自然循环原理及计算

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：gh P P xj ρ+=01 a P ( 9-1) 截面右侧管内汽水混合物作用在截面A-A 的静压为：gh P P ss ρ+=02 a P (9-2) 从式（9-1）和式（9-2）可以看出，由于ss xj ρρ〉，所以静压21P P 〉，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xj P ∆，水向下流动时在联箱中心处的实际压力1P 要比静压小xj P ∆，即xj xj P gh P P ∆-+=ρ01 a P （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P 2应能克服上升管系统的总流动阻力ss P 和重位压差，才能使工质进入汽包，因此ss ss P gh P P ∆++=ρ02 a P （9-4）3、总压差（1）下降管系统的总压差为：xj xj xj P gh P P P ∆-=-=∆ρ01* a P（9-5） （2）上升管系统的总压差为：ss ss ss P gh P P P ∆-=-=∆02* a P （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**ssxj P P =∆ （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yd P 表示gh gh P ss xj yd ρρ-= a P （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fl ss xj yd P P P P ∆+∆+∆= a P （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e P 表示)(fl ss yd e P P P P +∆-= a P （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xj e P P = （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2α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ρω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ρω表示，并用下式计算：AG =ρω )(2s m kg ⋅ (9-12)2、循环流速0ω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0ω表示，即ρρωρω'='=A G 0 s m （9-13） 式中ρ'──饱和水的密度，3m kg 。

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0ω''和水的折算流速0ω'之分，它们可分别用下式计算：AV A D ''=''=''ρω0 m/s （9-14） A V A D G '='-='ρω0m/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r D 和c D ，用下式计算：A V V AD D c r c r 22//0''+''=+=''ρω s m （9-16） 蒸发管段中水的平均折算流速为AV V A D G D G c r c r 22()()0'+'='-+-='ρω s m （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D D G G +-=)(或ρωρωρω''''+''='000A A A 即ρρωωω'''''+'=000 s m （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hu ω流经管子截面的汽水混合物容积等于流过的水容积V '与蒸汽容积V ''之和。

混合物的平均流速为00ωωω''+'=''+'=AV V hu s m (9-19) 将（9-18）式中的0ω'代入上式，得： )1(00ρρωωω'''-''+=hu s m (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A '和A ''，即A A A ''+'=，则该截面上水的真实流速ω'为V V A D G '''=''-='ρω s m (9-21) 而汽的真实流速ω''为A V A D ''''=''''=''ρω s m (9-22) 两相真实流速之差称为相对流速xd ω：ωωω'-''=xd 。

（二）含汽率1、质量含汽率x 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x 表示：000ωρωρωρωρ'''''='''''==A A G D X （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：ri i X '-= （9-24） 式中i ──截面上工质的焓；i '──饱和水的焓；r ──水的汽化潜热。

若已知某管段入口水的焓r i ，则可用下式计算任一截面上的质量含汽率：ri i G Q x r 1)(⎥⎦⎤⎢⎣⎡-'-= (9-25)式中Q ──管段吸热率，s k J ;r i i -'──管段入口水的欠焓，kg k J 。

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r x 和c x 用下式计算其平均含汽率：2c r x x X += (9-26) 如将（9-23）式代入（9-20）式，则可得：⎥⎦⎤⎢⎣⎡-'''+=)1(10ρρωωx hu s m (9-27) 当要求计算某一管段中混合物的平均流速时，以0ω''代替公式（9-20）中的0ω''，或以X 代替公式（9-27）中的x 即可。

2、容积含汽率β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β表示。

即：)1(0000ρρωωωωωβ'''-''+''=''=''+'''=hu A A V V V (9-28)将公式（9-23）代入，则得：)11(11-'''+=xρρβ (9-29) β与x 的关系取决于压力和x （见附录Ⅰ－1）。

低压时由于饱和汽的密度小，即使x 较小时β值也较大。

在任何压力下，随x 的增大β值的变化逐渐缓慢。

3、截面含汽率ϕ截面含汽率又称真实含汽率，用ϕ表示。

它是管道断面上蒸汽所占截面A ''与管子总截面A 之比，即：AA A A '-='''=1ϕ (9-30) 此外，ϕωωωωβhuhu A A V V V ''=''''=''+'''= 由此可得： βωωϕ''=hu (9-31) 令C hu =''ωω，则得 βϕC = (9-32) 在定义β和hu ω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。