自然循环锅炉水动力
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kg / m 2 s
（4）质量流速
（5）折算流速
Gq v f
Qq f
Gs v Qs w (m / s) f f
' o
2. 速度参数
（1）混合流速 由质量流速定义 （2）实际流速
Qh Qs Qq ' '' wh wo wo (m / s ) f f
" " wh wo wo (1 ' )(m / s)
(b)弹状流型 (c)环状流型 (d)液滴环状流型 (e) 雾状流型
x＝0
2. 水平流动
不对称结构 分层流动
消除分层流动
提高流速，保证汽水混合物的质量流速 大于发生汽水分层时的界限质量流速。
避免水平布置，采用倾斜布置。一般向 上倾斜10～15度的管内分层流动就很少发生， 当水平倾角超过30～60度，其流型即与垂直 管相同。
(kg / m3 )
hsj
(kg / m3 )
§11—2自然水循环原理 一、自然循环回路的水动力基本方程
1. 循环回路和管屏区段 下降管、上升管、锅筒、集 箱及其他部件所组成。 简单回路 并联的一组（根）下降管， 一组（根）几何结构尺 寸及吸熱相同的上升管， 以及其他部件所组成。 是独立的循环系统
①确定循环流量或流速，循环倍率，压差，可靠性指标
②计算时按平均参数计算，并对条件最差管子进行校验
③只对锅炉额定参数进行计算
④ 对结构特性和受热状况基本相同的回路，可选其中一个 回路进行计算
二、压降（阻力）计算
总阻力 1. 摩擦阻力
p pmc p jb pzw p js
2 l wo pmc 1 x 1 dn 2
4. 复合循环锅炉
主要用于超临界压力锅炉 再 循 环
低负荷 一部分水经过再循环管 路在蒸发受热面中进行再循环。
保证低负荷时水动力稳定， 并大幅度减小蒸发受热面中的流 动阻力。 高负荷 循环泵停止工作，切换 成直流运行。
给 水
二、汽液两相流体的流 动型态（流型） 1. 垂直向上流动
x＝1
(a)泡状流型
Sss Sxj f (G)
下降管压差
Sxj xj gh pxj
Owk.baidu.com
o
不受热无汽，G↑，单调减
上升管压差
Sss ss gh pss
受热有汽， G↑，单调增 两条曲线必有一交点
为回路工作点O
q对上升管压差的影响
G一定
S ss gh Z 1 1 x 2 f ( , x) f (q )
摩擦阻力系数
1 4 lg 3.7d n / k
2
摩擦阻力校正系数ψ，双相摩擦阻力与按均相模 型计算的摩擦阻力之比。试验值，与质量含汽率 x、压力p及质量流速ρw有关。
2. 局部阻力 p jb jb
2 wo
1 x jb 1 2
直流锅炉蒸发受热面三种基本型式
德国，本生型
瑞士，苏尔寿型
苏联，拉姆辛型
垂直上升管屏 ①多次垂直上升,源于德国，又称本生型，一般用于中 等容量锅炉。 ②一次垂直上升, 在本生炉上改进，又称UP（通用压 力）型，适用于各种压力参数。
回转管屏 源于瑞士，又称苏尔寿型。分为垂直回转和水平回转 两集箱之间的很长的并联管引起较大的热偏差，制造 复杂，垂直管屏难疏水，水动力稳定性较差。 水平围绕管圈 前苏联，又称拉姆辛型。 节省金属，便于滑压运行和疏水排气。 为了解决垂直上升管屏混合集箱流量分配 下部辐射区采用螺旋型上升管圈 炉膛折焰角以上的辐射区采用一次垂直上升管屏
w
'' sj
Qq f
Qs wsj f
（3）相对速度与滑移比
wxd w w
" sj
' sj
S
w w
'' sj ' sj
3. 含汽率
（1）质量含汽率 蒸汽质量流量所占混合物质量流量的份额
定义
" w x Gh ' wo
Gq
" o
热力学含汽率（沸腾度）
x (i i) / r
3. 两相流体的流动模型 均相流模型 假定两相流体流动时和非常均匀，看作是 具有平均流体特性的均质单相流体，汽液两相 之间没有相对速度且处于热力学平衡状态。该 模型可以应用单相流体的各种方程式，必要时 借助于试验系数对方程式进行修正。 适用于泡状流型
分相流模型 假定两相流体流动时完全分开，它们各自 以一种平均流速流动，即两相之间流速不等但 已经达到热力动态平衡。这种模型可以对每一 相流体写出一组基本方程式，或者将两相的方 程式合并在一起，并应用经验关系式建立某一 物理量与流动的独立变量之间的关系式。
Qq
1 f ( x) " 1 1 1 'x
（3）截面含汽率（真实容积含汽率） 用平均流量概念表示的x或β采用的是均相流 模型，没有考虑汽水之间实际存在的相对速度， 因此都没有反映管内混合物真正的蒸汽含量， 它们都只反映了水速与汽速相等条件下的含汽 率。
截面含汽率φ—某一管道截面上蒸汽流通截面 积与整个管道截面的比值
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。
二、 循环回路的压差特性
压差特性 q和结构一定
适用于环状流型
三、 汽液两相流体的基本参数
1. 流量参数 （1）质量流量 （2）容积流量 （3）循环流速
Gh Gq Gs (kg / s)
Qh Qq Qs Gqv Gsv(m3 / s)
wo Gov / f
Go Gh w f f
'' wo
(m / s )
（a）并联回路
（b）串联回路
（C）有集中下降管的复杂回路
①算绘制各管组Si ②串联迭加得S1+3-5 和S2+4-6 ③S1+3-5和S2+4-6并联 迭加得Sss ④Sss与Sxj交点为回 路总工作点A ⑤从A点反推得各管 组的工作点
§11—3自然循环水动力计算
一、概述 目的 确定合理的最佳回路结构，校核锅炉受热面 的工作可靠性，提出提高可靠性的措施。 内容和原则
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
3. 重位压降 pzw hsj g h g h
4. 加速压降 管段的出口和进口的单位截面工 质秒流量的动量差值
2
p js w wc w j w vc v j
p js w xc x j v v
自补偿区
自然循环回路的自补偿能力
q较低，x较小，K较大处， 当q ↑，φ ↑↑＞x ↑，则Syd ↑↑＞∑Δp↑， 动力＞阻力，则G0↑。 即当K＞Kjx时，并联回路具有因上 升管q增加而使G0随之增加的能力。
三、循环回路的工作点
1. 确定循环回路工作点的图解法
①假定几个Go (或wo) 值
②分别计算出相应的Sss 和Sxj，将这几个压差值连 接起来得到Sss和Sxj的特 性曲线。 ③两曲线的交点A即为简 单回路工作点，对应的G0 和S0即为工作点的循环流 量和压差。
2
三、水循环计算方法和步骤
压差法
Sss Sxj
2 l xj xj wxj 1. 下降系统压差 S xj xj gh xj 2 d xj
下降系统密度ρxj 按锅筒压力下的饱和水的密度计算，即ρxj＝ρ′ 下降管流速wxj
复杂回路 由一系列回路所 组成，各回路之间 相互有联系，公用 其中的某一环节。 如有共同或部分 共同的上升管，或 有共同下降管，但 锅筒是各循环回路 所共有。
pgt 2. 简单回路的水动力基本方程 稳定流动 以下集箱A-A为分析面 压差平衡方程
ss gh pss xj gh pxj
q↑，重位压差↓，阻力↑， Sss的变化不确定。 q↑，φ 和x都增大，但 两者的增大趋势却有 很大的差别 。
2 wo
自补偿区
Sss呈现先降后升趋势
q对循环回路工作点的影响
运动压头法 q↑
2 wo ( ) gh Z xj Z ss 1 x 1 2 0
采用分相流模型，反映的是实际含汽率，又 称真实容积含汽率。
截面含汽率表达式
定义
f f
1 1 1 " 1 1 S 1 1 S ' x
改写
" " wo wh w0 wh " " " C wsj wsj wh wsj
分析受热工质的状态，x<0，工质处于未饱和水（过冷 沸腾）区；0 x 1，饱和沸腾区；x>1，过热蒸汽区。
循环倍率
k Go / D 1/ x
wh f ( x) wo [1 x( / 1)]
（2）容积含汽率
蒸汽容积流量所占混合物容积流量的份额
" '' wo wo ' '' Qh wh wo wo
上升管压差 Sss ss gh pss
A
A
下降管压差 Sxj xj gh pxj 压差法
Sss Sxj
运动压头法
S yd xj ss gh pss pxj p
运动压头是循环回路中产生的水循环动力 稳定流动时克服回路中工质流动的总阻力
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
锅筒
特征 ①有锅筒，具有较大的畜热 和蓄水能力，易于调节。
下 降 管 给 水 泵 下集箱 上 升 管 ②水动力特性稳定，运行可 靠，能耗小。 ③p↓， ↑，循环可靠。 问题 停滞、自由水位、倒流、
下降管带汽
2. 多次强制循环锅炉 （辅助循环，控制循环）
流动动力 ＋循环泵（主动力） 为了保证水循环可靠性，在自然循 环锅炉基础上发展起来。 特征 ①水冷壁布置自由，减小管子 和锅筒的直径，减少金属消耗量。 给 水 泵 循 环 泵 ②加快锅炉的启停和升降负 荷的速度，扩大负荷调节的范围，
2. 复杂回路的工作点 复杂回路 各管组的吸熱量、结构特性、联结方式不同。 每个管组有各自的特性曲线和工作点，整个复杂 回路有一总工作点。 步骤 ①分别计算作出各管组的压差特性曲线Si； ②寻找共同部分，合成各曲线得总Sxj和Sss曲线， 交点为回路总工作点； ③反推求各管组的工作点。 合成方法 串联回路 在相同流量下，压差迭加。 并联回路 在相同压差下，流量迭加。
第十一章 自然循环锅炉水动力特性
§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
（4）质量流速
（5）折算流速
Gq v f
Qq f
Gs v Qs w (m / s) f f
' o
2. 速度参数
（1）混合流速 由质量流速定义 （2）实际流速
Qh Qs Qq ' '' wh wo wo (m / s ) f f
" " wh wo wo (1 ' )(m / s)
(b)弹状流型 (c)环状流型 (d)液滴环状流型 (e) 雾状流型
x＝0
2. 水平流动
不对称结构 分层流动
消除分层流动
提高流速，保证汽水混合物的质量流速 大于发生汽水分层时的界限质量流速。
避免水平布置，采用倾斜布置。一般向 上倾斜10～15度的管内分层流动就很少发生， 当水平倾角超过30～60度，其流型即与垂直 管相同。
(kg / m3 )
hsj
(kg / m3 )
§11—2自然水循环原理 一、自然循环回路的水动力基本方程
1. 循环回路和管屏区段 下降管、上升管、锅筒、集 箱及其他部件所组成。 简单回路 并联的一组（根）下降管， 一组（根）几何结构尺 寸及吸熱相同的上升管， 以及其他部件所组成。 是独立的循环系统
①确定循环流量或流速，循环倍率，压差，可靠性指标
②计算时按平均参数计算，并对条件最差管子进行校验
③只对锅炉额定参数进行计算
④ 对结构特性和受热状况基本相同的回路，可选其中一个 回路进行计算
二、压降（阻力）计算
总阻力 1. 摩擦阻力
p pmc p jb pzw p js
2 l wo pmc 1 x 1 dn 2
4. 复合循环锅炉
主要用于超临界压力锅炉 再 循 环
低负荷 一部分水经过再循环管 路在蒸发受热面中进行再循环。
保证低负荷时水动力稳定， 并大幅度减小蒸发受热面中的流 动阻力。 高负荷 循环泵停止工作，切换 成直流运行。
给 水
二、汽液两相流体的流 动型态（流型） 1. 垂直向上流动
x＝1
(a)泡状流型
Sss Sxj f (G)
下降管压差
Sxj xj gh pxj
Owk.baidu.com
o
不受热无汽，G↑，单调减
上升管压差
Sss ss gh pss
受热有汽， G↑，单调增 两条曲线必有一交点
为回路工作点O
q对上升管压差的影响
G一定
S ss gh Z 1 1 x 2 f ( , x) f (q )
摩擦阻力系数
1 4 lg 3.7d n / k
2
摩擦阻力校正系数ψ，双相摩擦阻力与按均相模 型计算的摩擦阻力之比。试验值，与质量含汽率 x、压力p及质量流速ρw有关。
2. 局部阻力 p jb jb
2 wo
1 x jb 1 2
直流锅炉蒸发受热面三种基本型式
德国，本生型
瑞士，苏尔寿型
苏联，拉姆辛型
垂直上升管屏 ①多次垂直上升,源于德国，又称本生型，一般用于中 等容量锅炉。 ②一次垂直上升, 在本生炉上改进，又称UP（通用压 力）型，适用于各种压力参数。
回转管屏 源于瑞士，又称苏尔寿型。分为垂直回转和水平回转 两集箱之间的很长的并联管引起较大的热偏差，制造 复杂，垂直管屏难疏水，水动力稳定性较差。 水平围绕管圈 前苏联，又称拉姆辛型。 节省金属，便于滑压运行和疏水排气。 为了解决垂直上升管屏混合集箱流量分配 下部辐射区采用螺旋型上升管圈 炉膛折焰角以上的辐射区采用一次垂直上升管屏
w
'' sj
Qq f
Qs wsj f
（3）相对速度与滑移比
wxd w w
" sj
' sj
S
w w
'' sj ' sj
3. 含汽率
（1）质量含汽率 蒸汽质量流量所占混合物质量流量的份额
定义
" w x Gh ' wo
Gq
" o
热力学含汽率（沸腾度）
x (i i) / r
3. 两相流体的流动模型 均相流模型 假定两相流体流动时和非常均匀，看作是 具有平均流体特性的均质单相流体，汽液两相 之间没有相对速度且处于热力学平衡状态。该 模型可以应用单相流体的各种方程式，必要时 借助于试验系数对方程式进行修正。 适用于泡状流型
分相流模型 假定两相流体流动时完全分开，它们各自 以一种平均流速流动，即两相之间流速不等但 已经达到热力动态平衡。这种模型可以对每一 相流体写出一组基本方程式，或者将两相的方 程式合并在一起，并应用经验关系式建立某一 物理量与流动的独立变量之间的关系式。
1 f ( x) " 1 1 1 'x
（3）截面含汽率（真实容积含汽率） 用平均流量概念表示的x或β采用的是均相流 模型，没有考虑汽水之间实际存在的相对速度， 因此都没有反映管内混合物真正的蒸汽含量， 它们都只反映了水速与汽速相等条件下的含汽 率。
截面含汽率φ—某一管道截面上蒸汽流通截面 积与整个管道截面的比值
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。
二、 循环回路的压差特性
压差特性 q和结构一定
适用于环状流型
三、 汽液两相流体的基本参数
1. 流量参数 （1）质量流量 （2）容积流量 （3）循环流速
Gh Gq Gs (kg / s)
Qh Qq Qs Gqv Gsv(m3 / s)
wo Gov / f
Go Gh w f f
'' wo
(m / s )
（a）并联回路
（b）串联回路
（C）有集中下降管的复杂回路
①算绘制各管组Si ②串联迭加得S1+3-5 和S2+4-6 ③S1+3-5和S2+4-6并联 迭加得Sss ④Sss与Sxj交点为回 路总工作点A ⑤从A点反推得各管 组的工作点
§11—3自然循环水动力计算
一、概述 目的 确定合理的最佳回路结构，校核锅炉受热面 的工作可靠性，提出提高可靠性的措施。 内容和原则
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
3. 重位压降 pzw hsj g h g h
4. 加速压降 管段的出口和进口的单位截面工 质秒流量的动量差值
2
p js w wc w j w vc v j
p js w xc x j v v
自补偿区
自然循环回路的自补偿能力
q较低，x较小，K较大处， 当q ↑，φ ↑↑＞x ↑，则Syd ↑↑＞∑Δp↑， 动力＞阻力，则G0↑。 即当K＞Kjx时，并联回路具有因上 升管q增加而使G0随之增加的能力。
三、循环回路的工作点
1. 确定循环回路工作点的图解法
①假定几个Go (或wo) 值
②分别计算出相应的Sss 和Sxj，将这几个压差值连 接起来得到Sss和Sxj的特 性曲线。 ③两曲线的交点A即为简 单回路工作点，对应的G0 和S0即为工作点的循环流 量和压差。
2
三、水循环计算方法和步骤
压差法
Sss Sxj
2 l xj xj wxj 1. 下降系统压差 S xj xj gh xj 2 d xj
下降系统密度ρxj 按锅筒压力下的饱和水的密度计算，即ρxj＝ρ′ 下降管流速wxj
复杂回路 由一系列回路所 组成，各回路之间 相互有联系，公用 其中的某一环节。 如有共同或部分 共同的上升管，或 有共同下降管，但 锅筒是各循环回路 所共有。
pgt 2. 简单回路的水动力基本方程 稳定流动 以下集箱A-A为分析面 压差平衡方程
ss gh pss xj gh pxj
q↑，重位压差↓，阻力↑， Sss的变化不确定。 q↑，φ 和x都增大，但 两者的增大趋势却有 很大的差别 。
2 wo
自补偿区
Sss呈现先降后升趋势
q对循环回路工作点的影响
运动压头法 q↑
2 wo ( ) gh Z xj Z ss 1 x 1 2 0
采用分相流模型，反映的是实际含汽率，又 称真实容积含汽率。
截面含汽率表达式
定义
f f
1 1 1 " 1 1 S 1 1 S ' x
改写
" " wo wh w0 wh " " " C wsj wsj wh wsj
分析受热工质的状态，x<0，工质处于未饱和水（过冷 沸腾）区；0 x 1，饱和沸腾区；x>1，过热蒸汽区。
循环倍率
k Go / D 1/ x
wh f ( x) wo [1 x( / 1)]
（2）容积含汽率
蒸汽容积流量所占混合物容积流量的份额
" '' wo wo ' '' Qh wh wo wo
上升管压差 Sss ss gh pss
A
A
下降管压差 Sxj xj gh pxj 压差法
Sss Sxj
运动压头法
S yd xj ss gh pss pxj p
运动压头是循环回路中产生的水循环动力 稳定流动时克服回路中工质流动的总阻力
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
锅筒
特征 ①有锅筒，具有较大的畜热 和蓄水能力，易于调节。
下 降 管 给 水 泵 下集箱 上 升 管 ②水动力特性稳定，运行可 靠，能耗小。 ③p↓， ↑，循环可靠。 问题 停滞、自由水位、倒流、
下降管带汽
2. 多次强制循环锅炉 （辅助循环，控制循环）
流动动力 ＋循环泵（主动力） 为了保证水循环可靠性，在自然循 环锅炉基础上发展起来。 特征 ①水冷壁布置自由，减小管子 和锅筒的直径，减少金属消耗量。 给 水 泵 循 环 泵 ②加快锅炉的启停和升降负 荷的速度，扩大负荷调节的范围，
2. 复杂回路的工作点 复杂回路 各管组的吸熱量、结构特性、联结方式不同。 每个管组有各自的特性曲线和工作点，整个复杂 回路有一总工作点。 步骤 ①分别计算作出各管组的压差特性曲线Si； ②寻找共同部分，合成各曲线得总Sxj和Sss曲线， 交点为回路总工作点； ③反推求各管组的工作点。 合成方法 串联回路 在相同流量下，压差迭加。 并联回路 在相同压差下，流量迭加。
第十一章 自然循环锅炉水动力特性
§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