锅炉原理第9章自然循环原理及计算(汇总).ppt
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
锅炉自然循环的原理
锅炉自然循环的原理锅炉自然循环是指在锅炉热交换管内，由于自然对流的存在，热水和冷水在密度差的驱使下，自然形成上升和下降的循环流动。
锅炉自然循环的原理可以从密度差、温度差和浮力平衡三个方面来解释。
首先，密度差是导致自然循环的根本原因。
根据物理学原理，热水的密度要小于冷水的密度。
当锅炉内的炉膛燃烧燃料，使炉膛和水管受热后，热水的密度降低，容易上升；而冷水的密度增加，容易下降。
这种密度差是自然循环产生的动力。
其次，温度差也是自然循环的重要条件。
由于锅炉内部热交换管燃烧侧的温度较高，而供水侧的温度较低，两者之间存在温差。
这种温差会造成热水上升、冷水下降的趋势，推动了循环的发生。
最后，浮力平衡也是锅炉自然循环的一个重要因素。
当热水受热后，密度减小，上升；冷水受冷后密度增加，下降。
在这个过程中，上升的热水受到管壁和相邻冷水的浮力作用，形成上升运动；而下降的冷水受到上升热水的浮力作用，形成下降运动。
这种浮力的平衡是自然循环持续进行的基础。
综上所述，锅炉自然循环的原理是由于热水和冷水在密度差、温度差和浮力平衡的作用下，形成上升和下降的循环流动。
在具体的锅炉系统中，通常存在锅炉炉膛、水管、烟管等热交换区域。
当炉膛内燃料燃烧产生高温烟气，通过烟管传热到水管内的水，使水受热，形成上升运动，然后经过循环管的下降段走向锅炉底部，与冷的进水混合后形成循环流动。
烟气在经过烟管后，损失了部分热量，降温后排放至大气中。
锅炉自然循环有以下几个特点：第一，自然循环无需辅助设备，不需要泵等能源设备就能实现水的流动。
因此，自然循环具有节能、经济的特点。
第二，自然循环具有简单可靠的特点。
相比较于强制循环，自然循环的工作原理更为简单，运行过程中无需额外的控制和调节。
只有确保锅炉内部的热量传递平衡，自然循环就可以稳定运行。
第三，自然循环一般适用于锅炉功率小、工作压力不高、蒸汽量较小或工作条件相对稳定的情况。
对于工作压力较高的大型锅炉，通常需要配备强制循环设备以增加循环动力。
第9章自然循环原理及计算
两种水循环计算方法：压差法
上升管的重位压降：
Ｎ
Ｎ
pzw＝ hi zs g＝ hi[i (1i )]g
ｉ＝１
ｉ＝１
φ：截面含汽率
两种水循环计算方法：压差法
上升管的流动阻力：
N
pmc＝ i
i1
Li d
w02
2
1＋xi
5. 自然循环常见故障及提高安全性措施
循环流速的计算：以许多并联管的平均值为基础。 实际运行过程中，不同并联管之间的工作条件存在一 定差别，甚至较大差别。 可能破坏水循环的正常运行。
5. 自然循环常见故障
水循环故障：因为水循环不正常导致炉管损坏的现 象，主要包括：
循环停滞 循环倒流 出现自由水面 汽水分层
工质的压力越高，汽、水的密度差降低，工质循环 流动速度越低。
2. 汽水两相流的流型
泡状流 弹状流 环状流 雾状流
2. 汽水两相流的流型
泡状流：连续液相中,分散散存在着小汽泡。 弹状流：汽泡浓度增大，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。
2. 汽水两相流的流型
2. 汽水两相流传热恶化
沸腾传热恶化分为第一类沸腾传热恶化和第二类 沸腾传热恶化两类。
第一类沸腾传热恶化（发生在x较低处），也称 作脱核态沸腾 （Departure from nucleate boiling (DNB) ）
因管壁形成汽膜导致的沸腾传热恶化称为第一类 传热恶化，或称膜态沸腾，它是由于热负荷太高造 成。此时，管壁温度迅速上升。多数情况下管壁过 热而烧坏。开始发生核态沸腾偏离时的热负荷称临 界热负荷。
锅炉原理 第9章 自然循环原理及计算
自然循环的优点： 无需外部动力节能 环保运行稳定
自然循环的应用： 广泛用于火力发电 厂、供暖系统等领 域
自然循环计算
自然循环计算的目的
确定循环流量和循环水头
计算循环泵的扬程和功率
确定循环水的温度和压力
优化循环系统的运行效率
自然循环计算的基本公式
自然循环计算公式：Δt=Δt1+Δt2+Δt3 Δt1：加热段传热温差 Δt2：冷却段传热温差 Δt3：混合段传热温差
添加 标题
自然循环原理：介绍自然循环的基本原理和 循环动力。
添加 标题
自然循环在锅炉中的应用：说明自然循环在锅 炉中的重要性和作用如提高传热效率、减少能 耗等。
添加 标题
自然循环计算：介绍自然循环的计算方法和计 算过程包括循环流量、循环压头等参数的计算。
添加 标题
自然循环的优缺点：分析自然循环在锅炉应用 中的优缺点如可靠性高、维护成本低等优点以 及循环效率相对较低等缺点。
节能环保：自然循环的循环动力来 源于自然力因此运行成本较低且不 会对环境造成污染。
自然循环的缺点
需要较大的启 动功率
启动时需要外 力帮助
循环效率较低
容易受到腐蚀 和结垢的影响
自然循环在锅炉中的应 用
自然循环在锅炉中的重要性
提高锅炉运行效率：自然循环能够减少人工干预提高锅炉内热能的传递和利用效率从 而提高运行效率。
保证锅炉安全运行：自然循环能够保证锅炉内水流的均匀分布避免局部过热或水循环 受阻等问题从而保证锅炉的安全运行。
降低人工成本：自然循环能够减少人工操作的环节和难度降低人工成本同时减少人为 因素对锅炉运行的影响。
提高锅炉容量：Βιβλιοθήκη 然循环能够适应大容量锅炉的需要提高锅炉的容量和效率满足工业 生产的需求。
自然循环原理——锅炉原理PPT课件
• 当雾状流蒸汽中水滴全部被蒸干以后，形成单相的过热蒸汽 流动，放热系数进一步减小，管壁温度进一步上升。
SCHOOL OF ENERGY AND POWER ENGINEERING, SHANDONG UNIVERSITY
• 有卷吸的环状流动阶段：环状流的液膜变薄，管子壁面上 的热量很快通过液膜传递到液膜表面，此时在管子壁面上不再 产生汽泡，蒸发过程转移的液膜表面进行。放热系数略有提高 ，管壁温度接近流体温度。
1 蒸发管内的流型与传热的关系
• 单相液体流动阶段：在管子入口处，为过冷水对流传热，放热 系数基本不变。 • 过冷沸腾阶段：汽泡状流动的初级阶段。壁面温度大于饱和温 度，在壁面上产生小汽泡，而管子中心流体温度尚未达到饱和温 度，汽泡被带到水流中很快凝结而消失，放热系数增大。 • 汽泡状流动的后期和环状流动阶段：由于不断吸热，管内的水 流达到饱和温度在壁面上产生的蒸汽不再凝结，壁面上不断产生 汽泡，又不断脱离壁面，水流中分散着许多小汽泡，此时饱和核 态沸腾开始，并一直持续到环状流动阶段结束。管内放热系数变 化不大，管壁温度接近流体温度。
第九章 自然循环原理
SCHOOL OF ENERGY AND POWER ENGINEERING, SHANDONG UNIVERSITY
第一节 自然循环原理
一 自然循环原理
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。
自然循环原理及计算
第九章 自然循环原理及计算第一节 自然循环的基本原理一、自然循环概述由汽包、下降管、联箱、上升管等组成的循环回路中，上升管在炉内受热，管内的水被加热到饱和温度并产生部分蒸汽；而下降管在炉外不受热，管内为饱和水或未饱和水。
因此，上升管中汽水混合物的密度小于下降管中水的密度，在下联箱中心两侧将产生液柱的重位差，此压差推动汽水混合物沿上升管向上流动，水沿下降管向下流动。
工质在沿汽包、下降管、下联箱、上升管、上联箱、连接管道再到汽包这样的回路中的运动是由其密度差造成的，而没有任何外来推动力。
因此将这种工质的循环流动称为自然循环。
二、自然循环回路的总压差画出简单循环回路示意图。
下联箱中心截面A-A 两侧将受到不同的压力。
截面左侧管内工质作用在截面A-A 的静压为：gh P P xj ρ+=01 a P ( 9-1) 截面右侧管内汽水混合物作用在截面A-A 的静压为：gh P P ss ρ+=02 a P (9-2) 从式（9-1）和式（9-2）可以看出，由于ss xj ρρ〉，所以静压21P P 〉，表示截面A-A 两侧所受压力是不同的，此压力差将推动联箱内工质由左向右移动。
循环回路中，工质流动时要克服磨擦阻力和局部阻力。
现根据流体流动的基本原理分析，流动状态下联箱中心处的压力：1、下降管系统作用在联箱中心处的压力在流动时，下降管系统有流动阻力损失xj P ∆，水向下流动时在联箱中心处的实际压力1P 要比静压小xj P ∆，即xj xj P gh P P ∆-+=ρ01 a P （9-3）2、上升管系统作用在联箱中心处的压力由于上升管内工质流动是由下向上流动，联箱中心处的压力P 2应能克服上升管系统的总流动阻力ss P 和重位压差，才能使工质进入汽包，因此ss ss P gh P P ∆++=ρ02 a P （9-4）3、总压差（1）下降管系统的总压差为：xj xj xj P gh P P P ∆-=-=∆ρ01* a P （9-5）（2）上升管系统的总压差为：ss ss ss P gh P P P ∆-=-=∆ρ02* a P （9-6） 在稳定流动时，联箱中流体只有一个压差值（与汽包压力的差值），所以这两个压差值必须相等，即**ssxj P P =∆ （9-7） 式（9-7）是用来计算锅炉水循环的主要依据，这种方法称为水循环计算中的压差法。
第九章自然循环原理及计算
第九章 自然循环原理及计算第一节 自然循环的基本原理一、自然循环概述由汽包、下降管、联箱、上升管等组成的循环回路中，上升管在炉内受热，管内的水被加热到饱和温度并产生部分蒸汽；而下降管在炉外不受热，管内为饱和水或未饱和水。
因此，上升管中汽水混合物的密度小于下降管中水的密度，在下联箱中心两侧将产生液柱的重位差，此压差推动汽水混合物沿上升管向上流动，水沿下降管向下流动。
工质在沿汽包、下降管、下联箱、上升管、上联箱、连接管道再到汽包这样的回路中的运动是由其密度差造成的，而没有任何外来推动力。
因此将这种工质的循环流动称为自然循环。
二、自然循环回路的总压差画出简单循环回路示意图。
下联箱中心截面A-A 两侧将受到不同的压力。
截面左侧管内工质作用在截面A-A 的静压为：gh P P xj ρ+=01a P ( 9-1)截面右侧管内汽水混合物作用在截面A-A 的静压为：gh P P ss ρ+=02a P (9-2)从式（9-1）和式（9-2）可以看出，由于ss xj ρρ〉，所以静压21P P 〉，表示截面A-A 两侧所受压力是不同的，此压力差将推动联箱内工质由左向右移动。
循环回路中，工质流动时要克服磨擦阻力和局部阻力。
现根据流体流动的基本原理分析，流动状态下联箱中心处的压力：1、下降管系统作用在联箱中心处的压力在流动时，下降管系统有流动阻力损失xj P ∆，水向下流动时在联箱中心处的实际压力1P 要比静压小xj P ∆，即xj xj P gh P P ∆-+=ρ01a P （9-3）2、上升管系统作用在联箱中心处的压力由于上升管内工质流动是由下向上流动，联箱中心处的压力P 2应能克服上升管系统的总流动阻力ss P 和重位压差，才能使工质进入汽包，因此ss ss P gh P P ∆++=ρ02a P （9-4）3、总压差（1）下降管系统的总压差为：xj xj xj P gh P P P ∆-=-=∆ρ01*a P（9-5） （2）上升管系统的总压差为：ss ss ss P gh P P P ∆-=-=∆02*a P （9-6）在稳定流动时，联箱中流体只有一个压差值（与汽包压力的差值），所以这两个压差值必须相等，即**ssxj P P =∆ （9-7） 式（9-7）是用来计算锅炉水循环的主要依据，这种方法称为水循环计算中的压差法。
锅炉原理 自然循环原理及计算课件
热力发电
在火力发电厂中，自然循 环可应用于汽轮机冷凝器 等设备中，实现热能的有 效利用。
03
自然循环计算方法
计算公式介绍
循环流量公式
热能转换效率公式
该公式用于计算循环流量，涉及到循 环管道的直径、长度、流速等参数。
该公式用于计算锅炉的热能转换效率 ，涉及到燃料热值、锅炉效率、散热 损失等因素。
压力损失公式
实例三
某锅炉的热能转换效率计算，燃料热值为20兆焦/千克，锅炉效率为 90%，散热损失为5%，通过热能转换效率公式计算得出结果为80%。
04
自然循环在锅炉中的应用
自然循环在锅炉中的重要性
提高热效率
自然循环能够利用热能产生动力 ，从而提高锅炉的热效率。
降低能耗
通过自然循环，锅炉可以更有效地 利用燃料或能源，降低能耗。
智能化
借助先进的传感器、控制技术和人工智能技术，实现自然循环系统 的智能化管理和优化控制。
环保化
随着环保意识的提高，自然循环将更加注重环保和减排，减少对环 境的影响。
自然循环的未来挑战
技术创新
01
需要不断进行技术创新，突破技术瓶颈，提高自然循环的效率
和可靠性。
成本控制
02
随着技术的进步，需要平衡技术投入和成本控制，实现经济效
锅炉原理与自然循环原理及计算课件
目录 CONTENTS
• 锅炉原理概述 • 自然循环原理 • 自然循环计算方法 • 自然循环在锅炉中的应用 • 自然循环的未来发展
01
锅炉原理概述
锅炉的定义与作用
总结词
锅炉是一种将燃料中的化学能转化为 热能的设备，主要用于发电、供热和 工业生产等领域。
详细描述
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演示课件
在倒流管中，水向下运动，而汽泡由于受到浮力向上运动。
当倒流速度较慢且等于汽泡向上运动的速度时，向下流的水带不走 汽泡，造成汽泡不上不下的状态，引起汽塞，发生传热恶化，以至 使管子出现局部过热超温。
压差。 回路高度越高，且工质密度差越大，形成的循环推
动力越大。 工质密度差不仅与压力有关，而且与水冷壁管吸热
强度有关。在正常循环情况下，吸热越多，密度差越大， 工质循环流动速度越高；而压力越高，汽、水的密度差 降低，工质循环流动速度越低。
演示课件
二 自然循环的基本概念
•循环流速w0:在饱和水状态下进入上升管入口的水的流速。
演示课件
演示课件
• 从循环特性，停滞现象：循环流速w0→0，但w0 ≠0；即循环流量 G=D，但G≠0；停滞管的压差等于下降管的压差，即Ytz=Yxj，但 停滞管的流动阻力ptz→0。
后果：汽泡聚集弯头和焊缝处，并可能形成大汽泡，造成蒸汽
塞，管子局部就会过热超温。当存在自由水面时，管子上半部是
汽，下半部是水。管子上部就会过热超温；
w0
G
F
,m/s
•质量含汽率x :上升管中蒸汽所占循环流量的份额。或汽水混合物 中蒸汽所占的份额。
x D G
•循环倍率Ｋ:上升管中实际产生一公斤蒸汽需要进入多少公斤水
kG D 演示课件
•名义循环倍率K0：按锅筒引出的饱和蒸汽量计算的循环倍率
G K0 D0
•锅筒水室凝汽量D 亚临界锅炉锅筒水室中存在着蒸汽的凝结过程，使水冷壁的实际
第九章 自然循环原理及计算
演示课件
第一节 自然循环原理与基本概念
一 自然循环原理
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；
演示课件
停滞
倒流
连续水膜被破坏
水的冷却
膜态沸腾 超温 爆管
汽的冷却 传热恶化
演示课件
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。
水在回路中循环流动时，下降管侧压差Yxj等于上升管侧压差Yss
H xj g H hu g pxj pss
演示课件
自然循环的实质：由重位压差造成的循环推动力克服上 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。即由于水冷壁管吸热，使水的密度xj改变成为汽 水混合物的密度hu，并在高度为H的回路中形成了重位
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。
演示课件
演示课件
下降管侧 Yxj p2 p1 H xj g pxj 上升管侧 Yss p2 p1 H hu g pss
当管内工质倒流速度很快时，管子仍能得到良好冷却，不出现局部 超温。当汽水混合物引出管从汽包汽空间引入时，不会出现倒流。
当水冷壁受热不均比较严重时，受热最差的管子有时可能出现停滞 ，有时可能出现倒流，所以同一根管子出现停滞和倒流以及向上流 动的机会并不是固定的，而是随管外吸热状态和管内工质密度的变 化而变化的。
国内的推荐数据：当p=18.6MPa时， xnq =0.042。
演示课件
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。
蒸发量大于从锅筒引出的饱和蒸汽量。在锅筒水室中被凝结的蒸 汽量就称为锅筒水室凝汽量，记作D。 由于凝汽量的存在，水冷壁中的质量含汽率应按实际蒸发量计算。 凝汽量与循环流量的比D课件D0
凝汽率与锅炉压力和负荷有关
一台容量为1025 T/H的亚临界参数锅炉，最大凝汽量达到 290t/h之多，锅筒水室中存在的凝汽过程，使得MCR负荷时水冷 壁中实际的蒸发量比名义蒸发量大6.8％，水冷壁中的质量含汽率 由0.24增大到0.31，由此引起循环系统的实际循环倍率小于名义 循环倍率。
演示课件
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流体边界层中的水更容易汽化，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。
• 自由水面：进入上升管的循环流量微小，以至在管子微弱吸热后
被蒸发成汽泡。
后果：当自由水面的位置波动时，还会引起管子的疲劳应力
水循环停滞导致水冷壁管传热恶化；主要发生在受热弱的
管子上。
演示课件
2. 倒流
由于受热不均，有的管中工质向上流，有的管中工质向下流。 工质向下流的管子就叫“倒流管”。倒流现象：本来应该是工质向 上流的上升管，变成了工质向下流的下降管。
演示课件
3. 膜态沸腾
• 核态沸腾：水冷壁管受热时，在管子内壁面上开始蒸发，形成许 多小汽泡。如果此时管外的热负荷不大，小汽泡可以及时地被管子 中心水流带走，并受到“趋中效应”的作用力，向管子中心转移， 而管中心的水不断地向壁面补充。 • 膜态沸腾：如果管外的热负荷很高，汽泡生成的速度大于汽泡脱 离壁面的速度，汽泡就会在管子内壁面上聚集起来，形成蒸汽膜， 将管子中心的水与管壁隔开，使管子壁面得不到水膜的直接冷却， 导致管壁超温。也称为第一类传热恶化。 • 过渡沸腾：由核态沸腾向膜态沸腾开始转变的过程