第10和11章锅炉水动力特性与传热汇总

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）
3 汽水混合物的真实密度ρzs
＝G zs V
ຫໍສະໝຸດ Baidu
＝
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
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
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自然循环的基本概念
➢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 pss pxj pfl pyd L（9 8）
➢有效压头S y x 在数值上等于下降管的阻力
（h xj i）g (pss pfl ) pxj pe L（9 10）
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
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
于汽泡脱离壁面的速度，汽泡就会在管子内壁面上聚集起来， 形成蒸汽膜，将管子中心的水与管壁隔开，使管子壁面得不 到水膜的直接冷却，导致管壁超温。也称为第一类传热恶化。
膜态沸腾一般发生在亚临界参数以上锅炉水冷壁管
内。这是因为水的汽化潜热随着压力提高而大幅度减小，使得 亚临界参数下在水冷壁管内壁面附近流体边界层中的水更容易 汽化，即容易形成更多的汽化核心，因而产生膜态沸腾的机会 相应增加。
• 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。
11
• 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
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，
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）
4
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 数基本不变。
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。
蒸发管内的流型与 传热的关系
• 有卷吸的环状 流动阶段：环状 流的液膜变薄， 管子壁面上的热 量很快通过液膜 传递到液膜表面 ，此时在管子壁 面上不再产生汽 泡，蒸发过程转 移的液膜表面进 行。放热系数略 有提高，管壁温 度接近流体温度
蒸发管内的流型与 传热的关系
雾状流动阶段：由 于管子壁面的水膜 被蒸干，只有管子 中心的蒸汽流中夹 带着小液滴，壁面 由雾状蒸汽流冷却， 工质对管壁的放热 系数急剧减小，管 壁温度发生突变性 提高。随后，由于 流动速度增加和小 液滴对管壁的润湿 作用， 使工质对管 壁的放热系数又有 所增大，管壁温度 略有下降。
➢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
＝V
V
V V V
w0A whu A
w0
w0 w0(1
)
1
1
(1
1)
x
（9-29）
G w0 A D w00A
x D w0 G w0
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。
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）
➢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
一 简单回路和回路区段的划分
1. 简单回路
水循环计算时，首先将一根下降管和与它相连的水冷 壁组成一个独立的循环回路，独立的循环回路可以是简单 回路，也可以是复杂回路。
汽液两相流体流动的均相模型
1 均相模型
假定在通道内汽和水是均匀混合的；水和汽之间无相对速 度；只考虑汽的比容比水的比容大。
均相模型虽然与实际的汽液两相流体流动现象有差别，但 它是研究汽液两相流动的基础。
2 汽的折算流速和水的折算流速
按容积流量计算的水的折算速度和汽的折算速度。
(1)汽的折算流速
w0
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
否则需要重算
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复杂回路的水循环计算
汽液两相流体的流动参数
___ 两相流体的速度
➢质量流速 单位时间流经单位流通截面的工质质量
G / A, kg /(m2.s) (9 12)
➢ 循环流速w0 上升管开始沸腾处的饱和水的质量流速
w0
G ,m/ s
A '
(9 13)
式中：G为工质的质量流量； V G / 为容积流量
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汽液两相流体的流动参数
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)
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
2
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
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
➢ 雾状结构 当含汽率x 再增大时，管壁上水膜变薄，汽流将水 膜撕破成小水滴分布于蒸汽流中被带走，汽与水形成雾状混合 物，称为雾状或液雾结构
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
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。
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
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
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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