第九章 自然循環(huán)原理及計(jì)算

第九章

自然循環(huán)原理及計(jì)算

§1、鍋爐水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

汽水混合物的流型與傳熱

兩相流體的基本參數(shù)

§2、自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)及計(jì)算

自然循環(huán)的基本概念

簡(jiǎn)單循環(huán)回路水循環(huán)計(jì)算

自然循環(huán)故障及其可靠性校驗(yàn)§1鍋爐水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)1、兩相流體的流動(dòng)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、兩相流體的密度自然循環(huán)

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(dòng)結(jié)構(gòu)

泡狀結(jié)構(gòu)當(dāng)汽水混合物中含汽率x較小時(shí)，蒸汽呈細(xì)小的汽泡，主要在管子中心部分向上運(yùn)動(dòng)

汽水混合物在垂直管中作上升運(yùn)動(dòng)

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(duì)運(yùn)動(dòng)；產(chǎn)生汽泡趨中效應(yīng)

霧狀結(jié)構(gòu)當(dāng)含汽率x再增大時(shí)，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(dòng)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(dòng)，而水則成環(huán)狀沿著管壁流動(dòng)，形成汽柱狀或稱水膜環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)2/4兩相流體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)

汽水混合物在水平管中流動(dòng)

在浮力與重力作用下，管子上部蒸汽多。當(dāng)流速小到一定程度時(shí)，形成汽、水分層流動(dòng)。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(dòng)，產(chǎn)生疲勞損壞。

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汽水混合物流速愈??；含汽率愈大；管子的傾角愈小，汽水分層愈易發(fā)生。對(duì)自然循環(huán)鍋爐，管子傾角應(yīng)大于30，以防止發(fā)生分層流動(dòng)。

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(qiáng)烈擾動(dòng)，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(fù)荷很高，管內(nèi)壁汽化核心急劇增加，形成連續(xù)的汽膜，對(duì)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(fù)荷

第二類傳熱惡化（蒸干）

熱負(fù)荷比前者低、但含汽率很高時(shí)（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(duì)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。4/43、兩相流體的速度

質(zhì)量流速單位時(shí)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(shí)的速度

D為蒸汽質(zhì)量流量

混合物速度

真實(shí)速度2/44、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(dòng)C<1,φ<β；下降流動(dòng)C>1,φ>βAA4/45、兩相流體的密度

混合物密度ρhu

真實(shí)密度ρzsAA§2自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)及計(jì)算1、自然循環(huán)的基本概念2、簡(jiǎn)單回路水循環(huán)計(jì)算3、自然循環(huán)故障及安全性檢查自然循環(huán)

簡(jiǎn)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(dòng)，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(dòng)阻力損失，Pa自然循環(huán)的基本概念

運(yùn)動(dòng)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(dòng)力，用以克服下降管與上升管中工質(zhì)的流動(dòng)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

上升管受熱,含汽率X不斷增加，分區(qū)段進(jìn)行計(jì)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(diǎn)

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(jiǎn)單回路水循環(huán)計(jì)算2、簡(jiǎn)單回路水循環(huán)計(jì)算

壓差法水循環(huán)計(jì)算1/10段內(nèi)的流動(dòng)阻力和加速壓降段內(nèi)的流動(dòng)阻力和加速壓降循環(huán)回路的特性曲線和工作點(diǎn)1.確定循環(huán)回路工作點(diǎn)的圖解法圖12－6確定工作點(diǎn)的圖解法先假定幾個(gè)循環(huán)流量(或流速)的數(shù)值，通常假定三個(gè)w，G1、G2、G3，分別計(jì)算出相應(yīng)的下降管壓差和上升管壓差值，再將這幾個(gè)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(diǎn)A即為簡(jiǎn)單回路工作點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的G0和S0即為工作點(diǎn)的循環(huán)流量和壓差。

復(fù)雜回路的壓差特性曲線和工作點(diǎn)其主要步驟為：①利用簡(jiǎn)單回路繪制壓差特性曲線的方法，通過計(jì)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(gè)系統(tǒng)的總特性曲線，并求出回路的總工作點(diǎn)；③再按相反的秩序或通過分析，從總工作點(diǎn)反推求得各管組或管子壓差特性曲線的工作點(diǎn)。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(gè)基本原理。其合成規(guī)律為：穩(wěn)定工況下，串聯(lián)回路時(shí)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。（1）并聯(lián)回路圖12-7并聯(lián)回路及其特性曲線（2）串聯(lián)回路

圖12-8串聯(lián)回路及其特性曲線(3)具有共同引入管不同引出管的復(fù)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(1)自然循環(huán)特性

自然循環(huán)特性

熱負(fù)荷與循環(huán)流速之間的關(guān)系鍋爐熱負(fù)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(bǔ)償能力

隨鍋爐熱負(fù)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(yīng)增大的能力

可避免管壁超溫

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Kjx

1053>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(biāo)之一

K過大（x過小)，運(yùn)動(dòng)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(bǔ)償能力，造成管壁超溫

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界限循環(huán)倍率Kjx

對(duì)應(yīng)自然循環(huán)失去自補(bǔ)償能力（最高循環(huán)流速）時(shí)的循環(huán)倍率

回路循環(huán)倍率K應(yīng)大于界限循環(huán)倍率Kjx

，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量含汽率X應(yīng)小于臨界質(zhì)量合汽車Xlj

(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(dòng)的停滯、倒流、汽水分層等水循環(huán)故障；受熱最強(qiáng)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(fù)荷低于400kw／m2時(shí)一般不會(huì)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(duì)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

并聯(lián)的上升管組在共同的壓差∑Δps

下運(yùn)行。當(dāng)管組中各管受熱不均勻時(shí)，受熱弱的管中含汽率少，運(yùn)動(dòng)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(dāng)受熱弱的管中水流量等于蒸發(fā)量，即G=D時(shí)，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(shí)管中工質(zhì)無法到達(dá)上升管的最高點(diǎn)，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?yàn)榫徛鲃?dòng)的蒸汽

上升管引入汽包水空間當(dāng)管組壓差Δp

小于受熱弱管子液柱重hsg

時(shí)，受熱弱的管中的水就自上往下流，稱為倒流。2/3

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(shí)，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(dòng)，還會(huì)引起疲勞破壞循環(huán)停滯、自由水面和倒流危害

倒流當(dāng)水的倒流速度與汽泡上浮速度相等，即汽泡處于上、下波動(dòng)狀態(tài)而形成蒸汽塞時(shí)，管子超溫。3/3

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

下降管進(jìn)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(yùn)動(dòng)壓頭下降。(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(chǎng)均勻設(shè)計(jì)時(shí)將整面水冷壁劃分為若干個(gè)獨(dú)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(shè)計(jì)成八角形運(yùn)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(fù)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(gè)小功率燃燒器；減小爐內(nèi)熱偏差，避免局部熱負(fù)荷過高

降低汽水導(dǎo)管和下降管中的流動(dòng)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提高自然循環(huán)安全性措施

水冷壁管采用適當(dāng)?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(yīng)維持足夠大的循環(huán)流速W。和不太高的含汽率X，故大容量鍋爐不應(yīng)采用過小的管徑

在一定負(fù)荷和工作壓力下，隨著的增大，W

0X值升高

大容量鍋爐爐膛周界的相對(duì)長度減小，水冷壁管數(shù)量減少，但高度增加，即每根管產(chǎn)生的蒸汽量增加，水冷壁管出口含汽率X和循環(huán)流速W。都比較高2/4提高自然循環(huán)安全性措施

防止下降管帶汽下降管入口處加裝十字板或柵格板

防止下降管進(jìn)口自汽化

式中

h—

為下降管進(jìn)口以上到正常水位的高度；wxj、i—

分別下降管中的水速和進(jìn)口阻力系數(shù)

下降管進(jìn)口之上應(yīng)保證一定的水柱高度，且水速不能過大

3/4

避免下降管帶汽或自汽化提高自然循環(huán)安全性措施

使流體在管內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)或破壞汽膜邊界層，避免傳熱惡化

采用內(nèi)螺紋管

在管子內(nèi)壁上開出