1、第五章,自然循环蒸汽发生器的水力计算,在蒸汽发生器中，一回路冷却剂与二回路工质之间的换热过程和流体的流动过程是同时进行的，蒸汽发生器内流体的水力特性取决于流体工质的性质和状态、流道的结构和几何形态以及工质的流动型式； 水力特性不仅影响换热过程，也影响蒸汽发生器的经济性和可靠性。 蒸汽发生器的水力计算是在结构选型和热力计算之后进行，但是，结构设计、热力计算又需要水力计算数据，因此三者往往要反复交替进行，以使设计逐渐完善。,引言,第五章,自然循环蒸汽发生器水力利计算包括： 一回路水流动阻力计算 二回路流动阻力计算和运动压头计算，进而确定循环倍率和循环速度。 一回路水流动阻力包括： 摩擦阻力； 局部
2、阻力。 二回路流动阻力包括： 下降空间阻力、上升空间阻力和汽水分离器阻力。 其中下降空间阻力包括摩擦阻力和局部阻力； 上升空间阻力包括摩擦阻力、局部阻力、弯头区阻力和加速度阻力。,自然循环蒸汽发生器水力计算的基本任务,第五章,工质在通道中流动时，主要存在由于工质的粘性或涡流而引起的摩擦阻力； 由于通道截面变化和弯头等而引起局部阻力和由于容积和速度发生变化而引起的加速阻力。 由于流体重力而引起的重位压头视流动情况可能成为阻力，也可能成为动力。 对于单相流体的流动，如果是不可压缩流体或在等温条件下流动，一般可以不考虑加速度阻力的影响。,单相流动阻力计算,常用单相流动阻力计算公式,第五章,圆管内等温
3、流体流动时的摩擦阻力一般按下式计算,式中， 为摩擦阻力，Pa；f为摩擦阻力系数；H为流道长度，m；d为管道直径，m。为流体的密度，kg/m3；u为流体的流速，m/s 用于计算非圆管流道的摩擦阻力时，需将公式中的直径d替换成水力当量直径 传热对流体流动阻力有明显的影响。但是，当传热温差不是很大时，工程上一般仍用上式计算摩擦阻力，只不过这时公式中的流体密度按平均温度计算 。,（5-1）,第五章,摩擦阻力系数f需根据流态和流道的粗糙度选用不同的公式进行计算。 在层流区，圆管的摩擦阻力系数为：,在紊流区,如果 一般可按布拉修斯方程计算,如果 ，则,如果流体流动已进入阻力平方区，则,（5-2）,（5-3
4、）,（5-4）,（5-5）,第五章,注意事项： 非圆管流道的摩擦阻力在层流区的摩擦阻力系数一般与式（5-2）的计算结果有较大区别，部分简单流道可以利用动量微分方程进行准确的理论计算，复杂的流道则需要直接进行实验测量。 自然循环蒸汽发生器内的流体流动一般都处于水力光滑紊流流动区。这时无论是圆管还是非圆管，摩擦阻力系数均可按式（5-3）或（5-4）计算，但需注意非圆管的特征尺度应按水力当量直径计算。,第五章,局部阻力一般按下式计算,式中， 为局部阻力，Pa； 为局部阻力系数。,（5-6）,局部阻力系数除少数情况可以用分析法求得外，多数情况下都是通过实验测定。,第五章,当流道截面面积突然扩大或突然缩
5、小时，局部阻力系数可按图5-1查取。 对于流道截面面积突然扩大时的局部阻力系数也可以直接按下式计算。,(5-7),第五章,对于工质转弯时的局部阻力系数可以按表5-1中给出的数值计算。,第五章,流体流过流道内安装的孔板或栅格板时的局部阻力系数如图5-2所示 。 蒸汽发生器壳侧支撑板的阻力系数可以参考此图给出的数据,第五章,当工质横向冲刷管束时，阻力压降主要取决于收缩和扩张处的局部阻力，而摩擦阻力只是阻力损失中的极小部分。因此，计算公式仍采用局部阻力计算表达式的结构型式。,式中，N为受到工质冲刷的管子排数； 为横向冲刷管束的阻力系数，其值与管子的排布方式有关。,当管子采用顺排布置,(5-8),当管
6、子采用三角形排布置,(5-9),(5-10),第五章,其中:,式中， 为横向相对节距； 为纵向相对节距； 为横向节距，m； 为纵向节距，m； 为管子外径，m。管子排列及节距如图5-3所示。,(5-11),(5-12),第五章,第五章,一回路侧阻力计算 为了确定一回主循环泵的扬程，必须对一回路侧冷却剂在蒸汽发生器内流动时的各项阻力进行计算 这些阻力包括从蒸汽发生器入口接管至出口接管之间的摩擦阻力和局部阻力之和,共有7部分。,第五章,1 传热管内的摩擦阻力:,平均传热管直段长度包括两端在管板内的长度； 一回路冷却剂在传热管内的平均密度和平均流速按流道进出口算术平均温度和一回路压力计算。,2 局部阻
7、力 （1）由进口接管至进口水室通道截面突然扩大的局部阻力 :,(5-13),局部阻力系数按图5-1查取，或按式5-7计算。其中较小通道截面为接管横截面，较大通道截面为与冷却剂接触的管板半圆面； 冷却剂密度按入口温度和一回路压力计算； 冷却剂流速按进口接管内的速度计算。,(5-14),第五章,局部阻力系数按表5-1查取； 冷却剂密度和流速可取与式5-14相同的数值。,(3) 由进口水室至传热管束，通道截面突然缩少的局部阻力 :,(5-15),局部阻力系数按图5-1查取，其中较小通道截面为传热管束的流通截面，较大通道截面为与冷却剂接触的管板半圆面； 冷却剂流速与式5-13相同； 冷却剂密度取与式5
8、-14相同的数值。,(5-16),(2)进口水室内转弯局部阻力:,第五章,按表5-1查取， =0.5； 冷却剂密度和流速与式5-13相同。,(5) 由传热管束至出口水室，通道截面突然扩大的局部阻力:,(5-17),局部阻力系数按图5-1查取，或按式5-7计算。其中较小通道截面为传热管束的流通截面，较大通道截面为与冷却剂接触的管板半圆面； 冷却剂流速与式5-13相同； 冷却剂密度按传热管出口温度和一回路压力计算。,(5-18),(4) 在U型管弯头内转弯180的局部阻力:,第五章,局部阻力系数按表5-1查取； 冷却剂流速与式5-13相同； 冷却剂密度与式5-18相同。,(7) 由出口水室至出口接
9、管，通道截面突然缩小的局部阻力:,(5-19),局部阻力系数按图5-1查取，其中较小通道截面为出口接管流通截面，较大通道截面为与冷却剂接触的管板半圆面； 冷却剂流速按出口接管内的流速计算； 冷却剂密度与式5-18相同。,(5-20),(6) 在出口水室内转弯的局部阻力:,第五章,一回路侧的水阻力总和为：,(5-21),(5-22),蒸汽发生器一回路侧的局部阻力之和为：,考虑贮备系数，其值为计算阻力的10%，于是设计计算阻力为：,(5-23),第五章,由于影响两相流动阻力的因素很多，因此两相流动阻力计算要比单相流动复杂得多。 目前还没有一个关系式能够包含全部影响因素，所使用的计算公式一般均为经验
10、公式。 这些公式都是通过大量实验得到的，其中包含许多两相流特性参数，因此，只有在特定的实验范围内才有较好的准确性，缺乏广泛的通用性， 公式和公式之间的计算结果往往会有较大的差异。 这里将只结合压水堆自然循环蒸汽发生器二回路侧水力计算，介绍一些相关的特性参数、典型的计算公式。,汽液两相流动阻力计算,研究现状,第五章,定义：假定汽水两相在相同的流速下流动，把两相流体看作为一种均匀混合的介质，其物性参数是相应的两相流参数的平均值。 摩擦阻力可用下式计算 ：,均相流模型计算方法,汽液两相流动摩擦阻力计算,式中， 、 分别为汽水混合物的平均密度和平均流速； 为质量流速，kg/(m2s)。,(5-35),
11、第五章,(5-36),(5-37),其中 ：,将式5-37代入式5-36，得,(5-38),第五章,(5-39),由 , 得到：,将式5-38代入式5-35，得,(5-40),第五章,(5-41),式中，阻力系数f可按布拉修斯方程计算，这时,将式5-40代入式5-39，可得,(5-42),式中， 为汽水混合物的平均动力粘度，可按下式计算：,(5-43),第五章,（前）苏联1978年锅炉水力计算标准方法,式5-44在计算汽水混合物的摩擦阻力时，仅增加了一个与压力和循环水速度有关的修正系数 ； 本方法也是以均相流为基础，只是考虑了压力和速度的影响。对于不受热管道， 值可以从图5-5中查得，对于受热
12、管道， 按下式计算：,(5-44),(5-45),式中，x1、x2分别为受热管道进、出口的质量含汽率；1、2分别为按x1和x2在图5-6中查得的值。,第五章,（P1800.098 MPa时按纵坐标查 ， P 1800.098 MPa时，按横坐标查 ）,第五章,（P1800.098 MPa时按纵坐标查 ， P 1800.098 MPa时，按横坐标查 ）,第五章,LockhartMartinelli方法(简称L-M方法),L-M方法属分相流模型，是LockhartMartinelli在研究了空气和不同液体在水平管道中绝热流动后得到的摩擦压降计算公式。 他们人为地将两相流体分为两股流体：一股为气体，
13、另一股为液体，它们各以一种平均流速流动。 当两种流体的流速相等时，这种分相模型的方程即与均相流模型相同。,LockhartMartinelli在提出分离流模型时，主要基于以下假设： (1) 汽、液两相完全分开，作单独流动，不考虑两相间的相互作用； (2) 汽、液两相在同一管长度上的摩擦阻力损失相等，且都等于两相流动时总的阻力损失；,第五章,汽、液两相的摩擦阻力可分别表示为：,式中，fg为汽相的摩擦阻力系数； fl为液相的摩擦阻力系数； 为汽相所占流道截面积的当量直径，m； 为液相所占流道截面积的当量直径，m。,(5-46),(5-47),第五章,由于液相和汽相的当量直径，以及它们的实际流速难以
14、计算，因此可以先按折算速度计算汽相和液相的阻力，即,式中，fgo、flo分别为汽相和液相在折算速度下的摩擦阻力系数，可按式5-3进行计算。,(5-48),(5-49),第五章,将式（5-48）和（5-49）乘以各自的倍增因子，就得到了汽相和液相的摩擦阻力：,式中， 、 分别为汽相和液相的倍增因子，可以根据图5-7查取。图中，横坐标X定义为折算速度下液相和汽相摩擦阻力之比的平方根，即,(5-50),(5-51),(5-52),、 的值根据汽相和液相流态的不同组合被分成四组： 即层流-层流(ll)、层流-紊流(lt)、紊流-层流(tl)和紊流-紊流(tt)。,第五章,两相流动平均摩擦阻力为：,(5
15、-53),(5-54),判定流态变化的雷诺数按式5-53计算，临界值取为1000。,第五章,由于使用Lockhart-Martinelli的实验曲线很不方便，也不便于用计算机计算，因此，Chisholm提了简单而又相当精确的Lockhart-Martinelli实验曲线拟合关系式：,(5-55),(5-56),表5-2 系数C值,第五章,在单相流动情况下，流道局部截面变化引起的流体扰动，会延续到下游1012D。而在两相流动系统中，流体扰动在流体进入管道后的100D处仍在起作用，因此，两相流的局部阻力压降与单相流相比，对整个流动系统的影响更大。 由于两相流动过程非常复杂，两相流局部阻力与系统压力
16、、汽相含量、质量流速、结构尺寸等多种因素有关，人们对其产生的机理了解得还不够充分，因此，两相流动局部阻力系数一般都是通过实验获得，加之管件种类繁多，相应的计算公式也是各不相同。 这里将只给出几个与蒸汽发生器阻力计算密切相关的计算公式。,汽液两相流动局部阻力计算,第五章,1. 汽液两相流流经孔板时的阻力压降 用于计算汽液两相流流经孔板时阻力压降的计算公式主要有均相流和分相流两种计算模型。 其中基于均相流模型的计算公式一般可表示为：,第五章,(5-57),式中， 为按折算速度计算的液相流过孔板时的局部压降。 均相流计算公式不是很精确，往往过高估计压降，在低含汽率时尤为严重。,Chisholm根据分
17、相流模型，提出了新的计算公式，其本假设为： (1) 流经孔板时两相流体为不可压缩流体； (2) 与缩颈处的动量相比，上游侧动量可以略去不计； (3) 流经孔板时流体不发生相变； (4) 与两相之间的界面摩擦相比，可以忽略壁面摩擦； (5) 通过孔板时，流体每一相占有的流动截面比例保持不变。 根据上述假设，作者导得和计算摩擦阻力压力降形式相同的两相流体流过孔板的压力降计算式,第五章,(5-58),(5-59),其中,第五章,(5-60),(5-61),式中， 为按折算速度计算的汽相流过孔板时的局部压降；K为系数。 当压力p15.0 MPa时，ZR值按下式计算：,(5-62),式中，p为工作压力，Pa；pc为临界压力，Pa。,2. 汽液两相流横向冲刷管束时的阻力压降 格兰特等人对气液两相流横向冲刷管束时的流动阻力压力降进行了研究，结果表明，对于气液混合物沿水平方向横向冲刷水平布置的三角形排列管束时的流动阻力压力降可按下式计算：,第五章,(5-63),式中，n为指数；B为系数。当汽液两相流沿竖直向上或向下横向冲刷水平管束时，B=1，n=0.37。,
