锅炉原理 第9章 自然循环原理及计算

汽，下半部是水。管子上部就会过热超温；
• 自由水面：进入上升管的循环流量微小，以至在管子微弱吸热后
被蒸发成汽泡。
后果：当自由水面的位置波动时，还会引起管子的疲劳应力
水循环停滞导致水冷壁管传热恶化；主要发生在受热弱的
管子上。
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2. 倒流
由于受热不均，有的管中工质向上流，有的管中工质向下流。 工质向下流的管子就叫“倒流管”。倒流现象：本来应该是工质向 上流的上升管，变成了工质向下流的下降管。
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• 从循环特性，停滞现象：循环流速w0→0，但w0 ≠0；即循环流量 G=D，但G≠0；停滞管的压差等于下降管的压差，即Ytz=Yxj，但 停滞管的流动阻力ptz→0。
后果：汽泡聚集弯头和焊缝处，并可能形成大汽泡，造成蒸汽
塞，管子局部就会过热超温。当存在自由水面时，管子上半部是
蒸发量大于从锅筒引出的饱和蒸汽量。在锅筒水室中被凝结的蒸 汽量就称为锅筒水室凝汽量，记作D。 由于凝汽量的存在，水冷壁中的质量含汽率应按实际蒸发量计算。 凝汽量与循环流量的比值被称为凝汽率xnq
xnq D / G
热能D与动D 力 D工0 程
凝汽率与锅炉压力和负荷有关
一台容量为1025 T/H的亚临界参数锅炉，最大凝汽量达到 290t/h之多，锅筒水室中存在的凝汽过程，使得MCR负荷时水冷 壁中实际的蒸发量比名义蒸发量大6.8％，水冷壁中的质量含汽率 由0.24增大到0.31，由此引起循环系统的实际循环倍率小于名义 循环倍率。
w0

w0

w0

w0F 0F w0F
水在回路中循环流动时，下降管侧压差Yxj等于上升管侧压差Yss
H xj g H hu g pxj pss
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自然循环的实质：由重位压差造成的循环推动力克服上 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。即由于水冷壁管吸热，使水的密度xj改变成为汽 水混合物的密度hu，并在高度为H的回路中形成了重位
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内螺纹管与光管中质量含汽率的允许变动范围
内螺纹管
光管
汽包压力MPa
16.6/18.1/19.3/20.7
16.6/18.1/19.3/20.7
最大允许的x
0.940/0.915/0.875/0.780 0.485/0.385/0.185/0.185
燃烧器区域x
0.155/0.165/0.185/0.233 0.155/0.165/0.185/-
倒流现象的本质：倒流管的压差大于同一片管屏或同一回路的平 均压差，即Ydl＞Yhl。从而迫使工质向下流动。
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在倒流管中，水向下运动，而汽泡由于受到浮力向上运动。
当倒流速度较慢且等于汽泡向上运动的速度时，向下流的水带不走 汽泡，造成汽泡不上不下的状态，引起汽塞，发生传热恶化，以至 使管子出现局部过热超温。
重位压差是由下降管和上升管(水冷壁管)内工质密度不同造 成的；而密度差是由下降管引入水冷壁的水吸收炉膛内火焰的辐 射热量后，进行蒸发，形成汽水混合物，使工质密度降低形成的。
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下降管侧 Yxj p2 p1 H xj g pxj 上升管侧 Yss p2 p1 H hu g pss
国内的推荐数据：当p=18.6MPa时， xnq =0.042。
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第二节 自然循环锅炉水冷壁的安全运行
一 影响水冷壁安全运行的主要因素
• 水质不良导致的水冷壁管内结垢与腐蚀，水冷壁受热偏差或管 内流动阻力的影响，导致个别或部分管子出现循环流动的停滞或 倒流； • 水冷壁热负荷过大导致的管子内壁面附近出现膜态沸腾； • 锅筒水位过低引起水冷壁中循环流量不足，甚至发生更为严重 的“干锅”； • 燃烧产生的腐蚀性气体对金属管子外壁面的高温腐蚀； • 结渣和积灰导致的对金属管壁的侵蚀； • 煤粉气流或含灰气流对金属管壁的磨损。
压差。 回路高度越高，且工质密度差越大，形成的循环推
动力越大。 工质密度差不仅与压力有关，而且与水冷壁管吸热
强度有关。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；而压力越高，汽、水的密度差 降低，工质循环流动速度越低。
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二 自然循环的基本概念
•循环流速w0:在饱和水状态下进入上升管入口的水的流速。
峰点，此后壁温略有下降，
x =0.8，出现蒸干,管壁温度
再次出现飞升。
• 内螺纹管：
x=0.8 ， 壁 温 才 开 始 飞 升 。
说明内螺纹管具有显著的抵
抗膜态沸腾、推迟传热恶化
的作用。
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内螺纹管抑制膜态沸腾、推迟传热恶化的机理：工质受到螺纹 的作用产生旋转，增强了管子内壁面附近流体的扰动，使水冷 壁管内壁面上产生的汽泡可以被旋转向上运动的液体及时带走 ，而水流受到旋转力的作用紧贴内螺纹槽壁面流动。从而避免 了汽泡在管子内壁面上的积聚所形成的“汽膜”，保证了管子 内壁面上有连续的水流冷却。亚临界参数自然循环锅炉采用内 螺纹管水冷壁是具有相当大的安全裕度
第九章 自然循环原理及计算
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第一节 自然循环原理与基本概念
一 自然循环原理
定义：在一个闭合的回路中，由于工质自身的密度差造成的重位 压差，推动工质流动的现象。
自然循环锅炉的循环回路是由锅筒、下降管、分配水管、水 冷壁下联箱、水冷壁管、水冷壁上联箱、汽水混合物引出管、汽 水分离器组成的，如图12-1所示；
在自然循环锅炉的水冷壁中在正常运行状态下不出现“蒸 干”导致的传热恶化。
在非正常运行状态下一旦出现第二类传热恶化，虽然开始 时壁温并不太高，但含盐量较高的炉水水滴润湿管壁时，盐分 沉积在管壁上，也会造成传热恶化。
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三 内螺纹管抑制传热恶化的作用
• 鳍片光管：
x=0.3，壁温开始飞升
x=0.6 ， 壁 温 达 到 第 一 个 高

V F

V V F
V F
V F
whu w0 w0
w0 F w0 F w0F
w0

w0


w0
w0

w0

w0

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G w0 F D w00F
x D w0 G w0
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
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第三节 汽水两相流的流型及传热
一 汽水两相流的流型
泡状流 弹状流 环状流 雾状流
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泡状流：在连续的液相中,分散散存在着小汽泡。 弹状流：泡状流中，汽泡浓度增大时，受趋中效应的作用，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。 环状流：由于汽弹的内压力增大，当汽弹的内压力大于汽泡的表 面张力时，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。
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二 蒸发管内的传热
1 蒸发管内的流型与传热的关系
• 单相液体流动阶段：在管子入口处，为过冷水对流传热，放热 系数基本不变。 • 过冷沸腾阶段：汽泡状流动的初级阶段。壁面温度大于饱和温 度，在壁面上产生小汽泡，而管子中心流体温度尚未达到饱和温 度，汽泡被带到水流中很快凝结而消失，放热系数增大。 • 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。
当管内工质倒流速度很快时，管子仍能得到良好冷却，不出现局部 超温。当汽水混合物引出管从汽包汽空间引入时，不会出现倒流。
当水冷壁受热不均比较严重时，受热最差的管子有时可能出现停滞 ，有时可能出现倒流，所以同一根管子出现停滞和倒流以及向上流 动的机会并不是固定的，而是随管外吸热状态和管内工质密度的变 化而变化的。
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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

V F
w0

D
F
(2) 水的折算流速
w0

V F
w0

GD
F
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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
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膜态沸腾一般发生在亚临界参数锅炉水冷壁管内。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。
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。
• 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。
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2 蒸发管内的传热恶化
• 当热负荷不断增大到一定程度时，水冷壁管内就会产生膜态 沸腾。膜态沸腾有可能发生在环状流动阶段，当热负荷进一步 提高时，也可能发生在泡状流动阶段，特别是可能发生在过冷 沸腾阶段。 • 第二类传热恶化，“蒸干”：
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• 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。
• 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。
x允许范围
0.785/0.750/0.690/0.540 0.330/0.220/0.0/-
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第四节 汽水两相流的流动参数
一 汽水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。
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停滞
倒流
连续水膜被破坏
水的冷却
膜态沸腾 超温 爆管
汽的冷却 传热恶化
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二 蒸发管内的停滞、倒流和膜态沸腾
1. 循环停滞
• 水冷壁分成几至以至几十个独立的水循环回路。 • 炉膛中温度场分布不均； • 上升系统的结构偏差和流量分配偏差； • 虽然管屏进出口联箱的压差是相同的，但每根管子的流动速度 可能不同。受热弱的管子中，工质密度大，当这根管子的重位压 头接近于管屏的压差时，管屏的压差只能托住液柱，而不能推动 液柱的运动。这时，管内就出现了流体的停滞现象。
热能与动力工时，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。 • 膜态沸腾：如果管外的热负荷很高，汽泡生成的速度大于汽泡脱 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。 • 过渡沸腾：由核态沸腾向膜态沸腾开始转变的过程
w0

G
F
,m/s
•质量含汽率x :上升管中蒸汽所占循环流量的份额。或汽水混合物 中蒸汽所占的份额。
x D G
•循环倍率Ｋ:上升管中实际产生一公斤蒸汽需要进入多少公斤水
kG
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•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
•锅筒水室凝汽量D 亚临界锅炉锅筒水室中存在着蒸汽的凝结过程，使水冷壁的实际