第11章鍋爐水動力學(xué)及鍋內(nèi)傳熱基礎(chǔ)=西安交通大學(xué)-鍋爐原理

0第11章鍋爐水動力學(xué)及鍋內(nèi)傳熱基礎(chǔ)鍋爐性能優(yōu)劣取決于鍋內(nèi)過程和爐內(nèi)過程能否良好配合。組織良好的鍋內(nèi)過程，就是組織管內(nèi)工質(zhì)的合理流動，在各種參數(shù)條件下都能夠使工質(zhì)從火焰或煙氣吸收足夠的熱量，并且要確保管壁得到充分冷卻。111.1流型及流動參數(shù)

11.1.1鍋爐水循環(huán)方式鍋筒是特征水質(zhì)要求低，易調(diào)節(jié)；臨界以下，P高金屬耗多，驅(qū)動力下降也稱輔助或控制循環(huán)管布置靈活，循環(huán)泵工作條件差各種壓力可用，超臨界惟一。阻力大強(qiáng)制與直流的結(jié)合產(chǎn)物211.1.2汽液兩相流的流型

1.垂直管內(nèi)汽液兩相流體主要流型圖11-2受熱垂直上升管汽液兩相流流型圖11-3受熱垂直上升管中沸騰時(shí)的兩相流流型隨熱流密度增加而變化的示意圖1－汽泡狀沸騰開始線；2－汽泡狀沸騰終止線；3－蒸干線；4－過熱蒸汽線32.水平管內(nèi)汽液兩相流體主要流型圖11-4受熱水平蒸發(fā)管汽液兩相流流型3.研究兩相流體的流動模型①均相流模型。兩相流體非常均勻，具有平均流體特性的均質(zhì)單相流體，沒有相對速度且熱力學(xué)平衡。該模型可以應(yīng)用單相流體的各種方程式。最適用于泡狀流型。②分相流模型。假定兩相完全分開，各自以一平均流速流動，即兩相流速不等但已經(jīng)達(dá)到熱力動態(tài)平衡?？梢詫γ恳幌嗔黧w寫出一組基本方程式。該模型比較精確但是很復(fù)雜，最適宜用于環(huán)狀流型。411.1.3汽液兩相流的基本參數(shù)56循環(huán)流速、質(zhì)量流速、以及折算流速三個(gè)參數(shù)雖然都稱為速度，但是它們都是代表流量的參數(shù)。7891011表明截面含汽率與質(zhì)量含汽率或容積含汽率之間的關(guān)系121311.2流動阻力鍋爐管內(nèi)工質(zhì)既有單相流體，又有汽液兩相流體，它們在管內(nèi)流動時(shí)由于需要克服各種阻力會產(chǎn)生一定的壓力降。1411.2.1摩擦阻力151611.2.2重位壓降

1711.2.3加速壓降

1811.2.4局部阻力1911.3鍋爐管內(nèi)傳熱圖11-5垂直管內(nèi)強(qiáng)迫對流沸騰的換熱工況

11.3.1管內(nèi)傳熱過程1.管內(nèi)沸騰換熱的工況區(qū)間圖11-6垂直管內(nèi)對流沸騰放熱系數(shù)與熱負(fù)荷、含汽率的關(guān)系2.換熱機(jī)理及放熱系數(shù)的變化規(guī)律3.熱負(fù)荷對沸騰換熱的影響2011.3.2沸騰傳熱惡化及其防止措施1.兩類沸騰傳熱惡化（1）兩類沸騰傳熱惡化的現(xiàn)象及機(jī)理由核態(tài)沸騰的工況因水不能進(jìn)入壁面而轉(zhuǎn)變?yōu)槟B(tài)沸騰的傳熱惡化，通常稱為偏離核沸騰(DNB)或燒毀（Burn-out），也稱為第一類傳熱惡化。還因?yàn)檫@類傳熱惡化時(shí)壁溫飛升速率很快，又稱為快速危機(jī)。亞臨界壓力參數(shù)以上，可能會遇到。21

發(fā)生傳熱惡化現(xiàn)象和熱負(fù)荷、質(zhì)量含汽率、質(zhì)量流速、壓力及管徑有關(guān)。通常用發(fā)生傳熱惡化時(shí)的臨界熱負(fù)荷qcr(CHF)作為第一類傳熱惡化發(fā)生的特征參數(shù)

22在熱負(fù)荷q較低，含汽率x較高的液滴環(huán)狀流階段的后期，由于管子四周貼壁處的液膜已經(jīng)很薄，液膜因蒸發(fā)或中心汽流的卷吸撕破使液膜部分或全部消失，該處的壁面直接與蒸汽接觸而得不到液體的冷卻，也使放熱系數(shù)α2明顯下降，壁溫升高，但壁溫的增值比第一類惡化要小，其升溫速度也較慢。這類傳熱惡化通常稱為蒸干(Dry-out)，又稱為第二類傳熱惡化或慢速危機(jī)。第二類傳熱惡化發(fā)生時(shí)的熱負(fù)荷較小，在一般的高參數(shù)直流鍋爐中，尤其在燃油鍋爐爐膛受熱面中可能遇到，而且傳熱一旦惡化，可能使壁溫超過金屬的允許值。

23通常用發(fā)生傳熱惡化時(shí)的含汽率xeh作為第二類傳熱惡化發(fā)生的特征參數(shù)影響因素的討論：q↑，各換熱區(qū)間的界限相對前移，長度縮短，使xeh點(diǎn)位置也相對前移，傳熱惡化提前發(fā)生；ρw<(ρw)jx，主汽流與液膜間的相對速度大，液膜易被撕破。ρw>(ρw)jx，汽流與液膜間的相互作用趨于穩(wěn)定，紊流擴(kuò)散使主汽流中降到液膜上的水滴增加。P↑，ρ′↓，汽流擾動對液膜影響大，同時(shí)σ也↓，降低了液膜的保持能力，所以兩者的減小都使液膜的穩(wěn)定性降低而易被撕破，因此xeh點(diǎn)的位置提前；ρw對xeh的影響呈現(xiàn)非單調(diào)性。24第二類傳熱惡化的后果？壁溫升高并脈動。30～60mm范圍，60～125℃。原因：部分液膜雖撕破，管壁仍殘留細(xì)小液流，蒸汽和殘余液流交替接觸管壁；流量微小波動使分界線波動，燒干位置前后移動；中心汽流的液滴可能時(shí)而撞擊壁面。要求：惡化區(qū)管壁與工質(zhì)溫差≯80℃。25（2）兩類傳熱惡化的異同相同：管壁與蒸汽直接接觸、放熱系數(shù)減小、壁溫飛升。q↑，xeh↓，惡化點(diǎn)提前。不同：機(jī)理不同，所處的流動結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)不同，引起的后果也不相同。第一類第二類惡化后管子中部為含有汽泡的液體惡化后管子中部為含有液滴的蒸汽轉(zhuǎn)入膜態(tài)沸騰然后再過渡到欠液區(qū)直接轉(zhuǎn)入欠液區(qū)通常發(fā)生在x較小或欠熱(x<0)時(shí)，以及熱負(fù)荷高的區(qū)域通常發(fā)生在x較大時(shí)，以及熱負(fù)荷低的區(qū)域α2稍低α2稍高壁溫飛升幅度大壁溫飛升幅度小26（3）不均勻加熱對傳熱惡化的影響兩種不均勻：沿長度及沿周向。熱負(fù)荷分布不均勻性通常采用兩個(gè)指標(biāo)來表示，即qmax/qpj及qmax/qmin，其中qmax、qpj和qmin分別為最大熱負(fù)荷、平均熱負(fù)荷和最小熱負(fù)荷。qmax/qpj通常稱為熱負(fù)荷不均勻系數(shù)。不均勻加熱的傳熱惡化兩種不同的觀點(diǎn)：一種認(rèn)為傳熱惡化只是一種局部現(xiàn)象，當(dāng)局部區(qū)域工況參數(shù)(P，q，x，ρw，d)達(dá)到會發(fā)生惡化對應(yīng)的數(shù)值時(shí)，就會發(fā)生傳熱惡化；另一種認(rèn)為傳熱惡化現(xiàn)象是整體現(xiàn)象，惡化點(diǎn)以前管道內(nèi)的熱負(fù)荷分布將直接影響到惡化時(shí)的熱負(fù)荷q與含汽率xeh的關(guān)系，即惡化點(diǎn)上游的工況參數(shù)對下游有影響。不同的觀點(diǎn)具有不同的確定傳熱惡化點(diǎn)的方法。27（3）不均勻加熱對傳熱惡化的影響當(dāng)沿管長不均勻時(shí)，隨不均勻系數(shù)的變化，惡化位置可能在出口，也可能在中間，后者主要發(fā)生在熱負(fù)荷偏差較大時(shí)，此時(shí)惡化點(diǎn)移向熱負(fù)荷最大區(qū)。沿管長均勻加熱時(shí)，惡化點(diǎn)首先出現(xiàn)在出口截面。試驗(yàn)證明，第一類惡化與沿管長熱負(fù)荷分布有關(guān)，符合整體現(xiàn)象；第二類惡化與沿管長熱負(fù)荷分布無關(guān)，可看作局部現(xiàn)象。鍋爐中通常是第二類化，我國主要是采用局部現(xiàn)象的觀點(diǎn)來處理。28（3）不均勻加熱對傳熱惡化的影響垂直管周不均時(shí)，惡化首先發(fā)生在管內(nèi)壁熱負(fù)荷最大的向火側(cè)，P、q、x、ρw等工況參數(shù)對傳熱惡化的影響規(guī)律定性上與均勻加熱時(shí)相同，但在定量上兩者卻有差別。設(shè)沿周向局部qmax與平均qpj發(fā)生惡化時(shí)的臨界熱負(fù)荷分別為qmax,cr和qpj,cr，均勻加熱時(shí)為qcr。若以qmax,cr來衡量受熱不均勻時(shí)傳熱惡化，在其它條件相同情況下，則有qmax,cr>qcr，這可能是在不均勻加熱時(shí)，熱負(fù)荷較低區(qū)的液體能以環(huán)向?qū)α鞯男问较蚴軣釓?qiáng)的區(qū)域擴(kuò)散補(bǔ)充，推遲了此處傳熱惡化的發(fā)生。若以qpj,cr作為特征參數(shù)，當(dāng)液體的環(huán)向?qū)α鲾U(kuò)散速度適應(yīng)熱負(fù)荷分布的不均勻性，能夠及時(shí)補(bǔ)充較高熱負(fù)荷區(qū)域汽化失去的液體，qpj,cr＝qcr；若液體的環(huán)向?qū)α鲾U(kuò)散速度與熱負(fù)荷的分布規(guī)律不匹配，不能及時(shí)流向較高熱負(fù)荷區(qū)域汽化消失的液體，則qpj,cr<qcr，在較低的平均熱負(fù)荷下出現(xiàn)傳熱惡化，而且qmax/qpj越大，qpj,cr值越低。29（4）水平管中傳熱惡化現(xiàn)象的特點(diǎn)重力的影響，蒸汽偏于上半部流動，沿管子周界液膜的厚度差異很大。如果ρw很低，則在x較小處可能出現(xiàn)汽水分層現(xiàn)象。管子頂部先發(fā)生傳熱惡化現(xiàn)象，而管子下部則后發(fā)生傳熱惡化。即使管壁最高溫度不超過材料允許值，過大的上下壁溫差也是不允許的，它會使汽水分層面處的金屬發(fā)生疲勞損壞。隨著ρw增大，發(fā)生惡化時(shí)的位置推遲及上下壁的xeh的差值減小，管子壁溫飛升值及上下壁溫差明顯下降。壓力增加，傳熱惡化位置提前，在亞臨界及近臨界時(shí)管子頂端的惡化可能在工質(zhì)過冷條件下開始發(fā)生，上下壁的xeh的差值增大，因此為減小Δt所需質(zhì)量流速也就越高。隨著熱負(fù)荷增加，傳熱惡化提前發(fā)生，管子上壁溫飛升值及上下壁溫差增大。302.兩類沸騰傳熱惡化區(qū)域的確定

（1）兩類傳熱惡化區(qū)域的劃分實(shí)際中都是壁溫飛升，很難判斷是哪一種。只能由試驗(yàn)結(jié)果，并理論分析間接判斷。在一定的壓力、質(zhì)量流速和管徑下，在不同熱負(fù)荷條件下進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，得到的傳熱惡化時(shí)含汽率xeh與熱負(fù)荷q之間卻存在著兩種不同的關(guān)系。曲線1時(shí)，無法判斷第一和第二類分界點(diǎn)此段可用qcr表征傳熱惡化只能用xeh表征汽流中液滴能否沉積到壁面的分界點(diǎn)波浪狀液膜蒸發(fā)量及被汽流卷吸水量之和大于從主流沉積到液膜表面上的液滴量，液膜越來越薄，到一定程度時(shí)，波浪消失，變得平滑，稱為微觀液膜，消失時(shí)就發(fā)生第二類換熱惡化。一旦進(jìn)入微觀液膜區(qū)，流動阻力會突然下降，即“阻力危機(jī)”，此時(shí)的質(zhì)量含汽率為xΔp。而第二類傳熱惡化發(fā)生在“阻力危機(jī)”之后，即xeh>xΔp，但兩者數(shù)值相差不多。試驗(yàn)表明，數(shù)值xΔp＝f（P，ρw），與熱負(fù)荷無關(guān)，即q的變化只影響管子截面上發(fā)生“阻力危機(jī)”的位置。31液滴能否沉降到微觀液膜上，取決于在汽流中的受力狀態(tài)。與ρw和q有關(guān)。當(dāng)q較高而ρw較低時(shí)，主流中的液滴不能沉積到微觀液膜上，即微觀液膜得不到主流的濕潤，則從發(fā)生“阻力危機(jī)”截面xΔp到傳熱惡化截面xeh之間，由微觀液膜所蒸發(fā)的含汽率Δx基本是一個(gè)常數(shù)，也與q無關(guān)。由xeh＝xΔp＋Δx＝f（P，ρw），xeh與q無關(guān)，出現(xiàn)bc垂直段，這種現(xiàn)象一直持續(xù)到較低的熱負(fù)荷c點(diǎn)為止。此時(shí)，xeh比xΔp

要大得少些，壁溫飛升值較高。當(dāng)q較低而ρw較高時(shí)，液滴能沉積到液膜上，xeh增加，且比xΔp大得多些。壁溫飛升值較低，受熱面可正常工作。隨q降低，潤濕液膜的液滴增多，則xeh增大，xeh就與q有關(guān)了，如cd段所示。隨ρw提高，在q較高時(shí)就會潤濕液膜，c點(diǎn)上升，bc段縮短。當(dāng)大到一定程度，c點(diǎn)就會和b點(diǎn)相重合，bc垂直段消失。32（2）傳熱惡化位置xeh的確定333.超臨界壓力的管內(nèi)換熱實(shí)踐證明，超臨界壓力鍋爐的爐膛輻射受熱面在一定區(qū)域內(nèi)也會發(fā)生傳熱惡化而導(dǎo)致爆管事故。水的工作狀態(tài)超過熱力學(xué)臨界點(diǎn)（Pcr＝22.064MPa，tcr＝373.99℃）時(shí)，在一個(gè)很小的溫度范圍內(nèi)，物性參數(shù)發(fā)生顯著的變化。343.超臨界壓力的管內(nèi)換熱當(dāng)工質(zhì)的定壓比熱容cp達(dá)到最大時(shí)對應(yīng)的溫度,稱為擬臨界溫度或類臨界溫度。使比熱容達(dá)到極大值所對應(yīng)的擬臨界溫度為相變點(diǎn)，工質(zhì)溫度低于擬臨界溫度時(shí)為類似水的液體，高于擬臨界溫度時(shí)為類似蒸汽的氣體。擬臨界溫度和比熱極大值與壓力有關(guān)，隨著壓力的增大，擬臨界溫度有所提高，而比熱容極大值的數(shù)值降低。353.超臨界壓力的管內(nèi)換熱比熱容大于8.4kJ/(kg·℃)的區(qū)域稱大比熱區(qū)。隨壓力提高，大比熱區(qū)的焓值范圍略有縮小，但最大比熱容值大致處于同一個(gè)焓值區(qū)域，如圖所示?？煽闯?，大約i＝1700kJ/kg時(shí)進(jìn)入大比熱區(qū)，且大比熱區(qū)內(nèi)焓值范圍大，約為950kJ/kg，占到超臨界壓力鍋爐中總焓增的1/3左右。當(dāng)然，真正最大比熱區(qū)域占的焓增范圍約為50kJ/kg,故超臨界壓力鍋爐的設(shè)計(jì)，比較容易確定大比熱區(qū)的位置。圖11-15水的比熱容與焓的變化關(guān)系36超臨界壓力下也會發(fā)生傳熱惡化！壁溫飛升主要是由于在大比熱區(qū)內(nèi)工質(zhì)物性參數(shù)變化相當(dāng)劇烈所致。表現(xiàn)管壁溫度大于擬臨界溫度，工質(zhì)平均溫度又小于擬臨界溫度，水的物性從壁面處開始沿半徑方向有很大的變化，導(dǎo)致出現(xiàn)不同于通常恒定物性的單相流體的換熱現(xiàn)象。分2種類型。第一種發(fā)生在進(jìn)口段，l/d≤40～60處，任何流體焓值(直到擬臨界焓)；第二種發(fā)生在熱負(fù)荷較高、工質(zhì)溫度已接近擬臨界溫度時(shí)，惡化位置與熱負(fù)荷的大小有關(guān)，即壁溫隨工質(zhì)焓的增加出現(xiàn)兩個(gè)峰值，如圖所示。37超臨界時(shí)傳熱惡化均是近壁處流體層流化的結(jié)果！對第一種，在進(jìn)口較短的區(qū)間中，中心流體仍處于進(jìn)口時(shí)較低的溫度，而近管壁處一層流體吸熱后溫度較高。中心流體粘度μz大，近壁面處粘度μb小，熱負(fù)荷較高時(shí)，會使流動邊界層增厚，出現(xiàn)層流化現(xiàn)象，當(dāng)邊界層達(dá)到一定厚度，就出現(xiàn)傳熱惡化和壁溫的峰值。對第二種，中心流體溫度低于擬臨界溫度，壁溫已大于擬臨界溫度，近壁層處和中心流體的密度、導(dǎo)熱系數(shù)及比熱容相差很大，尤其是靠近管壁處工質(zhì)的密度可能比管子中心處工質(zhì)的密度小3～4倍，浮力的作用使近壁處的流體向上流動，抑制了工質(zhì)橫向的紊流脈動，促進(jìn)了流動層流化的發(fā)展。當(dāng)管內(nèi)橫向紊流脈動消失和出現(xiàn)最厚的層流邊界層時(shí)，放熱系數(shù)α2顯著降低，壁溫再次飛升。流體一但恢復(fù)紊流邊界層時(shí)，管壁溫度又開始下降。38影響因素主要是熱負(fù)荷和質(zhì)量流速

質(zhì)量流速一定時(shí)，低熱負(fù)荷時(shí)不會發(fā)生傳熱惡化，甚至有傳熱強(qiáng)化的作用。若熱負(fù)荷不變時(shí)，隨著質(zhì)量流速ρw上升，開始出現(xiàn)傳熱惡化的q也提高，惡化點(diǎn)的焓值也移向更高的地方，當(dāng)ρw大到一定值時(shí)，傳熱惡化現(xiàn)象消失。39試驗(yàn)證實(shí)，提高q和降低ρw都將導(dǎo)致傳熱惡化，因此可以采用組合參數(shù)C＝q/ρw來有效地綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)。參數(shù)C表示單位質(zhì)量流量所吸收的熱量，單位為kJ/kg，并可作為是否發(fā)生傳熱惡化的判據(jù)。若以大比熱區(qū)內(nèi)工質(zhì)的放熱系數(shù)α2是否大于大比熱區(qū)外單相水的放熱系數(shù)α0作為判斷發(fā)生傳熱惡化的標(biāo)準(zhǔn)，由試驗(yàn)得到：當(dāng)C>0.84時(shí)，α2總是小于α0，出現(xiàn)傳熱惡化的現(xiàn)象；C＝0.42～0.84之間，各種工質(zhì)焓的α2可能大于，也可小于α0；C<0.42時(shí)，α2總是大于α0，不會出現(xiàn)傳熱惡化。因此，為了使超臨界壓力鍋爐大比熱區(qū)不出現(xiàn)傳熱惡化現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)保證404.防止或推遲傳熱惡化的措施(1)適當(dāng)提高質(zhì)量流速(2)合理安排受熱面熱負(fù)荷(3)加強(qiáng)流體在管內(nèi)的擾動，如采用內(nèi)螺紋管或加裝擾流子4111.3.3各類傳熱區(qū)域放熱系數(shù)計(jì)算分為以下五種情形：1.單相流體強(qiáng)制對流換熱2.表面沸騰3.飽和沸騰4.傳熱惡化后的換熱5.超臨界壓力大比熱區(qū)的換熱計(jì)算4211.4集箱水動力學(xué)11.4.1分配集箱和匯集集箱中的壓力變化與管組進(jìn)口連接的集箱稱為分配集箱，與管組出口連接的集箱稱為匯集集箱。在分配集箱中，由于工質(zhì)沿集箱流動方向不斷分流，其流量逐漸減小，軸向速度下降，因而工質(zhì)的動壓減小而靜壓力增加。我國水動力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法中應(yīng)用動量方程來建立集箱內(nèi)靜壓分布的函數(shù)表達(dá)式并通過試驗(yàn)確定集箱的靜壓變化系數(shù)的計(jì)算公式。

為了得到并聯(lián)各管的流量，必須已知集箱內(nèi)工質(zhì)靜壓變化規(guī)律

4311.4.2集箱的連接型式及其對流量分配的影響典型系統(tǒng)是指流體在集箱的