锅炉汽水两相流的流型及防止传热恶化的措施

锅炉汽水两相流的流型及防止传热恶化的措施
一. 水沸腾时汽泡的形成过程
锅炉中当水的温度加热到饱和温度tbh时，即产生蒸汽，饱和温度的数值决定于锅炉中水的压力的高低。

在某一已知压力下，就有一定的饱和温度数值，而且在整个沸腾过程内保持不变（只要压力不变）。

对沸腾过程进行观察，一般蒸汽泡只在加热壁面上的某些地点发生，这些地点叫作汽化核心。

这些汽化核心壁面某些粗糙不平以及锈皮、水垢等地方的凹陷部分。

汽化核心数目（汽泡数）取决于水冷壁的壁面热负荷，热负荷大，则汽化核心数目（汽泡数）也随之加多，沸腾也就愈剧烈。

在水的沸腾过程中，首先在汽化核心处形成汽泡，当汽泡在壁面形成时，汽泡内部压力将高于汽泡处部水中的压力，这个压力差即用来克服水的表面张力而形成汽泡。

当水的压力提高时，由于水的表面张力减小，则在水压力高的情况下，可使汽化核心数目增多，亦即强化了汽泡形成过程。

当单相水在垂直管中向上流动时，管中横截面上的水流速度分布是不均匀的。

由于水的粘性作用，近壁面的水流速度较低（在壁面处应为零），速度梯度较大（速度变化大）；管子中心部分的水流速度最大，速度梯度（速度变化）为零。

当近壁面水中含有蒸汽泡又不太大时，由于汽泡浮力作用，汽泡上升速度要比水速大。

由于水流速度梯度的影响，近壁面的汽泡外侧遇到较大的阻力，汽泡本身会产生内侧向上、外侧向下的旋转运动，旋转引起的压差将汽泡推向管子中心。

这样上升两相流中汽泡上各式较快，并相对集中在管子中心部位，即集中在水速较大区域。

当汽泡脱离壁面逸入水中或被管内的水带走，汽泡脱离后水又填充汽泡离开后的空穴，又重新形成汽泡，这样重复汽泡的形成、长大和脱离过程。

这个过程进行得越快，或者说频率越高，则壁面附近水层的扰动愈剧烈，放热就猛列，放热系数a2值也愈高。

二. 水冷壁管中汽水两
相流的流动结构
在水冷壁管内两相流中，汽
和水不是均匀分布的，它们的流
速也不一样。

由于管径、混合物
中的含汽率和流速的不同，两组
组成的流动结构也不一样。

流动
结构不同，两相流体的流动阻力
和传热机理是不相同的，流动速
度的大小和传热的强弱又会影
响到两相流动结构。

图6-1示出了均匀受热垂直
上升蒸汽发管中两相流动结构
和传热工况。

欠热水由管子下部
进入，完全蒸发后生成的过热蒸
汽由管子上部流出。

区域A为单
相水的对流传热，水温低于饱和
温度，管壁金属温度稍高于水
温。

在B区内，紧贴壁面的水虽
达到饱和温度并产生汽泡，但管子中心部位的大量水仍处于欠热状态，生成的汽泡脱离壁面后与大量的未饱和水混合，又凝结并将水加热。

这区域的管壁温度略高于饱和温度，进行着过冷核态沸腾传热。

当水进入C区时全部达到饱和温度，传热转变为饱和核态沸腾方式，此后生成的汽泡不再凝结。

沿工质流动方向的含汽率x逐渐增大，汽泡分散在水中，这种流动结构称为汽泡状流动。

D区内，小汽泡在管子中心聚合成大汽弹，形成所谓弹状流型，汽弹与汽弹之间有水层。

在C、D区的传热方式为核态沸腾放热，其放热系数a2大，管壁温度稍高于工质温度。

汽弹状流动只在常压下存在，在锅炉水冷壁管中强迫压力流动中不存在汽弹流动结构。

当汽量增多（含汽率x增大），汽弹相互连接时，就形成管子部为汽而周围有一环状水膜，而且流动过程的含汽率增大，水膜逐渐变薄，即所谓带液滴的环状流动结构（F区）。

环状水膜减薄后的导热能力很强，可能不再发生核态沸腾而成为强制水膜对流传热，热量由管壁经强制对流水膜传到水膜同中心汽流之间的表面上，并在此表面上蒸发。

当壁面上的水膜完全被“蒸干”，出现管壁温度突然升高。

以后进入雾状流动结构（G区），这时汽流中虽仍有一些水滴，但对管壁的冷却作用不够，管壁温度会突然升高。

此后随着汽流流动、含汽率x的增大，汽流中的水滴不断蒸发，蒸汽流速逐渐增大，又水滴不断撞击管壁，使管壁温度稍有下降的趋势。

最后在蒸汽过热区域（H区）中，管壁温度随着汽温的升高而升高。

管壁金属温度取决于管中流动工质的温度，内壁换热、水垢和局部热负荷等因素。

蒸发管中工质的温度变化不大（几乎没有什么变化），但工质的流速结构对管内放热系数a2的影响却很大。

这样蒸发管的金属温度取决于某些参数的组合，如压力、质量流速、热负荷、含汽率和管子直径等。

当沿管长均匀受热时，随蒸发过程进行、含汽率x的增大，两相工质的流型将发生变化，传热情况因而改变，管子内壁的放热系数α2也将发生变化。

在没有管内部结垢的情况下，各处的放热系数等于该处的局部热负荷除以管壁与工质的温度差，图3-2中示出了各处的温度差。

图3-3则示出各处放热系数与受热面热负荷与含汽率x的关系。

α2突然下降，而管壁温度与工质温度差突增，即出现所谓两相流型和传热区域传热恶化。

FG段为液体不足段，管壁上没有水膜但汽流中仍有水滴，水滴撞击管壁、再加上含汽率x增大，工质流速随之增大，其放热系数略有增大。

G点以后为过热段，其放热系数对应于单相过热蒸汽，随蒸汽温度的提高，其管壁温度也随之上升。

热负荷增大时，放热系数的变
化如图6-2中曲线2所示，过冷沸腾
提前出现，在过冷和核态沸腾区中
的放热系数增大，两相强迫对流区
中的放热系数基本不变，“蒸干”点
出现在更低的x处。

不同负荷时放
热系数与X的关系更大，过冷壁沸
腾出现更早，并且当含汽率x达到
某一数值时，将不经两相强迫对流
区而直接由核态沸腾转入传热恶化
区，如曲线3所示。

热负荷很大时，
过冷沸腾区出现更早，可能在x很
小处出现了传热恶化。

图6－2 不同负荷时放热系数与X的关系
三. 两类传热恶化
1.第一类传热恶化
由于外界热负荷非常大，壁面产生汽饱的频率越大于汽泡离开壁面的频率，则使壁面产生汽泡来不及离开壁面，而在管壁内产生汽膜（汽泡由于来不及离开壁面，而积聚在管内壁），使管壁温度急剧升高，而产生传热恶化，此类传热恶化称为第一类传热恶化，也称为膜态沸腾，该类传热恶化由于热负荷很大，所以使管壁温度很高，导致爆管。

该类传热恶化一般发生在汽泡状流动结构，如果热负荷极高的话，也有可能在过冷沸腾区产生膜态沸腾。

第一类传热恶化（膜态沸腾）具有以下特点：
1)该类传热恶化一般产生在汽泡状流动，由于热负荷大，壁面产生汽泡频率大于汽泡离开壁面的频率，而产生汽膜，使传热恶化。

如果热负荷极高，也可能在过冷沸腾区产生该类传热恶化。

2)产生该类传热恶化的热负荷非常大。

一般电站燃煤、燃油锅炉不可能达到，只有在原子能电站能达到此热负荷，所以一般电站锅炉不可能产生第一类传热恶化。

3)如果产生第一类传热恶化，则产生管壁温度值较高，导致管子爆破（由于外界热负荷非常大之故）。

衡量第一类传热恶化（膜态沸腾）是采用临界热负荷，当热负荷低于临界热负荷，管壁工况是安全的。

当热负荷大于临界热负荷时，会出现管壁温度超过规定值，导致管子的爆破。

但由于产生第一类传热恶化所要求临界热负荷值非常大，电站锅炉是达不到此热负荷的，也就一般不产生此类传热恶化。

2.第二类传热恶化
第二类传热恶化发生在环状流动的末端，由于水膜被撕破或被“蒸干”，出现管壁温度升高、传热恶化，放热系数a2值急剧下降，但其壁温的突升值不象第一类传热恶化（膜态沸腾）时那样高，放热方式亦为强迫对流，由于工质流速大（含汽率x增大），又有水滴可能撞击和冷却管壁，所以放热系数a2值比膜态沸腾时高。

如果热负荷还不太高，从传热观点来看是产生传热恶化，但从壁温来看不一定超过允许值。

只有当热负荷（或局部热负荷）高时，壁温才超过允许极限值而使管子烧损。

图3－3中1至7分别代表由小到大的7种热负荷。

曲线1的AB段为单相水的对流传热段，这里的放热系数基本不变，只是随水温的升高，水的物理性质改变，放热系数稍有增加。

BC段为过冷核态沸腾段，沿管长随过冷沸腾核心数目的增多，放热系数成直线增大。

CD段为饱和核态沸腾，放热系数保持不变。

DE段为强制水膜对流传热段，沿管长随液膜的减薄，放热系数不断增大。

E点为“蒸干”点，由于液膜消失传热改变为接近于由管壁至干饱和蒸汽的对流换热，放热系数虽然发生第二类传热恶化时壁温不一定超过允许值，但可能因“蒸干”点位置经常变动，使某处壁温作周期性波动而导致管壁的疲劳损坏，这也是为什么对直流锅炉及低循环倍率汽包炉来说，必须重视第二类传热恶化的原因所在。

第二类传热恶化具有以下特点：
1)第二类传热恶化发生在环状流动，也即水膜被撕破或被“蒸干”，而产生管壁温度升高，传热恶化。

2)发生第二类传热恶化的热负荷值低于一类传热恶化的热负荷值，也即电站锅炉可以达到此热负荷，使管壁超温破坏。

所以电站锅炉主要重视第二类传热恶化，特别是直流炉和低循环倍率汽包炉，在含汽率x值超过0.1~0.12时，流动即可进入环状流动区域，因此电站锅炉实际能发生的第二类传热恶化问题。

3)第二类传热恶化所产生的管壁温度低于第一类传热恶化。

但在局部热负荷较大时，壁温也会超过允许极限而使管子烧损。

而且“蒸干”点是随工况变动而变化，有时也会发生壁温波动而产生疲劳破坏的可能性。

开始产生第二类传热恶化的含汽率通常称为界限含汽率Xjx，如果管子出口（或循环回路出口）的含汽率x小于界限含汽率Xjx，则不会发生第二类传热恶化，也即是安全的。

如果管子出口（或循环回路出口）的含汽率x大于界限含汽率Xjx时，则就有可能会产生第二类传热恶化。

防止传热恶化产生的常用措施是采用内螺纹管。

由于直流锅炉的水冷壁出口含汽率为1或者过热蒸汽，则在水冷壁管内必然会产生第二类传热恶化的问题，只不过是发生在管子的哪一部位而言。

采用内螺纹管可显著降低管壁温度，增加管内工质的扰动，使传热恶化大大推迟。

如推迟到出口端，则该处热负荷较低，使管壁温度已不致因传热恶化而飞升了。

另外亚临界压力的自然循环锅炉和控制循环锅炉，采用循环倍率小，则使水冷壁出口的含汽率x大于界限含汽率Xjx，同样也会产生第二类传热恶化的问题，因此也采用内螺纹管的水冷壁管。

四. 沸腾管传热恶化的推迟与防止
直流锅炉及控制循环锅炉（强制流动）的水冷壁运行可靠性取决于管壁温度，而管壁温度工况不仅与管内水动力工况有关，还与传热工况密切有关。

水冷壁管发生传热恶化主要与工质质量流速、压力、含汽率和热负荷等因素有关。

目前常以界限含汽率Xjx作为判断传热器恶化出现的界限（即x<Xjx出现传热恶化）。

当压力越高、热负荷越大、质量流速越低时，Xjx越小，也就是传热恶化产生时x将减小。

反之，Xjx增大，传热恶化产生点向水冷壁管出口方向推迟。

上述三个因素对界限含汽率Xjx的影响，可作如下解释：
1.压力P的影响
压力增加，饱和水密度ρ'
减小及表面张力α降低。

ρ'
减小则管壁上的水膜受扰动的影
响大，σ降低则表示保持水膜的能力差，这两者的变化都使水膜的稳定性降低。

同时，压力增加时，产生的汽泡小而多，增加了对水膜的扰动，并使水膜与管壁的接触面积减小，这也使水膜的稳定性降低。

水膜稳定性降低，则对管壁的冷却作用降低。

因此，从以上分析可以看出，压力增加将使发生传热恶化的界限含汽率Xjx减小。

但另一方面，由于压力增加使汽水之间的比容差减小，则汽与水的相对速度减小，又有利于水膜的稳定性，故使Xjx增大。

但通过实验研究，当其它因素不变时这种情况只发生在压力为4MPa以下。

所以，当压力在4MPa以上时，压力P对Xjx的影响是：压力增加，Xjx减小，即传热恶化破坏点提前。

2.热负荷Q的影响
热负荷增加时，由于汽泡数量的增多，增加了水膜的扰动和减少水膜与管壁的接触面积，同时还因大量蒸发使水膜本身的厚度减薄，因而Q增加发生传热恶化的减小。

3.质量流速ρω
的影响
质量流速的ρω
影响应从两方面看，当
ρω
增加时，使水膜的扰动加剧，水膜的稳定
性降低，将使Xjx减小，而发生传热恶化。

但另一方面，ρω
增加，可以带去贴壁形成的汽
泡，并将水挤向管壁，因而使Xjx增大，可以推迟传热恶化的发生。

但总的趋势好的居多，故提高质量流速对防止传热恶化是有利的。

由上述可知，传热恶化（第二类传热恶化──水膜被蒸干或撕破）是直流炉和低循环倍率汽包炉（亚临界压力低循环倍率的控制循环锅炉和自然循环锅炉）的水冷壁管中必然要出现的一种沸腾形式。

因而，所谓防止传热恶化就是设法提高传热恶化区域的放热系数或者设法推迟开始发生传热恶化的地点使之远离高热负荷区，即向水冷壁的出口，从而可使管壁温度降低到允许的范围内。

五. 目前常用的防止水冷壁管传热恶化的措施有：
1.提高受热面内工质的质量流速
提高质量流速ρω
对提高放热系数和降低管理温度是十分有效的。

质量流速提高后，
可以推迟开始发生传热恶化点至炉膛上部的低热负荷区，因而管壁超温的可能性可大为减小，但提高后将使水泵电耗增加。

2.采用内螺纹管
在可能发生传热恶化的高热负荷区的水冷壁管采用内螺纹管，对防止传热恶化而超温的效果较好。

内螺纹管内共有四根螺槽平行地螺旋上升。

图2-5表示了内螺纹管的结构及其降温效果。

内螺纹管的结构及其降温效果
（a）结构；（b）降温效果
图3－4 内螺纹管
内螺纹管的作用可以这样来解释：工质在内螺纹管内流动时，发生汽水的扰动，将水压向壁面，强迫汽泡脱离壁面并被水带走，从而破坏了膜态汽膜，使壁面降低，并推迟传热恶化的发生。

3.其它措施
为了防止传热恶化的产生，除上述措施外，还可以将燃烧的布置沿高、宽方面尽量分开，并采用合理热负荷分配；采取各种措施尽量减小热偏差，在其它条件许可的范围内增加给水欠焓，使热水段长度增大，则产生使热恶化的含汽率x值后移。

这些措施也有一定效果。