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锅炉过热器、再热器U型布置流动机理研究
12页1、锅炉过热器、再热器U型布置流动机理研究 摘要 应用动量守恒原理,建立了U型过热器、再热器的理论模型,获得了包括结构尺寸和流动因子的特征参数M。依据M,U型过热器、再热器流动可分为三种状态,并依据实验数据,提出了U型过热器、再热器流量均布设计的基本原则和提高方向。关键词 过热器 再热器 流量均布 分支流符号表D-直箱直径 f-摩擦系数 F-集箱横截面 Fc-支管截面H-支管阻力系数 k-动量交换系数 L-集箱长度 M-特征参数 -孔数 -集箱内静压 -支管流速 -集箱内轴向速度 o入口速度 x任意点速度 c-孔出流带出的轴向速度分量x-轴向坐标 (-流动密度 (-壁面切应力上标:*-汇流1引言在大型电站锅炉中,过热器、再热器并联管组常使用U布置。这种U型过热器、再热器并联管组的流量偏差,主要来自两方面原因:烟气侧受热偏差和蒸汽侧水动力偏差。相对来说,烟气侧受热偏差受到了研究者的普遍重视,而蒸汽侧的研究却相对较少1,成为近年来过热器、再热器超温管爆管的主要原因之一。因此,在大型电站锅炉设计中,U型布置的过热器、再热器的操作工况、经济性、安全性等,在很大程度上取决于水动力计算方法的合理性。在
2、过去的10多年里,过热器、再热器的水动力特性正逐渐受到研究者者的重视,已分别研究了分、汇流集箱内的流动机理。显然,进一步的研究应考虑集箱的布置形式。但这方面的研究开始较晚,美国学者Baju-ra做了这方面开创性的工作。然而,Bajura的计算模型过于复杂,计算过程繁琐,必须应用计算机计算。本文引入化工中的类似模型扩展应用于锅炉过热器、再热器U型布置的计算。类似文献,获得了较简单的、便于工程应用的计算结果。2理论类型U型布置的过热器、再热器通常有两个集箱组成,如图1所示。因此,理论模型的建立依赖于建立分流、汇流集箱的理论模型。在建立理论模型前,我们先做以下假设:(1)分流、汇流集箱内流体流动是一维、不可压的;(2)集箱是等截面;(3)各支管间的间距相等,并且各支管是等截面、等长度的;(4)在分流集箱中,流体在入口处速度最大,在封闭处速度为零;而在汇流集箱中,正好相反。2.1分流集箱取如图2所示支管附近微远控制体,并按质量和动量守恒建立方程组。图2分流集箱微元控制体(1)质量守恒(F(=(F(+(dw/dx)dx)+(Fcu即:u=-FL/Fcn dw/dx (1)其中,dx=L/n(2)
3、动量守恒轴向流体动量增加是轴向各力作用的结果,在微元控制体上,动量平衡:(F-(+(d(/dx)dx)F(Ddx=(F(+(dw/dx)dx)2-(F(2+(Fcu(c对圆截面集箱,管壁摩擦力(=(2/8),忽略dx的高阶微量,方程简化为:1/(d(/dx+(/2D(2+2(dw/dx+Fcu/FLu(c=0 (2)(c表示支管分流带走的流体轴向分量,其大小依赖于管尺寸和支管所处的位置,可大于或小于(,由此(c可表示为:(c=(2-2k)( (3)在锅炉设计中,k常称为动量交换系数。将方程(1)和(3)代入方程(2),动量方程化简为:1/(d(/dx+(/2D(2+2k(dw/dx=0 (4)2.2汇流集箱取如图3所示支管接头附近微元控制体。图3汇流集箱微元控制体(1)质量守恒(F*(*=(F*(*+(dw/dx)dx)+(F*cu令dx=L/n,上式解得:u=F*L/F(c dw*/dx (5)(2)动量守恒轴向流体动量增量是轴向各力作用的结果,在微元控制体上,作用着静压力和壁面摩擦力。按动量守恒可得:p*F*-(p*+(d(*/dx)dx)F*+(*(D*dx=(F*(*+(dw*
4、/dx)dx)2-(F*(*2+(Fcu(*c对圆截面多孔管,管壁摩擦力(*(=(*(*2/8),忽略dx的高阶微量,方程简化为:1/(d(*/dx-(*/2D*)2(*+dw*/dx+(Fcn/F*L)u(*c=0 (6)(c*表示支管分流带走的流体轴向分量,其大小依赖于管尺寸和支管所处的位置,可大于或小于(,由此(c*可表示为:(*c=(2-2k*)(*(7) 在锅炉设计中,k*常称为动量交换系数。将方程(5)和(7)代入方程(6),动量方程化简为:1/(d(*/dx-(*/2D*)(*2+2k*(*dw*/dx=0(8)由方程(1)和方程(5),可得:(*=(F/F*)(3)支管方程p-p*=H(u2/2 (10)由方程(4)减去方程(8),可得:1/( d(p-p*)/dx+1/2(/D+(*/D*(F/F*)2(2-2k*(F/F*)2-2k(dw/dx=0 (11)将方程(1)代入方程(10),得:p-p*=1/2H(FL/Fcn)2(dw/dx)2n(12)引入无量纲变量:P=p/(20,W=(/(0,U=u/(0,X=(/L代入方程(11)和(12),可得无量钢方程组:
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