第九章、自然循环原理及计算.
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自然循环原理及计算
Ｙxj＝Ｙss
这就是水循环计算的压差法。
2020/5/22
6
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。
2020/5/22
8
2020/5/22
9
泡状流
2020/5/22
10
弹状流
2020/5/22
11
环 状 流（柱状流）
2020/5/22
12
2020/5/22
13
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。
2020/5/22
17
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
2020/5/22
1～10 200～1000
20～100 500～3500 1000～15000
2500～35000 5000～25000
18
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。
这就是水循环计算的压差法。
2020/5/22
6
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
2020/5/22
10
弹状流
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环 状 流（柱状流）
2020/5/22
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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。
2020/5/22
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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
2020/5/22
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。
第九章自然循环原理及计算
3）特性参数：临界含汽率xc
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
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
第9章自然循环原理及计算
K：粗糙度 碳钢和珠光体合金钢取0.06 mm， 奥氏体合金钢取0.008mm。
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。
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
• 雾状流动阶段：由于管子壁面的水膜被蒸干，只有管子中 心的蒸汽流中夹带着小液滴，壁面由雾状蒸汽流冷却，工质对 管壁的放热系数急剧减小，管壁温度发生突变性提高。随后， 由于流动速度增加和小液滴对管壁的润湿作用， 使工质对管壁 的放热系数又有所增大，管壁温度略有下降。
• 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。
• 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。
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• 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
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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
自然水循环原理
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。
2. 简单回路的水动力基本方程
循环倍率K 循环回路中水流量G与回路中产生的蒸汽 量D之比，即1kg水全部变成蒸汽需在回路中循环多少次
G 1 K D x
Sxj xj gh pxj
O
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
S ss gh Z 1 1 x 2 f ( , x) f (q )
（a）并联回路
并联回路：在相同压差下，流量迭加。
（b）串联回路
串联回路： 在相同流量 下，压差迭 加。
（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。
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 。 c.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。
二、 循环回路的压差特性
q和结构一定 下降管压差
Sss Sxj f (G)
回路循环倍率K 应大于界限循环倍率Kjx，对应的质量含汽率X应小于 临界质量含汽率Xlj
界限循环倍率和推荐循环倍率 锅炉压力(MPa) 锅炉蒸发量(t/h) 3.92～5.88 10.2～11.76 13.73～15.69 16.67～18.63 35～240 160～420 400～670 ≥800
自然循环原理及计算
截面含汽率φ 蒸汽所占截面与管子总截面之比 A" whu C A w 上升流动 C<1, φ<β；下降流动 C>1, φ>β
A
A
3/4
5、两相流体的密度
混合物密度ρhu
G 'V ' "V " hu ' ' " V V
真实密度ρzs
w0 '
D为蒸汽质量流量(G D) ,m Fra bibliotek s 'A
混合物速度 whu
whu
真实速度
V V V G D D w0" , m / s w0 A A A A
V" D w" " ,m / s " A "A
V' GD w' ' ,m / s ' A 'A
2/4
4、两相流体的含汽率
质量含汽率x 汽水混合物中蒸汽的质量流量与汽水混合 物总质量流量之比 D " w0 " x G ' w0
容积含汽率
" w0 V" 1 V w w" (1 ) 1 ( 1 1) 0 0 x
蒸汽容积流量与汽水混合物容积流量之比
A' h A"h Ah zs A' h A"h zs ( ), kg / m3 Ah
A
A
4/4
§2 自然循环锅炉的水循环及计算
1、自然循环的基本概念 2、简单回路水循环计算 3、自然循环故障及安全性检查
自然循环原理及其计算PPT课件
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。
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自然循环水动力计算
• 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： ①确定循环流量或流速，循环倍率，压差，可靠
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10页/共30页
（a）并联回路
并联回路：在相同压差下，流量迭加。
第11页/共30页
（b）串联回路
串联回路： 在相同流量 下，压差迭 加。
第12页/共30页
（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
② 增大引出管阻力，Syc和 Sss↑，G0G2；
③ 同时增加下降管阻力和 引出管阻力，G0G3。
第26页/共30页
（4）下降管带汽
下降管带汽，重位压头下降，阻力增大，下降 管特性曲线及回路的工作点大为降低，因而 对水循环不利。
带汽原因： ①压力下降，自汽化（蒸发）。 ②锅筒水空间的蒸汽被直接带入下降管。 ③旋涡斗带入蒸汽。 ④下降管受热产生蒸汽。
x ↑ , ∑Δp↑ ;φ ↑↑，Syd ↑↑，
自补偿区
动力＞阻力，则G0↑。
φ
即当K＞Kjx时，并联回路具有因上升
x
管q增加而使G0随之增加的能力称为自
然循环回路的自补偿能力。
可避免管壁超温
第7页/共30页
循环倍率
循环倍率K 衡量锅炉水循环可靠性的指标之一 K过大（x 过小) ，运动压头太小，可能出现循环停滞等水循环故障； K过小（x 过大），将失去自补偿能力，造成管壁超温
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。
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自然循环水动力计算
• 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： ①确定循环流量或流速，循环倍率，压差，可靠
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。
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（a）并联回路
并联回路：在相同压差下，流量迭加。
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（b）串联回路
串联回路： 在相同流量 下，压差迭 加。
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（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
② 增大引出管阻力，Syc和 Sss↑，G0G2；
③ 同时增加下降管阻力和 引出管阻力，G0G3。
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（4）下降管带汽
下降管带汽，重位压头下降，阻力增大，下降 管特性曲线及回路的工作点大为降低，因而 对水循环不利。
带汽原因： ①压力下降，自汽化（蒸发）。 ②锅筒水空间的蒸汽被直接带入下降管。 ③旋涡斗带入蒸汽。 ④下降管受热产生蒸汽。
x ↑ , ∑Δp↑ ;φ ↑↑，Syd ↑↑，
自补偿区
动力＞阻力，则G0↑。
φ
即当K＞Kjx时，并联回路具有因上升
x
管q增加而使G0随之增加的能力称为自
然循环回路的自补偿能力。
可避免管壁超温
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循环倍率
循环倍率K 衡量锅炉水循环可靠性的指标之一 K过大（x 过小) ，运动压头太小，可能出现循环停滞等水循环故障； K过小（x 过大），将失去自补偿能力，造成管壁超温
水循环工作原理
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第二节 两相流的流形和传热
汽水两相流的流型水 冷壁内工质的流动形 式（如图）：
单相水、过冷汽 泡、饱和汽泡、弹状、 环状、雾状、单相汽。
5
水冷壁管内传热
水冷壁管内饱和沸腾可分为核态沸腾和沸腾传热恶化两种工况
核态沸腾
汽泡强烈扰动，传热性能良好，管内壁温度接近于水的饱和温度，得 到良好的冷却。
沸腾传热恶化 第一类传热恶化（膜态沸腾）： 因管壁形成汽膜导致的沸腾传热恶 化，它是由于管外局部热负荷太高造成的。
不超过30%，认为合格，否则需要重算
W0
W0
W0
W0 （G）
13
第五节 自然循环常见故障及提高安全性措施
自然循环锅炉在压力低 于11MPa或受热管局部热 负荷低于400kw／m2时一 般不会出现传热恶化，正 常水力工况破坏是蒸发管 过热的主要原因，即管壁 经常或周期性地与停滞或 缓慢流动的蒸汽接触，造 成管壁超温。
第一节自然循环的基本概念自然循环的工作原理下降管中水与上升管中汽水混合物间的重位压使水在回路中产生环形流动又称为水循环简单循环回路压差平衡式取向下为正xjxjydxjyxxj下降管与上升管中工质柱重差维持回路自然循环的动力用以克服下降管与上升管中工质的流动阻力之比即1kg水全部变成蒸汽需在回路中循环多少次循环倍率k循环回路中水流量g与回路中产生的蒸汽量d自然循环锅炉水循环计算的目的确定各回路平均循环流速w0工质流量g
第一节 自然循环的基本概念
自然循环的工作原理 下降管中水与上升管中 汽水混合物间的重位压
头差 h'h g
使水在回路中产生环形 流动，又称为水循环
简 单 循 环 回 路 压 差 平衡式 (取向下为正)
Hxjg pxj Hi i g ps （8 40）
第二节 两相流的流形和传热
汽水两相流的流型水 冷壁内工质的流动形 式（如图）：
单相水、过冷汽 泡、饱和汽泡、弹状、 环状、雾状、单相汽。
5
水冷壁管内传热
水冷壁管内饱和沸腾可分为核态沸腾和沸腾传热恶化两种工况
核态沸腾
汽泡强烈扰动，传热性能良好，管内壁温度接近于水的饱和温度，得 到良好的冷却。
沸腾传热恶化 第一类传热恶化（膜态沸腾）： 因管壁形成汽膜导致的沸腾传热恶 化，它是由于管外局部热负荷太高造成的。
不超过30%，认为合格，否则需要重算
W0
W0
W0
W0 （G）
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第五节 自然循环常见故障及提高安全性措施
自然循环锅炉在压力低 于11MPa或受热管局部热 负荷低于400kw／m2时一 般不会出现传热恶化，正 常水力工况破坏是蒸发管 过热的主要原因，即管壁 经常或周期性地与停滞或 缓慢流动的蒸汽接触，造 成管壁超温。
第一节自然循环的基本概念自然循环的工作原理下降管中水与上升管中汽水混合物间的重位压使水在回路中产生环形流动又称为水循环简单循环回路压差平衡式取向下为正xjxjydxjyxxj下降管与上升管中工质柱重差维持回路自然循环的动力用以克服下降管与上升管中工质的流动阻力之比即1kg水全部变成蒸汽需在回路中循环多少次循环倍率k循环回路中水流量g与回路中产生的蒸汽量d自然循环锅炉水循环计算的目的确定各回路平均循环流速w0工质流量g
第一节 自然循环的基本概念
自然循环的工作原理 下降管中水与上升管中 汽水混合物间的重位压
头差 h'h g
使水在回路中产生环形 流动，又称为水循环
简 单 循 环 回 路 压 差 平衡式 (取向下为正)
Hxjg pxj Hi i g ps （8 40）
9自然循环原理及计算
热能与动力工程
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
热能与动力工程
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。 国内的推荐数据：当p=18.6MPa时， xnq =0.042。
V V V V V whu F F F F
w0 whu w0
F w0 F w0 F w0
w0 w0 w0
w0 w0 w0
热能与动力工程
F G w0 F D w0
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。
12 自然循环
内螺纹管抵抗膜态沸腾、推迟传热恶化的机理
由于工质受到螺纹的作用产生旋转，增强了管子内壁 面附近的扰动，使水冷壁管内壁面上产生的汽泡可以 被旋转向上运动的液体及时带走，
水流受到旋转力的作用，紧贴内螺纹槽壁面流动，从 而避免了汽泡在管子内壁面上的积聚所形成的"汽膜"， 保证了管子内壁击上有连续的水流冷却。
工质的界限含汽率
自然循环锅炉一般不出现“蒸干”的第二类传热恶化
直流锅炉一定会出现
第一类传热恶化
管内流动的沸腾状态与大容积沸腾过程的沸腾
状态一样，有核态沸腾和膜态沸腾两种。 当热负荷很高时，管子内壁汽化核心数积聚增 加，汽泡形成速度超过汽泡脱离速度，使管子 壁面形成一个连续的蒸汽膜，a2急剧下降，壁温 积聚上升，这种由核态沸腾转化为膜态沸腾的 传热恶化称为第一类传热恶化。 工质的临界含汽率
当汽水混合物引出管从汽包汽空间引入时，不会出 现倒流
3、下降管带汽
由于 各种原因使下降管带汽，这将使循 环推动力减小，易出现停滞、倒流
三、两相流型和传热恶化
一、汽液两相流的流型
汽泡趋中效应: 蒸汽密度比水小，在上升管中，
在相同压力的作用下，汽的速度比水快，水在管中
流动的速度分布是中间大，两边小。如果汽在靠近 管边处，汽水相对速度大，阻力大；汽在管中间， 阻力小。汽泡总是往阻力小的地方运动，所以汽泡 都往中间运动
安全问题
循环故障
传热恶化
水冷壁是将几百根 管子并联组合成几个 独立的循环回路
为何有这么多回 路？？
循环回路
并列管屏的受热不均常是造成自然循环锅炉的循环 故障或传热恶化的基本原因。
由于炉内热负荷沿着锅炉宽度和深度的分布是不均 匀的，故水冷壁各部位的吸热量也就有大有小。 受热弱的管子有可能出现循环停滞或倒流；
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发生第二类传热恶化时的含汽率称为临界含汽率xc,即发 生第二类传热恶化的特性参数。 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，盐分沉积在管壁上，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。
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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。 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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三、运动压头 Pyd=Ｈρ
xjｇ－Ｈρ hug，Ｐa
也即，
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。 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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1、下降管系统作用在联箱中心处的压力 P1=P0+ ρ xjgh-△Ｐxj 2、上升管系统作用在联箱中心处的压力 P2=P0+ ρ ssgh+△Ｐss 3、总压差 下降管系统的侧压差： Ｙxj＝P1-P0＝ρ xjｇh－△Ｐxj ，Ｐa 上升管系统的侧压差： Ｙss＝P2-P0＝ρ hugh＋△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： Ｙxj＝Ｙss 这就是水循环计算的压差法。
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不同传热方式的传热系数
自然对流换热
空气 水 1～10 200～1000
20～100 500～3500 1000～15000 2500～35000 5000～25000
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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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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。 第二类传热恶化发生后，管壁温度存在周期性波动，容 易导致管壁疲劳损坏。 四、内螺纹管抑制传热恶化的作用 运行和试验证明，尽管亚临界参数锅炉水冷壁管出口汽 水混合物的质量含汽率一般只达到0.3～0.4，但由于采用 了内螺纹管水冷壁，抑制了膜态沸腾的发生。 图12-6表示了内螺纹管和光管的壁温随质量含汽率的变 化关系。试验条件为：p=18.5ＭPa，q＝490kw/m2， ρ ω =1000～1100kg/(m2s)。 试验用内螺纹管的结构如图12-7所示。
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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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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。 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。
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。 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+ ρ xjgh 右侧静压： P2=P0+ ρ ssgh