9第九章自然循环原理附计算.docx

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9第九章自然循环原理附计算

第九章自然循环原理及计算

第一节自然循环的基本原理

一、自然循环概述

由汽包、下降管、联箱、上升管等组成的循环回路中，上升管在炉内受热，管内的水被加热到饱和温度并产生部分蒸汽；而下降管在炉外不受热，管内为饱和水或未饱和水。

因此，上升管中汽水混合物的密度小于下降管中水的密度，在下联箱中心两侧将产生液柱的重位差，此压差推动汽水混合物沿上升管向上流动，水沿下降管向下流动。

工质在沿汽包、下降管、下联箱、上升管、上联箱、连接管道再到汽包这样的回路中的运动是由其密度差造成的，而没有任何外来推动力。

因此将这种工质的循环流动称为自然循环。

二、自然循环回路的总压差

画出简单循环回路示意图。

下联箱中心截面A-A两侧将受到不同的压力。

截面左侧管内工质作用在截面A-A的静压为：

（9-1）

截面右侧管内汽水混合物作用在截面A-A的静压为：

（9-2）

从式（9-1）和式（9-2）可以看出，由于，所以静压，表示截面A-A两侧所受压力是不同的，此压力差将推动联箱内工质由左向右移动。

循环回路中，工质流动时要克服磨擦阻力和局部阻力。

现根据流体流动的基本原理分析，流动状态下联箱中心处的压力：

1、下降管系统作用在联箱中心处的压力

在流动时，下降管系统有流动阻力损失，水向下流动时在联箱中心处的实际压力要比静压小，即

（9-3）

2、上升管系统作用在联箱中心处的压力

由于上升管内工质流动是由下向上流动，联箱中心处的压力P2应能克服上升管系统的总流动阻力和重位压差，才能使工质进入汽包，因此

（9-4）

3、总压差

（1）下降管系统的总压差为：

（9-5）

（2）上升管系统的总压差为：

（9-6）

在稳定流动时，联箱中流体只有一个压差值（与汽包压力的差值），所以这两个压差值必须相等，即

（9-7）

式（9-7）是用来计算锅炉水循环的主要依据，这种方法称为水循环计算中的压差法。

三、运动压头

自然循环回路中的循环推动力称为运动压头，以表示

（9-8）

自然循环回路中的运动压头就是回路中循环的推动力，这一压头将耗用于克服下降管、上升管及汽水分离装置的流动阻力，即

（9-9）

运动压头扣除上升管系统的阻力、汽水分离装置的阻力之后，剩余部分就称为有效压头，以表示

（9-10）

循环回路的有效压头是用来克服下降管阻力的。

因此，自然循环回路中，工质在稳定流动情况下，有效压头应与下降管系统的阻力相等，即

（9-11）

式（9-11）也可用来对锅炉进行水循环的计算，这种方法称为水循环计算中的压头法。

四、影响循环推动力的因素

运动压头的大小取决于饱和水与饱和汽的密度差、上升管中的含汽率和循环回路的高度，锅炉的工作压力，炉膛热负荷，锅炉负荷等。

第二节两相流的流型和传热

一、蒸发管中汽水两相流的流型

在管内两相流中，汽和水不是均匀分布的，它们的流速也不一样。

由于管径、混合物中的含汽率和流速不同，两相组成的流型也不一样。

流型不同，两相流体的流动阻力和传热机理是不同的。

流速的大小和传热的强弱又影响到两相流型。

用图9-2各区域的流型和传热特点。

二、蒸发管中汽水两相流的传热

如果热负荷增加，则蒸干点会提前出现，环状流动结构会缩短甚至消失，沸腾传热恶化可能提前在汽泡状流型区域发生。

这时由于汽化核心密集，要管壁形成连续汽膜，将水压向管子中部，由于汽膜导热性很差，导致沸腾传热恶化。

一般称这种因管壁形成汽膜导致的沸腾传热恶化为第一类沸腾传热恶化，或膜态沸腾，它是由于管外局部热负荷太高造成的。

因管壁水膜被蒸干导致的沸腾传热恶化称为第二类沸腾传热恶化，它是因汽水混合物中含汽率太高所致。

腾传热恶化是一种传热现象，表现为管壁对吸热工质的放热系数急剧下降，管壁温度随之迅速升高，且可能超过金属材料的极限允许温度，致使寿命缩短，材质恶化，甚至即刻超温烧坏。

第三节两相流的特性参数及流动阻力

一、两相流的特性参数

描述汽水两相流流动特性的物理量称为汽水两相流的特性参数。

（一）两相流的流速

1、质量流速

单位时间内流经单位流通截面的工质质量称为质量流速，用表示，并用下式计算：

（9-12）

2、循环流速

循环回路中水在饱和温度下按上升管入口截面计算的水流速度称为循环流速，用表示，即

（9-13）

式中──饱和水的密度，。

3、折算流速

汽水混合物是由汽和水两相组成的，两者的流速不同。

为计算方便常采用所谓折算流速。

假定流过的汽水混合物中某相工质占有管子全部截面时计算所得的流速称为该相的折算流速。

显然有蒸汽折算流速和水的折算流速之分，它们可分别用下式计算：

m/s（9-14）

m/s（9-15）

在受热蒸发管内，当工质质量流量G一定时，不同截面处的蒸汽流量是变化的，管段的平均蒸汽折算流速可根据管段入口和出口截面的蒸汽质量流量和，用下式计算：

（9-16）

蒸发管段中水的平均折算流速为

（9-17）

在循环回路中，根据循环流速的定义，循环水流量等于流过工质的总流量，而工质总流量又等于流过的水流量与蒸汽流量之和，即

或

即（9-18）

水和汽的折算流速实际上是不存在的，折算流速只是反映水或汽的流量，故属于流量参数。

4、混合物流速

流经管子截面的汽水混合物容积等于流过的水容积与蒸汽容积之和。

混合物的平均流速为

（9-19）

将（9-18）式中的代入上式，得：

（9-20）

5、真实流速

设管子截面积为A的截面上，水和汽所占管子截面的面积分别为和，即，则该截面上水的真实流速为

（9-21）

而汽的真实流速为

（9-22）

两相真实流速之差称为相对流速：

。

（二）含汽率

1、质量含汽率

在汽水混合物中，流过蒸汽的质量流量D与流过工质总的质量流量G之比称为质量含汽率，用表示：

（9-23）

已知某截面上工质的焓，可用下式计算该截面上的质量含汽率：

（9-24）

式中──截面上工质的焓；──饱和水的焓；──水的汽化潜热。

若已知某管段入口水的焓，则可用下式计算任一截面上的质量含汽率：

（9-25）

式中──管段吸热率，;──管段入口水的欠焓，。

对于沿管长均匀受热的管段，可根据入口和出口质量含汽率和用下式计算其平均含汽率：

（9-26）

如将（9-23）式代入（9-20）式，则可得：

（9-27）

当要求计算某一管段中混合物的平均流速时，以代替公式（9-20）中的，或以代替公式（9-27）中的即可。

2、容积含汽率

流经管子某一截面的蒸汽容积流量与汽水混合物总容积流量之比称为该截面上的容积含汽率，用表示。

即：

（9-28）

将公式（9-23）代入，则得：

（9-29）

与的关系取决于压力和（见附录Ⅰ－1）。

低压时由于饱和汽的密度小，即使较小时值也较大。

在任何压力下，随的增大值的变化逐渐缓慢。

3、截面含汽率

截面含汽率又称真实含汽率，用表示。

它是管道断面上蒸汽所占截面与管子总截面A之比，即：

（9-30）

此外，

由此可得：

（9-31）

令，则得（9-32）

在定义和时，都把它们看作流量参数，也就是并没有考虑两相之间的速度差别。

实际两相流体中，两相间存在速度差别。

例如，在上升流动时，，因而，所以。

即；下降流动时，及，所以，。

如取汽和水的流速相等，即，则，这时。

比例系数C是混合物流速与蒸汽真实流速之比，因而也就考虑到蒸汽和水的相对流速。

随压力的升高，汽和水的相对流速减小，在接近临界压力时C→1，而。

C值是由综合试验数据求得的。

附录Ⅰ－2给出了垂直上升管中C的数值，附录Ⅰ－2（a）是当、时的C值；当时，则应用附录Ⅰ－2（c）；当时，对于直流锅炉值按附录Ⅰ－2（b）查得。

（三）两相流的密度

1、流量密度

在汽水两相流中，混合物的质量流量与体积流量之比称为流量密度，用表示。

（9-33）

流量密度是由流量参数G、V得到的，没有考虑汽水的相对滑动，故实际上流量密度是不存在的。

它用于流动阻力、动量、质量流速等以流量特性为基础的各项目的计算。

2、真实密度

某段管段中汽水混合物实际存在的密度称为真实密度，用表示。

如汽水混合物充满高度为、总截面积为A的管段中，水和汽所占截面分别为和，则有:

则真实密度为：

（9-34）

真实密度用以计算管子中两相流的质量、重位压头及必需考虑非均相流的各项目。

在上述各特性参数中，、、、、、、及是以工质流量或每一相的流量为基础来表示的参数，故又称之为流量参数。

流量参数可用于流体的质量流量、容积流量等的计算。

而真实流动特性参数、、及是以汽水两相流实际流动情况为基础的流动参数，即考虑了汽、水流速不同的差异。

真实流动特性参数用于管内两相流的质量、重位压头等的计算。

二、两相流的流动阻力

设有一任意放置的受热管段，两相流体流经1-2两个截面时（如图9-6所示），其压力降可用下式表示：

（9-35）

1、流体加速压降

某一管段中工质的加速压降等于管段出口截面的动量与管段进口截面动量之差：

（9-36）

根据等截面管道中质量流速不变的原理可知：

。

若分别对管子进口截面（其干度为）和出口截面（其干度为）应用公式（9-37），代入（9-36）式整理后，可得：

（9-37）

2、重位压差

当两截面间的高度差为h时，重位压差为：

（9-38）

式中──管段内工质的平均真实密度，由式（9-34）可知：

（9-39）

3、摩擦阻力

对于均匀混合物的汽水混合物，可按混合物流速和混合物密度来计算管段中的摩擦阻力：

（9-40）

在稳定流动时，由循环流速的定义可知：

。

将（9-27）式代入上式可得：

（9-41）

如将式（9-20）代入式（9-40）而不用式（9-27）则可得摩擦阻力的另一表达式：

（9-42）

考虑到两相流结构对的影响，在计算中加入一修正系数。

当管段中汽水混合物含汽率沿管长不变时，摩擦阻力损失按下式计算：

（9-43）

式中的修正系数由附录Ⅰ－3（b）查取。

当管段中汽水混合物的含汽率沿管长变化时，按下式计算摩擦阻力损失：

（9-44）

管段的平均修正系数按下式计算：

（9-45）

、──分别为管段出口、入口截面的平均修正系数，由附录Ⅰ－3（a）查取。

4、局部阻力

由局部阻力所引起的压力损失，按下式计算：

（9-46）……

第四节自然水循环的可靠性指标及计算方法

一、自然水循环工作的可靠性指标

1、质量流速和循环流速

质量流速和循环流速的定义式参见（9-12）、（9-13）式。

循环流速是一个流量参数，虽然它能反映水流速度的快慢，能判断水循环的安全性，但它是按上升管入口水量计算得到的。

对于受热不同的上升管，即使循环流速相同，但由于产汽量不同，在上升管出口处的汽水混合物中含水量就不同。

对受热强的上升管，由于产汽量较多，出口水量较少，管子内壁四周可能维持不住连续流动的水膜。

同时，汽水混合物比容增大、流速提高，可能撕破很薄的水膜，造成第二类沸腾传热恶化，使管壁超温。

因此，循环流速不是反映水循环安全的唯一指标。

2、循环倍率K

循环倍率的定义为：

循环回路中，进入上升管的循环水量G与上升管出口蒸汽量D之比，称为循环倍率，用符号K表示，其数学表达式为

（9-47）

循环倍率K的意义是上升管中每产生1kg蒸汽需要进入上升管的循环水量，或1kg水全部变成蒸汽在循环回路中需要循环的次数。

循环倍率K与质量含汽率x互为倒数关系。

循环倍率K愈大，含汽率x愈小，则上升管出口汽水混合物中水的份额较大，管壁水膜稳定，对管壁冷却作用较好。

所以，经常循环倍率来评定锅炉水循环是否安全。

但K值过大，上升管产汽量太少，上升管内工质的平均密度增大，循环回路的运动压头减小，将使循环流速降低，对水循环安全不利。

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