演示文稿第九章自然循環(huán)原理及計算

（優(yōu)選）第九章自然循環(huán)原理及計算目前一頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點§1鍋爐水動力學基礎1、兩相流體的流動結(jié)構(gòu)2、水冷壁管內(nèi)傳熱3、兩相流體的速度4、兩相流體的含汽率5、兩相流體的密度目前二頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點自然循環(huán)目前三頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點

彈狀結(jié)構(gòu)含汽率x增大，汽泡開始合并成彈狀大汽泡，形成阻力較小的汽彈1/41、兩相流體的流動結(jié)構(gòu)

泡狀結(jié)構(gòu)當汽水混合物中含汽率x較小時，蒸汽呈細小的汽泡，主要在管子中心部分向上運動

汽水混合物在垂直管中作上升運動

汽、液兩相數(shù)量，即質(zhì)量含汽率x不斷變化；汽、液兩相間存在相對運動；產(chǎn)生汽泡趨中效應目前四頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點

霧狀結(jié)構(gòu)當含汽率x再增大時，管壁上水膜變薄，汽流將水膜撕破成小水滴分布于蒸汽流中被帶走，汽與水形成霧狀混合物，稱為霧狀或液霧結(jié)構(gòu)兩相流體的流動結(jié)構(gòu)

柱狀結(jié)構(gòu)

含汽率x繼續(xù)增大，彈狀汽泡匯合成汽柱并沿著管子中心流動，而水則成環(huán)狀沿著管壁流動，形成汽柱狀或稱水膜環(huán)狀流動結(jié)構(gòu)2/4目前五頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點兩相流體的流動結(jié)構(gòu)

汽水混合物在水平管中流動

在浮力與重力作用下，管子上部蒸汽多。當流速小到一定程度時，形成汽、水分層流動。管子上部與蒸汽接觸，管壁溫度升高，可能過熱損壞；在汽水分層的交界面處，由于汽水波動，產(chǎn)生疲勞損壞。3/4

汽水混合物流速愈小；含汽率愈大；管子的傾角愈小，汽水分層愈易發(fā)生。對自然循環(huán)鍋爐，管子傾角應大于30，以防止發(fā)生分層流動。目前六頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點

水冷壁管內(nèi)飽和沸騰可分為核態(tài)沸騰和沸騰傳熱惡化兩種工況

2、水冷壁管內(nèi)傳熱

核態(tài)沸騰

汽泡強烈擾動，傳熱性能良好，管內(nèi)壁溫度接近于水的飽和溫度，得到良好的冷卻

沸騰傳熱惡化

第一類傳熱惡化（膜態(tài)沸騰）

熱負荷很高，管內(nèi)壁汽化核心急劇增加，形成連續(xù)的汽膜，對流放熱系數(shù)α2急劇下降，管壁得不到液體冷卻超溫破壞。特性參數(shù)為臨界熱負荷

第二類傳熱惡化（蒸干）

熱負荷比前者低、但含汽率很高時（出現(xiàn)液霧狀），汽流將水膜撕破或因蒸發(fā)使水膜部分或全部消失，管壁直接與蒸汽接觸而得不到液體的足夠冷卻，對流放熱系數(shù)α2急劇下降，金屬壁溫tb急劇增加，特性參數(shù)是工質(zhì)的臨界含汽率。4/4目前七頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點3、兩相流體的速度

質(zhì)量流速單位時間流經(jīng)單位流通截面的工質(zhì)質(zhì)量

循環(huán)流速w0

上升管開始沸騰處的飽和水的質(zhì)量流速式中：G為工質(zhì)的質(zhì)量流量；為容積流量1/4目前八頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點兩相流體的速度

折算速度假定蒸汽或水容積占據(jù)管子全部截面時的速度

D為蒸汽質(zhì)量流量

混合物速度

真實速度2/4目前九頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點4、兩相流體的含汽率3/4

容積含汽率

蒸汽容積流量與汽水混合物容積流量之比

質(zhì)量含汽率x

汽水混合物中蒸汽的質(zhì)量流量與汽水混合物總質(zhì)量流量之比

截面含汽率φ

蒸汽所占截面與管子總截面之比上升流動C<1,φ<β；下降流動C>1,φ>βAA目前十頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點4/45、兩相流體的密度

混合物密度ρhu

真實密度ρzsAA目前十一頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點§2自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)及計算1、自然循環(huán)的基本概念2、簡單回路水循環(huán)計算3、自然循環(huán)故障及安全性檢查目前十二頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點自然循環(huán)目前十三頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點

簡單循環(huán)回路壓差平衡式(取向下為正)

自然循環(huán)的工作原理下降管中水與上升管中汽水混合物間的重位壓頭差使水在回路中產(chǎn)生環(huán)形流動，水循環(huán)1、自然循環(huán)的基本概念1/2式中h、hi―下降管的高度（即循環(huán)回路的高度）及上升管各區(qū)段的高度，m；

―下降管中工質(zhì)及上升管各區(qū)段工質(zhì)的平均密度，kg/m3；

Pxj、Pss―下降管及上升管流動阻力損失，Pa目前十四頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點自然循環(huán)的基本概念

運動壓頭Pyd下降管與上升管中工質(zhì)液柱重差，維持回路自然循環(huán)的動力，用以克服下降管與上升管中工質(zhì)的流動阻力2/2

循環(huán)倍率K循環(huán)回路中水流量G與回路中產(chǎn)生的蒸汽量D之比，即1kg水全部變成蒸汽需在回路中循環(huán)多少次

有效壓頭pe在數(shù)值上等于下降管的阻力目前十五頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點

上升管受熱,含汽率X不斷增加，分區(qū)段進行計算，把結(jié)構(gòu)、受熱相近的劃為一段。f是上升管開始沸騰點

受熱前段hrq

受熱后段hrh上聯(lián)箱至汽包水位段hd阻力損失段hc

不含汽段hrs含汽段hhd2/10上升管區(qū)段的劃分2、簡單回路水循環(huán)計算目前十六頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點2、簡單回路水循環(huán)計算

壓差法水循環(huán)計算1/10段內(nèi)的流動阻力和加速壓降段內(nèi)的流動阻力和加速壓降目前十七頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點循環(huán)回路的特性曲線和工作點1.確定循環(huán)回路工作點的圖解法圖12－6確定工作點的圖解法先假定幾個循環(huán)流量(或流速)的數(shù)值，通常假定三個w，G1、G2、G3，分別計算出相應的下降管壓差和上升管壓差值，再將這幾個壓差值連接起來就得到Sss和Sxj的特性曲線。這兩條壓差特性曲線的交點A即為簡單回路工作點，其對應的G0和S0即為工作點的循環(huán)流量和壓差。

目前十八頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點復雜回路的壓差特性曲線和工作點其主要步驟為：①利用簡單回路繪制壓差特性曲線的方法，通過計算作出各管組或管子在一定條件下的壓差特性曲線；②尋找所有回路的共同部分，將各曲線合成，得出整個系統(tǒng)的總特性曲線，并求出回路的總工作點；③再按相反的秩序或通過分析，從總工作點反推求得各管組或管子壓差特性曲線的工作點。壓差特性曲線的合成基于工質(zhì)的物質(zhì)平衡和作用于工質(zhì)上的力平衡兩個基本原理。其合成規(guī)律為：穩(wěn)定工況下，串聯(lián)回路時的流量相等，在相同流量下壓差迭加；并聯(lián)回路的兩端壓差相等，在相同壓差下流量迭加。目前十九頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點（1）并聯(lián)回路圖12-7并聯(lián)回路及其特性曲線目前二十頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點（2）串聯(lián)回路

圖12-8串聯(lián)回路及其特性曲線目前二十一頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點(3)具有共同引入管不同引出管的復雜回路圖12-9有共同引入管不同引出管的回路及其特性曲線目前二十二頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點3、自然循環(huán)故障及安全性檢查(1)自然循環(huán)特性(2)自然循環(huán)故障及安全性檢查(3)循環(huán)停滯、自由水面和倒流現(xiàn)象(4)下降管帶汽與汽化(5)提高自然循環(huán)安全性措施目前二十三頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點(1)自然循環(huán)特性

自然循環(huán)特性熱負荷與循環(huán)流速之間的關系鍋爐熱負荷Q上升，D上升，X上升：

Q上升→”下降→h（’-”）g上升→pyd上升→w0上升

Δps上升→w0下降Q增加，pyd增加起主要作用，w0上升；而Q增加過大，阻力增加起主要作用，反使w0下降

1/2

自補償能力

隨鍋爐熱負荷Q(質(zhì)量含汽率x)的增加，循環(huán)回路水流量G(循環(huán)水流速w0)相應增大的能力

可避免管壁超溫目前二十四頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點

自然循環(huán)特性

界限循環(huán)倍率和推薦循環(huán)倍率鍋爐壓力(Mpa)3.92～5.8810.2～11.7613.73～15.6916.67～18.63鍋爐蒸發(fā)量(t/h)35～240160～420400～670≥800界限循環(huán)倍率Kjx1053>2.5推薦循環(huán)倍率15～257～154～84～6

循環(huán)倍率K

衡量鍋爐水循環(huán)可靠性的指標之一

K過大（x過小)，運動壓頭太小，可能出現(xiàn)循環(huán)停滯等水循環(huán)故障；

K過?。▁過大），將失去自補償能力，造成管壁超溫

2/2

界限循環(huán)倍率Kjx

對應自然循環(huán)失去自補償能力（最高循環(huán)流速）時的循環(huán)倍率

回路循環(huán)倍率K應大于界限循環(huán)倍率Kjx

，對應的質(zhì)量含汽率X應小于臨界質(zhì)量合汽車Xlj

目前二十五頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點(2)自然循環(huán)故障及安全性檢查

自然循環(huán)鍋爐蒸發(fā)受熱面金屬安全工作的條件是保證管子內(nèi)壁有連續(xù)水膜覆蓋受熱最弱上升管不出現(xiàn)流動的停滯、倒流、汽水分層等水循環(huán)故障；受熱最強上升管不發(fā)生沸騰傳熱惡化下降管不出現(xiàn)帶汽或汽化

自然循環(huán)鍋爐在壓力低于11MPa或受熱管局部熱負荷低于400kw／m2時一般不會出現(xiàn)傳熱惡化，正常水力工況破壞是蒸發(fā)管過熱的主要原因。

自然循環(huán)大型鍋爐在亞臨界壓力，因含汽率較高，（鍋爐容量增大，爐膛周界相對減小，水冷壁根數(shù)減少而長度增加），循環(huán)倍率較低，有可能出現(xiàn)第二類傳熱惡化1/3目前二十六頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點

并聯(lián)的上升管組在共同的壓差∑Δps下運行。當管組中各管受熱不均勻時，受熱弱的管中含汽率少，運動壓頭小，可能發(fā)生水循環(huán)故障。循環(huán)停滯、自由水面和倒流現(xiàn)象

上升管引入汽包水空間當受熱弱的管中水流量等于蒸發(fā)量，即G=D時，將出現(xiàn)循環(huán)停滯現(xiàn)象

上升管引入汽包汽空間

發(fā)生循環(huán)停滯時管中工質(zhì)無法到達上升管的最高點，出現(xiàn)自由水面。自由水面以下區(qū)域，產(chǎn)生少量蒸汽，以上的區(qū)域為緩慢流動的蒸汽

上升管引入汽包水空間當管組壓差Δp小于受熱弱管子液柱重hsg時，受熱弱的管中的水就自上往下流，稱為倒流。2/3目前二十七頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點

循環(huán)停滯汽泡通過基本靜止的水面上浮，管子彎頭處蒸汽積累，出現(xiàn)自由水面時，水面以上管壁與蒸汽接觸，均使冷卻能力下降，管子易超溫爆管；自由水面上下波動，還會引起疲勞破壞循環(huán)停滯、自由水面和倒流危害

倒流當水的倒流速度與汽泡上浮速度相等，即汽泡處于上、下波動狀態(tài)而形成蒸汽塞時，管子超溫。3/3目前二十八頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點

汽包中的水進入下降管時，因流阻和加速產(chǎn)生壓降使進口處發(fā)生自汽化(3)下降管帶汽與汽化

下降管進口截面上部形成渦漩漏斗狀，蒸汽被吸入下降管中

汽包水容積內(nèi)所含蒸汽被帶入下降管中

下降管受熱產(chǎn)生蒸汽1/1

下降管帶汽或汽化，工質(zhì)密度減小，運動壓頭下降。目前二十九頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點(4)提高自然循環(huán)安全性措施

減小并聯(lián)管子吸熱不均

保持爐內(nèi)溫度場均勻設計時將整面水冷壁劃分為若干個獨立的循環(huán)回路；采用四角布置燃燒器；將爐膛四角上1～2根管子取消或?qū)t膛設計成八角形運行中避免火焰偏斜；防止水冷壁管積灰和結(jié)渣；限制最小負荷，避免因部分燃燒器停用造成更大的吸熱不均沿高度方向采用多個小功率燃燒器；減小爐內(nèi)熱偏差，避免局部熱負荷過高

降低汽水導管和下降管中的流動阻力，提高循環(huán)流速和循環(huán)倍率可采用增加管子的流通截面、采用大直徑的管子、減少管子的長度和彎頭等措施1/4目前三十頁\總數(shù)三十三頁\編于十六點提高自然循環(huán)安全性措施

水冷壁管采用適當?shù)墓軓捷^小的管徑可以節(jié)省金屬耗量；但從水循環(huán)安全方面考慮，應維持足夠大的循環(huán)流速W。和不太高的含汽率X，故大容量鍋爐不