锅炉原理-第九章锅炉水动力特性
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V" 1 推导过程 V 1 / (1 / x 1)
两相流体的基本参数
两相流体的含汽率
截面含汽率 管子总截面之比
蒸汽所占截面与
F whu C F w
上升流动 C<1,
<β；下降流动 C>ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ,
>β
两相流体的基本参数
两相流体的密度
上升管区段的划分
热后段 Hrh 上升管离开炉膛到上 联箱间管段，该管段不受热，若 >10 ％上升管总长，则分开单独计算 导汽管不受热，含汽率不变
对引入汽包汽空间的导汽管， 导汽管最高点到超过水位那一段高 度为提升段高度 Hcq，应与导汽管分 开计算
简单回路水循环计算
上升管进入炉膛处（B点）工质欠焓
在上升管开始沸腾这个截面，w 值是真实
2 部是饱和水时在管截面的速度，实质代表 G。 G / F , kg /(m .s)
循环流速w0 质量流速
上升管开始沸腾处的饱和水的
G w0 ,m/ s F '
式中：G为工质的质量流量； 为容积流量 V G /
两相流体的基本参数
两相流体的速度
真实速度
V" D w" " " , m / s F F "
V' GD w' ' ' , m / s F F '
两相流体的基本参数
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
D w0 " " x 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
基本概念
运动压头 Syd 下降管与上升管中工质重位差， 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 hu ）g pss p xj S yd
影响运动压头的主要因素 回路高度 工质密度差：压力（压力越高，汽水密度差越 低）；水冷壁吸热强度（吸热越多，密度差越大）
B点工质欠焓△hB
hB hqh H H rq
g p xj prq
h p
简单回路水循环计算
热水段高度Hrs的计算
ΔH 段高度 开始沸腾点A工质欠焓△hA为零 不考虑下降管受热和带汽
Q1 h h A hB H H ' g 0 H 1G p
自然循环的基本概念
基本概念
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 G 1
K D x
名义循环倍率 K0 按锅筒引出的饱和蒸汽量 计算的循环倍率 G
K0 D0
自然循环的基本概念
基本概念
锅筒水室凝汽量 Dnq 蒸汽量 凝汽率xnq 在锅筒水室中被凝结的
混合物密度ρhu
G 'V ' "V " hu ' ' " V V
真实密度ρzs
F dh F dh zs Fdh ( ), kg / m 3
两相流体的基本参数
流动阻力与重位压降的计算
h p
热水段高度 Hrs
H rs H rq H
简单回路水循环计算
简单回路水循环计算程序（图解法）
结构数据 按锅炉有关图纸查取 热力数据 按锅炉热力计算书查取 画出蒸发受热面汽水系统图 划分循环回路 管屏分组（划分计算回路），上 升管分段 确定上升系统与下降系统的分界点 分配热负荷 根据炉内热负荷分布曲线，确定每 个回路各区段的热负荷及蒸发量Di 选择整台锅炉循环倍率假设值 Kg ，算出锅水欠焓 假设值△hqh
汽水混合物的流型和传热
水冷壁管内传热
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
折算速度 假定蒸汽或水容积占据管子全部截
D w0" ,m / s F"
面时的速度
(G D) w0' ,m / s F'
式中：D为蒸汽质量流量 混合物速度 whu
V V V G D D w0 " , m / s whu w0 F F F F
汽水混合物的流型和传热
两相流体的流动结构
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
汽水混合物的流型和传热
水冷壁管内传热
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 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
简单回路水循环计算
水循环特性的方程组
压差方程
Yxj Yss
H xj g pxj
H g p
i i
ss
流量方程
Gxj Gss
水冷壁吸热方程
Q Dr Ghqh
简单回路水循环计算
上升管区段的划分
上升管受热 , 含汽率 x不断增加， 各截面两相流动参数不同，应分 区段进行计算，把结构、受热相 同的划为一段。 A是上升管开始沸 腾点 热水段 Hrs 从下联箱到 A 点是热 水段，其中 Hrq 为热前段。采用单 相流动计算公式
Dnq D D0
凝汽量与循环流量的比值
D xnq G
简单回路水循环计算
水循环计算目的和方法
自然循环锅炉水循环计算的目的
确定各回路平均循环流速 w0、工质流量G； 循环倍率Kh
确定锅炉总的循环倍率Kg 检验水循环的可靠性 范围：额定负荷、额定压力和最差回路 （受热不均、热负荷低、结构复杂）
汽水混合物的流型和传热
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
ΔH 段工质吸热引起的焓增
Q1 H H 1G
H1为受热一段高度；Q1、 G 分别 为受热一段吸热量和工质流量
简单回路水循环计算
热水段高度Hrs的计算
ΔH 段工质因压力减少而引起 饱和水焓的减少量
h H ' g p
ΔH 段高度
hqh H H rq g p xj p rq H Q1 h g H 1G p
下降管侧 Yxj p 2 p1 H xj g p xj 上升管侧 Yss p 2 p1 H hu g p ss 即 也即 H xj g H hu g p xj p ss H（ xj hu）g p xj p ss
自然循环的基本概念
开始加热点B工质欠焓△hB 锅水欠焓
当xnq 0, qx 0时， h hsm hqh K
简单回路水循环计算
上升管进入炉膛处（B点）工质欠焓
B点工质欠焓 不考虑下降管受热和带汽
h hB hqh p p
式中 h p 为饱和水的焓值 随压力增大而增大的梯度 kJ/（kg· Pa）
＝
0
自然循环的基本概念
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
自然循环的基本概念
基本概念
简单循环回路压差平衡式 (取向下为正)
H xj g p xj H hu g pss 推导过程
两相流体的基本参数
均相模型
均相模型假定：
汽水均匀混合，与泡状流近似，只考虑汽和水 的比容不同； 汽和水之间没有相对运动，即认为二者速度相 同。 实质是把汽液两相流变成单相流（汽水混合物 单相流）。
两相流体的基本参数
分流模型
针对主要流型泡状和环状， 把泡状流和环状流简化如下：
水在管中靠管内壁流，占据 管截面积F„；
两相流体的流动阻力 为简便计算，可采用 单相流体流动阻力计算公式，如下：
L w hu p mc d 2 两相流体的重位压降
2 hu
f w, x, p
p zw
H g
i i i 1
N
上升管中汽水混合物ρ与 x 不断变化，流动阻 力和重位压降都分段计算，再叠加求和。
两相流体的基本参数
容积含汽率β的推导过程
0 V " V / F V V /F hu 1 / 又： hu 0 0 ，代入上式得 1 / 0 0 D 0 又：x , 代入上式得 G 0 1 1 / (1 / x 1)
汽在管子中间由水形成的 “水管”中流，占据管截面积F”； 考虑汽与水的相对速度：水 的真实速度为w‟；汽的真实速度 为 w “。
两相流体的基本参数
两相流体的速度
0 质量流速 单位时间流经单位流通截面 存在的，是可以测出来的。当把它推广到上 的工质质量 升管任意截面上，它就是假想汽水混合物全
简单回路水循环计算
上升管区段的划分
热水段 Hrs 上升管进入炉膛（ B 点），水具有一定欠焓，开始沸腾 点A的位置需计算确定 含汽段 Hhq 热水段以外的上升 管管段均为含汽段，采用两相流 体公式进行计算 当热负荷、管径或管倾斜角度 变化较大、 水冷壁敷设卫燃带时 含汽段应再分段
简单回路水循环计算
简单回路水循环计算
上升管进入炉膛处（B点）工质欠焓
静压变化p
p 1 Hg p xj p 2 H rqg p rq
p p 2 p 1 H H rq g p xj p rq
式中 p1 、 p2 — 分别为汽包压力及炉 膛 入口B处压力，Pa
式中 H― 下降管的高度（即循环回路的 高度），m； xj , hu ―下降管及上升管中工质的 密度，kg/m3； Pxj、Pss―下降管及上升管流动阻力 损失，Pa
自然循环的基本概念
简单循环回路压差平衡式推导过程
由右图，设锅筒内静压为p1， 下降管下部的静压为p2，则对于 下降管和上升管分别有：
汽水混合物的流型和传热
两相流体的流动结构
弹状流 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 环状流 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
汽水混合物的流型和传热
两相流体的流动结构
雾状流 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
第九章 锅炉水动力特性
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 简单回路及复杂回路水循环计算 自然循环故障及其可靠性校验
汽水混合物的流型和传热
两相流体的流动结构
汽水混合物在垂直管中作上升运动 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 泡状流 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
简单回路水循环计算
简单回路水循环计算程序（图解法）
假定三个循环流速 w0i 计算热水段高度 Hrsi
计算密度 w0i→Gi、Di→Xi →βi→φi→ρi
计算重位压头 hiρig
计算上升管流动阻力 pssi
确定上升管系统压差
Yssi
(
H g p
i i
两相流体的基本参数
两相流体的含汽率
截面含汽率 管子总截面之比
蒸汽所占截面与
F whu C F w
上升流动 C<1,
<β；下降流动 C>ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ,
>β
两相流体的基本参数
两相流体的密度
上升管区段的划分
热后段 Hrh 上升管离开炉膛到上 联箱间管段，该管段不受热，若 >10 ％上升管总长，则分开单独计算 导汽管不受热，含汽率不变
对引入汽包汽空间的导汽管， 导汽管最高点到超过水位那一段高 度为提升段高度 Hcq，应与导汽管分 开计算
简单回路水循环计算
上升管进入炉膛处（B点）工质欠焓
在上升管开始沸腾这个截面，w 值是真实
2 部是饱和水时在管截面的速度，实质代表 G。 G / F , kg /(m .s)
循环流速w0 质量流速
上升管开始沸腾处的饱和水的
G w0 ,m/ s F '
式中：G为工质的质量流量； 为容积流量 V G /
两相流体的基本参数
两相流体的速度
真实速度
V" D w" " " , m / s F F "
V' GD w' ' ' , m / s F F '
两相流体的基本参数
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
D w0 " " x 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
基本概念
运动压头 Syd 下降管与上升管中工质重位差， 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 hu ）g pss p xj S yd
影响运动压头的主要因素 回路高度 工质密度差：压力（压力越高，汽水密度差越 低）；水冷壁吸热强度（吸热越多，密度差越大）
B点工质欠焓△hB
hB hqh H H rq
g p xj prq
h p
简单回路水循环计算
热水段高度Hrs的计算
ΔH 段高度 开始沸腾点A工质欠焓△hA为零 不考虑下降管受热和带汽
Q1 h h A hB H H ' g 0 H 1G p
自然循环的基本概念
基本概念
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 G 1
K D x
名义循环倍率 K0 按锅筒引出的饱和蒸汽量 计算的循环倍率 G
K0 D0
自然循环的基本概念
基本概念
锅筒水室凝汽量 Dnq 蒸汽量 凝汽率xnq 在锅筒水室中被凝结的
混合物密度ρhu
G 'V ' "V " hu ' ' " V V
真实密度ρzs
F dh F dh zs Fdh ( ), kg / m 3
两相流体的基本参数
流动阻力与重位压降的计算
h p
热水段高度 Hrs
H rs H rq H
简单回路水循环计算
简单回路水循环计算程序（图解法）
结构数据 按锅炉有关图纸查取 热力数据 按锅炉热力计算书查取 画出蒸发受热面汽水系统图 划分循环回路 管屏分组（划分计算回路），上 升管分段 确定上升系统与下降系统的分界点 分配热负荷 根据炉内热负荷分布曲线，确定每 个回路各区段的热负荷及蒸发量Di 选择整台锅炉循环倍率假设值 Kg ，算出锅水欠焓 假设值△hqh
汽水混合物的流型和传热
水冷壁管内传热
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
折算速度 假定蒸汽或水容积占据管子全部截
D w0" ,m / s F"
面时的速度
(G D) w0' ,m / s F'
式中：D为蒸汽质量流量 混合物速度 whu
V V V G D D w0 " , m / s whu w0 F F F F
汽水混合物的流型和传热
两相流体的流动结构
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
汽水混合物的流型和传热
水冷壁管内传热
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 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
简单回路水循环计算
水循环特性的方程组
压差方程
Yxj Yss
H xj g pxj
H g p
i i
ss
流量方程
Gxj Gss
水冷壁吸热方程
Q Dr Ghqh
简单回路水循环计算
上升管区段的划分
上升管受热 , 含汽率 x不断增加， 各截面两相流动参数不同，应分 区段进行计算，把结构、受热相 同的划为一段。 A是上升管开始沸 腾点 热水段 Hrs 从下联箱到 A 点是热 水段，其中 Hrq 为热前段。采用单 相流动计算公式
Dnq D D0
凝汽量与循环流量的比值
D xnq G
简单回路水循环计算
水循环计算目的和方法
自然循环锅炉水循环计算的目的
确定各回路平均循环流速 w0、工质流量G； 循环倍率Kh
确定锅炉总的循环倍率Kg 检验水循环的可靠性 范围：额定负荷、额定压力和最差回路 （受热不均、热负荷低、结构复杂）
汽水混合物的流型和传热
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
ΔH 段工质吸热引起的焓增
Q1 H H 1G
H1为受热一段高度；Q1、 G 分别 为受热一段吸热量和工质流量
简单回路水循环计算
热水段高度Hrs的计算
ΔH 段工质因压力减少而引起 饱和水焓的减少量
h H ' g p
ΔH 段高度
hqh H H rq g p xj p rq H Q1 h g H 1G p
下降管侧 Yxj p 2 p1 H xj g p xj 上升管侧 Yss p 2 p1 H hu g p ss 即 也即 H xj g H hu g p xj p ss H（ xj hu）g p xj p ss
自然循环的基本概念
开始加热点B工质欠焓△hB 锅水欠焓
当xnq 0, qx 0时， h hsm hqh K
简单回路水循环计算
上升管进入炉膛处（B点）工质欠焓
B点工质欠焓 不考虑下降管受热和带汽
h hB hqh p p
式中 h p 为饱和水的焓值 随压力增大而增大的梯度 kJ/（kg· Pa）
＝
0
自然循环的基本概念
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
自然循环的基本概念
基本概念
简单循环回路压差平衡式 (取向下为正)
H xj g p xj H hu g pss 推导过程
两相流体的基本参数
均相模型
均相模型假定：
汽水均匀混合，与泡状流近似，只考虑汽和水 的比容不同； 汽和水之间没有相对运动，即认为二者速度相 同。 实质是把汽液两相流变成单相流（汽水混合物 单相流）。
两相流体的基本参数
分流模型
针对主要流型泡状和环状， 把泡状流和环状流简化如下：
水在管中靠管内壁流，占据 管截面积F„；
两相流体的流动阻力 为简便计算，可采用 单相流体流动阻力计算公式，如下：
L w hu p mc d 2 两相流体的重位压降
2 hu
f w, x, p
p zw
H g
i i i 1
N
上升管中汽水混合物ρ与 x 不断变化，流动阻 力和重位压降都分段计算，再叠加求和。
两相流体的基本参数
容积含汽率β的推导过程
0 V " V / F V V /F hu 1 / 又： hu 0 0 ，代入上式得 1 / 0 0 D 0 又：x , 代入上式得 G 0 1 1 / (1 / x 1)
汽在管子中间由水形成的 “水管”中流，占据管截面积F”； 考虑汽与水的相对速度：水 的真实速度为w‟；汽的真实速度 为 w “。
两相流体的基本参数
两相流体的速度
0 质量流速 单位时间流经单位流通截面 存在的，是可以测出来的。当把它推广到上 的工质质量 升管任意截面上，它就是假想汽水混合物全
简单回路水循环计算
上升管区段的划分
热水段 Hrs 上升管进入炉膛（ B 点），水具有一定欠焓，开始沸腾 点A的位置需计算确定 含汽段 Hhq 热水段以外的上升 管管段均为含汽段，采用两相流 体公式进行计算 当热负荷、管径或管倾斜角度 变化较大、 水冷壁敷设卫燃带时 含汽段应再分段
简单回路水循环计算
简单回路水循环计算
上升管进入炉膛处（B点）工质欠焓
静压变化p
p 1 Hg p xj p 2 H rqg p rq
p p 2 p 1 H H rq g p xj p rq
式中 p1 、 p2 — 分别为汽包压力及炉 膛 入口B处压力，Pa
式中 H― 下降管的高度（即循环回路的 高度），m； xj , hu ―下降管及上升管中工质的 密度，kg/m3； Pxj、Pss―下降管及上升管流动阻力 损失，Pa
自然循环的基本概念
简单循环回路压差平衡式推导过程
由右图，设锅筒内静压为p1， 下降管下部的静压为p2，则对于 下降管和上升管分别有：
汽水混合物的流型和传热
两相流体的流动结构
弹状流 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 环状流 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
汽水混合物的流型和传热
两相流体的流动结构
雾状流 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
第九章 锅炉水动力特性
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 简单回路及复杂回路水循环计算 自然循环故障及其可靠性校验
汽水混合物的流型和传热
两相流体的流动结构
汽水混合物在垂直管中作上升运动 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 泡状流 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
简单回路水循环计算
简单回路水循环计算程序（图解法）
假定三个循环流速 w0i 计算热水段高度 Hrsi
计算密度 w0i→Gi、Di→Xi →βi→φi→ρi
计算重位压头 hiρig
计算上升管流动阻力 pssi
确定上升管系统压差
Yssi
(
H g p
i i