水平蒸发管的水动力特性

时间：2022-10-23 百科知识版权反馈

【摘要】：为了方便分析水平蒸发管的水动力特性，考虑到的直流锅炉流动阻力中的局部阻力与摩擦阻力相比是比较小的，可以略去。式表明，对于强迫流动的水平蒸发管，当热负荷一定时，其水动力特性曲线是一条三次曲线，如图13.2所示。这就是水动力特性的多值性，也称为水动力特性的不稳定性。

13.1.1　水平蒸发管的水动力特性

1.水平蒸发管的水动力特性多值性

任何一蒸发管进、出口之间的总压差Δp由流动阻力Δp_lz、重位压差Δp_zw和加速压降Δp_js等三项组成，即

对于水平蒸发管或高度变化远小于长度的倾斜蒸发管，例如水平围绕上升蒸发管的管长可达数百米且弯头多，管长远大于围绕上升高度，因而重位压差仅占流动阻力的0.02%～2%，加速阻力也只有总压降的3%左右，重位压差和加速压降可以忽略不计，总压降全部由流动阻力所组成。

由流动阻力的一般表达式（12.6）可得

式中结构特性系数Z＝（λl/d_n＋∑ζ_jb）/2f²。由上式可以看出，当受热管的热负荷与结构特性不变时，Δp与成正比，即流动阻力不仅与工质的流量G有关，还与流体的平均比容有关。对于同时存在加热水段和蒸发段的蒸发管，随着流量的增加，汽水混合物的平均比容减小，因此Δp随流量的变化具有不确定性，主要取决于流量增加和比容减小这两者的变化中的大者。

考察图13.1所示的水平蒸发管示意图。图中水平蒸发管的整个管长可分为两段：一段为加热段，将进口过冷水加热到饱和水，其长度是l_jr；另一段为蒸发段，将饱和水加热到出口具有一定含汽率的汽水混合物，其长度是l_zf＝l－l_jr，总管长度为l。该管进、出口的焓值和比容分别为i_j、i_c和v_j、v_c，出口干度为x_c。

图13.1　强迫流动水平蒸发管示意图

为了方便分析水平蒸发管的水动力特性，考虑到的直流锅炉流动阻力中的局部阻力与摩擦阻力相比是比较小的，可以略去。并假设：①该管沿管长每米热负荷q_l均匀且保持不变；②对两相流体采用均相流模型，不考虑相对速度，即两相流体摩擦阻力修正系数＝1；③加热段的平均比容取饱和水比容v′。因此蒸发管的总压差只有摩擦阻力，并由加热段阻力公式（11.27）与蒸发段阻力公式（11.29）共同组成，即

设进入管子的水的欠焓为Δi_qh，由热量平衡得到加热段的长度

设水的汽化潜热为r，水平蒸发管的出口含汽率为

以上三式各参数的单位为：l、l_jr、d_n，m；f，m²；G，kg/s；v′、v″，m³/kg；Δi_qh、r，kJ/kg；q_l，kW/m。

将式（13.4）及式（13.5）代入式（13.3），整理可得

式中的系数为

式（13.6）表明，对于强迫流动的水平蒸发管，当热负荷一定时，其水动力特性曲线是一条三次曲线，如图13.2所示。该曲线在同一工作压差Δp₀下可能有三种不同的流量，具有流量的多值性。当管子受到外界干扰时，管内的流量非周期性地出现时大时小的波动，导致并联管组中各蒸发管产生流量偏差和热偏差，影响运行的安全性。这就是水动力特性的多值性，也称为水动力特性的不稳定性。

图13.2　水平蒸发管水动力多值性曲线

2.水平蒸发管发生水动力特性多值性的原因

考察图13.2中的水动力特性曲线。该曲线的O—B段是正斜率，即随着流量的增加，压差Δp总是增加的，此时工质流量G的增加大于平均比容的下降，流量的影响占主导地位。

在工质流量较小，管子出口为过热蒸汽的O—A段，由于管内充满蒸汽，随流量的变化很小，Δp曲线上升较陡；在随后的A－B段中，管内蒸汽量随G的增大、蒸发段长度的减少而下降，平均比容减小的速度加快，Δp曲线的斜率逐渐减小，上升趋势变缓。

在B点以后，由于流量已经很大而蒸汽量相当小，管内平均质量含汽率约为0.25左右。此时随着G的增加，的进一步减小，使得管内的容积含汽率急剧减小，从而导致的急剧下降，比容的影响占了主导地位，则Δp曲线开始下降，直至C点。此后，由于管内几乎全部是水，流量的增加对比容已无多大影响，Δp曲线又随流量的增加而增加。

图13.3　沿蒸发管长工质动压头随不同流量的变化曲线

曲线1～6分别对应工质流量1～6t/h

图13.3表明沿受热不变的管子长度，工质的动压头，即流动阻力的变化情况。图中曲线5、6对应图13.2中流量大于D点的情况，即受热管中为单相水时，由于工质比容不变，动压头为常数，且随流量增大而增加。随着进水流量从小到大，加热段长度减小而动压头增加，蒸发段长度增加，但工质的动压头是先随流量的提高而显著增大，后又因汽水混合物的比容急剧减小而降低。可见，影响动压头具有不同变化规律的主要原因是汽水混合物的比容变化。将代表不同流量的各条曲线沿管长的动压头叠加后，就形成图13.2中具有两个极值的三次曲线。

综合上述分析可知，当热负荷一定时，由于蒸发管内同时存在加热水段和蒸发段，水和蒸汽的比容差别极大，使得工质的平均比容随流量的变化而急剧变化，从而产生了水动力特性的多值性。如果受热管内全部是单相热水或汽水混合物，则不会出现多值性。但在直流锅炉蒸发受热面的进口工质肯定是未饱和水，否则可能引起各管圈中工质流量分配不均匀问题，因此设计中必须考虑如何防止多值性的出现。