【摘 要】本文探討了入口工質(zhì)狀態(tài)、爐內(nèi)熱流密度、質(zhì)量含汽率等主要因素對(duì)水冷壁的影響。根據(jù)鍋爐水冷壁管內(nèi)的工質(zhì)，從欠熱水一直被加熱到微過(guò)熱的蒸汽，可將鍋爐水冷壁管內(nèi)換熱分成以下六個(gè)區(qū)段。根據(jù)單相流體換熱系數(shù)和兩相流體換熱系數(shù)公式，進(jìn)而推導(dǎo)出鍋爐水冷壁溫度計(jì)算公式。

【關(guān)鍵詞】鍋爐 水冷壁 計(jì)算

水冷壁是鍋爐的主要受熱部分，它由數(shù)排鋼管組成，分布于鍋爐爐膛的四周。它的內(nèi)部為流動(dòng)的水或蒸汽，外界接受鍋爐爐膛的火焰的熱量。由于鍋爐水冷壁內(nèi)工質(zhì)復(fù)雜多變，因此水冷壁溫度的計(jì)算較為困難?？紤]影響水冷壁溫度的主要因素，及其鍋爐水冷壁內(nèi)工質(zhì)換熱理論，提出了水冷壁溫度的計(jì)算公式，為相似的研究提供了理論依據(jù)。

一、影響鍋爐水冷壁溫度的因素

影響鍋爐水冷壁溫度的因素有很多，通過(guò)專家經(jīng)驗(yàn)得知在水冷壁欠熱沸騰起始點(diǎn)前，隨水冷壁的高度的升高，水冷壁溫度也是升高的，之后隨著水冷壁高度的增加，水冷壁的溫度有所下降，之后變化趨勢(shì)放緩，溫度波動(dòng)不大。

（一）入口水溫的影響。鍋爐水冷壁上升管的入口水溫理論上為鍋筒壓力下的飽和水溫度，但是由于損失和耗散，所以水溫會(huì)有5℃左右的偏差，相應(yīng)的就會(huì)對(duì)沸騰起始點(diǎn)的位置有所影響。欠熱始點(diǎn)高度是由過(guò)熱度、工質(zhì)換熱系數(shù)和入口水溫決定，其中過(guò)熱度不受入口水溫的影響。只有在接近臨界參數(shù)范圍內(nèi)，流體的物性參數(shù)才會(huì)隨溫度變化很大。

（二）熱流密度的影響。熱流密度反映的是水冷壁管靠近爐膛側(cè)的受熱情況，它是爐膛與水冷壁管最直接的連接因素。熱流密度與水冷壁最高壁溫的關(guān)系。隨著熱流密度的增加，水冷壁的最高壁溫也隨之增加，并呈線性上升趨勢(shì)。由于在單相流體區(qū)，單相換熱系數(shù)不隨熱流密度的變化而變化，所以外壁溫度的計(jì)算公式只是熱流密度的函數(shù)。

二、鍋爐水冷壁管內(nèi)換熱理論

鍋爐水冷壁管內(nèi)的工質(zhì)，從欠熱水一直被加熱到微過(guò)熱的蒸汽，在這過(guò)程中，不僅有參數(shù)的變化，還伴有狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，大致可以分成以下幾個(gè)區(qū)段。

①單相水的對(duì)流傳熱區(qū)段，此段的終點(diǎn)管壁溫度稍高于水的飽和溫度。放熱系數(shù)與管壁熱負(fù)荷無(wú)關(guān)，壁溫與工質(zhì)溫度差值不大，并隨熱負(fù)荷而增加。②沸騰區(qū)段（過(guò)冷沸騰），在此區(qū)段中，靠近管壁的水層微過(guò)熱，而在管中心的大部分水還具有欠熱。此時(shí)靠管壁的水層開(kāi)始出現(xiàn)汽化核心，待汽泡長(zhǎng)大脫離管壁進(jìn)入管中心水流中時(shí)，在該處的汽泡與具有欠熱的水接觸，冷凝消失，故這種沸騰又稱為表面沸騰。③飽和核態(tài)沸騰區(qū)段，核態(tài)沸騰又稱為泡態(tài)沸騰，即在管壁的汽化核心處產(chǎn)生蒸汽泡，然后汽泡脫離管壁進(jìn)入中心水流中。欠熱沸騰也屬于核沸騰，因此欠熱沸騰又稱為熱核沸騰。④兩相強(qiáng)迫對(duì)流區(qū)段，在飽和核沸騰區(qū)段以后的傳熱和受熱方式與受熱面的熱負(fù)荷和工質(zhì)的質(zhì)量含汽率有關(guān)。⑤液體欠缺區(qū)段，隨著水膜的不斷蒸發(fā)，在管壁上的液膜越來(lái)越薄，加之流速逐漸增大的汽流會(huì)撕破水膜，因此在某一質(zhì)量含汽率下管壁上的液膜消失，這種現(xiàn)象稱為蒸干。

三、鍋爐水冷壁溫度計(jì)算

（一）換熱系數(shù)的計(jì)算

當(dāng)熱負(fù)荷增加時(shí)，汽泡產(chǎn)生和脫離的頻率增大，傳熱也越來(lái)越劇烈。隨著由沸騰引起的汽泡份額增大，流動(dòng)狀態(tài)由彈狀流動(dòng)向環(huán)狀流動(dòng)發(fā)展。環(huán)狀流動(dòng)后期，液體邊界層的厚度已經(jīng)不能夠維持核態(tài)沸騰所需要的過(guò)熱度，其傳熱主要依靠?jī)上鄰?qiáng)迫對(duì)流。

對(duì)于池內(nèi)沸騰，由于溫度邊界層較厚，溫度下降較為緩慢，有效過(guò)熱度與壁面過(guò)熱度之間的差值不大，近似認(rèn)為兩者相等，所以可以用代替。兩相對(duì)流沸騰由于壁面邊界層很薄，溫度梯度很大，決定氣泡生成和長(zhǎng)大的壁面有效過(guò)熱度就不再與壁面過(guò)熱度處于同一量級(jí)，而是比小得多。

對(duì)于兩相換熱中，用修正的Forster-Zuber公式進(jìn)行計(jì)算。原來(lái)的Forster-Zuber公式是用來(lái)計(jì)算池內(nèi)沸騰的，公式如下：

（二）水冷壁溫度計(jì)算方法

綜合影響鍋爐水冷壁溫度的各個(gè)因素和水冷壁管內(nèi)換熱理論分析和專家經(jīng)驗(yàn)，可總結(jié)出鍋爐水冷壁壁溫計(jì)算按照傳熱學(xué)中穿過(guò)圓筒壁的傳熱計(jì)算公式，當(dāng)受熱面管子四周均勻加熱時(shí)，管子的外壁溫度可由下式計(jì)算：

沿管子四周均勻加熱的情況，在進(jìn)行壁溫計(jì)算時(shí)還應(yīng)考慮到沿管子周界上的熱負(fù)荷分布不均勻性。例如，對(duì)于靠爐墻布置的水冷壁輻射受熱面，其向火面的熱負(fù)荷最高，而背火面則靠爐墻的反輻射吸收不大的熱量。在這種情況下，由于沿管子周界金屬壁溫有差異，因此就可能由管子正面?zhèn)饕徊糠譄崃拷o管子背面，在壁溫計(jì)算時(shí)以熱量均流系數(shù)u來(lái)考慮管子向火面熱負(fù)荷的降低值。考慮此影響后，管外壁溫度的計(jì)算公式為（3）上述公式是在管壁上未覆蓋水垢層時(shí)的壁溫計(jì)算公式，前面分析可知在實(shí)際計(jì)算和研究中，下降管水垢的影響也要進(jìn)行討論。這里我們?cè)O(shè)為下降管內(nèi)水垢厚度，為下降管內(nèi)徑，為下降管外徑，為水垢的導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可推導(dǎo)出水冷壁外壁溫度計(jì)算公式為：

四、結(jié)論

通過(guò)分析影響電站鍋爐水冷壁的各種因素及鍋爐水冷壁內(nèi)換熱理論，根據(jù)換熱系數(shù)的計(jì)算分析，推導(dǎo)出鍋爐水冷壁溫度計(jì)算方法，此方法的得出為計(jì)算水冷壁的溫度提供了理論依據(jù)，也為相似的工程提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]車東光，吳少華.超超臨界鍋爐水冷壁傳熱特性和溫度偏差[J].鍋爐制造，2006，5（2）：1-5.

[2]劉佳.鍋爐水冷壁壁溫計(jì)算及低負(fù)荷下爆管原因分析[D].大連：大連理工大學(xué)2008.

[3]劉佳，李素芬.自然循環(huán)鍋爐水冷壁溫度計(jì)算方法及影響因素分析[J].能源工程，2008

作者簡(jiǎn)介：

金微（1986.08-）吉林省梅河口市人，助理工程師，主要研究方向熱工自動(dòng)化及智能控制系統(tǒng)，電站鍋爐計(jì)算方法。