第四节 船舶辅锅炉的汽、水系统
第四节 船舶辅锅炉的汽、水系统
13-4船舶辅锅炉的汽、水系统 >水管锅炉的水循环可采用两种方式; 利用泵使汽水混合物经受热面的强制循环 利用水与汽水混合物的密度 >目前大多数船用锅炉采用自然循环 >自然循环的优点是设备简单,无需专门的循环泵
13-4 船舶辅锅炉的汽、水系统 ➢ 水管锅炉的水循环可采用两种方式； ➢ 利用泵使汽水混合物经受热面的强制循环 ➢ 利用水与汽水混合物的密度 ➢ 目前大多数船用锅炉采用自然循环 ➢ 自然循环的优点是设备简单，无需专门的循环泵
13-4-1炉水的自然循环 1.自然循环的基本原理 水管锅炉的自然循环回路由汽包、水筒(或联箱)、下降管及上升管 (蒸发受热面)组成,其循环回路简图如图13-27所示。 上升管由水冷壁和蒸发管束组成,其中的炉水 接受烟气传递给它的热量之后,变成汽水混合物,其平均密度为PJ。 下降管位于炉墙外侧受热,其中的炉水密度为Pw。在水筒(或联箱)中, 由于下降管的水产生的静压头大于上升管中汽水混合物产生静压头, 水就沿下降管向下流动,汽水混合物则沿着上升管向上流动,进入汽 包,在汽包内进行汽水分离,分离出来的蒸汽供应外界。同时向汽包 内补充同蒸发量等量的水,补充进来的水和分离出来的水又混合在 起沿下降管流向水筒,形成自然水循环。只要上升 管内炉水不断地被加热,水循环就这样不断地进行着
13-4-1 炉水的自然循环 ➢ 1.自然循环的基本原理 ➢ 水管锅炉的自然循环回路由汽包、水筒(或联箱)、下降管及上升管 (蒸发受热面)组成，其循环回路简图如图13—27所示。 ➢ 上升管由水冷壁和蒸发管束组成，其中的炉水 ➢ 接受烟气传递给它的热量之后，变成汽水混合物，其平均密度为PJ。 下降管位于炉墙外侧受热，其中的炉水密度为Pw。在水筒(或联箱)中， 由于下降管的水产生的静压头大于上升管中汽水混合物产生静压头， 水就沿下降管向下流动，汽水混合物则沿着上升管向上流动，进入汽 包，在汽包内进行汽水分离，分离出来的蒸汽供应外界。同时向汽包 内补充同蒸发量等量的水，补充进来的水和分离出来的水又混合在一 起沿下降管流向水筒，形成自然水循环。只要上升 ➢ 管内炉水不断地被加热，水循环就这样不断地进行着
13-4-1炉水的自然循环 〉管内炉水不断地被加热,水循环就这样不断地进行着 产生自然水循环的循环动力是下降管与上升管的水和 汽水混合合物压力之差,以符号ap表示。 卸://(PwPs)gh(13-6) 式中://从上升管出口中心到水包中心的高度 m /w下降管内水的密度,kg/m;
13-4-1 炉水的自然循环 ➢ 管内炉水不断地被加热，水循环就这样不断地进行着 ➢ 产生自然水循环的循环动力是下降管与上升管的水和 汽水混合合物压力之差，以符号ap表示。 ➢ ，卸：／／(Pw—Ps)g ’h (13—6) ➢ 式中：／／——从上升管出口中心到水包中心的高度， m； ➢ ／w——下降管内水的密度，kg／m’；
13-4-1炉水的自然循环 >PJ—上升管内汽、水混合物的平均密度, g >g重力加速度;m/s3 2.上升管的流动状况和限制壁沮过高的条件 >在蒸发受热面上进行着水变为汽水混合物 的沸腾过程。锅炉安全工作的重要条件之
13-4-1 炉水的自然循环 ➢ PJ——上升管内汽、水混合物的平均密度， kg／m’， ➢ g——重力加速度；m／s’。 2．上升管的流动状况和限制壁沮过高的条件 ➢ 在蒸发受热面上进行着水变为汽水混合物 的沸腾过程。锅炉安全工作的重要条件之 一是
13-4-1炉水的自然循环 蒸发受热面的管壁温度不超过其金属的许用温度 根据传热学,水管锅炉蒸发受热面管外壁温度与 管内工质温度、管内壁对流放热系数口。、管内 水垢和管壁金属的导热热阻及单位受热面热负荷g 有关。目前船用锅炉工作压力最高约为6MPa,管 内工质的温度(该压力下水的饱和温度)不超过 276℃。水垢热阻与水质情况有关,目前炉水处理 良好已能作到基本上无垢运行;而金属的热阻较 小;因此管子外壁温度与管内工质温度差主要取 决于口:及Qo现分析02与g对管壁温度的影响
13-4-1 炉水的自然循环 ➢ 蒸发受热面的管壁温度不超过其金属的许用温度。 根据传热学，水管锅炉蒸发受热面管外壁温度与 管内工质温度、管内壁对流放热系数口。、管内 水垢和管壁金属的导热热阻及单位受热面热负荷g 有关。目前船用锅炉工作压力最高约为6MPa，管 内工质的温度(该压力下水的饱和温度)不超过 276℃。水垢热阻与水质情况有关，目前炉水处理 良好已能作到基本上无垢运行；而金属的热阻较 小；因此管子外壁温度与管内工质温度差主要取 决于口：及Qo现分析02与g对管壁温度的影响
13-4-1炉水的自然循环 从一根上升管看,管内汽水流动的情况在进水量不太大 时沿管长/大致可以分为Ⅵ段,见图13-28。 第1段是从人口到开始沸腾点,水逐渐被加热至沸点J 壁温26随工质平均温度cn一起逐渐升高。这段管内壁对水 的对流放热系数口:主要取决于水的流速。第Ⅱ段是管内 水的平均温度仍低于沸点,但近壁处水温已达到沸点而开 始产生汽泡。当汽泡跃离内壁后转人水流的核心区域时, 立即被冷凝,相应地提高了核心水流的温度,管壁温度继 续上升。因为有汽泡产生,所以。:增大。到第Ⅱ段,管 内水流已全面达到沸点并保持不变,壁温高于沸点并大致 稳定。在这段内汽泡分布在整个断面上,这种流动方式叫 做泡状流动。进入第N段后,前后小汽泡逐渐融
13-4-1 炉水的自然循环 ➢ 从一根上升管看，管内汽水流动的情况在进水量不太大 时沿管长／大致可以分为Ⅵ段，见图13—28。 ➢ 第1段是从人口到开始沸腾点，水逐渐被加热至沸点JJ， 壁温26随工质平均温度cn一起逐渐升高。这段管内壁对水 的对流放热系数口：主要取决于水的流速。第Ⅱ段是管内 水的平均温度仍低于沸点，但近壁处水温已达到沸点而开 始产生汽泡。当汽泡跃离内壁后转人水流的核心区域时， 立即被冷凝，相应地提高了核心水流的温度，管壁温度继 续上升。因为有汽泡产生，所以。：增大。到第Ⅱ段，管 内水流已全面达到沸点并保持不变，壁温高于沸点并大致 稳定。在这段内汽泡分布在整个断面上，这种流动方式叫 做泡状流动。进入第N段后，前后小汽泡逐渐融
13-4-1炉水的自然循环 合成大汽泡,在管中心处成为炮弹状,叫做弹状流动。弹状流动 易使管内壁受到周期性的加热和冷却,管壁容易产生热疲劳应 力。进入第ⅴ段后,前后炮弹状汽泡联成一个汽柱,核心汽柱是 带有游散细水滴的汽流,周围贴壁处是一环状水层,所以叫环 状流动,其放热情况仍取决于环状水层中汽泡扰动程度。当进 入第Ⅵ段时,近壁处只有一薄层水膜,而且表面光滑,与中心 汽柱间没有水滴交换。中心汽流速度大时可能撕破这一薄膜, 形成微细水滴被汽流带走。这种流动方式叫做弥散流(或称雾状 流动)。这时即使汽流总的干度J仍小于1,但局部壁面被撕去水 膜,形成汽膜,使放热恶化。薄水膜也可能被烤干,水中盐分 积存造成壁温急剧上升(如图13-28所示)。当干度大于所谓临界 干度时,即使热负荷不大,也有这种壁温突升的现象存在,应 尽量防止。到第Ⅵ段结束后,z;1,就属于过热段了。当进水 充足时,后面的第山段甚至V段就可能不出现
13-4-1 炉水的自然循环 合成大汽泡，在管中心处成为炮弹状，叫做弹状流动。弹状流动 易使管内壁受到周期性的加热和冷却，管壁容易产生热疲劳应 力。进入第V段后，前后炮弹状汽泡联成一个汽柱，核心汽柱是 带有游散细水滴的汽流，周围贴壁处是一环状水层，所以叫环 状流动，其放热情况仍取决于环状水层中汽泡扰动程度。当进 入第Ⅵ段时，近壁处只有一薄层水膜，而且表面光滑，与中心 汽柱间没有水滴交换。中心汽流速度大时可能撕破这一薄膜， 形成微细水滴被汽流带走。这种流动方式叫做弥散流(或称雾状 流动)。这时即使汽流总的干度J仍小于1，但局部壁面被撕去水 膜，形成汽膜，使放热恶化。薄水膜也可能被烤干，水中盐分 积存造成壁温急剧上升(如图13—28所示)。当干度大于所谓临界 干度时，即使热负荷不大，也有这种壁温突升的现象存在，应 尽量防止。到第Ⅵ段结束后，z；1，就属于过热段了。当进水 量充足时，后面的第Ⅵ段甚至V段就可能不出现
13-4-1炉水的自然循环 在第1段,因水对管壁的对流放热系数O2约为5000/m'.K,热阻1 o。不大,管内壁相对工质的温圈13-28上升管汽水流动情况升不 过100℃左右。从第:段开始直到第V段结束,均属于沫态沸腾,此时 口。恕18000W/m2.K,,管内壁的温升只有33℃左右。第Ⅵ段管 内壁局部形成一层蒸汽膜,d就降至只有1500W/mˆ.K左右,管内 壁温升将达396℃左右。一般船用锅炉蒸发受热面大多采用低碳钢, 允许工作温度大约450℃,因此不允许管内沸腾进入第Ⅵ段,要限制 蒸发受热面出口湿蒸汽的干度不要大于临界干度。一般当」0.5时, 上升管即进入雾状流动状态。 以上讨论是当受热面热负荷在正常范围的情况。当热负荷增加至某 一临界值时,管内蒸发剧烈,单位面积受热面上的汽泡数目急剧增加, 密集的汽泡连成一片,此时将由沫态沸腾过渡到膜态沸腾,管壁温度 将急剧上升,使管壁烧坏。因此为了保证蒸发受热面安全工作,还要 特别注意不要发生偏燃,而导致局部受热面的热负荷达到临界热负荷
13-4-1 炉水的自然循环 在第1段，因水对管壁的对流放热系数02约为5 000W／m’．K，热阻1 ／o。不大，管内壁相对工质的温圈13-28 上升管汽水流动情况升不 过100℃左右。从第：段开始直到第V段结束，均属于沫态沸腾，此时 口。恕18 000W／m2．K，，管内壁的温升只有33℃左右。第Ⅵ段管 内壁局部形成一层蒸汽膜，d2就降至只有1 500W／m’．K左右，管内 壁温升将达396℃左右。一般船用锅炉蒸发受热面大多采用低碳钢， 允许工作温度大约450℃，因此不允许管内沸腾进入第Ⅵ段，要限制 蒸发受热面出口湿蒸汽的干度不要大于临界干度。一般当J≥o．5时， 上升管即进入雾状流动状态。 ➢ 以上讨论是当受热面热负荷在正常范围的情况。当热负荷增加至某 一临界值时，管内蒸发剧烈，单位面积受热面上的汽泡数目急剧增加， 密集的汽泡连成一片，此时将由沫态沸腾过渡到膜态沸腾，管壁温度 将急剧上升，使管壁烧坏。因此为了保证蒸发受热面安全工作，还要 特别注意不要发生偏燃，而导致局部受热面的热负荷达到临界热负荷
13-4-1炉水的自然循环 3.保证自然水循环良好的措施 为了防止蒸发受热面过热烧坏,除了防止受热 面热负荷过大和结垢严重外,主要是保证水循环 良好,即保证所有的上升管有足够的循环流速 tOo(以上升管人口处计)和进水流量G。这也就是 要求上升管有足够的循环倍率K—人口处进水 流量Gkg/h)与出口处蒸汽流量D(kg/h)之比 可见K=G/D大,出口蒸汽干度J就越小(JxD/G: 1/K)。为了防止上升管末端出现雾状流动状态或 热负荷偏离时出现膜状沸腾,循环倍率K至少应 大于4(J<0.25)
13-4-1 炉水的自然循环 3．保证自然水循环良好的措施 ➢ 为了防止蒸发受热面过热烧坏，除了防止受热 面热负荷过大和结垢严重外，主要是保证水循环 良好，即保证所有的上升管有足够的循环流速 tOo(以上升管人口处计)和进水流量G。这也就是 要求上升管有足够的循环倍率K——人口处进水 流量G(kg／h)与出口处蒸汽流量D(kg／h)之比。 可见K＝G／D大，出口蒸汽干度J就越小(JxD／G： 1／K)。为了防止上升管末端出现雾状流动状态或 热负荷偏离时出现膜状沸腾，循环倍率K至少应 大于4(J<0．25)