《锅炉原理》课件第8章锅炉水动力特性

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1、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

2、，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？汽水混合物

3、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）（b）（c）（d）(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。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）（b）（c）（d）(c)环状流：含汽率继续增大，弹状汽

4、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，汽水形成雾状混合物。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

5、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。二、蒸发管内的传热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不同负荷时放热系数与x的关系2.蒸发管内的传热恶化AB单相水对流传热；BC过冷核态沸腾；CD饱和核态沸腾；DE强制水膜对流传热段；EF传热恶化；FG含水不足段第一类传热恶化：因为膜

6、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。把出现第一类传热恶化时的热负荷称为临界热负荷qcr。不同负荷时放热系数与x的关系2.蒸发管内的传热恶化AB单相水对流传热；BC过冷核态沸腾；CD饱和核态沸腾；DE强制水膜对流传热段；EF传热恶化；FG含水不足段第二类传热恶化：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

7、却。其直接原因是含汽率过高。把出现第二类传热恶化时的含汽率称为临界含汽率xcr。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。三、两相流的流动参数汽液两相流体流动模型均相模型：假定在管内汽

8、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。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