鍋爐原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)實(shí)驗(yàn)一工業(yè)鍋爐工作原理實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生深化掌握鍋爐自然水循環(huán)的基本原理；2．觀察在自然循環(huán)條件下平行并列管中汽液兩相的流動(dòng)狀態(tài)；3．了解自然水循環(huán)中的常見(jiàn)故障一停滯與倒流現(xiàn)象。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容鍋爐工作的可靠性在很大程度上取決于水循環(huán)工況，對(duì)于在高溫下工作的對(duì)流管束和水冷壁，為了避免管壁溫度迅速升高，必須由流動(dòng)的水來(lái)冷卻，從而防止金屬管壁的損壞破裂。自然水循環(huán)是目前小型鍋爐中普遍采用的水循環(huán)方式。自然循環(huán)鍋爐中的循環(huán)動(dòng)力，是靠上升管與下降管之間液柱重力差來(lái)維持的，其簡(jiǎn)單回路如圖1所示，它由上鍋筒（汽包）組成。上升管由于受熱，工質(zhì)隨溫度升高而密度變小；或在一定的受熱強(qiáng)度及時(shí)間下，上升管會(huì)產(chǎn)生部分蒸汽，形成汽水混合物，從而也使上升管工質(zhì)密度大為降低。這樣，不受熱的下降管工質(zhì)密度與上升管工質(zhì)、下集箱、上升管和下降管密度存在一個(gè)差值，依靠這個(gè)密度差產(chǎn)生的壓差，使上升管的工質(zhì)向上流動(dòng)，而下降管的工質(zhì)向下流動(dòng)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)足，這便形成了循環(huán)回路。只要上升管的受熱足以產(chǎn)生密度差，循環(huán)會(huì)不止。循環(huán)回路是否正常，將影響到鍋爐的安全運(yùn)行。如果是單循環(huán)回路（只有一根上升管和一根下降管），由上升至鍋筒的工質(zhì)將由下降管完全得到補(bǔ)充，使上升管得到足夠的冷卻，因而循環(huán)是正常的。但鍋爐的水冷壁并非由簡(jiǎn)單的回路各自獨(dú)立而組成，而是由若干上升管并列組成受熱管組，享有共同的鍋筒、下降管、下集箱。如圖2所示。這樣組成的自然循環(huán)比單循環(huán)具有更大的復(fù)雜性，各平行管之間的循環(huán)相互影響，在各管受熱不均勻的情況下，一些管子將出現(xiàn)停滯、倒流現(xiàn)象。循環(huán)停滯是指在受熱弱的上升管中，其有效壓頭不足以克服下降管的阻力，使汽水混合物處于停滯狀態(tài)，或流動(dòng)得很慢，此時(shí)只有汽泡緩慢上升，在管子頭彎等部位容易產(chǎn)生汽泡的積累使管壁得不到足夠的水膜來(lái)冷卻，從而導(dǎo)致高溫破壞。循環(huán)倒流是指原來(lái)工質(zhì)向上流動(dòng)的上升管，變成了工質(zhì)自上而下流動(dòng)的下降管。產(chǎn)生倒流的原因亦是在受熱弱的管子中，其有效壓頭不能克服下降管阻力所致。如倒流速度足夠大，也就是水量較多，則有足夠的水來(lái)冷卻管壁，管子仍能可靠地工作。如倒流速度很小，則蒸汽泡受浮力作用可能處于停滯狀態(tài)，容易在頭彎等處積累，使管壁受不到水的冷卻而過(guò)熱損壞。這二種特殊故障都是鍋爐運(yùn)行中應(yīng)該避免的。本實(shí)驗(yàn)主要是使學(xué)生對(duì)此二種循環(huán)故障有深刻的了解。這套裝置是采用玻璃作換熱器的殼體，管路中有透明觀察窗，因此，實(shí)驗(yàn)過(guò)程能讓同學(xué)們清晰地觀察到制冷工質(zhì)的蒸發(fā)、冷凝過(guò)程及流后產(chǎn)生的“閃發(fā)汽壓縮式制冷循環(huán)工質(zhì)狀態(tài)的變化及循環(huán)全過(guò)程的基本特征。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生環(huán)工作過(guò)程的理解，熟悉制冷（熱泵）循環(huán)系統(tǒng)工作原理。并進(jìn)一步掌握制冷（熱泵）循環(huán)系統(tǒng)”氣體面形成的二相流，使之了解蒸加深對(duì)制冷（熱泵）循的操作、調(diào)節(jié)方法，并能進(jìn)行制冷（熱泵）循環(huán)系統(tǒng)粗略的熱力計(jì)算。三、儀器設(shè)備工業(yè)鍋爐實(shí)驗(yàn)臺(tái)，共2臺(tái)。四、所需耗材膠管、加熱電阻絲等。五、實(shí)驗(yàn)原理、方法和手段工業(yè)鍋爐演示模型，亦即鍋爐自然水循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。裝置由左右對(duì)稱(chēng)的兩組自然水循環(huán)系統(tǒng)組成，每組系統(tǒng)各由7根玻璃制止升管、3根玻璃制下降管、1個(gè)上鍋筒和1個(gè)下集箱所組成。兩組系統(tǒng)都安裝在同一個(gè)支架上，每根上升管都纏有額定功率為500W的加熱電熱絲。實(shí)驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)及上升管和下降管的安排布置如圖4所示，上升管加熱電熱絲的電路圖如圖5所示（電路中電熱絲的編號(hào)與上升管的編號(hào)相對(duì)應(yīng)）。各上升管的加熱可以通過(guò)相應(yīng)的調(diào)壓器來(lái)調(diào)節(jié)輸入電壓，也可以利用加熱開(kāi)關(guān)來(lái)接通或斷開(kāi)電源（參看圖4和圖5），由此可以調(diào)節(jié)各上升管的加熱程度（或停止加熱），從而可以演示出上升管和下降管中正常的自然水循環(huán)水汽流態(tài)、柱狀和彈狀汽的泡出現(xiàn)，也可以演示自然水循環(huán)中常見(jiàn)的故障一停滯和倒流。演示時(shí)，也可以通過(guò)電流檢測(cè)按鈕，觀察和測(cè)定加熱電路中的電流大小，從而可以計(jì)算出加熱電功率。由于實(shí)驗(yàn)裝置的電氣系統(tǒng)為左右對(duì)稱(chēng)共用，使用時(shí)調(diào)整任何操作部分，將對(duì)兩個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)同時(shí)作用，因而可以在模型兩側(cè)的相應(yīng)對(duì)稱(chēng)玻璃管中同時(shí)看到基本相同的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)裝置的操作面板如圖6所示。操作面板上的儀表、開(kāi)關(guān)和調(diào)壓器等的符號(hào)，以及它們的電路聯(lián)接可參看圖5的電路圖，以便理解其具體功能和作用，有助于操作和演示。操作面板上：T1（1,4），T2（2,5），T3（3,6）—分別是上升A1、B1和A4、B4；上升管A2、B2和A5、B5；上升管A3、B3和A6、B6的加熱調(diào)壓器。S1、S2、S3、S7—分別是上升管A1和B1，A2和B2，A3和B3，A7和B7的加熱開(kāi)關(guān)。六、實(shí)驗(yàn)步驟1．使用前，檢查上鍋筒中的水位，如水位不夠，應(yīng)適量添加。2．先將各調(diào)壓器調(diào)至零位，檢查電路和儀表無(wú)異常情況后，將各加熱開(kāi)關(guān)S1、S2、S3和S7置于接通位置。3．接通三相電源，打開(kāi)總電源開(kāi)關(guān)。4．將三個(gè)調(diào)壓器逐步調(diào)至220V左右，加熱約半小時(shí)左右，直到系統(tǒng)進(jìn)入沸騰狀態(tài)。此時(shí)可以從上升管和下降管中觀察到正常的自然水循環(huán)狀態(tài)，所有的上升管中的水向上流動(dòng)，而下降管中的水則向下流動(dòng)。在沸騰劇烈時(shí)，可以看到管中產(chǎn)生柱狀和彈狀汽泡的水、汽流動(dòng)狀態(tài)。5．為了能夠在水循環(huán)系統(tǒng)中演示常見(jiàn)的故障——停滯和倒現(xiàn)象，在上述試驗(yàn)工況下，可采用三種方案來(lái)模擬一些上升生并觀察到上三種可行的方案如下，可擇其可行者來(lái)試驗(yàn)：平行管的受熱不均勻情況，從而可能在受熱弱的上升管中產(chǎn)述故障現(xiàn)象。1）選定任何一調(diào)壓器加熱電路，聯(lián)通二根上升管的加熱開(kāi)關(guān)，再下調(diào)這個(gè)調(diào)壓器電壓至30V左右，將會(huì)有兩側(cè)相應(yīng)的4根上升管相同地降溫，從而可能導(dǎo)致在這些受熱弱的上升管中出現(xiàn)故障。2）選定任一30V左右，會(huì)有二根上升管相同地降溫，另二根的上升管中導(dǎo)致故障的出現(xiàn)。3）選定任一調(diào)壓器加熱電路，斷開(kāi)其兩根電壓，就會(huì)只有相應(yīng)的二根上升管斷電不加熱，也有可能在這二根受熱弱的上升管中出現(xiàn)故調(diào)壓器加熱電路，斷開(kāi)二根上升管的加熱開(kāi)關(guān)，再下調(diào)這個(gè)調(diào)壓器電壓至上升管斷電停止加熱，也可能在這些受熱弱上升管的加熱開(kāi)關(guān)，但不下調(diào)這個(gè)調(diào)壓器的障。6．實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將所有調(diào)壓器調(diào)至零位，并斷開(kāi)總電源。七、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1.檢查上鍋筒中的水位，如水位不夠，應(yīng)適量添加；2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中禁止觸摸電阻絲和高溫壁面。八、預(yù)習(xí)與思考題1.鍋爐自然水循環(huán)的基本原理是什么？2.停滯與倒流現(xiàn)象的發(fā)生有何條件？九、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包括：1.簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)2.各種數(shù)據(jù)并加3.通過(guò)實(shí)驗(yàn)的收獲體會(huì)及對(duì)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)意見(jiàn)。原理與過(guò)程；以整理，分析數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確和誤差產(chǎn)生原因；

實(shí)驗(yàn)二直流鍋爐工作原理實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．觀察直流鍋爐的工作情況，加深對(duì)直流鍋爐的感性認(rèn)識(shí)；2．測(cè)試直流鍋爐的水動(dòng)力特性，了解直流鍋爐的水動(dòng)力不穩(wěn)定性。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本實(shí)驗(yàn)臺(tái)為垂直布置的直流鍋爐模型。水從水箱被水泵抽出，經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)后進(jìn)入下部的加熱管組，再相繼流徑中部的蒸發(fā)管組織和上部的過(guò)熱管組，最后進(jìn)入冷卻器。實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用電阻絲加熱，上、中、下三組電阻絲分別繞在過(guò)熱管組、蒸發(fā)管組和加熱管組上，由控制開(kāi)關(guān)（加熱上）和調(diào)壓變壓器（加熱中和加熱下）來(lái)控制各管組的加熱熱負(fù)荷。三、儀器設(shè)備直流鍋爐實(shí)驗(yàn)臺(tái)，共2臺(tái)。四、所需耗材膠管、加熱電阻絲等。五、實(shí)驗(yàn)原理、方法和手段直流鍋爐蒸發(fā)受熱面中工質(zhì)的流動(dòng)不是象自然循環(huán)鍋爐那樣的依靠密度差來(lái)推動(dòng)，而是來(lái)完成。圖1為直流鍋爐的工作原理示意圖。給水在給水泵的作用下順序一次通過(guò)加熱、蒸發(fā)和過(guò)熱等各個(gè)受熱面，即隨著水沿鍋爐的汽水通道流過(guò)時(shí)，水被加熱、至被加熱到所要求的溫度。在泵的壓頭作用下蒸過(guò)熱，直直流鍋爐原則上可以在任何壓力下工作，但壓力越高，水動(dòng)力特性越穩(wěn)定，壓力越低，水動(dòng)力特性越不穩(wěn)定。即使在超臨界參數(shù)下的直流鍋爐，在啟動(dòng)時(shí)，也有升壓過(guò)程，由于壓力由低到高，在這過(guò)程中水動(dòng)力特性也是不穩(wěn)定的。所謂水動(dòng)力特性，是指在一定的熱負(fù)荷下，直流鍋爐受熱面中工質(zhì)流量G與壓降ΔP之間的關(guān)系。圖2為簡(jiǎn)化了的水平布置直流鍋爐蒸發(fā)受熱面，當(dāng)有流量流過(guò)時(shí)，在管圖進(jìn)口之間存在一定的壓力降ΔP，這個(gè)壓力降由三項(xiàng)組成，即ΔP=ΔP1+ΔP2+Δped（1）式中：ΔP—管圈進(jìn)出口壓差，[Pa]；差，[Pa]；ΔP2—加速壓降，[Pa]；阻力，[Pa]ΔP1—重位壓ΔPed—流動(dòng)對(duì)于水平管或螺旋上升式管屏來(lái)說(shuō)，管長(zhǎng)相對(duì)于高度要大得多，也就是說(shuō)，ΔP1d比ΔP1大得多，因此，ΔP1可以忽略不計(jì)。根據(jù)計(jì)算，加速壓降ΔP2的值只占總壓力降的3.5%，所以，也可以略去。這樣，式（1）就可簡(jiǎn)化為：1G2PPd21d1b（2）式中：λ——摩擦阻力d——管圈管子的內(nèi)徑，[m]；長(zhǎng)度，[m]；ξjb——局部阻力系數(shù)；l——管圈的系數(shù)；G——通過(guò)管圈的工質(zhì)流量，[Kg/s]；υ——工質(zhì)的平均比容，[m3/Kg];ldjb對(duì)于結(jié)構(gòu)一定的管圖而言，式（2）式，（）作為常數(shù)，用KS2表示，則有G2PK22s（3）從式（3）中可看出，ΔP與G之間的關(guān)系是二次曲線(xiàn)，對(duì)應(yīng)于一個(gè)壓差只存在一個(gè)流量，這就是直流鍋爐水動(dòng)力特性的單值性。這種特性只存在于管圈中是單相和流體的時(shí)候。當(dāng)管中存在水和蒸汽雙相流體時(shí)，則水動(dòng)力特性為三次曲線(xiàn)，對(duì)應(yīng)于一個(gè)壓差值就有可能有三個(gè)不同流量存在，這就是水動(dòng)力特性的多值性，也就是常說(shuō)的直流鍋爐水動(dòng)力特性的不穩(wěn)定性。經(jīng)理論推導(dǎo)，兩管端的壓差與流量的關(guān)系為：ΔP=AG3-BG2+CG（4）Ai2s4fdqe2lisB2f2drCl4fdr22qe式中υ″、υ′——蒸汽和水的比容，[m3/kg]；Δis——進(jìn)入管圈的水的欠焓，[KJ/kg]；f——管子的內(nèi)截面積，[m2]；d——管子的內(nèi)直徑，[m]；q1——每米管長(zhǎng)熱負(fù)荷，[KW/m]；r——汽化潛熱欠熱，[KJ/Kg]。從式（4）可以看出，影響蒸發(fā)管水動(dòng)力特性的主要因素就是蒸汽和水的比容的不同。圖3即為水平蒸發(fā)管的水動(dòng)力特性曲性。對(duì)于垂直布置的直流鍋爐蒸發(fā)管的流動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，影響其水動(dòng)力特性的因素除流動(dòng)阻力外，有還重位壓差存在，重位壓差有時(shí)可能占主要部分，故：ΔP=ΔP1d+ΔP2w（5）式中：ΔP——蒸發(fā)管兩端壓差，[Pa]；ΔP1d——流動(dòng)阻力，[Pa]；ΔP2w——重位壓差，[Pa]。垂直蒸發(fā)管的水動(dòng)力特性曲線(xiàn)如圖5所示。圖中曲線(xiàn)1為流動(dòng)阻力，曲線(xiàn)2為重位壓頭，曲線(xiàn)3為曲線(xiàn)1和曲線(xiàn)2之合成，這就是一個(gè)垂直上升蒸發(fā)管的水動(dòng)力特性曲線(xiàn)。從圖5（a）可以看出，不計(jì)重位降時(shí)的水動(dòng)力特性是單值的，考慮了重位壓降后的水動(dòng)力特性也是單值的。從圖5（b）可以看出，不計(jì)重位壓降的水動(dòng)力特性是多值的，而考慮了重位壓降后的水動(dòng)力特性不可能消除多值性?？偟恼f(shuō)來(lái)，對(duì)于一次垂直上升直流鍋爐蒸發(fā)管，重位壓降對(duì)水動(dòng)力特性的不穩(wěn)定起到改善的作用。由于本實(shí)驗(yàn)臺(tái)垂直布置直流鍋爐只是一組一次垂直上升的蒸發(fā)管組，因此，本指導(dǎo)書(shū)只簡(jiǎn)單的將一次垂直上升蒸發(fā)管水動(dòng)力特性的結(jié)論給出，其它型式垂直布置的蒸發(fā)管的水動(dòng)力特性這里不予論述。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要設(shè)計(jì)制造的，由于考慮到便于觀察，管組都采用玻璃制成，因此，熱負(fù)荷不能過(guò)高，重量流速也不能過(guò)大，也只能在壓常下工作。從所周知，壓常下的直流鍋爐，其水動(dòng)力特性是極不穩(wěn)定的，所以，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)只可用作垂直上升或上升的原理性演示。六、實(shí)驗(yàn)步驟1．把水箱的水灌至容積的70%左右，然后關(guān)緊進(jìn)水閥。2．接好冷卻器的冷卻水回路，冷卻水用自來(lái)水，下口為進(jìn)水，上口為出水。凝結(jié)水經(jīng)膠管回入水箱（也可以直接排出，不回水箱）。3．把加熱（中）、加熱（下）的調(diào)壓器調(diào)到零位，并把加熱（上）開(kāi)關(guān)關(guān)上。4．接好電源電路，然后打開(kāi)總電源開(kāi)關(guān)及水泵開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)流量讓開(kāi)關(guān)，使流量在5t/h左右。5．調(diào)節(jié)加熱（中）和加熱（下）的輸入電壓在120V左右，加熱（上）一般在過(guò)熱管組并穩(wěn)定一段時(shí)間后，測(cè)壓管指示數(shù)流量，按上述方法中為蒸汽時(shí)投入。在過(guò)熱管組出口