自然循环原理及计算
第九章自然循环原理及计算
2019年11月20日
二、蒸发管中汽水两相流的传热
3．自然循环锅炉传热恶化分析
1）第一类
• （1）发生条件：x较小或x<0（水欠热），q较高 • （2）特征：α2急剧降低，Δtz飞升很快 • （3）水循环正常可避免
2）第二类
• （1）发生条件：x较大，q不太高 • （2）特征：α2降低，Δtz飞升 • （3）超高压以下不易发生，亚临界压力易发生 • （4）注意事项：q不高时可发生；壁温周期性波动
2．上升管系统作用在联箱中心处的压力
p2 p0 ss gh pss
3．总压差
1）下降管系统总压差 p*xj p1 p0 xjgh pxj
2）上升管系统总压差 ps*s p2 p0 ss gh pss
4．水循环计算的压差法
pe pxj
四、影响循环推动力的因素
1．饱和水、汽密度差
锅炉压力↑→ ( ) ↓→ (xj ss ) ↓→pyd↓
2．上升管中含汽率
1）上升管受热↑→产汽量↑→
ss ↓→pyd↑
2）入口工质欠焓→多吸热沸腾→产汽量↓→pyd↓
3．循环回路高度
h↑→含汽段高度↑→pyd↑
2019年11月20日
4．均匀受热垂直上升蒸发管中 两相流流型及传热工况
区域 A
B
C
D
E
F
G
流型 单相水 壁面汽泡 汽泡状 弹状 环状 带液滴环状 雾状
传热 对流 过冷核态 饱和核态沸腾 强制水膜对流 沸腾
含水 不足
工质 低于饱 壁面水饱和 全部达到饱和温度 温度 和温度 温度，管中
心欠热
管壁 稍高于 高于饱和温度 温度 水温
自然水循环的组成及原理
自然水循环的组成及原理
自然水循环是地球上水分在大气、陆地和海洋之间的循环过程。
它由以下几个组成部分组成，并遵循一定的物理原理：
1. 蒸发：太阳照射地表，将地表上的水蒸发成水蒸气。
2. 蒸发核：在大气中存在着大量微小的尘埃、盐粒、花粉等微粒，它们能吸引水分子，形成云滴的原始核。
3. 凝结：水蒸气在大气中冷却后，会与某些凝结核结合成云滴或冰晶，形成云彩。
4. 降水：云彩中的水滴或冰晶通过重力逐渐长大，最后由云层凝结为水滴，从大气中下降到地表，形成降水，如雨、雪、雾、露等。
5. 地表径流：降水到达地表后，在地表上集聚成河流、湖泊、地下水等水体，形成水循环的蓄水库。
6. 地下径流：部分降水渗入地下，沿着土壤孔隙或裂隙流动，进入地下水层。
7. 蒸发和蒸腾：地表的水体会继续蒸发和蒸腾，形成水蒸气，再次进入大气中。
整个自然水循环遵循以下物理原理：
1. 液体的蒸发与凝结：当水受热变为水蒸气时，蒸发发生；当水蒸气冷却到一定温度时，凝结成云滴或冰晶。
2. 重力：水分凝结为云滴或冰晶，根据重力的作用会由云层下降到地表形成降水。
3. 地下水的渗流：降水渗入地下，沿土壤孔隙或裂隙流动，形成地下径流。
4. 蒸腾作用：植物通过根吸水，并将水分蒸发到大气中，形成蒸腾作用。
自然水循环怎么形成的原理
自然水循环怎么形成的原理自然水循环是地球上水分的循环流动过程，涵盖了水的蒸发、凝结、降水、地表径流、地下水和海洋水的循环。
它是地球上水资源重新分布的重要方式，也是维持地球上水平衡的关键过程。
自然水循环的形成原理主要包括太阳能和地球因素的影响。
首先，太阳能是自然水循环的主要驱动力。
太阳能通过照射地球表面，使得水体中的水分获得能量，发生蒸发和蒸散。
这是水从液态向气态转变的过程，水蒸气进入大气层后，会逐渐上升，并随着空气的运动被带到不同的地区。
受温度和压力的变化影响，水蒸气在空气中凝结成云，形成云粒子。
其次，云粒子在特定的气象条件下会继续增长，直至足够大而无法被继续支撑。
这时，云粒子中的水分会凝结成水滴或冰晶，形成云和降水。
当大量的云粒子聚集在一起时，云就会形成雨云、雷雨云等形态。
当降水的颗粒足够重而无法被云气支撑时，就会开始下落。
这些下落的降水颗粒可以有不同的形式，如雨、雪、冰雹等。
第三，降水到达地表后，会分别进行径流和渗透入地下水。
径流指的是降水在地表上直接流动，进入河流、湖泊和海洋等大水体。
在地表径流过程中，水会通过河流的交错分布在全球范围内不断的流动，形成河流和水系。
地下水是指通过岩层和土层渗透入地下的水分，储存在地下水层中。
这些地下水在地表径流和地下渗漏的过程中，可以被植被、土壤和岩石吸收和蓄存。
除了太阳能的影响外，地球的因素也会对自然水循环产生影响。
地球上的不同气候带、地形地貌和植被覆盖都会影响水分的循环。
例如，热带地区一年四季温暖湿润，水分循环旺盛，而极地地区由于气温低，蒸发凝结很少发生，水分循环较为稳定。
山地地形和河流的存在会对降水的分布和径流水系的形成起到重要作用。
植被覆盖会通过蒸腾作用影响水分的蒸发和降水，从而调节降水的分布和水的循环。
总结来说，自然水循环的形成原理主要包括太阳能和地球因素的影响。
太阳能通过蒸发和凝结的过程将水分从地表上升到大气中，形成云和降水。
同时，地球的气候带、地形地貌和植被覆盖等因素都会对水分的循环起到调节作用。
自然循环热水供暖系统的工作原理
自然循环热水供暖系统的工作原理一、引言自然循环热水供暖系统是一种简单而又实用的供暖方式，其工作原理基于水的自然循环和热传导原理。
这种系统不需要电力或机械设备来驱动，因此具有节能、环保、可靠等优点。
本文将详细介绍自然循环热水供暖系统的工作原理。
二、系统组成自然循环热水供暖系统主要由锅炉、管道、散热器和水泵四个部分组成。
1. 锅炉锅炉是整个系统的核心部件，其作用是将水加热到一定温度后送入管道中。
常见的锅炉有电锅炉、天然气锅炉和柴油锅炉等。
2. 管道管道是连接各个部件的通道，其材质通常为铜管或钢管。
管道内充满了加热后的水，通过自然循环实现散发出去的余热。
3. 散热器散热器是将加热后的水散发出去的关键部件，其作用类似于空调中的冷凝器。
常见的散热器有暖气片、地暖和散热器箱等。
4. 水泵水泵是为了加速水的循环而设置的，其作用是将冷却后的水再次送回锅炉中进行加热。
但是，在自然循环热水供暖系统中，水泵并不是必需品，因为系统可以依靠自然循环实现。
三、工作原理自然循环热水供暖系统的工作原理基于物理学中的两个原理：自然对流和热传导。
1. 自然对流自然对流是指由于密度差异而产生的液体或气体运动。
在自然循环热水供暖系统中，当锅炉将水加热到一定温度后，由于温度差异，管道内的冷却水会产生密度差异，并沿着管道上下流动。
这种运动类似于火山喷发时岩浆从火山口向外喷出的情景。
2. 热传导热传导是指物质内部或不同物质之间因温度差异而发生的能量传递现象。
在自然循环热水供暖系统中，当加热后的水进入散热器时，由于散热器表面的温度低于水的温度，水的热量会通过热传导的方式向外散发。
这种现象类似于冬天手放在暖气片上感受到的温暖。
3. 工作过程自然循环热水供暖系统的工作过程可以分为三个阶段：（1）加热阶段：锅炉将水加热到一定温度后送入管道中。
（2）循环阶段：由于管道内冷却水和加热水之间产生了密度差异，因此冷却水会沿着管道上下流动，形成自然对流。
同时，加热后的水进入散热器，在散发余热的同时降低了自身温度。
自然循环锅炉原理
自然循环锅炉原理一、引言自然循环锅炉是一种基于自然对流原理工作的锅炉，其原理是利用水的密度变化和自然对流的热传导来实现热量的传递。
相比于强制循环锅炉，自然循环锅炉具有结构简单、操作方便、节能环保等优点，因此在一些小型供暖系统中得到广泛应用。
二、自然循环锅炉原理自然循环锅炉的工作原理基于热量的自然对流传递。
当锅炉启动时，锅炉内的水被加热，从而产生热对流现象。
具体来说，自然循环锅炉的工作原理可分为以下几个步骤：1. 加热阶段：燃烧器燃烧燃料，加热锅炉内的水。
水的加热使其密度降低，从而使加热部分的水上浮，冷却部分的水下沉。
2. 自然对流阶段：由于水的密度差异，加热部分的水上浮，形成热对流循环。
上浮的热水经过蒸汽分离器，蒸汽进入蒸汽室，而冷却的水则下沉到加热部分接受加热。
3. 再生阶段：上浮的热水经过蒸汽分离器分离出其中的蒸汽，蒸汽进入蒸汽室供应给其他设备使用，而剩余的热水则重新下沉到加热部分。
通过这种自然对流循环，锅炉中的热量得以传递，实现水的加热和蒸汽的产生。
由于自然循环锅炉依靠自身的结构和水的密度变化来推动热量传递，因此无需额外的强制循环泵，节约了能源和维护成本。
三、自然循环锅炉的优点自然循环锅炉相比于强制循环锅炉具有以下优点：1. 结构简单：自然循环锅炉不需要额外的强制循环泵，因此其结构相对简单，易于安装和维护。
2. 操作方便：自然循环锅炉无需额外的控制设备，操作相对简单，无需专业技术人员操作。
3. 节能环保：自然循环锅炉运行时无需外部能源驱动，仅依靠自然对流传递热量，节约了能源消耗。
同时，自然循环锅炉无需额外的强制循环泵，减少了能源消耗和维护成本。
4. 适用范围广：自然循环锅炉适用于小型供暖系统，如家庭供暖、小型工业锅炉等。
四、自然循环锅炉的应用自然循环锅炉由于其结构简单、操作方便、节能环保等优点，在一些小型供暖系统中得到广泛应用。
例如，在家庭供暖中，自然循环锅炉可以通过自然对流使热水循环供暖，避免了额外的能源消耗。
物质循环的原理
物质循环的原理物质循环是指在地球上，各种物质通过各种过程不断进行循环利用的过程。
物质循环的原理可以分为自然界循环和人类活动循环两个方面。
一、自然界循环：1. 地球系统循环：地球系统是指地球上的大气、水、土壤和岩石等多个系统的集合。
在地球系统中，大气中的水分可以通过蒸发形成云，最后以降水的形式回到地面上。
同时，地面上的水也会通过地下水和径流进入海洋，从而形成水循环。
此外，大气中的氮气、氧气和二氧化碳等气体也会通过不同的过程进行循环。
2. 生物圈循环：生物圈是指地球上所有生物所组成的生态系统。
在生物圈中，生物通过呼吸作用吸入氧气并排出二氧化碳。
同时，植物通过光合作用吸收二氧化碳并释放氧气。
这种通过呼吸作用和光合作用相互转化的过程，使得氧气和二氧化碳在生物圈中进行循环。
3. 土壤循环：土壤中富含各种有机物和无机物质，这些物质能够通过生物、化学和物理作用进一步循环利用。
例如，有机物质通过生物降解作用被分解为简单的无机物质，并最终形成养分供给植物生长。
与此同时，植物的残体和动物的排泄物也会通过微生物的分解作用，再次形成有机物质，从而循环利用。
二、人类活动循环：1. 农业循环：农业系统是人类通过种植作物和养殖动物进行的生产活动。
在农业系统中，农民通过施肥和灌溉等措施为作物提供养分和水分。
同时，作物的残余物和动物粪便等有机废弃物也被用作有机肥料，形成闭合的养分循环。
2. 工业循环：工业生产过程中产生大量的废弃物，包括废气、废水和固体废弃物等。
为了保护环境并实现资源的循环利用，工业企业采取了各种措施。
例如，废气经过净化处理后可以重新利用或直接排放。
废水经过处理后可以回用或者进一步处理以达到排放标准。
固体废弃物可以通过回收再利用或者垃圾焚烧发电等方式进行处理。
3. 城市循环：城市生活产生大量的废弃物，包括生活垃圾、污水和废弃物等。
为了实现资源的循环利用，城市采取了垃圾分类回收、污水处理和再生利用等措施。
同时，城市还推行了节能减排、循环经济和低碳生活等方式，以减少资源的消耗和环境的污染。
简述自然水循环工作原理
简述自然水循环工作原理
自然水循环是地球上水资源持续循环利用的过程，也是维持地球生态平衡的重要机制。
它包括了蒸发、凝结、降水、地表径流和地下径流等一系列过程。
下面就简要介绍自然水
循环的工作原理。
在自然水循环中，太阳能是主要的动力源。
太阳能照射地表后，部分能量用于加热地
表水体，促使水分子蒸发成为水蒸气。
这就是蒸发的过程，蒸发后的水蒸气上升到大气中，形成云层。
在大气中，水蒸气遇冷遇到冷凝变成小水滴，这就是凝结的过程。
凝结后，水滴逐渐
聚集形成云团，当云团中水滴增多到一定程度，由于重力作用，云中的水滴开始合并形成
较大的水滴。
接着，当云中的水滴增大到一定程度时，由于重力作用，云中的水滴开始合并形成较
大的水滴，这些水滴就会下落到地面，形成降水。
这就是降水的过程，包括雨、雪、露、
霜等形式。
然后，降水后的水分会分别通过地表径流和地下径流两种方式回到水体中。
地表径流
是指降水直接流入河流、湖泊、海洋等水体,而地下径流是指降水慢慢渗入地下，通过土
壤和岩层的孔隙或裂隙进入地下水体。
水体中的水再次被太阳能加热，继续蒸发升华成水蒸气，完成了自然水循环的循环过程。
自然水循环是一个动态的、持续的循环过程，包括了蒸发、凝结、降水、地表径流和
地下径流等环节。
这种循环不断地将地表的水分子转化为水蒸气，并将水蒸气转化为降水，实现了地球上水资源的循环利用。
自然水循环在维持地球生态平衡中发挥着重要的作用，
对于人类的生存和社会发展具有重要意义。
锅炉原理 第9章 自然循环原理及计算
热能与动力工程
停滞
倒流 连续水膜被破坏 水的冷却 汽的冷却 超温
膜态沸腾
传热恶化
爆管
热能与动力工程
二 蒸发管内的停滞、倒流和膜态沸腾
1. 循环停滞
• 水冷壁分成几至以至几十个独立的水循环回路。 • 炉膛中温度场分布不均； • 上升系统的结构偏差和流量分配偏差； • 虽然管屏进出口联箱的压差是相同的，但每根管子的流动速度 可能不同。受热弱的管子中，工质密度大，当这根管子的重位压 头接近于管屏的压差时，管屏的压差只能托住液柱，而不能推动 液柱的运动。这时，管内就出现了流体的停滞现象。
热能与动力工程
第二节
自然循环锅炉水冷壁的安全运行
一 影响水冷壁安全运行的主要因素
• 水质不良导致的水冷壁管内结垢与腐蚀，水冷壁受热偏差或管
内流动阻力的影响，导致个别或部分管子出现循环流动的停滞或 倒流；
• 水冷壁热负荷过大导致的管子内壁面附近出现膜态沸腾；
• 锅筒水位过低引起水冷壁中循环流量不足，甚至发生更为严重 的“干锅”； • 燃烧产生的腐蚀性气体对金属管子外壁面的高温腐蚀； • 结渣和积灰导致的对金属管壁的侵蚀； • 煤粉气流或含灰气流对金属管壁的磨损。
第一节
一 自然循环原理
自然循环原理与基本概念
定义：在一个闭合的回路中，由于工质自身的密度差造成的重位 压差，推动工质流动的现象。
自然循环锅炉的循环回路是由锅筒、下降管、分配水管、水
冷壁下联箱、水冷壁管、水冷壁上联箱、汽水混合物引出管、汽 水分离器组成的，如图12-1所示； 重位压差是由下降管和上升管(水冷壁管)内工质密度不同造 成的；而密度差是由下降管引入水冷壁的水吸收炉膛内火焰的辐 射热量后，进行蒸发，形成汽水混合物，使工质密度降低形成的。
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这就是水循环计算的压差法。
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三、运动压头
也即，
Pyd=Ｈρxjｇ－Ｈρhug，Ｐa
Pyd＝△Ｐxj＋△Ｐss+ △Ｐfl 有效压头: Pe＝Ｐyd- (△Ｐss2+ △Ｐfl)
Pe＝ △Ｐxj 水循环计算的压头法。
四、影响循环推动力的因素
自然循环的实质是由重位压差造成的自然循环推动力 （即运动压头）克服了上升系统和下降系统的流动阻力， 推动工质在循环回路中流动。
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泡状流
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弹状流
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环 状 流（柱状流）
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二、蒸发管内汽水两相流的传热
1、蒸发管内的流型与传热的关系
在蒸发过程的各个阶段，蒸发管内的流型在不断变化。不 同的流型状态下，流体对管子壁面的热交换方式不同，冷却 能力也不同，即管内流体的放热系数在不断变化。放热系数 越大，管壁温度越接近工质温度。
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不同传热方式的传热系数
自然对流换热
空气 水
强制对流换热
气体 高压水蒸汽
水
相变换热
沸腾换热 凝结换热
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1～10 200～1000
20～100 500～3500 1000～15000
2500～35000 5000～25000
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亚临界压力自然循环锅炉，其水冷壁内工质的实际含汽 率接近临界含汽率xc,所以可能发生第二类传热恶化。 第二类传热恶化发生热负荷较低，发生时热负荷比第一 类传热恶化时低得多。
二、自然循环回路的总压差
重位压差是由下降管和上升管(水冷壁管)内工质密度不 同造成的。 下联箱中心截面A—A两侧将受到不同压力： 左侧静压： P1=P0+ ρxjgh 右侧静压： P2=P0+ ρssgh
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1、下降管系统作用在联箱中心处的压力
第九章、自然循环原 理及计算
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第一节 自然循环的基本原理
一、自然循环概述
自然循环是指：在一个闭合的回路中，由于工质自身的 密度差造成的重位压差，推动工质流动的现象。
自然循环锅炉的循环回路是由汽包、下降管、分配水管、 水冷壁下联箱、水冷壁管、水冷壁上联箱、汽水混合物引 出管、汽水分离器组成的，如图12-1所示。
运动压头的大小取决于饱和水与饱和蒸汽的密度差、上 升管的含汽率和循环回路的高度。
压力升高，汽、水的密度差降低，工质循环流动速度越 低。
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第二节、蒸发管内的汽液两相流型及传热
一、汽液两相流的流型 在汽液两相流中，汽泡与液体之间存在许多形状的分界面 且不断变化，将这些“界面”人为地分成几类，就称为 “流型”。 锅炉蒸发管内的流型主要分为四类，即泡状流、弹状流、 环状流、雾状流。如图12-4所示。 (1)泡状流。在连续的液相中,分散散存在着小汽泡。 (2)弹状流。泡状流中，汽泡浓度增大时，受趋中效应的作 用，小汽泡聚合成大汽泡，直径逐渐增大。汽泡直径接近 于管子内径时，形成弹状流。 (3)环状流。由于汽弹的内压力增大，当汽弹的内压力大于 汽泡的表面张力时，汽泡破裂，液相沿管壁流动，形成一 层液膜；汽相在管子中心流动，夹带着小液滴。 (4)雾状流。管子壁面上的水膜完全蒸干时，蒸干点的质量 含汽率χ＝0.8,即蒸汽中仍然夹带着小液滴形成雾状流。 自然循环锅炉的蒸发管中，因为限制χ≤0.4，所以一般 不会出现雾状流。
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生发第生二第类二传类热传恶热化恶的化特时性的参含数汽。率称为临界含汽率xc,即发
在自然循环锅炉的水冷壁中，在非正常运行状态下一旦 出现第二类传热恶化，虽然开始时壁温并不太高，但含盐 量较高的炉水水滴润湿管壁时，盐分沉积在管壁ห้องสมุดไป่ตู้，也会 造成传热恶化。
三、自然循环锅炉传热恶化分析 第一类沸腾传热恶化通常发生在含汽率x较小或水存在欠 热（x＜0），以及热负荷高的区域。此时传热系数急剧下 降，管子内壁温度与工质温度之差△tz飞升很快。 第二类沸腾传热恶化发生在x较大，热负荷不太高的情况 下，传热系数降低较第一类传热恶化时小，因而飞升值较 第一类沸腾传热恶化时低。 自然循环锅炉水冷壁局部最高热负荷均低于其临界热负 荷，因此不会发生膜态沸腾。超高压以下自然循环锅炉水 冷壁出口工质含汽率都低于临界含汽率，所以也不会发生 第二类传热恶化。
P1=P0+ ρxjgh-△Ｐxj 2、上升管系统作用在联箱中心处的压力
3、总压差
P2=P0+ ρssgh+△Ｐss
下降管系统的侧压差：
Ｙxj＝P1-P0＝ρxjｇh－△Ｐxj ，Ｐa 上升管系统的侧压差：
Ｙss＝P2-P0＝ρhugh＋△Ｐss ，Ｐa
水在回路中循环流动时，下降管侧的压差Ｙxj与上升管侧 的压差Ｙss相等。即：
开始发生膜态沸腾时的热负荷称为临界热负荷qc，为第一 类传热恶化的特性参数。
（2）第二类传热恶化
在蒸发管中可能发生的另一类传热恶化的工况是“蒸干”， 当管内汽水混合物中含汽率x达到一定数值时，管内流动 结构呈环形水膜的汽柱状，当水膜撕裂，管壁得不到水的 冷却，传热系数明显下降，称为第二类传热恶化。
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2、蒸发管内的传热恶化
（1）第一类传热恶化
当水冷壁管受热时，蒸发管热负荷q低于某一临界热负荷qc， 管内壁不断产生汽化核心，也同时随水流扰动不断脱离管壁。 管中心的水不断地向壁面补充，这时的管内被称为核态沸腾。 以上的流动工况和传热工况发生于热负荷不大的条件下。
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如果管外的热负荷很高，超过临界热负荷qc，汽泡形成速 度大于脱离的速度，汽泡就会在管子内壁面上聚集起来， 形成完整稳定的汽膜，热量通过汽膜层传到液体再产生沸 腾蒸发，此时管子壁面得不到水膜的直接冷却，就会导致 管壁超温，这种现象就称为膜态沸腾。也称为第一类传热 恶化。
膜态沸腾一般发生在亚临界参数锅炉水冷壁管内。这是因 为水的汽化潜热随着压力提高而大幅度减小，使得亚临界 参数下在水冷壁管内壁面附近的水更容易汽化，即容易形 成更多的汽化核心。因而产生膜态沸腾的机会相应增加。