第11章 锅炉水动力学及过内传热基础(西交大 锅炉原理 考研复试)

第11章锅炉水动力学及过内传热基础
1.锅炉的水循环方式有哪些，是如何区分的，各种循环方式的特点是什么？
答：根据工质流经蒸发受热面的流动动力和循环方式及特点，锅炉的水循环方式可分为：（1）自然循环锅炉
自然循环锅炉蒸发受热面中工质的流动动力是不受热的下降管与受热的上升管之间的密度差。

自然循环锅炉特征是有一个锅筒，是蒸发受热面和过热器之间的
固定分界点。

主要特点是流动方式简单，水动力特性稳定，运行可靠，以往在亚临
界压力以下的锅炉中得到广泛使用。

（2）多次强制循环锅炉
多次强制循环锅炉蒸发受热面中，工质的流动动力除了依靠汽水混合物与水的密度差之外，主要依靠锅炉循环回路的下降管上装加的循环泵的压头。

下降管上
的循环泵是其与自然循环的主要区别。

多次强制循环锅炉主要用于亚临界压力锅
炉。

（3）直流锅炉
直流锅炉蒸发受热面中工质的流动动力是锅炉给水泵的压头。

直流锅炉没有锅筒，蒸发受热面中的工质为一次性通过的强迫流动，这是与自然循环锅炉的主要
区别。

适用的压力范围很广，尤其是超临界参数的锅炉。

(4)复合循环锅炉
复合循环锅炉的基本特点是在中间也装了一台循环泵，循环泵只在低负荷时工作，使一部分水经过再循环管路在蒸发受热面中进行再循环，以充分冷却蒸发受
热面，而在高负荷时停止工作，自动切换成直流锅炉运行状态。

复合循环锅炉主
要用于超临界参数的锅炉。

2.受热管垂直向上流动有哪几种主要流型？水平流动的流动结构有什么特点？
答：受热垂直上升管内汽液两相流动的主要流型有：泡状流型、弹状流型、环状流型、液滴环状流型及雾状流型。

汽液两相流体在水平管中流动时的特点是：由于受到浮升力的影响，蒸汽多聚集在管子的上部，形成不对称的流动结构。

随着汽水混合物流速减小或管子直径增大，这种不对称性特别明显。

3.何谓均相流动模型及分相流动模型？
答：均相流动模型：这种模型假定两相流体流动时非常均匀，看作是具有平均流体特性的均质单相流体，汽液两相之间没有相对速度且处于热力学平衡状态。

分相流动模型：这种模型假定两相流体流动时完全分开，它们各自以一种平均流速流动，即两相之间流速不等但已经达到热力动态平衡。

4.影响汽液两相流体在管内流动时的截面含汽率的因素有哪些，影响作用是什么？
答：（1）汽水之间相对速度。

随着压力提高，汽水之间密度差减小，相对速度减小；循环流速增加，相对速度影响减小，向上流动中的截面含汽率值增大，向上流动中和
向下流动中的截面含汽率值趋近于容积含汽率值。

（2）质量含汽率。

质量含汽率增大，则截面含汽率值增大。

（3）管壁相对粗糙度。

管壁相对粗糙度对垂直向上流动工况的截面含汽率值没有影
响；在垂直下降流动时，管壁相对粗糙度的增大可使截面含汽率值明显降低。

当循
环流速增加时，相对粗糙度的影响减小。

5. 何谓热偏差及热偏差系数，与那些因素有关？
答：所谓热偏差是指并联管中工质焓增不均匀的现象；所谓热偏差系数是并联管组中偏差管工质焓增和整个管组工质平均焓增之比。

影响因素：锅炉管组的热负荷不均匀性及流量不均匀性。

6. 影响并联管组各管热负荷不均匀的主要因素有哪些？
答：锅炉烟气的温度场和速度场以及燃烧产物的浓度场分布不均匀，是形成热力不均匀的主要原因，它包括结构设计和运行工况两方面。

结构方面，各管的受热面积不等，炉膛辐射受热面距离火焰燃烧中心位置不同，烟道阻力特性不均匀；运行方面，火焰形状和充满程度不好，火焰中心偏斜、局部地区发生煤粉再燃烧、部分燃烧器停运或各燃烧器负荷不一致，及部分受热面上结渣等。

7. 集箱效应是如何形成的，对并联管内流量的分配有什么影响？
答：集箱效应是指集箱中工质的压力变化对并联管中流量分布的影响，这是由于在集箱中沿
着工质流动方向工质的压力和轴向速度在不断变化。

8. 什么是热效流量偏差？试述流量不均匀系数的影响因素及其影响作用？答：并联管由于热负荷不均匀引起的流量偏差称为热效流量偏差；
影响因素主要有：
a.并联管组的结构特性；
b.集箱效应；
c.平均工况管流动阻力；
d.热负荷分布；
e.重位压差
9. 试述减小热偏差的措施。

答：采取的主要措施是减小热负荷与流量的不均匀性
(1). 减小热负荷偏差；
a.管屏分组；
b.各组之间采用交叉管和中间混合集箱；
c.避免烟气走廊；
d.烟气再循环；
(2). 减小流量不均匀性的措施
a. 尽量采取垂直向上流动；
b. 降低管组的平均焓增；
c. 合理选择集箱尺寸和连接方式(加大集箱直径，多点均匀引入和引出)；
d. 进口单相水处加装节流环；
e. 合理选择进口工质焓值。

10.管内强迫对流换热沿管长分为哪些区间？
答：垂直管内换热规律可分为以下几个区间：
a.单相液体强制对流换热区；
b.表面沸腾（过冷沸腾）区；
c.饱和核态沸腾区；
d.双相强制对流换热区；
e.欠液区；
f.单项蒸汽强制对流换热区。

11.试述管内各换热区间的沸腾换热机理、放热系数的变化规律以及对管壁温度的影响。

答：如下表所示：
12.什么是第一类传热及第二类传热恶化？两类传热恶化各有何特点？
答：第一类传热恶化，在热负荷q较高、含汽率x较小或过冷沸腾的核态沸腾区，由核态沸腾的工况因水不能进入壁面而转变为膜态沸腾的传热恶化，此时，管壁得不到液体的冷却，放热系数显著下降，壁温突然飞升很高，通常用临界热负荷作为第一类传热恶化发生时的特征参数。

第二类传热恶化，在热负荷q较低、含汽率x较高的液滴环状流阶段的后期，由于管子四周贴壁处的液膜已经很薄，液膜因蒸发或中心气流的卷吸撕破，使液膜部分消失或全部消失，该处的壁面就直接与蒸汽接触而得不到液体得冷却，也使放热系数明显下降，
壁温随之升高，但壁温的增值比第一类恶化要小，其升温速度也较慢，通常用发生传热恶化时的含汽率作为第二类传热恶化的特征参数。

13.水平管发生传热恶化时有何特点？
答：水平管中发生传热恶化现象比垂直管中更复杂。

由于重力的影响，水平管中的蒸汽偏于上半部形成不对称流动，沿管子周界液膜的厚度差异很大。

一般在管子顶部先发生传热恶化现象，而管子下部则后发生传热恶化现象。

管子的顶部发生传热恶化后有可能发生在润湿现象。

因此水平管沿周向上管壁温度通常大于下管壁温度，当汽水混合物发生分层流动时，此温差最大。

即使管壁最高温度不超过材料允许值，过大的上下壁温差会使汽水分层面处的金属发生疲劳损坏。

14.如何判别两类传热恶化？为什么在第二类传热恶化中，会出现恶化时的含汽率与热负荷
无关现象？
答：通过试验研究，并对传热恶化过程加以理论分析后作出间接的判断。

出现恶化时的含汽率与热负荷无关的现象与流动结构有关，进入液滴环状流动阶段后，通常含汽率比较高而中心气流速度比较大，使得贴于管壁的环形液膜表面上产生波浪。

由于汽液表面存在着相对速度的影响，主流会卷吸波峰处的部分液膜，成为气流中的携带液滴，同时中心气流中的液滴也会因紊流扩散而沉积到液膜表面上。

由于主流卷吸作用大于紊流的沉积作用，因此液膜会越来越薄。

当液膜减薄到一定程度后，其表面的波浪机会消失，变得非常平滑，这时的液膜称为微观液膜，微观液膜被蒸干后就会出现传热恶化现象，根据试验研究，热负荷只影向微观液膜消失的位置。

15.超临界压力下管内换热有何特点？
答：⑴. 最大比热容点附近工质的温度接近不变；⑵.在热负荷较小，工质质量流量较大时，接近最大比热区附近工质的传热系数很大；⑶.在热负荷较高，工质质量流量较小时，大比热区内工质的传热系数突然减小，壁温飞升，出现传热恶化现象；⑷.在水平管内，同样存在上下壁温的差值。

16.防止或推迟传热恶化的措施有哪些？
答：(1).适当提高质量流速；
(2).合理安排受热面热负荷；
(3).加强流体在管内的扰动，主要采用内螺纹管或在管内加装扰流子。