第九章、自然循环原理及计算
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自然循环原理及计算
Ｙxj＝Ｙss
这就是水循环计算的压差法。
2020/5/22
6
三、运动压头
也即，
Pyd=Ｈρxjｇ－Ｈρhug，Ｐa
Pyd＝△Ｐxj＋△Ｐss+ △Ｐfl 有效压头: Pe＝Ｐyd- (△Ｐss2+ △Ｐfl)
Pe＝ △Ｐxj 水循环计算的压头法。
四、影响循环推动力的因素
自然循环的实质是由重位压差造成的自然循环推动力 （即运动压头）克服了上升系统和下降系统的流动阻力， 推动工质在循环回路中流动。
2020/5/22
8
2020/5/22
9
泡状流
2020/5/22
10
弹状流
2020/5/22
11
环 状 流（柱状流）
2020/5/22
12
2020/5/22
13
二、蒸发管内汽水两相流的传热
1、蒸发管内的流型与传热的关系
在蒸发过程的各个阶段，蒸发管内的流型在不断变化。不 同的流型状态下，流体对管子壁面的热交换方式不同，冷却 能力也不同，即管内流体的放热系数在不断变化。放热系数 越大，管壁温度越接近工质温度。
2020/5/22
17
不同传热方式的传热系数
自然对流换热
空气 水
强制对流换热
气体 高压水蒸汽
水
相变换热
沸腾换热 凝结换热
2020/5/22
1～10 200～1000
20～100 500～3500 1000～15000
2500～35000 5000～25000
18
亚临界压力自然循环锅炉，其水冷壁内工质的实际含汽 率接近临界含汽率xc,所以可能发生第二类传热恶化。 第二类传热恶化发生热负荷较低，发生时热负荷比第一 类传热恶化时低得多。
这就是水循环计算的压差法。
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三、运动压头
也即，
Pyd=Ｈρxjｇ－Ｈρhug，Ｐa
Pyd＝△Ｐxj＋△Ｐss+ △Ｐfl 有效压头: Pe＝Ｐyd- (△Ｐss2+ △Ｐfl)
Pe＝ △Ｐxj 水循环计算的压头法。
四、影响循环推动力的因素
自然循环的实质是由重位压差造成的自然循环推动力 （即运动压头）克服了上升系统和下降系统的流动阻力， 推动工质在循环回路中流动。
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泡状流
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弹状流
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环 状 流（柱状流）
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二、蒸发管内汽水两相流的传热
1、蒸发管内的流型与传热的关系
在蒸发过程的各个阶段，蒸发管内的流型在不断变化。不 同的流型状态下，流体对管子壁面的热交换方式不同，冷却 能力也不同，即管内流体的放热系数在不断变化。放热系数 越大，管壁温度越接近工质温度。
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不同传热方式的传热系数
自然对流换热
空气 水
强制对流换热
气体 高压水蒸汽
水
相变换热
沸腾换热 凝结换热
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1～10 200～1000
20～100 500～3500 1000～15000
2500～35000 5000～25000
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亚临界压力自然循环锅炉，其水冷壁内工质的实际含汽 率接近临界含汽率xc,所以可能发生第二类传热恶化。 第二类传热恶化发生热负荷较低，发生时热负荷比第一 类传热恶化时低得多。
第九章自然循环原理及计算
3）特性参数：临界含汽率xc
2019年11月20日
二、蒸发管中汽水两相流的传热
3．自然循环锅炉传热恶化分析
1）第一类
• （1）发生条件：x较小或x<0（水欠热），q较高 • （2）特征：α2急剧降低，Δtz飞升很快 • （3）水循环正常可避免
2）第二类
• （1）发生条件：x较大，q不太高 • （2）特征：α2降低，Δtz飞升 • （3）超高压以下不易发生，亚临界压力易发生 • （4）注意事项：q不高时可发生；壁温周期性波动
2．上升管系统作用在联箱中心处的压力
p2 p0 ss gh pss
3．总压差
1）下降管系统总压差 p*xj p1 p0 xjgh pxj
2）上升管系统总压差 ps*s p2 p0 ss gh pss
4．水循环计算的压差法
pe pxj
四、影响循环推动力的因素
1．饱和水、汽密度差
锅炉压力↑→ ( ) ↓→ (xj ss ) ↓→pyd↓
2．上升管中含汽率
1）上升管受热↑→产汽量↑→
ss ↓→pyd↑
2）入口工质欠焓→多吸热沸腾→产汽量↓→pyd↓
3．循环回路高度
h↑→含汽段高度↑→pyd↑
2019年11月20日
4．均匀受热垂直上升蒸发管中 两相流流型及传热工况
区域 A
B
C
D
E
F
G
流型 单相水 壁面汽泡 汽泡状 弹状 环状 带液滴环状 雾状
传热 对流 过冷核态 饱和核态沸腾 强制水膜对流 沸腾
含水 不足
工质 低于饱 壁面水饱和 全部达到饱和温度 温度 和温度 温度，管中
心欠热
管壁 稍高于 高于饱和温度 温度 水温
2019年11月20日
二、蒸发管中汽水两相流的传热
3．自然循环锅炉传热恶化分析
1）第一类
• （1）发生条件：x较小或x<0（水欠热），q较高 • （2）特征：α2急剧降低，Δtz飞升很快 • （3）水循环正常可避免
2）第二类
• （1）发生条件：x较大，q不太高 • （2）特征：α2降低，Δtz飞升 • （3）超高压以下不易发生，亚临界压力易发生 • （4）注意事项：q不高时可发生；壁温周期性波动
2．上升管系统作用在联箱中心处的压力
p2 p0 ss gh pss
3．总压差
1）下降管系统总压差 p*xj p1 p0 xjgh pxj
2）上升管系统总压差 ps*s p2 p0 ss gh pss
4．水循环计算的压差法
pe pxj
四、影响循环推动力的因素
1．饱和水、汽密度差
锅炉压力↑→ ( ) ↓→ (xj ss ) ↓→pyd↓
2．上升管中含汽率
1）上升管受热↑→产汽量↑→
ss ↓→pyd↑
2）入口工质欠焓→多吸热沸腾→产汽量↓→pyd↓
3．循环回路高度
h↑→含汽段高度↑→pyd↑
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4．均匀受热垂直上升蒸发管中 两相流流型及传热工况
区域 A
B
C
D
E
F
G
流型 单相水 壁面汽泡 汽泡状 弹状 环状 带液滴环状 雾状
传热 对流 过冷核态 饱和核态沸腾 强制水膜对流 沸腾
含水 不足
工质 低于饱 壁面水饱和 全部达到饱和温度 温度 和温度 温度，管中
心欠热
管壁 稍高于 高于饱和温度 温度 水温
第9章自然循环原理及计算
K：粗糙度 碳钢和珠光体合金钢取0.06 mm， 奥氏体合金钢取0.008mm。
两种水循环计算方法：压差法
上升管的重位压降：
Ｎ
Ｎ
pzw＝ hi zs g＝ hi[i (1i )]g
ｉ＝１
ｉ＝１
φ：截面含汽率
两种水循环计算方法：压差法
上升管的流动阻力：
N
pmc＝ i
i1
Li d
w02
2
1＋xi
5. 自然循环常见故障及提高安全性措施
循环流速的计算：以许多并联管的平均值为基础。 实际运行过程中，不同并联管之间的工作条件存在一 定差别，甚至较大差别。 可能破坏水循环的正常运行。
5. 自然循环常见故障
水循环故障：因为水循环不正常导致炉管损坏的现 象，主要包括：
循环停滞 循环倒流 出现自由水面 汽水分层
工质的压力越高，汽、水的密度差降低，工质循环 流动速度越低。
2. 汽水两相流的流型
泡状流 弹状流 环状流 雾状流
2. 汽水两相流的流型
泡状流：连续液相中,分散散存在着小汽泡。 弹状流：汽泡浓度增大，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，形成弹状流。
2. 汽水两相流的流型
2. 汽水两相流传热恶化
沸腾传热恶化分为第一类沸腾传热恶化和第二类 沸腾传热恶化两类。
第一类沸腾传热恶化（发生在x较低处），也称 作脱核态沸腾 （Departure from nucleate boiling (DNB) ）
因管壁形成汽膜导致的沸腾传热恶化称为第一类 传热恶化，或称膜态沸腾，它是由于热负荷太高造 成。此时，管壁温度迅速上升。多数情况下管壁过 热而烧坏。开始发生核态沸腾偏离时的热负荷称临 界热负荷。
两种水循环计算方法：压差法
上升管的重位压降：
Ｎ
Ｎ
pzw＝ hi zs g＝ hi[i (1i )]g
ｉ＝１
ｉ＝１
φ：截面含汽率
两种水循环计算方法：压差法
上升管的流动阻力：
N
pmc＝ i
i1
Li d
w02
2
1＋xi
5. 自然循环常见故障及提高安全性措施
循环流速的计算：以许多并联管的平均值为基础。 实际运行过程中，不同并联管之间的工作条件存在一 定差别，甚至较大差别。 可能破坏水循环的正常运行。
5. 自然循环常见故障
水循环故障：因为水循环不正常导致炉管损坏的现 象，主要包括：
循环停滞 循环倒流 出现自由水面 汽水分层
工质的压力越高，汽、水的密度差降低，工质循环 流动速度越低。
2. 汽水两相流的流型
泡状流 弹状流 环状流 雾状流
2. 汽水两相流的流型
泡状流：连续液相中,分散散存在着小汽泡。 弹状流：汽泡浓度增大，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，形成弹状流。
2. 汽水两相流的流型
2. 汽水两相流传热恶化
沸腾传热恶化分为第一类沸腾传热恶化和第二类 沸腾传热恶化两类。
第一类沸腾传热恶化（发生在x较低处），也称 作脱核态沸腾 （Departure from nucleate boiling (DNB) ）
因管壁形成汽膜导致的沸腾传热恶化称为第一类 传热恶化，或称膜态沸腾，它是由于热负荷太高造 成。此时，管壁温度迅速上升。多数情况下管壁过 热而烧坏。开始发生核态沸腾偏离时的热负荷称临 界热负荷。
自然循环原理及计算
第九章 自然循环原理及计算第一节 自然循环的基本原理一、自然循环概述由汽包、下降管、联箱、上升管等组成的循环回路中，上升管在炉内受热，管内的水被加热到饱和温度并产生部分蒸汽；而下降管在炉外不受热，管内为饱和水或未饱和水。
因此，上升管中汽水混合物的密度小于下降管中水的密度，在下联箱中心两侧将产生液柱的重位差，此压差推动汽水混合物沿上升管向上流动，水沿下降管向下流动。
工质在沿汽包、下降管、下联箱、上升管、上联箱、连接管道再到汽包这样的回路中的运动是由其密度差造成的，而没有任何外来推动力。
因此将这种工质的循环流动称为自然循环。
二、自然循环回路的总压差画出简单循环回路示意图。
下联箱中心截面A-A 两侧将受到不同的压力。
截面左侧管内工质作用在截面A-A 的静压为：gh P P xj ρ+=01 a P ( 9-1) 截面右侧管内汽水混合物作用在截面A-A 的静压为：gh P P ss ρ+=02 a P (9-2) 从式（9-1）和式（9-2）可以看出，由于ss xj ρρ〉，所以静压21P P 〉，表示截面A-A 两侧所受压力是不同的，此压力差将推动联箱内工质由左向右移动。
循环回路中，工质流动时要克服磨擦阻力和局部阻力。
现根据流体流动的基本原理分析，流动状态下联箱中心处的压力：1、下降管系统作用在联箱中心处的压力在流动时，下降管系统有流动阻力损失xj P ∆，水向下流动时在联箱中心处的实际压力1P 要比静压小xj P ∆，即xj xj P gh P P ∆-+=ρ01 a P （9-3）2、上升管系统作用在联箱中心处的压力由于上升管内工质流动是由下向上流动，联箱中心处的压力P 2应能克服上升管系统的总流动阻力ss P 和重位压差，才能使工质进入汽包，因此ss ss P gh P P ∆++=ρ02 a P （9-4）3、总压差（1）下降管系统的总压差为：xj xj xj P gh P P P ∆-=-=∆ρ01* a P（9-5） （2）上升管系统的总压差为：ss ss ss P gh P P P ∆-=-=∆02* a P （9-6）在稳定流动时，联箱中流体只有一个压差值（与汽包压力的差值），所以这两个压差值必须相等，即**ssxj P P =∆ （9-7） 式（9-7）是用来计算锅炉水循环的主要依据，这种方法称为水循环计算中的压差法。
锅炉原理 第9章 自然循环原理及计算
自然循环的优点： 无需外部动力节能 环保运行稳定
自然循环的应用： 广泛用于火力发电 厂、供暖系统等领 域
自然循环计算
自然循环计算的目的
确定循环流量和循环水头
计算循环泵的扬程和功率
确定循环水的温度和压力
优化循环系统的运行效率
自然循环计算的基本公式
自然循环计算公式：Δt=Δt1+Δt2+Δt3 Δt1：加热段传热温差 Δt2：冷却段传热温差 Δt3：混合段传热温差
添加 标题
自然循环原理：介绍自然循环的基本原理和 循环动力。
添加 标题
自然循环在锅炉中的应用：说明自然循环在锅 炉中的重要性和作用如提高传热效率、减少能 耗等。
添加 标题
自然循环计算：介绍自然循环的计算方法和计 算过程包括循环流量、循环压头等参数的计算。
添加 标题
自然循环的优缺点：分析自然循环在锅炉应用 中的优缺点如可靠性高、维护成本低等优点以 及循环效率相对较低等缺点。
节能环保：自然循环的循环动力来 源于自然力因此运行成本较低且不 会对环境造成污染。
自然循环的缺点
需要较大的启 动功率
启动时需要外 力帮助
循环效率较低
容易受到腐蚀 和结垢的影响
自然循环在锅炉中的应 用
自然循环在锅炉中的重要性
提高锅炉运行效率：自然循环能够减少人工干预提高锅炉内热能的传递和利用效率从 而提高运行效率。
保证锅炉安全运行：自然循环能够保证锅炉内水流的均匀分布避免局部过热或水循环 受阻等问题从而保证锅炉的安全运行。
降低人工成本：自然循环能够减少人工操作的环节和难度降低人工成本同时减少人为 因素对锅炉运行的影响。
提高锅炉容量：Βιβλιοθήκη 然循环能够适应大容量锅炉的需要提高锅炉的容量和效率满足工业 生产的需求。
自然循环原理——锅炉原理PPT课件
• 雾状流动阶段：由于管子壁面的水膜被蒸干，只有管子中 心的蒸汽流中夹带着小液滴，壁面由雾状蒸汽流冷却，工质对 管壁的放热系数急剧减小，管壁温度发生突变性提高。随后， 由于流动速度增加和小液滴对管壁的润湿作用， 使工质对管壁 的放热系数又有所增大，管壁温度略有下降。
• 当雾状流蒸汽中水滴全部被蒸干以后，形成单相的过热蒸汽 流动，放热系数进一步减小，管壁温度进一步上升。
SCHOOL OF ENERGY AND POWER ENGINEERING, SHANDONG UNIVERSITY
• 有卷吸的环状流动阶段：环状流的液膜变薄，管子壁面上 的热量很快通过液膜传递到液膜表面，此时在管子壁面上不再 产生汽泡，蒸发过程转移的液膜表面进行。放热系数略有提高 ，管壁温度接近流体温度。
1 蒸发管内的流型与传热的关系
• 单相液体流动阶段：在管子入口处，为过冷水对流传热，放热 系数基本不变。 • 过冷沸腾阶段：汽泡状流动的初级阶段。壁面温度大于饱和温 度，在壁面上产生小汽泡，而管子中心流体温度尚未达到饱和温 度，汽泡被带到水流中很快凝结而消失，放热系数增大。 • 汽泡状流动的后期和环状流动阶段：由于不断吸热，管内的水 流达到饱和温度在壁面上产生的蒸汽不再凝结，壁面上不断产生 汽泡，又不断脱离壁面，水流中分散着许多小汽泡，此时饱和核 态沸腾开始，并一直持续到环状流动阶段结束。管内放热系数变 化不大，管壁温度接近流体温度。
第九章 自然循环原理
SCHOOL OF ENERGY AND POWER ENGINEERING, SHANDONG UNIVERSITY
第一节 自然循环原理
一 自然循环原理
定义：在一个闭合的回路中，由于工质自身的密度差造成的重 位压差，推动工质流动的现象。 自然循环锅炉的循环回路是由锅筒、下降管、分配水管、水冷 壁下联箱、水冷壁管、水冷壁上联箱、汽水混合物引出管、汽水 分离器组成的，如图所示； 重位压差是由下降管和上升管(水冷壁管)内工质密度不同造成 的；而密度差是由下降管引入水冷壁的水吸收炉膛内火焰的辐射 热量后，进行蒸发，形成汽水混合物，使工质密度降低形成的。
• 当雾状流蒸汽中水滴全部被蒸干以后，形成单相的过热蒸汽 流动，放热系数进一步减小，管壁温度进一步上升。
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• 有卷吸的环状流动阶段：环状流的液膜变薄，管子壁面上 的热量很快通过液膜传递到液膜表面，此时在管子壁面上不再 产生汽泡，蒸发过程转移的液膜表面进行。放热系数略有提高 ，管壁温度接近流体温度。
1 蒸发管内的流型与传热的关系
• 单相液体流动阶段：在管子入口处，为过冷水对流传热，放热 系数基本不变。 • 过冷沸腾阶段：汽泡状流动的初级阶段。壁面温度大于饱和温 度，在壁面上产生小汽泡，而管子中心流体温度尚未达到饱和温 度，汽泡被带到水流中很快凝结而消失，放热系数增大。 • 汽泡状流动的后期和环状流动阶段：由于不断吸热，管内的水 流达到饱和温度在壁面上产生的蒸汽不再凝结，壁面上不断产生 汽泡，又不断脱离壁面，水流中分散着许多小汽泡，此时饱和核 态沸腾开始，并一直持续到环状流动阶段结束。管内放热系数变 化不大，管壁温度接近流体温度。
第九章 自然循环原理
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第一节 自然循环原理
一 自然循环原理
定义：在一个闭合的回路中，由于工质自身的密度差造成的重 位压差，推动工质流动的现象。 自然循环锅炉的循环回路是由锅筒、下降管、分配水管、水冷 壁下联箱、水冷壁管、水冷壁上联箱、汽水混合物引出管、汽水 分离器组成的，如图所示； 重位压差是由下降管和上升管(水冷壁管)内工质密度不同造成 的；而密度差是由下降管引入水冷壁的水吸收炉膛内火焰的辐射 热量后，进行蒸发，形成汽水混合物，使工质密度降低形成的。
锅炉原理 第9章 自然循环原理及计算
热能与动力工程
停滞
倒流 连续水膜被破坏 水的冷却 汽的冷却 超温
膜态沸腾
传热恶化
爆管
热能与动力工程
二 蒸发管内的停滞、倒流和膜态沸腾
1. 循环停滞
• 水冷壁分成几至以至几十个独立的水循环回路。 • 炉膛中温度场分布不均； • 上升系统的结构偏差和流量分配偏差； • 虽然管屏进出口联箱的压差是相同的，但每根管子的流动速度 可能不同。受热弱的管子中，工质密度大，当这根管子的重位压 头接近于管屏的压差时，管屏的压差只能托住液柱，而不能推动 液柱的运动。这时，管内就出现了流体的停滞现象。
热能与动力工程
第二节
自然循环锅炉水冷壁的安全运行
一 影响水冷壁安全运行的主要因素
• 水质不良导致的水冷壁管内结垢与腐蚀，水冷壁受热偏差或管
内流动阻力的影响，导致个别或部分管子出现循环流动的停滞或 倒流；
• 水冷壁热负荷过大导致的管子内壁面附近出现膜态沸腾；
• 锅筒水位过低引起水冷壁中循环流量不足，甚至发生更为严重 的“干锅”； • 燃烧产生的腐蚀性气体对金属管子外壁面的高温腐蚀； • 结渣和积灰导致的对金属管壁的侵蚀； • 煤粉气流或含灰气流对金属管壁的磨损。
第一节
一 自然循环原理
自然循环原理与基本概念
定义：在一个闭合的回路中，由于工质自身的密度差造成的重位 压差，推动工质流动的现象。
自然循环锅炉的循环回路是由锅筒、下降管、分配水管、水
冷壁下联箱、水冷壁管、水冷壁上联箱、汽水混合物引出管、汽 水分离器组成的，如图12-1所示； 重位压差是由下降管和上升管(水冷壁管)内工质密度不同造 成的；而密度差是由下降管引入水冷壁的水吸收炉膛内火焰的辐 射热量后，进行蒸发，形成汽水混合物，使工质密度降低形成的。
自然循环原理及计算
第九章 自然循环原理及计算第一节 自然循环的基本原理一、自然循环概述由汽包、下降管、联箱、上升管等组成的循环回路中，上升管在炉内受热，管内的水被加热到饱和温度并产生部分蒸汽；而下降管在炉外不受热，管内为饱和水或未饱和水。
因此，上升管中汽水混合物的密度小于下降管中水的密度，在下联箱中心两侧将产生液柱的重位差，此压差推动汽水混合物沿上升管向上流动，水沿下降管向下流动。
工质在沿汽包、下降管、下联箱、上升管、上联箱、连接管道再到汽包这样的回路中的运动是由其密度差造成的，而没有任何外来推动力。
因此将这种工质的循环流动称为自然循环。
二、自然循环回路的总压差画出简单循环回路示意图。
下联箱中心截面A-A 两侧将受到不同的压力。
截面左侧管内工质作用在截面A-A 的静压为：gh P P xj ρ+=01 a P ( 9-1) 截面右侧管内汽水混合物作用在截面A-A 的静压为：gh P P ss ρ+=02 a P (9-2) 从式（9-1）和式（9-2）可以看出，由于ss xj ρρ〉，所以静压21P P 〉，表示截面A-A 两侧所受压力是不同的，此压力差将推动联箱内工质由左向右移动。
循环回路中，工质流动时要克服磨擦阻力和局部阻力。
现根据流体流动的基本原理分析，流动状态下联箱中心处的压力：1、下降管系统作用在联箱中心处的压力在流动时，下降管系统有流动阻力损失xj P ∆，水向下流动时在联箱中心处的实际压力1P 要比静压小xj P ∆，即xj xj P gh P P ∆-+=ρ01 a P （9-3）2、上升管系统作用在联箱中心处的压力由于上升管内工质流动是由下向上流动，联箱中心处的压力P 2应能克服上升管系统的总流动阻力ss P 和重位压差，才能使工质进入汽包，因此ss ss P gh P P ∆++=ρ02 a P （9-4）3、总压差（1）下降管系统的总压差为：xj xj xj P gh P P P ∆-=-=∆ρ01* a P （9-5）（2）上升管系统的总压差为：ss ss ss P gh P P P ∆-=-=∆ρ02* a P （9-6） 在稳定流动时，联箱中流体只有一个压差值（与汽包压力的差值），所以这两个压差值必须相等，即**ssxj P P =∆ （9-7） 式（9-7）是用来计算锅炉水循环的主要依据，这种方法称为水循环计算中的压差法。
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二、蒸发管内汽水两相流的传热 1、蒸发管内的流型与传热的关系 在蒸发过程的各个阶段，蒸发管内的流型在不断变化。不 同的流型状态下，流体对管子壁面的热交换方式不同，冷却 能力也不同，即管内流体的放热系数在不断变化。放热系数 越大，管壁温度越接近工质温度。 2、蒸发管内的传热恶化 （1）第一类传热恶化 当水冷壁管受热时，蒸发管热负荷q低于某一临界热负荷qc， 管内壁不断产生汽化核心，也同时随水流扰动不断脱离管壁。 管中心的水不断地向壁面补充，这时的管内被称为核态沸腾。 以上的流动工况和传热工况发生于热负荷不大的条件下。
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1、下降管系统作用在联箱中心处的压力 P1=P0+ ρ xjgh-△Ｐxj 2、上升管系统作用在联箱中心处的压力 P2=P0+ ρ ssgh+△Ｐss 3、总压差 下降管系统的侧压差： Ｙxj＝P1-P0＝ρ xjｇh－△Ｐxj ，Ｐa 上升管系统的侧压差： Ｙss＝P2-P0＝ρ hugh＋△Ｐss ，Ｐa 水在回路中循环流动时，下降管侧的压差Ｙxj与上升管侧 的压差Ｙss相等。即： Ｙxj＝Ｙss 这就是水循环计算的压差法。
p jb [1 x ( 1)] 2 1 2 3
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三、汽液两相流体流动的分流模型 蒸发管内的流型主要表现为泡状流、环状流。这种流型的 特征是在管子壁面处形成环状水膜，蒸发产生的蒸汽集中在 管子中心处，如图12-8所示。 设：水的流通断面为Ｆ＇，蒸汽的流通断面为Ｆ〃，管段 的高度为△H，水的真实流速为ω ＇，汽的真实流速为ω 〃， 则汽水的相对速度为△ω ＝ω 〃－ω ＇。图12-8中表示的即 为汽液两相流动的分流模型，模型比较接近管内的真实流动 情况。 所谓汽液两相流动的分流模型是：①管内的汽水混合物是 分开流动的，汽在管子中央流动，水贴近壁面流动；②汽和 水之间有相对速度。由此导出的汽液两相流动参数可视为接 近真实的参数。
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内螺纹管结构
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与光管相比内螺纹管传热特性
膜态沸腾
核态沸腾
偏离核 态沸腾
核态沸腾
质量流速1500 kg/m2s内螺纹管
2014管
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表12-1 内螺纹管与光管中质量含汽率的允许变动范围
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三、运动压头 Pyd=Ｈρ
xjｇ－Ｈρ hug，Ｐa
也即，
Pyd＝△Ｐxj＋△Ｐss+ △Ｐfl 有效压头: Pe＝Ｐyd- (△Ｐss2+ △Ｐfl) Pe＝ △Ｐxj 水循环计算的压头法。 四、影响循环推动力的因素 自然循环的实质是由重位压差造成的自然循环推动力 （即运动压头）克服了上升系统和下降系统的流动阻力， 推动工质在循环回路中流动。 运动压头的大小取决于饱和水与饱和蒸汽的密度差、上 升管的含汽率和循环回路的高度。 压力升高，汽、水的密度差降低，工质循环流动速度越 低。
△χ允许范围
0.785/0.750/0.690/0.540
0.330/0.220/0.0/-
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第三节 汽液两相流的特性参数及流动阻力
一、汽液两相流体流动的均相模型 （一）两相流的流速 均相模型：所谓汽液两相流体流动的均相模型是假定在 通道内汽和水是均匀混合的；水和汽之间无相对速度；只 考虑汽的比容比水的比容大。 1、质量流速ρ ω 单位时间内流经单位流通截面的工质质量称质量流速， 用ρ ω 表示。 G
平均质量含汽率：x x r xc 2
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hu 0 [1 x( 1)]
2、容积含汽率β
A 0 0 V V V Ahu (1 ) 0 0 1 1 1 ( 1) x
2、真实密度
A A zs (1 ) ( ) A A
二、两相流的流动阻力 1、流体加速压降 当流体在管中受热或压力变化时，由于动量增加而引起静 压下降，这就是加速压降。
( 0 ) 2 p js ( 1)( x2 x1 )
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第二节、蒸发管内的汽液两相流型及传热
一、汽液两相流的流型 在汽液两相流中，汽泡与液体之间存在许多形状的分界面 且不断变化，将这些“界面”人为地分成几类，就称为 “流型”。 锅炉蒸发管内的流型主要分为四类，即泡状流、弹状流、 环状流、雾状流。如图12-4所示。 (1)泡状流。在连续的液相中,分散散存在着小汽泡。 (2)弹状流。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，直径逐渐增大。汽泡直径接近 于管子内径时，形成弹状流。 (3)环状流。由于汽弹的内压力增大，当汽弹的内压力大于 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；汽相在管子中心流动，夹带着小液滴。 (4)雾状流。管子壁面上的水膜完全蒸干时，蒸干点的质量 含汽率χ ＝0.8,即蒸汽中仍然夹带着小液滴形成雾状流。 自然循环锅炉的蒸发管中，因为限制χ ≤0.4，所以一般 不会出现雾状流。
内螺纹管 光管
汽包压力MPa
16.6/18.1/19.3/20.7
16.6/18.1/19.3/20.7
最大允许的χ
0.940/0.915/0.875/0.780
0.485/0.385/0.185/0.185
燃烧器区域χ
0.155/0.165/0.185/0.233
0.155/0.165/0.185/-
3、截面含汽率φ
A A 1 A A
hu
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（三）两相流的密度 1、流量密度ρ hu G V V hu (1 ) ( ) V V V
第九章、自然循环原 理及计算
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第一节 自然循环的基本原理
一、自然循环概述 自然循环是指：在一个闭合的回路中，由于工质自身的 密度差造成的重位压差，推动工质流动的现象。 自然循环锅炉的循环回路是由汽包、下降管、分配水管、 水冷壁下联箱、水冷壁管、水冷壁上联箱、汽水混合物引 出管、汽水分离器组成的，如图12-1所示。 二、自然循环回路的总压差 重位压差是由下降管和上升管(水冷壁管)内工质密度不 同造成的。 下联箱中心截面A—A两侧将受到不同压力： 左侧静压： P1=P0+ ρ xjgh 右侧静压： P2=P0+ ρ ssgh
A
2、循环流速ω 0 循环回路中水在饱和温度下按上升管入口截面计算的水 流速度称为循环流速。 G 0 A
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3、折算流速 假定流过的汽水混合物中某相工质占有管子全部截面时计 算所得的流速称为该相的折算流速。 D V 蒸汽折算流速：0 A A G D V 水的折算流速：0 A A Dr Dc Vr Vc 平均蒸汽折算流速： 2 A 2A (G Dr ) (G Dc ) Vr Vc 平均水的折算流速： 2 A 2A 4、混合物流速ω hu
2 l 0 或：pm [1 x ( 1)] d 2 2 l 0 或：pm [1 x ( 1)] d 2 c xc r x r 管段平均修正系数： xc x r
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4、局部阻力
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2、重位压差 p zw h zs g
zs ( ) 3、摩擦阻力 2
2 l hu hu l 0 p m [1 x( 1)] d 2 d 2 2 0 l 0 [1 ( 1)] d 2 0
V V hu 0 0 A
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5、真实流速 G D V 水的真实流速： A A D V 蒸汽的真实流速： A A 两相真实流速之差称为相对流速： xd （二）含汽率 1、质量含汽率x 在汽水混合物中，流过蒸汽的质量流量D与流过工质总的质 量流量G之比称为质量含汽率。 0 D A 0 x G A 0 0
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发生第二类传热恶化时的含汽率称为临界含汽率xc,即发 生第二类传热恶化的特性参数。 在自然循环锅炉的水冷壁中，在非正常运行状态下一旦 出现第二类传热恶化，虽然开始时壁温并不太高，但含盐 量较高的炉水水滴润湿管壁时，盐分沉积在管壁上，也会 造成传热恶化。 三、自然循环锅炉传热恶化分析 第一类沸腾传热恶化通常发生在含汽率x较小或水存在欠 热（x＜0），以及热负荷高的区域。此时传热系数急剧下 降，管子内壁温度与工质温度之差△tz飞升很快。 第二类沸腾传热恶化发生在x较大，热负荷不太高的情况 下，传热系数降低较第一类传热恶化时小，因而飞升值较 第一类沸腾传热恶化时低。 自然循环锅炉水冷壁局部最高热负荷均低于其临界热负 荷，因此不会发生膜态沸腾。超高压以下自然循环锅炉水 冷壁出口工质含汽率都低于临界含汽率，所以也不会发生 第二类传热恶化。
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如果管外的热负荷很高，超过临界热负荷qc，汽泡形成速 度大于脱离的速度，汽泡就会在管子内壁面上聚集起来， 形成完整稳定的汽膜，热量通过汽膜层传到液体再产生沸 腾蒸发，此时管子壁面得不到水膜的直接冷却，就会导致 管壁超温，这种现象就称为膜态沸腾。也称为第一类传热 恶化。 膜态沸腾一般发生在亚临界参数锅炉水冷壁管内。这是因 为水的汽化潜热随着压力提高而大幅度减小，使得亚临界 参数下在水冷壁管内壁面附近的水更容易汽化，即容易形 成更多的汽化核心。因而产生膜态沸腾的机会相应增加。 开始发生膜态沸腾时的热负荷称为临界热负荷qc，为第一 类传热恶化的特性参数。 （2）第二类传热恶化 在蒸发管中可能发生的另一类传热恶化的工况是“蒸干”， 当管内汽水混合物中含汽率x达到一定数值时，管内流动 结构呈环形水膜的汽柱状，当水膜撕裂，管壁得不到水的 冷却，传热系数明显下降，称为第二类传热恶化。
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泡状流
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弹状流
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环 状 流（柱状流）
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二、蒸发管内汽水两相流的传热 1、蒸发管内的流型与传热的关系 在蒸发过程的各个阶段，蒸发管内的流型在不断变化。不 同的流型状态下，流体对管子壁面的热交换方式不同，冷却 能力也不同，即管内流体的放热系数在不断变化。放热系数 越大，管壁温度越接近工质温度。 2、蒸发管内的传热恶化 （1）第一类传热恶化 当水冷壁管受热时，蒸发管热负荷q低于某一临界热负荷qc， 管内壁不断产生汽化核心，也同时随水流扰动不断脱离管壁。 管中心的水不断地向壁面补充，这时的管内被称为核态沸腾。 以上的流动工况和传热工况发生于热负荷不大的条件下。
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1、下降管系统作用在联箱中心处的压力 P1=P0+ ρ xjgh-△Ｐxj 2、上升管系统作用在联箱中心处的压力 P2=P0+ ρ ssgh+△Ｐss 3、总压差 下降管系统的侧压差： Ｙxj＝P1-P0＝ρ xjｇh－△Ｐxj ，Ｐa 上升管系统的侧压差： Ｙss＝P2-P0＝ρ hugh＋△Ｐss ，Ｐa 水在回路中循环流动时，下降管侧的压差Ｙxj与上升管侧 的压差Ｙss相等。即： Ｙxj＝Ｙss 这就是水循环计算的压差法。
p jb [1 x ( 1)] 2 1 2 3
2 0
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三、汽液两相流体流动的分流模型 蒸发管内的流型主要表现为泡状流、环状流。这种流型的 特征是在管子壁面处形成环状水膜，蒸发产生的蒸汽集中在 管子中心处，如图12-8所示。 设：水的流通断面为Ｆ＇，蒸汽的流通断面为Ｆ〃，管段 的高度为△H，水的真实流速为ω ＇，汽的真实流速为ω 〃， 则汽水的相对速度为△ω ＝ω 〃－ω ＇。图12-8中表示的即 为汽液两相流动的分流模型，模型比较接近管内的真实流动 情况。 所谓汽液两相流动的分流模型是：①管内的汽水混合物是 分开流动的，汽在管子中央流动，水贴近壁面流动；②汽和 水之间有相对速度。由此导出的汽液两相流动参数可视为接 近真实的参数。
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内螺纹管结构
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与光管相比内螺纹管传热特性
膜态沸腾
核态沸腾
偏离核 态沸腾
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质量流速1500 kg/m2s内螺纹管
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表12-1 内螺纹管与光管中质量含汽率的允许变动范围
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三、运动压头 Pyd=Ｈρ
xjｇ－Ｈρ hug，Ｐa
也即，
Pyd＝△Ｐxj＋△Ｐss+ △Ｐfl 有效压头: Pe＝Ｐyd- (△Ｐss2+ △Ｐfl) Pe＝ △Ｐxj 水循环计算的压头法。 四、影响循环推动力的因素 自然循环的实质是由重位压差造成的自然循环推动力 （即运动压头）克服了上升系统和下降系统的流动阻力， 推动工质在循环回路中流动。 运动压头的大小取决于饱和水与饱和蒸汽的密度差、上 升管的含汽率和循环回路的高度。 压力升高，汽、水的密度差降低，工质循环流动速度越 低。
△χ允许范围
0.785/0.750/0.690/0.540
0.330/0.220/0.0/-
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第三节 汽液两相流的特性参数及流动阻力
一、汽液两相流体流动的均相模型 （一）两相流的流速 均相模型：所谓汽液两相流体流动的均相模型是假定在 通道内汽和水是均匀混合的；水和汽之间无相对速度；只 考虑汽的比容比水的比容大。 1、质量流速ρ ω 单位时间内流经单位流通截面的工质质量称质量流速， 用ρ ω 表示。 G
平均质量含汽率：x x r xc 2
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2、容积含汽率β
A 0 0 V V V Ahu (1 ) 0 0 1 1 1 ( 1) x
2、真实密度
A A zs (1 ) ( ) A A
二、两相流的流动阻力 1、流体加速压降 当流体在管中受热或压力变化时，由于动量增加而引起静 压下降，这就是加速压降。
( 0 ) 2 p js ( 1)( x2 x1 )
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第二节、蒸发管内的汽液两相流型及传热
一、汽液两相流的流型 在汽液两相流中，汽泡与液体之间存在许多形状的分界面 且不断变化，将这些“界面”人为地分成几类，就称为 “流型”。 锅炉蒸发管内的流型主要分为四类，即泡状流、弹状流、 环状流、雾状流。如图12-4所示。 (1)泡状流。在连续的液相中,分散散存在着小汽泡。 (2)弹状流。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，直径逐渐增大。汽泡直径接近 于管子内径时，形成弹状流。 (3)环状流。由于汽弹的内压力增大，当汽弹的内压力大于 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；汽相在管子中心流动，夹带着小液滴。 (4)雾状流。管子壁面上的水膜完全蒸干时，蒸干点的质量 含汽率χ ＝0.8,即蒸汽中仍然夹带着小液滴形成雾状流。 自然循环锅炉的蒸发管中，因为限制χ ≤0.4，所以一般 不会出现雾状流。
内螺纹管 光管
汽包压力MPa
16.6/18.1/19.3/20.7
16.6/18.1/19.3/20.7
最大允许的χ
0.940/0.915/0.875/0.780
0.485/0.385/0.185/0.185
燃烧器区域χ
0.155/0.165/0.185/0.233
0.155/0.165/0.185/-
3、截面含汽率φ
A A 1 A A
hu
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（三）两相流的密度 1、流量密度ρ hu G V V hu (1 ) ( ) V V V
第九章、自然循环原 理及计算
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第一节 自然循环的基本原理
一、自然循环概述 自然循环是指：在一个闭合的回路中，由于工质自身的 密度差造成的重位压差，推动工质流动的现象。 自然循环锅炉的循环回路是由汽包、下降管、分配水管、 水冷壁下联箱、水冷壁管、水冷壁上联箱、汽水混合物引 出管、汽水分离器组成的，如图12-1所示。 二、自然循环回路的总压差 重位压差是由下降管和上升管(水冷壁管)内工质密度不 同造成的。 下联箱中心截面A—A两侧将受到不同压力： 左侧静压： P1=P0+ ρ xjgh 右侧静压： P2=P0+ ρ ssgh
A
2、循环流速ω 0 循环回路中水在饱和温度下按上升管入口截面计算的水 流速度称为循环流速。 G 0 A
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3、折算流速 假定流过的汽水混合物中某相工质占有管子全部截面时计 算所得的流速称为该相的折算流速。 D V 蒸汽折算流速：0 A A G D V 水的折算流速：0 A A Dr Dc Vr Vc 平均蒸汽折算流速： 2 A 2A (G Dr ) (G Dc ) Vr Vc 平均水的折算流速： 2 A 2A 4、混合物流速ω hu
2 l 0 或：pm [1 x ( 1)] d 2 2 l 0 或：pm [1 x ( 1)] d 2 c xc r x r 管段平均修正系数： xc x r
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2、重位压差 p zw h zs g
zs ( ) 3、摩擦阻力 2
2 l hu hu l 0 p m [1 x( 1)] d 2 d 2 2 0 l 0 [1 ( 1)] d 2 0
V V hu 0 0 A
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5、真实流速 G D V 水的真实流速： A A D V 蒸汽的真实流速： A A 两相真实流速之差称为相对流速： xd （二）含汽率 1、质量含汽率x 在汽水混合物中，流过蒸汽的质量流量D与流过工质总的质 量流量G之比称为质量含汽率。 0 D A 0 x G A 0 0
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发生第二类传热恶化时的含汽率称为临界含汽率xc,即发 生第二类传热恶化的特性参数。 在自然循环锅炉的水冷壁中，在非正常运行状态下一旦 出现第二类传热恶化，虽然开始时壁温并不太高，但含盐 量较高的炉水水滴润湿管壁时，盐分沉积在管壁上，也会 造成传热恶化。 三、自然循环锅炉传热恶化分析 第一类沸腾传热恶化通常发生在含汽率x较小或水存在欠 热（x＜0），以及热负荷高的区域。此时传热系数急剧下 降，管子内壁温度与工质温度之差△tz飞升很快。 第二类沸腾传热恶化发生在x较大，热负荷不太高的情况 下，传热系数降低较第一类传热恶化时小，因而飞升值较 第一类沸腾传热恶化时低。 自然循环锅炉水冷壁局部最高热负荷均低于其临界热负 荷，因此不会发生膜态沸腾。超高压以下自然循环锅炉水 冷壁出口工质含汽率都低于临界含汽率，所以也不会发生 第二类传热恶化。
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如果管外的热负荷很高，超过临界热负荷qc，汽泡形成速 度大于脱离的速度，汽泡就会在管子内壁面上聚集起来， 形成完整稳定的汽膜，热量通过汽膜层传到液体再产生沸 腾蒸发，此时管子壁面得不到水膜的直接冷却，就会导致 管壁超温，这种现象就称为膜态沸腾。也称为第一类传热 恶化。 膜态沸腾一般发生在亚临界参数锅炉水冷壁管内。这是因 为水的汽化潜热随着压力提高而大幅度减小，使得亚临界 参数下在水冷壁管内壁面附近的水更容易汽化，即容易形 成更多的汽化核心。因而产生膜态沸腾的机会相应增加。 开始发生膜态沸腾时的热负荷称为临界热负荷qc，为第一 类传热恶化的特性参数。 （2）第二类传热恶化 在蒸发管中可能发生的另一类传热恶化的工况是“蒸干”， 当管内汽水混合物中含汽率x达到一定数值时，管内流动 结构呈环形水膜的汽柱状，当水膜撕裂，管壁得不到水的 冷却，传热系数明显下降，称为第二类传热恶化。