第11章 锅炉水动力学及锅内传热基础=西安交通大学-锅炉原理

1、0第第11章章 锅炉水动力学及锅内传热基础锅炉水动力学及锅内传热基础锅炉性能优劣取决于锅内过程和炉内过程能否良锅炉性能优劣取决于锅内过程和炉内过程能否良好配合。好配合。组织良好的锅内过程，就是组织管内工质的合理组织良好的锅内过程，就是组织管内工质的合理流动，在各种参数条件下都能够使工质从火焰或流动，在各种参数条件下都能够使工质从火焰或烟气吸收足够的热量，并且要确保管壁得到充分烟气吸收足够的热量，并且要确保管壁得到充分冷却。冷却。111.1 流型及流动参数流型及流动参数11.1.1 锅炉水循环方式锅炉水循环方式锅筒是特征锅筒是特征水质要求低，易水质要求低，易调节；临界以下，调节；临界以下，P高金

2、属耗多，驱高金属耗多，驱动力下降动力下降也称辅也称辅助或控助或控制循环制循环管布置灵活，管布置灵活，循环泵工作循环泵工作条件差条件差各种压力可用，各种压力可用，超临界惟一。超临界惟一。阻力大阻力大强制与直流强制与直流的结合产物的结合产物211.1.2 汽液两相流的流型汽液两相流的流型 1. 垂直管内汽液两相流体主要流型垂直管内汽液两相流体主要流型图图11-2 受热垂直上升受热垂直上升管汽液两相流流型管汽液两相流流型 图图11-3 受热垂直上升管中沸腾时的两相流流型随热流密度增加而变化的示意图受热垂直上升管中沸腾时的两相流流型随热流密度增加而变化的示意图1汽泡状沸腾开始线；汽泡状沸腾开始线；2汽

3、泡状沸腾终止线；汽泡状沸腾终止线；3蒸干线；蒸干线；4过热蒸汽线过热蒸汽线 32. 水平管内汽液两相流体主要流型水平管内汽液两相流体主要流型图图11-4 受热水平蒸发管汽液两相流流型受热水平蒸发管汽液两相流流型3. 研究两相流体的流动模型研究两相流体的流动模型 均相流模型。两相流体非常均匀，具有平均流体特性的均均相流模型。两相流体非常均匀，具有平均流体特性的均质单相流体，没有相对速度且热力学平衡。该模型可以应用单质单相流体，没有相对速度且热力学平衡。该模型可以应用单相流体的各种方程式。最适用于泡状流型。相流体的各种方程式。最适用于泡状流型。 分相流模型。假定两相完全分开，各自以一平均流速流动，

4、分相流模型。假定两相完全分开，各自以一平均流速流动，即两相流速不等但已经达到热力动态平衡。可以对每一相流体即两相流速不等但已经达到热力动态平衡。可以对每一相流体写出一组基本方程式。该模型比较精确但是很复杂，最适宜用写出一组基本方程式。该模型比较精确但是很复杂，最适宜用于环状流型。于环状流型。 411.1.3 汽液两相流的基本参数汽液两相流的基本参数56循环流速、质量流速、以及折算流速三个循环流速、质量流速、以及折算流速三个参数虽然都称为速度，但是它们都是代表参数虽然都称为速度，但是它们都是代表流量的参数。流量的参数。78910h00(1)wwwq0h0GwxGw1111x11表明截面含汽率与质

5、表明截面含汽率与质量含汽率或容积含汽量含汽率或容积含汽率之间的关系率之间的关系 0h0hsjsjhsjww wwCww ww12h11x1111x1311.2 流动阻力流动阻力锅炉管内工质既有单相流体，又有汽液两相流体，它们在锅炉管内工质既有单相流体，又有汽液两相流体，它们在管内流动时由于需要克服各种阻力会产生一定的压力降。管内流动时由于需要克服各种阻力会产生一定的压力降。1411.2.1 摩擦阻力摩擦阻力151611.2.2 重位压降重位压降 1711.2.3 加速压降加速压降 1811.2.4 局部阻力局部阻力1911.3 锅炉管内传热锅炉管内传热图图11-5 垂直管内强迫对流沸腾的换热工

6、况垂直管内强迫对流沸腾的换热工况 11.3.1 管内传热过程管内传热过程1. 管内沸腾换热的工况区间管内沸腾换热的工况区间图图11-6 垂直管内对流沸腾放热系数与热负荷、垂直管内对流沸腾放热系数与热负荷、含汽率的关系含汽率的关系 2. 换热机理及放热系数的变化规律换热机理及放热系数的变化规律3. 热负荷对沸腾换热的影响热负荷对沸腾换热的影响2011.3.2 沸腾传热恶化及其防止措施沸腾传热恶化及其防止措施1. 两类沸腾传热恶化两类沸腾传热恶化（1） 两类沸腾传热恶化的现象及机理两类沸腾传热恶化的现象及机理由核态沸腾的工况因水不能进入壁面而转变为膜由核态沸腾的工况因水不能进入壁面而转变为膜态沸腾

7、的传热恶化，通常称为偏离核沸腾态沸腾的传热恶化，通常称为偏离核沸腾(DNB) 或烧毁（或烧毁（Burn-out），也称为第一类传热恶化。），也称为第一类传热恶化。还因为这类传热恶化时壁温飞升速率很快，又称还因为这类传热恶化时壁温飞升速率很快，又称为为快速危机快速危机。亚临界压力参数以上，可能会遇到。亚临界压力参数以上，可能会遇到。 21 发生传热恶化现象和热负荷、质量含汽率、发生传热恶化现象和热负荷、质量含汽率、质量流速、压力及管径有关。通常用发生传热质量流速、压力及管径有关。通常用发生传热恶化时的临界热负荷恶化时的临界热负荷qcr(CHF)作为第一类传热作为第一类传热恶化发生的特征参数恶化发

8、生的特征参数 cr, ,qf Pw x d22在热负荷在热负荷q较低，含汽率较低，含汽率x较高的液滴环状流阶段较高的液滴环状流阶段的后期，由于管子四周贴壁处的液膜已经很薄，的后期，由于管子四周贴壁处的液膜已经很薄，液膜因蒸发或中心汽流的卷吸撕破使液膜部分或液膜因蒸发或中心汽流的卷吸撕破使液膜部分或全部消失，该处的壁面直接与蒸汽接触而得不到全部消失，该处的壁面直接与蒸汽接触而得不到液体的冷却，也使放热系数液体的冷却，也使放热系数2明显下降，壁温升明显下降，壁温升高，但壁温的增值比第一类恶化要小，其升温速高，但壁温的增值比第一类恶化要小，其升温速度也较慢。这类传热恶化通常称为蒸干度也较慢。这类传热

9、恶化通常称为蒸干(Dry-out)，又称为第二类传热恶化或又称为第二类传热恶化或慢速危机慢速危机。第二类传热恶化发生时的热负荷较小，在一般的第二类传热恶化发生时的热负荷较小，在一般的高参数直流锅炉中，尤其在燃油锅炉炉膛受热面高参数直流锅炉中，尤其在燃油锅炉炉膛受热面中可能遇到，而且传热一旦恶化，可能使壁温超中可能遇到，而且传热一旦恶化，可能使壁温超过金属的允许值。过金属的允许值。 23通常用发生传热恶化时的含汽率通常用发生传热恶化时的含汽率xeh作为第作为第二类传热恶化发生的特征参数二类传热恶化发生的特征参数eh, ,xf Pw q d影响因素的讨论：影响因素的讨论：q，各换热区间的界限相对前

10、移，长度缩短，使，各换热区间的界限相对前移，长度缩短，使xeh点位置点位置也相对前移，传热恶化提前发生；也相对前移，传热恶化提前发生；w (w)jx，汽流与液膜间的，汽流与液膜间的相互作用趋于稳定，紊流扩散相互作用趋于稳定，紊流扩散使主汽流中降到液膜上的水滴使主汽流中降到液膜上的水滴增加。增加。P ，汽流扰动对液膜影响大，汽流扰动对液膜影响大，同时同时也也，降低了液膜的保持能，降低了液膜的保持能力，所以两者的减小都使液膜的力，所以两者的减小都使液膜的稳定性降低而易被撕破，因此稳定性降低而易被撕破，因此xeh点的位置提前；点的位置提前；w对对xeh的影响呈现非单调性。的影响呈现非单调性。24第二

11、类传热恶化的后果？壁温升高并脉动。壁温升高并脉动。3060mm范围，范围，60125。 原因：原因：部分液膜虽撕破，管壁仍残留细小液流，蒸汽和部分液膜虽撕破，管壁仍残留细小液流，蒸汽和残余液流交替接触管壁；残余液流交替接触管壁；流量微小波动使分界线波动，烧干位置前后移动；流量微小波动使分界线波动，烧干位置前后移动；中心汽流的液滴可能时而撞击壁面。中心汽流的液滴可能时而撞击壁面。要求：恶化区管壁与工质温差要求：恶化区管壁与工质温差80。 25（2） 两类传热恶化的异同两类传热恶化的异同相同：管壁与蒸汽直接接相同：管壁与蒸汽直接接触、放热系数减小、壁温触、放热系数减小、壁温飞升。飞升。q，xeh，

12、恶化点，恶化点提前。提前。不同：机理不同，所处的不同：机理不同，所处的流动结构和工况参数不同，流动结构和工况参数不同，引起的后果也不相同。引起的后果也不相同。第一类第一类第二类第二类恶化后管子中部为恶化后管子中部为含有汽泡的液含有汽泡的液体体恶化后管子中部恶化后管子中部为含有液滴为含有液滴的蒸汽的蒸汽转入膜态沸腾然后转入膜态沸腾然后再过渡到欠液再过渡到欠液区区直接转入欠液区直接转入欠液区通常发生在通常发生在x较小较小或欠热或欠热(xqcr，这可能是在不均匀加热时，热负荷较低区的液体能，这可能是在不均匀加热时，热负荷较低区的液体能以环向对流的形式向受热强的区域扩散补充，推迟了此处传热恶化的以环向

13、对流的形式向受热强的区域扩散补充，推迟了此处传热恶化的发生。发生。若以若以qpj,cr作为特征参数，当液体的环向对流扩散速度适应热负荷分布作为特征参数，当液体的环向对流扩散速度适应热负荷分布的不均匀性，能够及时补充较高热负荷区域汽化失去的液体，的不均匀性，能够及时补充较高热负荷区域汽化失去的液体，qpj,crqcr；若液体的环向对流扩散速度与热负荷的分布规律不匹配，不能及时流若液体的环向对流扩散速度与热负荷的分布规律不匹配，不能及时流向较高热负荷区域汽化消失的液体，则向较高热负荷区域汽化消失的液体，则qpj,crxp，但两者，但两者数值相差不多。试验表明，数值数值相差不多。试验表明，数值xpf

14、（P，w），），与热负荷无关，即与热负荷无关，即q的变化只影响管子截面上发生的变化只影响管子截面上发生“阻力危机阻力危机”的位置。的位置。31液滴能否沉降到微观液膜上，取决于在汽流中液滴能否沉降到微观液膜上，取决于在汽流中的受力状态。与的受力状态。与w w和和q有关。有关。当当q较高而较高而w w较低时，主流中的液滴不能沉积较低时，主流中的液滴不能沉积到微观液膜上，即微观液膜得不到主流的湿润，到微观液膜上，即微观液膜得不到主流的湿润，则从发生则从发生“阻力危机阻力危机”截面截面xp到传热恶化截面到传热恶化截面xeh之间，由微观液膜所蒸发的含汽率之间，由微观液膜所蒸发的含汽率x基本是基本是一个常

15、数，也与一个常数，也与q无关。由无关。由xehxpxf（P，w），），xeh与与q无关，出现无关，出现bc垂直段，这种现象垂直段，这种现象一直持续到较低的热负荷一直持续到较低的热负荷c点为止。此时，点为止。此时，xeh 比比xp 要大得少些，壁温飞升值较高。当要大得少些，壁温飞升值较高。当q较低较低而而w w较高时，液滴能沉积到液膜上，较高时，液滴能沉积到液膜上，xeh增加，增加，且比且比xp大得多些。壁温飞升值较低，受热面可大得多些。壁温飞升值较低，受热面可正常工作。随正常工作。随q降低，润湿液膜的液滴增多，则降低，润湿液膜的液滴增多，则xeh增大，增大，xeh就与就与q有关了，如有关了，如

16、cd段所示。段所示。随随w w提高，在提高，在q较高时就会润湿液膜，较高时就会润湿液膜，c点上升，点上升，bc段缩短。当大到一定程度，段缩短。当大到一定程度，c点就会和点就会和b点相点相重合，重合，bc垂直段消失。垂直段消失。32（2） 传热恶化位置传热恶化位置xeh的确定的确定333. 超临界压力的管内换热超临界压力的管内换热实践证明，超临界压力锅实践证明，超临界压力锅炉的炉膛辐射受热面在一炉的炉膛辐射受热面在一定区域内也会发生传热恶定区域内也会发生传热恶化而导致爆管事故。化而导致爆管事故。 水的工作状态超过热力学水的工作状态超过热力学临界点（临界点（Pcr22.064 MPa，tcr373

17、.99）时，）时，在一个很小的温度范围内，在一个很小的温度范围内，物性参数发生显著的变化。物性参数发生显著的变化。 343. 超临界压力的管内换热超临界压力的管内换热当工质的定压比热容当工质的定压比热容cp达到最大时对应的温度达到最大时对应的温度, 称称为拟临界温度或类临界温度。为拟临界温度或类临界温度。使比热容达到极大值所对应的拟临界温度为相变使比热容达到极大值所对应的拟临界温度为相变点，工质温度低于拟临界温度时为类似水的液体，点，工质温度低于拟临界温度时为类似水的液体，高于拟临界温度时为类似蒸汽的气体。高于拟临界温度时为类似蒸汽的气体。拟临界温度和比热极大值与压力有关，随着压力拟临界温度和

18、比热极大值与压力有关，随着压力的增大，拟临界温度有所提高，而比热容极大值的增大，拟临界温度有所提高，而比热容极大值的数值降低。的数值降低。353. 超临界压力的管内换热超临界压力的管内换热比热容大于比热容大于8.4kJ/(kg)的的区域称大比热区。区域称大比热区。随压力提高，大比热区的焓随压力提高，大比热区的焓值范围略有缩小，但最大比值范围略有缩小，但最大比热容值大致处于同一个焓值热容值大致处于同一个焓值区域，如图所示。可看出，区域，如图所示。可看出，大约大约i1700kJ/kg时进入大时进入大比热区，且大比热区内焓值比热区，且大比热区内焓值范围大，约为范围大，约为950kJ/kg，占，占到超

19、临界压力锅炉中总焓增到超临界压力锅炉中总焓增的的1/3左右。左右。当然，真正最大比热区域占当然，真正最大比热区域占的焓增范围约为的焓增范围约为50kJ/kg,故故超临界压力锅炉的设计，比超临界压力锅炉的设计，比较容易确定大比热区的位置。较容易确定大比热区的位置。图图11-15 水的比热容与焓的变化关系水的比热容与焓的变化关系 36超临界压力下也会发生传热恶化！壁温飞升主要是由于在大比热壁温飞升主要是由于在大比热区内工质物性参数变化相当剧区内工质物性参数变化相当剧烈所致。表现管壁温度大于拟烈所致。表现管壁温度大于拟临界温度，工质平均温度又小临界温度，工质平均温度又小于拟临界温度，水的物性从壁于拟

20、临界温度，水的物性从壁面处开始沿半径方向有很大的面处开始沿半径方向有很大的变化，导致出现不同于通常恒变化，导致出现不同于通常恒定物性的单相流体的换热现象。定物性的单相流体的换热现象。分分2种类型。第一种发生在进口种类型。第一种发生在进口段，段，l/d4060处，任何流体处，任何流体焓值焓值 (直到拟临界焓直到拟临界焓) ；第二种；第二种发生在热负荷较高、工质温度发生在热负荷较高、工质温度已接近拟临界温度时，恶化位已接近拟临界温度时，恶化位置与置与热负荷热负荷的大小有关，即壁的大小有关，即壁温随工质焓的增加出现两个峰温随工质焓的增加出现两个峰值，如图所示。值，如图所示。 37超临界时传热恶化均是

21、近壁处流体层流化的结果！超临界时传热恶化均是近壁处流体层流化的结果！对第一种，在进口较短的区间中，中心流体仍处于进口时对第一种，在进口较短的区间中，中心流体仍处于进口时较低的温度，而近管壁处一层流体吸热后温度较高。中心较低的温度，而近管壁处一层流体吸热后温度较高。中心流体粘度流体粘度z大，近壁面处粘度大，近壁面处粘度b小，热负荷较高时，会使小，热负荷较高时，会使流动边界层增厚，出现层流化现象，当边界层达到一定厚流动边界层增厚，出现层流化现象，当边界层达到一定厚度，就出现传热恶化和壁温的峰值。度，就出现传热恶化和壁温的峰值。 对第二种，中心流体温度低于拟临界温度，壁温已大于拟对第二种，中心流体温

22、度低于拟临界温度，壁温已大于拟临界温度，近壁层处和中心流体的密度、导热系数及比热临界温度，近壁层处和中心流体的密度、导热系数及比热容相差很大，尤其是靠近管壁处工质的密度可能比管子中容相差很大，尤其是靠近管壁处工质的密度可能比管子中心处工质的密度小心处工质的密度小34倍，浮力的作用使近壁处的流体向倍，浮力的作用使近壁处的流体向上流动，抑制了工质横向的紊流脉动，促进了流动层流化上流动，抑制了工质横向的紊流脉动，促进了流动层流化的发展。当管内横向紊流脉动消失和出现最厚的层流边界的发展。当管内横向紊流脉动消失和出现最厚的层流边界层时，放热系数层时，放热系数2显著降低，壁温再次飞升。流体一但恢显著降低，

23、壁温再次飞升。流体一但恢复紊流边界层时，管壁温度又开始下降。复紊流边界层时，管壁温度又开始下降。38影响因素主要是热负荷和质量流速 质量流速一定时，低热负质量流速一定时，低热负荷时不会发生传热恶化，荷时不会发生传热恶化，甚至有传热强化的作用。甚至有传热强化的作用。若热负荷不变时，随着质若热负荷不变时，随着质量流速量流速w上升，开始出现上升，开始出现传热恶化的传热恶化的q也提高，恶也提高，恶化点的焓值也移向更高的化点的焓值也移向更高的地方，当地方，当w大到一定值时，大到一定值时，传热恶化现象消失。传热恶化现象消失。39试验证实，提高试验证实，提高q和降低和降低w都将导致传热恶化，因此可以都将导致

24、传热恶化，因此可以采用组合参数采用组合参数Cq/w来有效地综合试验数据。参数来有效地综合试验数据。参数C表表示单位质量流量所吸收的热量，单位为示单位质量流量所吸收的热量，单位为kJ/kg，并可作为，并可作为是否发生传热恶化的判据。是否发生传热恶化的判据。若以大比热区内工质的放热系数若以大比热区内工质的放热系数2是否大于大比热区外单是否大于大比热区外单相水的放热系数相水的放热系数0作为判断发生传热恶化的标准，由试验作为判断发生传热恶化的标准，由试验得到：当得到：当C0.84时，时，2总是小于总是小于0，出现传热恶化的现，出现传热恶化的现象；象；C0.420.84之间，各种工质焓的之间，各种工质焓

25、的2可能大于，也可能大于，也可小于可小于0；C0.42时，时，2总是大于总是大于0，不会出现传热恶，不会出现传热恶化。因此，为了使超临界压力锅炉大比热区不出现传热恶化。因此，为了使超临界压力锅炉大比热区不出现传热恶化现象，应当保证化现象，应当保证0.42kJ/kgqw404. 防止或推迟传热恶化的措施防止或推迟传热恶化的措施(1) 适当提高质量流速适当提高质量流速(2) 合理安排受热面热负荷合理安排受热面热负荷(3) 加强流体在管内的扰动，如采用内螺纹管或加加强流体在管内的扰动，如采用内螺纹管或加装扰流子装扰流子 4111.3.3 各类传热区域放热系数计算各类传热区域放热系数计算分为以下五种情

26、形：分为以下五种情形：1. 单相流体强制对流换热单相流体强制对流换热2. 表面沸腾表面沸腾3. 饱和沸腾饱和沸腾4. 传热恶化后的换热传热恶化后的换热5. 超临界压力大比热区的换热计算超临界压力大比热区的换热计算4211.4 集箱水动力学集箱水动力学11.4.1 分配集箱和汇集集箱中的压力变化分配集箱和汇集集箱中的压力变化与管组进口连接的集箱称为分配集箱，与管组出口连接的与管组进口连接的集箱称为分配集箱，与管组出口连接的集箱称为汇集集箱。集箱称为汇集集箱。 在分配集箱中，由于工质沿集箱流动方向不断分流，其流在分配集箱中，由于工质沿集箱流动方向不断分流，其流量逐渐减小，轴向速度下降，因而工质的动

27、压减小而静压量逐渐减小，轴向速度下降，因而工质的动压减小而静压力增加。力增加。我国水动力计算标准方法中应用我国水动力计算标准方法中应用动量方程来建立集箱内静压分布动量方程来建立集箱内静压分布的函数表达式并通过试验确定集的函数表达式并通过试验确定集箱的静压变化系数的计算公式。箱的静压变化系数的计算公式。 为了得到并联各管的流量，必须为了得到并联各管的流量，必须已知集箱内工质静压变化规律已知集箱内工质静压变化规律 4311.4.2 集箱的连接型式及其对流量分配的影响集箱的连接型式及其对流量分配的影响典型系统是指流体在集箱的端部典型系统是指流体在集箱的端部轴向引入或引出，而非典型系统轴向引入或引出，而非典型系统是指流体沿集箱在布置管组的长是指流体沿集箱在布置管组的长度内径向引入或引出，也称为复度内径向引入或引出，也称为复杂系统。杂系统。 Z型、型、U型、型、H型、型、型型及其它的复杂型式。及其它的复杂型式。图图11-25 U型联接系统沿集箱长度工质的压力变化型联接系统沿集箱长度工质的压力变化偏差管偏差管偏差管偏差管图图11-26 两种集箱连接系统的静压分布曲线两种集箱连接系统的静压分布曲线(a)中点引入中点引出型；中点引入中点引出型；(b)两点引入两点引出型两点引入两点引出型轴向工质流速