（工程热物理专业论文）波形板汽水分离器中流场的数值模拟.pdf

摘要 本论文从理论方面，研究了锅炉汽水分离的机理和分离效果。 主要采用波形板分离器作为研究对象。通过理论分析，分析汽水分 离的流体动力过程，建立分析汽水分离的数学模型并进行数值模拟，探 讨影响分离效率的因素和影响的程度，为提高汽水分离效果提供分析依 据和合理建议。理论研究的关键是查明蒸汽携带水滴的机理，确定影响 因素。研究的关键技术在于准确模拟蒸汽和水滴在波形板间的流场。本 研究的技术途径是，通过理论分析，给出波形板分离器的物理模型，对 汽水分离进行数值模拟，研究不同条件下，波形板分离器的分离效果。 通对波形板分离器的机构和原理进行分析，建立了几何模型，通过 f l u e n t 软件对分离器中的流场和水滴的运动轨迹进行了数值模拟，得 到了以下结论： 1 立式波形板分离器比水平波形板分离器分离效果好。 2 粒径大的水滴容易被分离。如能使水滴凝聚变大，则有助于分 离。 3 当蒸汽流速增加时，分离效率将略有增加。但蒸汽流速不能大 于最大蒸汽允许速度。 4 蒸汽湿度在一定范围内，湿度对汽水分离效果影响不大。 关键词：汽水分离器，汽水分离，流场数值模拟 a b s t r a c t t h i s p a p e ri n v e s t i g a t e s t h em e c h a n i s mo ft h eb o i l e r ss t r e a m - w a t e r s e p a r a t i n ga n d t h ee f f e c to f s e p a r a t i n g w ec h o o s et h eb e n tp l a t es t r e a m w a t e rs e p a r a t o ra st h em a i nr e s e a r c h o b j e c t t h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sw ea n a l y z et h eh y d r o d y n a m i c s p r o c e s s o f s e p a r a t i n g ，e s t a b l i s h t h em o d e la n dm a k et h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n w ed i s c u s s e dt h ef a c t o rw h i c ha f f e c t st h es e p a r a t i n ge f f e c t i v e a n dt h ea f f e c t i o ne x t e n t w ea l s op r o v i d et h ea n a l y s i sb a s i sa n dr a t i o n a l a d v i s e sf o r e n h a n c i n gt h e e f f e c t so fs t r e a m w a t e r s e p a r a t i n g t h ek e y t e c h n i q u ei s t os i m u l a t et h ef l o wf i e l do fs t e a ma n dd r o pi nb e n tp l a t e s t h e t e c h n i q u ea p p r o a c ho f t h i si n v e s t i g a t i o ni sa sf o l l o w e d f i r s t ，w eg i v e t h e p h y s i c a l m o d e lo fb e n t p l a t e s t r e a m w a t e r s e p a r a t o r s e c o n d ，w e s i m u l a t et h es t e a m w a t e rs e p a r a t i n gi nd i f f e r e n tc o n d i t i o n st od i s c u s st h e s e p a r a t i n ge f f e c t s f i n a l l y ，w eg e tt h e s ec o n c l u s i o n ， 1 t h ee f f e c to fv e r t i c a lb e n tp l a t es t r e a m w a t e rs e p a r a t o ri sb e t t e r t h a nt h a to fl e v e lb e n tp l a t es t r e a m w a t e rs e p a r a t o r 2 t h eb i gd r o pi se a s yt os e p a r a t e i tc a nh e l pt os e p a r a t ei fw ec a n m a k et h ed r o pc o n d e n s eb i g g e r 3 w h e nt h es t r e a mv e l o c i t yi n c r e a s et h ee f f e c to fs e p a r a t i n gi n c r e a s e b u ti tc a nn o tb i g g e rt h a nt h em a x i mv e l o c i t y 4 t h ee f f e c to fh u m i d i t yi sv e r yl i t t l ei ns t r e a m - w a t e rs e p a r a t i n gi f t h es t e a mh u m i d i t yi ns o m er a n g e k e y w o r d s ：b e n tp l a t e s t r e a m - w a t e rs e p a r a t o r ，s t e a m w a t e r s e p a r a t i n g ， f l o wf j e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：盗至! 之 日期：删午年月7 日 ； ；堕玺垄三堡奎耋堡圭茎堡垒塞 第1 章绪论 1 1 汽水分离概况 随着我国国民经济的迅猛发展，对电力需求量越来越大，为了满足 r 益增长的电量需求，我国发电设备正朝着大容量、高参数的方向发展。 亚临界自然循环锅炉以其结构简单、水质要求较低，可靠性高、操作方 便、厂用电少、价格使宜等待点深受用户欢迎。因此近年来亚临界自然 循环锅炉在国内获得较快发展。亚临界自然循环锅炉的锅筒压力一般在 18 2 1 9 6m p a ，在亚临界压力下，汽水之问的密度差很小，汽水的重 力分离效果已不显著，因此设计上采用增大汽包直径作用不大，需要寻 求一种出力大，阻力较小而分离效果良好的汽水分离器。为此在发展大 容量的亚临界自然循环锅炉时，合理选用汽水分离器是很关键的。 汽水分离器简称为m s ( m o i s t u r es e p a r a t o r ) ，自然循环锅炉中，汽水 分离装置的主要作用是将汽水混合物中的水分离出来，净化蒸汽。目前， 业临界自然循环锅炉使用的一次分离元件有三种型式一轴流式分离器、 卧式旋风分离器和切向旋风分离器。 波形板汽水分离器是核电站常用的汽水分离设备，蒸汽从蒸汽发生 器出来不可避免携带有一定数量的小水滴，经过重力分离器、旋风分离 器等粗分离器后，汽流携带着微小液滴在波形板构成的通道内作曲线运 动，由于离心力、惯性力以及附着力的作用，水滴不能随汽流偏转而撞 击波形板壁面，其中一部分水滴粘附在波形板面上形成水膜，水膜靠自 身的重力不断向下流动，并汇聚成较大的水流，最后离开波形板。波形 板汽水分离器具有很大的接触面积以及良好的细分离性能，广泛用作蒸 汽发生器的三次分离器( 干燥器) 、船用燃气轮机进气滤清器的惯性级。 影响分离器分离性能的因素很多，如汽体流速、波形扳节距、波形板间 距、波形扳屈折角、波形板波数、疏水装置的位置和大小等。而有些参 数对波形板分离器分离性能的影响还具有双重性，如波形板屈折角。目 前国内外都是通过试验来确定波形板分离器的结构参数。但是由于影响 的因素太多，仅通过试验很难选取最佳的结构参数。 ； ；堕玺鎏土堡：查耋堡圭兰堡丝苎； 蒸汽发生器的带钩波形板组件多按正方形放置( 顶视) ，每个组件的 波形板平行排列，以保证板节距不变。波形板常与多孔板配合使用，以 均匀汽水分离器的入口蒸汽负荷。在蒸汽发生器单位面积蒸汽负荷很高 的场合，可作双层布置，以改善疏水条件，保证蒸汽品质；同时还可缩 小蒸汽发生器上筒体直径。影响带钩波形板分离效果的结构因素有：疏 水钩数目、疏水钩问隙、波形板届折角、波节腹、板节距等。 1 2 汽水分离器发展动态 汽流经过分离后所携带的水滴与壁面的碰撞是一个复杂的过程，现 今还没确切的物理解释，只停留在试验的基础上。国内近年来对波形板 分离器的性能进行了不少试验研究，取得了一些成果，但对波形板分离 器机理的研究还不充分，因此所得成果应用于各种形式的波形板分离器 的设计还有局限性。目前国外广泛采用带钩波形板汽水分离器作为蒸汽 干燥器，其分离元件为装有疏水钩的立式曲折波形板。由于疏水钩的集 水和疏水作用，带钩波形板汽水分离器允许入口蒸汽湿度在较大范围内 变动。掘国外文献介绍，当入口蒸汽湿度高达3 0 时，这种分离器仍 具有良好的分离效果。同时，带钩波形板的允许高度可比通常的立式波 形板高得多，国外装在蒸汽发生器上的带钩波形板汽水分离器的波形板 高度一般都在】o o o m m 以上。 由于目前设计水平的限制，还不能设计出结构紧凑、效率较高的汽 水分离器。为了达到较高的分离效率需要较长的管道、较大的容积惯性， 这将对机组动态性能产生一定的影响。特别是在机组甩负荷时，由于管 道中存在的大量具有作功能力的蒸汽会进入低压缸继续膨胀作功，使机 组过分超速。“。 1 3 汽水分离的重要。性 在核动力蒸汽轮机系统中，蒸汽发生器产生的蒸汽大多为饱和蒸汽，核 汽轮机的整个高压缸处于湿蒸汽区，一般在高压缸出口湿度已增加到1 0 1 3 ，如果蒸汽直接送到低压缸继续膨胀作功，当其到达凝汽器压力时，排 汽湿度将会增加到2 0 一2 5 ，其结果，除了导致汽轮机内效率大大降低外， 势必还会造成汽轮机叶片的严重水蚀，溶于水中的杂质会侵蚀汽轮机的工作 ；堕玺堡三堡奎堂堡圭茎篁丝奎 ； 叶片，影响汽轮机的正常工作和使用寿命。因此，在核动力机组中必须设置 汽水分离器( m s ) 。它将高压缸排汽引入汽水分离器，对湿蒸汽进行汽水分离， 去除其中水份，使最终的排汽湿度控制在1 0 左右。 波形板分离器是核动力装置中常用的汽水分离设备，被广泛应用于汽水 分离系统中的最末一级，其性能的好坏直接影响到进人汽轮机的蒸汽品质。 进人汽轮机的蒸汽湿度过大会增加汽转机负荷，降低汽轮机效率，同时增大 汽轮机和冷凝器的结构尺寸。 锅炉的任务是提供一定数量和质量的蒸汽。蒸汽的质量包括压力、温度 和品质。所谓蒸汽品质就是指蒸汽中杂质含量的多少，合格的蒸汽品质是保 证锅炉和汽轮机安全经济运行的重要条件。 1 3 1 蒸汽的品质 我国机械行业标准规定： 对有过热器的工业锅炉，饱和蒸汽的湿度不大于1 ； 对无过热器的水管锅炉，饱和蒸汽的湿度不大于3 1 对无过热器的锅壳式锅炉，饱和蒸汽的湿度不大于4 。 1 3 2 锅炉内汽水分离的目的和意义 炉水经过多次蒸发、浓缩，很不清洁。在锅简的蒸汽空间飞溅着许多炉 水小水珠，这种水珠容易被蒸汽带走。蒸汽本来是比较清洁的，但是会因为 携带不清洁的炉水水珠而品质恶化。被蒸汽带走的杂质，有相当部分在运动 中由于水分蒸发、温度变化或压力降低，会沉淀出来。这样，在过热器中就 会形成盐垢，造成传热不良，使过热蒸汽温度下降，过热器管壁温度上升而 有被烧坏的危险。当一部分盐垢在汽轮机内沉积起来时，汽轮机的效率和功 率都会因而下降，还会影响汽轮机的安全性。由此可见，保持蒸汽清洁十分 重要。叭5 6 1 汽水分离是通过分离蒸汽中水滴，降低蒸汽湿度来改善蒸汽的品质。 对于高压及超高压锅炉，为了降低蒸汽的溶解携带，进一步改善蒸汽品 质，可用给水对蒸汽进行清洗，即让含有炉水滴的蒸汽通过较清洁的给水层， ；：； ； ：；堕玺鎏三垄叁堂堡圭耋堡i 垒塞； 使炉水中的含盐及其它不洁物转溶到给水中去。当蒸汽重新离开给水层时， 虽然仍携带一定水分，但这时已不是炉水而是较清洁的给水了。这时蒸汽品 质要比通过给水以前好得多。 1 3 3 影晌蒸汽带水的主要因素 在一定压力下，影响蒸汽带水的主要因素是：锅炉负荷、蒸汽空间高度 和炉水含盐量。 1 锅炉负荷随着锅炉负荷的增加，蒸发面上的蒸汽平均流速愈大，带 动一起运动的水滴直径愈大，水滴被吹超的高度也愈高，因而蒸汽带水量增 大。 2 蒸汽空间高度当蒸发面到蒸汽引出管口的垂直距离( 蒸汽空间高度) 小于o 4 米时，蒸汽带水量较大，而当蒸汽空间高度大于o 6 米时带水量就 很小。这是因为蒸汽中的湿分来源有二，一是飞溅出来的较大的水滴，二是 被蒸汽流卷起的细小水滴。当蒸汽空间高度很小时，两种水滴均能到达蒸汽 引出口，使蒸汽带水增多。而大水滴的飞溅高度是有限的，当蒸汽空间高度 超过大水滴的飞溅高度时，大水滴又将落回水容积中。因而当蒸汽空间高度 较大时，蒸汽只能带走被卷起的小水滴。这时即使再增大蒸汽空间高度，蒸 汽带水量也不再降低。 3 炉水含盐量炉水含热量是使蒸汽剧烈带水、品质恶化的主要根源， 因为随着炉水含盐量的增大，将使锅筒水容积中的含汽量增多及蒸发面泡沫 层增厚，从而使蒸汽空间的实际高度减小而造成蒸汽带水增大。 使汽泡均匀地冲出水面，并使蒸发管来的汽水混合物对水面造成较小的 冲击，以尽量减少蒸汽空间的水滴数量和尽量避免形成水滴的飞溅；增大锅 筒蒸汽空间的高度和蒸汽在锅筒内的流通截面积，都是减小蒸汽带水量的办 法。这是一种自然分离法。随着锅炉蒸发量的不断增大，只用自然分离法已 不能满足对蒸汽品质的要求。为了能在较小的锅筒内达到较好的汽水分离效 ； ； 堕玺鎏三堡奎耋堡圭耋垡婆窑； ；一； 果，在锅炉的锅筒内大多装有各种汽水分离装置。 3 , 4 , 5 , n 3 1 4 锅筒内汽水分离装置 分离装置有一次分离元件和二次分离元件。一次分离元件的作用是消除 汽水混合物的动能并初步把蒸汽和循环水分开。带有少量湿分的蒸汽还要有 足够的空间高度进行重力分离，然后进入二次分离( 也称为细分离) 元件， 进行机械分离，使蒸汽进一步“干燥”，然后由锅筒引出送入过热器。 一次分离元件也称为粗分离元件，其出口的蒸汽湿度应降到0 5 1 ， 不允许把很大的水滴或大量湿分带进二次分离元件；均匀引出蒸汽，以充分 利用锅筒的分离空间，进行重力分离。常用的一次分离元件有旋风分离器、 挡板、立式节流板、水下孔板和钢丝网等。 二次分离元件也称为细分离元件，是把蒸汽中携带的细小水滴分离出来 的设备。按其主要作用可分为均匀蒸汽空间负荷的元件和分离湿分的元件。 常用的二次分离元件有均汽板、集汽管、波形板和钢丝网等，均汽板和集汽 管等属于前者；波形板和钢丝网等属于后者。” 表1 1 锅炉的汽水分离装置 蒸汽用途蒸汽品质要求 一次分离二次分离 进口挡板集汽管 工业用饱和蒸汽 温度 2 垂直挡板 顶部匀汽孔板 挡板 蜗壳分离器 工业用过热蒸汽湿度 o 5 垂直挡板项部匀汽孔板 水下空板钢丝网分离器 挡板 蜗壳分离器 发电用过热蒸汽含盐量 0 3 m g f k g 水下孔板 顶部匀汽孔板 钢丝网分离器 旋风分离器 波形板分离器 电站锅炉使用一次分离元件和二次分离元件。工业锅炉在选用汽水分离 装置时可参考表1 1 。对于小容量的工业锅炉，可不用一次分离装置，直接 选用一种二次分离装置。” 常用的汽水分离装置有以下几种： 1 挡板装置 进口挡板是为了消除汽水混合物进入锅筒时所带的动能，并对流体起一 定的导向作用。为了不使汽流垂直地冲击挡板造成撞击，挡板装设时应与汽 水流动方向有小于4 5 。的夹角。蒸汽流过挡板之间的夹缝时。其速度应小于 1 5 m s ，否则沿挡板下流的水膜将被汽流吹破，仍会形成小水滴，被蒸汽带 走。当蒸汽离开挡板并折向蒸汽引出管时，汽水在离心力作用下又进行一次 分离。挡板装置的形式是各种各样的。如图1 1 、图1 2 。 固1 】弹回挡板装置示意固 国12 挡板装置示意国 1 上升管汽水混合物 口2 一燕汽引出管 2 孔板装置 为了使汽泡在水下、蒸汽在水面以上分布均匀，可在锅筒内装设水下孔 板、受汽孔板( 水上孔板) 、垂直孔板等。如图1 3 。 当由上升管来的汽水混合物自水下引入锅筒时，水本身是可以起缓和汽 流速度的作用的。不过如果不加任何控制，蒸汽也有可能集中在局部地方穿 出水面，形成水面上的激烈沸腾，造成蒸汽空间有大量小水滴，使蒸汽大量 带水。在锅筒水面以下装设水下孔板后，孔板下面就会形成一层蒸汽垫，迫 c n ) 淬各 譬爹黎 图1 3 孔板在锅筒内的不同装置形式 1 一水下孔扳2 一受汽孔板3 垂直孔板4 一给水管5 一蒸汽引出管 使蒸汽在较大的面积上均匀地冲出水面，从而达到减少蒸汽带水的目的。 水下孔板用俐板作成，钢板上均匀地分布着直径8 o m m 的圆孔。为了 防止部分蒸汽从孔板边缘跑出，常在孔板边缘上加装向下的边缘挡板。 当锅筒蒸汽空间的蒸汽速度降低时，有些较大的水滴会由于自身重量作 用而回落水面，称为重力分离。为了改善重力分离的效果，应尽量使蒸汽在 锅筒内均匀上升，避免局部流速过高。为使汽流分布均匀，可在蒸汽引出管 的前面装设受汽孔板。受汽孔板是一块均匀地开有直径l o 2 0 m m 圆孔的钢 板。 当汽水混合物从水面以上进入锅筒，而其分布沿锅筒长度方向又很不均 匀时，可能会形成锅筒中某一段的汽流局部集中，造成蒸汽带水。为消除这 种现象，可沿锅筒长度装设垂直孔板或叫节流孔板，迫使汽流沿锅筒长度方 向均匀分布。垂直孔板下端应一直延伸至水面以下，以保证全部汽流都被节 流。垂直孔板的位置，应保证不使汽水混合物直接冲击到孔板上，以免大量 的水通过孔板被蒸汽带走。如将垂直孔板与挡板装置联合使用，效果更好。 3 波形板分离器 为了进一步改善蒸汽品质，可在锅筒蒸汽空间内装设波形板分离器( 百 图1 4 波形板分离器及装置 ( a ) 波形板分离器 ( b ) 波形扳分离器才锅筒内的装置情况 1 一蒸汽引出管2 一波形板分离器 叶窗分离器) 。其构造及装置情况如图1 4 所示，它是由压制成波浪型的薄钢 板组合而成的。蒸汽经过波形钢板转弯时，水被甩出来附着在板上形成一层 水膜，并积聚成大水滴在重力作用下落回水面。为了不使波形板上的水膜被 吹破，流过波形板的蒸汽速度应有一定限制，否则水滴仍有可能被蒸汽带走。 波形板分离器常与受汽孔板联合使用，通常受汽孔板是装在波形板上面 的。 4 内置旋风分离器 随着锅炉蒸发量的增大，有时 只靠前述较简单的汽水分离装置 已不能满足对蒸汽品质的要求。所 以近代锅炉大都在锅筒内装设了 分离效率较高的内置式旋风分离 器。内置旋风分离器的工作情况如 图1 5 所示。汽水混合物由上升管 进入锅筒后，经汽水混合物联箱进 图1 5内置旋风分离器工作示意图 入内置旋风分离器。在进入旋风分 卜上升管2 - 锅筒内汽水混合物联箱 离器时，汽水混合物是沿旋风筒的内壁切入的。这样，在旋风筒内将造成强 烈的旋转运动，于是水滴被甩到了筒壁上，然后沿筒壁内侧流回到锅筒的水 容积中，而蒸汽则在筒的中间部位旋转向上进入蒸汽空间。为了保证汽水分 离效果，汽水混合物进入旋风筒的速度应为8 l o m s ，蒸汽在锅筒内截面上 升速度应在0 4 0 5 m s 之间，分离器的内径为2 0 0 3 5 0 m m 。内置旋风分离 器不承受压力，可用1 5 2 m m 的薄钢板制造。 旋风分离器利用了强烈的离心作用，一般分离效果很好。又由于汽水混 合物不再直接冲击水面，所以在蒸汽空间形成小水滴的可能性也大大减少了。 旋风分离器的工作能力在蒸汽参数为低压时比在高压时要小一些 对汽水分离进行深入的研究，探讨各种因素对汽水分离的影响，对于合 理选择和使用汽水分离装置具有理论指导意义。 1 5 本研究的主要工作 本论文将从理论方面，研究锅炉汽水分离的机理和分离效果。 主要研究波形板分离器。数值模拟了波形板分离器内流动的压力损 失随通道结构参数以及流动参数的变化情况，求解了液滴运动方程，计 算了液滴在通道巾的运动场和分离效率。目的是通过理论分析，分析汽水 分离的流体动力过程，建立分析汽水分离的数学模型并进行数值模拟，探讨 影响分离效率的因素和影响的程度，为提高汽水分离效果提供分析依据和合 理建议。 理论研究的关键是查明蒸汽携带水滴的机理，确定影响因素。研究的关 键技术在准确模拟蒸汽和水滴在波形板间的流场。 本研究的技术途径是，通过理论分析，给出波形板分离器的物理模型， 对汽水分离进行数值模拟，研究不同条件下，波形板分离器的分离效果。 第2 章锅炉汽水分离机理 本章介绍蒸汽锅炉蒸汽携带水滴的过程和原因，以及各种汽水分离器的 分离原理。 2 1 蒸汽携带水滴的过程 研究蒸汽携带水滴的过程可以了解水滴的一些基本情况和影响蒸汽带 水的因素。 2 1 1 锅筒汽空间中水滴的形成 汽空间中水滴的形成过程有两种”1 ：液流被机械打碎和因汽泡在蒸 发表面破裂而形成水滴。 1 因机械打碎而形成水滴 由上升管来的汽水混合物具有很大的动能。当上升管由锅筒的汽空间引 入时，如果汽水流与蒸发面、挡板或锅简壁相碰撞或汽流相互冲击时，水流 被打碎形成水滴。此外，当锅筒水面激烈波动所溅起的大水滴回落到水面时， 又被打碎形成二次水滴。水滴的直径直接影响到机械携带，以下为对机械打 碎形成的水滴直径进行的分析。 设有一质量为m 的液团，以均方根速度而与一挡板相撞击，液团的动能 风将转化为破碎形成的小水滴的表面能凰，液团的动能 e 一2 圭m 丽22 ；n 詈p 币2 ( 2 - 1 ) 破碎小水滴所消耗的表面能 e 6 = 月耐；盯 ( 2 - 2 ) 若全部动能都转化为小水滴的表面能，即e d = e b ，则求得的水滴直径堪 将为机械打碎时能形成的最小水滴平均直径 d ? = 要w = 祟wp ( 2 埘 “ - 了p 上三式中，堪一水滴的平均直径； d 掣一可能形成的最小的水滴平均直径； o - 一饱和炉水的表面张力系数； p 一饱和炉水的密度； ”一小水滴的数目； 面一相遇液流的均方根速度。 由式( 2 - 3 ) 可见，汽水混合物的动能愈大，碰撞时被打碎而形成的水滴愈 小；压力愈高炉水的表面张力愈小，机械打碎而形成的水滴直径也愈小。 2 因汽泡在蒸发表面破裂而形成水滴 当汽泡从水室上浮到蒸发表面时，汽泡的上半部突出于汽空间，水膜减 薄以至于破裂，破裂的水膜形成一些细小的水滴。然后，由于汽液两相的压 力差及液膜的表面张力的作用，汽泡周围的水急剧向中心集聚以填补空虚部 位，形成一个波峰。以一定速度向l 列起的峰顶断成几个大水滴，抛向汽空 间。( 图2 1 ) 羹变窭囊 攀菱薹薹 图2 1 汽泡在蒸发表面破裂的过程 ( a ) 汽泡在水内上浮；( b ) 汽泡到达水面； ( c ) 水膜破裂形成小水滴； ( d ) 汽泡破裂处液体向中心集中，形成波峰，峰顶断裂形成几个大水滴。 设汽泡破裂后其表面能全部转换为抛出水滴的动能，可得出产生的水滴 的直径1 = c ” a ， 式中乩一汽泡的直径； c 一与水滴的数量及初动能有关的系数。 随着压力的升高，水的表面张力和汽泡的直径都变小，所以汽泡破裂时 形成的水滴直径变小。 试验证明，汽泡在蒸发表面上破裂所形成的水滴的直径最小；液流撞击 水面所产生的水滴次之；撞击挡板所形成的水滴较大。 2 1 2 水滴的带出过程 飞溅入汽空间的水滴虽然具有一定的动能，但因水滴与蒸汽之间有相对 运动，它的动能很快就因摩擦或转换为位能而消耗掉。在向上流动的蒸汽流 中，水滴受到蒸汽的浮力、曳力( 摩擦力) 及其自身的重力作用。一粒静止 的水滴在上爿蒸汽流中所受的力为： 水滴自身的重力 g ：车p 夸 蒸汽对水滴的浮力 驴等晚 蒸汽对水滴的曳力( 摩擦力) 等等 匕三式中旗一水滴直径； ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ；一；堕玺堡三重塾耋堡圭耋堡篁圣： ； 1 一饱和蒸汽的密度； w ”一蒸汽的上升速度； c 。一蒸汽对水滴的曳力( 摩擦) 系数。 对于较大的水滴，其自身重力大于蒸汽对它的浮力及曳力( 摩擦力) 之 和，故水滴随蒸汽向上运动到某一高度后，又回落到水面，这种作用称为重 力分离。对于较小的水滴，其自身重力小于蒸汽对它的浮力及曳力( 摩擦力) 之和，如锅筒汽空间未装设汽水分离装置，这些水滴将随蒸汽流飞升而不会 回落下来。 水滴随汽流飞升的临界情况是水滴的重力等于蒸汽对它的浮力及曳力 ( 摩擦力) 之和，即： g = f ，+ f ( 2 8 ) 把式( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 代入式( 2 - 8 ) ，可得出飞升速度w b 和飞升直径靠。 飞升速度w h 是指当水滴直径一定刚，能将此水滴带到任意高度的最小蒸汽上 升速度。飞升直径靠是指当蒸汽上升速度一定时，能被此蒸汽流带至任意高 度的水滴的最大直径。能被蒸汽流带至任意高度的水滴称为输送水滴或传送 水滴。 j 业3 c 笋或、， 、 ( 2 - 9 ) d ：堑竺坚( 2 - 1 0 ) 75 4 9 ( p 一p ”、 对于球形粒子，在不同的雷诺数范围内，c y 的计算公式如下： c ，= 丙2 4 ，r e o 4 c ，= 丽1 0 ，0 4 r e 5 0 0 ( 2 一1 1 ) c = 0 4 3 ， 5 0 0 r e 2 0 0 0 0 0 ； ；堕j 鎏三堡奎童堡圭耋堡垒塞； r e ：生掣或r e ：堡孥，为蒸汽的运动粘性系数。 v lv 。一。 锅筒内产生的水滴的r e 一般在0 4 5 0 0 之间，曳力系数可取 c ，：下1 0 。代入式( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 并简化为： r e w = a d ，m s( 2 - 1 2 ) d = 芝 m ( 2 1 3 ) 1 3冉2 _( 2 - 式中 爿- ( 2 2 5 等r p 川v ”j ( 2 一1 4 ) 由式( 2 1 4 ) 口l 见，爿的数值只与压力有关，电站锅炉常用压力下的a 值 见表2 ，1 。 表2 1 不同压力下的a 值 锅筒压力m p a4 4 l7 8 41 0 8 81 5 2 9 一，1 s1 3 6 7 5 39 9 5 57 7 9 94 4 8 3 由式( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 可以看出，当蒸汽上升速度提高时，水滴的飞升直径如 增大，也就是被带到任意高度的水滴的数量增多。随着压力的升高，汽水密 度差减小，而蒸汽密度增大。对于同样直径的水滴，高压下的飞升速度比中 压时要小。在相同的蒸汽上升速度下，高压时能输送的水滴的直径比中压时 要大，而且高压时所形成的水滴直径也比中压时为小，所以高压下蒸汽的传 送能力较大，因而汽空间允许的蒸汽上升速度应比中压时小得多。 综上所述，在锅简汽空间形成的水滴的数量越多，直径越小，蒸汽的上 升速度越大，锅筒的压力愈高，则蒸汽带水愈多。 2 1 3 影响机械携带的因素 锅筒内蒸汽的带水过程较为复杂。饱和蒸汽带水量与蒸汽空间高度、蒸 发面负荷、炉水含盐量、蒸汽压力以及锅筒内装置的形式有关。3 。 i ； ： ；堕玺鋈三堡叁耋堡圭耋垡篁奎； ； 1 蒸汽空间高度 当蒸汽空问高度较小h 扎大量飞溅 的炉水将被蒸汽带走，使蒸汽湿度增 加。随着蒸汽空间高度的提高，蒸汽的 湿度迅速减小，当蒸汽空问高度大于 0 6 米时，再增加蒸汽空间的高度，蒸 汽的湿度变化就很小了。如图2 2 所 不a 按水滴带出的规律，当蒸发面负 荷一定时，直径小于靠的水滴将被向 上的蒸汽带到任意高度；直径大于比 的水滴，按水滴直径的大小，将被蒸 汽传送到不同的高度。直径比较大的 水滴，蒸汽对它们的传送作用很小， 只是靠汽泡破裂时，因水膜表面张力 作用，将水滴射向一h 方，水滴靠此初 动能喷溅到某一高度。所以，沿竖直 高度可划分为四个区段( 如图2 3 所 示) 。高于a 的一段空间称为第1 区 段，是细水滴的传送区，重力分离的 作用很小。a 到b 之间的一段高度称 为第1 i 区段，是粗水滴的非传送区。b 到实际水位之间的一段高度称为第1 i i 区段，是大水滴的喷溅区。实际水位 以下为第【v 区段，也就是含有汽泡的 水室。各区段间虽然很难找到非常明 确的分界面，但各个区段中蒸汽的湿 度与汽空间高度的关系显然是不同 图2 2 蒸汽湿度与蒸汽空间高度的关系 燕代出口 图2 3 蒸汽空间高度影响示意图 i 一第一区段细水滴传送区 i i 第二区段粗水滴非传送区 i i i 第三区段大水滴喷溅区 一第四区段含汽泡的水空间 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的。第1 i 与第1 i i 区段的分界面b 称为喷溅前沿。喷溅前沿以下，蒸汽湿度急 剧增加。 当高于a 以后，再用增加蒸汽空间高度的办法来降低蒸汽湿度已没有 意义。而蒸汽空间高度低于喷溅前沿，则蒸汽将大量带水，实际水位到喷溅 前沿的距离又称为蒸汽空间的临界高度。 2 蒸发面负荷 单位时间内通过锅筒单位蒸发面的蒸汽流量称为蒸发面负荷。 蒸发面负荷反映了通过锅筒蒸发面的汽泡频率，也反映了汽空间蒸汽上 升速度。如汽空间高度不变，随着蒸发面负荷的增加，水室含汽量增加，实 际水位将提高；由于通过蒸发面的汽泡增多，汽泡破裂时形成的水滴数量也 增多。蒸发面的负荷增加，也就意味着蒸汽上升的速度增大，对水滴的传送 作用加强，蒸汽湿度增加。 当蒸发面面积为一定值时，可以用蒸汽量来表示蒸发面负荷。随着蒸汽 量( 锅炉负荷) 增加，蒸汽带水量增加。对每一台锅炉，都存在一个临界负 荷值。在小于临界负荷时，负荷增加，蒸汽带水量增加较小；大于临界负荷 时，负荷增加，蒸汽带水量剧增。 3 炉水含盐量 炉水含盐量影响水的表面张力和动力粘度。炉水含盐浓度增大，水分子 的结合力增强，小汽泡不易合并成大汽泡。而且随着炉水含盐浓度的增大， 汽泡间的液体粘度增大，沿汽泡表面水层的流动摩擦阻力也增大，因而浮到 水面上的汽泡不易破裂，要在水面上停留一段时间，待水膜减薄后才破裂。 因此水面上形成泡沫层，使蒸汽空间高度减小。汽泡直径愈小，它在炉水中 上浮的速度也愈慢，因而水室中含汽量增多，水位膨胀加剧。此外汽泡直径 愈小，内部过剩压力愈大，破裂时抛出的水滴直径减小，数量增多；汽泡液 膜强度大，则只能在液膜很溥时才会破裂，液膜破裂时生成的水滴更细小， 这些水滴都容易被蒸汽带走。 当炉水含盐量超过某一临界值时，将使蒸汽带水量剧增。 3 蒸汽压力 压力增高，饱和温度也增高，水分子的热运动加强，相互间的引力减小， 水的表面张力减小，因而由于碰撞、破裂而产生的水滴直径就更加细小。而 且当饱和压力增高时，水的密度下降，汽的密度增加，由于汽水密度差减小， 使汽与水的分离更加困难。以上各点部说明随着压力的增加，蒸汽湿度有急 剧增加的可能。但实际上当蒸发面负荷一定时，由于压力高时蒸汽的密度大， 使蒸汽上升速度减小。因此，在上述因素的综合作用下，只有当压力高于 1 5 m p a 时，蒸汽湿度才有急剧增加的趋势。 2 2 ；- f t 水分离机理 两相流体的分离过程相当复杂，往往是靠几种分离作用的综合效应来实 现的。 在锅筒内进行汽水分离主要依据下列原理： l 重力分离。利用蒸汽和水滴的重力差，在空间自行分离。 2 ，惯性分离。利用汽流方向改变时，蒸汽和水滴惯性不同进行分离。 3 离心分离。汽流旋转运动时会产生离心力，水滴和蒸汽的密度不同， 所以离心力也不同，利用彳i 同的离心力进行分离。 4 水膜分离。由于水和蒸汽的粘性不同，水粘度大，易附于固体壁面 形成水膜从汽流中分离出来。 一个汽水分离装置一般同时采用几种分离原理。 2 3 常用分离元件的分离过程和原理 2 3 1 旋风分离器 旋风分离器主要是靠离心作用来分离汽水混合物的分离元件，广泛地应 用于各种热力设备和化工设备上。 旋风分离器是综合了离心分离、重力分离和膜式分离作用来进行汽水分 离的。图2 ，4 是旋风分离器工况的示意图。由上升管来的具有很大动能的汽 水混合物沿切线方向引入旋风分离器的筒体，使其由直线运动转变为旋转运 动，形成离心力，把密度不同的汽和水 分离开。汽在旋风筒中螺旋上升，形成 “汽柱”，水则贴着简体内壁旋转下降， 在筒内形成抛物面；还有少量水滴被汽 流带入旋风筒中部的汽空间。这些水滴 在随汽流螺旋上升过程中，逐渐被推向 壁面。如果旋风筒有足够的高度，则可 把大多数的水滴分离出来。最后，当蒸 汽通过旋风筒上部的波形板分离器时， 又靠膜式分离使蒸汽进一步降低湿度。 旋风分离器不仅能消除汽水混合 物的动能，而且能充分利用其动能来进 行分离旋风分离器入口汽水混合物速 图2 4 旋风分离器示意图 度一般为5 8 州s ，当其它条件一定时， 1 一简体2 一筒底3 一导向叶片 作用于水滴上的离心力要比重力大 4 一溢流环5 一顶帽 1 7 9 4 7 5 倍，故利用离心分离效应可 以把更小的水滴分离出来。旋风分离器还可防止高浓度的锅水形成表面泡沫、 保持水室平静和减少水室含汽量。因而是一种有效的一次分离元件。 2 3 2 挡板 挡板是简单的一次分离元件。汽水混合物在撞击挡板时，其动能可被消 除，在转弯时可将汽和水分开。分离出来的水在挡板上形成一层水膜，沿挡 板下沿滴入炉水中；而蒸汽顺着挡板下行再转向，将水滴甩入炉水中而再次 得到分离。挡板适用于汽水混合物入1 ：3 速度较低的情况( 中压锅炉，小于3 m s 高压锅炉为2 2 5 m s ) 。如速度太高，会把水滴碰得太碎使蒸汽二次带水。 中、低压锅炉r j 以使用挡板作为次分离元件；但在高压锅炉只能作为预分 离元件。 2 3 3 水下子l 板 水下孔板是布置在锅筒水室中的平孔板，靠小孔的节流作用，蒸汽在孔 板下面形成一层汽垫，使汽泡均匀通过孔板，沿锅筒宽度均匀分布。同时， 水一f s l 板还有消除汽水混合物动能的作用。 水下孑l 板适用于汽水混合物由水位下引入的中压锅炉；炉水含盐浓度较 低、蒸发量小的高压锅炉也可使用，但应注意防止下降管带汽。 要使水下孑l 板起到均匀蒸发面负荷的作用，就必须在孔板下面形成汽垫 层。选择合适的蒸汽穿孔速度是形成稳定汽垫的基本条件。 为了形成汽垫层，水下孔板的侧面应装侧封板，其高度决定于要求的汽 垫层厚度，一般并不去计算汽垫层厚度，侧封板高度取为8 0 l o o m m 即可。 2 3 4 钢丝网分离器 为了简化分离装置，有时采用钢丝网分离器。汽水混合物通过钢丝网时， 由于速度和流向的多次改变，使汽水得到分离。蒸汽穿网而出，水则附着在 网上，沿网流下，进入水室。 钢丝网分离器适用于水质好的中低压锅炉。设计钢丝网分离器时以网前 的蒸汽折算速度作为控制指标。 2 3 5 均汽板 哈尔滨工程大学硕士学位论文 均汽板是装设在锅筒顶部的具有一定长度和宽度的多孔板。其作用是利 用多孔板的节流作用使蒸汽沿锅筒的艮度和宽度均匀分布，以防局部蒸汽负 荷过分集中，因而能有效地利用锅筒的汽空问、降低蒸汽的上升速度，有利 于重力分离。此外，均汽板还能阻挡一些小水滴，有一定的细分离作用。 均汽板适用于各种容量和参数的锅炉，可单独使用，也可与波形板或钢 丝网分离器配合使用。 2 3 6 钢丝网细分离器 作为细分离的钢丝网组件与铡丝网相近，只是布置方式不同。钢丝网细 分离器布置在锅筒的汽空间，常用的布置方式有v 型、倒v 型及半立式三种。 一般都与均汽板配合使用。设计钢丝网细分离器时主要以网前的蒸汽折算速 度作为控制指标。 2 4 波形板分离器的分离过程和原理 波形板分离器是较有效的二次分离元件，不仅广泛地应用于各种容量和参数 的锅炉上，在各类蒸汽发生器中也是必不可少的分离设备。波形板分离器由 多块波形板相间排列组成( 图2 5 ) 。湿蒸汽以低速进入波形板后，沿着波形 板组成的波形轨道作曲线运动，在转弯处，水滴受惯性力作用撞到波形板上， 图2 5 波形板分离器的组件及标准波形板的线型 ( a ) 波形板分离器的组件 ( b ) 标准波形板的线型 ；些玺鎏三；堡奎耋垒圭耋堡鎏；圣； 靠水滴与波形板间的分子摩擦力而粘在波形板上，并逐渐形成薄的水膜。其 后，分离出来的水滴又撞在水膜上，由于水滴和水膜间分子摩擦力的作用 使水滴沉落在水膜上。已形成的水膜靠自重不断地向下流动，并在波形板最 低部分聚积成水滴。当水滴大到一定程度，如其自重大于附着力及汽流对它 的浮力时，即滴下并落到锅筒水室中。从分离机理来看，波形板分离器既有 离心分离又有膜式分离作用。 由上述可知，波形板分离器的分离效果与入口蒸汽的湿度、蒸汽速度、 疏水条件及波形板的线形有关。 入口蒸汽湿度在一定范围内，对分离效果影响不大，但湿度太大，会使 波形板上的水膜增厚，甚至形成“搭桥”。当蒸汽流过时，会将水膜撕破而造 成蒸汽的二次润湿。因此当蒸汽湿度较大时，蒸汽流速不能太高。 波形板分离器有水平式和立式两种布置方式( 图2 6 ) 。两者的疏水方式 不同，水平式波形板的疏水是“逆流式”，即蒸汽向上流动，疏水则向下流动； 而立式波形板的疏水和汽流方向相互垂直( 图2 7 ) 。当疏水方式已定，波形 板入口蒸汽速度直接影响到疏水条件。 水 参 匀汽彳l 扳 ，k l i 4 7 i jf ， 一 ， j 一 ， ( a ) 水平式波形板分离器( b ) 立式波形板分离器 图26 波形板分离器的布置方式 波形板入口蒸汽速度是有i 临界值的。布置方式不同的波形板，其临界速 度的意义也不同。对于水平式波形板来说，临界工况是指波形板下缘的疏水 2 ( a ) 水平式 2 图2 7 波形板分离器的汽流力向与疏水方向的相对关系示意图 卜波形板2 一蒸汽流向3 - 水膜流向 受到阻碍而开始以水柱状、间歇下流的工况，也称为开始湍流工况，此时的 波形板入口蒸汽速度称为临界速度；如汽流速度继续增大，疏水完全不能流 f ，即出现全面湍流工况。而立式波形板的l 临界速度是指下部水膜开始被汽 流撕破( 即开始湍流) 的速度，如汽流速度继续增加，则沿整个波形板高度 的水膜均被汽流带出，即出现全面湍流工况。 由此，设计波形板分离器时，选用合适的入口蒸汽速度，是保证分离效 果的关键。不同压力下，波形板前最大允许蒸汽速度可按( 4 - 1 ) 计算。 立式波形板的疏水条件较好，故撕破水膜的蒸汽速度较高，其允许速度 是水平式的3 倍。但立式波形板分离器要占较大的汽空间，在条件允许的情 况下可以采用。水平式波形板分离器由于疏水条件所限，只有在入口蒸汽速 度很低时，才能取得积极的效果，否则对汽质反而不利。 波形板的线形也直接影响到分离效果。过去使用的尖角形波形板，容易 冲破水膜形成二次携带，现已很少使用。目前国内外都采用标准型的带圆弧 的波形板。 波形板分离器的布置高度应高于喷溅前沿。波形板分离器常与均汽板配 合使用以均匀波形板分离器前的蒸汽负荷。波形板的上缘与均汽板的距离一 般取为3 0 4 0 m m 。保持此距离的1 = 4n 勺是防止波形板上的水膜被高速蒸汽抽 哈尔滨工程大学硕士学位论文 走。 立式波形板分离器应加疏水管，疏水管应插入锅筒的最低水位以下。 2 6 本章小结 本章介绍了本章介绍蒸汽锅炉蒸汽携带水滴的过程和原因，以及各种汽 水分离器的分离原理，并重点对波形板分离器的原理及结构进行了介绍。由 其知道：在锅筒汽空间形成的水滴的数量越多，直径越小，蒸汽的上升速度 越大，锅筒的压力愈高，则蒸汽带水愈多。饱和蒸汽带水量与蒸汽空间高度、 蒸发面负荷、炉水含盐量、蒸汽压力以及锅筒内装置的形式有关。 ； 堕玺鋈三堡叁耋垄；圭耋堡垒塞 ； 第3 章汽水分离流体动力分析 3 1 概述 研究汽水分离的重点是要求出在不问情况下汽水分离装置的分离效率。 本章讨论了波形板分离器汽水分离的工作过程，影响因素。 3 2 波形板分离器的作用 波形板分离器由多块波形板相问排列组成，又称为百叶窗分离器。 图3 1 所示的三种波形板中，尖角形己趋于淘汰，圆波形的最为常用。 蒸汽在相邻两块波形板组成的通道内以类似正弦曲线的轨迹流过。湿蒸汽不 断地改变着流向，水滴在惯性力、离心力和分子摩擦力的综合作用下被甩到 波形板壁面上而被分离出来。分离出来的水分附在波形板表面上形成水膜流 下，而从分离器排出o 。 ( a ) 失) = | j 型( b ) 圆波形( c ) 平波形 图3 1 波形板的线型 2 4 ；：； 堕玺鎏三；垄奎童堡；圭；兰堡篁苎； ； 我国机械行业标准中规定的标准型的带圆弧的波形板线型及尺寸如图 3 2 0 波形板分离器的分离效率与蒸汽参数、波形板结构、水滴直径、蒸汽流 速等有关。 图3 2 波形板标准线型 当蒸汽流速增加时，惯性力和离心力使水滴更容易从汽流中分离出来， 分离效率将略有增加。当蒸汽流速增加到某一极限值时，则将使板面上的水 膜被撕破而重新卷入汽流，形成二次润湿。对于锅筒内的情况，波形板前水 滴直径及其份额尚难于确定，求耿不同直径的水滴的分离效率比较困难。 波形板分离器按布置方式可分为水平式和立式。当蒸