1、,在蒸汽发生器的上升空间中，流体在向前流动的过程中，因受到加热而不断汽化，汽水混合物的比容越来越大，流速不断增加，从而产生了加速度阻力。 计算加速度压降的公式也可分为基于均相流和分相流模型两类。 若假设两相流体在上升流道中作均相流动，且忽略预热段单相流动的加速度阻力，则根据动量定理可得：,汽液两相流动加速度阻力计算,第五章,(5-64),根据均相流动假设，有,于是（5-64）可简化为：,第五章,(5-65),由式（5-38）和（5-40），得到：,(5-66),或,式中，脚标2表示出口参数。,第五章,若采用分相流模型，则同样可以得到：,(5-67),计算汽液两相流动重位力压降的一般表达式可写成
2、：,汽液两相流动重位力压降计算,(5-68),第五章,由式5-69可见，要正确计算重位压力降，必须首先正确算出截面含气率值。 计算截面含气率的公式也很多，各式的计算结果有时可相差数倍，这里不做一一介绍，只介绍其中两个有代表性的计算式。,(5-69),式5-68中的汽液混合物平均密度可按下式计算：,第五章,阿尔曼特在20世纪40年代末期，首先对26 mm的管子在水平和竖直状态下进行了空气-水的两相流实验，结果发现，在=0-0.91的范围内，和的关系可近似表示为：,(5-70),式中，C=0.833。,后来，阿尔曼特又在内径为56 mm的管子内进行了汽-水两相流动实验，实验压力达到9.0 MPa，
3、质量流量为0.556 kg/s。结果表明，和在呈现性关系的区段内仍符合式5-70的表达式形式，但这时：,(5-71),式中，绝对压力p的单位是MPa。,第五章,根据截面含汽率与体积含汽率的相互关系，从理论上可以得到：,(5-72),式中，S为汽相流速与液相流速之比，即滑速比。 （前）苏联学者奥斯马金奇在实验的基础上得到：,(5-73),式中， Frl为液体的傅里叶数，等于 。,第五章,二回路侧水力计算,图5-8所示为立式U型管自然循环蒸汽发生器二回路侧的基本循环回路，它由上升空间、汽水分离器和下降空间组成。,自然循环机理,第五章,在外壳与衬筒之间的下降空间内充满了单相水，它是由二回路给水和从汽
4、水分离器分离出来的再循环饱和水混合而成。进入蒸汽发生器的给水温度一般低于蒸汽发生器工作压力下的饱和温度，给水与汽水分离器分离出来的再循环饱和水混合后仍为过冷水，即使给水温度达到饱和温度，由于静水柱压力的缘故，上升空间入口处的水温也低于当地压力下的饱和温度。 上升空间中传热面可分为预热段和蒸发段二部分。在传热面上面，还有一个上升段，提高了循环的压头，所以上升通道的总高度由预热段、蒸发段和上升段组成，其中蒸发段和上升段的总和称为含汽区段，用符号Hr表示。,第五章,上升空间的预热段也称为不含汽区段，其高度用符号HP表示，开始沸腾的断面AA称为“沸腾起始截面”或简称“沸腾点”。通过沸腾点以后，随着流体
5、的进一步向前流动运动，蒸气含量不断增加，因此，在含汽区段的蒸发段内，汽水混合物的密度是不断变化的。 在截面AA处，如果流体处于静止状态，则AA截面受到上升空间汽水混合物的压力为：,(5-74),式中，p为蒸汽发生器的工作压力，Pa。 AA截面受到下降空间过冷水的压力为：,(5-75),式中， 下降空间过冷水的密度，kg/m3。,第五章,忽略预热段高度内下降段与上升段之间的压力差，则截面AA两侧所受到的压力差为：,(5-76),由于Pm0，即截面两侧受力不平衡，因此，流体必然产生流动。也就是说，Pm是使流体产生流动的动力，一般称之为循环运动压头。 当流动达到稳定时，截面两侧受力应是平衡的，于是有
6、下式成立：,(5-77),或,式中， 为上升空间阻力，Pa； 为汽水分离器阻力，Pa； 为下降空间阻力，Pa。,第五章,在式5-77中，等号左侧是产生水循环的动力，也就是说水循环是由于上升空间与下降空间中流体的压力差而产生的；等号右侧是流体做循环流动时上升空间的阻力、汽水分离器阻力和下降空间阻力之和。 显然在稳定流动时，推动力要等于阻力。,在水循环计算及分析中，常应用有效压头这个概念，即：,(5-78),由式5-78可见，有效压头是在循环回路的运动压头中，除了克服汽水混合物向上流动时产生的阻力后所剩余的压头，它等于下降空间阻力。,第五章,研究蒸汽发生器水力循环的目的： 是要使蒸汽发生器在运行时
7、保证其流动的稳定性，提高安全可靠性，防止管子因腐蚀而发生破损。 自然循环蒸汽发生器二回路侧水力计算的基本任务： 就是求取循环回路的运动压头和流动阻力，并根据运动压头和流动阻力的平衡关系求出循环倍率和循环速度，校核这些参数是否在一般推荐的合理范围内，以此评价蒸汽发生器水力循环的可靠性。 一般说来，蒸汽发生器的参数和结构确定后，循环倍率也就确定了。由循环倍率的定义式5-33可以看出，循环倍率等于蒸发段出口质量含汽率的倒数，它的大小直接反映了汽水混合物中蒸汽含量的百分比，在一定程度上反映了炉水的浓度。,二回路侧水力计算的基本任务,第五章,循环倍率大小对循环可靠性的影响： 如果循环倍率过小就会在管壁上
8、产生蒸汽膜，并形成化学沉积物，使得沸腾放热系数显著下降；同时由于蒸汽含量过大，会导致炉水中的杂质的过渡浓缩，从而引起传热管的腐蚀破裂。而且过小的循环倍率使得予热段占有较大的传热面，这在结构和热工上都是不合理的。 循环倍率过大时，确信其管壁表面是润湿的，而且由于管板上表面横向流速的提高，使滞流区减少，减少了泥渣沉积。然而这也使得汽水分离器的负荷增加，当超过了汽水分离器的分离能力时，水滴可能随蒸汽一起进入汽轮机高压缸，这不仅使汽轮机的效率降低，也会直接危及汽轮机的安全。从保证蒸汽发生器安全可靠性的角度看，一般取循环倍率CR=25为宜。,第五章,循环速度大小对循环可靠性的影响： 为了保证蒸汽发生器能
9、安全可靠地工作，除了要求有一定循环倍率以外，还要求有一定的循环速度。因为在二回路侧管板上表面、管束的热端和冷端、管束弯头防振架处和管束支撑板处，由于流动条件差，可能会造成流体停滞，形成了滞流区，结果在这些地方很容易形成沉积物、杂质高度浓缩，杂质浓度可能比循环水的浓度高520倍，并在传热面上出现干湿交替和局部蒸干的现象。所有这些都加速了应力腐蚀。因此，缩小并尽可能消除滞流区对于蒸汽发生器的运行具有重要的意义，为此循环速度不宜过低。规定循环速度不应低于0.1m/s，最好大于0.2m/s。,第五章,由上述分析可以看出 循环倍率和循环速度的大小是表征自然循环蒸汽发生器二回路侧水循环可靠性的重要指标，其
10、数值应保持在一个合适的范围内。 但由于二回路侧流动情况非常复杂，要准确可靠地计算循环倍率和循环速度是比较困难的，因此实际的循环倍率主要靠试运行时实际测定。 在设计计算时，常用图解法来确定循环倍率和循环速度，即先假定几个循环倍率值，然后分别计算运动压头和循环回路总阻力，并将结果绘成如图，两条曲线的交点即为稳定工况时的循环倍率值，进而不难求出循环速度值。,第五章,前面已经给出了单相流动和两相流动参数的基本计算公式，在下面即将利用这些公式进行二回路运动压头和回路阻力的计算，这里集中对这些公式的使用及其中一些基本参数的计算做一说明。,基本参数计算,下降空间流道截面积：,式中， 、 分别为蒸汽发生器下筒
11、体内径和衬筒外径，m。,下降空间流道当量直径：,(5-79),(5-80),第五章,下降空间单相水的流速：,上升空间流道截面积：,上升空间流道当量直径：,(5-81),(5-83),(5-82),第五章,说明： 下面在进行二回路运动压头和回路阻力计算时，所涉及到的两相流参数，如质量含汽率、截面含汽率、体积含汽率、汽相的折算速度、液相的折算速度，以及汽水混合物的密度、比容、粘度、流速等，由于含汽段各个截面的值都不相同的，因此，为了简化计算，除非特殊指明是入口参数或出口参数，一般情况下都按蒸发段进出口的算术平均值计算。,由式5-76我们可以看出，运动压头其实就是蒸汽发生器内下降空间单相水的重位压头
12、与上升空间汽水混合物的重位压头之差。由于下降空间单相水的过冷度一般都很小，因此，在实际计算时可以忽略过冷水与饱和水之间的密度差，即 ，于是将式5-69代入式5-76可以得到：,循环运动压头计算,第五章,式中，可按式5-70或5-72计算，而确定含汽区段高度的问题，实际上是要确定开始沸腾点的高度，即确定不含汽区段高度Hp。 由于二回路给水一般都有一定的过冷度，因此，由给水和从汽水分离器中分离出来的饱和再循环水混合而成的下降空间循环水也是过冷的。 将这些水加热到饱和温度，每千克水需要的热量，即沸腾欠热焓为：,(5-81),(5-82),第五章,将式5-89代入式5-88即可得到：,(5-89),(
13、5-90),忽略排污量的影响，则 的大小可由热平衡方程求得，即,当水进入下降空间后，因静水柱压力增大而引起的沸腾欠热焓的变化为：,(5-91),式中， 为饱和水焓对压力的变化率，在工程计算中可用 近似代替，J/Pa。,第五章,水流经不含汽区段后达到饱和，根据热平衡方程即可求出不含汽区段高度：,(5-92),(5-93),忽略上升空间汽水混合物通过衬筒对下降空间水的加热，则水在下降空间最低点的沸腾欠热焓为：,第五章,或,(5-94),式中,为传热管外径，m；nt为传热管根数；q为换热面的平均热负荷，W/m2。,第五章,循环回路阻力包括： 下降空间阻力Pd 其中下降空间阻力包括摩擦阻力和局部阻力
14、上升空间阻力Pr 上升空间阻力包括摩擦阻力Pf 局部阻力Pl 弯头区阻力Pb 加速度阻力Pa。 汽水分离器阻力Ps。 汽水分离器的阻力主要靠试验确定 下面仅讨论下降空间阻力Pd和上升空间阻力Pr的计算。,循环回路阻力计算,第五章,下降空间阻力由下式计算：,(5-95),式中，摩擦阻力系数f根据流动状态,在5.1.1节中选用相关的公式计算，注意在计算式应将原公式中的d用De代替； H为下降空间高度； 总局部阻力系数包括下降空间进出口、流量调节装置和定位装置等的阻力系数，其中，流量调节装置和定位装置等组件由于结构复杂，理论计算阻力系数比较困难，因此一般需通过实验获得； 为便于计算，下降空间物性参数
15、的定性温度可近似按饱和温度计算。,第五章,上升空间阻力计算：,对于上升空间流动，预热段单相流体的流动阻力只占有总阻力很小的份额，因此可以忽略不计。 对于含汽区段的阻力计算，与管束支撑板结构密切相关, 随着支撑板结构不同，两相流动阻力的计算方法也略有差异,因此须根据具体情况选则合适的计算公式进行计算。 当蒸汽发生器管束布置了整块圆形支撑板时，汽水两相流体全部沿管束作纵向流动。 下面仅对这种情况，以分相流模型为例进行说明。,第五章,摩擦阻力和局部阻力计算: 按折算速度计算的液相摩擦阻力和局部阻力分别按式5-96、5-97计算：,(5-96),其中:,(5-97),(5-98),(5-99),第五章
16、,(5-101),按折算速度计算汽相摩擦阻力和局部阻力时，应当在常用的计算公式前乘以1/3才能得到与实验值相近的数值，即,(5-100),式中， 为管束蒸发段直段高度，m；N为管束支撑隔板块数； 为液相的动力粘度； 局部阻力系数可以从图5-2中查取；上升空间流道当量直径de按式5-83计算。,(5-102),计算上升空间两相流动摩擦阻力 将式5-96、5-100的计算结果代入到式5-52中，求出X值。 然后根据流态和X值，从图5-7中查取摩擦阻力的倍增因子l、g，也可以直接用公式5-55、5-56计算。 再将按折算速度计算的摩擦阻力和查得的倍增因子代入到式5-50、5-51中，求出液相和汽相的
17、摩擦阻力， 最后由式5-54计算平均摩擦阻力。,第五章,按下式求出折算速度下液相和汽相的雷诺数，并根据计算结果判断流态。,(5-104),(5-103),加速度阻力可以直接按式5-67计算，其中：,第五章,计算流过支撑隔板产生的局部压力时 先将式5-97、5-101的计算结果代入到式5-60中，求出X值，然后利用式5-58和5-59分别计算出液相和汽相的局部阻力， 并用下式计算出局部阻力的平均值。,(5-105),(5-106),假设： （1）全部流动为垂直的纵向流动； （2）冲刷排数为由圆心至半球形重心之间的管排数； （3）流道截面积等于纵向流道截面积，即通过弯管区的水和汽的折算速度等于纵向
18、流过管际空间的相应速度。,第五章,形弯头区阻力 可以借助于横向冲刷管束的流动阻力计算公式进行计算，但是，由于弯管区的流动情况比较复杂，因此只能作若干假设后进行近似估算。,(5-107),这样通过弯管区的水和汽的折算单相阻力为：,(5-108),式中，受冲刷传热管排数N可按下式计算：,式中,管节距t2的含义见图5-3； 为弯管区重心至圆心之间的距离,可近似取为：,第五章,式中，为管束弯头最大节圆直径。,(5-109),(5-110),在计算折算速度下的阻力系数 、 时，雷诺数按蒸发段出口的折算速度计算，即将式5-104中的 和 分别用 和 代替，然后计算 和 的值，并将结果代入到式5-9或5-1
19、0中，计算得到相关的阻力系数值。,对于按三角形排列的管束，可以将式5-107计算的结果代入到式5-63，求出弯头区阻力。 对于按正方形排列的管束，由于没有合适的计算公式，因此可以借助摩擦阻力分相流模型，参照式5-505-52和5-54进行计算。,第五章,根据上面的计算，可以求出循环回路的总阻力为：,(5-111),目前，在电站核动力装置中，蒸汽发生器的发展趋于大型化。但随着蒸汽发生器蒸发量的不断提高，下筒体的截面积并不随蒸发量成比例地扩大，蒸汽发生器的高度也不随蒸发量成比例地增加，因此在循环倍率相等的条件下，上升空间的两相流流速将大幅度提高，两相流动阻力相应增加。 为了保证可靠的水循环，防止传
20、热管出现腐蚀破裂，一般可采取以下措施改善水循环：,第五章,1. 传热管的排列采用正方形布置,在立式蒸汽发生器中，从缩小蒸汽发生器横向尺寸的角度出发，总是希望把传热面布置得尽量紧凑，例如采用小的管节距和三角形排列等方案，但如果传热面排列过于紧凑，由于上升空间汽水混合物的流通截面面积过小，有可能造成循环倍率达不到必要的数值。而采用正方形排列则可增加纵向流通截面面积，降低纵向流速，从而能较大地降低两相流动阻力。当然，最终选取何种布置方案应从蒸汽发生器尺寸、水循环和制造工艺等几个方面来考虑。,2. 减少支撑板数目,汽水混合物流过支撑板流水孔所产生的局部阻力，在上升空间流动总阻力中占据主要份额。因此减少
21、支撑板的数目对降低流动阻力效果很好，但应对管束的固定和振动作详细的实验研究，在保证安全可靠的前提下，增加支撑板间距，减少支撑板数目。,第五章,3. 降低支撑板阻力,由于沸腾放热系数的大小与流速无关，所以蒸汽发生器中支撑板的作用主要是为了固定管束和防止振动。 降低支撑板阻力的方法有： (1) 采用以纵向流动为主，或全部为纵向流动的支撑板结构型式。 早期的蒸发器中，一般采用半圆形的支撑板，在管孔之间的空隙内钻些小孔。这种结构的流动方式是横向流动和纵向流动同时存在，且以横向流动为主，因此阻力较大。采用整块圆形支撑板的结果，使流动全部为纵向。这样不但大大降低了上升空间的阻力，而且改善了支撑板与传热管间的流动条件，从而减少了由于横向冲刷而引起传热管振动的可能性。 (2) 在保证支撑板的刚性和加工公差的前提下，增加管板的开孔面积，但注意孔与孔之间的孔桥宽度一般不应小于mm，,第五章,4. 改进汽水分离器,(3) 采用板条组成的栅格支撑，使得流通面积较圆形支撑板有进一步增加，从而使流动阻力可大为降低。,汽水分离器是循环回路的组成部分，汽水混合物流过时产生的阻力在上升空间总阻力中占有较大比例，因此，对汽水分离器的设计，不仅要求效率高，而且还要阻力小。,
