垂直蒸发管的水动力特性

13.1.3　垂直蒸发管的水动力特性

工质在垂直蒸发管的流动中，重位压差的影响很大，成为管内总压差的重要组成部分。重位压差的作用与管圈的布置型式有很大的关系。对于向上流动、向下流动以及多行程流动等不同的结构型式，重位压差起着不同的作用，具有不同的水动力特性曲线，有可能使水动力特性产生多值性，也可能消除水动力特性的多值性。为了分析重位压差对水动力特性影响的本质，可作如下简化：一是考虑到加速阻力较小而忽略不计，二是假定不计重位压差时的水动力特性曲线（即流动阻力曲线）是稳定的。

1.单行程垂直蒸发管的水动力特性

单行程垂直蒸发管的水动力特性包括工质向上流动和向下流动两种。

垂直上升流动蒸发管进、出口之间的压差为流动阻力和重位压差之和，即

对于垂直上升流动蒸发管，当热负荷不变时，随着流量的增加，流动阻力和重位压差均增大，两者之和使得总压差曲线上升加快，重位压差起到稳定水动力特性的作用，如图13.8（a）所示。若流动阻力曲线是稳定的，加上重位压差后的管子总水动力特性更加稳定；若流动阻力曲线是多值的，加上重位压差后的管子总水动力特性变为或趋于稳定。总之，垂直上升流动中的重位压差起到了节流圈的作用，改善了水动力特性，可以部分或完全消除多值性。

垂直下降流动蒸发管进、出口之间的压差为流动阻力和重位压差的差值，即

与上升流动蒸发管比较，虽然流动阻力和重位压差随着流量的增加也是增大，但下降蒸发管中的重位压差取为负值，两者叠加后的总水动力特性曲线变成不稳定的，出现了多值性，同一压差Δp₀下有两种流量，如图13.8（b）所示。其原因是流量从小到大，重位压差增长速率呈现先快后慢的趋势，这是由汽水混合物平均比容的变化速率，即由水与水蒸气的物性所决定的。因此，垂直下降流动中的重位压差恶化了水动力特性，使不计重位压差时的单值性流动阻力曲线叠加后出现多值性。如果下降流动中的Δp_lz很大，则Δp_lz曲线的斜率增大，可以消除该管的水动力特性多值性。显然，在管子入口处加装节流圈有利于稳定水动力特性。

图13.8　单行程垂直蒸发管的水动力特性曲线.

（a）次上升管；（b）次下降管

1—重位压差曲线；2—流动阻力曲线；3—总水动力特性曲线

2.多行程垂直蒸发管的水动力特性

多行程蒸发管分为双行程、三行程级以及多行程等型式。

双行程蒸发管包括先下降后上升的U型管圈和先上升后下降的倒U型管圈两种型式，其进、出口之间的压差为

从上式可以看出，双行程蒸发管中上升段的重位压差取为正值，下降段中的重位压差取为负值，两者叠加后才是管圈的总重位压差。

图13.9（a）示出先下降后上升的U型管的水动力特性曲线。当热负荷一定，进口焓值不变时，由于第一行程下降段的密度ρ_xj大于上升段的密度ρ_ss，所以下降段中的重位压差总是比上升段中的大。当流量较小时，第二行程上升段中工质的焓值将剧增，密度大为降低，所以重位压差比下降段小得多。流量愈大，两个回程的重位压差愈接近，若流量大到管子出口仍然是水时，两个回程的重位压差基本相等。因此，合成后的总重位压差特性曲线为负值，形成先下降后上升的变化趋势。总重位压差曲线和稳定的流动阻力曲线相加得到总水动力特性曲线。由图可见，在重位压差曲线的作用下，总水动力特性曲线可能变为多值的。

图13.9（b）示出先上升后下降的倒U型管的水动力特性曲线。由于第一行程是上升段，所以上升段的重位压差ρ_ssgh大于下降段的重位压差ρ_xjgh，故总重位压差特性曲线为正值。用与U型管圈类似的分析可知，在重位压差的作用下，既使流动阻力特性曲线是稳定的，总水动力特性曲线也可能变为多值的。

研究表明，为了避免倒U型管组中汽水管路阻力过大，只要使双行程管组的工作点Δp₀不低于受热强管的水动力特性曲线的最低点，且工作点在曲线最低点右边的线段上，工作即是稳定的。其原因见水平蒸发管稳定工作区的论述。

与水平蒸发管相同，减小管子的工质进口欠焓，使流量增加时上升段及下降段中的平均密度变化减小，将有助于水动力特性曲线的稳定。

三行程垂直蒸发管又分为N型及И型两种。

对于先上升，后下降，再上升的N型蒸发管圈，以及先下降，后上升，再下降的И型蒸发管圈，应用前述相同分析方法，可知这两种蒸发管中的总重位压差曲线均为各种形式的多值曲线。对于N型蒸发管圈，如不计重位压差时的水动力特性曲线是单值的，考虑重位压差后，若进口工质欠焓大时水动力特性曲线就成为多值的，而在欠焓较小时，仍有可能是单值的。对于И型蒸发管圈，只要有欠焓，在考虑了重位压差的影响后，管子水动力特性曲线总是多值。

图13.9　双行程垂直蒸发管的水动力特性曲线

（a）U型蒸发管；（b）倒U型蒸发管

1—下降段重位压差曲线；2—上升段重位压差曲线；3—流动阻力曲线；4—总重位压差曲线；5—总水动力特性曲线

对于多行程的上升和下降流动的垂直蒸发管圈，由于其多次上升和下降流动，在重位压差相互抵消的作用下，重位压差占总压差的份额减小，而流动阻力在总压差中所占的比重增大，即重位压差对水动力特性稳定性的影响减弱。当回程数很多时，其水动力特性接近于水平蒸发管，主要取决于管子的流动阻力。当上、下行程的总数大于10次时，可用前述水平蒸发管的水动力特性稳定性条件性式（13.11）或式（13.13）进行校验。减小工质进口欠焓，采用入口集箱在下部，出口集箱在上部的单数行程管组，都将改善水动力特性。

超临界压力下的在大比热区域，也存在由于重位压差而产生的多值性。对于上述各种类型的管件，其水动力特性曲线的变化规律与同类型的临界压力以下的蒸发管完全相似。提高进口水焓，水动力特性越趋于稳定，即多值性范围缩小。

根据计算分析，满足下列条件之一，则可保证水动力特性曲线的单值性：①对于超临界压力锅炉，当进口水焓大于2300kJ/kg；②任何压力的直流锅炉，进口集箱布置在下部且行程数大于10；③进口集箱布置在下部，行程数为奇数；④任何行程数的强制循环锅炉蒸发受热面。如不满足这些条件，必须作出四个象限的水动力特性曲线，才能校验是否出现多值性或确定其出现范围。

通过加装节流圈可以消除多值性，但是使管组的流动阻力大为增加，一般不采用。

3.热负荷不均匀对垂直上升管组水动力特性的影响

在热负荷分布不均匀的一次垂直上升管组中，即使水动力特性是稳定的，热负荷的不均匀性可能会使管组中的受热弱管出现如自然循环中发生的流动停滞和倒流现象，参见图12.13和图12.15，图中上升管压差符号S即为本节中的符号Δp。上升管组的压差为式（13.15）所示，各管都在工作点压差Δp₀＝Δp_ld＋Δp_zw下工作，受热弱的管子中由于Δp_zw较大，则Δp_ld较小，即流量G较小，则可能发生停滞。当受热弱的管子的热负荷低到使Δp_zw＞Δp₀，Δp_ld为负值，则出现工质自上而下流动的倒流现象。显然，对于一次垂直上升管组，工质流量不能太低，以免在受热最弱管中发生停滞和倒流。只要管组的Δp₀大于受热弱管中发生停滞和倒流两者压差中的大者，就不会发生停滞和倒流。

一次垂直上升管组中校验受热弱管不出现停滞的条件为n/Δp_tz≥1.05，为锅炉最低负荷时管组的压力降；Δp_tz为受热弱管停滞压差，按式（12.27）计算。

直流锅炉的上升管组都不需进行倒流的校验。