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。
3. 特性参数-定义自己学习
②两相流的密度—流量密度
3. 特性参数-定义自己学习
②两相流的密度—真实密度
3. 流动阻力计算
工质压降包括：重位、摩擦、加速压降
重位压降 摩擦压降 加速压降
3. 流动阻力
两相流体流动阻力= 液相水与管壁的摩擦阻力 + 汽相和液相之间的相对速度引起的摩擦阻力。
汽液两相流动的阻力>比单相水的流动阻力。 两相流体流动阻力计算：
＝１
x(1 x)(1000 1)
1
w 1 x
x(1 x)(1000 1)
(3) w＞1000kg/(m2·h) 1
w 1 (1 x)
3. 两相流体的重位压降
蒸发管中沿管子高度方向上，汽水混合 物的密度是不断变化的，两相流体的重 位压降的计算，应该根据密度的变化分 段计算或采用积分计算方法进行。 工程上常采用分段计算
运动压头S y d
下降管与上升管中工质柱重差，维持回路 自然循环的动力，用以克服下降管与上升 管中工质的流动阻力
H（xj i）g ps pxj Syd
1. 自然循环回路总压差
有效压头S y x 在数值上等于下降管的阻力
H（xj i）g ps pxj Syx
循环倍率K
循环回路中：水流量G与蒸汽量D之比，即 1kg水全部变成蒸汽需在回路中循环多少次
两种水循环计算方法：压差法、压头法
我国《电站锅炉水动力计算方法》 热水段：静压升高及省煤器出口水不饱和，不立刻沸腾，需 吸热达到饱和温度，上升管内单相水。 含汽段：含汽段是上升管的主要区段。管内汽水混合物密度 大小变化较大，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：不吸热，管内汽水混合物的密度不变。 动压段：上联箱到汽包水位，产生运动压头。 阻力损失段：汽包水位上的部分。
单相水的流动（A段）：水 温↑，未至饱和温度，无蒸 汽。
过冷气泡状流动（B段）： 紧贴管子内壁面的水温↑至 饱和并产生汽泡，管子中部 水仍欠热，平均水温tg逐渐 升高。
2. 汽水两相流
饱和汽泡状流动（C段）— —全部工质至饱和温度，汽 泡不再凝结，含汽量从x=0开 始逐渐增大。
弹状流动（D段）—— 随着 含汽量增大，汽泡聚合成弹 状，温度保持饱和温度。
采用单相流体流动阻力计算公式 带入均匀混合的汽水混合物的流速和密度 用修正系数考虑汽液相对速度和流型的影响。
3. 流动阻力
两相流动的摩擦阻力计算公式为
pmc＝
L d
wh2u hu
2

——两相流体摩擦阻力修正系数 ，由试验确定， ＝f(w ,x , p)
国内采用的方法是：
(1) w＝1000kg/(m2·h) (2) w ＜1000kg/(m2·h)
2. 汽水两相流
环状流动（E段）——含汽 量↑，汽弹连接成柱， 形成 环状流动。环状流动后期， 中部汽流增加，流速升高， 蒸汽开始携带水滴。
雾状流动（F段）——含汽 量很大，壁面水膜蒸干，成 为蒸汽带水滴雾状流动。温 度仍为饱和温度。
2. 汽水两相流
环单相汽流动（G段）—— 该段起始点水滴已全部蒸干， x=1，蒸汽进入过热状态， 温 度开始上升。
2. 汽水两相流传热恶化
第一类沸腾传热恶化（发生在x较低处），也称 作脱核态沸腾
2. 汽水两相流传热恶化
第二类沸腾传 热恶化(发生在x 较高处)：因管 壁水膜被“蒸干” 导致的沸腾传热 恶化称为 第二 类沸腾传热恶化。
原因：汽 水混合物中含汽 率太高所致。
2. 传热恶化分析
类型 x 热负荷 锅炉类型 管壁温度 温度波动
两种水循环计算方法：压差法
水循环的求解：试算法和图解法。
图解法 给定三个不同的循环流速w01、w02、w03 分别计算三个对应的
下降管总压降:
P*xj1、
P* xj
2、
P* xj
3
上升管总压降：
P*ss1、
P* ss
2、
P* ss
3
两种水循环计算方法：压差法
上升管的总压降曲线与下降管的总压降曲线的交点就是循环回路的 循环流速w0。
界限含汽率
4. 水循环可靠性计算-循环倍率
循环倍率的推荐范围 保证锅炉具有自补偿性； 不出现传热恶化的最小循环倍率 推荐的循环倍率大于界限值，又不偏离太远 避免循环流速过低 不能足够冷却下部热负荷较大的区域
循环倍率
4. 循环倍率
机组容量/主汽压力
4. 水循环可靠性计算
水循环计算： 新设计锅炉、旧有锅炉结构发生大的改动。 校验循环系统是否安全可靠。
环状流：汽弹内压力增大，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。 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x =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x≤0.4 ，所以一般不会出现雾状流。
2. 汽水两相流的流型
KG1 Dx
影响自然循环的因素
自然循环的实质： 重位压差—循环推动力 克服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
由于水冷壁管吸热 使水的密度ρxj改变成为汽水混合物的密度ρhu 并在高度为H的回路中形成了重位压差。
影响自然循环的因素
回路高度越高，形成的循环推动力越大。
水冷壁管吸热强度越大、密度差越大，形成的循环 推动力越大。在正常循环情况下，吸热越多，密度差 越大，工质循环流动速度越高
随着压力增加，汽弹状流动 逐渐消失，到10MPa以上，汽 弹状流动已不复存在。随着 工质含汽量增加，由汽泡状 流动直接转变为汽柱状流动。
自然循环锅炉正常工作时， 其质量含汽率小于2~20%，处 于汽泡状流动工况。
2. 汽水两相流传热-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。蒸发管内小汽泡不断在管子内壁上 的汽化核心上产生和离开,锅水及时填补到汽泡脱 离的位置而冷却壁面。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。
(
－1)
ψ：摩擦阻力校正系数
两种水循环计算方法：压差法
上升管的分离器阻力：
两种水循环计算方法：压差法
上升管的加速压降：
P js (xc xr)(v" v')( )2
两种水循环计算方法：压差法
水循环的求解：试算法和图解法。 试算法：计算机的发展为试算法带来巨大方便 假定一个初始循环流速； 计算下降管的总压差； 计算上升管的总压差； 下降管总压差与上升管总压差对比，通过二者的差值修正初始循环 流速，重新计算，直到误差满足要求。
九．自然循环和强制循环锅炉
Natural circulation and Forced calculation boiler
1. 自然循环基本原理
定义：闭合的回路中，由 工质自身的密度差造成的 重位压差推动工质流动的 现象。 重位压差来源： 下降管不吸热，密度大 上升管吸热汽化成汽水混 合物，密度小
两种水循环计算方法：压差法
上升管和下降管的总压差：
P* xj
h
xj
g
P xj
P* ss
hi
i
g
Plz
P
js
P
fl
两种水循环计算方法：压差法
上升管总压差=下降管的总压差，即压差法的基本方程。
P*xj P*ss
两种水循环计算方法：压差法
下降管的阻力：
两种水循环计算方法：压差法
下降管的阻力：
（截面含汽率φ）
Ｎ
Ｎ
pzw＝ hi zs g＝ hi[i (1i )]g
ｉ＝１
ｉ＝１
3. 两相流体的加速压降
工质受热 引起 动量增加引起的 静压降 低
——加速压降。
4. 水循环可靠性计算-循环倍率
循环倍率：上升管循环水量与出口蒸汽量之比。 1kg水全部变成蒸汽在循环回路中循环的次数。 质量含汽率是出口蒸汽量与循环水量之比。