第11章锅炉水动力学及锅内传热基础=西安交通大学-锅炉原理

0第11章锅炉水动力学及锅内传热基础锅炉性能优劣取决于锅内过程和炉内过程能否良好配合。组织良好的锅内过程，就是组织管内工质的合理流动，在各种参数条件下都能够使工质从火焰或烟气吸收足够的热量，并且要确保管壁得到充分冷却。111.1流型及流动参数

11.1.1锅炉水循环方式锅筒是特征水质要求低，易调节；临界以下，P高金属耗多，驱动力下降也称辅助或控制循环管布置灵活，循环泵工作条件差各种压力可用，超临界惟一。阻力大强制与直流的结合产物211.1.2汽液两相流的流型

1.垂直管内汽液两相流体主要流型图11-2受热垂直上升管汽液两相流流型图11-3受热垂直上升管中沸腾时的两相流流型随热流密度增加而变化的示意图1－汽泡状沸腾开始线；2－汽泡状沸腾终止线；3－蒸干线；4－过热蒸汽线32.水平管内汽液两相流体主要流型图11-4受热水平蒸发管汽液两相流流型3.研究两相流体的流动模型①均相流模型。两相流体非常均匀，具有平均流体特性的均质单相流体，没有相对速度且热力学平衡。该模型可以应用单相流体的各种方程式。最适用于泡状流型。②分相流模型。假定两相完全分开，各自以一平均流速流动，即两相流速不等但已经达到热力动态平衡。可以对每一相流体写出一组基本方程式。该模型比较精确但是很复杂，最适宜用于环状流型。411.1.3汽液两相流的基本参数56循环流速、质量流速、以及折算流速三个参数虽然都称为速度，但是它们都是代表流量的参数。7891011表明截面含汽率与质量含汽率或容积含汽率之间的关系121311.2流动阻力锅炉管内工质既有单相流体，又有汽液两相流体，它们在管内流动时由于需要克服各种阻力会产生一定的压力降。1411.2.1摩擦阻力151611.2.2重位压降

1711.2.3加速压降

1811.2.4局部阻力1911.3锅炉管内传热图11-5垂直管内强迫对流沸腾的换热工况

11.3.1管内传热过程1.管内沸腾换热的工况区间图11-6垂直管内对流沸腾放热系数与热负荷、含汽率的关系2.换热机理及放热系数的变化规律3.热负荷对沸腾换热的影响2011.3.2沸腾传热恶化及其防止措施1.两类沸腾传热恶化（1）两类沸腾传热恶化的现象及机理由核态沸腾的工况因水不能进入壁面而转变为膜态沸腾的传热恶化，通常称为偏离核沸腾(DNB)或烧毁（Burn-out），也称为第一类传热恶化。还因为这类传热恶化时壁温飞升速率很快，又称为快速危机。亚临界压力参数以上，可能会遇到。21

发生传热恶化现象和热负荷、质量含汽率、质量流速、压力及管径有关。通常用发生传热恶化时的临界热负荷qcr(CHF)作为第一类传热恶化发生的特征参数

22在热负荷q较低，含汽率x较高的液滴环状流阶段的后期，由于管子四周贴壁处的液膜已经很薄，液膜因蒸发或中心汽流的卷吸撕破使液膜部分或全部消失，该处的壁面直接与蒸汽接触而得不到液体的冷却，也使放热系数α2明显下降，壁温升高，但壁温的增值比第一类恶化要小，其升温速度也较慢。这类传热恶化通常称为蒸干(Dry-out)，又称为第二类传热恶化或慢速危机。第二类传热恶化发生时的热负荷较小，在一般的高参数直流锅炉中，尤其在燃油锅炉炉膛受热面中可能遇到，而且传热一旦恶化，可能使壁温超过金属的允许值。

23通常用发生传热恶化时的含汽率xeh作为第二类传热恶化发生的特征参数影响因素的讨论：q↑，各换热区间的界限相对前移，长度缩短，使xeh点位置也相对前移，传热恶化提前发生；ρw<(ρw)jx，主汽流与液膜间的相对速度大，液膜易被撕破。ρw>(ρw)jx，汽流与液膜间的相互作用趋于稳定，紊流扩散使主汽流中降到液膜上的水滴增加。P↑，ρ′↓，汽流扰动对液膜影响大，同时σ也↓，降低了液膜的保持能力，所以两者的减小都使液膜的稳定性降低而易被撕破，因此xeh点的位置提前；ρw对xeh的影响呈现非单调性。24第二类传热恶化的后果？壁温升高并脉动。30～60mm范围，60～125℃。原因：部分液膜虽撕破，管壁仍残留细小液流，蒸汽和残余液流交替接触管壁；流量微小波动使分界线波动，烧干位置前后移动；中心汽流的液滴可能时而撞击壁面。要求：恶化区管壁与工质温差≯80℃。25（2）两类传热恶化的异同相同：管壁与蒸汽直接接触、放热系数减小、壁温飞升。q↑，xeh↓，恶化点提前。不同：机理不同，所处的流动结构和工况参数不同，引起的后果也不相同。第一类第二类恶化后管子中部为含有汽泡的液体恶化后管子中部为含有液滴的蒸汽转入膜态沸腾然后再过渡到欠液区直接转入欠液区通常发生在x较小或欠热(x<0)时，以及热负荷高的区域通常发生在x较大时，以及热负荷低的区域α2稍低α2稍高壁温飞升幅度大壁温飞升幅度小26（3）不均匀加热对传热恶化的影响两种不均匀：沿长度及沿周向。热负荷分布不均匀性通常采用两个指标来表示，即qmax/qpj及qmax/qmin，其中qmax、qpj和qmin分别为最大热负荷、平均热负荷和最小热负荷。qmax/qpj通常称为热负荷不均匀系数。不均匀加热的传热恶化两种不同的观点：一种认为传热恶化只是一种局部现象，当局部区域工况参数(P，q，x，ρw，d)达到会发生恶化对应的数值时，就会发生传热恶化；另一种认为传热恶化现象是整体现象，恶化点以前管道内的热负荷分布将直接影响到恶化时的热负荷q与含汽率xeh的关系，即恶化点上游的工况参数对下游有影响。不同的观点具有不同的确定传热恶化点的方法。27（3）不均匀加热对传热恶化的影响当沿管长不均匀时，随不均匀系数的变化，恶化位置可能在出口，也可能在中间，后者主要发生在热负荷偏差较大时，此时恶化点移向热负荷最大区。沿管长均匀加热时，恶化点首先出现在出口截面。试验证明，第一类恶化与沿管长热负荷分布有关，符合整体现象；第二类恶化与沿管长热负荷分布无关，可看作局部现象。锅炉中通常是第二类化，我国主要是采用局部现象的观点来处理。28（3）不均匀加热对传热恶化的影响垂直管周不均时，恶化首先发生在管内壁热负荷最大的向火侧，P、q、x、ρw等工况参数对传热恶化的影响规律定性上与均匀加热时相同，但在定量上两者却有差别。设沿周向局部qmax与平均qpj发生恶化时的临界热负荷分别为qmax,cr和qpj,cr，均匀加热时为qcr。若以qmax,cr来衡量受热不均匀时传热恶化，在其它条件相同情况下，则有qmax,cr>qcr，这可能是在不均匀加热时，热负荷较低区的液体能以环向对流的形式向受热强的区域扩散补充，推迟了此处传热恶化的发生。若以qpj,cr作为特征参数，当液体的环向对流扩散速度适应热负荷分布的不均匀性，能够及时补充较高热负荷区域汽化失去的液体，qpj,cr＝qcr；若液体的环向对流扩散速度与热负荷的分布规律不匹配，不能及时流向较高热负荷区域汽化消失的液体，则qpj,cr<qcr，在较低的平均热负荷下出现传热恶化，而且qmax/qpj越大，qpj,cr值越低。29（4）水平管中传热恶化现象的特点重力的影响，蒸汽偏于上半部流动，沿管子周界液膜的厚度差异很大。如果ρw很低，则在x较小处可能出现汽水分层现象。管子顶部先发生传热恶化现象，而管子下部则后发生传热恶化。即使管壁最高温度不超过材料允许值，过大的上下壁温差也是不允许的，它会使汽水分层面处的金属发生疲劳损坏。随着ρw增大，发生恶化时的位置推迟及上下壁的xeh的差值减小，管子壁温飞升值及上下壁温差明显下降。压力增加，传热恶化位置提前，在亚临界及近临界时管子顶端的恶化可能在工质过冷条件下开始发生，上下壁的xeh的差值增大，因此为减小Δt所需质量流速也就越高。随着热负荷增加，传热恶化提前发生，管子上壁温飞升值及上下壁温差增大。302.两类沸腾传热恶化区域的确定

（1）两类传热恶化区域的划分实际中都是壁温飞升，很难判断是哪一种。只能由试验结果，并理论分析间接判断。在一定的压力、质量流速和管径下，在不同热负荷条件下进行试验时，得到的传热恶化时含汽率xeh与热负荷q之间却存在着两种不同的关系。曲线1时，无法判断第一和第二类分界点此段可用qcr表征传热恶化只能用xeh表征汽流中液滴能否沉积到壁面的分界点波浪状液膜蒸发量及被汽流卷吸水量之和大于从主流沉积到液膜表面上的液滴量，液膜越来越薄，到一定程度时，波浪消失，变得平滑，称为微观液膜，消失时就发生第二类换热恶化。一旦进入微观液膜区，流动阻力会突然下降，即“阻力危机”，此时的质量含汽率为xΔp。而第二类传热恶化发生在“阻力危机”之后，即xeh>xΔp，但两者数值相差不多。试验表明，数值xΔp＝f（P，ρw），与热负荷无关，即q的变化只影响管子截面上发生“阻力危机”的位置。31液滴能否沉降到微观液膜上，取决于在汽流中的受力状态。与ρw和q有关。当q较高而ρw较低时，主流中的液滴不能沉积到微观液膜上，即微观液膜得不到主流的湿润，则从发生“阻力危机”截面xΔp到传热恶化截面xeh之间，由微观液膜所蒸发的含汽率Δx基本是一个常数，也与q无关。由xeh＝xΔp＋Δx＝f（P，ρw），xeh与q无关，出现bc垂直段，这种现象一直持续到较低的热负荷c点为止。此时，xeh比xΔp

要大得少些，壁温飞升值较高。当q较低而ρw较高时，液滴能沉积到液膜上，xeh增加，且比xΔp大得多些。壁温飞升值较低，受热面可正常工作。随q降低，润湿液膜的液滴增多，则xeh增大，xeh就与q有关了，如cd段所示。随ρw提高，在q较高时就会润湿液膜，c点上升，bc段缩短。当大到一定程度，c点就会和b点相重合，bc垂直段消失。32（2）传热恶化位置xeh的确定333.超临界压力的管内换热实践证明，超临界压力锅炉的炉膛辐射受热面在一定区域内也会发生传热恶化而导致爆管事故。水的工作状态超过热力学临界点（Pcr＝22.064MPa，tcr＝373.99℃）时，在一个很小的温度范围内，物性参数发生显著的变化。343.超临界压力的管内换热当工质的定压比热容cp达到最大时对应的温度,称为拟临界温度或类临界温度。使比热容达到极大值所对应的拟临界温度为相变点，工质温度低于拟临界温度时为类似水的液体，高于拟临界温度时为类似蒸汽的气体。拟临界温度和比热极大值与压力有关，随着压力的增大，拟临界温度有所提高，而比热容极大值的数值降低。353.超临界压力的管内换热比热容大于8.4kJ/(kg·℃)的区域称大比热区。随压力提高，大比热区的焓值范围略有缩小，但最大比热容值大致处于同一个焓值区域，如图所示。可看出，大约i＝1700kJ/kg时进入大比热区，且大比热区内焓值范围大，约为950kJ/kg，占到超临界压力锅炉中总焓增的1/3左右。当然，真正最大比热区域占的焓增范围约为50kJ/kg,故超临界压力锅炉的设计，比较容易确定大比热区的位置。图11-15水的比热容与焓的变化关系36超临界压力下也会发生传热恶化！壁温飞升主要是由于在大比热区内工质物性参数变化相当剧烈所致。表现管壁温度大于拟临界温度，工质平均温度又小于拟临界温度，水的物性从壁面处开始沿半径方向有很大的变化，导致出现不同于通常恒定物性的单相流体的换热现象。分2种类型。第一种发生在进口段，l/d≤40～60处，任何流体焓值(直到拟临界焓)；第二种发生在热负荷较高、工质温度已接近拟临界温度时，恶化位置与热负荷的大小有关，即壁温随工质焓的增加出现两个峰值，如图所示。37超临界时传热恶化均是近壁处流体层流化的结果！对第一种，在进口较短的区间中，中心流体仍处于进口时较低的温度，而近管壁处一层流体吸热后温度较高。中心流体粘度μz大，近壁面处粘度μb小，热负荷较高时，会使流动边界层增厚，出现层流化现象，当边界层达到一定厚度，就出现传热恶化和壁温的峰值。对第二种，中心流体温度低于拟临界温度，壁温已大于拟临界温度，近壁层处和中心流体的密度、导热系数及比热容相差很大，尤其是靠近管壁处工质的密度可能比管子中心处工质的密度小3～4倍，浮力的作用使近壁处的流体向上流动，抑制了工质横向的紊流脉动，促进了流动层流化的发展。当管内横向紊流脉动消失和出现最厚的层流边界层时，放热系数α2显著降低，壁温再次飞升。流体一但恢复紊流边界层时，管壁温度又开始下降。38影响因素主要是热负荷和质量流速

质量流速一定时，低热负荷时不会发生传热恶化，甚至有传热强化的作用。若热负荷不变时，随着质量流速ρw上升，开始出现传热恶化的q也提高，恶化点的焓值也移向更高的地方，当ρw大到一定值时，传热恶化现象消失。39试验证实，提高q和降低ρw都将导致传热恶化，因此可以采用组合参数C＝q/ρw来有效地综合试验数据。参数C表示单位质量流量所吸收的热量，单位为kJ/kg，并可作为是否发生传热恶化的判据。若以大比热区内工质的放热系数α2是否大于大比热区外单相水的放热系数α0作为判断发生传热恶化的标准，由试验得到：当C>0.84时，α2总是小于α0，出现传热恶化的现象；C＝0.42～0.84之间，各种工质焓的α2可能大于，也可小于α0；C<0.42时，α2总是大于α0，不会出现传热恶化。因此，为了使超临界压力锅炉大比热区不出现传热恶化现象，应当保证404.防止或推迟传热恶化的措施(1)适当提高质量流速(2)合理安排受热面热负荷(3)加强流体在管内的扰动，如采用内螺纹管或加装扰流子4111.3.3各类传热区域放热系数计算分为以下五种情形：1.单相流体强制对流换热2.表面沸腾3.饱和沸腾4.传热恶化后的换热5.超临界压力大比热区的换热计算4211.4集箱水动力学11.4.1分配集箱和汇集集箱中的压力变化与管组进口连接的集箱称为分配集箱，与管组出口连接的集箱称为汇集集箱。在分配集箱中，由于工质沿集箱流动方向不断分流，其流量逐渐减小，轴向速度下降，因而工质的动压减小而静压力增加。我国水动力计算标准方法中应用动量方程来建立集箱内静压分布的函数表达式并通过试验确定集箱的静压变化系数的计算公式。

为了得到并联各管的流量，必须已知集箱内工质静压变化规律

4311.4.2集箱的连接型式及其对流量分配的影响典型系统是指流体在集箱的