锅炉原理-10自然循环锅炉水动力学概述
锅炉原理 自然循环
简单循环回路和复杂循环回路
• 简单循环回路：由一根下降管（或一组结 构基本相同的下降管）与一个管屏（或一 组结构、位置、流动方向和热负荷基本相 同的管屏）连接而成的回路
• 区分独立循环回路。 • 具体计算回路的划分。受热最弱或阻力最
大、受热最强的上升管个别进行计算
上升管区段的划分
• 1。热水段要分开计算，下联箱到沸腾点是 热水段，采用单相流动计算公式
– 燃烧产生的腐蚀性气体对管壁的高温腐 蚀；
– 结渣和积灰导致的对管壁的侵蚀； – 煤粉气流或含灰气流对管壁的磨损。
• 管内的影响因素一般导致管子金属内壁 面上的连续水膜被破坏，出现传热恶化， 引起管壁工作温度超过金属材料的允许 温度。超温严重时管子强度下降，承压 能力下降。这时由于管内的工质压力的 作用，可导致管子局部“鼓包”、裂口， 以致发生爆管事故。
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。
影响临界热负荷的因素分析：
（1）质量流速
质量流速对临界热负荷的 影响有两重性。质量含 汽率不变时，质量流速↑， 汽量↑，临界热负荷↓。 另一方面，质量流速↑， 携带蒸汽的速度↑，临界 热负荷↑。
高压时后者起主要作用。
• 2。热后段是否分出，热后段长度大于上升 管总长度10%，要分开进行计算
原因：汽水混 合物中含汽率 太高所致。
临界含汽率的影响因素：
（1）热负荷
热负荷与临界含汽率关系不大,但临界热 负荷↑，管壁温度↑。
（2）工质压力
工质压力较小时，压力↑，临界含汽率↑； 反之则相反。
（3）质量流速 质量流速，临界含汽率。 （4）管径 管径， 临界含汽率。
※对于超高压及以下的自然循环锅炉，在 循环正常时，由于热负荷和工质含汽率都较低， 不会发生传热恶化。
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。
锅炉的水循环资料
究 所
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10.4 循环回路的压差特性
• 在一定的热负荷及结构特性下，压差S和管 内流量G（或质量流速ρw）的关系称为压 差特性或水动力特性，相应曲线称为压差 特性曲线或水动力特性曲线。 西 安 • 用途：分析自然循环回路的工作原理及其 交 通 影响因素，确定回路的工作状态。
大 学 锅 炉 研 究 所
1. 循环流动与流型
目前我国生产的工业锅炉普遍采用自然循环。锅炉的自然循 环回路由锅筒、下降管、水冷壁及联箱组成。如图所示。
西 安 交 通 大 学 锅 炉 研 究 所
下降管布置在炉外不受热。由上 升管组成的水冷壁布置在炉膛内 的四周，紧贴炉墙。上升管中的 汽水混合物向上流动，进入锅筒， 在 锅 筒 中 经 汽 水 分 离 (explain why) ，汽水混合物中的汽进入蒸 汽空间，由蒸汽引出管引出。而 水则进入水空间，与送入锅筒的 给水混合再进入下降管，再次进 行循环。
图11-4 受热水平蒸发管汽液两相流流型
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正常情况下，垂直管内蒸汽形成的汽泡，呈乳状悬浮在水中，同水 一起向上流动(图a)。当管壁附近流动阻力较大时，汽泡趋于阻力较 小的管子中间部分，呈柱状上升(图b)。当循环流速较小甚至停滞时， 即产生图c中的流动情况。
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l Z d
西 安 交 通 大 学 锅 炉 研 究 所
图12-4 上升管压差与吸热量的关系
3.自补偿能力
由运动压头法：
q较低、x较小、循环倍率K较大时， 随着q的增加，φ的增加大于x的增加， Syd的增加大于总阻力∑ΔP的增加， 回路中的动力大于阻力，使得循环 流量G0相应增加 。
锅炉水循环
锅炉水循环锅炉水循环是指在蒸汽锅炉系统中的一种重要循环过程，它负责将水从锅炉中循环至加热区域，并将加热后的水转化为蒸汽，以供系统使用。
锅炉水循环是蒸汽锅炉正常运行的关键环节，其稳定性和效率直接影响整个系统的性能。
锅炉水循环的基本原理在蒸汽锅炉中，水循环过程主要包括给水加热、蒸发和汽水分离等步骤。
首先，给水经过加热器升温后进入锅炉，在加热的作用下渐渐转化为饱和水蒸汽。
随后，经过炉管蒸发过程，水蒸汽被加热转化为干饱和蒸汽，从而达到系统需要的温度和压力。
锅炉水循环是通过循环泵来实现的，它提供了必要的动力将水从锅炉中循环至加热区域。
在水循环的过程中，不同级别的泵负责不同的任务，包括给水泵、循环泵等，它们协同工作，确保水的顺畅流动和稳定循环。
锅炉水循环的分类根据不同的工作特点和结构形式，锅炉水循环可以分为自然循环和强制循环两种类型。
自然循环自然循环是利用水的密度和温度差异产生的循环动力进行水循环的一种方式。
在自然循环锅炉中，无需外部循环泵，水在锅炉内部自然上升、冷却、下降循环。
这种方式适用于小型、低压、低功率的蒸汽锅炉系统，具有结构简单、操作方便等优点。
强制循环强制循环是通过外部的循环泵提供动力，强制将水循环至加热区域的一种方式。
强制循环适用于大型、高效率的蒸汽锅炉系统，能够确保水的快速流动和加热效率。
这种方式通常用于高压、大功率、高速蒸汽锅炉系统中。
锅炉水循环的优化及注意事项为了提高锅炉水循环的效率和稳定性，需要注意以下几点优化和注意事项：•保持水质清洁：定期对锅炉水进行化学处理，防止水垢和腐蚀的产生，提高热传递效率。
•定期检查泵和管道：确保泵和管道的运行良好，无堵塞和漏水等现象，避免水循环不畅造成事故。
•调节水循环速度：根据锅炉运行情况和负荷变化，合理调节水循环速度，保持系统平衡。
•考虑节能问题：优化锅炉水循环系统，减少能耗和资源浪费，提高系统运行效率。
综上所述，锅炉水循环是蒸汽锅炉系统中不可或缺的重要环节，其稳定性和效率直接关系到整个系统的正常运行。
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。
自然循环锅炉水动力
§11—1锅炉水动力学基础 一、 锅炉水循环方式
循环—工质流经蒸发受热面的流动方式 划分—依据流动动力 自然循环锅炉 强迫循环锅炉 多次强制循环锅炉 直流锅炉 复合循环锅炉 自然循环和多次强制循环方式适用于低于 临界压力的锅炉
1. 自然循环锅炉
流动动力 不受热的下降管与受热 的上升管（水冷壁）之间的密度 差 全部由受热管束组成的回路也 可形成自然循环
③增加管内工的流速，提高水 循的稳定性。
④增加电耗。
问题 循环泵可靠性（高温、高压）
3. 直流锅炉
流动动力
给水泵
特征 ①无锅筒，工质一次性通过 水冷壁。 ②水冷壁布置自由，金属耗 量少，制造方便。 ③启停速度比较快，适应电 网负荷变化，适用压力范围广，尤 其是超临界参数的锅炉。 给 水 泵 ④流动阻力大，增加电耗， 自动调节和给水处理要求高。 问题 水动力不稳定性（多值性、 脉动），传热恶化，热偏差
系数C反映汽水之 间的相对速度
C wh / w sj
C=1,φ=β
向上流动
向下流动
C<1,φ<β
一般C>1,φ>β
压力和循环流速度增加 φ→β （a：w小；d：w大）
1－粗糙度小；2－粗糙度大
4. 密度
汽水混合物密度
' h ' 1 x 1 "
汽水混合物实际密度
有效压头法
S yx xj ss gh pss pxj
有效压头是循环回路中的部分水循环动力 稳定流动时克服回路中下降管的流动阻力
循环倍率：
K＝G0/D＝1/x
k小，D大而G0小，则w0小。
k＜Kjx，w0≌0，发生停滞、自由水位。
锅炉自然循环原理
锅炉自然循环原理
锅炉自然循环原理是指在锅炉加热过程中，由于水的密度变化所引起的水的自然循环运动。
首先，当锅炉内的水被加热后，水的温度上升，密度减小。
因为热量的传导是从高温到低温的方向，所以炉水温度升高后，周围的水也会热传导到锅炉所在区域，使锅炉内的水局部产生热胀冷缩的变化。
其次，由于局部水温升高，水的密度减小。
较冷的水会由外部环境自然进入锅炉，占据较热水所占的位置，形成自然循环。
进一步的，进入的较冷水在锅炉内受热后也会上升，造成锅炉内水的循环。
这种自然循环的过程可以使锅炉内部加热面上的水温均匀分布，从而提高锅炉的热效率。
同时，自然循环还可以保证锅炉内水的流动，避免局部温度升高过高，导致热力膨胀、破坏锅炉结构等不良后果。
总之，锅炉自然循环原理通过水的密度变化和热对流的效应，实现了锅炉内部水的自然循环运动，达到了热量均匀传递、高效供热的目的。
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系统中，热水通过自然的密度差异产生对流，从而实现热量的传递和循环。
其基本原理可以概括为以下几个步骤：
1. 加热水：锅炉在燃烧燃料或其他加热方式下，将水加热到一定温度。
2. 密度差异：加热后的水因温度升高而密度减小，导致热水上浮，形成密度差异。
3. 上升对流：热水由于密度较小，会上升到锅炉的顶部或者热交换器的上部，同时，冷水由于密度较大，会下沉到锅炉的底部或者热交换器的下部。
4. 冷却释放热量：热水在上升过程中与锅炉或热交换器的表面接触，释放热量给周围环境或介质。
5. 冷水回流：冷水在下降过程中，通过管道重新进入锅炉的底部或者热交换器的下部，完成一个循环。
通过以上循环过程，热水源源不断地加热、上升、释放热量、下降和回流，从而形成了锅炉内的自然循环。
这种自然循环的特点是操作简单、无需额外能量投入，但循环速度较慢。
锅炉自然循环广泛应用于一些小型的加热系统，如家庭中的热水器以及一些低压小型蒸汽锅炉中。
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图10-4 部分负荷复合循环锅炉的工作原理
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1.省煤器2.混合器3.循环泵 4.分配器5.水冷壁6.过热器 7.循环限制阀8.循环旁路
图10-5 超临界压力复合循环锅炉
西安石油大学机械工程学院
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• 直流锅炉与强制循环锅炉相比，取消了汽 包，且工质在给水泵压头的作用下一次性 通过各受热面 。 • 直流锅炉特点是：受热面可自由布置；金 属耗量少，启、停速度快；水容量及相应 的蓄热能力较小，对外界负荷变化较敏感 ；直流锅炉不能连续排污，对给水品质的 要求很高；给水泵功率消耗大。
图10-2 复合循环锅炉再循环
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P C P A P b P lz
（10-1）
• 如果循环泵的工作压头△Pb大于水冷壁中工 质的流动阻力△Plz ，则有PC＞PA，锅炉按强 制循环锅炉原理工作 。（流过水冷壁的工质 流量为给水流量与再循环流量之和）
气压）一般称为亚临界压力
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• 10.1.1强制循环锅炉 • 随着锅炉容量提高，为了保证管内工质具有较 高的质量流速，在循环回路上串接一个或多个 专门的循环泵，用以控制水和汽水混合物的流 动，则称为强制循环锅炉或控制循环锅炉。 • 为了进一步提高锅炉水动力的安全可靠性，可 以在蒸发受热面的进口设置节流圈，这种锅炉 一般称为控制循环锅炉 。
第10章 自然循环锅炉水动力特性
• 10.1锅炉水循环过程 • 10.1.1自然循环锅炉 • 工质循环流动完全是由于蒸发受热面受热产生的 密度差而自然形成，故称自然循环; • 自然循环锅炉的特征是有一个直径较大的汽包。 • 自然循环锅炉结构比较简单、运行容易掌握而且 比较安全可靠，我国亚临界压力以下的锅炉，多 水的临界压力为227.98×105Pa 数采用自然循环锅炉。 ， 172.25×105Pa（170～210 大
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• 自然循环锅炉工程应用的最高蒸汽压力是 19.11MPa，单炉的最大容量为885MW。只有 当蒸汽压力超过16MPa时，且自然循环不可 靠，才需要考虑采用强制循环锅炉。当压 力超过19.6MPa，则适合采用直流锅炉。强 制循环锅炉工程应用的最高蒸汽压力是 19.6MPa，单炉的最大容量1000MW。当单炉 容量超过600MW，一般应在较低的压力时就 考虑采用强制循环锅炉或直流锅炉。
• 3．复合循环锅炉的特点
（1）结构简单可靠。 （2）额定负荷时的质量流速可选得低 些，以减小流动阻力和水泵电耗。 （3）锅炉最低负荷可降到额定负荷的5 ％左右，启动旁路系统可按5％-10％负 荷设计，减小设备投资和启动时的工质 及热量损失。
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在全负荷范围内均有△Pb大于 水冷壁中工质的流动阻力△Plz （即在全负荷范围内循环流量 均不为零）
图10-3低循环倍率锅炉系统和循环流量曲线
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• 3．部分负荷复合循环锅炉
1.低负荷时，循环管路有循 环流量，高负荷时，锅炉按 直流锅炉原理工作； 2.大多用于超临界压力机组 ； 3.与低循环倍率锅炉的主要 差别是在循环回路上装有循 环限制阀.
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• 10.1.4 复合循环锅炉 • 1.复合循环锅炉的基本原理 • 为了克服纯直流锅炉的不足及适应超临界压 力锅炉应用的需要，产生了复合循环锅炉
直流锅炉缺点是负荷降 低时，水冷壁内工质流 量降低，炉内热量得不 到工质的冷却，水冷壁 管壁容易超温。
• 如果循环泵的工作压头△Pb小于等于水冷壁 中工质的流动阻力△Plz，则有PC≤PA，锅炉按 直流原理工作 （再循环管路中无循环流量）。
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• 2．全负荷复合循环锅炉
1.省煤器 2.混 合器3.过滤器 4.再循环水泵 5.分配器6.节 流圈7.水冷壁 8.汽水分离器 9.备用管路
（7）复合循环不仅应用于超临界压力锅炉，而
且还应用在亚临界压力锅炉。
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• 10.2自然循环基本原理 • 10.2.1 概述 • 水冷壁上升管在炉内吸收炉膛火 焰和烟气的辐射热量，管内部分 水蒸发，形成汽水混合物；而下 降管在炉外不受热，管内为饱和 水或未饱和水。因此，下降管中 水的密度大于上升管中汽水混合 物的密度，在下联箱中心 A-A 截 面两侧将产生液柱的重位压差， 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 。
（4）再循环工质使水冷壁进口工质的焓提高，
工质在蒸发管内焓增减少，有利于减少热偏差 和提高管内工质流动的稳定性。
（5）锅炉在低负荷范围内运行时，工质流量和
温度变化幅度小，减小了管壁热应力，有利于 改善锅炉低负荷运行制造工
艺复杂，技术性能要求高，且循环泵要消耗电 能，致使机组远行费用增加。
• 自然循环的推动压力一般为 0.05~0.1MPa, 循 环泵提升压力为0.25~0.5MPa
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（a）自然循环锅炉
（b）强制循环锅炉； （c）控制循环锅炉；
（d）直流锅炉
图10-1 锅炉蒸发受热面内工质流动的几种类型
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• 10.1.3 直流锅炉 • 直流锅炉没有汽包，给水在给水泵的作用 下，依次通过加热、蒸发和过热等各个受 热面，完成水的加热、汽化和蒸汽过热过 程，最后蒸汽过热到规定的温度，各受热 面之间并没有固定的界限，直流锅炉可以 认为是循环水量为零的强制循环锅炉的一 个特例。