自然循环基本原理如图所示。在由汽包、下降管、下联箱和上升管组成的简单封闭循环回路中，温度较低而密度较大的液相水通过不受热的下降管进入下联箱，由下联箱分配到各上升管内，工质在上升管内吸热变为温度较高而密度较小的汽水混合物，使下降管和上升管内工质由于密度差而形成重位压差产生运动压头，用来克服上升管和下降管内的全部阻力损失，从而引起回路中的工质在没有外界动力的作用下克服流动阻力自然流动。此时，上升管内为汽液两相流动，而下降管内则是单相水流动。上升管内的汽水混合物进入汽包后进行汽水分离，分离出的饱和蒸汽去到汽包的汽空间，由蒸汽引出管引出，分离出的水则通过汽包的水空间与送入汽包的给水混合，再次流经下降管、下联箱和上升管继续循环受热。

自然循环的循环动力取决于下降管和上升管中工质的密度差和循环回路的高度，循环动力越大，所能克服的阻力也越大，就意味着回路内工质的流量越大，循环越强烈。对于锅炉蒸发受热面（水冷壁）来说，管内工质流速越高，工质换热系数越大，就能更好的冷却蒸发受热面，反之如果工质流动很慢或者流动滞止，会导致管壁温度升高，以致过热烧毁。因此，为保证锅炉良好的水循环，需要控制合适的循环流速。

在自然循环过程中，工质在管内依次经历单相水的流动、汽液两相流动，有的还会经历单相蒸汽流动。在不同阶段，管内工质的流动型态和传热形式均发生变化。管内常见的流动型态包括：单相液体流动、泡状流动、弹状流动、环状流动、雾状流动和单相蒸汽流动等。其传热形式包括：单相液体对流换热、过冷沸腾换热、饱和核态沸腾换热、两相强制对流换热、缺液强制对流换热及蒸汽单相对流换热等。不同流动型态和换热区域内传热系数有很大不同，在一定的条件下有可能发生传热恶化现象。自然循环传热恶化主要包括两类：偏离核态沸腾（即第一类传热恶化）和蒸干（即第二类传热恶化）。在自然循环锅炉的实际运行中由于各并联管吸热不均、流量也有一定的差异，有可能造成循环停滞、自由水面和倒流等自然循环锅炉水循环故障。工程上通过自然循环水动力计算，为锅炉设计确定最佳的回路结构，校核受热面的工作可靠性，检验上述流动故障是否发生，并提出水循环改进措施。

锅炉自然循环基本原理

自然循环锅炉流动形式简单，能量消耗少，蒸发受热面中的流动阻力由工质密度差提供的重位压头克服。蒸发受热面和过热器间设有汽包，使蒸发受热面和过热器之间有固定的分界点，具有较大的蓄热和蓄水能力，使得水动力特性稳定，易于进行自动调节，运行可靠。汽包上设有排污口，可除掉给水带入的盐分，对水处理的要求较低。缺点是金属耗量大，成本较高，制造、运输和安装都存在一定的难度，特别是对压力较高的锅炉而言，较厚的筒壁形成较大的筒壁热应力差，限制了锅炉的启停速度。随着锅炉容量的增大和压力的提高，自然循环中汽水密度差随之减小，使得流动推动力明显下降，影响自然循环的可靠性。当压力达到临界压力时，饱和汽、水之间的密度差变为零，工质循环停止。因此自然循环锅炉一般在超高压及以下压力范围内使用，较难向更高压力发展。