第8章 锅炉水动力特性.
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强制水膜对流传热段；EF传热 恶化；FG含水不足段
2. 蒸发管内的传热恶化 第二类传热恶化：因为 蒸干引起的传热恶化。热 负荷比前者低，但含汽率 很高时，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。其直接原因是含汽 率过高。把出现第二类传 不同负荷时放热系数与x的关系 热恶化时的含汽率称为临 AB单相水对流传热；BC过冷核 界含汽率xcr。 态沸腾；CD饱和核态沸腾；DE
1. 汽水混合物在垂直管中上升运动： 混合物含汽率变化，两相流速不同，汽泡趋中效应
两相流流型不同 流动阻力和传热机理不同
流速大小与传热强弱不同
影响流型
(a)泡状流：汽水混合 物中含汽率较小时， 蒸汽呈细小的汽泡， 主要在管子中心部分 向上运动。 (b)弹状流：含汽率增 大，汽泡开始合并成 弹状大汽泡，形成阻 力较小的汽弹。
第八章 锅炉水动力特性与传热
锅炉水动力学基础 自然循环锅炉的水循环与计算 强制流动锅炉
锅炉水动力学的研究任务是研究锅炉蒸发受热面的 水动力特性，保证锅炉水循环的可靠性。为了使锅炉安 全可靠运行，所有受热面都应受到工质足够的冷却，以 保证金属壁温不超过所用钢材的允许工作温度。通过锅 炉水动力研究，可以得到锅炉内部工质（水、蒸汽及汽 水混合物）的水动力特性及流动阻力。 在锅炉的受热面中，省煤器中流动的工质为单相流 体水，过热器中工质为单相流体蒸汽，惟有蒸发受热面 水冷壁上升管中流动的工质为汽水混合物。在上升管受 热过程中，汽液两相比例不断变化，并且两相之间存在 相对运动，使管内汽液两相流体的流动规律比单相流体 流动复杂的多，且汽相与液相在传热过程中的性质也不 同，因此必须首先研究汽液两相流体的流动与传热特性。
锅炉水动力学基础
一、管内汽液两相流体的流动结构
汽泡趋中效应：蒸汽密度比水小，在上升两相流 中，在相同压力的作用下，汽泡的上升速度比水 快，水在管中流动的速度分布是中间大，外侧小。 如果汽泡在靠近管边处，汽水相对速度大，阻力 大；而汽泡若在管中间则阻力小。汽泡总是往阻 力小的地方运动，所以在上升管中，汽泡都向管 中间运动。 思考：对于下降两相流，汽泡如何运动？
强制水膜对流传热段；EF传热 恶化；FG含水不足段
传热恶化时，工质与管壁间的放热系数急剧 下降，导致管壁温度剧增，可能烧坏管子。同时 还会导致管壁温度发生波动，造成金属疲劳损坏。 第一类传热恶化，防止受热面热负荷过高， 即可避免第一类传热恶化。第二类传热恶化，对 自然循环锅炉，只要保证蒸发管出口含汽率不至 过高，即可避免；但对直流锅炉，蒸发管内出现 含水不足的状况不可避免，因此无法防止第二类 传热恶化，只能设法减少传热恶化时壁温的上升 幅度。
2. 汽水混合物在水平管中的运动： 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↓，含汽率↑，管子的倾角↓，汽水分层越 易发生。对自然循环锅炉，管子倾角应大于30，且尽量避 免使用水平管，以防止发生分层流动。直流锅炉，一般采 用提高流速的方法防止汽水分层。
分流模型
2. 汽液两相流的特征参数
①流量 质量流量G (kg/s) = 进入上升管的循环流量M0
= 上升管中蒸汽流量D + 饱和水流量M
容积流量V (m3/s) = 水容积流量V’ + 蒸汽容积流量V’’ ②流速 质量流速ρw ：单位时间内流经单位流通截面的工质质 G 量。 2
w
二、蒸发管内的传热
1. 垂直蒸发管内的流型与传热的关系 在蒸发过程的各个阶段，蒸发管内 的流型不断变化，随流型不同流体 与管壁的换热方式也不同，即管内 流体的放热系数不断变化。放热系 数越大，管壁温度越接近工质温度。 图：垂直上升蒸发管中两 相流型和传热工况的关系
2. 蒸发管内的传热恶化 第一类传热恶化： 因为膜态沸腾引起的传热 恶化。当热负荷很高，管 内壁汽化核心急剧增加， 形成连续的汽膜，导致对 流放热系数急剧下降，管 壁得不到液体冷却而超温 破坏。其直接原因是热负 荷过高。把出现第一类传 不同负荷时放热系数与x的关系 热恶化时的热负荷称为临 AB单相水对流传热；BC过冷核 界热负荷qcr。 态沸腾；CD饱和核态沸腾；DE
循环流速w0：循环回路中水在饱和温度下按上升管入口 G w 截面计算的水流速度。
F
kg/(m s)
w0
பைடு நூலகம்
'F
=
'
m/s
折算流速：假定流过的汽水混合物中的蒸汽/水占 有管子全部截面时，计算所得的蒸汽/水流速称为 该截面的蒸汽/水折算流速。
D V '' w0 '' '' F F GD V' w0 ' 'F F
（ a）
（ b）
（c）
（ d）
1. 汽水混合物在垂直管中上升运动： 混合物含汽率变化，两相流速不同，汽泡趋中效应
两相流流型不同 流动阻力和传热机理不同
流速大小与传热强弱不同
（ a）
（ b）
（c）
影响流型 (c)环状流：含汽率继 续增大，弹状汽泡汇 合成汽柱并沿着管子 中心流动，而水则呈 环状水膜沿管壁流动。 (d)雾状流：含汽率再 增大，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，汽水形 （d） 成雾状混合物。
m/s m/s
混合物流速wm：汽水混合物均匀混合时，单位时 间内流过单位截面积的混合物容积。
V ' V '' wm w0 ' w0 '' F
三、两相流的流动参数 1. 汽液两相流体流动模型 均相模型：假定在管内汽水是均匀混 合的，水和汽之间无相对速度，只考 虑汽水比体积的不同。是研究汽液两 相流动的基础。
分流模型：假定管内汽水混合物分开 流动，汽在管子中央流动，水贴近壁 面流动；汽水之间有相对速度。蒸发 管内的流型主要为泡状流、环状流， 因此分流模型更接近蒸发管内的真实 流动情况。
2. 蒸发管内的传热恶化 第二类传热恶化：因为 蒸干引起的传热恶化。热 负荷比前者低，但含汽率 很高时，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。其直接原因是含汽 率过高。把出现第二类传 不同负荷时放热系数与x的关系 热恶化时的含汽率称为临 AB单相水对流传热；BC过冷核 界含汽率xcr。 态沸腾；CD饱和核态沸腾；DE
1. 汽水混合物在垂直管中上升运动： 混合物含汽率变化，两相流速不同，汽泡趋中效应
两相流流型不同 流动阻力和传热机理不同
流速大小与传热强弱不同
影响流型
(a)泡状流：汽水混合 物中含汽率较小时， 蒸汽呈细小的汽泡， 主要在管子中心部分 向上运动。 (b)弹状流：含汽率增 大，汽泡开始合并成 弹状大汽泡，形成阻 力较小的汽弹。
第八章 锅炉水动力特性与传热
锅炉水动力学基础 自然循环锅炉的水循环与计算 强制流动锅炉
锅炉水动力学的研究任务是研究锅炉蒸发受热面的 水动力特性，保证锅炉水循环的可靠性。为了使锅炉安 全可靠运行，所有受热面都应受到工质足够的冷却，以 保证金属壁温不超过所用钢材的允许工作温度。通过锅 炉水动力研究，可以得到锅炉内部工质（水、蒸汽及汽 水混合物）的水动力特性及流动阻力。 在锅炉的受热面中，省煤器中流动的工质为单相流 体水，过热器中工质为单相流体蒸汽，惟有蒸发受热面 水冷壁上升管中流动的工质为汽水混合物。在上升管受 热过程中，汽液两相比例不断变化，并且两相之间存在 相对运动，使管内汽液两相流体的流动规律比单相流体 流动复杂的多，且汽相与液相在传热过程中的性质也不 同，因此必须首先研究汽液两相流体的流动与传热特性。
锅炉水动力学基础
一、管内汽液两相流体的流动结构
汽泡趋中效应：蒸汽密度比水小，在上升两相流 中，在相同压力的作用下，汽泡的上升速度比水 快，水在管中流动的速度分布是中间大，外侧小。 如果汽泡在靠近管边处，汽水相对速度大，阻力 大；而汽泡若在管中间则阻力小。汽泡总是往阻 力小的地方运动，所以在上升管中，汽泡都向管 中间运动。 思考：对于下降两相流，汽泡如何运动？
强制水膜对流传热段；EF传热 恶化；FG含水不足段
传热恶化时，工质与管壁间的放热系数急剧 下降，导致管壁温度剧增，可能烧坏管子。同时 还会导致管壁温度发生波动，造成金属疲劳损坏。 第一类传热恶化，防止受热面热负荷过高， 即可避免第一类传热恶化。第二类传热恶化，对 自然循环锅炉，只要保证蒸发管出口含汽率不至 过高，即可避免；但对直流锅炉，蒸发管内出现 含水不足的状况不可避免，因此无法防止第二类 传热恶化，只能设法减少传热恶化时壁温的上升 幅度。
2. 汽水混合物在水平管中的运动： 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↓，含汽率↑，管子的倾角↓，汽水分层越 易发生。对自然循环锅炉，管子倾角应大于30，且尽量避 免使用水平管，以防止发生分层流动。直流锅炉，一般采 用提高流速的方法防止汽水分层。
分流模型
2. 汽液两相流的特征参数
①流量 质量流量G (kg/s) = 进入上升管的循环流量M0
= 上升管中蒸汽流量D + 饱和水流量M
容积流量V (m3/s) = 水容积流量V’ + 蒸汽容积流量V’’ ②流速 质量流速ρw ：单位时间内流经单位流通截面的工质质 G 量。 2
w
二、蒸发管内的传热
1. 垂直蒸发管内的流型与传热的关系 在蒸发过程的各个阶段，蒸发管内 的流型不断变化，随流型不同流体 与管壁的换热方式也不同，即管内 流体的放热系数不断变化。放热系 数越大，管壁温度越接近工质温度。 图：垂直上升蒸发管中两 相流型和传热工况的关系
2. 蒸发管内的传热恶化 第一类传热恶化： 因为膜态沸腾引起的传热 恶化。当热负荷很高，管 内壁汽化核心急剧增加， 形成连续的汽膜，导致对 流放热系数急剧下降，管 壁得不到液体冷却而超温 破坏。其直接原因是热负 荷过高。把出现第一类传 不同负荷时放热系数与x的关系 热恶化时的热负荷称为临 AB单相水对流传热；BC过冷核 界热负荷qcr。 态沸腾；CD饱和核态沸腾；DE
循环流速w0：循环回路中水在饱和温度下按上升管入口 G w 截面计算的水流速度。
F
kg/(m s)
w0
பைடு நூலகம்
'F
=
'
m/s
折算流速：假定流过的汽水混合物中的蒸汽/水占 有管子全部截面时，计算所得的蒸汽/水流速称为 该截面的蒸汽/水折算流速。
D V '' w0 '' '' F F GD V' w0 ' 'F F
（ a）
（ b）
（c）
（ d）
1. 汽水混合物在垂直管中上升运动： 混合物含汽率变化，两相流速不同，汽泡趋中效应
两相流流型不同 流动阻力和传热机理不同
流速大小与传热强弱不同
（ a）
（ b）
（c）
影响流型 (c)环状流：含汽率继 续增大，弹状汽泡汇 合成汽柱并沿着管子 中心流动，而水则呈 环状水膜沿管壁流动。 (d)雾状流：含汽率再 增大，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，汽水形 （d） 成雾状混合物。
m/s m/s
混合物流速wm：汽水混合物均匀混合时，单位时 间内流过单位截面积的混合物容积。
V ' V '' wm w0 ' w0 '' F
三、两相流的流动参数 1. 汽液两相流体流动模型 均相模型：假定在管内汽水是均匀混 合的，水和汽之间无相对速度，只考 虑汽水比体积的不同。是研究汽液两 相流动的基础。
分流模型：假定管内汽水混合物分开 流动，汽在管子中央流动，水贴近壁 面流动；汽水之间有相对速度。蒸发 管内的流型主要为泡状流、环状流， 因此分流模型更接近蒸发管内的真实 流动情况。