第11章鍋爐水動力學及鍋內傳熱基礎=西安交通大學-鍋爐原理

0第11章鍋爐水動力學及鍋內傳熱基礎鍋爐性能優(yōu)劣取決于鍋內過程和爐內過程能否良好配合。組織良好的鍋內過程，就是組織管內工質的合理流動，在各種參數(shù)條件下都能夠使工質從火焰或煙氣吸收足夠的熱量，并且要確保管壁得到充分冷卻。111.1流型及流動參數(shù)

11.1.1鍋爐水循環(huán)方式鍋筒是特征水質要求低，易調節(jié)；臨界以下，P高金屬耗多，驅動力下降也稱輔助或控制循環(huán)管布置靈活，循環(huán)泵工作條件差各種壓力可用，超臨界惟一。阻力大強制與直流的結合產物211.1.2汽液兩相流的流型

1.垂直管內汽液兩相流體主要流型圖11-2受熱垂直上升管汽液兩相流流型圖11-3受熱垂直上升管中沸騰時的兩相流流型隨熱流密度增加而變化的示意圖1－汽泡狀沸騰開始線；2－汽泡狀沸騰終止線；3－蒸干線；4－過熱蒸汽線32.水平管內汽液兩相流體主要流型圖11-4受熱水平蒸發(fā)管汽液兩相流流型3.研究兩相流體的流動模型①均相流模型。兩相流體非常均勻，具有平均流體特性的均質單相流體，沒有相對速度且熱力學平衡。該模型可以應用單相流體的各種方程式。最適用于泡狀流型。②分相流模型。假定兩相完全分開，各自以一平均流速流動，即兩相流速不等但已經達到熱力動態(tài)平衡。可以對每一相流體寫出一組基本方程式。該模型比較精確但是很復雜，最適宜用于環(huán)狀流型。411.1.3汽液兩相流的基本參數(shù)56循環(huán)流速、質量流速、以及折算流速三個參數(shù)雖然都稱為速度，但是它們都是代表流量的參數(shù)。7891011表明截面含汽率與質量含汽率或容積含汽率之間的關系121311.2流動阻力鍋爐管內工質既有單相流體，又有汽液兩相流體，它們在管內流動時由于需要克服各種阻力會產生一定的壓力降。1411.2.1摩擦阻力151611.2.2重位壓降

1711.2.3加速壓降

1811.2.4局部阻力1911.3鍋爐管內傳熱圖11-5垂直管內強迫對流沸騰的換熱工況

11.3.1管內傳熱過程1.管內沸騰換熱的工況區(qū)間圖11-6垂直管內對流沸騰放熱系數(shù)與熱負荷、含汽率的關系2.換熱機理及放熱系數(shù)的變化規(guī)律3.熱負荷對沸騰換熱的影響2011.3.2沸騰傳熱惡化及其防止措施1.兩類沸騰傳熱惡化（1）兩類沸騰傳熱惡化的現(xiàn)象及機理由核態(tài)沸騰的工況因水不能進入壁面而轉變?yōu)槟B(tài)沸騰的傳熱惡化，通常稱為偏離核沸騰(DNB)或燒毀（Burn-out），也稱為第一類傳熱惡化。還因為這類傳熱惡化時壁溫飛升速率很快，又稱為快速危機。亞臨界壓力參數(shù)以上，可能會遇到。21

發(fā)生傳熱惡化現(xiàn)象和熱負荷、質量含汽率、質量流速、壓力及管徑有關。通常用發(fā)生傳熱惡化時的臨界熱負荷qcr(CHF)作為第一類傳熱惡化發(fā)生的特征參數(shù)

22在熱負荷q較低，含汽率x較高的液滴環(huán)狀流階段的后期，由于管子四周貼壁處的液膜已經很薄，液膜因蒸發(fā)或中心汽流的卷吸撕破使液膜部分或全部消失，該處的壁面直接與蒸汽接觸而得不到液體的冷卻，也使放熱系數(shù)α2明顯下降，壁溫升高，但壁溫的增值比第一類惡化要小，其升溫速度也較慢。這類傳熱惡化通常稱為蒸干(Dry-out)，又稱為第二類傳熱惡化或慢速危機。第二類傳熱惡化發(fā)生時的熱負荷較小，在一般的高參數(shù)直流鍋爐中，尤其在燃油鍋爐爐膛受熱面中可能遇到，而且傳熱一旦惡化，可能使壁溫超過金屬的允許值。

23通常用發(fā)生傳熱惡化時的含汽率xeh作為第二類傳熱惡化發(fā)生的特征參數(shù)影響因素的討論：q↑，各換熱區(qū)間的界限相對前移，長度縮短，使xeh點位置也相對前移，傳熱惡化提前發(fā)生；ρw<(ρw)jx，主汽流與液膜間的相對速度大，液膜易被撕破。ρw>(ρw)jx，汽流與液膜間的相互作用趨于穩(wěn)定，紊流擴散使主汽流中降到液膜上的水滴增加。P↑，ρ′↓，汽流擾動對液膜影響大，同時σ也↓，降低了液膜的保持能力，所以兩者的減小都使液膜的穩(wěn)定性降低而易被撕破，因此xeh點的位置提前；ρw對xeh的影響呈現(xiàn)非單調性。24第二類傳熱惡化的后果？壁溫升高并脈動。30～60mm范圍，60～125℃。原因：部分液膜雖撕破，管壁仍殘留細小液流，蒸汽和殘余液流交替接觸管壁；流量微小波動使分界線波動，燒干位置前后移動；中心汽流的液滴可能時而撞擊壁面。要求：惡化區(qū)管壁與工質溫差≯80℃。25（2）兩類傳熱惡化的異同相同：管壁與蒸汽直接接觸、放熱系數(shù)減小、壁溫飛升。q↑，xeh↓，惡化點提前。不同：機理不同，所處的流動結構和工況參數(shù)不同，引起的后果也不相同。第一類第二類惡化后管子中部為含有汽泡的液體惡化后管子中部為含有液滴的蒸汽轉入膜態(tài)沸騰然后再過渡到欠液區(qū)直接轉入欠液區(qū)通常發(fā)生在x較小或欠熱(x<0)時，以及熱負荷高的區(qū)域通常發(fā)生在x較大時，以及熱負荷低的區(qū)域α2稍低α2稍高壁溫飛升幅度大壁溫飛升幅度小26（3）不均勻加熱對傳熱惡化的影響兩種不均勻：沿長度及沿周向。熱負荷分布不均勻性通常采用兩個指標來表示，即qmax/qpj及qmax/qmin，其中qmax、qpj和qmin分別為最大熱負荷、平均熱負荷和最小熱負荷。qmax/qpj通常稱為熱負荷不均勻系數(shù)。不均勻加熱的傳熱惡化兩種不同的觀點：一種認為傳熱惡化只是一種局部現(xiàn)象，當局部區(qū)域工況參數(shù)(P，q，x，ρw，d)達到會發(fā)生惡化對應的數(shù)值時，就會發(fā)生傳熱惡化；另一種認為傳熱惡化現(xiàn)象是整體現(xiàn)象，惡化點以前管道內的熱負荷分布將直接影響到惡化時的熱負荷q與含汽率xeh的關系，即惡化點上游的工況參數(shù)對下游有影響。不同的觀點具有不同的確定傳熱惡化點的方法。27（3）不均勻加熱對傳熱惡化的影響當沿管長不均勻時，隨不均勻系數(shù)的變化，惡化位置可能在出口，也可能在中間，后者主要發(fā)生在熱負荷偏差較大時，此時惡化點移向熱負荷最大區(qū)。沿管長均勻加熱時，惡化點首先出現(xiàn)在出口截面。試驗證明，第一類惡化與沿管長熱負荷分布有關，符合整體現(xiàn)象；第二類惡化與沿管長熱負荷分布無關，可看作局部現(xiàn)象。鍋爐中通常是第二類化，我國主要是采用局部現(xiàn)象的觀點來處理。28（3）不均勻加熱對傳熱惡化的影響垂直管周不均時，惡化首先發(fā)生在管內壁熱負荷最大的向火側，P、q、x、ρw等工況參數(shù)對傳熱惡化的影響規(guī)律定性上與均勻加熱時相同，但在定量上兩者卻有差別。設沿周向局部qmax與平均qpj發(fā)生惡化時的臨界熱負荷分別為qmax,cr和qpj,cr，均勻加熱時為qcr。若以qmax,cr來衡量受熱不均勻時傳熱惡化，在其它條件相同情況下，則有qmax,cr>qcr，這可能是在不均勻加熱時，熱負荷較低區(qū)的液體能以環(huán)向對流的形式向受熱強的區(qū)域擴散補充，推遲了此處傳熱惡化的發(fā)生。若以qpj,cr作為特征參數(shù)，當液體的環(huán)向對流擴散速度適應熱負荷分布的不均勻性，能夠及時補充較高熱負荷區(qū)域汽化失去的液體，qpj,cr＝qcr；若液體的環(huán)向對流擴散速度與熱負荷的分布規(guī)律不匹配，不能及時流向較高熱負荷區(qū)域汽化消失的液體，則qpj,cr<qcr，在較低的平均熱負荷下出現(xiàn)傳熱惡化，而且qmax/qpj越大，qpj,cr值越低。29（4）水平管中傳熱惡化現(xiàn)象的特點重力的影響，蒸汽偏于上半部流動，沿管子周界液膜的厚度差異很大。如果ρw很低，則在x較小處可能出現(xiàn)汽水分層現(xiàn)象。管子頂部先發(fā)生傳熱惡化現(xiàn)象，而管子下部則后發(fā)生傳熱惡化。即使管壁最高溫度不超過材料允許值，過大的上下壁溫差也是不允許的，它會使汽水分層面處的金屬發(fā)生疲勞損壞。隨著ρw增大，發(fā)生惡化時的位置推遲及上下壁的xeh的差值減小，管子壁溫飛升值及上下壁溫差明顯下降。壓力增加，傳熱惡化位置提前，在亞臨界及近臨界時管子頂端的惡化可能在工質過冷條件下開始發(fā)生，上下壁的xeh的差值增大，因此為減小Δt所需質量流速也就越高。隨著熱負荷增加，傳熱惡化提前發(fā)生，管子上壁溫飛升值及上下壁溫差增大。302.兩類沸騰傳熱惡化區(qū)域的確定

（1）兩類傳熱惡化區(qū)域的劃分實際中都是壁溫飛升，很難判斷是哪一種。只能由試驗結果，并理論分析間接判斷。在一定的壓力、質量流速和管徑下，在不同熱負荷條件下進行試驗時，得到的傳熱惡化時含汽率xeh與熱負荷q之間卻存在著兩種不同的關系。曲線1時，無法判斷第一和第二類分界點此段可用qcr表征傳熱惡化只能用xeh表征汽流中液滴能否沉積到壁面的分界點波浪狀液膜蒸發(fā)量及被汽流卷吸水量之和大于從主流沉積到液膜表面上的液滴量，液膜越來越薄，到一定程度時，波浪消失，變得平滑，稱為微觀液膜，消失時就發(fā)生第二類換熱惡化。一旦進入微觀液膜區(qū)，流動阻力會突然下降，即“阻力危機”，此時的質量含汽率為xΔp。而第二類傳熱惡化發(fā)生在“阻力危機”之后，即xeh>xΔp，但兩者數(shù)值相差不多。試驗表明，數(shù)值xΔp＝f（P，ρw），與熱負荷無關，即q的變化只影響管子截面上發(fā)生“阻力危機”的位置。31液滴能否沉降到微觀液膜上，取決于在汽流中的受力狀態(tài)。與ρw和q有關。當q較高而ρw較低時，主流中的液滴不能沉積到微觀液膜上，即微觀液膜得不到主流的濕潤，則從發(fā)生“阻力危機”截面xΔp到傳熱惡化截面xeh之間，由微觀液膜所蒸發(fā)的含汽率Δx基本是一個常數(shù)，也與q無關。由xeh＝xΔp＋Δx＝f（P，ρw），xeh與q無關，出現(xiàn)bc垂直段，這種現(xiàn)象一直持續(xù)到較低的熱負荷c點為止。此時，xeh比xΔp

要大得少些，壁溫飛升值較高。當q較低而ρw較高時，液滴能沉積到液膜上，xeh增加，且比xΔp大得多些。壁溫飛升值較低，受熱面可正常工作。隨q降低，潤濕液膜的液滴增多，則xeh增大，xeh就與q有關了，如cd段所示。隨ρw提高，在q較高時就會潤濕液膜，c點上升，bc段縮短。當大到一定程度，c點就會和b點相重合，bc垂直段消失。32（2）傳熱惡化位置xeh的確定333.超臨界壓力的管內換熱實踐證明，超臨界壓力鍋爐的爐膛輻射受熱面在一定區(qū)域內也會發(fā)生傳熱惡化而導致爆管事故。水的工作狀態(tài)超過熱力學臨界點（Pcr＝22.064MPa，tcr＝373.99℃）時，在一個很小的溫度范圍內，物性參數(shù)發(fā)生顯著的變化。343.超臨界壓力的管內換熱當工質的定壓比熱容cp達到最大時對應的溫度,稱為擬臨界溫度或類臨界溫度。使比熱容達到極大值所對應的擬臨界溫度為相變點，工質溫度低于擬臨界溫度時為類似水的液體，高于擬臨界溫度時為類似蒸汽的氣體。擬臨界溫度和比熱極大值與壓力有關，隨著壓力的增大，擬臨界溫度有所提高，而比熱容極大值的數(shù)值降低。353.超臨界壓力的管內換熱比熱容大于8.4kJ/(kg·℃)的區(qū)域稱大比熱區(qū)。隨壓力提高，大比熱區(qū)的焓值范圍略有縮小，但最大比熱容值大致處于同一個焓值區(qū)域，如圖所示。可看出，大約i＝1700kJ/kg時進入大比熱區(qū)，且大比熱區(qū)內焓值范圍大，約為950kJ/kg，占到超臨界壓力鍋爐中總焓增的1/3左右。當然，真正最大比熱區(qū)域占的焓增范圍約為50kJ/kg,故超臨界壓力鍋爐的設計，比較容易確定大比熱區(qū)的位置。圖11-15水的比熱容與焓的變化關系36超臨界壓力下也會發(fā)生傳熱惡化！壁溫飛升主要是由于在大比熱區(qū)內工質物性參數(shù)變化相當劇烈所致。表現(xiàn)管壁溫度大于擬臨界溫度，工質平均溫度又小于擬臨界溫度，水的物性從壁面處開始沿半徑方向有很大的變化，導致出現(xiàn)不同于通常恒定物性的單相流體的換熱現(xiàn)象。分2種類型。第一種發(fā)生在進口段，l/d≤40～60處，任何流體焓值(直到擬臨界焓)；第二種發(fā)生在熱負荷較高、工質溫度已接近擬臨界溫度時，惡化位置與熱負荷的大小有關，即壁溫隨工質焓的增加出現(xiàn)兩個峰值，如圖所示。37超臨界時傳熱惡化均是近壁處流體層流化的結果！對第一種，在進口較短的區(qū)間中，中心流體仍處于進口時較低的溫度，而近管壁處一層流體吸熱后溫度較高。中心流體粘度μz大，近壁面處粘度μb小，熱負荷較高時，會使流動邊界層增厚，出現(xiàn)層流化現(xiàn)象，當邊界層達到一定厚度，就出現(xiàn)傳熱惡化和壁溫的峰值。對第二種，中心流體溫度低于擬臨界溫度，壁溫已大于擬臨界溫度，近壁層處和中心流體的密度、導熱系數(shù)及比熱容相差很大，尤其是靠近管壁處工質的密度可能比管子中心處工質的密度小3～4倍，浮力的作用使近壁處的流體向上流動，抑制了工質橫向的紊流脈動，促進了流動層流化的發(fā)展。當管內橫向紊流脈動消失和出現(xiàn)最厚的層流邊界層時，放熱系數(shù)α2顯著降低，壁溫再次飛升。流體一但恢復紊流邊界層時，管壁溫度又開始下降。38影響因素主要是熱負荷和質量流速

質量流速一定時，低熱負荷時不會發(fā)生傳熱惡化，甚至有傳熱強化的作用。若熱負荷不變時，隨著質量流速ρw上升，開始出現(xiàn)傳熱惡化的q也提高，惡化點的焓值也移向更高的地方，當ρw大到一定值時，傳熱惡化現(xiàn)象消失。39試驗證實，提高q和降低ρw都將導致傳熱惡化，因此可以采用組合參數(shù)C＝q/ρw來有效地綜合試驗數(shù)據(jù)。參數(shù)C表示單位質量流量所吸收的熱量，單位為kJ/kg，并可作為是否發(fā)生傳熱惡化的判據(jù)。若以大比熱區(qū)內工質的放熱系數(shù)α2是否大于大比熱區(qū)外單相水的放熱系數(shù)α0作為判斷發(fā)生傳熱惡化的標準，由試驗得到：當C>0.84時，α2總是小于α0，出現(xiàn)傳熱惡化的現(xiàn)象；C＝0.42～0.84之間，各種工質焓的α2可能大于，也可小于α0；C<0.42時，α2總是大于α0，不會出現(xiàn)傳熱惡化。因此，為了使超臨界壓力鍋爐大比熱區(qū)不出現(xiàn)傳熱惡化現(xiàn)象，應當保證404.防止或推遲傳熱惡化的措施(1)適當提高質量流速(2)合理安排受熱面熱負荷(3)加強流體在管內的擾動，如采用內螺紋管或加裝擾流子4111.3.3各類傳熱區(qū)域放熱系數(shù)計算分為以下五種情形：1.單相流體強制對流換熱2.表面沸騰3.飽和沸騰4.傳熱惡化后的換熱5.超臨界壓力大比熱區(qū)的換熱計算4211.4集箱水動力學11.4.1分配集箱和匯集集箱中的壓力變化與管組進口連接的集箱稱為分配集箱，與管組出口連接的集箱稱為匯集集箱。在分配集箱中，由于工質沿集箱流動方向不斷分流，其流量逐漸減小，軸向速度下降，因而工質的動壓減小而靜壓力增加。我國水動力計算標準方法中應用動量方程來建立集箱內靜壓分布的函數(shù)表達式并通過試驗確定集箱的靜壓變化系數(shù)的計算公式。

為了得到并聯(lián)各管的流量，必須已知集箱內工質靜壓變化規(guī)律

4311.4.2集箱的連接型式及其對流量分配的影響典型系統(tǒng)是指流體在集箱的