直流锅炉水动力及其计算

强迫流动锅炉水动力特性

刘银河2008.5直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第1页!直流锅炉蒸发管的水动力特性

在一定的热负荷及结构特性条件下，管内工质的流量G（或质量流速ρw）与压差Δp的关系称为水动力特性（或压差特性）。

Δp＝f（G）单值性：Δp与G一一对应多值性：一个Δp可能对应两个以上的G直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第2页!1.水平蒸发管总压差忽略△pzw和△pjs

q与Z不变，△p∝G2v，G↑，v↓，则△p随G的变化具有不确定性，主要取决于流量增加和比容减小这两者的相对变化。直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第3页!水平蒸发管水动力特性根据热量平衡得右二式，带入前式计算压差A、B、C是与工质状态（Δiqh，ql，G）、物性（v′，v″，r）、结构（Z）有关的参数。直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第4页!水平蒸发管水动力特性保证安全裕度a>1直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第5页!水平蒸发管水动力多值性原因O－B：G↑，Δp↑，因为G↑↑＞比容v↓。O－A段，由于管内充满蒸汽，v随G的变化很小，曲线较陡；A－B段，v减小的速度加快，曲线逐渐变缓。B－C：G↑，容积含汽率φ↓↓，从而G↑＜v↓↓，则△p↓，直至C点。C－D：由于管内几乎全部是水，G↑对v已无多大影响，△p↑。xc≈0.1xc≈0.5直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第6页!（2）入口欠焓

●

Δiqh↓，稳定性↑●

Δiqh＝0,A＝0，二次曲线。在G>0的区间，Δp>0，且单调增加，多值性消失。Δiqh↑，向三次曲线转变。直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第7页!水平蒸发管水动力多值性防止措施减小蒸发管进口水的欠焓增大加热水段的阻力直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第8页!垂直蒸发管水动力特性垂直蒸发管的水动力特性（双行程）1－下降段重位压差曲线

2－上升段重位压差曲线3－流动阻力曲线4－总重位压差曲线5－总水动力特性曲线多值区多值区直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第9页!热负荷不均匀系数受热面积不均匀系数流量不均匀系数烟气侧工质侧允许热偏差必须满足直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第10页!（3）流量不均匀系数ηlηl主要取决于●结构因素：阻力特性。●集箱效应：连接型式。（过热器、v变化小的受热面）●热效流动偏差：热负荷不均匀。（水冷壁、v变化大的受热面）●重位压差：垂直管。直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第11页!动量方程假定：①工质分流连续；②阻力系数λ为常数；③Vx与w线性关系，Vx＝cfw；④略去ρ(dw)2；⑤分流流量均匀，X＝x/L

。直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第12页!汇集集箱。工质不断汇流，静压→动压。用座标X′＝1－X建方程，积分后转换为X。w＝whX′＝wh(1－X)；Vx＝chw。直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第13页!（2）集箱连接方式对并联管组流量分配的影响Z型连接系统

流动动力Δp＝pfx－phx

直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第14页!多点引入和多点引出连接系统

直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第15页!3.流量偏差

流量不均匀系数

；向上取＋号，向下取－号。用下标p和pj分别表示偏差管和平均工况管，直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第16页!影响并联管组中流量偏差的因素（1）结构特性Zp↑，Zpj不变，ηl↓，流量偏差增大。（2）集箱效应δΔpjx<0，δΔpjx↑，ηl↓,流量偏差增大。（3）平均流动阻力Zpj不变，G↑，Δppj,ld↑，则分子的影响减小。G不变，Zpj↑，除有同样的效果，还能使Gp↑增加。因此，Δppj,ld↑，可削弱流量分布的不均匀性。直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第17页!（5）重位压差高度系数：ρw↑，A↓，Δpzw的影响减小，水平、上升、下降的ηl接近。ρw↓，A↑，Δpzw使向上的ηl增大，向下流动的ηl减小。向上ηl＞水平ηl＞向下ηl。注意启动和低负荷运行。直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第18页!受热强管，vp↑，ηl↓，热效流量偏差增加。向上流动，ρp↓又使ηl↑，即重位压差减小了热效流量偏差。向下流动，ρp↓促使ηl↓，即重位压差加剧了热效流量偏差。低负荷及启动，热负荷不均匀性较大。由于ρw较小，A值增大，向上流动可减小热效流量偏差。

直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第19页!4.减小热偏差的措施

（1）减小热负荷偏差●管屏分组（每组Δi接近；wo↑）●各组之间采用交叉管和中间混合集箱●避免烟气走廊●烟气再循环（降低和均匀θl；Δigr↓）直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第20页!（3）减小热偏差的原则●流量与热负荷相适应（符合热负荷强的管中流量大，热负荷弱的管中流量小）●入口加装节流圈（强制流量分配）

直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第21页!思考题1<β<2时，用泰勒定理证明lnβ≈2（β－1）/（β＋1）直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第22页!管间脉动条件：并联管圈的总流量不变。进出口集箱压差基本不变。使某些管子发生剧烈的周期性流量波动。现象：一些管G↑，另一些管G↓，周期性变化。同管G和D的波动方向相反，即G↑，D↓，成180o相位差，壁温tb的脉动与D的脉动同相。且δG＞＞δD。特点：自激振荡无周期干扰作用下，由于热力水利过程的内力作用，使脉动可以自动维持下去。起因：p、q、tgs、G、D的变化→外因维持：阻力变化（压降），蓄热变化（水与金属）→内因

直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第23页!2.管间脉动的原因Δp0=p1-p2＝C，稳流若有一扰动，使G↓，则分界面前移，Ljr↓，Lzf↑G↓→G－δG；D→D＋δD各段压降改变加热段阻力减小Δpjr↓→Δpjr－δ(Δpjr)蒸发段阻力增加Δpzf↑→Δpzf＋δ(Δpzf)直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第24页!若即|δ(Δpjr)|＜|δ(Δpzf)|或Δpjr↓＜Δpzf↑则

Δplz＞Δp0使得G进一步减小，而D增加。扰动发生后，压降变化加强了扰动的继续发展，该扰动引发的脉动是持续型的。持续型脉动起因直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第25页!持续随着：①流量G↓；②tbh↑→蒸发量D↓，流动阻力由增加逐渐转为减小，当Δplz<Δp0→G↑，D↓脉动反向变化由于Δpjr↑＜Δpzf↓G↑和D↓继续

放热分界面后移，加热水段的压力降低，储蓄在金属和水中的热量又重新放出，局部压力pjb升高，相当于回到初始扰动状态。储蓄热愈大，则脉动愈剧烈。直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第26页!4.影响脉动的因素

阻力。△pjr↑→△pzf↓→K↑脉动减轻压力。p↑→△pzf↓→K↑，Bd↓流动稳定性增加欠焓。Δiqh↑→△pjr↑→K↑，Bd↑

存在发生脉动的最敏感欠焓值Δiqh＝84kJ/kg热负荷。q↑→K↓，pjb变化剧烈有利于发生脉动质量流速。

ρw↑→K↑，稳定性增加直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第27页!水平蒸发管水动力特性假设：①受热均匀ql不变；②采用均相流模型，两相流体摩擦阻力修正系数Ψ=1；③加热段的平均比容取饱和水比容v′；④忽略局部阻力。

直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第28页!水平蒸发管水动力特性避免多值性最多只有一个拐点，且单调增2个不同的实根，出现多值性2个相同的实根，曲线只有一个拐点为虚根，曲线单调升直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第29页!多值性的物理原因对于强迫流动的蒸发管内同时存在加热水段和蒸发段，当q一定时，由于水和蒸汽的比容差别极大，使得工质的平均比容随流量的变化而急剧变化。而△p不仅与G有关，还与v有关，从而产生了水动力特性的多值性。如果受热管内全部是单相热水或汽水混合物，则不会出现多值性。直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第30页!影响多值性的因素（1）压力

●低压明显存在多值性。●P↑，稳定性↑。●亚临界压力17MPa以上一般不会产生多值性，除非入口水的欠焓特别大。直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第31页!（3）加热水段阻力

Δpjr↑，增加了流量对压差的影响，减弱了汽水混合物比容的影响，稳定性↑。（4）热负荷

q↑，系数A↓，C↑。稳定性↑。相当于iqh↓。热负荷的变化还与其他因素有关:q高，多值性范围扩大；q低时，易引起流量的不稳定性波动。直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第32页!垂直蒸发管水动力特性垂直蒸发管的水动力特性（单行程）1－重位压差曲线2－流动阻力曲线3－总水动力特性曲线直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第33页!二、并联管组的热偏差1.热偏差并联管组在理想设计工况下，可靠性可以得到保障。实际条件差异很大，并联管组中各管焓增不均匀。偏差管工质焓增△ip和整个管组工质平均焓增△ipj之比称为热偏差系数ρ因为直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第34页!热偏差取决于管子的热力特性，受热面特性和工质的水力特性。

（1）热负荷不均匀系数ηr与受热面的结构尺寸和运行状态有关。（2）受热面积不均匀系数ηm与受热面布置方式，各管的结构尺寸有关，一般为ηm=0.95～1.05。热负荷偏差及受热面积偏差均会造成流量偏差。直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第35页!2.集箱效应

（1）集箱的静压分布分配集箱。工质不断分流，动压→静压。直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第36页!积分

X＝1,分配集箱最大静压差试验确定cf＝1.24，分配集箱静压变化系数Kf与阻力特性有关。整理得x处静压进口静压直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第37页!同理可得，X＝1，汇集集箱最大静压差试验确定ch＝0，汇集集箱静压变化系数结构特性相同，Kh>2Kf；ΔphL>2ΔpfL，即汇集集箱的静压曲线变化比分配集箱要大许多。整理得计算Δpfx、Δphx，X＝0均在集箱引入管或引出管。直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第38页!U型连接系统

U型连接系统流量分布比较均匀，Z型系统比U型系统具有较大的流量偏差。

直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第39页!并联各管工质的进出口压差Δp

集箱偏差管的压差Δpp与平均工况管的压差Δppj的差值δΔpjx显然偏差管的δΔpjx<0。δΔpjx的绝对值愈大，表明偏差管的流量比平均工况管的流量相差愈多。

直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第40页!因为，p1－p2为常数令直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第41页!（4）热负荷分布●热效流量偏差：并联管组由于热负荷不均匀引起的流量偏差。对于水平管管组水平并联管的水动力特性●热负荷不均匀系数ηr↑，ηl↓。

qp↑，vp↑，ηl↓，Gp↓。即受热强管中流量小，受热弱管中流量大。●平均焓增Δipj↑，ηl↓。Δip–Δipj=(ρ-1)Δipj直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第42页!A不变，ηl只与v或ρ有关，为垂直并联管组的热效流量偏差。（ρw、Δipj的影响

）直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第43页!假定某一根受热管中的工质已经停止流动，即ηl＝Gp/Gpj＝0

A/vpj＞0。向上流动，ρpj－ρp＝－vpj/A＜0，ρp＞ρpj，偏差管中密度大，表明该管热负荷小，易出现停滞。受热弱管中流量小。向下流动，ρp＜ρpj，偏差管中密度小，表明该管热负荷大，易出现停滞。受热强管中流量小。直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第44页!（2）减小流量不均匀性●尽量采取垂直向上流动●降低管组的Δipj（过热器分级，每级＜250～400kJ/kg，末级120～200kJ/kg；交叉管和中间集箱）●合理选择集箱的尺寸和连接方式（加大集箱直径；多点均匀引入和引出）●进口单相水处加装节流圈（Δpjx,ld↑）●合理选择进口ij直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第45页!（a）改进前（b）改进后管屏结构图

直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第46页!三、蒸发管内工质的脉动现象1.概述定义：并联蒸发段，管子的进口水流量G和出口的蒸汽流量D随时间发生发生周期性的波动。

分类：管间脉动屏间脉动整体脉动

衰减型：干扰消失，脉动停止。持续型：水泵特性引起。直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第47页!危害水流量和蒸汽量脉动，壁温波动。加热、蒸发、过热区段的分界面波动，引起金属的疲劳损坏。蒸发区内工质冷却水膜的周期性破坏，提前蒸干。脉动→振动→共振→结构损伤。

蒸发受热面中必须避免发生脉动现象直流锅炉水动力及其计算共52页，您现在浏览的是第48页!若即|δ(Δpjr)|＞|δ(Δpzf)|或