直流锅炉的水动力特性

直流锅炉蒸发受热面出现不稳定流动的根本原因 是汽和水的比容差以及水冷壁进口有热水段存在， 在一定条件下实际运行的直流锅炉蒸发受热面就 会发生这种流动不稳定的工况。 具体表现：
对于一根管子，流量时大时小； 对于一根管子，流量时大时小； 对于并联运行的一组管子，有的管子流量大， 对于并联运行的一组管子，有的管子流量大，有的管 子流量小。 子流量小。
NCEPU 四、蒸发管内的汽液两相流型与传热
）、汽液两相流的流型 （一）、汽液两相流的流型 1、泡状流 在连续的液相中，分散存在着小汽泡。 在连续的液相中，分散存在着小汽泡。 2、弹状流 泡状流中，汽泡浓度增大时， 泡状流中，汽泡浓度增大时，受趋中效 应的作用，小汽泡聚合成大汽泡， 应的作用，小汽泡聚合成大汽泡，直径 逐渐增大。汽泡直径接近于管子内径时， 逐渐增大。汽泡直径接近于管子内径时， 形成弹状流。 形成弹状流。 3、环状流 由于汽泡的内压力增大， 由于汽泡的内压力增大，当汽泡的内压力大 于汽泡的表面张力时，汽泡破裂， 于汽泡的表面张力时，汽泡破裂，液相 沿管壁流动，形成一层液膜； 沿管壁流动，形成一层液膜；汽相在管 子中心流动，夹带着小液滴。 子中心流动，夹带着小液滴。 4、雾状流 管子壁面上的水膜完全蒸干时， 管子壁面上的水膜完全蒸干时，蒸汽中 仍然夹带着小液滴，形成雾状流。 仍然夹带着小液滴，形成雾状流。
NCEPU 五、超临界压力下的传热特性
超临界压力下水在一定温度条件下达到最大值， 超临界压力下水在一定温度条件下达到最大值，此最大比 热值比一般水和水蒸汽的比热（<4.2kJ/(kg℃））大很多。 ））大很多 热值比一般水和水蒸汽的比热（<4.2kJ/(kg℃））大很多。 如24MPa时，最大比热为115kJ/(kg℃)。 24MPa时 最大比热为115kJ/(kg℃)。 115kJ/(kg℃) 称比热＞8.4kJ/(kg℃）的区域为大比热区。 称比热＞8.4kJ/(kg℃）的区域为大比热区。 一般认为此最大比热点可以当作在超临界压力下区分水和 蒸汽的分界点。 蒸汽的分界点。 由于超临界压力工质的特性在相变区发生显著的变化， 由于超临界压力工质的特性在相变区发生显著的变化，因 此在一定条件下，仍然可能会发生传热恶化。 此在一定条件下，仍然可能会发生传热恶化。由于这种传 热恶化现象类似于亚临界压力时的膜态沸腾， 热恶化现象类似于亚临界压力时的膜态沸腾，因而就称之 类膜态沸腾。 类膜态沸腾。 在拟临界温度附近，物性参数变化很大。 在拟临界温度附近，物性参数变化很大。当管壁温度大于 拟临界温度，工质平均温度又小于拟临界温度时， 拟临界温度，工质平均温度又小于拟临界温度时，则水在 壁面处开始沿半径方向物性有很大变化。 壁面处开始沿半径方向物性有很大变化。
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管子壁面处的工质黏度比中心处的小很多， 管子壁面处的工质黏度比中心处的小很多，引起 流体流动层流化；边界层中的流体密度降低， 流体流动层流化；边界层中的流体密度降低，产 生浮力，促使紊流传热层流化； 生浮力，促使紊流传热层流化；边界层中流体的 导热系数降低， 导热系数降低，避免处流体的流速远小于管中心 的流速，在热负荷较大处导致传热恶化。 的流速，在热负荷较大处导致传热恶化。 壁温飞升值， 壁温飞升值，决定于热负荷和管内质量流速的大 小。 防止传热恶化、降低管壁温度的措施， 防止传热恶化、降低管壁温度的措施，主要有采 用内螺纹管和提高工质质量流速等。 用内螺纹管和提高工质质量流速等。
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水平管忽略重位压差和加速压降，压差表示为：
1 G ) 2 ∆plz = ∆pmc + ∆p jb = ( ∑ ξ qs + d 2 A ρ qs 1 = ( ∑ ξ qs + ) 2 G 2υ qs d 2A
当流量增加时， 增加， 当流量增加时，热水断长度 Lrs 增加，蒸发段长度 Lzf 减小， 减小，质量含汽率x减小， 减小，出口蒸汽量D 减小，质量含汽率x减小，υ qs 减 平均密度增大； 小,平均密度增大；x减小的影响比流量增加的影响大 出现随流量增加压差下降的过程。 时，出现随流量增加压差下降的过程。
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（二）蒸发管内的传热 液体对流传热 过冷沸腾 饱和核态沸腾 强制水膜对流传热 欠液区 蒸汽对流传热
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（三）两类传热恶化 （1）由于受热增强，汽泡产 由于受热增强， 生的速度超过汽泡脱离的 速度， 速度，在金属管壁与水之 间形成一层汽泡， 间形成一层汽泡，把水和 管壁隔开， 管壁隔开，即由核态沸腾 变成膜态沸腾 膜态沸腾， 变成膜态沸腾，管壁温度 突然升高的现象叫第 突然升高的现象叫第Ⅰ类 传热恶化。 传热恶化。关键参数为热 负荷。 负荷。 （2）管壁上的水膜被蒸干， 管壁上的水膜被蒸干， 蒸干 管壁温度突然升高的现象 类传热恶化。 叫第Ⅱ类传热恶化。关键 参数为含汽率。 参数为含汽率。
λ ∆ iϕ 8qρ ′
其中
ρ w → 工质在受热管中的质量流速 ϕ → 双相流摩擦阻力校正系数 q→ 受热面平均热负荷 ∆i → 进口处工质欠焓
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对特性方程式求导得
d∆p = 3 A( ρw) 2 + 2 B ( ρw) + C = 0 d ( ρw)
单值条件
B 2 − 3 AC ≤ 0
强制流动水冷壁水动力多值性出现得根本原因是 强制流动水冷壁水动力多值性出现得根本原因是：由 根本原因 于热水段和蒸发段共存， 于热水段和蒸发段共存，且由于蒸发段中由于扰动使 工质比容变化较大引起的。 工质比容变化较大引起的。
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压力越高，其水动力特 性∆P=f (G)越趋于稳定。
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超临界压力水蒸气的焓
临界压力和超临界压力 在相变点附近， 在相变点附近，同样当 温度稍有变化时， 温度稍有变化时，焓值 变化很大， 变化很大，但是超过一 定压力以后， 定压力以后，焓值变化 减缓。 减缓。
NCEPU 二、亚临界和超临界压力下的流动稳定性 水动力特性： 水动力特性：是指一定热负 荷下， 荷下，强制流动受热面管屏 中工质流量G与流动压降 与流动压降∆p 中工质流量 与流动压降 之间的关系， 之间的关系，也可用函数形 式表示: 式表示 ∆p= f (G) 直流锅炉水动力不稳定的表 现为： 现为：流量与压差的关系不 是单值性的，而是多值性的， 是单值性的，而是多值性的， 即对应一个压差， 即对应一个压差，出现一个 或两个以上的流量。 或两个以上的流量。
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热负荷大小、运行工况及水冷壁入口水的欠焓对 流动稳定性都有影响。 超临界压力直流锅炉在启动和低负荷时，其压力 低，因此仍有流动稳定性的问题。 即使是超临界压力下，当水平布置的蒸发受热面 沿管圈长度方向热焓变化时，工质的比容也随之 发生变化，尤其在最大比热区，其变化更大，因 此仍有流动多值性的问题。
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直流锅炉的水动力特性
NCEPU 一、超临界参数的基本特性
超临界压力水蒸气的比容
比容v与温度t的关系
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超临界压力水蒸气的比热
在超临界压力下， 在超临界压力下，水冷壁内工质 存在大比热特性。 存在大比热特性。在相变点附近 温度稍有变化时，比热变化很大， 温度稍Байду номын сангаас变化时，比热变化很大， 且都有一个最大比热区， 且都有一个最大比热区，随着压 力的提高在最大比热区比热的变 化稍有减缓。 化稍有减缓。 对应定压比热最大位置处的工质 温度称为拟临界温度 拟临界温度。 温度称为拟临界温度。 拟临界温度左侧为水，右侧为汽。 拟临界温度左侧为水，右侧为汽。
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管间脉动
并联工作的管子之间， 并联工作的管子之间，某些管 子的进口水流量时大时小。 子的进口水流量时大时小。 对于一根管子， 对于一根管子，进口的水量最 大时，出口蒸汽量最小； 大时，出口蒸汽量最小； 一部分管子的水流量增大时， 一部分管子的水流量增大时， 另一部分水流量却在减小； 另一部分水流量却在减小；与 此同时， 此同时，出口蒸汽量也在进行 周期性变化。 周期性变化。 整个管组的进水量和蒸汽量变 化不大。 化不大。
3.降低蒸发点热负荷和热偏差 3.降低蒸发点热负荷和热偏差 将蒸发点移到热负荷低的区域，蒸发点热负荷低， 将蒸发点移到热负荷低的区域，蒸发点热负荷低，局部压力大幅度 变化可以避免；减小热偏差， 变化可以避免；减小热偏差，防止个别管子流量降低导致的比容剧烈 变化引起的压力变化。 变化引起的压力变化。 4.防止脉动性燃烧 4.防止脉动性燃烧 蓄热少，热惯性小，热水段长度、蒸发段长度不断变化， 蓄热少，热惯性小，热水段长度、蒸发段长度不断变化，引起流动 阻力变化、重位压头变化，导致脉动发生。 阻力变化、重位压头变化，导致脉动发生。 5.加装节流圈 5.加装节流圈
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防止脉动的措施 1.增大质量流速 1.增大质量流速 气泡不易变大，管内不会形成较高的局部压力， 气泡不易变大，管内不会形成较高的局部压力，保持稳定的进口水 量。 2.提高进口压力。 2.提高进口压力。 提高进口压力
p高，汽水密度差小，局部压力升高的现象不易发生。 汽水密度差小，局部压力升高的现象不易发生。
NCEPU 三、直流锅炉蒸发受热面的脉动性流动 定义：在管屏两端压差相同， 定义 在管屏两端压差相同，当给水量和流出量 在管屏两端压差相同 基本不变的情况下， 基本不变的情况下，管屏里管子流量随时间作周 期性波动的现象，叫脉动现象。 期性波动的现象，叫脉动现象。 脉动种类 管间脉动 屏间(屏带或管屏间) 屏间(屏带或管屏间)脉动 整体脉动(全炉脉动) 整体脉动(全炉脉动)
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脉动的危害 脉动→工质压力、温度的周期性变化，引起： 脉动→工质压力、温度的周期性变化，引起： 管壁温度周期性变化，引起管子疲劳破坏； 管壁温度周期性变化，引起管子疲劳破坏； 过热段长度周期性变化→ 过热段长度周期性变化→出口气温周期性变化 气温难于控制，引起管壁超温； →气温难于控制，引起管壁超温； 脉动严重时，引起管屏的机械振动， 脉动严重时，引起管屏的机械振动，造成管屏 机械应力破坏。 机械应力破坏。