余熱鍋爐系統(tǒng)工作原理及技術(shù)特點(diǎn)

1、余熱鍋爐系統(tǒng)工作原理及技術(shù)特點(diǎn) 中國(guó)鍋爐網(wǎng)資訊欄目§1概論一、簡(jiǎn)述在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)做功后排出的燃?xì)?，仍具有比較高的溫度，一般在540左右，利用這部分氣體的熱能，可以提高整個(gè)裝置的熱效率。通常是利用此熱量加熱水，使水變成蒸汽。蒸汽可以用來(lái)推動(dòng)蒸汽輪機(jī)一發(fā)電機(jī)，也可用于生產(chǎn)過(guò)程的加熱或供生活取暖用。對(duì)于稠油的油田可以用蒸汽直接注入油井中，以提高采油量。根據(jù)不同的蒸汽用途，要求有相應(yīng)的蒸汽壓力和蒸汽溫度，也就需要不同參數(shù)的產(chǎn)汽設(shè)備。利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣的熱量來(lái)產(chǎn)汽的設(shè)備，稱(chēng)為“熱回收蒸汽發(fā)生器”，表明回收了排氣的熱量，用英文字母HRSG來(lái)表示。我國(guó)習(xí)慣上稱(chēng)為“余熱鍋爐，本文也采用“余熱鍋爐”的名稱(chēng)

2、，并把燃?xì)廨啓C(jī)的排氣簡(jiǎn)稱(chēng)為“煙氣”?！坝酂徨仩t”通常是沒(méi)有燃燒器的，如果需要高壓高溫的蒸汽，可以在“余熱鍋爐”內(nèi)裝一個(gè)附加燃燒器。通過(guò)燃料的燃燒使整個(gè)煙氣溫度升高，能夠產(chǎn)生高參數(shù)的蒸汽。例如某余熱鍋爐不裝燃燒器時(shí)，入口煙氣溫度為500，裝設(shè)附加燃燒器后，可使入口煙氣溫度達(dá)到756。蒸汽的壓力可以從4MPa升到10MPa，蒸汽的溫度可以從450升到510，蒸汽可以供高溫高壓汽輪機(jī)用，從而增加了電功率輸出。目前我國(guó)油田進(jìn)口的余熱鍋爐的蒸汽參數(shù)有：4MPa配450及1.4MPa配195（飽和蒸汽）。前者供給中壓汽輪機(jī)來(lái)發(fā)電，后者可以供生產(chǎn)或供生活取暖用。注：關(guān)于多種余熱鍋爐，余熱鍋爐利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣

3、的方式，補(bǔ)燃問(wèn)題。二、余熱鍋爐的組成（一）蒸汽的生產(chǎn)過(guò)程圖191是一臺(tái)余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以看出產(chǎn)汽的過(guò)程。圖191強(qiáng)制循環(huán)余熱鍋爐（注意蒸發(fā)器為順流布置，即管束流向自下而上，以免上下彎頭處積汽。）從燃?xì)廨啓C(jī)出口的煙氣，經(jīng)煙道到余熱鍋爐入口，煙氣自下而上流動(dòng)，流經(jīng)過(guò)熱器、兩組蒸發(fā)器和省煤器，最后排入煙囪。排煙溫度約為150180，煙氣溫度從540降到排煙溫度，所放出的熱量用來(lái)使水變成蒸汽。進(jìn)入余熱鍋爐的給水，其溫度約為105左右，先進(jìn)入上部的省煤器，水在省煤器內(nèi)吸收熱量使水溫上升，水溫升到略低于汽包壓力下的飽和溫度，就離開(kāi)省煤器進(jìn)入汽包。進(jìn)入汽包的水與汽包內(nèi)的飽和水混合后，沿汽包下方

4、的下降管到循環(huán)泵，水在循環(huán)泵中壓力升高，分別進(jìn)入兩組蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)的水吸熱開(kāi)始產(chǎn)汽，通常是只有一部份水變成汽，所以在蒸發(fā)器管內(nèi)流動(dòng)的是汽水混合物。汽水混合物離開(kāi)蒸發(fā)器進(jìn)入汽包上部。在汽包內(nèi)裝有汽水分離設(shè)備，可以把汽和水分開(kāi)，水落到汽包內(nèi)水空間，而蒸汽從汽包頂部出來(lái)到過(guò)熱器。在過(guò)熱器內(nèi)吸收熱量，使飽和蒸汽變成過(guò)熱蒸汽。根據(jù)產(chǎn)汽過(guò)程有三個(gè)階段，對(duì)應(yīng)的應(yīng)該要有三個(gè)受熱面，即省煤器、蒸發(fā)器和過(guò)熱器。如果不需要過(guò)熱蒸汽，只需要飽和蒸汽，可以不裝過(guò)熱器。（二）余熱鍋爐的型式1、強(qiáng)制循環(huán)余熱鍋爐圖191所示的余熱鍋爐就是強(qiáng)制循環(huán)余熱鍋爐。從汽包下部出來(lái)的水經(jīng)一臺(tái)循環(huán)泵后，進(jìn)入蒸發(fā)器，是靠循環(huán)泵產(chǎn)生的動(dòng)力

5、使水循環(huán)的，稱(chēng)為“強(qiáng)制循環(huán)余熱鍋爐”。其特點(diǎn)是；各受熱面組件的管子是水平的，受熱面之間是沿高度方向布置，可節(jié)省地面的面積，并使出口處的煙囪高度縮短。但在運(yùn)行中需要循環(huán)泵，使運(yùn)行復(fù)雜，增加維修費(fèi)用。目前油田進(jìn)口的余熱鍋爐，多數(shù)采用此種型式。2自然循環(huán)余熱鍋爐圖192是一自然循環(huán)余熱鍋爐，全部受熱面組件的管子是垂直的。給水進(jìn)入省煤器吸熱后，進(jìn)入汽包。汽包有下降管與蒸發(fā)部的下聯(lián)箱相連，下降管位于煙道外面，不吸收煙氣的熱量。汽包還與蒸發(fā)器的上聯(lián)箱相連。直立管簇吸收煙氣的熱量。當(dāng)水吸收煙氣熱量就有部份水變成蒸汽，由于蒸汽的密度比水的密度要小得多，所以直立管內(nèi)汽和水混合物的平均密度要小于下降管中水的密度，

6、兩者密度差形成了水的循環(huán)。也就是說(shuō)：不吸熱的下降管內(nèi)的水比較重，向下流動(dòng)。直立管內(nèi)的汽水混合物向上流動(dòng)，形成連續(xù)產(chǎn)汽過(guò)程。此時(shí)進(jìn)入蒸發(fā)器的水不是靠循環(huán)泵的動(dòng)力，而是靠流體的密度差而流動(dòng)，這種余熱鍋爐稱(chēng)為“自然循環(huán)余熱鍋爐”。其特點(diǎn)是：省去循環(huán)泵，使運(yùn)行和維修簡(jiǎn)單。但各受熱面是沿水平方向布置，占地面積大，在排煙處所需煙囪的高度要高。圖2 自然循環(huán)余熱鍋爐本文主要介紹“強(qiáng)制循環(huán)余熱鍋爐”。（注：一般來(lái)說(shuō)，余熱鍋爐的循環(huán)方式有5種：?jiǎn)螇?，雙壓無(wú)再熱，雙壓再熱，三壓無(wú)再熱，三壓再熱。）（三）余熱鍋爐的布置圖193是強(qiáng)制循環(huán)余熱鍋爐的布置圖，包括余熱鍋爐本體受熱面及煙道系統(tǒng)，其特點(diǎn)如下：圖193余熱鍋爐

7、布置圖1煙氣系統(tǒng)從燃?xì)廨啓C(jī)出來(lái)的高溫?zé)煔庥袃陕烦隹?，一路進(jìn)人余熱鍋爐，從主煙囪排人大氣，另一路進(jìn)入旁路煙囪排人大氣。每路煙道上都裝有擋板，共有三個(gè)擋板，主煙道上的擋板稱(chēng)“主擋板”，旁路煙道上的檔板稱(chēng)“旁路檔板”，主煙囪處的檔板稱(chēng)“煙囪擋板”，各擋板是配合使用的。燃?xì)廨啓C(jī)工作而余熱鍋爐不工作，要開(kāi)啟旁路擋板，關(guān)閉主擋板。燃?xì)廨啓C(jī)與余熱鍋爐同時(shí)工作，要關(guān)閉旁路擋板，開(kāi)啟主擋板。另一方面為調(diào)節(jié)余熱鍋爐的產(chǎn)汽量，主擋板和旁路擋板可以部份開(kāi)啟或部份關(guān)閉，擋板調(diào)節(jié)的內(nèi)容見(jiàn)后。余熱鍋爐工作時(shí)，應(yīng)該開(kāi)啟煙囪擋板。當(dāng)余熱鍋爐短時(shí)間停爐，可以關(guān)閉煙囪擋板，以防止余熱鍋爐內(nèi)的熱量損失。因?yàn)橛酂徨仩t內(nèi)溫度比較高，周?chē)?/p>

8、冷空氣可以進(jìn)入余熱鍋爐，形成自然對(duì)流將熱量帶走，關(guān)閉煙囪擋板就能防止外界氣流進(jìn)入余熱鍋爐，以保存熱量，準(zhǔn)備隨時(shí)起動(dòng)余熱鍋爐。如果余熱鍋爐要停爐檢修，希望冷卻速度快些，可以開(kāi)啟煙囪擋板。水平煙道經(jīng)過(guò)一個(gè)90°轉(zhuǎn)彎接頭與余熱鍋爐相連，這個(gè)轉(zhuǎn)彎接頭是經(jīng)制造廠試驗(yàn)研究后確定的，其形狀尺寸必須要保證轉(zhuǎn)彎后的氣流分布均勻，均勻的氣流能夠使得煙氣放熱也均勻，管內(nèi)水或汽的吸熱也均勻，否則會(huì)使一些管子吸熱多而另一些管子吸熱少，這對(duì)余熱鍋爐的安全運(yùn)行是不利的。主煙道和旁路煙道都裝有膨脹節(jié)，這是由于煙道受熱后要伸長(zhǎng)，會(huì)對(duì)煙道的支架產(chǎn)生熱應(yīng)力。采用膨脹節(jié)能吸收煙道的伸長(zhǎng)量，可以減小熱應(yīng)力。2汽包汽包是用懸吊

9、的方式來(lái)固定，懸吊在伸出的懸臂框架上，懸臂框架與省煤器的框架相接。采用懸吊方式可以使汽包有足夠的撓性，因汽包下部有下降管，上部有省煤器進(jìn)水管、蒸發(fā)器的汽水混合物引入管以及飽和蒸汽引出管等，當(dāng)這些連接管受熱膨脹時(shí)，都會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生附加應(yīng)力，現(xiàn)在汽包用撓性支架，能減少對(duì)設(shè)備產(chǎn)生附加應(yīng)力。3組件的裝配整個(gè)余熱鍋爐分成幾個(gè)大組件，每個(gè)大組件在制造廠組裝好后裝運(yùn)。在現(xiàn)場(chǎng)直接安裝，這樣大大縮短安裝工期。這些增加有：煙囪，膨脹節(jié)，90°轉(zhuǎn)彎段，支承框架，汽包，煙道，擋板，煙囪縮口，過(guò)熱器，蒸發(fā)器I和II，省煤器，旁路煙道及其擋板和膨脹節(jié)等。1 內(nèi)壁 2 外壁 3 保溫層 4 連接螺栓5 法蘭 6 法

10、蘭螺栓有熱煙氣流過(guò)的組件均裝有管箱板，管箱板上有法蘭。圖194示出了上下拉桿組件管箱板的連接方式。考慮到減少散熱損失，保證運(yùn)行人員安全，管箱板由金屬板與保溫層組成。與高溫?zé)煔饨佑|的內(nèi)壁采用耐熱合金鋼板，外壁采用碳鋼板。兩金屬那邊之間是礦物纖維保溫層，外壁和內(nèi)壁用螺栓連接，螺栓預(yù)先焊在外壁鋼板的內(nèi)側(cè)，在內(nèi)壁相應(yīng)位置處預(yù)先沖孔眼，孔的直徑要比螺栓直徑大，多余的孔隙量可以允許內(nèi)壁和外壁有相對(duì)移動(dòng)。這是因?yàn)閮?nèi)壁和外壁的溫度不同，材料不同，受熱后的膨脹伸長(zhǎng)量也不同，所以?xún)杀谥g會(huì)有相對(duì)移動(dòng)。外壁上焊有加強(qiáng)框架，可保證管箱板的強(qiáng)度和剛度，外壁的兩端焊有法蘭，可以用來(lái)連接組件。 圖194煙氣在余熱鍋爐中自下

11、而上流動(dòng)，煙溫逐漸降低，所以管箱板的保溫層厚度也可減薄，省煤器出口的煙氣溫度不超過(guò)200，可以直接用碳鋼的鋼板制造煙道，來(lái)代替管箱板。（四）受熱面組件的特點(diǎn)受熱面組件指的是省煤器、蒸發(fā)器和過(guò)熱器，分別組成四個(gè)組件，其結(jié)構(gòu)型式基本上是相同的。只有管子直徑及有關(guān)尺寸略有不問(wèn)，各組件由管組、聯(lián)箱、管箱板和支吊架組成，現(xiàn)分別敘述之。1管組圖5 受熱面組件裝配A 準(zhǔn)備管子，銼坡口 B 焊接彎頭及連接直管 C 裝支吊架 D 支吊架裝頂板和底板每個(gè)受熱面組件的管組包括幾十根管子，管子是帶肋片的，組成水平蛇行管，見(jiàn)圖195。肋片管是用一定厚度（1mm）和一定寬度（1220mm）的薄鋼帶繞在光管外壁上，繞的型式

12、采用螺旋線。薄鋼帶是用電阻焊與光管外壁相接的，使鋼帶與管外壁緊密結(jié)合，保證傳熱效果好。圖195表示了整個(gè)受熱面組件的裝配過(guò)程，二根直的助片管用一個(gè)180°彎頭連接，連接方式采用焊接，最后組成一根水平蛇行管，幾十根并聯(lián)的蛇行管可以組成一個(gè)管組。2支吊架采用“蜂窩狀”吊架，用兩塊凸凹板可以組成一個(gè)“蜂窩狀”吊架，凸凹的形狀是一個(gè)等六邊形，像蜂窩的形狀，所以稱(chēng)“蜂窩狀”吊架。圖195C中表示出一根水平蛇行管的吊架，如果管子沿水平方向很長(zhǎng)，需要多裝吊架，大約每隔一米需一個(gè)吊架。如果并聯(lián)的管子數(shù)目是30根，在同一距離上就有30個(gè)吊架，采用吊架頂板和底板可以將此30個(gè)吊架組合起來(lái)，最后如圖195

13、D中表示的一個(gè)大的堅(jiān)固的管組。頂板用1319mm厚的碳鋼鋼板制造，能夠承受管組的重量。管子的肋片部份和支架板接觸，肋片外形是圓的，而支架板形狀是六角形，除了接觸點(diǎn)以外，兩者之間有足夠的空隙，吊架本身又有撓性，可以微微移動(dòng)。所以當(dāng)管子受熱而膨脹時(shí)，不易被吊架卡住，同時(shí)管壁不會(huì)被磨損。這種型式的吊架對(duì)于聯(lián)箱也是有好處的，因?yàn)楣芙M的進(jìn)口聯(lián)箱和出口聯(lián)箱都是固定不動(dòng)的，采用這種吊架，管子膨脹伸長(zhǎng)是自由的，能減少膨脹熱應(yīng)力作用到聯(lián)箱上。3聯(lián)箱在整個(gè)管組和吊架裝配后，最后安裝聯(lián)箱，省煤器和過(guò)熱器的進(jìn)出口聯(lián)箱型式是相同的。而蒸發(fā)器的聯(lián)箱的型式常常是不同的。進(jìn)口聯(lián)箱的直徑要小于出口聯(lián)箱的直徑，這是因?yàn)檎舭l(fā)器入口

14、是水而出口是汽水混合物。4特點(diǎn)組成的水平蛇行管的兩端可以自由伸長(zhǎng)。從圖191中可以看到全部彎頭都在高溫?zé)煹酪酝?，表明焊縫不和高溫?zé)煔饨佑|。這種受熱面結(jié)構(gòu)對(duì)快速起動(dòng)有利。所以余熱鍋爐能夠隨著燃?xì)廨啓C(jī)快速起動(dòng)。受熱面的管子采用肋片管，可以增加傳熱量，反過(guò)來(lái)說(shuō)，在傳熱量相同的情況下，可以減小受熱面，使余熱鍋爐體積小，布置緊湊。所以目前不論是水平蛇行管或直立式管都趨向于采用肋片管。例如：省煤器中每公斤水需吸收熱量314KJ。如果采用光管，需0.497米長(zhǎng)的管子，如果采用同管徑的肋片管。只需0.05米的管子；顯然后者可以縮小尺寸。從傳熱的觀點(diǎn)來(lái)分析，要提高傳熱量，就要減小傳熱的總熱阻。余熱鍋爐管子外面流

15、的是煙氣，管內(nèi)流的是水或汽或汽水混合物，前者的熱阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者，相差幾十倍幾百倍，所以就要從管外側(cè)想辦法來(lái)改善傳熱，最有效的措施就是增加管外側(cè)表面積，也就是采用管外加肋片的肋片管。§2 受熱面的設(shè)計(jì)計(jì)算余熱鍋爐的產(chǎn)汽過(guò)程是通過(guò)省煤器、蒸發(fā)器及過(guò)熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。也就是通過(guò)管子把管外煙氣的熱量傳給管內(nèi)的流體（水或汽）。在運(yùn)行中，如果省煤器和蒸發(fā)器傳過(guò)的熱量少，那么蒸汽產(chǎn)量少，蒸汽壓力低。如果過(guò)熱器傳過(guò)熱量少，“就使蒸汽出口溫度低。另外，受熱面處在高溫?zé)煔庀鹿ぷ?，管?nèi)流體的流動(dòng)情況會(huì)影響管子金屬溫度，也就是影響管子強(qiáng)度，由此可見(jiàn)，這三個(gè)受熱面直接影響余熱鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。從事鍋爐運(yùn)行

16、的人員要了解產(chǎn)汽過(guò)程特點(diǎn)及傳熱的基本知識(shí)，才能分析運(yùn)行中出現(xiàn)的事故以及蒸汽參數(shù)調(diào)節(jié)的問(wèn)題。本節(jié)重點(diǎn)介紹傳熱及汽水兩相流問(wèn)題。一、熱量計(jì)算公式每個(gè)受熱面有三個(gè)熱量計(jì)算公式，一個(gè)是煙氣放出的熱量、一個(gè)是管內(nèi)流體吸收的熱量，一個(gè)是傳過(guò)去的熱量。這三個(gè)熱量是相等的，人們用熱平衡方程式來(lái)表示前二個(gè)熱量，用傳熱方程式來(lái)表示后一個(gè)熱量，現(xiàn)分別敘述之。（一）熱平衡方程式煙氣經(jīng)過(guò)某受熱面所放出的熱量，扣除散到周?chē)纳崃?，就是煙氣的有效放熱量，公式如下：Qp = jV(I I ) J/s或W（1）式中：Qp一煙氣有效放熱量；j一保熱系數(shù)，考慮散熱量的影響，通常取098099；V一煙氣流量kgs；I 一煙氣進(jìn)口焓

17、， Jkg；I 一煙氣出口焓，Jkg。管內(nèi)流體在某受熱面所吸收的熱量，用下式表示：QwG(i一i) Js或W（2）式中：Qw一管內(nèi)流體吸熱量；G一管內(nèi)流體流量kgs；i一流體出口焓，Jkg；i一流體進(jìn)口焓，Jkg。熱平衡方程式就是：Qp Qw 通常寫(xiě)成 jV(I I ) = G(i一i)（3）分析（3）式，可以看到煙氣側(cè)改變?nèi)魏我粋€(gè)物理量的大小，都影響管內(nèi)流體的吸熱量，也就是影響管內(nèi)流體的物理量的大小。例如：燃?xì)廨啓C(jī)降負(fù)荷，煙氣量V減少，如果煙氣的進(jìn)口和出口焓不變，整個(gè)煙氣放熱量減少。此時(shí)管內(nèi)流體吸熱量要減少，如果流體的流量G不變，進(jìn)口流體焓i不變，那么流體的出口焓i就要減小。同樣的理由，改變

18、煙氣焓也會(huì)影響流體的出口焓。對(duì)于省煤器和過(guò)熱器來(lái)看，管內(nèi)水或汽的流量G不隨煙氣放熱量而變，只改變水或汽的出口焓，也就是改變流體的出口溫度，而對(duì)蒸發(fā)器則不同，煙氣放熱量的變化會(huì)使蒸汽產(chǎn)量發(fā)生變化以及蒸汽壓力發(fā)生變化，這些都是運(yùn)行中需要重視的參數(shù)。公式（3）中，煙氣流量是隨燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷而改變，煙氣進(jìn)口焓也與燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷有關(guān)，煙氣的出口焓則與傳熱量大小有關(guān)，所以只有熱平衡方程式還不能確定煙氣放熱量，還需要通過(guò)傳熱方程式來(lái)計(jì)算傳熱量，最后確定煙氣放熱量。上面已提到，放熱量和吸熱量和傳熱量三者是相等的，如果傳的熱量少，煙氣的放熱量和流體吸熱量都會(huì)隨之減少，這說(shuō)明傳熱量是很重要的，計(jì)算傳熱量采用傳熱方程式

19、。圖6 肋片管的尺寸符號(hào) 圖7 受熱面的溫度分布 （a）逆流 （b）順流（二）傳熱方程式。從“傳熱學(xué)”中知道傳熱方程式的基本形式是：QK·Dt·A J/s或W （4）式中：Q一傳熱量；K一傳熱系數(shù)，W/(m2×)；Dt一平均溫差，；A一管子的傳熱面積，m2。傳熱系數(shù)K的計(jì)算復(fù)雜，見(jiàn)（四）節(jié)內(nèi)容介紹。1肋片管子的傳熱面積計(jì)算肋片管子的尺寸符號(hào)見(jiàn)圖6。管外壁的總傳熱面積包括肋片的表面積和無(wú)肋片區(qū)的管外壁面積。令A(yù)f為肋片表面積，AWb為無(wú)肋片區(qū)的管外壁面積，每米管長(zhǎng)的總面積A0AfAWb，m2/m。 （5） （6）式中：n一每米長(zhǎng)度上肋片的數(shù)目。（注：假定肋片端部絕熱

20、。）2平均溫差Dt的計(jì)算受熱面都是由多排的水平管圈組成，沿著管子長(zhǎng)度各點(diǎn)的流體溫度是逐漸變化的，同時(shí)對(duì)應(yīng)的各點(diǎn)的煙氣溫度也是逐漸變化的，因此只能求出整個(gè)受熱面的平均溫差。圖7表示三種受熱面煙氣和管內(nèi)流體的溫度分布情況。進(jìn)入受熱面的煙氣溫度為T(mén)1，經(jīng)過(guò)放熱后的煙氣溫度降到T2。進(jìn)入受熱面的水（或汽）的溫度為t1，吸熱后溫度升高，離開(kāi)受熱面時(shí)溫度為t2。圖7中表示出（a）、（b）、（c）三種情形。（a）表示熱流體（煙氣）與冷流體（水或汽）的流動(dòng)方向是相反的，稱(chēng)為“逆流”。兩種流體的高溫段位于受熱面同一側(cè)，低溫段也位于受熱面的另一側(cè)。從（a）上可以看到，被加熱的冷流體的出口溫度t2可以高于熱流體的出

21、口溫度T2，此時(shí)，沿受熱面的各處溫度差（Tt）比較一致，其數(shù)值比較大。這就是“逆流”布置的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在余熱鍋爐的省煤器和過(guò)熱器是采用“逆流”布置，熱煙氣自下而上流動(dòng)，水（或汽）自上而下流動(dòng)。（b）表示熱流體與冷流體的流動(dòng)方向是相同的，稱(chēng)為“順流”，可以看到，冷流體的出口溫度t2不能與熱流體的出口溫度T2相同，至少要保持一個(gè)差值即（T2t2）0。同時(shí)沿受熱面的溫差（Tt）的變化大，開(kāi)始溫差大，后逐漸減小，整個(gè)受熱面的溫差的平均值比較小。（c）表示冷流體溫度沒(méi)有變化，這種受熱面就是蒸發(fā)器。因?yàn)楫?dāng)水變成蒸汽的過(guò)程中，飽和溫度是不變的。不論采用“逆流”布置或“順流”布置，其溫差的數(shù)值是相同的。所以余

22、熱鍋爐的蒸發(fā)器可采用”“順流”布置。管子的平均溫差用下列公式計(jì)算 （7）式中：Dtd一熱、冷流體溫差的最大值；Dtx一熱、冷流體溫差的最小值。上述符號(hào)的意義表示在圖7上。公式（7）稱(chēng)為“對(duì)數(shù)平均溫差”，是根據(jù)理想條件下推導(dǎo)出的。理想條件包括：?jiǎn)喂堋⒘黧w比熱不變、對(duì)流換熱系數(shù)不變。而實(shí)際受熱面是多管的，流體比熱隨溫度而變化，對(duì)流換熱系數(shù)也是在變化的，所以實(shí)際使用時(shí)，用修正系數(shù)進(jìn)行修正，得到實(shí)際受熱面的對(duì)數(shù)平均溫差是yDt。余熱鍋爐各受熱面的蛇行管的彎曲數(shù)都超過(guò)四流程，所以修正系數(shù)y接近1。例題1：已知省煤器進(jìn)口水溫是110，出口水溫是180，煙氣進(jìn)口溫度是230，出口溫度降到185，試計(jì)算逆流及

23、順流布置時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差。解：順流布置時(shí)，Dtd230110120，Dtx1851805于是，逆流布置時(shí)，Dtx23018050， Dtd18511075于是，例題一的答案表明，順流布置時(shí)，對(duì)數(shù)平均溫差要小。如果傳過(guò)同樣的熱量，從公式（4）可以看出，需要的受熱面的面積大，需增大72左右，所以余熱鍋爐中采用逆流布置。（三）肋片管的傳熱過(guò)程1清潔管壁面的傳熱過(guò)程圖8表示了肋片管的傳熱，假定金屬壁面是清潔的，沒(méi)有污垢層，可以認(rèn)為傳熱有三個(gè)階段，現(xiàn)分別敘述如下：圖8 肋片管的傳熱圖9 肋片效率Ef（1）第一個(gè)階段：煙氣對(duì)金屬壁的傳熱。煙氣的溫度是T，分別與肋片壁與管外壁接觸，管外壁的溫度是twb，肋片

24、壁的溫度是tx。可以根據(jù)公式（4）的形式，分別寫(xiě)出傳熱量公式，Q1是傳給助片壁的熱量，Q2是傳給管外壁的熱量。 （8） （9）煙氣總傳熱量（10）上式中的肋片壁溫tx是一個(gè)平均溫度值，距離管外壁近的肋片根部的溫度接近管外壁溫twb，而在肋片頂端處的溫度要比管外壁溫twb高，所以采用平均值。tx的數(shù)值與以下物理量有關(guān)：管外壁溫度、管子尺寸、肋片尺寸、金屬壁的導(dǎo)熱系數(shù)、煙氣的換熱系數(shù)等。經(jīng)數(shù)字推導(dǎo)并加整理，得到助片效率Ef和系數(shù)B。（11）（12）兩者的關(guān)系Ef = f（B）示于圖9中。式中：lb金屬壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·)a1煙氣對(duì)壁的換熱系數(shù)W（m2·）。其余符號(hào)見(jiàn)圖6及

25、圖8所示。肋片效率Ef 的物理意義表明金屬本身的熱阻的影響。從公式（11）中可以看到，當(dāng)金屬有熱阻時(shí)，tx大于twb，Ef是一個(gè)小于1的數(shù)值。在理想情況下，金屬?zèng)]有熱阻，tx 等于twb，肋片效率Ef = 1。將（11）公式中的（Ttx）代人公式（10）中，得到第一階段傳熱量為： （13）（2）第二個(gè)階段：從管外壁到管內(nèi)壁的傳熱量為：（14）式中：b管壁厚度，m；tnb管內(nèi)壁溫度，；Ab用平均直徑計(jì)算的管子平均面積，m2。（3）第三個(gè)階段：從管內(nèi)壁到管內(nèi)流體的傳熱量為：（15）式中：a2 管內(nèi)流體的換熱系數(shù)，W/（m2·）； Anb管內(nèi)壁面積，m2 t管內(nèi)流體的平均溫度，。在穩(wěn)定傳熱

26、過(guò)程中，上述的三個(gè)階段的傳熱量是相等的，得到QQIQIQIII，將各Q值代入后，加以整理，得到根據(jù)得到（16）可以寫(xiě)成公式（4）的通用形式，（17）式中：A0肋片、管外壁總面積，A0Af Awb ；Dt對(duì)數(shù)平均溫差，K總傳熱系數(shù)，W/（m2·）。其計(jì)算見(jiàn)（四）節(jié)內(nèi)容2壁面有污垢的傳熱過(guò)程圖（10）表示有污垢時(shí)的傳熱，由于污垢層的熱阻大，使管外壁溫twb降低，依此類(lèi)推，最終使冷流體的溫度降低，達(dá)不到預(yù)定的加熱溫度。當(dāng)余熱鍋爐受熱面存有污垢時(shí)，就有此現(xiàn)象產(chǎn)生，污垢厚度越厚，此現(xiàn)象越嚴(yán)重。污垢層的傳熱量可按照公式（14）的形式工程上直接用污垢系數(shù)來(lái)表示污垢層的熱阻。Rw表示外壁的污垢系數(shù)，

27、Rwbrw/lrw；Rn表示內(nèi)壁的污垢系數(shù)，Rnbrn/lrn?？紤]到污垢層比較薄，近似認(rèn)為AwwA0，AnwAnb，九得到：（18）（19）將以上兩式與其他三項(xiàng)傳熱量合并后，得到：（20）比較公式（16）與公式（20），可以看出，由于等號(hào)左邊增加了兩項(xiàng)，使數(shù)值變大，等號(hào)右邊的（Tt）的差值也變大，表示冷流體被加熱的溫度要降低，即余熱鍋爐產(chǎn)汽量或蒸汽出口溫度均要降低，這說(shuō)明受熱面結(jié)垢對(duì)運(yùn)行是不利的。（四）肋片管的傳熱系數(shù)計(jì)算將公式（20）寫(xiě)成通用形式：得到傳熱系數(shù)：（21）上式第一項(xiàng)是煙氣換熱的熱阻，第二項(xiàng)是煙氣側(cè)壁面的污垢熱阻，第三項(xiàng)是金屬管壁熱阻，第四項(xiàng)是管內(nèi)壁污垢熱阻和管內(nèi)流體換熱的熱阻

28、。計(jì)算傳熱系數(shù)K，首先要計(jì)算a1、a2、以及Rw、Rn、lb。現(xiàn)分別敘述如下。1金屬管壁導(dǎo)熱系數(shù)lb。對(duì)于碳鋼的管材，當(dāng)溫度為20時(shí)，lb 46W/（m·），隨著溫度升高而略有降低，當(dāng)溫度在100200之間，lb 40W/（m·）。對(duì)于含鉻鋼管，當(dāng)溫度在400時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)lb 38W/（m·），過(guò)熱器常采用鉻鋼來(lái)制造。2管外壁和管內(nèi)壁的污垢系數(shù)管外壁的污垢包括氧化膜及積灰，其污垢系數(shù)Rw隨燃料氣的性質(zhì)而定，燃用天然氣時(shí)，Rw可取0.00035m2·W，燃用油時(shí)，Rw 可取0.0008m2·W管內(nèi)壁的污垢包括氧化膜及水垢，采用水處理的軟化水作為鍋

29、爐給水時(shí)，污垢系數(shù)Rn可取0.00010.0002m2·W。當(dāng)軟化水質(zhì)量不合格，水垢層厚度會(huì)變厚，使污垢系數(shù)隨運(yùn)行時(shí)間增加而增加。所以要保證鍋爐給水的質(zhì)量。3煙氣換熱系數(shù)a1 肋片管采用正三角形錯(cuò)列布置時(shí)，換熱系數(shù)a1可用布里格斯的實(shí)驗(yàn)公式。（22）式中：Sf ，Y，Df ，Dw結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖6；Re雷諾數(shù)，Pr普朗特?cái)?shù)， w煙氣在最小通流截面處的流速，m/sr煙氣密度，kg/m3m煙氣粘度（粘性系數(shù)），Pa×scp煙氣定壓比熱，J/kg×l煙氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/m×當(dāng)肋片管的結(jié)構(gòu)尺寸確定后，其余物理量都與煙氣溫度有關(guān)，其中煙氣流速還與煙氣流量有關(guān)。通常煙氣的

30、換熱系數(shù)a1 的數(shù)值范圍是幾十，所以其熱阻大，是決定傳熱系數(shù)的主要因素，余熱鍋爐運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷變化也取決于煙氣換熱系數(shù)，例如，當(dāng)煙氣流量增加，煙氣流速就增大，雷諾數(shù)Re增大，換熱系數(shù)a1就加大，傳熱系數(shù)K也變大，傳熱量增加，使余熱鍋爐的產(chǎn)汽量增加。反之，煙氣流量減少，換熱系數(shù)也減小，傳熱量就少，產(chǎn)汽量也少。注：關(guān)于一般的傳熱計(jì)算，傳熱系數(shù)K，熱阻，熱阻中的關(guān)鍵項(xiàng)煙氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)。例題2：已知某處煙氣流速17m/s，溫度375，當(dāng)煙氣（質(zhì)量）流量不變，溫度升高到450時(shí)，分析換熱系數(shù)a1的變化。解：按布里格斯的實(shí)驗(yàn)公式，計(jì)算結(jié)果如下：溫度lPrm / rwRe3750.04890.70257.4

31、×10617296167Dw4500.05380.70669.14×10619274391Dw得：a450 / a375 1.043注：質(zhì)量流量不變，通流面積不變，煙氣的體積與絕對(duì)溫度成正比，流速也就與絕對(duì)溫度成正比，從而得到450時(shí)的速度。l，m，或nm / r 等一般可從工程手冊(cè)上查到。雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)可根據(jù)定義式計(jì)算，其中定壓比熱一般也可查到。在變化不大的情況下，定壓比熱可以認(rèn)為是常數(shù)。另外，密度r可以根據(jù)狀態(tài)方程求得。在本例情況下，壓力不變，密度與絕對(duì)溫度成反比。由本例得，換熱系數(shù)增加了4.3。通常情況下，溫度變化1，換熱系數(shù)變化0.057。4管內(nèi)流體換熱系數(shù) （1

32、）單相流體換熱系數(shù)a2的計(jì)算，如在省煤器內(nèi)和過(guò)熱器內(nèi)的情況，可用公式：（23）式中，l管內(nèi)流體的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m×)； Dn管內(nèi)徑，m。（2）兩相流體的換熱系數(shù)計(jì)算，如在蒸發(fā)器內(nèi)的情況，比較復(fù)雜，為汽水兩相流動(dòng)，又是沸騰過(guò)程。推薦使用下述公式計(jì)算蒸發(fā)器內(nèi)有沸騰的兩相流換熱系數(shù)：a2SaFadl （24）式中，aF沸騰換熱系數(shù)； adl強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)； S修正系數(shù)，與汽水兩相參數(shù)F有關(guān)，與雷諾數(shù)Re有關(guān)，可從圖11查得。F的計(jì)算公式為公式27?？梢?jiàn)換熱系數(shù)由兩部分加權(quán)迭加而得，一部分考慮沸騰換熱，一部分考慮強(qiáng)迫對(duì)流換熱。a沸騰換熱系數(shù)aF ：（24）式中，C與壓力有關(guān)的系數(shù)，查圖1

33、2； q管內(nèi)壁熱負(fù)荷，W/m2， qQ/An ；圖11 修正系數(shù)S 圖12 系數(shù)C與壓力的關(guān)系b兩相強(qiáng)迫對(duì)流時(shí)的換熱系數(shù)adl ：（25）式中：a2*假定管內(nèi)全是飽和水時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)，用（23）式計(jì)算； F存在蒸汽的修正系數(shù)，F(xiàn) 3.5(X t t)0.5 （26） Xt t是考慮水中有汽水共存時(shí)的兩相參數(shù)：（27）式中，r/r飽和汽與飽和水的密度比； m/m飽和水與飽和汽的粘性系數(shù)比； x平均質(zhì)量含汽率，（28） D出口處蒸汽流量； G入口處水的流量。三、在運(yùn)行條件下受熱面?zhèn)鳠崃康淖兓慌_(tái)余熱鍋爐的產(chǎn)汽量與吸收的熱量有關(guān)，也就是與傳熱量有關(guān)。在運(yùn)行條件下，各種因素都會(huì)影響到余熱鍋爐的產(chǎn)汽量

34、，現(xiàn)分析如下。（一）煙氣流量變化已知A余熱鍋爐的進(jìn)口煙氣量為135.5kg/s，現(xiàn)煙氣量降為97.2kg/s；假走進(jìn)口煙氣溫度不變，此時(shí)蒸發(fā)器產(chǎn)汽量將如何變化？圖13 產(chǎn)汽量與煙氣參數(shù)的關(guān)系煙氣量下降為原值的71.7，煙氣的換熱系數(shù)下降為原值的78.8，假定其它各項(xiàng)熱阻不變，總熱阻增加1.23倍，傳熱系數(shù)下降為原值的81.6。由于傳熱系數(shù)下降的幅度小于煙氣量的下降幅度，表明蒸發(fā)器出口處的煙氣溫度也要下降，最終平衡在一個(gè)新的位置上，經(jīng)試算后，傳熱量為原值的73時(shí)是合適的。此時(shí)煙氣量下降為71.7，產(chǎn)汽量下降為73，離開(kāi)蒸發(fā)器的煙氣溫度比原設(shè)計(jì)值下降5，考慮到進(jìn)入省煤器的煙氣溫度降低，省煤器的平均

35、溫差下降得多，可以認(rèn)為生產(chǎn)飽和蒸汽的A余熱鍋爐的產(chǎn)汽量與煙氣量成比例，圖13示出了產(chǎn)汽量與煙氣量的線性關(guān)系。（二）煙氣溫度變化煙氣溫度的變化影響平均溫差，同時(shí)也影響傳熱系數(shù)。例題二的數(shù)據(jù)說(shuō)明溫度對(duì)傳熱系數(shù)的影響不大，主要是影響平均溫差?，F(xiàn)在仍然用A爐中的蒸發(fā)器為例說(shuō)明影響傳熱量的大?。串a(chǎn)汽量的大?。Ｔ跓煔饬髁坎蛔兊臈l件下，假定進(jìn)口煙氣溫度下降到400，先假定離開(kāi)蒸發(fā)器的煙氣溫度不變時(shí)，得到煙氣有效放熱量降為原值的56，平均溫差降為原值的69，傳熱系數(shù)降為原值的96.7，傳熱量降為原值的66.7，顯然，此熱量與煙氣放熱量不同，表明傳熱能力大，使離開(kāi)蒸發(fā)器的煙氣溫度必然會(huì)下降。經(jīng)試算后，得到離

36、開(kāi)蒸發(fā)器的煙氣溫度為207，此時(shí)煙氣有效放熱量為28840kW，傳熱量為28822kW，兩者相符。熱量為原值的58，即產(chǎn)汽量為51400kg/h。選用多種煙氣流量數(shù)值和煙氣溫度數(shù)值，可以算出各個(gè)平衡點(diǎn)，平衡點(diǎn)組成的曲線示于圖13中。當(dāng)煙氣量不變時(shí)，溫度與產(chǎn)汽量也是直線關(guān)系。圖13是根據(jù)A余熱鍋爐制定的，可供運(yùn)行人員參考，（該圖由廠方提供）。應(yīng)該說(shuō)明，對(duì)于具有過(guò)熱器的余熱鍋爐，因蒸汽出口溫度與產(chǎn)汽量有關(guān)，計(jì)算比較復(fù)雜，但基本原理是相同的，此處就不敘述。四、煙氣流阻煙氣從燃?xì)廨啓C(jī)出口，經(jīng)煙道、各受熱面直到煙囪出口，是靠自身具有的排氣壓力，也就是說(shuō)燃?xì)廨啓C(jī)出口的排氣壓力要能夠克服全部流動(dòng)阻力。根據(jù)流

37、體力學(xué)的基本公式，流動(dòng)阻力可以寫(xiě)成（30）式中：w一煙氣平均流速，m/s；r一煙氣密度kg/m3 ；T一煙氣平均溫度，；p一煙氣平均壓力，可取pPO；P。一標(biāo)準(zhǔn)氣壓；r0一標(biāo)準(zhǔn)情況下煙氣的密度，kg/Nm3；A一系數(shù)，根據(jù)具體條件而定。當(dāng)流經(jīng)三角形錯(cuò)列布置的肋片管時(shí)，用公式（31）來(lái)計(jì)算A值：（31）式中：N一沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向的縱向管排數(shù)；S1一管子橫向間距，m；S2一管子斜向間距，m。在正三角形布置時(shí)，S1S2 。在運(yùn)行條件下，煙氣流量和煙氣溫度的變化都會(huì)影響流阻的大小，從公式30和31可以推導(dǎo)其間的關(guān)系：Dp µ (273t)0.684Dp µ V1.684GE公司提供的

38、余熱鍋爐采用立式布置，煙氣向上流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自生引力，自生引力可用下式計(jì)算：Dpzsgh(rlrr)式中，h余熱鍋爐出口高度； rl外界冷風(fēng)密度；rr平均溫度下的煙氣密度。自生引力與煙氣溫度有關(guān)，煙氣溫度越高，則自生引力也越大。煙氣的流動(dòng)阻力由煙氣壓力降及自生引力來(lái)平衡。制造廠提供了煙氣壓力降與煙氣流量、煙氣溫度的曲線圖，示于圖15中，該圖適用于A余熱鍋爐。圖14 肋片管錯(cuò)列布置圖15 煙氣壓力損失§3 蒸發(fā)器的工作特性及其系統(tǒng)蒸發(fā)器系統(tǒng)包括：兩組蒸發(fā)器、循環(huán)泵及汽包三種主要設(shè)備。在此系統(tǒng)內(nèi)是水吸收熱量變成蒸汽，即沸騰過(guò)程。由于水平管組內(nèi)的沸騰過(guò)程會(huì)影響設(shè)備的安全性，所以本節(jié)主要敘述

39、沸騰過(guò)程的特點(diǎn)，以及各主要設(shè)備的安全性。l表示三種主要設(shè)備的連接。從省煤器出來(lái)的水進(jìn)入汽包的水空間，與汽包內(nèi)的水均勻混合后，從汽包底部的一根下降管到循環(huán)泵入口，水在循環(huán)泵內(nèi)升壓后，進(jìn)入蒸發(fā)器。蒸發(fā)器有兩組，是并聯(lián)的，部分水在蒸發(fā)器內(nèi)汽化成汽，汽水混合物離開(kāi)蒸發(fā)器進(jìn)入汽包，在汽包內(nèi)使汽水分離，蒸汽從汽包頂部管子引出，去用戶(hù)或去過(guò)熱器。水留在空間，再進(jìn)入下降管依次循環(huán)。一、蒸發(fā)器的熱力特性水的沸騰過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的換熱過(guò)程，煙氣加熱肋片及管壁，管壁溫度升高，使緊鄰內(nèi)壁的水溫升高，當(dāng)溫度高于飽和溫度一定值時(shí)，壁面上會(huì)有汽泡產(chǎn)生，長(zhǎng)大，然后脫離壁面與水流一同流動(dòng)，汽與水的流動(dòng)型式是多種多樣的，不同的流型

40、具有不同的熱力特性。（一）受熱時(shí)水平管內(nèi)汽水兩相流的流型圖16是一根水平管受熱時(shí)的典型圖，此圖適用于余熱鍋爐，因其熱負(fù)荷不大。現(xiàn)分析圖中各區(qū)域的特點(diǎn)。I 泡狀流 II 塞狀流 III 彈狀流 IV 波浪狀流 V 環(huán)狀流 VI 分層流a 間歇干燥區(qū) b 長(zhǎng)期干燥區(qū)圖16 水平蒸發(fā)管中的流動(dòng)形式I區(qū)：壁面上形成的汽泡進(jìn)入水中，汽泡較小。當(dāng)水流速低時(shí)，由于汽與水的密度不同，在重力影響下，使汽泡趨于管道的上半部，因汽泡小而數(shù)量多，稱(chēng)為“泡狀流”。沿管內(nèi)壁均有水，使管壁得到冷卻，安全性好。當(dāng)水流速增大后，水的動(dòng)能可帶動(dòng)汽泡趨于管中間，使汽泡均勻分布。II區(qū)：隨著汽泡數(shù)量增多，汽泡聚合而成大汽泡，在水流中

41、流動(dòng)，好像是個(gè)汽塞，稱(chēng)為“塞狀流”。此大汽泡也是趨于沿管上半部流動(dòng)。III區(qū)：在塞狀流的基礎(chǔ)上，汽泡又變大，變長(zhǎng)，形狀像子彈，稱(chēng)為“彈狀流”。在彈狀汽泡四周仍有水層，可以冷卻管壁。IV區(qū)：蒸汽連成一片。蒸汽的速度增大，使汽水分界面掀起擾動(dòng)的波浪稱(chēng)為“波浪狀流”，此波浪被甩到管壁上部，使上部管壁經(jīng)常有水冷卻。形成間歇干燥區(qū)。V區(qū)：當(dāng)蒸汽速度很高，汽流就位于管道中心流動(dòng)，形成汽核，在汽核周?chē)幸粚铀?，通常是下部水膜厚，上部水膜薄。水膜沿管?nèi)壁呈環(huán)狀，故稱(chēng)為“環(huán)狀流”。如果上部失去水膜，形成長(zhǎng)期干燥區(qū)，將使管壁得不到冷卻而超溫?fù)p壞。VI區(qū)：管內(nèi)水流速和蒸汽流速都很低時(shí)，由于重力的影響，使蒸汽沿管道

42、上部流動(dòng)，水沿管道下部流動(dòng)，在蒸汽上部邊界沒(méi)有水膜，汽與水的分界面很光滑，稱(chēng)為“分層流”。以上六種流動(dòng)型式的熱力（傳熱）和水力（流阻）特性是不同的。從安全性的角度來(lái)看，只有“分層流”是不好的，所以蒸發(fā)器在運(yùn)行中，不允許出現(xiàn)“分層流”。下面將逐步解釋此問(wèn)題。（二）水沸騰的傳熱過(guò)程沸騰的定義是：在水的內(nèi)部（而不是水的表面）產(chǎn)生汽泡的汽化過(guò)程。例如管內(nèi)是飽和水，吸熱后，在管壁上就會(huì)形成汽泡，這就叫沸騰。沸騰過(guò)程可分兩種，一種是大空間沸騰，水是依靠自然對(duì)流作上下運(yùn)動(dòng)的，例如家庭用水壺?zé)_(kāi)水、壺底的水吸熱后上升，周?chē)乃陆滴鼰?，最后使壺?nèi)之水溫都升高。另一種是對(duì)流沸騰，即水在管內(nèi)流動(dòng)而沸騰，余熱鍋爐的

43、蒸發(fā)器內(nèi)的水就屬于對(duì)流沸騰。由于蒸發(fā)器內(nèi)水溫的不同，又可將沸騰分為過(guò)冷沸騰和飽和沸騰，現(xiàn)分別敘述之。1過(guò)冷沸騰過(guò)冷的意義與本章第二節(jié)中提到的欠溫是相同的，即水溫低于飽和溫度。過(guò)冷沸騰指的是：整個(gè)水溫低于飽和溫度，但在局部區(qū)域沸騰產(chǎn)汽。例如：進(jìn)入蒸發(fā)器的水溫通常是汽包壓力對(duì)應(yīng)的飽和水溫，而進(jìn)入蒸發(fā)器的水的壓力要大于汽包壓力，這是因?yàn)榻?jīng)循環(huán)泵后水壓升高，此時(shí)的水溫對(duì)應(yīng)于水壓而言，是過(guò)冷的。如果汽包壓力是4MPa，對(duì)應(yīng)的飽和水溫是250.3，當(dāng)水壓升到4.2MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的飽和水溫應(yīng)該是253.2，表明過(guò)冷度約為3”C。具有過(guò)冷度的水進(jìn)入蒸發(fā)管，管外有高溫?zé)煔饧訜?，使管壁溫度升高，?dāng)壁溫高于飽和溫度

44、時(shí)，使緊貼著管壁的水層溫度也能略高于飽和溫度，在此水層內(nèi)的水會(huì)汽化（即沸騰）。汽泡的產(chǎn)生、長(zhǎng)大和脫離將會(huì)強(qiáng)烈地?cái)_動(dòng)水層，使換熱加強(qiáng)，即換熱系數(shù)增大，這就叫做“過(guò)冷沸騰”。例題三A余熱鍋爐的蒸發(fā)器I中，進(jìn)入蒸發(fā)器的水沿最下排管內(nèi)流動(dòng)，此時(shí)最下排管子與540的高溫?zé)煔饨佑|，有可能發(fā)生過(guò)冷沸騰。一般來(lái)說(shuō)，由于管內(nèi)的水溫低于飽和溫度，當(dāng)這些汽泡脫離壁面進(jìn)入主水流中，就會(huì)發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象，此時(shí)的過(guò)冷沸騰能夠穩(wěn)定進(jìn)行。如果水流速低，管壁上部產(chǎn)生之汽泡不能脫離壁面，將會(huì)在管壁上形成汽膜，使管壁不能冷卻，因壁溫升高使強(qiáng)度下降而損壞，所以對(duì)于過(guò)冷沸騰也要注意其破壞性。2飽和沸騰水不斷被加熱，直至全部水溫達(dá)到飽和溫度

45、以后，就發(fā)生飽和沸騰。此時(shí)蒸汽不會(huì)再凝結(jié)，蒸發(fā)器的大部份管內(nèi)都進(jìn)行著飽和沸騰。為了計(jì)算傳熱量，需要了解飽和沸騰時(shí)的換熱系數(shù)的計(jì)算。飽和沸騰的傳熱隨流動(dòng)型式而不同，通常可以分為二類(lèi)，一類(lèi)是圖16中的泡狀流、塞狀流、彈狀流，其特點(diǎn)是汽泡周?chē)加兴畬哟嬖冢菰谒髦辛鲃?dòng)，稱(chēng)為“飽和泡態(tài)沸騰”。另一類(lèi)是圖16中的環(huán)狀流，水在四周流動(dòng)，汽在中心區(qū)流動(dòng)，各自有流通截面和流速，稱(chēng)為“兩相強(qiáng)迫對(duì)流”，這兩種沸騰的產(chǎn)汽方式也是不同的。（1）飽和泡態(tài)沸騰：汽泡常在管壁上產(chǎn)生、長(zhǎng)大、再脫離。從管壁上帶走熱量有兩種方式。一種是汽泡生成需要熱量，汽泡脫離就帶走熱量。另一種是靠壁面內(nèi)的水層的換熱來(lái)帶走熱量，兩者都起作用

46、，綜合后使傳熱增強(qiáng)，所以換熱系數(shù)很大。（2）兩相強(qiáng)迫對(duì)流：管內(nèi)壁處有水層，水層的水溫比飽和溫度大的數(shù)值不足以在管壁上形成汽泡。也就是說(shuō)水溫的過(guò)熱度不夠。此時(shí)只能靠水層內(nèi)水的流動(dòng)所形成的對(duì)流換熱，把管壁的熱量轉(zhuǎn)移到水層，使水層與蒸汽的分界面上有水蒸發(fā)成蒸汽，連續(xù)的蒸發(fā)過(guò)程就把熱量帶走。這種“環(huán)狀流”的水和汽流速高，水層的對(duì)流換熱強(qiáng)，所以水層的溫度難以升高到有足夠的過(guò)熱度，對(duì)于這種在汽水表面產(chǎn)汽的過(guò)程，通常不叫“沸騰”，而命名為“兩相強(qiáng)迫對(duì)流”。在實(shí)際工程中可以根據(jù)熱負(fù)荷、質(zhì)量含汽率等參數(shù)來(lái)確定沸騰的形式，作為計(jì)算傳熱系數(shù)，兩者差別不大，同時(shí)考慮到沿管段的熱負(fù)荷和質(zhì)量含汽率都是在變化的，也難以精確

47、分開(kāi)，所以不再分別敘述其傳熱計(jì)算。國(guó)外學(xué)者認(rèn)為；飽和泡態(tài)沸騰和兩相強(qiáng)迫對(duì)流的汽化過(guò)程中，都存在泡態(tài)沸騰和對(duì)流兩種傳熱機(jī)理。例如從管壁上產(chǎn)汽，出現(xiàn)小汽泡，這是泡態(tài)沸騰。不產(chǎn)汽泡的區(qū)域有水層流動(dòng)，這是對(duì)流傳熱，同樣，在兩相強(qiáng)迫對(duì)流過(guò)程中，水層表面形成的蒸發(fā)過(guò)程，也擾亂了水層，其作用與泡態(tài)沸騰相同。3傳熱過(guò)程：水沸騰時(shí)的換熱系數(shù)是很大的。從例題三的計(jì)算中，可以看到兩相對(duì)流的換熱系數(shù)為單相對(duì)流的3.9倍，即3.9×502419593.6W/(m2)，泡態(tài)沸騰時(shí)的換熱系數(shù)為（19130.2，誤）6923.7W/(m2)。最后的沸騰換熱系數(shù)為（38724，誤）20286W/(m2)。下面將對(duì)上節(jié)

48、計(jì)算公式加以說(shuō)明。沸騰時(shí)換熱系數(shù)達(dá)到五位數(shù)字，這是因?yàn)槠莸漠a(chǎn)生，長(zhǎng)大和脫離嚴(yán)重地?cái)_亂了水的邊界層，使水分子活躍，增加了紊流度，使換熱增強(qiáng)。關(guān)于附面層問(wèn)題，層流底層。下面的內(nèi)容需要簡(jiǎn)單講解流體的粘性、粘性系數(shù)，氣體和液體粘性系數(shù)隨的變化等。蒸發(fā)器管內(nèi)的水的沸騰過(guò)程包括“泡態(tài)沸騰和兩相對(duì)流“的傳熱過(guò)程，所以采用公式（24）的計(jì)算型式。（1）adl 是兩相流強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)，在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，可以寫(xiě)成通用型式：式中的導(dǎo)熱系數(shù)l、雷諾數(shù)Re和普朗特?cái)?shù)Pr，都是汽和水兩相流的物理量，實(shí)際中難以確定。所以按照單相飽和水在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的各物理量來(lái)計(jì)算換熱系數(shù)，然后用試驗(yàn)方法，找出修正系數(shù)F，經(jīng)多次試驗(yàn)結(jié)果，得到

49、有汽存在時(shí)的修正系數(shù)F3.5（X tt）0.5。當(dāng)含汽量增加，意味著汽泡多，其擾動(dòng)加劇使換熱加強(qiáng)，從公式（28）也可以看出含汽率X增加，兩相參數(shù)X tt值減少，系數(shù)F增加。隨著壓力增加，蒸汽的密度增加，水的密度降低(解釋?zhuān)猴柡蜖顟B(tài)的溫度和壓力是一一對(duì)應(yīng)的，壓力增加意味著溫度增加，因此水的密度下降)。水的粘度減小，而汽的粘度略增，汽與水的物性差別減小，說(shuō)明汽泡之作用減弱，使換熱減弱，從公式（28）也可以看出壓力增加使汽水密度比增加，使X tt值增加，盡管水汽粘度比減小，但其占的比重小。綜合后仍使Xtt值增加，系數(shù)F減小。（2）SaF 是管內(nèi)沸騰時(shí)的換熱系數(shù)aF 是考慮沸騰時(shí)汽泡的作用而具有的換熱

50、系數(shù)，通常是按照大容積沸騰換熱來(lái)計(jì)算的，經(jīng)過(guò)許多學(xué)者試驗(yàn)總結(jié)，大容積沸騰換熱系數(shù)與熱負(fù)荷0.7次方成比例，還與汽和水的物性有關(guān)，例如：導(dǎo)熱系數(shù)、密度、粘度、表面張力、比熱等等。在飽和狀態(tài)下，這些物性都與壓力有關(guān)，所以用物性系數(shù)C來(lái)表示，整理為aF C·q0.7，即公式（25），C可從圖12中查得。由于管內(nèi)流動(dòng)條件下的沸騰與大容積沸騰有差別，所以用修正系數(shù)S來(lái)修正，此修正系數(shù)是按照試驗(yàn)結(jié)果而整理的。當(dāng)水流的雷諾數(shù)大，表明偏離大容積沸騰的程度大，S值就小，當(dāng)水流中含汽量大，蒸汽存在的形式會(huì)以彈狀、環(huán)狀為主，此時(shí)考慮蒸汽存在的系數(shù)F增加，也表明遠(yuǎn)離大容積沸騰，此時(shí)S值也減小。反之，含汽量少

51、，汽以泡態(tài)形式存在，接近大容積沸騰，S值就大，從例題三的計(jì)算中，蒸發(fā)器內(nèi)的水沸騰換熱系數(shù)是大容積沸騰換熱系數(shù)的10，即S值為0.1，盡管S值小，仍保證沸騰換熱系數(shù)達(dá)到一萬(wàn)以上。以上討論的傳熱過(guò)程都是正常流型下的換熱，總的換熱系數(shù)大，是安全的。現(xiàn)用例題三的計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明其安全性。利用公式（15）及考慮污垢的公式（19），得到已知Q49714×103W，a2（38724誤）20286 W/(m2)得到tnb一t15.64 （12.5，誤）已知水溫為195.4，則管壁溫度tnb 為211.04（208誤），碳鋼管材可以在400下長(zhǎng)期工作，所以是安全的。（三）汽水分層汽水分層即是圖16中的分

52、層流，下部是水沸騰流動(dòng)，上部是汽流動(dòng)。1分層流的傳熱分層流是在水流速很低時(shí)出現(xiàn)的流動(dòng)型式，此時(shí)蒸汽流速也很低。管內(nèi)有水的區(qū)域，仍能有較好的傳熱效果。水速低，接近大容積沸騰，其換熱系數(shù)仍很大，使管壁溫度為正常值。在蒸汽區(qū)域，沒(méi)有水，因蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)只是水導(dǎo)熱系數(shù)的5.5，所以其換熱系數(shù)小。再加上蒸汽流速低，更不利于換熱。當(dāng)蒸汽流速為2m/s時(shí)，壓力參數(shù)與例題三相同，此時(shí)蒸汽的換熱系數(shù)a2為140W/(m2)，將此數(shù)值用來(lái)計(jì)算管壁溫度。此時(shí)管壁溫度為661.4，很顯然，這個(gè)溫度超出了碳鋼承受的溫度，使管材的強(qiáng)度大大下降而導(dǎo)致管子破壞。換句話說(shuō)，在上述情況下，因蒸汽的換熱系數(shù)小，不能把蒸汽側(cè)的管壁的

53、熱量帶走，故使壁溫上升。注：這只是一個(gè)孤立的計(jì)算。實(shí)際上，由于燃機(jī)排氣溫度只有500600，管壁溫度不可能升高到如此高的溫度。2分界面的疲勞應(yīng)力汽水分層的界面常常會(huì)上下變化，使得這部分管壁交替地與汽、水接觸，與汽接觸時(shí)則壁溫上升，與水接觸時(shí)壁溫下降。由于壁溫的交替變化，使材料產(chǎn)生疲勞熱應(yīng)力，減弱其工作的安全性。綜合以上兩點(diǎn)，對(duì)水平式蒸發(fā)器而言，必須防止汽水分層的產(chǎn)生，這是設(shè)計(jì)者和運(yùn)行者都需要注意的事項(xiàng)。3引起汽水分層的因素前面已提到分層是在水速和汽速都很低的條件下產(chǎn)生的。除此以外，還與壓力、質(zhì)量含汽率x、管子內(nèi)徑、熱負(fù)荷q有關(guān)。(1)流速的影響在蒸發(fā)管內(nèi)水連續(xù)汽化，各個(gè)管截面處的兩相混合物的流速也隨之而變化，很難用混合物的實(shí)際流速來(lái)表示流速的大小。人們常用“質(zhì)量流速”來(lái)表示通常的“流速”大小。其定義是：?jiǎn)挝唤孛嫔蠁挝粫r(shí)間內(nèi)流過(guò)的質(zhì)量，單位為kg/s×m2。對(duì)管子而言，管徑不變則其流通截面不變。根據(jù)質(zhì)量不滅定律，管內(nèi)流體的質(zhì)量也不變，所以管子各個(gè)截面處的質(zhì)量流速都是相同的數(shù)值，使用起來(lái)十分方便?？梢杂萌肟谔幍馁|(zhì)量流速來(lái)表示整根管子的流速。用G（kg/s）表示質(zhì)量流量，f表示面積，整理后得到：（所謂質(zhì)量流速即“密流”。）式中，r入口處水的密度；w0入口處水的流速，此流速又稱(chēng)為“循環(huán)流速”，是常用的參數(shù)。當(dāng)管徑、壓力