第13章蒸发受热面的工质流动和传热

1、 第十三章 蒸发受热面的工质 流动和传热 本章主要内容：两相流动和传热及其各项参数；自然循环原理和计算；自然循环的安全性；强制流动蒸发受热面的水动力特性。 第一节 两相流动和传热 一、两相流动和传热的基本概念 图 13-1 垂直上升蒸发管中的两相流型和传热 影响两相流动的主要因素： 1、工质的流向（向上 、向下、水平） 2、流速 3、管径 4、压力（汽水密度差） 5、粘度 6、含汽率 7、热负荷 二、两相传热恶化 图13-2 不同负荷时放热系数与x的关系1、某一负荷下，放热系数沿流程的变化 以图13-2的负荷1为例：（1）A-B段（单相过冷水， 有所增加）；（2）B-C段（过冷沸腾， 明显增加

2、）；（3）C-D段（饱和核态沸腾，增加不多）；（4）D-E段（饱和核态沸腾 强制水膜对流， 进一步增加）；（5）E-F段（液雾流、含水不足， 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，有所增加）。2、负荷变化对的影响 随着负荷增加： （图13-2中负荷线由1逐步变到7）（1）过冷沸腾点提前 （对应于B点）；（2）饱和核态沸腾时的放热系数增加（对应C-D段）；（3）转为强制水膜对流传热的 x 增加（对应D-E段）；（4）传热恶化出现点提前： （对应于E点） 1）含水不足提前；（负荷2 ） （第二类传热恶化。特征参数：临界含汽率） 2）膜态沸腾提前。（负荷37 ） （第一类

3、传热恶化。特征参数：临界热负荷） 三、超临界压力下的传热 1、超临界压力下的参数变化特点 （1）最大比热容点 （2）拟临界温度（准临界温度） （3）大比热容区 在超临界压力下的大比热区内，工质与管壁的传热却类似于亚临界压力下的沸腾换热2、大比热容区的对流放热系数 W/(m2) （式13-1） 类膜态沸腾超临界压力下在相变点附近工质特性变化很大，影响传热特性9由于超临界压力工质的特性在相变区发生显著变化，因此在一定条件下，仍然可能发生传热恶化。传热恶化现象类似于亚临界压力时的膜态沸腾，称类膜态沸腾。工质特性突变的影响表现为：因管壁面附近温度比管中心高管壁附近的粘度比管中心小得多，粘度梯度的作用引

4、起流体边界层流动层流化在边界层中流体密度降低，产生浮力，促使紊流传热层流化壁面附近流动层流化壁面附近传热系数低类膜态沸腾10四、传热恶化的防止措施 传热恶化第一类传热恶化(膜态沸腾或类膜态沸腾)：防止它的产生 。防止受热面热负荷过高，以避免它的发生。 第二类传热恶化（蒸干）：允许它发生，但防止壁温超过容许值。 自然循环锅炉：只要保证蒸发管出口的含汽率不是过高，就可以避免该传热恶化的出现；直流锅炉：蒸发管内出现含水不足的传热恶化是不可避免的，因此要设法减少传热恶化时壁温的上升幅度，而不是防止它的产生。 四、传热恶化的措施 （书p.234235） 1、保证一定的质量流速；2、使流体在管内产生旋转流

5、动或破坏汽膜边界层； 内螺纹管、扰流子。3、降低受热面的热负荷。12内螺纹管内螺纹管既强化传热，又强化扰动而避免汽膜的产生因而避免壁温的飞升。第二节 两相流的基本参数和流动压降 一、两相流的基本参数基本参数包括 ：1、流量参数： 根据流过的工质的质量平衡或能量平衡计算得到的参数；流过截面的汽水混合物流动参数 ；2、真实流动特性参数： 截面上的汽、水真实流动参数 。14(一）流量参数：根据流过的工质的质量平衡或能量平衡计算得到的参数。 质量流速循环流速折算流速混合物流速质量含汽率和容积含汽率流量密度15质量流速质量流量G (kg/s)水的质量流量 G-D kg/s蒸汽的质量流量 D kg/s G

6、= (G-D) + D容积流量V (m3/s)水的容积流量V (m3/s)蒸汽的容积流量V (m3/s) V= V + V 质量流速：单位时间内流经单位流通截面的工质质量。16循环流速循环流速：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。 17折算流速对于管内汽水两相流蒸汽折算流速：假定流过的蒸汽占有管子全部截面时计算所得的蒸汽的流速。平均蒸汽折算流速：水的折算流速：循环流速与折算流速的关系（一）流量参数 （书p.236238）1、质量流速（单位面积的质量流量） kg/(m2s) （式13-3）2、循环流速（以饱和水密度计算的上升管进口工质流速） m/s （式13-4）3、折算流速

7、 （1）蒸汽折算流速 m/s （式13-5） （2）水的折算流速 m/s （式13-7） 质量流速 kg/(m2s ) 19混合物流速混合物流速：流经管子截面的混合物容积等于流过的水容积和汽容积之和，混合物的平均流速为20含汽率质量含汽率：蒸汽的质量流量D与工质总的质量流量G之比称为质量含汽率（又称：蒸汽干度） 。容积含汽率：流经管子某一截面的蒸汽容积流量与混合物的总容积流量之比，称为该截面上的容积含汽率 。与x之间的关系（式13-16 ）21流量密度流量密度：汽水混合物的质量流量与体积流量之比（式13-17 ）22（二）真实流动特性参数：表示流体（汽相、液相或汽液混合物）流动时的真实状态的参

8、数 真实流速截面含汽率 汽水混合物的真实密度23真实流速真实流速：实际上在两相流体中蒸汽或水只占管子截面的一部分，设水和汽所占管子截面的面积分别为F和F，则该截面上水的真实流速为 汽的真实流速：汽水滑动比24截面含汽率在某一截面上，蒸汽所占截面积F与管子总截面积F之比，称为截面含汽率 （C与工质流动方向、压力、流速、含汽率有关） 用汽水滑动比表示：25真实密度流通截面上的工质密度，称为真实密度。流量密度 向上流动，真实密度 流量密度二、两相流动的压降 （式13-25） 摩擦阻力 均相模型加修正系数 局部阻力 重位压差 平均真实密度 加速压降 第三节 自然循环原理及计算 一、自然水循环原理（一）

9、自然循环回路（二）循环压头1、运动压头Sdr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。 （式13-34, 35） 影响运动压头的因素： （1）水循环高度h ； （2）下降管与上升管的工质密度差 1）压力大小； 2）上升管平均含汽率 2、有效压头Sef及其与流动阻力的平衡式 有效压头Sef 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 （式13-36）3、下降管、上升管两端压差的平衡式 （式13-37） 式13-35、36、37分别是： 运动压头法、有效压头法、压差法。（三）循环流速和循环倍率 水循环安全性的两个重要指标。 1、循环流速 （式13-4） 2、

10、循环倍率K 进入上升管的循环水流量G与上升管出口 蒸汽流量D之比。 1） 界限含汽率xth ：自然循环开始失去自补偿能力时的x。 2） 界限循环倍率： Kth=1/ xth。（表13-2） x xth ： x增加 w减小。（强制流动特性 ） w0w0,max 0 xth x 图 13-9 x与w0的关系二、水循环计算水循环计算的任务（1）计算整个循环回路的工作点； 循环流量G或循环流速w0（2）校验水循环的安全性。水循环计算的已知条件（1）结构尺寸； （管径、高度等）（2）热负荷、压力等。 （热力计算的结果）（一）简单回路的水循环计算 简单循环回路（图13-10） 复杂循环回路（图13-13）

11、 1、基本方程（1）压差法 （式13 - 40） 式中：（2）有效压头法 （式13 - 43）2、加热水段高度的计算 h 2hhw 1 v v D： （ 中1） （1）蒸汽在汽包中被部分省煤器来的水凝结； （2）下降管带汽 。3、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G的计算。（1）压差法 （式13 - 40）（2）有效压头法 （式13 - 43）影响工作点循环流量的因素：（根据计算式13-40或13-43）（1）工作压力；（2）含汽率；（3）循环回路的高度；（4）上升管流动阻力；（5）下降管流动阻力。 （二） 复杂回路的水循环计算计算方法 串联回路：流量相同，压差（有效压头）

12、相加； 并联回路：流量相加，压差（有效压头）相同。 （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（2）有效压头法第四节 自然循环的安全性 一、水循环安全性检查 检查内容：停滞、自由水面、倒流。 检查目的：防止有的受热面出现传热恶化。（一）循环完全特性曲线 1、定义： （书p.247） 既包括正向流动，又包括反向流动的压差 （或压头）与循环流量之间的关系曲线 。 2、作用： 检查水循环是否会出现停滞、自由水面、倒流。 3、水循环完全特性曲线的建立 压差法 4、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 ； 2）Yfrv与倒流流量 成正比的区间是不稳定区间；

13、 （图中B点所在的区间）3）-DG0： 有2个实根，水动力不稳定； 2）如果B2-3AC0： 有2个虚根，水动力稳定； 3）如果B2-3AC=0： 有2个重根，水动力稳定边界点。 水动力稳定的条件： B2-3AC0 把式13-62, 63, 64 代入上式得： 式中： v”、v是汽、水比容； （式13-57） i是进口工质的欠焓； （式13-58） r是汽化潜热。 （式13-60）2、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： （书p.253） 蒸汽与水的比容存在差异，蒸发段压降可能随流量增加 而减小。（流程缩短、比容减小） 1）工作压力 压力提高，稳定性提高。 2）进口工质欠

14、焓 进口欠焓i减小，稳定性提高。 3）热负荷 热负荷增加：相当于进口欠焓i减小； 4）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。 超临界压力下： 在大比热区，也会出现水动力不稳定性。（图13-22）三、立置蒸发管的水动力特性 与平置蒸发管的区别：增加了重位压头的影响。 1、向上流动 2、向下流动四、蒸发管中的脉动 定义：蒸发管内工质的进、出口流量呈周期性波动。 对锅炉的影响： 1）金属超温和疲劳损伤； 2）蒸汽参数（p、t）和流量波动，调节品质差。1、脉动的表现形式 （1）管间脉动（2）管屏（带）间脉动（3）整体脉动 对管间脉动的定性分析： （1）管间脉动的起因 蒸发区热负荷、流量等的变化 汽、水特性（比容等）的差异。（2）管间脉动能够维持的原因 1）工质和金属管壁的储质、储热变化； 2）工质动量变化的惯性。2、防止管（屏）间脉动的措施 1）增加 2）提高工作压力 3）提高质量流速w 4）加装呼吸联箱 直流锅炉的工作特点（与自然循环锅炉相比） 特 点自然循环锅炉直流锅炉适用的压力