《鍋爐原理》課件-第8章 鍋爐水動力特性.ppt

1、第八章 鍋爐水動力特性與傳熱,鍋爐水動力學(xué)基礎(chǔ) 自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)與計算 強制流動鍋爐,鍋爐水動力學(xué)的研究任務(wù)是研究鍋爐蒸發(fā)受熱面的水動力特性，保證鍋爐水循環(huán)的可靠性。為了使鍋爐安全可靠運行，所有受熱面都應(yīng)受到工質(zhì)足夠的冷卻，以保證金屬壁溫不超過所用鋼材的允許工作溫度。通過鍋爐水動力研究，可以得到鍋爐內(nèi)部工質(zhì)（水、蒸汽及汽水混合物）的水動力特性及流動阻力。 在鍋爐的受熱面中，省煤器中流動的工質(zhì)為單相流體水，過熱器中工質(zhì)為單相流體蒸汽，惟有蒸發(fā)受熱面水冷壁上升管中流動的工質(zhì)為汽水混合物。在上升管受熱過程中，汽液兩相比例不斷變化，并且兩相之間存在相對運動，使管內(nèi)汽液兩相流體的流動規(guī)律比單相流體流

2、動復(fù)雜的多，且汽相與液相在傳熱過程中的性質(zhì)也不同，因此必須首先研究汽液兩相流體的流動與傳熱特性。,鍋爐水動力學(xué)基礎(chǔ),一、管內(nèi)汽液兩相流體的流動結(jié)構(gòu) 汽泡趨中效應(yīng)：蒸汽密度比水小，在上升兩相流中，在相同壓力的作用下，汽泡的上升速度比水快，水在管中流動的速度分布是中間大，外側(cè)小。如果汽泡在靠近管邊處，汽水相對速度大，阻力大；而汽泡若在管中間則阻力小。汽泡總是往阻力小的地方運動，所以在上升管中，汽泡都向管中間運動。 思考：對于下降兩相流，汽泡如何運動？,汽水混合物在垂直管中上升運動： 混合物含汽率變化，兩相流速不同，汽泡趨中效應(yīng) 兩相流流型不同 流動阻力和傳熱機理不同 流速大小與傳熱強弱不同 影響流

3、型,（a） （b） （c） （d）,(a)泡狀流：汽水混合物中含汽率較小時，蒸汽呈細(xì)小的汽泡，主要在管子中心部分向上運動。 (b)彈狀流：含汽率增大，汽泡開始合并成彈狀大汽泡，形成阻力較小的汽彈。,汽水混合物在垂直管中上升運動： 混合物含汽率變化，兩相流速不同，汽泡趨中效應(yīng) 兩相流流型不同 流動阻力和傳熱機理不同 流速大小與傳熱強弱不同 影響流型,（a） （b） （c） （d）,(c)環(huán)狀流：含汽率繼續(xù)增大，彈狀汽泡匯合成汽柱并沿著管子中心流動，而水則呈環(huán)狀水膜沿管壁流動。 (d)霧狀流：含汽率再增大，管壁上水膜變薄，汽流將水膜撕破成小水滴分布于蒸汽流中被帶走，汽水形成霧狀混合物。,2. 汽水

4、混合物在水平管中的運動： 在浮力作用下，形成管子上部蒸汽偏多的不對稱流動結(jié)構(gòu)。隨著流速減小，流動結(jié)構(gòu)的不對稱性增加。當(dāng)流速小到一定程度時，形成分層流動。管子上部與蒸汽接觸，管壁溫度升高，可能過熱損壞；在汽水分層的交界面處，由于汽水波動，可能產(chǎn)生疲勞損壞 。 汽水混合物流速，含汽率，管子的傾角，汽水分層越易發(fā)生。對自然循環(huán)鍋爐，管子傾角應(yīng)大于30，且盡量避免使用水平管，以防止發(fā)生分層流動。直流鍋爐，一般采用提高流速的方法防止汽水分層。,二、蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱 垂直蒸發(fā)管內(nèi)的流型與傳熱的關(guān)系 在蒸發(fā)過程的各個階段，蒸發(fā)管內(nèi)的流型不斷變化，隨流型不同流體與管壁的換熱方式也不同，即管內(nèi)流體的放熱系數(shù)不斷變

5、化。放熱系數(shù)越大，管壁溫度越接近工質(zhì)溫度。,圖：垂直上升蒸發(fā)管中兩相流型和傳熱工況的關(guān)系,不同負(fù)荷時放熱系數(shù)與x的關(guān)系,2. 蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱惡化,AB單相水對流傳熱；BC過冷核態(tài)沸騰；CD飽和核態(tài)沸騰；DE強制水膜對流傳熱段；EF傳熱惡化；FG含水不足段,第一類傳熱惡化： 因為膜態(tài)沸騰引起的傳熱惡化。當(dāng)熱負(fù)荷很高，管內(nèi)壁汽化核心急劇增加，形成連續(xù)的汽膜，導(dǎo)致對流放熱系數(shù)急劇下降，管壁得不到液體冷卻而超溫破壞。其直接原因是熱負(fù)荷過高。把出現(xiàn)第一類傳熱惡化時的熱負(fù)荷稱為臨界熱負(fù)荷qcr。,不同負(fù)荷時放熱系數(shù)與x的關(guān)系,2. 蒸發(fā)管內(nèi)的傳熱惡化,AB單相水對流傳熱；BC過冷核態(tài)沸騰；CD飽和核態(tài)沸騰

6、；DE強制水膜對流傳熱段；EF傳熱惡化；FG含水不足段,第二類傳熱惡化：因為蒸干引起的傳熱惡化。熱負(fù)荷比前者低，但含汽率很高時，汽流將水膜撕破或因蒸發(fā)使水膜部分或全部消失，管壁直接與蒸汽接觸而得不到液體的足夠冷卻。其直接原因是含汽率過高。把出現(xiàn)第二類傳熱惡化時的含汽率稱為臨界含汽率xcr。,傳熱惡化時，工質(zhì)與管壁間的放熱系數(shù)急劇下降，導(dǎo)致管壁溫度劇增，可能燒壞管子。同時還會導(dǎo)致管壁溫度發(fā)生波動，造成金屬疲勞損壞。 第一類傳熱惡化，防止受熱面熱負(fù)荷過高，即可避免第一類傳熱惡化。第二類傳熱惡化，對自然循環(huán)鍋爐，只要保證蒸發(fā)管出口含汽率不至過高，即可避免；但對直流鍋爐，蒸發(fā)管內(nèi)出現(xiàn)含水不足的狀況不可

7、避免，因此無法防止第二類傳熱惡化，只能設(shè)法減少傳熱惡化時壁溫的上升幅度。,三、兩相流的流動參數(shù) 汽液兩相流體流動模型 均相模型：假定在管內(nèi)汽水是均勻混合的，水和汽之間無相對速度，只考慮汽水比體積的不同。是研究汽液兩相流動的基礎(chǔ)。 分流模型：假定管內(nèi)汽水混合物分開流動，汽在管子中央流動，水貼近壁面流動；汽水之間有相對速度。蒸發(fā)管內(nèi)的流型主要為泡狀流、環(huán)狀流，因此分流模型更接近蒸發(fā)管內(nèi)的真實流動情況。,分流模型,2. 汽液兩相流的特征參數(shù) 流量 質(zhì)量流量G (kg/s) = 進入上升管的循環(huán)流量M0 = 上升管中蒸汽流量D + 飽和水流量M 容積流量V (m3/s) = 水容積流量V + 蒸汽容積

8、流量V 流速 質(zhì)量流速w ：單位時間內(nèi)流經(jīng)單位流通截面的工質(zhì)質(zhì)量。 循環(huán)流速w0：循環(huán)回路中水在飽和溫度下按上升管入口截面計算的水流速度。,折算流速：假定流過的汽水混合物中的蒸汽/水占有管子全部截面時，計算所得的蒸汽/水流速稱為該截面的蒸汽/水折算流速。 混合物流速wm：汽水混合物均勻混合時，單位時間內(nèi)流過單位截面積的混合物容積。,真實流速：按分流模型計算出的汽/水流速。 汽水滑動比S：汽水兩相真實流速之比。 S1：ww，為汽水混合物向上流動 S1：ww，為汽水混合物向下流動 S=1：w=w，為均相流動工況,分流模型,分流模型,含汽率 質(zhì)量含汽率x：蒸汽質(zhì)量流量D與工質(zhì)總質(zhì)量流量G之比，也稱為

9、蒸汽干度。 容積含汽率 ：流經(jīng)管內(nèi)某一截面的蒸汽容積流量與汽水混合物總?cè)莘e流量之比。 截面含汽率：在某一截面上，蒸汽所占截面積F與管子總截面積F之比（分流模型）。,密度 流量密度m ：汽水混合物的質(zhì)量流量與體積流量之比。 真實密度tr：流通截面上的工質(zhì)密度（分流模型）。,分流模型,3. 汽液兩相流的壓降 工質(zhì)流經(jīng)某管段時，在進出口截面1、2間的壓力降：,兩相流的摩擦阻力：除了汽水混合物與管壁的摩擦阻力，還有汽相與液相之間的相對速度引起的摩擦阻力，不同流型摩擦阻力也不相同。 兩相流的局部阻力：包括流經(jīng)管子彎頭、管子進口、管子出口、閥門和分叉管時，因流動方向改變或流通截面改變而產(chǎn)生的流動阻力。,流

10、體加速壓降：流體在管內(nèi)因受熱或壓力變化等原因會引起流速改變，并使得流體沿流程的動量及其對應(yīng)的靜壓發(fā)生改變，這種因動量改變而引起的靜壓改變就是流體的加速壓降。 重位壓差：兩流通截面之間的高度差為h時，兩相流體重位壓差為,自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)與計算,一、自然循環(huán)工作原理 蒸發(fā)受熱面內(nèi)的工質(zhì)，依靠下降管中的水與上升管中的汽水混合物之間的密度差所產(chǎn)生的重位壓差進行循環(huán)。在回路中，蒸汽行程并非閉合路線，僅有水在循環(huán)流動，因此又稱為水循環(huán)。,自然循環(huán)回路,汽包下降管 下聯(lián)箱水冷壁（上升管） 汽包,自然循環(huán)回路,二、自然循環(huán)基本概念 簡單循環(huán)回路壓差平衡式： 運動壓頭：下降管中的工質(zhì)柱重和上升管中的工質(zhì)柱重

11、之差是自然循環(huán)回路的推動力，稱為運動壓頭。 有效壓頭：用于克服下降管中的流動阻力。,循環(huán)倍率K：進入上升管的循環(huán)水流量G與上升管出口蒸汽流量D之比。是衡量鍋爐水循環(huán)可靠性的指標(biāo)之一。 自然循環(huán)特性：鍋爐熱負(fù)荷Q，D，X ，Sdr，w0 ，w0,上升管w0與x的關(guān)系,當(dāng)x不太高時，運動壓頭增加幅度大于流動阻力增加幅度，因此循環(huán)流速w0隨x的增加而增加；當(dāng)x過高時，流動阻力增加幅度超過運動壓頭增加幅度，因此循環(huán)流速w0隨x增加反而減小。,上升管w0與x的關(guān)系,上升管w0與x的關(guān)系,上升管w0與x的關(guān)系,自然循環(huán)自補償能力：當(dāng)x不太高時，隨著熱負(fù)荷Q的增大，質(zhì)量含汽率x增大，循環(huán)水流速w0相應(yīng)增大的

12、能力稱為自補償能力。自然循環(huán)的自補償能力可避免管壁超溫。 循環(huán)倍率是衡量鍋爐水循環(huán)可靠性的指標(biāo)之一：,K過大，x過小：運動壓頭過小，可能出現(xiàn)循環(huán)停滯等水循環(huán)故障； K過小，x過大：將失去自補償能力，造成管壁超溫；可能出現(xiàn)第二類傳熱惡化。 界限循環(huán)倍率Kth：自然循環(huán)開始失去自補償能力時的循環(huán)倍率?；芈费h(huán)倍率K 應(yīng)大于界限循環(huán)倍率。,界限循環(huán)倍率和推薦循環(huán)倍率,三、簡單回路水循環(huán)計算 自然循環(huán)鍋爐水循環(huán)計算的目的： 根據(jù)循環(huán)回路工質(zhì)流動過程中壓差與流量的平衡關(guān)系，計算確定回路的循環(huán)流速和循環(huán)倍率，校驗循環(huán)回路中蒸發(fā)受熱面的安全性。,簡單循環(huán)回路,2. 簡單回路水循環(huán)計算原理： 上升管區(qū)段劃分：

13、以水冷壁下聯(lián)箱為起點，進行上升管區(qū)段劃分。 熱水段hhw：進入的水由于靜壓升高和省煤器出口水不飽和而需被繼續(xù)加熱才能達到沸騰。在沸騰點之前，上升管內(nèi)為單相水。 含汽段hvc：為上升管主要區(qū)段，由于受熱其含汽率變化較大，應(yīng)根據(jù)吸熱強度或管徑、傾斜度而分段計算。,簡單循環(huán)回路,熱后段hlp：導(dǎo)管不受熱，該段含汽率保持不變。 超高段hov：高于汽包水位的一段導(dǎo)汽管，其產(chǎn)生的運動壓頭小于零，視為阻力損失。 循環(huán)特性方程組： 壓差方程： 流量方程： 水冷壁吸熱方程：,四、自然循環(huán)故障 自然循環(huán)鍋爐蒸發(fā)受熱面安全工作的條件是保證管子內(nèi)壁有連續(xù)水膜覆蓋。正常水力工況被破壞是蒸發(fā)管過熱的主要原因，即管壁經(jīng)?；?/p>

14、周期性地與停滯或緩慢流動的蒸汽接觸，造成管壁超溫。 1. 循環(huán)停滯、自由水面和倒流： 循環(huán)停滯：當(dāng)循環(huán)回路中某個上升管的循環(huán)水量G降低到僅等于該管子所產(chǎn)生的蒸汽流量D時，這種工況稱為循環(huán)停滯。受熱弱的管子含汽率小，運動壓頭不足，循環(huán)流速降低，易出現(xiàn)循環(huán)停滯。循環(huán)停滯導(dǎo)致汽泡易聚集為大汽泡，形成汽塞，使管子局部超溫。,自由水面：當(dāng)上升管引入汽包汽空間，發(fā)生循環(huán)停滯時管中工質(zhì)無法到達上升管的最高點，即出現(xiàn)自由水面。自由水面以上是汽，以下是水，管子上部會過熱超溫，且當(dāng)自由水面波動時，引起管子疲勞損傷。 倒流：當(dāng)上升管引入汽包水容積，并且受熱很弱時，上升管中工質(zhì)的重位壓差大于循環(huán)回路的工作壓差，上升管

15、中會發(fā)生水自上而下的流動，稱為循環(huán)倒流。上升管引入汽包汽空間時不會發(fā)生倒流。若倒流速度大，管子可有足夠冷卻；若倒流速度小，汽泡沿管壁緩慢流動或上下波動，則可能導(dǎo)致管子燒壞。,2. 膜態(tài)沸騰： 熱負(fù)荷過高，汽泡在管子內(nèi)壁面聚集形成完整的汽膜，使管壁得不到水膜直接冷卻，導(dǎo)致管壁超溫。 3. 下降管帶汽與汽化： 汽包中的水進入下降管時，因流阻和加速產(chǎn)生壓降使下降管進口處發(fā)生自汽化；下降管進口形成渦漩漏斗狀吸入蒸汽；汽包水容積內(nèi)所含蒸汽被帶入下降管中。這些都會導(dǎo)致下降管帶汽。其后果是使下降管中工質(zhì)密度減小，運動壓頭下降，影響回路正常水循環(huán)。,五、 提高自然循環(huán)安全性措施： 減小并聯(lián)管子吸熱不均，保持爐

16、內(nèi)溫度場均勻 設(shè)計時將整面水冷壁劃分為若干個獨立的循環(huán)回路；采用四角布置燃燒器；將爐膛四角上 12根管子取消或?qū)t膛設(shè)計成八角形。 運行中避免火焰偏斜；防止水冷壁管積灰結(jié)渣；限制最小負(fù)荷，避免因部分燃燒器停用造成更大的吸熱不均。 沿高度方向采用多個小功率燃燒器，以減小爐內(nèi)熱偏差，避免局部熱負(fù)荷過高 降低汽水導(dǎo)管和下降管中的流動阻力 相當(dāng)于增加了工質(zhì)流動的推動力，因而可提高循環(huán)流速和循環(huán)倍率。可采用增加管子的流通截面、采用大直徑的管子、減少管子的長度和彎頭等措施實現(xiàn)。,水冷壁管采用適當(dāng)?shù)母叨?、管徑和流動阻?高度：高度，下降管與上升管內(nèi)工質(zhì)柱重差，利于水循環(huán)；高度，管子出口含汽率x，可能導(dǎo)致第二

17、類傳熱惡化，或循環(huán)倍率過低，循環(huán)回路失去自補償能力。 管徑：管徑，金屬耗量，管內(nèi)工質(zhì)含汽率x，運動壓頭，但流動阻力，同樣可能導(dǎo)致傳熱惡化和循環(huán)倍率過低。 流動阻力：上升管內(nèi)流阻，運動壓頭，不利水循環(huán)；但上升管內(nèi)流阻過小，會導(dǎo)致上升管內(nèi)工質(zhì)流量隨壓差變化太敏感，不利于水循環(huán)穩(wěn)定。 防止下降管帶汽 對高壓以上鍋爐，在下降管入口處加裝格板；采用大直徑集中下降管時，應(yīng)在入口處加裝十字板或格板。,使流體在管內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動或破壞汽膜邊界層，避免傳熱惡化 采用內(nèi)螺紋管：當(dāng)工質(zhì)在內(nèi)螺紋管內(nèi)流動時，發(fā)生強烈擾動，將水壓向壁面并迫使汽泡脫離壁面被水帶走，破壞汽膜層的形成，使管內(nèi)壁溫度降低。 加裝擾流子：擾流子是塞

18、在管中的螺旋狀金屬薄片。在推遲傳熱惡化和降低壁溫方面，擾流子可起到與內(nèi)螺紋管類似的作用，在強化傳熱方面不及內(nèi)螺紋管。,光管：在x=0.3左右，壁溫開始飛升，在x=0.6左右，壁溫達到第一個峰值，此后由于汽水混合物的流速增大，壁溫略有下降。大約在x=0.8左右，由于蒸干壁溫再次出現(xiàn)飛升。,內(nèi)螺紋管：在x=0.8時壁溫才開始飛升，充分說明了內(nèi)螺紋管具有顯著抵抗膜態(tài)沸騰、推遲傳熱惡化的作用。,水冷壁壁溫與含汽率x的關(guān)系 1-內(nèi)螺紋管 2-光管,內(nèi)螺紋管抵抗膜態(tài)沸騰、推遲傳熱惡化的機理： 由于工質(zhì)收到螺紋的作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，增強了管子內(nèi)壁面附近的擾動，使水冷壁管內(nèi)壁面上產(chǎn)生的氣泡可以被旋轉(zhuǎn)向上運動的液體及

19、時帶走。 水流收到旋轉(zhuǎn)力的作用，緊貼內(nèi)螺紋槽壁面流動，從而避免了氣泡在管子內(nèi)壁面上的積聚所形成的汽膜，保證了管子內(nèi)壁面上有連續(xù)的水流冷卻。 由于推遲了傳熱惡化，因此發(fā)生傳熱惡化的管子位置離爐膛火焰中心較遠，對應(yīng)熱負(fù)荷較低，且汽水流速較高，使管壁溫度不會因傳熱惡化而升高幅度過大。,強制流動鍋爐,提高壓力可以提高機組的熱經(jīng)濟性，因此高參數(shù)是鍋爐發(fā)展的必然趨勢。當(dāng)壓力提高時，汽水密度差- 減小，自然循環(huán)的推動力下降，因此須采用強制流動。強制流動鍋爐主要有三種類型：控制循環(huán)鍋爐、直流鍋爐和復(fù)合循環(huán)鍋爐。 強制流動鍋爐工作原理：為提高循環(huán)推動力，在循環(huán)回路下降管系統(tǒng)增設(shè)循環(huán)泵。蒸發(fā)受熱面內(nèi)的工質(zhì)循環(huán)的推

20、動力為汽水密度差及循環(huán)泵壓頭。,控制循環(huán)鍋爐 結(jié)構(gòu)：具有汽包，循環(huán)回路下降管系統(tǒng)增設(shè)循環(huán)泵8，工質(zhì)流動動力為循環(huán)泵壓頭和工質(zhì)密度差。 特點：采用循環(huán)泵后，循環(huán)推動力增大，循環(huán)倍率降低，循環(huán)穩(wěn)定。循環(huán)可靠性主要取決于循環(huán)泵的可靠性。,復(fù)習(xí)：采用循環(huán)泵使循環(huán)回路能克服較大的流動阻力，因此控制循環(huán)的蒸發(fā)系統(tǒng)有如下特點： 水冷壁可根據(jù)鍋爐形狀自由布置，不必按吸熱量不同劃分多個回路。 可采用小直徑水冷壁管，節(jié)省金屬耗量；汽包內(nèi)可采用更高效的汽水分離器，可減小汽包直徑。 工質(zhì)質(zhì)量流速較高，對管子冷卻條件好，循環(huán)倍率比自然循環(huán)小，一般為25。循環(huán)穩(wěn)定，不易出現(xiàn)循環(huán)異常，但可能出現(xiàn)流動不穩(wěn)定、脈動等。 水冷壁

21、下聯(lián)箱（環(huán)形下水包）內(nèi)可裝置節(jié)流圈來調(diào)節(jié)各水冷壁管的水流量，減小水冷壁的熱偏差。 循環(huán)泵制約系統(tǒng)可靠性，并使設(shè)備制造和運行費用增加。,2. 直流鍋爐 直流鍋爐工作原理：給水在給水泵的壓頭下，順序通過熱水段、蒸發(fā)段和過熱段受熱面，一次將給水全部轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?。直流鍋爐循環(huán)倍率K=1，不存在汽包。,沿管子長度方向工質(zhì)參數(shù)變化情況： 熱水段：水的焓和溫度逐漸增高，比容略有加大，壓力則由于流動阻力而有所降低。,沿管子長度方向工質(zhì)參數(shù)變化情況,蒸發(fā)段：汽水混合物的焓繼續(xù)提高，比容急劇增加，壓力降低較快，相應(yīng)的飽和溫度隨著壓力的降低亦降低一些。 過熱段：蒸汽焓、溫度和比容均增大，壓力則由于流動阻力較大而下降更快。,直流鍋爐工作特點： a. 由于沒有汽包進行汽水分離，因此水的加熱、蒸發(fā)和過熱受熱面沒有固定的界限。,給水量變化時 加熱、蒸發(fā)、過熱受熱面界限變化 （G3G1G2）,比如：給水量減小，開始沸騰點前移，加熱水段長度L1縮小，蒸發(fā)段長度L2也縮小，鍋爐受熱管總長度不變，過熱段長度L3相對增大，過熱汽溫上升。,b. 燃料、給水和空氣的自動控制及調(diào)節(jié)要求較高：直流鍋爐的水容積及相應(yīng)蓄熱能力小，對負(fù)荷變動較敏感；工質(zhì)預(yù)熱、蒸發(fā)和過熱段間無固定界限，若燃水比失調(diào)則不能保證供給合格