第13章 锅炉管内传热及壁温工况

相差大
密度 边上比中心小3～4倍 相差大
浮力作用抑制工质横向紊流脉动
导致紊流传热“层流化”，传热恶化
流体一但恢复紊流边界层时，管壁温度又开始下降
3. α2
A＝α2/α0＝f（q/ρw）
α0—超临界压力下工质焓i＝840kJ／kg时的放热系数
q/ρw＜0.42
A＞1 传热强化（q小、ρw大）
q/ρw ＝0.4～0.84 A＞＜1 介于强化和恶化之间
水冷壁管的热量分流系数
θ＝0，管壁平均温度tb
tb
tgz
(r
)qw
m
ax
1
2
(
1)
tgz↑，qwmax↑，δ↑，β↑，μ↑，α2↓，λ↓ 管壁温度越高
计算时需知tgz ，qwmax， α2
2. 膜式水冷壁
• q↑→to及td↑ 但td↑↑
• α2↑→to及td↓ 但to↓↓
• h↑→td↑
• 校核o、d两点
tw小于快速氧化温度（强度计算用附加壁厚考虑） （3）热应力和热疲劳 限制壁温波动
沿圆周均匀受热光管壁温计算
tnb t gz t2
twb t gz t2 t gb
tb
t gz
t2
1 2
t
gb
令β＝dw/dn，qn＝βqw
t 2
tnb
t gz
qn
2
qw 2
Q
2 l
ln d w / d n
特征参数 临界热负荷qcr
qcr f p, w, x, d
第二类传热恶化 q较低，x较高的液滴环状流后期，由于液膜因
蒸发或中心汽流的卷吸撕破使液膜部分或全部消 失，该处的壁面直接与蒸汽接触而得不到液体的 冷却，α2明显下降，壁温升高。通常称为蒸干、 慢速危机。
出现壁温的周期性波动
特征参数 发生传热恶化时的含汽率xeh
G 单相对流 α2=f(tgz) 增加
3. 壁温
A和B tb随工质温度升高 而增加
C和D α2很大，不断增加 tb略有下降
E 水膜干涸消失，α2急剧 下降， tb飞升（温度变化 区域很小，飞升值很高）。
F ρw大，α2↑，tb↓ ρw小，α2↓，tb ↑
G tb随工质温度的升高而 增加
4. 热负荷
ρw 3000
曲线2
曲线1
8
17 p
p 8MPa, w 3000kg / m2 s
8MPa p 17MPa,
w 3000 17 p
9
p 17MPa, 任何w值
四、超临界压力的管内换热
热力学临界点 pcr＝22.064Mpa tcr＝373.99℃ 单相介质，管内换热一般符合单相流体强迫对流换热规律 早期认为超临界压力压力对传热有利，单相流体，不会发生
共同点 管壁得不到液体的冷却，α2↓,Δtb↑。 不同点 流型、恶化位置、恶化机理、后果
第一类传热恶化 泡状流，核态沸腾区，膜态沸腾，q大，x小 α2↓↓， Δtb↑↑(1000～2000℃)。
第二类传热恶化 液滴环状流，两相强制对流区，蒸干， q小，x大 α2↓， Δtb↑(250～300℃ )
3. 水平管传热恶化
1. 物性 大比热区
在 380～390℃ 附近
t↑→i↑，v↑↑ μ↓↓，λ↓ v、μ变化达数倍
Cp↑↑→有最大值（拟 临界温度,相变点） 变化很大
p↑→ Cp 最大值↓ 峰值移向高温处
取Cp＞8.4kJ/(kg·℃)的 区域为“大比热区”
Δi≈1700～2700kJ/kg 范围相当大，占超临界
善化传热，保证管壁不致过热烧坏，提出减轻 传热恶化的方法。
一、管内传热
1. 管内沸腾换热区间
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 干涸点 F 干涸后的换热（欠液）区 G 单相蒸汽强制对流换热区
2. 管内沸腾换热机理
A 单相对流
α2=f(tgz,w)略有增加 B 对流为主向沸腾（潜热传递）
●试验表明，xΔp＝f（p，ρw），与q无关
●设 F1—将液滴推向液膜的力 F2 —阻止液滴沉积到液膜上的阻力
当 F1＞F2，液滴就能沉降，反之则不能 ρw越大，F1也越大；而q越高，F2越大。
●q较高，ρw较低，液滴不能沉积，xΔp以后的微观 液膜量不变，液膜所蒸发的Δx为常数，也与q无 关。因此，xeh＝xΔp＋Δx＝f（p，ρw），即xeh 与q无关。此时tb 飞升值较高。
●均匀加热 μ(r)＝1 ●非均匀加热 μ(r)＜1 ●μ(r)是r处剩余热量的份额
1－μ(r) 是分流热量的份额 ●μ(r)值大，分流作用小，对壁不利
Bi
2rn
rn / 1/2
固体内导热熱阻（内阻） 内表面换热熱阻（外阻）
Bi小，内阻小，外阻大，μ小（分流作用大） Bi大，内阻大，外阻小，μ大（分流作用小）
q/ρw ＞0.84
A＜1 传热恶化（q大、ρw小）
q↑→↓→tb↑ ρw↑→qeh↑
恶化提前 恶化推迟
保证超临界压力大比 热区不出现恶化
q/ρw＜0.42
五、防止或推迟传热恶化的措施
第一类传热恶化 防止 q ＜qcr 第二类传热恶化 推迟 保证tb在允许值以内 措施 • 合理安排受热面热负荷 • 适当提高质量流速 • 加强流体在管内的扰动
q↓→xeh↑ •bcd 第二类传热恶化
bc垂直段，xeh与q无关 cd段，q↓→xeh ↑
第二类换热恶化
●液滴环状流，液膜汽液表面呈波浪状。中心汽流 ①可卷吸波峰的部分液膜 ②也可通过紊流扩散将液滴沉积到液膜
●当快蒸干度时，液膜表面波浪消失，变得非常平 滑，称为微观液膜 ①中心汽流不再卷吸液膜上的液滴 而汽流中的液滴则可能沉积“润湿” 液膜 ②出现“阻力危机”，此时有xΔp 而xeh＞xΔp，但两者值已相差不多
q(θ)
tr qrj， trj
qwmax均匀加热，全部径向传递 非均匀加热，径向、周向传递
qrj
rw qw max r
qr
qrj
rwqw max r
热量分流系数μ(r) λ为常数
(r) qr qr 1
qrj rwqw max / r
r tr tgz
trj tgz
(r) qr / qrj f (q, Bi, )
ln
ห้องสมุดไป่ตู้r rn
n1
rnGn
n
2n
n1
Bi Bi
n n
r rn
n
rn r
n
Bi Bi
n
cosn
n
G
1
0
q
d
Gn
1
q cosnd
毕渥数
Bi
2 rn
工程计算方法
实际热负荷 q(θ)在θ＝0,r＝r 处有一实际传递的 热量qr；假定以最 大热负荷qwmax沿圆 周均匀加热，则在 该处有一均匀加热 时传递的热量qrj， 将这两种情况的q联 系起来，得到一个 修正系数。
●管子顶部先发生恶化 tb.s＞ tb.x 过大Δtsx，疲劳损坏
●ρw↑，恶化推迟。壁温 飞升值及Δtsx下降。
● p↑，恶化提前。上下 壁的xeh的差值增大。
● q↑，恶化提前。tb.s飞 升值及Δtsx增大。
三、两类传热恶化区域的确定
实验确定qcr＝f(xeh) 两种情况 曲线1难判断两类恶化 曲线2 •ab 第一类传热恶化
达到一定厚度，α2↓↓↓
流动边界层“层流化” 相当两种不同性质的流体分层流动，互不干扰，使紊流 度减少，换热减弱 进口传热恶化只有在一定条件下才会发生 很复杂，与Gr／Re值有关 进口不要在高q区
（2）大比热区（第二种类型）
中心流体温度低于拟临界温度，壁温大于拟临界温度
中心和边上 粘度 μz/μb＝3
热负荷分布不均匀
忽略管壁沿轴向的 导热，管壁温度的求 解简化为无内热源的 二维稳态导热问题， 可用齐次的拉普拉斯 方程求解。
定解问题
2
t
r 2
1 t r r
1 r2
2t
2
0
t
r rrn
2
tn tgz
t
qw
r rrw
t r rn
tn
定解
t
tgz
G 2
Grw
第十三章 锅炉管内传热及壁温工况
A. 锅炉管内传热
●管内放热系数α2 表征热量传递能力
单相流体 α2＝102～103 W/(m2·℃) 沸腾换热 α2高达104 W/(m2·℃) ●传热恶化
在未发生各种水动力不稳定性和热偏差很大的 情况下，沸腾管管壁超温烧损。
α2急剧降低，壁温飞升 ●研究管内沸腾放热系数的目的
转移
α2= f(tgz,w,q)明显增加 C 沸腾为主
不x变＜；0.后3，期α宏2观= 对f(流q)影基响本 增微加观，对流α。2↑。存在猛烈的
D 强制对流为主，表面蒸发 沸腾→对流 α2↑↑
E 液膜被蒸干或撕破 α2↓↓↓
F 热量 壁面→蒸汽→液滴 壁面→撞击到壁面上的液滴
壁面辐射
ρw大，α2↑；ρw小，α2↓
●q↑，A和D区缩小， B、C和F区扩大 位置提前
●沸腾区α2↑↑
●q＞qcr q↑，核态沸腾 →膜态沸腾
二、沸腾传热恶化
1. 两类沸腾传热恶化
第一类传热恶化 q较高，x较小的核态沸腾区， q＞ qcr，由于
管子内壁的汽化核心密集，汽泡的脱离速度小于 汽泡的生长速度，在管壁上形成连续的汽膜，出 现膜态沸腾。此时，管壁得不到液体的冷却，放 热系数α2显著下降，tb飞升值很高。通常称为偏 离核沸腾、烧毁、 快速危机。
∴ q/ρw 可作为恶化判据
超临界压力的两种类型传热恶化
q＜454kW/m2，壁温单调增，正常 q＞507kW/m2，两种恶化
壁温出现两个峰值
（1）进口（第一种类型） l/d≤40～60 任何焓值下发生 中心和边上t相差大→μ相差大 t↑→μ↓ 中心μz大，近壁面μb小 相差大 μz/μb＝1.5～2～3～6 当进口流体温度较低，q高时 导致流动边界层“层流化”
鰭端温度 焊缝修正系数
td
tg
Khf
d qmaxh A
Khf
td tg 有焊缝
1
td tg 无焊缝矩形鳍片
鳍片形状系数
A
1 h
2 bg
a ln a 1 a
a1 a2
0.375 bd h
鳍片形状系数
a＝bd/bg • a一定，有一h/bg的最
佳比值，使Amin，则 tdmin。 • h/bg＞Amin，a↑，使 A↓，则td↓。h大， 最好采用矩形鳍片。
内螺纹管 ①中心汽流旋转使水滴易沉降到液膜上，推迟蒸干 ②近壁层汽流旋转加强了对边界层的扰动，强化传热 ③内螺纹槽中的液膜不易被中心汽流卷吸携带 ④降低内壁热负荷
扰流子
内螺纹管
扰流子
B. 管壁温度校核
一、管壁温度
所有受热管壁温度必须低于安全极限
（1）高温持久强度 反映了金属材料在高温下长期 使用直至断裂时的强度和塑性性能，有一个极限允许 温度。平均tb应满足钢材的高温持久强度要求。 （2）抗氧化温度 氧化速度主要取决于温度
●q较低，ρw较高，液滴能够沉积。q↓，润湿液膜 的液滴增多，xeh↑，即xeh与q有关。tb飞升值较低。
●ρw↑， F1↑， q较高时就会出现润湿液膜的现象， bc垂直段缩短。ρw很大，bc垂直段消失。
qcr和xeh计算， 首先确定类型。不满
足下列条件属于曲线 1的类型，满足者属 于曲线2的类型
亚临界压力以下的沸腾传热恶化。水冷壁发生爆管事故。
实际温上度，（当大接比近热超区临，界Cp压达力到时最，大p时cr/对p≤应1.的2，温工度质）处附于近拟，临该界区 工质物性发生剧烈的变化。 管壁温度大于拟临界温度，工质又温度小于拟临界温度 水的物性从壁面沿半径方向有很大的变化 α2有时增高（q较小，ρw较大，传热善化） 有时降低（q较大，ρw较小，传热恶化）→tb↑↑
xeh f p, w, q, d
影响xeh的因素
①q↑→xeh点位置前移 ②p↑→ρ′和σ减小，液
膜的稳定性降低，xeh点 位置前移
③(ρw)jx→使xeh最小 ρw＜(ρw)jx，相对速
度随ρw增加而增大，液 膜易被撕破。
ρw较高，相互作用已 趋稳定，沉降水滴增加， 传热恶化推迟。
2. 两类传热恶化的异同
锅炉中总焓增的1/3 最大比热区域占的焓增
范围约为50kJ/kg
p↑ → Cp 最大值↓ 峰值移向高温处 Δi范围略有缩小 最大Cp大致处于
同一个焓值区域
2.超临界压力下大比热区的换热规律
正常换热—壁温沿着流动方向单调增加 传热恶化—q↑、ρw↓，某一区域tb↑↑
达到最大值后又迅速降低
在大比热区内工质物性参数变化剧烈 当 tb＞拟临界温度，tgz＜拟临界温度 水从壁面处沿半径方向物性变化很大 出现不同于恒定物性的单相流体的换热现象
t gb
d wlqw
取lnβ≈2（β－1）/（β＋1）
t gb
twb
tnb
qwd w ln 2
2 qw ( 1)
t wb
t gz
qw
1
2
2
(
1)
tb
t gz
qw
1
2
(
1)
tgz↑，qw↑，δ↑，β↑，α2↓，λ↓，管壁温度 越高
二、受热面壁温校核
1. 沿圆周不均匀受热光管壁温校核