了重位压头的影响。 1、向上流动、向上流动 2、向下流动、向下流动grfrppp四、蒸发管中的脉动四、蒸发管中的脉动 定义：定义：蒸发管内工质的进、出口流量呈

20、周期性波动。蒸发管内工质的进、出口流量呈周期性波动。 对锅炉的影响：对锅炉的影响： 1）金属超温和疲劳损伤；）金属超温和疲劳损伤； 2）蒸汽参数（）蒸汽参数（p、t）和流量波动，调节品质差。）和流量波动，调节品质差。1、脉动的表现形式、脉动的表现形式 （1）管间脉动）管间脉动（2）管屏（带）间脉动）管屏（带）间脉动（3）整体脉动）整体脉动 对管间脉动的定性分析：对管间脉动的定性分析： （1）管间脉动的起因）管间脉动的起因 蒸发区热负荷、流量等的变化蒸发区热负荷、流量等的变化 汽、水特性（比容等）的差异。汽、水特性（比容等）的差异。（2）管间脉动能够维持的原因）管间脉动能够维持的原因 1）工质和金属管