第10和11章锅炉水动力特性与传热汇总

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两相流体的流动结构
汽水混合物在水平管中流动
在浮力作用下，形成管子上部蒸汽偏多的不对称流动结构。随着流速 减小，流动结构的不对称性增加。当流速小到一定程度时，形成分层 流动。管子上部与蒸汽接触，管壁温度升高，可能过热损坏；在汽水 分层的交界面处，由于汽水波动，可能产生疲劳损坏 汽水混合物流速愈小；含汽率愈大；管子的倾角愈小，汽水分层愈 易发生。对自然循环锅炉，管子倾角应大于30，以防止发生分层流动
沸腾传热恶化 ➢第一类传热恶化（膜态沸腾） 热负荷很高，管内壁汽化核心急剧增 加，形成连续的汽膜，对流放热系数α2 急剧下降，管壁得不到液体冷 却超温破坏。特性参数为临界热负荷，对应的x 为临界含汽率
➢第二类传热恶化（蒸干） 热负荷比前者低、但含汽率很高时（出现液 雾状），汽流将水膜撕破或因蒸发使水膜部分或全部消失，管壁直接与 蒸汽接触而得不到液体的足够冷却，对流放热系数α2 急剧下降，金属壁 温tb 急剧增加造成管子过热而烧坏，特性参数是工质的界限含汽率
简单回路是指一根下降管和一根水冷壁管或一组水冷壁管 屏组成的回路。
2. 上升管区段的划分
水循环计算时，需要从水冷壁下联箱为起点，对上升管进行区 段划分。通常将上升管划分为：
• 热水段：进入的水由于静压升高和省煤器出口水不饱和而不 能立刻开始沸腾，因而需要确定沸腾点。在沸腾点之前，上升 管内为单相水。
蒸发管内的流型与 传热的关系
•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 。
水冷壁管内传热恶化
水冷壁管内饱和沸腾可分为核态沸腾和沸腾传热恶化两种工况
核态沸腾 汽泡强烈扰动，传热性能良好，管内壁温度接近于水的 饱和温度，得到良好的冷却
• 含汽段：含汽段是上升管的主要区段，在含汽段，管内汽水 混合物的密度大小或密度分布变化较大，一般应根据吸热强度 或管子直径、管子倾斜度将含汽段分成若干段分别计算。
• 热后段：此区段的上升管不吸热，管内汽水混合物的密度不 变。当管内汽水混合物引入锅筒顶部时，汽水导管将超过锅筒 水位面高度，此段称为超高段。
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• 核态沸腾：水冷壁管受热时，在管子内壁面上开始蒸发，
形成许多小汽泡。如果此时管外的热负荷不大，小汽泡可以 及时地被管子中心水流带走，并受到“趋中效应”的作用力， 向管子中心转移，而管中心的水不断地向壁面补充。
• 过渡沸腾：由核态沸腾向膜态沸腾开始转变的过程
• 膜态沸腾：如果管外的热负荷很高，汽泡生成的速度大
3. 莫迪图，是计算流体的摩擦阻力系数用的。
4.单相流体的局部阻力也和流体力学讲解的一样，公式也 相同。
5.单相流体的局部阻力系数要查有关流体力学的书。
二、两相流体的流动阻力
➢ 1． 两相流体的摩擦阻力是对单相流体的摩擦阻力的公 式修正。公式：（9-44）
➢ 2． 两相流体的局部阻力也是对单相流体的局部阻力的 公式修正。公式：（9-45）
膜态沸腾的产生取决于水冷壁管外的热负荷、管内
工质的质量含汽率、管内的质量流速、工质压力、管径等多种 因素。但主要取决于水冷壁的热负荷与质量含汽率。
运行和试验证明，尽管亚临界参数锅炉水冷壁管出口汽水 混合物的质量含汽率一般只达到0.3~0.4，但发生传热恶化的可 能性较大。
采用内螺纹管水冷壁可抑制膜态沸腾
3 汽水混合物的真实密度ρzs
＝G zs V
＝
Ah＋Ah
Ah
＝
A A
＋
A A
(9-34)
zs (1) ( )
两相流体的含汽率
➢质量含汽率X 汽水混合物中蒸汽的质量流量与汽水混合 物总质量流量之比
x D w0 " " L (9 23) G w0 '
➢容积含汽率 蒸汽容积流量与汽水混合物容积流量之比
w0
w0
w0
w0A 0A w0A
whu＝w0
１＋x(
－１)
ms
(9-27)
二 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 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。
否则需要重算
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复杂回路的水循环计算
简单回路水循环计算程序 （图解法）
分别作出 ps w 0与 p xj w 0 曲线，两曲线的交点即为系统工作
点，从而确定该回路总压差Σ△p0、循环流速w0 、循环流量G及循环倍率Kh
确定整台锅炉循环倍率的计算值
Kg
G D
， 锅水欠焓的计算值
h qh
校核：锅水欠焓的计算值与假设 值之差不超过12.6kJ/kg，且相对 误差 不超过30%，认为合格，
由此导出的汽液两相流动参数可视为接近真实的参数。
1. 截面含汽率
A
A
表示蒸汽流通截面占管子总截面的份额 A whu C (9 32)
A w
2. 汽的真实速度和水的真实速度
汽的真实速度
w＝V ＝ w0
A
(9-22)
水的真实速度
w＝V ＝ V ＝ w0
A A(1) 1
(9-21)
4. 重位压头（9-38）注意正负
自然循环的基本概念
➢自然循环的工作原理 下降管中水与上升
管中汽水混合物间的重位压头差 h'hu g
使水在回路中产生环形流动，又称为水循环
➢简单循环回路压差平衡式 (取向下为正)
hxjg pxj hii g pss
式中 h、hi ―下降管的高度（即循环回路的 高度）及上升管各区段的高度，m； xj , i―下降管中工质及上升管各区段工质的 平均密度，kg/m3； Pxj、Pss―下降管及上升管流动阻力损失，Pa
zs
Ah Ah
Ah
( ),kg / m3
(9 34)
G、Di → Xi → βi→ i →ρi→ hρig（重位压头）
流体的流动阻力
一、单相流体的流动阻力
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二、两相流体的流动阻力
一．单相流体的流动阻力
1.单相流体的摩擦阻力 和流体力学讲解的一样，公式相 同。
2.在锅炉中单相流体都是粗糙管，都处于阻力平方区（阻 力系数只取决于表面粗糙毒而与雷诺数无关）
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蒸发管内的传热
蒸发管内的流型与 传热的关系
• 单相液体流动 阶段：过冷水对 流传热，放热系 数基本பைடு நூலகம்变。
蒸发管内的流型与 传热的关系
过冷沸腾阶段： 汽泡被带到水 流中很快凝结 而消失，放热 系数增大。
蒸发管内的流型与 传热的关系
•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。
汽、液两相数量，即质量含汽率x 不断变化；汽、液两相间存在相对 运动；产生汽泡趋中效应 ➢ 泡状结构 当汽水混合物中含汽率x 较小时，蒸汽呈细小的汽泡， 主要在管子中心部分向上运动 ➢ 弹状结构 含汽率x 增大，汽泡开始合并成弹状大汽泡，形成阻 力较小的汽弹
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两相流体的流动结构
➢柱状结构(环状结构) 含汽率x 继续增大，弹状汽泡汇合成汽柱并沿着管 子中心流动，而水则成环状沿着管壁流动，形成汽柱状或称水膜 环状流动结构
V " V
1
L (9 29)
V V V 1 / (1/ x 1)
➢截面含汽率 蒸汽所占截面与管子总截面之比
whu C w
C
上升流动 C<1, <β；下降流动 C>1, >β 23
两相流体的密度
➢ 混合物密度ρhu
hu
G V
'V '
"V "
V
' '"
(9 33)
➢ 真实密度ρzs
锅炉水动力特性与传热
锅炉水动力学基础
汽水混合物的流型与传热
两相流体的基本参数
自然循环锅炉的水循环及计算
自然循环的基本概念
循环回路水循环计算
自然循环故障及其可靠性校验
强制流动锅炉
控制循环锅炉 直流循环锅炉 复合循环锅炉 直流锅炉的水动力特性 直流锅炉的启动旁路系统 1
两相流体的流动结构
汽水混合物在垂直管中作上升运动
注：计算两相流体的局部阻力的时候，查的图必须是计算 两相流体的局部阻力的图，不能用计算单相流体局部阻 力的图，计算两相流体的局部阻力的图只有在专门的书 籍上能找到，计算单相流体的局部阻力的图在任何流体 力学的书上都有。
3. 流体加速而引起的压降 一般不计算，只有特别详细计 算的时候才计算。（9-37）
V A
w0
D
A
(9-14)
(2) 水的折算流速
w0
V A
w0
GD
A
(9-15)
3.汽水混合物的流速whu
汽水混合物的容积流量为V＝ V＇＋ V〃
whu
V A
V V A
V A
V A
whu w0 w0
(9-19)
w0A w0A w0A
w0
w0
w0
w0
w0
w0
(9-18)
4 质量含气率、容积含汽率
➢循环倍率K 循环回路中水流量G与回路中产生的蒸汽量D
之比，即1kg水全部变成蒸汽需在回路中循环多少次
K G 1 （9 47） Dx
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循环回路的水循环计算和水循环特性曲线