第10章锅炉水动力特性

1、1,第十章锅炉水动力特性,2,1. 管内汽液两相的流动结构垂直管,第一节汽液两相的流动结构和传热,单相水,泡状,弹状,柱状,雾状,液体 对流换热,过冷 饱和核态,饱和核态,准单相汽,水膜环状 蒸发表面内移,含汽率较小 蒸汽呈细小汽泡,含汽率增大 汽泡合并成弹状,3,1. 管内汽液两相的流动结构水平管,流速减小不对称性增加分层流动 上部与蒸汽接触过热损坏 汽水分层交界面疲劳损坏 管子倾角应大于30（防止分层）,第一节汽液两相的流动结构和传热,4,2. 影响汽液两相流动结构的因素,第二节汽液两相的流动结构,p, 压力,弹状流消失,泡状,柱状,P10MPa,5,3. 管内汽液两相速度分布,垂直上升管

2、,气泡速度水速 气泡弥散,垂直下降管,气泡速度水速 气泡停滞 气泡趋向中心,第一节汽液两相的流动结构和传热,6,3. 管内汽液两相速度分布,垂直上升管,气泡移向管中心,垂直下降管,气泡移向管壁,第一节汽液两相的流动结构和传热,7,4. 两相传热恶化,第一节汽液两相的流动结构和传热,壁面与连续汽膜之间换热,热负荷（大于临界热负荷）,对流放热系数壁温,（1）第一类传热危机膜态沸腾,汽化核心形成连续汽膜,8,第一节汽液两相的流动结构和传热,壁面直接与蒸汽之间换热,含汽率（大于临界含汽率）,得不到液体的足够冷却,（2）第二类传热危机蒸干,汽流将贴壁水膜撕裂 或因蒸发水膜消失,对流放热系数壁温,9,5.

3、 防止传热恶化措施,第一节汽液两相的流动结构和传热,（1）防止原则,防止产生：自然循环锅炉第一和第二类,允许发生（防止壁温超过允许值）：直流锅炉的第二类,（2）防止措施,足够的质量流速,受热面热负荷均匀燃烧器布置小功率燃烧器,破坏汽膜边界层,10,内螺纹管,第一节汽液两相的流动结构和传热,（2）防止措施,11,扰流装置,第一节汽液两相的流动结构和传热,（2）防止措施,扰流子推迟传热恶化,12,1. 流量参数,第二节汽液两相流的基本参数,质量流速（w）：单位时间流经单位流通截面的工质质量,kg/m2s,循环流速（w0）：汽包压力下的饱和水按上升管入口截面积所得流速,m/s,13,1. 流量参数,

4、第二节汽液两相流的基本参数,蒸汽折算速度（w0 ）：假定流过的蒸汽占有全部截面时的速度,m/s,水的折算速度（w0 ）：假定流过的水占有全部截面时的速度,m/s,循环流速,m/s,蒸汽容积流量,水容积流量,14,1. 流量参数,质量含汽率（x）：汽水混合物中蒸汽质量流量与混合物总质量流量之比,混合物流速（wm）,m/s,容积含汽率（ ）：流过截面的蒸汽容积流量与混合物的容积流量之比,第二节汽液两相流的基本参数,流量密度（m ）：汽水混合物的质量流量与体积流量之比,15,截面含汽率（）：蒸汽所占截面与总面积之比,2. 真实参数,第二节汽液两相流的基本参数,蒸汽的真实速度（w ）,m/s,水的真实

5、速度（w）,m/s,汽水混合物的真实密度（tr）：截面上的工质密度,kg/m3,16,1. 流动阻力组成,第三节汽液两相流的流动阻力,流动阻力 加速压降 重位压头,向上流动取正 向下流动取负,17,2. 两相流动阻力计算的前提,第三节汽液两相流的流动阻力,汽液两相混合均匀,汽液两相无相对速度,单相阻力形式以混合物计算修正汽液两相,混合物流速以循环流速表达,18,第四节自然循环水动力特性,1. 水动力特性,一定热负荷下循环回路 工质流量与压降的关系,2. 基本方程,（1）压力平衡式,下降管一侧,上升管一侧,19,2. 基本方程,第四节自然循环水动力特性,（3）有效压头,pSdr,（2）运动压头,

6、XSdr,hSdr,20,（1）计算目的,3. 水循环计算,循环流速（W0） 质量含气率（X）,水循环的安全性,（2）计算方法,压差法,压头法,第四节自然循环水动力特性,21,（3）区段划分,第四节自然循环水动力特性,下降管（单相水）,上升管,含汽段hvc,加热水段hw=?,导管段hlp,超过液位段hov,工质：热水段含汽段,外部热负荷：加热前段第一加热段第二加热段+加热后段,hah,hbh,第四节自然循环水动力特性,22, 热水段高度,下降管入口,i 沿程,加热前段,压力不同,欠焓（欠热）,单位高度的当量吸热,23,质量平衡、能量平衡,D,i,D,ieco,G,idci,Gx,i,G(1-x

7、),i, 下降管进口欠焓,第四节自然循环水动力特性,24,（4）工作点确定,第四节自然循环水动力特性,简单回路,方 法,选择三个不同的循环流速,计算下降管阻力和有效压头,下降管阻力特性曲线和有效压头特性曲线,两曲线交点为工作点（循环流速和有效压头）,单值函数,与其它回路没有公共管件,内外条件相同的下降管系 和上升管组,特 征,25,复杂回路,共同的引入管不同的引出管,不同的引入管共同的引出管,不同的引入管不同的引出管,第四节自然循环水动力特性,（4）工作点确定,特 征,串联系统： 流量相同，压差相加,并联系统： 流量相加，压差相同,26,复杂回路,串联系统： 流量相同，压差相加,并联系统： 流

8、量相加，压差相同,第四节自然循环水动力特性,（4）工作点确定,27,循环流速,反映水流速度,第四节自然循环水动力特性,（5）安全性指标,循环倍率,进入上升管的循环水量与上升管出口蒸汽量之比,K产汽量D运动压头,直流锅炉循环倍率1,1kg水全部变成蒸汽 在回路中需要循环的次数,28,界限循环倍率：保证自然循环安全的最小循环倍率,第四节自然循环水动力特性,（5）安全性指标,界限含汽率：最大循环流速所对应的上升管质量含汽率,自然循环的自补偿能力,热负荷上升管产汽量质量含汽率,运动压头& 上升管流动阻力,含汽率Xcr，运动压头增加大于上升管流动阻力增加,循环流速增加,开始失去自补偿能力时的 含汽率或循

9、环倍率,Xcr,29,循环停滞,原因：受热弱、上升管引入汽空间、 运动压头难以提升到最高点,现象：循环水量等于所产生的蒸汽量,危害：,第四节自然循环水动力特性,（6）水循环故障,水面上部少量蒸汽冷却差 汽泡不能及时脱离水面波动产生热疲劳,自由水面,检验：停滞压头大于有效压头的1.1倍,30,第四节自然循环水动力特性,（6）水循环故障,循环倒流,现象：上升管中水自上而下流动,原因：受热弱、汽水混合物引入水容积,危害,倒流速度很大倒流水将蒸汽带下,倒流与蒸汽向上相当 倒流阻碍汽泡上浮形成汽塞,检验：倒流压头大于有效压头的1.1倍,31,第四节自然循环水动力特性,（6）水循环故障,下降管带汽,危害：

10、运动压头降低,原因,压力降低下降管入口或锅水自汽化,汽水分离困难下降管入口漩涡带汽,32,（7）提高自然循环安全性措施,第四节自然循环水动力特性,减小下降管阻力：采用大直径下降管增加与上升管总截面之比,减小吸热不均,减小压力变化速度,划分循环回路,避免火焰偏斜、积灰、结渣,避免长时间低负荷运行,减小汽水引出管阻力：增加与上升管总截面之比,减小分离装置阻力,减小下降管带汽,提高汽包水位,加装格栅 消除旋转,第五节强制流动水动力特性,33,1. 水平管的水动力特性,水平管中的压降及流经水平管的流动阻力,p=pfr,lh,（1）特性方程,第五节强制流动水动力特性,（2）特性方程分析,34,流动稳定,

11、单值函数,流动不稳定,多值函数,脉动性,一个压降对应多个流量,一个压降对应流量周期性,驻点,35,无驻点,B23AC0,单调增加,流动稳定,第五节强制流动水动力特性,p=f()单值函数,流动稳定,36,第五节强制流动水动力特性,B23AC=0,一个驻点,稳定与不稳定边界,p=f()单值函数,临界,进口焓满足稳定的条件,37,第五节强制流动水动力特性,B23AC0,两个驻点,不稳定p1, 2, 3,两个极值,ab： 小，近似单相汽， p,bc： 增加，v， p ,cd： 增加，x，近似单相水， p,流动不稳定,汽水密度不同,38,第五节强制流动水动力特性,2. 垂直管的水动力特性,lh,垂直向上

12、流动,重位压头起稳定流动作用,39,第五节强制流动水动力特性,2. 垂直管的水动力特性,垂直向下流动,重位压头使不稳定加剧,40,第五节强制流动水动力特性,3. 影响流动稳定性的因素,（1）压力,p,(v-v) ,r ,icr ,稳定性提高,41,第五节强制流动水动力特性,3. 影响流动稳定性的因素,（2） 进口i,i ,稳定性提高,实际i0,42,第五节强制流动水动力特性,3. 影响流动稳定性的因素,（3） 热负荷ql,ql ,稳定性提高,43,3. 流量脉动,第五节强制流动水动力特性, 流量脉动现象,并列管、并列管组、 整个水冷壁,G1 G2,G1 G2,44,3. 流量脉动,第五节强制流动水动力特性, 流量脉动的原因,热负荷的扰动,（1）外因,（2）内因,qDp