Системы отопления с естественной циркуляцией

Системы водяного отопления частного дома может быть реализовано с естественной или принудительной циркуляцией. От выбранного режима движения теплоносителя по трубам и радиаторам в значительной мере зависят характеристики и особенности эксплуатации системы. Традиционным вариантом, который используется уже в течение многих десятилетий, является система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя.

Такие системы применяются еще с тех пор, когда единственным доступным вариантом котельного оборудования для частного дома был простой твердотопливный котел. Достаточно широко самотечные системы распространены и сегодня.

В каталоге ТМ Ogint представлены эффективные радиаторы, комплектующие и дополнительные устройства для создания систем с естественной циркуляцией. Предлагаемая продукция позволит обеспечить максимально эффективную и надежную работу отопления.

Состав системы

Отопительная система с естественной циркуляцией (или система гравитационного типа) состоит из следующих основных компонентов:

• котел. Возможно применение любых типов котлов за исключением электрических;
• трубопровод;
• радиаторы. В качестве отопительных приборов могут использоваться все виды радиаторов Ogint, которые обеспечат максимальную теплоотдачу и эффективную работу системы;
• расширительный бак открытого типа.

Принцип действия

Принцип работы основан на разнице термодинамических характеристик нагретого и остывшего теплоносителя. Движение теплоносителя обеспечивается за счет его нагрева котлом.

При нагреве теплоноситель расширяется. Таким образом, горячая вода на выходе из котла имеет низкую плотность, а значит и меньший вес. При прохождении через систему радиаторов вода отдает свое тепло и охлаждается. Плотность холодной воды выше, а значит и выше ее вес. В результате создается разница давления в подающей и обратной магистралях, достаточная для циркуляции теплоносителя.

Более тяжелая вода из обратки вытесняет нагретую котлом воду. В свою очередь, горячий теплоноситель, обладающий меньшей плотностью, легко поднимается вверх по центральному стояку. Подающий трубопровод располагается в верхней части помещения. Вода распределяется по радиаторам, остывает и направляется в обратную магистраль. Так обеспечивается цикл движения теплоносителя.

Очень важно соблюсти уклон при монтаже трубопроводов. Это необходимо для нормальной гравитационной циркуляции теплоносителя. Наклон труб должен иметь величину не менее 0,005 м на погонный метр. Наклон подающего трубопровода должен иметь направления от котла, а обратного трубопровода — к котлу.

Чтобы теплоноситель эффективно циркулировал в системе, его расширение должно быть довольно значительным. Поэтому обязательным является использование расширительного бака достаточно большого объема, в который поднимаются излишки разогретого теплоносителя.

Бак размещается, как правило, на неотапливаемом чердаке и не закрывается крышкой. В связи с этим самотечную систему также называют открытой. Размещение бака вверху дает создает дополнительное давление, что улучшает движение теплоносителя.

Для монтажа трубопроводов могут использоваться различные схемы разводки. В том числе может применяться однотрубная система «ленинградка» и традиционная двухтрубная система. Отопление работает лучше при использовании двухтрубной схемы. Что касается выбора батарей, то оптимальным решением будут чугунные радиаторы Ogint за счет небольшого гидравлического сопротивления. Также можно использовать биметаллические радиаторы Ogint.

Преимущества и недостатки систем с естественной циркуляцией

По сравнению с закрытой системой с принудительной циркуляцией, самотечная система является более простой и надежной. Для нее характерны следующие преимущества:

• простота в эксплуатации, обслуживании и ремонте;
• бесшумная работа;
• повышенная надежность. В системе отсутствует циркуляционный насос, который может изнашиваться и выходить из строя;
• движение теплоносителя за счет разницы температур обеспечивает способность к саморегуляции системы, что дает равномерный прогрев помещений;
• энергонезависимость. В отличие от закрытых систем, а также от таких альтернативных решений, как теплые полы или электрические конвекторы, самотечная система может работать без электроснабжения.

Однако имеют такие системы и ряд серьезных недостатков. Даже небольшая ошибка в расчете может привести к тому, что теплоноситель не будет нормально циркулировать. Также необходимость соблюдения уклона обуславливает достаточно сложный монтаж. Для циркуляции теплоносителя необходимо использовать трубы большого диаметра, что приводит к повышению затрат.

Вода в расширительном баке испаряется, поэтому необходимо регулярно контролировать ее уровень. Также за счет открытого бака теплоноситель поглощает атмосферный воздух. Это может привести к завоздушиванию системы. Решить эту проблему позволяют комплектующие ТМ Ogint (краны Маевского для сброса воздуха и другие воздухоотводчики). Кроме того, открытый бак не дает возможности применять в качестве теплоносителя антифриз.

Характерной проблемой самотечных систем является то, что даже кратковременные перерывы в работе котла могут приводить к замерзанию воды в расширительном бачке и трубопроводах, что становится причиной аварии. Для предотвращения таких ситуаций может использоваться термоаккумулятор.

Система с естественной циркуляцией может использоваться только при ограниченной длине трубопроводов. Она подходит для обогрева только небольшого одноэтажного здания. Если необходимо обогреть двухэтажный дом с большим количеством помещений, то самотечная система с этой задачей не справится.

Система отопления с естественной циркуляцией в частных домах

Автор Евгений Апрелев На чтение 4 мин Просмотров 571

В дачных и загородных коттеджах получила распространение система отопления с естественной циркуляцией. Для ее установки не потребуется существенных денежных вложений, в отличие от системы с принудительной циркуляцией. Однако, несмотря на простоту схемы данного вида отопительной системы, необходимо ее правильно рассчитать и построить в строгом соответствии с полученными цифровыми значениями.

В противном случае вся схема будет неработоспособной.

[contents]

Что такое естественная циркуляция систем отопления?

Для того чтобы происходил обогрев помещения, необходимо создать условия, чтобы вода или иной теплоноситель могли проходить по трубам. Система водяного отопления с естественной циркуляцией работает по следующим принципам:

• движение воды по трубам обеспечивается благодаря различию в ее плотности в обычном и нагретом состоянии;
• теплоноситель попадает в котельный теплообменник, происходит повышение его температуры и, как следствие, снижение плотности;
• в системе одновременно присутствует теплая и холодная вода: поскольку у последней уровень плотности выше, чем у нагретого теплоносителя, она способна его вытолкнуть;
• разность в плотности жидкостей и позволяет им циркулировать по трубам естественным образом.

Однако данный физический процесс для работы системы недостаточен: важно соблюсти правильные значения для уклона труб, чтобы теплоноситель не застопорился на месте.

Виды и особенности систем отопления с естественной циркуляцией

Существует несколько разновидностей отопительных систем с естественной циркуляцией теплоносителя:

1. Закрытая схема. Она распространена в странах Запада благодаря ее экономичности, однако в России ее применение весьма ограничено. Все дело в объеме воды, которая может находиться в котле. Дело в том, что в закрытой системе может находиться лишь строго обозначенное в технических характеристиках конструкции количество теплоносителя, и расширить бак невозможно, поскольку это повредит работе схемы. Полость бака делится на 2 части: в одной находится циркулирующая жидкость, а в другой – азот, позволяющий создать нужный уровень давления для выталкивания воды и способствующий ее охлаждению. И, если в Европе малого количества теплоносителя для обогрева помещения достаточно, то в России его может далеко не хватить.
2. Открытая схема. Эта система работает по общим принципам естественной циркуляции и схожа с конструкцией закрытой формы. Единственное отличие – это строение расширительного бака, который, в отличие от системы закрытого типа, можно соорудить самостоятельно. Бак устанавливается на крыше или на любой другой высокой точке дома. Недостатками открытой системы является частое попадание воздуха во внутренние полости конструкции. В связи с этим батареи в помещении обычно монтируются под определенными углами, а наличие кранов Маевского – обязательный элемент схемы. С их помощью можно выпускать накопившийся лишний воздух из системы.
3. Однотрубная схема. Поскольку такая система не способна в должной мере прогреть помещения, в России ее использование ограничено. Суть системы состоит в следующем: к радиатору последовательно подсоединены подающие трубы, теплая вода доходит до верхнего участка батареи и устраняется из радиатора через отвод снизу. Теплоноситель далее поступает к следующему отопительному узлу, и его движение проходит в несколько циклов. Однотрубную систему просто установить, и выглядит она достаточно эстетично.
4. Двухтрубная схема. Она распространена в России повсеместно. Подача теплоносителя и его отвод происходят по отдельным трубам. Подающая труба соединяется с каждой батареей. Эта система позволяет равномерно прогреть дом даже с малым количеством секций радиаторов. Отрегулировать схему также проще, и абсолютная точность при ее монтаже не требуется (допускаются небольшие погрешности в расчетах).

Каждая система имеет свои достоинства и отрицательные свойства, но среди них можно подобрать приемлемый вариант под конкретные потребности дома.

Расчет системы отопления с естественной циркуляцией

Самому проводить расчет системы отопления с естественной циркуляцией нежелательно, лучше обратиться к грамотным специалистам во избежание цифровых погрешностей. Однако наиболее точный пример расчета самостоятельно осуществляется в нижеследующей последовательности:

1. Чтобы согреть 1 м³ помещения, в среднем требуется 400 Вт тепловой энергии. Потому мощность умножается на вычисленный объем здания, и выясняется начальное число, определяющее количество тепла.
2. Учитываются и потери тепла через двери и окна. Количество окон умножается на 100 Вт, а количество дверей, ведущих наружу – на 200 Вт. Значения вычитаются из начального числа.
3. Практически все комнаты в частных домах имеют наружные стены. Потому, чтобы осуществить верные вычисления, имеющийся результат умножается на коэффициент поправки, равный 1,2.
4. Должны учитываться еще потери тепла через пол и кровлю. Результат умножается на очередной коэффициент поправки, равный 1,5.

Это коэффициенты усредненного значения. Они отличаются по регионам России. В южных частях страны он колеблется в пределах 0,7 – 0,9. В средней полосе значения варьируются в пределах 1 – 1,3. Северные области России имеют самые высокие коэффициенты: 1,4 – 2.  

Сравнение систем с естественной и принудительной циркуляцией

Система отопления с естественной циркуляцией – это система, в которой теплоноситель движется под воздействием силы тяжести и благодаря расширению воды при повышении ее температуры. Насос отсутствует.

Работает система отопления с естественной циркуляцией так. Определенный объем теплоносителя нагревается в котле. Нагретая вода расширяется и поднимается наверх (поскольку ее плотность ниже, чем у холодной воды) до самой верхней точки отопительного контура.

Она самотеком движется по контуру, постепенно отдавая свое тепло трубам и отопительным приборам – при этом, естественно, остывая сама.  Совершив полный круг, вода возвращается назад к котлу. Цикл повторяется.

Такая система является саморегулирующейся, а также самотечной, или гравитационной: скорость движения теплоносителя зависит от температуры в доме. Чем холоднее, тем он быстрее движется. Это происходит потому, что напор зависит от разницы в плотности воды, выходящей из котла, и ее плотности в «обратке». Плотность зависит от температуры: вода остывает (а чем холоднее в доме, тем быстрее это происходит), плотность увеличивается, скорость вытеснения нагретой воды (с меньшей плотностью) возрастает.

Кроме того, напор зависит от того, на сколько по высоте отстоят котел и нижний радиатор: чем ниже котел, тем быстрее вода переливается в обогреватель (по принципу сообщения сосудов).

Плюсы и минусы самотечных систем

Реализация отопления с естественной циркуляцией

Такие системы очень популярны для квартир, в которых реализована автономная система отопления, и одноэтажных загородных домов небольшого метража (читайте подробнее о реализации систем отопления в загородных домах).

Положительным фактором является отсутствие в контуре подвижных элементов (в том числе насоса) – это, а также то, что контур замкнут (и, следовательно, соли металлов, взвеси и прочие нежелательные примеси в теплоносителе имеются в постоянном количестве), увеличивают срок службы системы. Особенно если вы будете применять полимерные, металлопластиковые или оцинкованные трубы и биметаллические радиаторы, она может прослужить 50 и более лет.

Они дешевле систем с принудительной циркуляцией (как минимум – на стоимость насоса) в сборке и в эксплуатации.

Естественная циркуляция воды в системе отопления означает сравнительно маленький перепад. К тому же и трубы, и отопительные приборы из-за трения оказывают сопротивление движущейся воде.

Исходя из этого, отопительный контур должен иметь радиус порядка 30 метров (или немногим больше). Разнообразные повороты и ответвления увеличивают сопротивление и, следовательно, уменьшают допустимый радиус контура.

Такой контур является высокоинерционным: от момента запуска котла и до прогрева помещений проходит достаточно много времени — до нескольких часов.

Чтобы система функционировала нормально, условно горизонтальные участки труб должны иметь наклон по ходу течения теплоносителя. Воздушные пробки (детально о них читайте здесь) в таком контуре все собираются в самой верхней точке системы. Там монтируют герметичный либо открытый расширительный бачок.

Закипает вода чаще в системе отопления самотечного типа. Например, в случае применения открытого расширительного бачка порой бывает недостаточно воды в системе, а также если трубы имеют слишком маленький диаметр или слишком маленький уклон (из-за этого уменьшается скорость теплоносителя). Также это может произойти из-за завоздушивания.

Скорость движения воды в самотечном контуре

Скорость воды в системе отопления определяется рядом факторов:

• Напором теплоносителя.
• Диаметром труб (чем меньше диаметр, тем выше сопротивление, поэтому лучше использовать трубы с большим диаметром).
• Количеством поворотов и их радиусом, Оптимально – минимальное количество поворотов (лучше всего вообще по прямой, а если они все-таки есть – то с большим радиусом).
• Запорной арматурой: ее количеством и типом.
• Материалом, из которого выполнены трубы. Наибольшее сопротивление оказывает сталь: чем больше на ней отложений, тем выше сопротивление, оцинкованная сталь – меньше, полипропилен – еще меньше, поэтому диаметр полипропиленовых труб может быть меньше, чем стальных.

Принудительная циркуляция

Принципиальная схема, поясняющая работу принудительной циркуляции

Система отопления с принудительной циркуляцией – это система, в которой используется насос: вода движется под воздействием давления, оказываемого им.

Система отопления с принудительной циркуляцией имеет такие преимущества перед гравитационной:

• Циркуляция в системе отопления происходит с гораздо большей скоростью, и, следовательно, прогрев помещений осуществляется быстрее.
• Если в самотечной системе радиаторы прогреваются по-разному (в зависимости от их удаленности от котла), то в насосной они нагреваются одинаково.
• Можно регулировать нагрев каждого участка отдельно, перекрывать отдельные сегменты.
• Схема монтажа является более легко модифицируемой.
• Не образуется завоздушенность.

Недостатки у такой системы также имеютcя:

1. Она дороже в монтаже: в отличие от  гравитационной модели, нужно прибавить стоимость насоса и стоимость запорной арматуры для его отсечения.
2. Она менее долговечна.
3. Зависит от снабжения электроэнергией. Если у вас случаются перебои с ее подачей, необходимо обзавестись источником бесперебойного питания.
4. Она дороже в эксплуатации, так как насосное оборудование потребляет электроэнергию.

Выбор и монтаж насоса

Чтобы выбрать насос, нужно учесть целый ряд факторов:

• Какой именно теплоноситель будет использоваться, какой будет его температура.
• Длина магистрали, материал труб и их диаметр.
• Сколько радиаторов (и каких именно – чугунных, алюминиевых и т.д.) будет подключено, каков будет их размер.
• Количество и виды запорной арматуры.
• Будет ли автоматическое регулирование, и как именно оно будет организовано.

При монтаже насоса на «обратке» продлевается срок службы всех частей контура. Перед ним также желательно установить фильтр для предотвращения поломки крыльчатки.

Перед установкой насос обезвоздушивают.

Выбор теплоносителя

В качестве теплоносителя может использоваться вода, а также один из антифризов:

• Этиленгликоль. Токсичное вещество, которое может привести к летальному исходу. Поскольку протечки все же полностью исключить нельзя – лучше его не использовать.
• Водные растворы глицерина. Их использование требует применения более качественных уплотнительных элементов, деталей из неполярных резин, некоторых видов пластмасс;. Может потребоваться установка дополнительного насоса. Вызывает повышенную коррозию металла. В местах нагрева до высоких температур (в районе горелки котла)  возможно образование ядовитого вещества – акролеина.
• Пропиленгликоль. Это вещество нетоксично, мало того, оно используется в качестве пищевой добавки. На его основе изготавливаются эко-антифризы.

Проектные расчеты всех отопительных контуров базируются на применении воды. В случае применения антифриза следует пересчитать все параметры, поскольку антифриз в 2-3 раза более вязкий, имеет гораздо больше объемное расширение, меньшую теплоемкость. Это означает, что требуются гораздо более мощные (примерно на 40% — 50%) радиаторы, большая мощность котла, напор насоса.

При превышении температуры антифриза он разлагается. При этом образуются кислоты, вызывающие коррозию металла, и твердые осадки, оседающие на стенках труб и внутри радиаторов и ухудшающие движение теплоносителя.

Антифризы также склонны к протечкам, они являются бичом систем с большим количеством резьбовых соединений. Его применение обосновано в том случае, если система отопления может надолго оставаться без присмотра в морозные дни.

Обычную воду в качестве теплоносителя также не рекомендуется использовать: она насыщена солями и кислородом, что приводит к образованию накипи и к коррозии труб и радиаторов.

Обязательно дополнительно прочтите про выбор теплоносителя для системы отопления. В этом вопросе нет мелочей, а нюансов – очень много.

Подготовка воды для системы отопления заключается в ее умягчении (детальнее читайте тут).

Это происходит следующим образом:

• Кипячением: углекислый газ улетучивается, некоторые из солей (но не соединения магния и кальция) выпадают в осадок;
• Использованием химических веществ, умягчитель воды для системы отопления – это ортофосфат магния, гашеная известь, кальцинированная сода. Все соли становятся нерастворимыми и выпадают в осадок, для устранения остатков которого воду нужно подвергнуть фильтрации.
• Дистиллированная вода в системе отопления является идеальным вариантом.

Обязательно рекомендуем уделить 5 минут своего времени и в видео формате посмотреть обзор, в котором сравниваются эти системы, приводятся технические решения.

Надеемся, что разница между естественной и принудительной циркуляций вам понятна. И вы выберете оптимальный для себя тип системы отопления.

Будем благодарны, если нажмете на кнопки социальных сетей. Пусть и другие почитают этот материал. Приглашаем вас также вступить в нашу группу в сети Вконтакте. До встречи!

(PDF) Расчеты падения давления в испарителе котла с естественной циркуляцией

Результаты расчетов показывают, что перепады давления, связанные с трением

, принимают аналогичные значения для большинства рассматриваемых моделей

. Некоторые отличия наблюдаются для

метода Локхарта-Мартинелли, который был разработан

на основе измерений расхода смеси воздух-вода и воздух-масло

.

Рис. 4. Сравнение потерь на трение, установленных с помощью

различных моделей: 1 – литературные [8], 2 – однородная модель

, 3 – модель Локхарта-Мартинелли, 4 – модель Friedel

, 5 – модель Чисхолма, 6 – графический метод Мартинелли-Нельсона

Полученные результаты показывают, что потери на трение

вносят незначительный вклад в общее падение давления.Это

связано с малым значением коэффициента сухости пара x

и вертикальной конструкцией испарителя котла. Из-за того, что

, это изменения в потенциальной энергии смеси и

импульса, которые имеют доминирующее влияние на уровень

полного перепада давления.

5 Выводы

Из расчетов следует, что увеличение содержания газообразной фазы

в текущей смеси влечет за собой увеличение на

гидравлических сопротивлений, связанных с трением. Применяемые модели

отличаются подходом к определению множителя двухфазного потока

, что приводит к некоторым отличиям.

Однако в рассматриваемом случае потока содержание газовой фазы

в смеси невелико, и, следовательно,

расхождения между отдельными моделями незначительны.

Доля потерь давления на трение в общем падении давления

относительно невелика.По этой причине

не имеет особого значения, какая модель выбрана для определения трения –

потерь давления, связанных с потерями давления – выбор

практически не влияет на общее падение давления в циркуляционной системе котлов с естественной циркуляцией

. Изменения потенциала смеси

энергии и количества движения имеют доминирующее влияние на общий перепад давления

.

Список литературы

1. Дзюбински М., Прайвер Дж., Двухфазная жидкость

механика (WNT, Warszawa, 2009)

2. Грондзил С., Моделирование тепловых и потоковых явлений

, происходящих в испарителе котла с естественной циркуляцией

(Wydawnictwo Politechniki

Krakowskiej, Kraków, 2012)

3. Хетсрони Г., Справочник по многофазной системе,

(Hemisphere Publishing Corporation, Вашингтон,

1982)

4. Хьюитт Г., Шайрес Г., Ботт Т., Процесс теплопередачи

(CRC Press, Begell House, 1994)

5. П. Оклонь, М. Новак, С. Лопата, J. ​​of Therm. Sci.,

23, 2, стр. 177-186 (2014)

6. П. Оклонь, М. Новак, К. Маевский, AIP Conference

Proceedings, 1558, стр. 2419-2422 (2013)

7. P. Ocłoń, M. Nowak, B. Węglowski, T. Nabagło, P.

Cisek, M. Jaremkiewicz, K. Majewski, J. of Appl.

Сравн. Наук, 22, 1, с. 111-135 (2014)

8.Кузнецов Н.В., Нитор В.В., Дубовский И.Е.,

Карасина Е.С. Тепловые расчеты паровых

котлов. Стандартный метод (Энергия, М., 1973)

9. Талер Дж. Тепловые и проточные процессы в больших паровых котлах

. Моделирование и мониторинг (PWN,

Warszawa, 2011)

10. Зима В., Грэдзил С., Моделирование переходных процессов

на поверхностях нагрева энергетических котлов (LAP

LAMBERT Academic Publishing, Германия, 2013)

11 .Р. К. Мартинелли, Д. Б. Нельсон, Trans. Амер. Soc.

мех. Engrs., 70, 6, pp. 695-702 (1948)

4

MATEC Web of Conferences 240, 05009 (2018) https://doi.org/10.1051/matecconf/201824005009

ICCHMT 2018

Тираж воды в системе отопления. Системы водяного отопления с естественной и насосной циркуляцией. Схема подключения прибора, отопительного прибора

При создании системы отопления необходимо определиться с типом циркуляции.Он может быть естественным или принудительным (с использованием циркуляционного насоса). У каждой схемы есть свои достоинства и недостатки, которые необходимо учитывать при проектировании и установке системы отопления. Какая схема отопления частного дома с естественной циркуляцией и как работает эта система отопления? Об этом вы узнаете из нашего обзора.

Принцип действия

В целом принцип работы отопления с естественной циркуляцией довольно прост:

• Котел отопления нагревает теплоноситель;
• Под действием гидростатического давления охлаждающая жидкость движется по системе и нагревает радиаторы;
• Охлажденный теплоноситель возвращается в котел.

Простая схема циркуляции теплоносителя в частном доме с системой отопления с естественной циркуляцией.

Теплоноситель в системе отопления течет самотеком, без использования циркуляционного насоса. Таким образом, система проста в установке и дешева в обслуживании. . Нагревательная вода в котле (чаще всего она выступает в роли теплоносителя) движется вверх от котла по напорной трубе – это происходит за счет изменения ее плотности и объема.Снизу ее подталкивает холодная вода.

Поднимаясь по трубе, теплоноситель попадает в горизонтальные разводы, откуда попадает в аккумуляторные батареи. По мере движения он постепенно отдает тепло самим трубам и батареям. Охлажденная вода становится более плотной и имеет свойство стекать вниз. Затем попадает в котел, выталкивая из него уже нагретый теплоноситель. Таким образом достигается естественная циркуляция, не требующая использования насоса.

Схема отопления частного дома с естественной циркуляцией включает в себя следующие элементы:

• Котел;
• Трубы горизонтальные и вертикальные;
• Батареи отопительные;
• Расширительный бак.

Здесь мы видим предельную простоту всей системы, что снижает нагрузку на ее обслуживание.

В системах водяного и парового отопления закрытого типа есть дополнительные элементы – это паропускной клапан и предохранительный клапан.

Схема системы отопления с естественной циркуляцией теплоносителя в двухэтажных домах.

Системы отопления с естественной циркуляцией чаще всего монтируют в частных домах. Максимальная высота зданий не более двух этажей.Только в этом случае можно рассчитывать на нормальную работу отопления. Также необходимо учитывать некоторые другие ограничения, о которых пойдет речь в нашем обзоре.

Преимущества и недостатки

Описывая отопление с естественной циркуляцией, невозможно пройти мимо описания основных достоинств и недостатков. Начнем, как обычно, с положительных моментов.

Достоинств естественного обращения:

• Отсутствие дорогостоящего циркуляционного насоса, удешевляющего отопительную систему;
• Без лишнего шума – несмотря на низкий уровень шума, циркуляционные насосы издают тихий гул.Днем его практически не слышно из-за шума вокруг. Ночью становится слышно его гудение, что доставляет некоторым людям дискомфорт – даже снижение скорости вращения не помогает. В определенные моменты в доме гул может усиливаться;
• Дополнительные расходы при выходе из строя насоса – хорошие насосы довольно дороги;
• Минимум поломок – кроме котла отопления тут просто ломать нечего. А протечки при правильном монтаже настолько редки, что их легко устранить своими руками;
• Нет затрат на электроэнергию – насос вызывает дополнительные затраты на электроэнергию;
• Энергонезависимость системы отопления – ее можно установить в доме без электрификации (при условии использования энергонезависимого отопительного котла).

Недостатки:

• Отапливать многоэтажные дома нельзя – так как система отопления будет очень большой, а давление в ней очень слабое, циркуляции теплоносителя не будет. Следовательно, для отопления больших зданий необходима принудительная циркуляция теплоносителя с помощью циркуляционного насоса. Это касается и отопления 2-х этажных частных домов больших размеров;
• Ограниченная длина системы отопления – максимальная длина горизонтальных участков не должна превышать 30 метров.В противном случае естественная циркуляция будет невозможна. Следовательно, опять же, необходим циркуляционный насос;
• Необходимость соблюдения уклонов труб – они хоть и небольшие, но иногда заметны. Если бы в доме была система отопления с принудительной циркуляцией, уклоны не понадобились бы;
• Длительный прогрев больших домов – из-за слабого давления тепло на начальном этапе с трудом распространяется. Но после прогрева системы ситуация улучшается, нагрев становится равномерным.

Безусловно, большинство недостатков связано с невозможностью отапливать большие дома. Если ваше домовладение отличается небольшой площадью, то недостатками можно пренебречь.

Особенности установки

В системах отопления с естественной циркуляцией необходимо соблюдать уклон трубы, а расширительный бак должен располагаться в самой высокой точке.

Если посмотреть на простейшую схему отопления частного дома с естественной циркуляцией, то отметим необходимость соблюдения правил кладки.Труба с выходящим из котла горячим теплоносителем всегда идет до потолка. Здесь в самой высокой точке находится расширительный бачок (с отводом лишней воды). Его наличие строго необходимо, так как нагретый теплоноситель всегда расширяется в объеме. Емкость бака 20-30 литров.

После подъема теплоноситель направляется в горизонтальные участки. И здесь нужно соблюдать определенный угол наклона. То есть труба с горячим теплоносителем монтируется с уклоном сверху вниз, по мере удаления от верхней точки.Это обеспечивает более эффективную циркуляцию воды. То же касается и обратных участков – здесь угол должен быть таким, чтобы теплоноситель стекал из самой дальней точки к котлу сверху вниз (делается уклон в сторону котла).

Обязательно следуйте уклонам, так как это поможет снизить гидравлическое сопротивление, препятствующее нормальному течению охлаждающей жидкости. Оптимальный уклон от 5 до 10 мм на метр трубы.

Система отопления с естественной циркуляцией может быть однотрубной или двухтрубной:

• При установке однотрубной системы теплоноситель протекает последовательно через все радиаторы и возвращается практически напрямую через возвратный водопровод;
• Двухтрубная система включает создание отдельных выводов для каждой батареи и отдельных выводов в нижнюю трубку.

Использование двухтрубной системы позволяет рассчитывать на более равномерный обогрев здания. Также нужно обратить внимание на то, что длина всей системы по горизонтали не должна превышать 30 метров, а обратная труба должна идти параллельно горячей трубе.

Однотрубные системы ориентированы на отопление зданий небольшой площади. Если в вашем доме 2–3 комнаты, рекомендуется смонтировать двухтрубную систему.

В случае самостоятельной установки отопления с естественной циркуляцией следует обратить внимание на изгибы, влияющие на гидравлическое сопротивление. Очень желательно, чтобы трубы проходили прямо через помещения без лишних изгибов. Также нежелательно использовать вентили и краны, использовать трубы небольшого диаметра – для таких систем желательно приобретать нормальные металлические трубы подходящего размера. Если диаметр небольшой, он будет противостоять и без того слабому давлению теплоносителя.

В заключение расскажем еще об одной особенности расположения элементов системы отопления с естественной циркуляцией. Дело в том, что котел отопления должен располагаться ниже любого другого оборудования (здесь имеются в виду батареи и радиаторы).Поэтому для этих целей напольные котлы. Оптимальное размещение в котельной с более низкими этажами, чем во всем доме. Это улучшает прохождение теплоносителя по системе отопления. Соблюдая описанные выше правила, вы построите отличную систему отопления с высоким КПД.

Несмотря на «пророчества» большинства теплотехников 70-х годов прошлого века, системы отопления, в которых теплоноситель движется самотеком (самотеком), успешно применяются и в XXI веке.Почему имеет место этот факт, какие силы заставляют теплоноситель перемещаться по контуру, нужно знать для создания такой системы отопления (СО) и будет темой нашей публикации.

Механизм естественного движения теплоносителя

Прежде всего, разберемся, почему гравитационные СО так популярны в нашей стране. На то есть две основные причины:

1. Система водяного отопления с естественной циркуляцией энергонезависима, и в нашей стране (да и в большинстве стран СНГ) есть районы, в которых перепады электроснабжения являются нормой.
2. Отсутствие помпы, сложного электронного оборудования достаточно дешево снижает сметную стоимость системы отопления, что является важным фактором для многих застройщиков.

Действительно, принцип работы этого СО не требует механизмов, заставляющих теплоноситель двигаться по трубам. Он основан на физическом принципе расширения жидкостей при нагревании. Система работает просто: вода нагревается в теплообменнике котла. Расширяясь, он поднимается по стояку и затем самотеком начинает двигаться по подающему трубопроводу, установленному на склоне.Из магистральной трубы вода поступает в радиатор, проходит его изгибы и возвращается в обратную магистральную трубу, которая также монтируется на откосе, но уже в котел.

Естественная циркуляция воды в системе отопления обеспечивается расширением горячего теплоносителя и правильной установкой отопительного контура

На рисунке представлена ​​простейшая схема гравитационного обогрева, состоящая из:

• Котельная установка, которая может быть газовой, электрической, жидко- или твердотопливной.
• Контур. Магистральную трубу рекомендуется использовать большого диаметра (например, 1 дюйм с четвертью) и отводить к нагревателям диаметром не менее дюйма. Чем больше диаметр – тем меньше сопротивление движению теплоносителя.

Важно! Больший диаметр трубопровода подразумевает больший объем теплоносителя. Чем его больше, тем медленнее нагревается контур! Поэтому перед созданием гравитационного СО необходимо рассчитать диаметр трубы на каждом участке контура.

• Радиаторы. Их может быть в системе до 10 шт. Важно правильно выбрать количество секций, материал и схему их включения в схему.
• Расширительный бачок, служащий для компенсации теплового расширения охлаждающей жидкости и удаления воздушных пробок.

Чаще всего используются резервуары открытого типа (атмосферные) по СО с естественной циркуляцией. Существуют схемы, в которых используются устройства закрытого типа (мембранные), что и определяет название – закрытые системы отопления с естественной циркуляцией.Сначала при избыточном давлении в канализацию сливается лишняя вода из контура; во-вторых, тепловое расширение теплоносителя компенсируется мембраной.

В дополнение к перечисленному оборудованию в этом СО используются запорные шаровые краны, которые используются для замены нагревательных приборов без вывода системы из строя.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о недостатках данного РМ:

• Множество нюансов при установке: наклон, эффективная схема подключения АКБ и т. Д.
• Сложная балансировка.
• Сравнительно небольшая длина контура (до 30 м.)
• Не самый привлекательный внешний вид. Конструкция предполагает прокладку подающей трубы на стене вверху помещения, а обратную – внизу.

Совет: можно разместить подачу на чердаке, а обратную трубу под полом, но тогда котел нужно опустить ниже последнего радиатора и принять все меры для тщательной изоляции контура.

Популярные гравитационные схемы

Как отмечалось выше, простейшие гравитационные системы отопления неэффективны и сложны в настройке.Именно поэтому в неизменном виде они практически не используются. В середине прошлого века широкое распространение получила модернизированная схема. естественное отопление – «Ленинградка».

Модернизация коснулась способов подключения аккумуляторов к схеме. Кроме того, в этой схеме появились перемычки под радиаторами (байпасами). Существуют гравитационные схемы СО с горизонтальным и вертикальным расположением контура, одно- и двухтрубные с различными вариантами подключения радиаторов.

Кроме того, существуют различные способы прокладки линии: а) тупиковая и б) с попутным движением теплоносителя.

На эффективность отопления также влияет способ подключения радиаторов, особенно в однотрубной системе отопления с естественной циркуляцией.

Как видно из рисунка, наиболее эффективным способом является диагональное подключение радиаторов.

Тонкости выбора оборудования

Выбор наиболее подходящей гравитационной схемы, расчеты и подбор оборудования следует доверить профессионалам. Многие застройщики, выбравшие для обогрева дома бескапельный СО, предпочитают самостоятельно выбирать оборудование, не переплачивая дорогостоящим специалистам.

1. Выбор котла. Как уже было сказано выше, котел для гравитационных систем отопления может быть практически любого типа. Единственное, с естественной циркуляцией нельзя создать многоконтурную схему. Что касается топлива – выбирайте завод, который работает на самом доступном для вашего региона топливе. Установочная мощность рассчитывается исходя из теплопотерь каждого отапливаемого помещения.
2. Материал трубопровода. В принципе можно использовать сталь, медь и современный полипропилен. Единственное, что нужно знать: теплоноситель твердотопливных котлов нагревается до температур, при которых не может быть и речи только о полипропилене – только сталь или медь.

Совет: контур стальных труб требует сложной сварки; медь – довольно дорогой материал; полипропилен теряет форму при температуре более 80 ° С. Для создания естественного обогрева рекомендуем использовать армированный полипропилен, который стоит недорого, имеет небольшую массу, прост в сборке и не теряет форму.

1. Выбор диаметра трубопровода – довольно сложный процесс, требующий знаний и сложных расчетов.Если вы решили самостоятельно рассчитать необходимый диаметр контура, то воспользуйтесь специальным программным обеспечением или таблицами подбора, которые можно найти в теплотехнической литературе.
2. Вместимость расширительного бачка зависит от количества охлаждающей жидкости и коэффициента расширения охлаждающей жидкости. Скажем так, для нагрева воды вам понадобится бак емкостью 10% от количества воды в системе.

И последнее: для создания эффективной системы отопления с естественной циркуляцией обратитесь к профессионалам.Грамотно созданное и настроенное отопление прослужит вам десятилетия без какого-либо вашего вмешательства с вашей стороны.

Водяной нагрев – это метод обогрева помещения с помощью теплоносителя (воды или антифриза на водной основе). Передача тепла в помещения осуществляется с помощью отопительных приборов (радиаторы, конвекторы, трубные регистры и т. Д.).

В отличие от парового отопления вода находится в жидком состоянии, что означает более низкую температуру. Тем самым безопаснее нагревать воду.Радиаторы водяного отопления имеют большие габариты, чем паровые. Кроме того, когда тепло передается с помощью воды на большое расстояние, температура резко падает. Поэтому часто делают комбинированную систему отопления: из котельной с помощью пара тепло поступает в здание, где в теплообменнике нагревает воду, которая уже поступает на радиаторы.

В системах водяного отопления циркуляция воды может быть как естественной, так и искусственной. Системы с естественной циркуляцией воды просты и относительно надежны, но имеют низкий КПД (зависит от правильной конструкции системы).

Недостатком водяного отопления также являются воздушные пробки, которые могут образовываться после слива воды при ремонте отопления и после похолоданий, когда температура в котельных повышается и часть растворенного в ней воздуха освободился от него. Для борьбы с ними устанавливаются специальные выпускные клапаны. Перед началом отопительного сезона эти клапаны выпускают воздух из-за чрезмерного давления воды.

Системы отопления различаются по многим параметрам, например: – по способу подключения – с верхней, нижней, комбинированной, горизонтальной, вертикальной разводкой; – по конструкции стояков – однотрубных и двухтрубных;

По ходу теплоносителя в магистральных трубопроводах – тупиковый и проходной; – на гидравлических режимах – с постоянным и переменным гидравлическим режимом; – по атмосфере – открытые и закрытые.

2. Системы отопления с естественной циркуляцией воды

Это одна из самых простых и распространенных систем отопления для небольших домов и квартир с индивидуальным отоплением. Недостатки систем отопления с естественной циркуляцией воды: – малый радиус действия (до 30 м по горизонтали), что является следствием небольшого циркуляционного давления; – отложенное включение из-за высокой теплоемкости воды и низкого естественного циркуляционного давления; – повышенный риск замерзания воды в расширительном баке, если он установлен в неотапливаемом помещении.

Принципиальная схема системы отопления с естественной циркуляцией состоит из котла (водонагревателя), подающего и обратного трубопроводов, отопительных приборов и расширительного бака. Вода, нагретая в котле, течет по подающей трубе и стоякам в нагреватели, отдает им часть своего тепла, затем возвращается в котел по обратной трубе, где повторно нагревается до необходимой температуры, и затем цикл повторяется.

Рис. 1.

Все горизонтальные трубопроводы системы выполнены с уклоном в сторону движения воды: нагретая вода, поднимаясь по стояку за счет теплового расширения и выдавливая более холодную воду, обратный трубопровод, самотеком растекается по горизонтальным выходам, а охлажденная вода также самотеком течет обратно в котел.Наклоны трубопроводов способствуют удалению пузырьков воздуха из патрубков в расширительный бак: газ легче воды, поэтому стремится вверх, а наклонные участки трубопроводов помогают ему никуда не задерживаться и попадать в детандер, а затем в атмосферу. Расширительный бак создает в системе постоянное давление, при нагревании получает увеличение объема воды, а при охлаждении возвращает воду в трубопровод.

Вода в системе отопления поднимается за счет расширения при нагревании и под действием гравитационного давления движение (циркуляция) возникает из-за разницы в плотности нагретой (поднимающейся по подающему стояку) и охлажденной воды (опускающейся в обратном направлении) .Гравитационное давление расходуется на движение теплоносителя и преодоление сопротивления в сети трубопроводов. Эти сопротивления вызваны трением воды о стенки трубы, а также наличием в системе местных сопротивлений. К местным сопротивлениям относятся: ответвления и повороты трубопроводов, сами арматура и отопительные приборы. Чем больше сопротивление возникает в трубопроводе, тем больше должно быть гравитационное давление. Для уменьшения трения используются трубы большего диаметра.

Напор циркуляции Pц = h (ρ-ρg) зависит (рис.1): – разница высот между центром котла и центром нижнего нагревателя h, чем больше разница в высоте между центрами котла и устройства, тем лучше будет циркуляция теплоносителя; – от плотности горячей воды ρg и охлажденной воды ρо.

Как появляется давление циркуляции? Представьте себе, что в котле и радиаторах отопления резко меняется температура теплоносителя по центральным осям этих устройств, что, кстати, недалеко от истины.То есть в верхней части котла и радиаторов находится горячая вода, а в нижней – охлажденная. Горячая вода имеет меньшую плотность и, следовательно, меньший вес, чем охлажденная вода. Мысленно отрежьте верхнюю часть отопительного контура (рис. 2) и оставьте только нижнюю часть. А что мы видим? А то, что мы имеем дело с двумя взаимосвязанными сосудами, нам хорошо известно из школьной физики. Верх одного сосуда находится над верхом другого; вода под действием силы тяжести стремится перейти из верхнего сосуда в нижний.Отопительный контур представляет собой замкнутую систему, вода в нем не выливается, как в сообщающихся сосудах, а имеет свойство «успокаиваться» (занимать один уровень). Таким образом, высокий столб охлажденной тяжелой воды после радиаторов постоянно выталкивает низкий столб воды перед котлом и выталкивает горячую воду, то есть происходит естественная циркуляция. Другими словами, чем выше центр радиаторов относительно центра котла, тем больше давление циркуляции. Высота установки – это первый показатель давления.Наклоны подающих трубопроводов к радиаторам и обратного трубопровода от радиаторов к котлу только способствуют этому процессу, помогая воде преодолевать местное сопротивление в трубах.

Рис. 2

Поэтому в частных домах котел лучше всего размещать под отопительными приборами, например, в подвале. Второй показатель, от которого зависит давление циркуляции, – это разница плотностей охлажденной и горячей воды.Системы с естественной циркуляцией теплоносителя являются саморегулирующимися системами. При проведении качественного регулирования, то есть при изменении температуры воды, количественные изменения происходят самопроизвольно – изменяется расход воды. Из-за изменения плотности горячей воды увеличится (уменьшится) естественное циркуляционное давление и, как следствие, количество циркулирующей воды. То есть, когда на улице холодно, и в доме становится холоднее и включая котел на полную мощность, мы увеличиваем нагрев воды, заметно снижая ее плотность.Попадая к отопительным приборам, вода отдает тепло охлажденному воздуху в помещении, при этом ее плотность увеличивается. Глядя на часть формулы, заключенную в скобки, мы видим, что чем больше разница между плотностями охлажденной и горячей воды, тем больше давление циркуляции. Следовательно, чем больше нагревается вода в бойлере и чем больше она охлаждается в радиаторе, тем быстрее она циркулирует по системе отопления, и это происходит до тех пор, пока воздух в помещении не нагреется.После этого вода в радиаторах начинает остывать медленнее, ее плотность уже не сильно отличается от плотности воды, вышедшей из котла, и давление циркуляции начинает постепенно уменьшаться. Но как только температура в помещении начинает снижаться, давление циркуляции начинает расти, и скорость циркуляции воды в трубах увеличивается, принося больше тепла радиаторам и повышая температуру воздуха. Так система саморегулируется – одновременное изменение температуры и количества воды обеспечивает необходимую теплопередачу от обогревателей для поддержания температуры в помещениях.

Системы водяного отопления с естественной циркуляцией бывают двухтрубными с верхней и нижней разводкой, а также однотрубными с верхней разводкой.

2.1. Двухтрубные системы отопления с верхней разводкой

Вода от котла поднимается по подающей трубе и затем по стоякам и трубам течет к отопительным приборам (рис. 3-5). Горизонтальные линии прокладываются с уклоном. Из водонагревателей по обратным трубам и стоякам вода поступает в обратный трубопровод и из него в котел.

Рис.3

Рис. Четыре. : 1 – бойлер; 2 – основной стояк; 3 – подающая магистраль; 4 – горячие стояки; 5 – стояки обратные; 6 – обратная линия; 7 – расширительный бачок

Каждый нагреватель данной системы отопления (рис. 4) обслуживается двумя трубопроводами – подающим и обратным, поэтому данная система называется двухтрубной. Вода в систему подается из водопровода, а если нет, то вода заливается вручную через отверстие расширительного бачка. Лучше подавать отопительную систему из водопровода в обратную линию, так как холодная вода из водопровода будет смешиваться с обратным трубопроводом относительно горячей воды и увеличивать ее плотность, увеличивая циркуляционное давление в момент подачи.

Отопительные системы с естественной циркуляцией бывают одно- и двухконтурными (рис. 5). В одноконтурных системах котел устанавливают в начале контура, а справа или слева от него проводят трубопроводы, опоясывающие весь дом или квартиру по периметру, при этом длина горизонтального кольца не должна превышать 30 м ( желательно до 20 м). Чем длиннее кольцо, тем больше в нем гидравлическое сопротивление (силы трения внутри трубы). В двухконтурных системах котел размещается по центру, а разводка труб (контуры колец) по обе стороны от котла, общая длина труб по горизонтали не должна превышать 30 м (желательно до 20 м. ).Для получения гидравлически сбалансированной системы длины колец двухконтурной системы и количество секций радиатора необходимо сделать примерно одинаковыми.

В зависимости от направления движения теплоносителя в магистральных трубопроводах системы отопления могут быть тупиковые и с попутным движением воды.

Рис. Пять.

В тупиковых системах отопления движение горячей воды в подающей магистрали противоположно движению охлажденной воды в обратной.В этой схеме длина циркуляционных колец не одинакова; чем дальше от котла расположен ТЭН, тем больше длина циркуляционного кольца.

В тупиковых системах трудно добиться такого же сопротивления в коротких и более удаленных циркуляционных кольцах, поэтому нагреватели, расположенные рядом с основным стояком, будут нагреваться намного лучше, чем удаленные. А при невысокой тепловой нагрузке ближайших к главному стояку циркуляционных колец их гидравлическое соединение становится еще более затруднительным.

В системах отопления с соответствующим движением воды все циркуляционные кольца имеют определенную длину, поэтому стояки и нагреватели работают в одинаковых условиях. В таких системах вне зависимости от расположения ТЭНа по горизонтали относительно основного стояка их нагрев будет одинаковым. Однако системы отопления с попутным движением воды используются ограниченно, так как часто при проектировании реальных систем отопления с учетом планировки дома оказывается, что при монтаже потребуется больше труб, чем для тупиковых систем.Поэтому такие системы используются в тех случаях, когда стыковка циркуляционных колец между собой в тупиковой системе невозможна.

В целях расширения применения тупиковых систем сокращают длину магистралей и вместо одного контура большой длины делают два или несколько коротких замыканий. В таких случаях обеспечивается лучшая горизонтальная регулировка системы. Балансировка (гидравлическая центровка) нагревательных колец контура начинается еще на этапе проектирования системы отопления.Чтобы оно работало равномерно, все кольца контура должны иметь примерно одинаковое гидравлическое сопротивление, то есть кольцо, расположенное рядом с основным стояком, должно иметь почти такое же сопротивление, как и кольцо, удаленное от основного стояка, и сумма гидравлические сопротивления всех колец не должны превышать величину циркуляционного напора. Иначе циркуляции теплоносителя в системе может не быть.

2.2. Двухтрубные системы отопления снизу

Рис.6

От системы с верхней разводкой отличается тем, что подающий трубопровод прокладывается снизу рядом с реверсом (рис. 6), а вода по подающим стоякам движется снизу вверх. Пройдя через отопительные приборы, вода по обратному трубопроводу и стоякам попадает в обратный трубопровод и из него в котел. Удаление воздуха из системы осуществляется с помощью воздухоотводчиков (кранов Маевского), установленных на всех отопительных приборах, либо с помощью автоматических воздухоотводчиков, установленных на стояках или специальных воздуховодах.Системы отопления с нижней разводкой, как и с верхней, могут быть выполнены с одним или несколькими контурами, с тупиковым и последующим движением теплоносителя (рис. 7) в подающей и обратной магистралях.

Рис. 7

Системы с нижней разводкой и естественной циркуляцией теплоносителя используются крайне редко из-за большого количества выпускных радиаторов, требующих установки вентиляционных отверстий. А поскольку в этих системах имеются расширительные бачки, сообщающиеся с атмосферой и всасывающие воздух в циркуляционное кольцо, процедура стравливания воздуха из радиаторов становится практически еженедельной.Для устранения этого недостатка трубопроводы горячего водоснабжения замкнуты так называемыми воздуховодами, которые собирают воздух и отводят его в расширительный бак над стоящей в нем водой (рис. 8-9).

Рис. Восемь.

Рис. 9.: 1 – котел; 2 – воздуховод; 3 – нижняя проводка; 4 – подающие стояки; 5 – стояки обратные; 6 – обратная линия; 7 – расширительный бак

Такие системы используются еще реже, так как они напоминают системы с воздушной разводкой и требуют почти такого же количества труб.В общем, теряется преимущество их использования: стояки трубы пронизывают помещения от пола до потолка, и вся точка разводки нижней разводки системы отопления заключалась в том, что с ее помощью в комнатах (по крайней мере, на верхнем этаже) пропали стояки. .

2.3. Однотрубные системы отопления с естественной циркуляцией

Рис. 10. Однотрубная система отопления с верхним распределением и естественной циркуляцией воды (вверху) и конструкция радиаторных агрегатов (внизу)

Однотрубные системы с естественной циркуляцией теплоносителя: производится только с верхней разводкой подающего трубопровода, в которой отсутствуют обратные стояки (рис.10). По сравнению с двухтрубными системами, однотрубные системы проще в установке, для их строительства требуется меньше труб и они выглядят красивее.

Однотрубные системы отопления делятся на два типа.

По одной схеме – проточная, подводящий стояк как таковой отсутствует, а радиаторы на высоте дома последовательно подключаются друг к другу. Подача горячей воды последовательно, сверху вниз, проходит через все радиаторы, начиная сверху, и поступает в охлаждаемые радиаторы нижних этажей.Поэтому на верхних этажах жарко, а на нижних – холодно. Чтобы хоть как-то сбалансировать отопительный контур, на нижних этажах устанавливают радиаторы с большим количеством секций. В проточной системе установка регулирующих клапанов невозможна, так как при уменьшении или перекрытии крана на том или ином радиаторе частично или полностью перекрывается весь стояк.

По такой схеме невозможно регулировать температуру воздуха в помещениях. Если дом двухэтажный, невозможно запустить систему отопления только на одном этаже.Проточные схемы отопления были очень популярны в середине ХХ века, когда главной целью была экономия труб. В настоящее время практически не используется.

С другой схемой с замыкающими секциями (байпасами), показанными на рис. 11, часть воды из стояка попадает в верхние радиаторы, а остальная вода направляется по стояку в расположенные ниже радиаторы. Вода в такой системе охлаждается немного меньше, а значит разница температур на верхнем и нижнем этажах меньше.По сути, это усовершенствованный проточный контур, в котором замыкающий участок – байпас – выполнен между патрубками подключения радиатора.

Рис. Одиннадцать.

Диаметр патрубка закрывающего участка сделать на размер меньше диаметра патрубка, соединяющего радиатор. В результате теплоноситель, идущий сверху, разделяется на два потока: одна часть поступает в радиатор, другая по байпасу – в нижние радиаторы. Если диаметр байпаса сделать таким же, как у патрубков для подключения радиатора, то охлаждающая жидкость в радиаторе перестанет циркулировать, так как гидравлическое сопротивление в радиаторе будет больше, чем в байпасе.Ведь вода всегда течет там, где меньше гидравлическое сопротивление.

При установке байпаса диаметром, равным диаметрам патрубков подключения радиатора для балансировки системы отопления, количество поступающей в устройство воды регулируется клапанами, которые устанавливаются на патрубке подключения и байпасе. Таким образом, закрыв (открыв) краны на подающем патрубке подключения радиаторов или байпаса, можно регулировать подачу теплоносителя к радиатору или стояку. Например, можно полностью выключить радиатор и перенаправить весь теплоноситель в байпас, а затем в нижние радиаторы на стояке или, наоборот, закрыть байпас и направить весь тепловой поток на радиатор.

Рис. 12.

В современных системах отопления два клапана, установленные на подающем трубопроводе и байпасе, заменяются одним, называемым трехходовым клапаном. В зависимости от положения закрывающейся заслонки трехходовой клапан одновременно открывает путь теплоносителю к радиатору и закрывает впуск в байпас или, наоборот, закрывает байпас и открывает путь к радиатору. Такие краны могут комплектоваться электроприводом, подключенным к специальному устройству – контроллеру.Контроллер измеряет температуру воздуха в помещении или температуру охлаждающей жидкости и выдает команду трехходовому клапану, который увеличивает или уменьшает поток охлаждающей жидкости к радиатору и сбрасывает остальную охлаждающую жидкость в байпас.

Как и в системах с двухтрубной разводкой, в однотрубной можно обеспечить тупиковое и сопутствующее движение теплоносителя в обратной магистрали. При попутном движении все кольца отопительного контура становятся одинаковой длины, и система может быть сбалансирована.В случае тупикового движения очень сложно уравновесить температуру теплоносителя, так как дисбаланс идет не только по длине колец, но и по высоте стояков, что отличается от двухтрубных систем, где дисбаланс температуры было только вокруг колец.

3. Системы водяного отопления с насосной циркуляцией

В системе отопления с принудительной (насосной) циркуляцией применяются те же схемы подключения, что и в системе отопления с естественной циркуляцией, но из-за несоблюдения всех уклонов или уклона слишком большой длины магистрали подключается циркуляционный насос, обеспечивающий постоянную циркуляцию теплоносителя в замкнутой системе отопления (рис.13-9-15).

Рис. 13.: 1 – котел; 2 – основной стояк; 3 – подающая магистраль; 4 – подающий стояк; 5 – радиатор; 6 – стояк обратный; 7 – обратная линия; 8 – циркуляционный насос; 9 – кран двойной регулировки; 10 – расширительный патрубок; 11 – расширительный бачок; 12 – переливной патрубок; 13 – коллектор воздуха

Рис. 14. Насос подключается к обратной магистрали, что способствует более длительной работе системы отопления в целом.

В системе отопления, показанной на рис.15, все радиаторы на каждом этаже подключены к общей линии. Его преимущества – простота монтажа, меньший расход труб и отсутствие стояков на каждом радиаторе, а недостатком – образование воздушных пробок из-за наличия параллельных трубопроводов (устраняется установкой клапанов для выпуска воздуха).

Рис. 15.: 1 – котел; 2 – основной стояк; 3 – расширительный бачок; 4 – расширительный патрубок; 5 – циркуляционный насос

Использование циркуляционного насоса позволяет дольше использовать автомобильные дороги, что очень важно при отоплении многоэтажных домов.Единственный недостаток использования циркуляционного насоса – это необходимость бесперебойного электроснабжения.

Поддержание заданной температуры в помещении, отапливаемом системой водяного отопления, возможно несколькими способами: изменяя температуру, расход теплоносителя через радиатор и то и другое одновременно. Температура охлаждающей жидкости, поступающей в радиаторы, обычно регулируется централизованно в тепловом пункте. Для индивидуальной регулировки температуры в помещении радиаторы оснащаются регулирующими клапанами (ручная регулировка) или термостатами (автоматическая регулировка).

Индивидуальная регулировка возможна как для двухтрубной, так и для однотрубной системы, в последнем случае необходимо установить байпас перед смесителем или термостатом.

4. Схема подключения нагревательных приборов

Рис. Шестнадцатая. Некоторые схемы подключения ТЭНов

Рис.17

Рис.18

% PDF-1.4 % 6571 0 объект > эндобдж xref 6571 122 0000000016 00000 н. 0000002815 00000 н. 0000003045 00000 н. 0000003198 00000 п. 0000044679 00000 п. 0000044841 00000 п. 0000044928 00000 п. 0000045016 00000 п. 0000045119 00000 п. 0000045363 00000 п. 0000045425 00000 п. 0000045602 00000 п. 0000045664 00000 п. 0000045855 00000 п. 0000045981 00000 п. 0000046043 00000 п. 0000046192 00000 п. 0000046254 00000 п. 0000046406 00000 п. 0000046468 00000 н. 0000046795 00000 п. 0000046857 00000 п. 0000047039 00000 п. 0000047101 00000 п. 0000047271 00000 п. 0000047333 00000 п. 0000047507 00000 п. 0000047569 00000 п. 0000047772 00000 п. 0000047834 00000 п. 0000047896 00000 п. 0000048007 00000 п. 0000048069 00000 п. 0000048243 00000 п. 0000048414 00000 п. 0000048476 00000 п. 0000048676 00000 н. 0000048738 00000 п. 0000048884 00000 н. 0000048946 00000 п. 0000049132 00000 п. 0000049194 00000 п. 0000049388 00000 п. 0000049450 00000 п. 0000049593 00000 п. 0000049655 00000 п. 0000049717 00000 п. 0000049826 00000 п. 0000049888 00000 п. 0000050102 00000 п. 0000050164 00000 п. 0000050368 00000 п. 0000050430 00000 п. 0000050540 00000 п. 0000050636 00000 п. 0000050698 00000 п. 0000050834 00000 п. 0000050896 00000 п. 0000051039 00000 п. 0000051101 00000 п. 0000051163 00000 п. 0000051340 00000 п. 0000051402 00000 п. 0000051502 00000 п. 0000051602 00000 п. 0000051664 00000 п. 0000051794 00000 п. 0000051856 00000 п. 0000052000 00000 п. 0000052062 00000 п. 0000052124 00000 п. 0000052312 00000 п. 0000052373 00000 п. 0000052473 00000 п. 0000052587 00000 п. 0000052648 00000 п. 0000052782 00000 п. 0000052843 00000 п. 0000052980 00000 п. 0000053041 00000 п. 0000053177 00000 п. 0000053238 00000 п. 0000053299 00000 п. 0000053413 00000 п. 0000053474 00000 п. 0000053602 00000 п. 0000053733 00000 п. 0000053794 00000 п. 0000053957 00000 п. 0000054018 00000 п. 0000054188 00000 п. 0000054249 00000 п. 0000054399 00000 п. 0000054460 00000 п. 0000054521 00000 п. 0000054628 00000 п. 0000054689 00000 п. 0000054802 00000 п. 0000054863 00000 н. 0000054923 00000 п. 0000055030 00000 п. 0000055090 00000 н. 0000055153 00000 п. 0000055384 00000 п. 0000055441 00000 п.! +) / П -44 / V 1 / Длина 40 >> эндобдж 6574 0 объект > эндобдж 6691 0 объект > транслировать ‘W- + u_% ģAyWQj | Ԯ Յ T] E \ CxɗD8260I.j / MNLeV | hhW6yt ֏ & 0 ZQYQ @ v ~ (KPVy-O,! & Ɨ ڇ 5 Ћ_b? ​​& Q8! 8Y, 6% ɜezICwmAK ٙ R 蔔 S’N5cQ | K 䀗 lSl6 [~ z4g’ABxVhq.kVS`4; 1aj | /f.vh̽G -0`Nw

(PDF) исследование естественной циркуляции в испарителе парогенератора с горизонтальной трубой-утилизатором

ISSN 00406015, Тепловая инженерия, 2014, том 61, № 7, стр. 465–472. © Pleiades Publishing, Inc., 2014

Оригинальный русский текст © Росляков П.В., Плешанов К.А., Стерхов К.В., 2014, опубликовано в Теплоэнергетике.

465

План развития электроэнергетики России

до 2030 года предусматривает строительство

энергоблоков. на основе технологии парогазовых установок

(ПГУ), работающих на природном газе в качестве основного топлива.Такое

решение было принято с учетом следующих

обстоятельств: время, затраченное на строительство ПГУ с

котлов-утилизаторов (ТВР), намного меньше, чем

, затраченное на строительство теплоэнергетической установки большой мощности

станций других типов, а КПД производства электроэнергии

ПГУ (55–60%) значительно выше

, чем у паровых энергоблоков (35–42%).

HRB, который служит для рекуперации тепла

дымовых газов, выходящих из турбины энергетического газа

биоблоков (ГТУ), является неотъемлемой частью ПГУ.

По компоновке БРС подразделяются на

аппаратов вертикального и горизонтального типов. Одним из существенных преимуществ горизонтальных HRB

является возможность

организовать естественную циркуляцию среды в испарителях

. Одним из ключевых преимуществ вертикальных блоков HRB

является то, что они занимают существенно меньшую площадь в плане

.

Для организации циркуляции пароводяной смеси

в вертикальных ГРП их испарительные трубки

подключаются к циркуляционным насосам (ПН) (рис.1). Необходимость использования КП

является одним из основных недостатков таких котлов

, поскольку это влечет за собой усложнение конструкции

и более высокие капитальные, а также эксплуатационные расходы из-за

повышенного потребления электроэнергии и оплаты

для обслуживания и ремонта КП.

Целью данной работы является создание вертикальной ГРБ

, выполненной с использованием горизонтального расположения теплоотводящих труб

на поверхности фермы и с организацией естественной циркуляции в испарителе

без использования КП.

Стабильная циркуляция является важным условием для надежного охлаждения труб испарителя

– при условии, что

нет застоя / реверсирования потока, свободный уровень (который

может иметь место в контуре циркуляции при определенных условиях

[1]) и неустойчивых режимов течения, а также для

, обеспечивающего эффективную теплоотдачу без перегорания для двухфазной среды

. В энергетических котлах

, работающих на ископаемом топливе, и в горизонтальных БТР можно создать надежную естественную циркуляцию

, организовав значительную разницу высот в испарителе

(полезный напор) в

.Если имеющийся перепад высот

недостаточен для создания надежной естественной циркуляции

в испарителе, используется многократная принудительная циркуляция

средствами КП.

Далее мы рассматриваем и предлагаем критерии

для характеристики надежности работы и эффективности горизонтального испарителя

, сформулированные с учетом теоретических принципов гидродинамики

и практического опыта [2], поскольку рекомендации

по обеспечению стабильной циркуляции, изложенные в

[1] (запасы безопасности при застое и реверсивном потоке)

Исследование естественной циркуляции в испарителе

горизонтального трубчатого рекуперативного котла

П.Росляков В.В., Плешанов К.А., Стерхов К.В.

Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»,

Красноказарменная ул. 14, Москва, 111250 Россия

Реферат

– Приведены результаты исследований устойчивой естественной циркуляции в сложной циркуляционной петле

с горизонтальным расположением труб испарительной поверхности с отрицательным полезным напором. Оценена возможность перехода

от многократной принудительной циркуляции, организованной с помощью циркуляционного насоса

, к естественной циркуляции в вертикальных теплоутилизационных котлах.Предложены критерии, характеризующие эксплуатационную надежность и эффективность горизонтального испарителя с отрицательным полезным напором. Рассмотрено влияние

различных конструктивных решений на устойчивость циркуляции. С учетом оптимальных параметров

предложены наиболее эффективные и наименее затратные методы достижения более устойчивой циркуляции в котле-утилизаторе

при переходе с многократной принудительной циркуляции на естественную.Разработаны методика

расчета параметров циркуляции и алгоритм проверки надежности работы испарителя

, а также даны рекомендации по проектированию котла-утилизатора, неотапливаемых частей контура естественного цикла

и испарительной поверхности.

Ключевые слова

: естественная циркуляция, вертикальный котел-утилизатор, испаритель, выгорание, степень циркуляции, скорость циркуляции

, качество пара.

DOI:

10.1134 / S004060151407009X

ПАРОВЫЕ КОТЛЫ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО,

ГОРЕЛКИ И ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ КОТЛА

Термосифоны – обзор | Темы ScienceDirect

VIII Термосифоны

Двухфазные термосифоны, или «тепловые трубки без фитиля», используют противоточный поток жидкой и паровой фаз для передачи тепла. Существенное различие между тепловой трубкой и термосифоном заключается в том, что в последнем не используется фитильная конструкция для возврата конденсированной жидкости в нагретую область, а вместо этого достигается сила тяжести или механические средства.Закрытый двухфазный термосифон состоит из ванны с жидкостью, содержащейся в нагретой секции или испарителе, адиабатической секции и охлаждаемой или конденсаторной секции. Обычные и миниатюрные формы термосифонов были разработаны для использования в качестве теплообменников в самых разных областях, от систем преобразования энергии до охлаждения электроники. Исследования термосифонов, как теоретические, так и экспериментальные, изучали эксплуатационные ограничения, а также влияние таких важных параметров, как природа и степень заполнения рабочей жидкости, угол наклона и геометрические размеры на максимальный перенос тепла.Также были исследованы несколько нетрадиционных форм и специальных приложений.

Безродный и Подгорецкий [112] исследовали пределы затопления и теплопередачи в двухфазных термосифонах. Исследовано влияние угла наклона, степени заполнения, давления и рабочей жидкости на предельный осевой поток. Оптимальный коэффициент заполнения был получен в зависимости от угла наклона.

Предел затопления в закрытом двухфазном термосифоне был определен Shatto et al. [113] путем мониторинга термического сопротивления для различных жидкостей с высокой степенью заполнения. Визуальные наблюдения показали, что переход от кольцевого потока к оттоку произошел значительно ниже предела затопления.

Численное моделирование замкнутого двухфазного термосифона в установившемся режиме было выполнено Цзо и Гуннерсоном [114]. В анализе учитывалось влияние осевого нормального напряжения в жидкой пленке в дополнение к межфазному сдвигу. Харли и Фагри [115] смоделировали работу термосифона в переходных условиях, обработав падающую пленку конденсата с помощью квазистационарного анализа типа Нуссельта.Исследованы эффекты сжимаемости пара и сопряженной теплоотдачи при высоких температурах. Численные предсказания сравнивались с экспериментами, и хорошее согласие было обнаружено при низких температурах.

E1-Genk и Saber [116] предложили корреляции для расчета расширенной (из-за паровых пустот внутри резервуара с жидкостью) высоты резервуара с жидкостью в испарителе закрытого термосифона на основе численного моделирования. Анализ межфазного сдвигового напряжения использовался для определения толщины жидкой пленки в испарителе непосредственно над расширенной кипящей ванной.Расчетные высоты резервуаров с жидкостью сравнивали с экспериментально определенными значениями для ацетона, этанола и воды, и было обнаружено, что они совпадают в пределах + 8%. Влияние длин адиабатической и конденсаторной секций на работу термосифона, полученное в данном исследовании, показано на рис. 26.

Рис. 26. Влияние длин адиабатической и конденсаторной секций на рабочий диапазон замкнутого двухфазный термосифон [116].

Наклонные двухфазные термосифоны проанализированы в численных и экспериментальных исследованиях.Цзо и Гуннерсон [117] разработали модель, которая могла предсказать возникновение высыхания, когда толщина пленки жидкости или осевая скорость пленки жидкости становились равными нулю в любом месте на стенке испарителя. Средняя и максимальная скорость теплопередачи, минимальная степень загрузки испарителя, межфазные сдвиговые напряжения жидкость-пар и влияние запаса рабочей жидкости были изучены как функция угла наклона. О визуальных наблюдениях за влиянием угла наклона на структуру потока в наклонном термосифоне сообщили Shiraishi et al. [118]. Были зарегистрированы явления потока и измерены соответствующие скорости теплопередачи. Структуры течения были разделены на кольцевые и стратифицированные режимы течения. В случае стратифицированного потока было обнаружено, что высыхание происходило из-за истощения рабочей жидкости из секции испарителя после развития межфазной волны жидкости.

Peterson et al. [119] обсуждали нестабильность потока и бифуркацию в газонагруженных термосифонах, используя уравнение Клаузиуса-Клапейрона на границе жидкость-пар и закон Дальтона для определения концентрации газа.Также были представлены экспериментальные результаты, показывающие изменения в структуре газового потока при увеличении числа Рэлея. Чжоу и Коллинз [120] провели теоретические и экспериментальные исследования конденсации в цилиндрическом двухфазном термосифоне, содержащем неконденсирующийся газ.

Применение двухфазного термосифона для охлаждения мощных многокристальных модулей в системе коммутации для широкополосных ISDN обсуждалось Кишимото и Харада [121]. Были экспериментально нанесены на карту температуры холодной пластины и изучено влияние угла наклона на тепловое сопротивление.

Плотность теплового потока, температура пара и общий коэффициент теплопередачи для двухфазного термосифона с прямоугольным коленом были получены Локком и Фу [122]. Было обнаружено, что горизонтальная ориентация испарителя и конденсатора приводит к задержке в конденсаторе в сочетании с высыханием, что может остановить работу термосифона. Об экспериментальных исследованиях двухфазного термосифона с «коленчатой» конфигурацией (где секции испарителя и конденсатора смещены друг относительно друга) также сообщили Лок и Фу [123].Эксперименты с дистиллированной водой в качестве рабочего тела показали, что скорости теплопередачи были намного выше, чем те, которые были получены для однофазных термосифонов [124], а также что критические тепловые потоки были ниже, чем у линейных (не смещенных или «изогнутых») система [125].

Lin et al. [126] рассматривался термосифон со встроенным перекрестным разделителем потока. Сепаратор с перекрестным потоком помогает собирать поток конденсата и направлять его в резервуар с жидкостью через подающую трубу, что позволяет избежать затопления, которое может быть вызвано, когда пленка жидкости стекает по нагретой стенке.Анализ включал эмпирическую корреляцию для трения стенки; В качестве рабочих жидкостей исследовались вода, этанол, фреон 11 и фреон 113. Получены выражения для критического теплового потока, возникающего в результате неустойчивости потока. Расчетная максимальная теплопередача сравнивалась с экспериментальными данными и оказалась в пределах + 15%.

Ислам et al. [127] провел эксперименты на открытом термосифоне с концентрической трубкой, чтобы понять влияние геометрических параметров (диаметр трубки и длина нагрева) на критический тепловой поток.Было продемонстрировано существование оптимального диаметра внутренней трубы, для которого критический тепловой поток был максимальным, для данного диаметра нагретой внешней трубы и рабочего тела.

Атмосфера | Бесплатный полнотекстовый | Анабатический поток вдоль равномерно нагретого склона, изученный с помощью моделирования больших вихрей

1. Введение

Анабатические и стоковые ветры – частые и широко распространенные явления, которые характерны для сложных ландшафтов [1,2,3,4,5,6,7]. Они запускаются суточным циклом, который непрерывно изменяет локальные градиенты температуры и плавучесть вдоль топографических поверхностей [1].В контексте чистых склоновых потоков стоковые ветры изучаются больше из-за их влияния на качество воздуха. Эти ветры обычно возникают в ночное время, когда земля подвергается радиационному охлаждению, создавая нисходящий поток и способствуя возврату загрязняющих веществ или других веществ вниз, возможно, в городские районы. Напротив, анабатические потоки – это потоки, управляемые плавучестью, инициированные солнечным нагревом склона [8] и поддерживаемые непрерывным (хотя и неоднородным) переносом тепла от теплой поверхности в атмосферу [9].Их более проблематично измерить и смоделировать, чем катабатические ветры, из-за более высокой вертикальной протяженности над землей и большего числа возникающих конвективных масштабов движения [10]. Несмотря на то, что анабатические потоки мало изучены, они играют решающую роль в динамике нижних слоев атмосферы и влияют на процессы обмена между нижними и верхними слоями атмосферы. Начало поверхностной конвекции и развитие анабатических потоков имеет решающее значение для преодоления застоя потока у основания склона [11,12], что способствует рассеиванию загрязняющих веществ.Более того, перенос и перераспределение усиливаются за счет закачки в более крупные мезомасштабные системы [13] или повторного цикла к основанию склона, как наблюдали для теплопередачи Серафин и Зарди [14]. Неоднородность анабатических потоков изменяет структуру конвективного пограничного слоя (CBL), вызывая переходную депрессию в его глубине [15] и более определенные слоистые структуры [16], что делает определение высоты CBL предметом обсуждения [ 17]. Изучение анабатических потоков в основном опиралось на полевые или лабораторные эксперименты, чтобы изолировать движущие процессы и улучшить наше понимание их физики, и включало использование аналитических моделей, основанных на фундаментальном понимании развивающихся механизмов.Исчерпывающий обзор горных потоков представлен в Finnigan et al. [18]). Одна из наиболее распространенных аналитических моделей была предложена Прандтлем [19] для рассмотрения стационарного ламинарного потока над бесконечной пластиной в стратифицированной атмосфере с приближением Буссинеска. Хотя модель Прандтля довольно упрощена, она используется в качестве основы для дальнейшего совершенствования теории, например, добавления условий нестационарности потока [20], неоднородности [21], переменной вихревой вязкости [22], множественных динамических балансов [9] Кориолиса. сила [23], периодичность [24] и слабонелинейные эффекты [25].С другой стороны, первые полевые эксперименты проложили путь к ключевым исследованиям по пониманию локальных процессов, приводящих к возникновению анабатических потоков [26], эволюции анабатического слоя [9] и его неустойчивости [27]. Лабораторные эксперименты исследовали начальное развитие наклонного течения [11,28,29] и влияние более поздних разработок на качество воздуха [30]. В последнее время интерес представляет оценка поднимающихся шлейфов и отрыва потока от склона из-за нагрева поверхности.Баланс между нагревом поверхности и завихренностью потока был теоретизирован Круком и Такером [31] в основе отрыва потока, когда наклон равномерно нагрет, с локальными сходимостями (расходимостями) потоков в верхней (нижней) части наклона. предпочтение вертикальных движений [14]. Дальнейшая характеристика отрыва потока была дана Принсваком и Фернандо [8] с точки зрения баланса между поверхностным тепловым потоком, силой плавучести и размером факела. Недавно в лабораторных экспериментах были проведены аналогичные исследования для определения зависимости отрыва потока от угла наклона.Hocut et al. [32] идентифицировали три режима разделения по углу постоянно наклонного откоса, поднимающегося из плоского бассейна. Для углов больше 20∘ разделение создает шлейф, питаемый восходящим потоком, в то время как для углов меньше 10∘ шлейф перекрывает наклонный поток. В пределах этого диапазона углов восходящий поток требует вовлечения окружающего потока для поддержания шлейфа. Goldshmid et al. [33] пересмотрели эти результаты, добавив горизонтальное плато на вершине склона.С численной точки зрения, несколько исследований по этой теме было проведено с использованием моделей вычислительной гидродинамики (CFD) и моделей численного прогнозирования погоды. При моделировании CFD основное внимание уделяется изучению катабатических потоков [34,35,36,37], в то время как для анабатических потоков было выполнено очень мало работы. Шуман [38] выполнил новаторское моделирование больших вихрей (LES) анабатического потока вдоль равномерно нагретой наклонной плоскости, показав, что структуры турбулентности внутри установившегося пограничного слоя на склоне являются функцией угла наклона и относительной шероховатости поверхности. до надлежащей длины шкалы плавучести.Используя аналогичный подход, Dörnbrack и Schumann [39] рассмотрели связь между орографией и конвективными масштабами, в то время как Anquetin et al. [40] исследуют возникновение анабатического ветра, анализируя формирование и распад холодной лужи над идеализированной двумерной долиной. Что касается подхода Навье – Стокса, усредненного по Рейнольдсу (RANS), в литературе не сообщалось о конкретных исследованиях анабатических потоков, в то время как их влияние на городскую среду оценивалось Луо и Ли [41].Прямое численное моделирование (DNS) было выполнено для воспроизведения идеализированных случаев, таких как равномерно нагретые бесконечные склоны или постоянный тепловой поток. Федорович и Шапиро [42] моделируют стоковые и анабатические потоки для различных углов наклона и температуры, анализируя переход к турбулентности и возможную параметризацию средних профилей. Giometto et al. [43] выполняют несколько симуляций, изменяя угол наклона и температуру, чтобы получить информацию для улучшения текущих моделей атмосферы.В рамках численных моделей прогнозирования погоды модель исследования и прогнозирования погоды (WRF) была снабжена модулем для работы в LES-подобном режиме [44]. Используя эту модель, Каталано и Сенедезе [45] смогли зафиксировать суточный цикл ветров на склонах и взаимодействие верхнего слоя с долинным бризом, в то время как Серафин и Зарди [16] оценили суточный перенос тепла между потоками на склоне и в долине. Подобные исследования были выполнены с использованием других мезомасштабных моделей в LES-подобном режиме, дающем удовлетворительное представление о наклонном потоке [46,47].Кроме того, Weigel et al. [48] ​​продемонстрировали роль восходящих ветров в стабилизации атмосферы долины, несмотря на сильное тепловое воздействие на землю. Настоящая работа направлена ​​на получение знаний об основных механизмах, управляющих анабатическими потоками. Основное внимание уделяется турбулентным структурам, которые в конечном итоге играют решающую роль в процессах обмена на поверхности. С этой целью анабатический поток, развивающийся в упрощенной геометрии, воспроизводится с помощью LES с высоким разрешением. Выбранная конфигурация воспроизводит обычную установку лабораторных экспериментов, исследующих эту тему: равномерно нагретый двойной плоский наклон, начиная с стабильности нейтрального фона.Одним из дополнительных достоинств численного подхода является высокое пространственно-временное разрешение динамических полей, которое позволяет преодолеть типичное ограничение, накладываемое экспериментальной измерительной аппаратурой, и получить более полное представление о конкретном исследуемом процессе. Насколько известно авторам, это первая LES с высоким разрешением, специально разработанная для оценки турбулентной динамики анабатического потока в упрощенной установке. С численной точки зрения надежное численное моделирование сложного термодинамического взаимодействия сопряжено с некоторыми проблемами.Во-первых, термоконвективная турбулентность создает некоторые проблемы устойчивости и требует решения точных численных схем [49]. Кроме того, переходный характер теплопередачи наиболее эффективно решается с помощью моделирования, зависящего от времени, которое может воспроизвести эволюцию мгновенных конфигураций, но требует использования тщательного моделирования и модели турбулентности. Остальная часть этой статьи организована следующим образом: В разделе 2 представлены особенности модели LES; Раздел 3 посвящен валидации численного подхода; В разделе 4 представлен пример анабатического потока на равномерно нагретом конечном склоне; Раздел 5 сообщает об обсуждении результатов.Наконец, в Разделе 6 делаются выводы.

4. Пример из практики

Анабатический поток вдоль конечного склона, равномерно нагретого, изучается в типичной геометрии лабораторного эксперимента [28,32,61]. На рис. 3b схематично показана установка корпуса: в центре резервуара с водой размещен двойной откос размером 2,0 × 0,6 × 1,2 м соответственно для ширины (x), глубины (y) и высоты (z). Склон длиной L = 0,3 м, наклонен под углом α = 35 ° к земле и нагрет на Ts = 2,78 К по сравнению с водой.Такая разница температур была выбрана для создания среднего теплового потока на склоне, равного Q = q / As = 900 Вт / м2, где q = κCpρ0dT / dn – плотность теплового потока на склоне, dT / dn – нормальная температура. градиента, Cp – удельная теплоемкость воды при постоянном давлении, As – площадь уклона. Физические параметры воды: тепловое расширение β = 2,1 · 104 K − 1, ламинарное и турбулентное числа Прандтля Pr = 6,13 и Prt = 0,7 соответственно. Границы резервуара представляют собой сплошные стенки, за исключением передней (y / H = 0) и задней (y / H = 2) вертикальных границ, к которым накладывается циклическое граничное условие, делающее область практически бесконечной в направлении однородности. (у).Стоит отметить, что конфигурация, выбранная для настоящей работы, является репрезентативной для экспериментальных исследований в резервуаре для воды, которые характеризуются низким Ra по сравнению с конфигурацией реальной системы. Шуман [38] показал, что атмосферный поток может быть воспроизведен с помощью пристеночных функций, т. Е. Моделирования физики приземной среды для уменьшения вычислительных затрат на моделирование. Это позволяет моделировать потоки с высоким содержанием Ra, но не решает напрямую пограничный слой склона и лежащие в его основе физические механизмы, которым и посвящена настоящая работа.По этой причине исследование касается потока с высоким разрешением при низком Ra. Высота и ширина области достаточно велики, чтобы гарантировать, что тепловая конвекция вдоль склона достигает конфигурации равновесия в течение периода времени, достаточно длительного для сбора статистики. В этот период влияние границ ограничивается верхней частью резервуара. Анализ сосредоточен на области наблюдения, окружающей склон, на которую существенно не влияет общая циркуляция резервуара (см. Обсуждение рисунка 4).Протяженность области наблюдения составляет 1,5L × 1,5L в направлениях x и z, а вся область – в направлении y.

В качестве характеристической длины выбрана высота склона H = Lsin (α), а в качестве характеристической скорости – плавучесть Ub. Таким образом, характеристическая скорость выше, когда склон более наклонный, и уменьшается до нуля, когда он горизонтальный (то есть, когда анабатический поток не развивается). Следовательно, характерный временной масштаб T = H / Ub, а число Рэлея системы Ra = 3 × 108, что указывает на полностью турбулентный режим.

4.1. Расчетная сетка, начальные и граничные условия

Воспользовавшись симметрией задачи вдоль вертикальной плоскости на средней ширине (см. Рисунок 3b), расчетная область уменьшается до половины емкости, а граничное условие симметрии применяется практически к смоделировать оставшуюся часть. Это снижает вычислительные затраты без потери информации о физике проблемы. На рисунке 3a показана числовая сетка, которая структурирована и разнесена, состоящая из 192 × 96 × 192 ячеек в направлениях x, y, z соответственно.Гиперболическое касательное растяжение [60] применяется к вертикальному (z) и горизонтальному (x) направлениям, чтобы увеличить разрешение около наклона и плоскости симметрии, где локализовано более энергичное движение. В вертикальном направлении самая маленькая ячейка на поверхности склона имеет высоту 6 × 10–4 м. Было проведено предварительное моделирование, чтобы заявить, что граничный слой склона разрешается напрямую, то есть гарантируется, что первая расчетная точка на склоне находится в пределах z + = uτz / ν <1 (где uτ - скорость трения) [62].Такое предварительное моделирование было выполнено на нескольких сетках с повышенным разрешением над склоном и увеличивающимся растяжением на поверхности склона. В частности, были протестированы три сетки с общим увеличением примерно на 20% ячеек во всех направлениях над откосом (в зоне наблюдения). Настоящая сетка является промежуточной между тремя, поскольку дополнительное приращение точек не меняет статистику первого и второго порядка. Для обсуждения качества сетки, а также для оценки диапазона масштабов турбулентности, захваченных расчетной сеткой приведены спектры мощности [63,64].На рис. 5 показаны спектры мощности составляющих скорости и температурного возмущения в системе отсчета наклона. Данные собираются во времени в трех выбранных точках, которые расположены на середине склона и на увеличивающемся расстоянии от поверхности (в пределах области, где развивается наиболее энергичный анабатический поток, см. Также рисунок 6). Спектры мощности скорости показывают характеристику наклона –5/3 для инерционного диапазона, в то время как более крутой наклон связан с инерционно-диффузионным диапазоном для потоков, управляемых плавучестью [63].В спектрах температурных возмущений обнаруживается спад наклона −3. Они подтвердили, что инерционный диапазон покрывается принятой вычислительной сеткой, которая является требованием для выполнения LES. Кроме того, значение νSGS сравнивается с молекулярной кинематической вязкостью ν путем тщательного изучения отношения γ = ν / (ν + 〈νSGS〉). Такой параметр измеряет вклад масштаба подсетки по отношению к используемой вычислительной сетке: γ∼1 указывает, что LES сводится к квази DNS, γ∼0 означает высокий вклад турбулентной модели и, следовательно, грубое пространственное разрешение, в то время как γ> 1/3 соответствует ν / νSGS = 2 и предполагает хорошее разрешение сетки [55,64].В области над склоном, где локализована большая часть анабатического потока, γ> 0,75, что указывает на то, что поправка из-за турбулентной модели ограничена и что турбулентная кинетическая энергия рассеивается в основном за счет разрешенного масштаба движения, чем суб- сеточные шкалы. Следовательно, пространственное разрешение можно считать удовлетворительным. Граничные условия следующие: у земли и на склоне скорость обеспечивает условие противоскольжения, давление и турбулентные величины имеют нулевой градиент.Температура устанавливается на постоянное значение Ts на наклоне и на эталонную температуру θR в другом месте. На верхней и боковых стенках функция стенки Сполдинга [65] применяется к скорости и давлению, в то время как турбулентные величины обеспечивают условие нулевого градиента, а температура постоянна θR. Применяются пристенные функции, поскольку анализ не фокусируется на динамике крутых склонов и не требуется высокой точности. Как упоминалось выше, условие симметрии применяется ко всем переменным в плоскости симметрии [57].Передняя и задняя границы циклические. В качестве начального условия вода имеет нейтральную стратификацию (N = 0), при постоянной температуре θR = 296,15 K и в состоянии покоя (ui = 0).

4.2. Общий тираж

Моделирование выполняется для более чем 180 тонн. Временные ряды скорости в выбранных местах в непосредственной близости от наклона (не сообщаются) показывают, что поток достигает стабильной конфигурации после 70T с момента инициализации. Статистика собирается за период 110T после достижения стабильной конфигурации.Величины усредняются по времени и пространству в поперечном направлении.

Кратко описывается общая циркуляция в резервуаре. На рис. 4а показаны безразмерная величина средней скорости и линии тока во всей расчетной области. Циркуляция осуществляется за счет естественной конвекции, возникающей на обогреваемом склоне. Поток усиливается от основания склона к вершине, где он отделяется от поверхности и порождает восходящий поток. Главный вихрь доминирует над зоной верхнего резервуара (z / H> 2.0), в то время как зона дна резервуара (z / H <2,0) не подвержена влиянию основного вихря. В центре вихря жидкость почти неподвижна. Горячая текучая среда уносится вниз из зоны верхнего резервуара основным вихрем и вступает в контакт с холодной текучей средой в зоне нижней части резервуара (на стороне, противоположной наклонному участку). Средняя температура верхнего резервуара увеличивается за счет нагнетания горячей жидкости, переносимой восходящим потоком и перемешиваемой главным вихрем. Вместо этого нижняя часть практически поддерживает начальную температуру (см. Рисунок 4b).В результате наиболее энергичная часть нисходящего потока из верхнего резервуара отклоняется по горизонтали в диапазоне 2,0 6. Выводы

Методология моделирования крупных вихрей с высоким разрешением (LES) используется для изучения анабатического потока в упрощенной геометрии, состоящей из равномерно нагретого двойного склона в изотермическом резервуаре для воды. Выбранная конфигурация воспроизводит стандартную схему лабораторных экспериментов. Число Рэлея потока Ra = 3 × 108 (полностью турбулентный режим), а моделирование является трехмерным и зависит от времени, что позволяет анализировать мгновенные турбулентные характеристики.Насколько известно авторам, это первая LES, специально разработанная для оценки турбулентной динамики анабатического потока в упрощенной установке.

Численный подход успешно подтвержден прямым численным моделированием идеализированного случая. Затем обсуждаются статистические данные первого и второго порядка выбранного тематического исследования. Общая динамика резервуара показывает, что анабатический поток генерирует основной рециркуляционный вихрь, который ограничен в верхней части резервуара и не оказывает значительного влияния на развитие анабатического потока.Динамика вблизи склона характеризуется наличием трех характерных областей: (i) проводящий слой, очень близко к горячей поверхности, где температура экспоненциально уменьшается, а скорость быстро увеличивается; (ii) конвективный слой, в котором преобладает конвекция, где температура имеет почти линейное уменьшение с удалением от склона, а наиболее энергичные средние и турбулентные движения ограничены; (iii) внешняя область, которая почти не возмущается.

Анализ мгновенных полей показывает наличие тепловых шлейфов, схематически изображенных на Рисунке 11.Они представляют собой периодические турбулентные структуры, непрерывно генерируемые в непосредственной близости от основания склона, переносимые по склону и разрушающиеся у вершины. Эти шлейфы возникают из-за вертикальных движений, вызванных термической нестабильностью на границе между проводящим слоем и конвективным слоем. Тепловые шлейфы ограничены конвективным слоем и увеличивают вертикальный перенос количества движения и тепла, увеличивая интенсивность турбулентности и перемешивание внутри слоя.

Настоящая статья дает первое описание таких структур, которые описаны в отношении динамики анабатического потока.Дополнительные анализы будут представлены в будущих работах.

[PDF] Расчет циркуляции пара / воды – Скачать бесплатно PDF

Скачать проект циркуляции пара / воды …

Технологический университет Хельсинки Факультет машиностроения Энергетика и охрана окружающей среды Электронная книга Технология паровых котлов Эспоо 2002

Проектирование циркуляции пара / воды Себастьян Тейр, Антто Кулла

Хельсинкский технологический университет Кафедра машиностроения Энергетика и защита окружающей среды

Таблица содержание Введение…………………………………………… ………………………………………….. ………………………………. 3 Котлы большой мощности ……… ………………………………………….. ………………………………………….. ………….. 3 Кожухотные котлы ………………………….. ………………………………………….. …………………………………….. 3 Пожарные котлы .. ………………………………………………………………………………………. ……………………. 4 Водотрубные котлы ………………… ………………………………………….. ………………………………………….. ……. 6 Введение ………………………………….. ………………………………………….. ……………………………………. 6 Котлы с естественной циркуляцией … ………………………………………….. ………………………………………………….. 6 Общие ……………………………… ………………………………………….. ………………………………………….. .6 Принцип естественной циркуляции ……………………………………… ………………………………………….. ……… 6 Достоинства и недостатки ………………………………. ………………………………………….. ………….. 7 Расчет с естественной циркуляцией ………………………….. ………………………………………………………. ………… 8 Введение ……………………………… ………………………………………….. …………………………………. 8 Коэффициент циркуляции ……. ………………………………………….. ………………………………………….. ………… 8 Движущая сила естественной циркуляции ………………………….. ………………………………………….. ……. 9 Переходники …………………………………………………………… ………………………………………….. … 10 Стеновые трубы …………………………………….. ………………………………………….. ………………………….. 11 Заголовки ……………. ………………………………………….. ………………………………………….. …………… 12 Кипение в вертикальных испарительных трубах ……………………….. …………………………………………… 12 Кризис теплопередачи ………………………………… ………………………………………….. …………………… 12 Оптимизация конструкции естественной циркуляции ……………….. ………………………………………….. ……. 13 Особые исполнения …………………………………. ………………………………………….. ……………………….. 13 Котлы с принудительной или принудительной циркуляцией …………… …………………………………………………………………… 14 Общие ……….. ………………………………………….. ………………………………………….. …………………… 14 Принцип принудительной циркуляции ………………… ………………………………………….. ……………………….. 14 Распределение потока между параллельными стояками ………….. ………………………………………….. ……….. 15 Типы котлов ……………………………… ………………………………………………… ……………………………. 15 котлов Lamont …………. ………………………………………….. ………………………………………….. …… 15 Котлы с регулируемой циркуляцией …………………………………. ………………………………………….. ……. 16 Достоинства и недостатки ………………………………… ………………………………………….. ………. 16 Прямоточные котлы…………………………………………… ………………………………………….. …………….. 17 Общие …………………………. ………………………………………….. ………………………………………….. …. 17 Типы прямоточных котлов …………………………………. ………………………………………….. ……………. 17 Общие ………………………….. ………………………………………….. …………………………………………. 17 Конструкция Бенсона ……… ………………………………………….. ………………………………………….. ……….. 17 Конструкция Sulzer ……………………………… ………………………………………….. ……………………………… 18 Конструкция Рамзина ……….. ………………………………………….. ………………………………………….. ……… 18 Трубки со спиральными стенками ……………………………………………………………………… …………………………………. 19 Многопроходная конструкция …… ………………………………………….. ………………………………………….. ……… 19 Достоинства и недостатки ………………………………. ………………………………………….. ………… 19 Эксплуатация ……………………………… ………………………………………….. ……………………………………….20 Производство и использование прямоточных котлов …………………………………. ………………………………. 20 Интернет-ссылок ………. ………………………………………….. ………………………………………….. ……………. 21 Комбинированные котлы ………………………… ………………………………………….. ……………………. 21 Общие ………………….. ………………………………………….. …………………………………………………….. 21 Ссылки ………………………………………… ………………………………………….. …………………………………. 22

ii

Введение Как представлено в В предыдущей главе котлы можно классифицировать по способу сжигания, применению или типу циркуляции пара / воды. В этой главе будут описаны различные типы циркуляции пара / воды в котлах. Циркуляция пара / воды для приложений, перечисленных на Рисунке 1 в разделе «Прочие» (т.е. атомная, солнечная и электрическая). [1]

Паровые котлы Большой объем

Водяная труба

Прочее

Пожарная труба

Естественная циркуляция

Солнечная

Газовая труба

Вспомогательная / принудительная циркуляция

Электрическая

Кожух

Прямоточный Nuclear

Комбинированная циркуляция

Рисунок 1: Типы паровых котлов в зависимости от циркуляции пара / воды.

Котлы большого объема Котлы кожухотного типа Паровым котлом может быть котел большого объема (кожух) или водотрубный котел.Кожуховые котлы – это котлы, построенные аналогично кожухотрубным теплообменникам (рис. 2). В котлах большого объема (кожух) горелка или колосниковая решетка находится внутри большой трубы, называемой камерой. Камера окружена водой в сосуде высокого давления, который выполняет роль внешней стенки котла. Таким образом, вода поглощает тепло, и часть воды превращается в насыщенный пар. Дымовые газы проходят из камеры в дымовую трубу, так что они все время находятся внутри труб.В настоящее время жаротрубный

Рисунок 2: Кожухотрубный котел: Höyrytys TTKV Пожарный трубчатый котел [Hoyrytys]. 3

Котлы

являются наиболее часто используемым типом котлов большого объема. Также к котлам большого объема можно отнести электрокотлы, в которых вода нагревается электродным источником. Однако котлы большого объема сегодня используются только для мелкомасштабного производства пара и горячей воды, и в целом они больше не используются в крупномасштабном промышленном использовании. [1]

Жаротрубные котлы Современные жаротрубные котлы используются в приложениях, требующих умеренного давления и умеренного спроса.Как следует из названия, основная конструкция жаротрубного котла состоит из труб, в которых сжигается топливо и транспортируется дымовой газ, расположенных в сосуде под давлением, содержащем воду. Обычно котлы этого типа приспособлены для работы на жидком или газообразном топливе, таком как нефть, природный газ и биогаз. Жаротрубные котлы используются для подачи пара или теплой воды в небольших помещениях. [2] Обычно жаротрубные котлы состоят из цилиндрических камер (1-3), в которых происходит основная часть горения, и дымовых труб.В большинстве случаев пожарные трубы располагаются горизонтально (пожарные трубы размещаются над камерами).

1. Поворотная камера 2. Камера сбора дымовых газов 3. Открытая топка 4. Жаровая труба 5. Седло горелки

6. 7. 8. 9. 10. 11.

Рисунок 3: Жаротрубный паровой котел Höyrytys TTK [ Хойрытыс].

Пожарные трубы Люк Люк Очистительный люк Выход пара Вход воды

12. 13. 14. 15. 16.

Выход дымовых газов Выхлопной люк Выход и циркуляция Изоляция ножек

Рисунок 4: Схема Höyrytys TTKV-fire трубчатый водогрейный котел с рисунка 2 [Хойрытыс].4

Жаротрубные котлы обычно имеют трубы диаметром 5 см и более. Обычно они прямые и относительно короткие, так что горячие газы сгорания испытывают относительно небольшой перепад давления при прохождении через них. Путь дымовых газов идет от горелок / колосниковой решетки через одну из камер к другому концу камеры. Там дымовые газы поворачиваются в обратном направлении и возвращаются через дымовые трубы и затем попадают в дымовую трубу (Рисунок 4).

1. Камера поворота 2.Камера для сбора дымовых газов 3. Открытая топка 4. Жаровая труба 5. Седло горелки 6. Люк 7. Жаровые трубы

8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.

Водяное пространство Паровое пространство Выпуск и циркуляция Отвод дымовых газов Продувочный люк Главный люк Отверстие для очистки Главный выход пара

16. 17. 18. 19. 20. 21.

Узел контроля уровня Вход питательной воды Выход технологического пара Узел предохранительного клапана Изоляция ножек

Рисунок 5: Схема жаротрубный паровой котел Höyrytys TTK, изображенный на Рисунке 3 [Hoyrytys].Жаротрубные котлы содержат довольно большое количество воды, поэтому в котле сохраняется значительное количество тепловой энергии. Это также позволяет изменять нагрузку, когда требуется большое количество пара или горячей воды за относительно короткий период времени, как это часто бывает в технологических процессах. Жаротрубные котлы могут выдерживать большое количество злоупотреблений и невнимательности и при этом функционировать на должном уровне. Срок службы жаротрубных котлов составляет 25 лет и более. Известно, что котлы старше 75 лет еще находятся в эксплуатации.Последовательное обслуживание и тщательная очистка воды имеют большое значение для обеспечения долгого срока службы этих котлов. В настоящее время жаротрубные котлы в основном используются в качестве котлов централизованного теплоснабжения, промышленных отопительных котлов и других небольших парогенераторов. Жаротрубные котлы больше не используются для производства электроэнергии из-за их верхних пределов (давление пара 4 МПа и массовый расход пара около 50 кг / с). Предел давления пара основан на том факте, что при повышении давления пара в котле требуются более толстые дымовые трубы и камеры – таким образом, цена котла возрастает.Вследствие этого типы котлов, в которых пароводяная смесь находится внутри трубок, имеют более низкие цены за ту же паропроизводительность и давление. Жаротрубные котлы могут достигать теплового КПД около 70 процентов. Существуют также специальные типы жаротрубных котлов, такие как судовые котлы и топочные котлы, но они не будут здесь подробно обсуждаться. Остальная часть этой главы посвящена основным типам водотрубных котлов. 5

Водотрубные котлы Введение В отличие от котлов большого объема, в водотрубных котлах пароводяная смесь находится внутри труб и нагревается пламенем внешнего сгорания и дымовыми газами.Водотрубные котлы классифицируются по типу циркуляции воды / пара: с естественной циркуляцией, с принудительной или вспомогательной циркуляцией, с прямоточными и комбинированными циркуляционными котлами. Все котлы для выработки электроэнергии в настоящее время являются водотрубными.

Котлы с естественной циркуляцией Общие сведения Естественная циркуляция – один из старейших принципов циркуляции пара / воды в котлах. Его использование сократилось за последние десятилетия из-за технического прогресса в других типах обращения. Принцип естественной циркуляции обычно реализуется на котлах малого и среднего размера.Обычно падение давления для котла с естественной циркуляцией составляет около 5-10% от давления пара в паровом барабане, а максимальная температура пара колеблется от 540 до 560 ° C. Принцип естественной циркуляции Циркуляция воды / пара начинается с резервуара питательной воды, откуда перекачивается питательная вода. Насос питательной воды (Рисунок 6) повышает давление питательной воды до требуемого давления в котле. На практике конечное давление пара должно быть ниже 170 бар, чтобы естественная циркуляция работала должным образом.Затем питательная вода предварительно нагревается в экономайзере почти до точки кипения воды при текущем давлении. Чтобы питательная вода не закипала в трубах экономайзера, температура экономайзера специально поддерживается примерно на 10 градусов ниже температуры кипения. Из экономайзера питательная вода поступает в паровой барабан котла. В паровом барабане вода хорошо смешивается с имеющейся в паровом барабане водой. Это снижает термические напряжения внутри парового барабана.

Пароперегреватели

Паровой барабан

Экономайзер

Спускные трубы

Буровой барабан

Испаритель (стояк)

Насос питательной воды

Рис. к грязевому барабану (жатке).Обычно есть пара сливных труб, которые не нагреваются и находятся вне котла. 6

Название «грязевой барабан» основано на том факте, что часть примесей в воде оседает, и этот «грязь» затем можно собрать и удалить из барабана. Насыщенная вода поступает из коллектора в стояки и частично испаряется. Подъемные трубы расположены на стенках котла для эффективного охлаждения стенок топки. Подъемные трубы иногда также называют генерирующими трубами, потому что они эффективно поглощают тепло пароводяной смеси.Подъемные трубы образуют испарительный блок в котле. После стояков пароводяная смесь возвращается в паровой барабан. В паровом барабане вода и пар разделяются: насыщенная вода возвращается в трубы со сливом, а насыщенный пар – в трубы пароперегревателя. Целью этого разделения является защита внутренней части трубок пароперегревателя и турбины от осаждения примесей. Пар из парового барабана попадает в пароперегреватель, где он нагревается до точки насыщения.После последней ступени пароперегревателя пар выходит из котла. Такой вид циркуляции называется естественной циркуляцией, поскольку в контуре отсутствует циркуляционный насос воды. Циркуляция происходит сама по себе из-за разницы в плотности воды / пара между стоками и стояками. [4] Преимущества и недостатки Котлы с естественной циркуляцией (NC) имеют следующие преимущества по сравнению с другими типами циркуляции: • • • • • •

Котлы

NC более устойчивы к примесям питательной воды, чем водотрубные котлы других типов. Котлы NC имеют более низкую внутреннее потребление электроэнергии по сравнению с другими типами водотрубных котлов.Котлы NC имеют простую конструкцию. Следовательно, инвестиционные затраты невысоки, а надежность котла высока. Котлы NC имеют широкий диапазон частичных нагрузок, практически даже 0–100% имеют функцию удержания в дежурном состоянии, что означает «нагревание при полном давлении». Котлы NC имеют постоянную площадь теплообмена независимо от нагрузки котла, так как барабан отделяет друг от друга три теплообменника – экономайзер, испаритель и перегреватель. Котлы NC имеют более простое управление процессом из-за большого объема воды / пара, которая ведет себя как «буфер» при небольших изменениях нагрузки.

Котлы с естественной циркуляцией имеют следующие недостатки по сравнению с другими типами циркуляции: • Котлы

NC имеют высокий коэффициент циркуляции (от 5 до 100), что приводит к огромным размерам испарителя, так как количество воды, циркулирующей в стеновых трубах может быть до 100 раз больше массового расхода образующегося пара. Это увеличивает потребность в пространстве и стали. • Котлам NC требуются трубы большого диаметра (большого объема), по которым течет пароводяная смесь.Это связано с тем, что меньшие диаметры трубок могут вызвать падение давления, и, следовательно, потребуются более высокие котлы для адекватного перепада давления. • Котлы NC требуют более точного определения размеров по сравнению с другими типами котлов. 7

• • • •

•

Котлы NC довольно медленно запускаются и «останавливаются» (в том числе при значительном изменении нагрузки) из-за большого объема водяных / паровых труб (примерно в 5 раз больше объем воды / пара прямоточного котла). Котлы NC подходят только для докритических уровней давления (практически для давлений пара в паровом барабане до 180 бар).Это связано с отсутствием разницы плотностей в сверхкритическом паре и, следовательно, с отсутствием движущей силы. У котлов NC есть проблемы с более частым повреждением труб из-за относительно большого диаметра труб котла. Котлы NC чувствительны к перепадам давления. Внезапное падение или повышение давления вызывает повышенную скорость испарения, и, следовательно, уровень воды в паровом барабане также повышается. Это может привести к попаданию воды в трубы пароперегревателя и проблемам с циркуляцией воды, что приведет к их повреждению.Для котлов NC требуется паровой барабан, который является очень дорогой частью котла.

Конструкция с естественной циркуляцией Введение В следующих главах рассматриваются некоторые вопросы проектирования котлов с естественной циркуляцией: В этой главе будут использоваться графики и фотографии котла-утилизатора Andritz (рис. 7, производства Foster Wheeler), который представляет собой тот же котел, который был представлен на глава о котлах-утилизаторах. [3] Коэффициент циркуляции Коэффициент циркуляции – одна из важных переменных при проектировании нового котла.Он определяется как массовый расход воды, подаваемой в парогенерирующие трубы (стояки), деленный на массовый расход образующегося пара. Таким образом, имеет смысл определять коэффициент циркуляции только для водотрубных котлов: U =

m & raisers m & feedwater

(1)

Рисунок 7: Конструкция циркуляции питательной воды котла-утилизатора с использованием барабана естественной циркуляции [3].

Изменения степени циркуляции зависят от уровня давления в котле, поэтому котлы высокого давления имеют низкие коэффициенты, а котлы низкого давления – высокие, соответственно.Другими параметрами, влияющими на коэффициент циркуляции, являются высота котла, теплопроизводительность котла и разница в размерах труб между стояками и спускными трубами. Для некоторых приложений с естественной циркуляцией очень сложно определить коэффициент циркуляции. Коэффициент циркуляции колеблется от 5 до 100 для котлов с естественной циркуляцией. Коэффициент циркуляции котлов с принудительной циркуляцией обычно составляет от 3 до 10. Для котлов типа La Mont нормальные значения 8

составляют от 6 до 10, для котлов с регулируемой циркуляцией от 4 до 5 соответственно.Проходные котлы производят такой же массовый расход пара, как и подаваемый в котел, таким образом, их коэффициент циркуляции равен 1. Движущая сила естественной циркуляции Движущая сила естественной циркуляции основана на разнице плотностей между пароводяной смесью в стояке и спускные трубы, из которых стояки представляют смесь с более низкой плотностью, а спускные трубы – смесь с более высокой плотностью. Движущее давление можно определить следующим образом: ∆pd = g ⋅ (H испаритель – H кипение) ⋅ (ρ dc – ρ r)

(2)

где g – ускорение свободного падения (9,81 м / с2) , высота соответствует рисунку 8 [м], а ρ dc – ρ r разница в средней плотности между сливной (dc) и подъемной (r) трубками [кг / м3], что является наиболее сложным параметром для определения. .Условия в паровом барабане таковы, что h3O присутствует в виде насыщенной воды. Когда вода движется, давление воды будет немного увеличиваться из-за гидростатического давления. Рис. 8: Представление высоты вниз в спускных трубах. Таким образом, вода – это параметры движущей силы. переохлажден в коллекторе (грязевом барабане) после переливных труб. Следовательно, в стояках вода сначала должна быть нагрета до тех пор, пока вода не достигнет температуры испарения (кипения), прежде чем она сможет испариться.Высота кипения, то есть высота, при которой вода имеет достаточно высокую температуру, чтобы закипеть, может быть рассчитана с использованием коэффициента циркуляции и энтальпий вода / пар: H кипения =

h ′ ′ – h ′ ⋅ H испарителя ∆h ⋅ U

( 3)

, где h ”- энтальпия [кДж / кг] насыщенного пара, а h ‘энтальпия насыщенной воды (при давлении парового барабана), U – коэффициент циркуляции, а ∆h – вызванное изменение энтальпии повышением давления испарения (из-за переохлаждения воды в сливных трубах).

9

Нисходящие трубы Нисходящие трубы имеют относительно большой диаметр, потому что весь объем воды для испарителя проходит через сливные трубы, прежде чем попадет в стенки стенки (стояковые трубы). Обычно количество сливных трубок составляет от одной до шести. Нисходящие трубы размещаются снаружи котла, чтобы предотвратить испарение воды, которое может уменьшить движущую силу естественной циркуляции (снизить среднюю плотность в сливной трубе). Если сливные трубы должны быть размещены внутри конструкции котла, тепловая нагрузка на сливные трубы должна быть строго ограничена, чтобы предотвратить закипание воды в сливных трубах.Возможное кипение в сливных трубах затрудняет циркуляцию, поскольку пузырьки пара движутся вверх и, таким образом, увеличивают потерю давления.

Рисунок 9: Фотография сливных труб из парового барабана [3].

Идеальная сливная труба должна быть как можно короче, а скорость потока транспортируемой воды как можно выше. На рисунках 9 и 10 показаны примеры сливных труб в котле-утилизаторе.

Рисунок 10: Фотография сливных труб из парового барабана [3].

10

Стеновые трубы Потери давления, вызванные стеновыми трубами (или стояками, испарительными трубами) котла с естественной циркуляцией, должны быть на низком уровне из-за принципа естественной циркуляции.Таким образом, вертикально установленные стояки в котлах с естественной циркуляцией имеют больший диаметр, чем стояки в котлах с принудительной циркуляцией. Все котлы с естественной циркуляцией должны иметь восходящее расположение стеновых труб из-за принципа циркуляции. Существуют вариации того, насколько резким является подъем: В консервативных котлах с вертикальной топкой стенки трубы расположены в прямом вертикальном направлении. Рис. 12: Фотография стенки печи [3]. (Рисунок 11 и Рисунок 13). В котлах с угловой трубой (Eckrohr) стенки трубы выполнены в виде слегка приподнятых или горизонтальных рядов стенок и труб.Этот котел имеет высоту топки 40 м. Диаметр водяных трубок составляет около 60 мм. Все стояки сварены вместе и образуют газонепроницаемую панельную конструкцию – стенку трубы. Поскольку котел является котлом-утилизатором, пол имеет небольшой уклон (рис. 12 и рис. 14), чтобы удерживать расплав, и поэтому его конструкция отличается от угольных котлов (которые имеют клиновидный пол для сбора золы). .

Рисунок 13: Фотография устанавливаемой передней стенки печи [3].

Рисунок 14: Фотография стенки печи [3]. Рисунок 11: Фотография водяных трубок [3]. 11

Коллекторы Слово «коллектор» (Рисунок 15) используется в котельной технологии для всех коллекторных и распределительных труб, включая грязевой барабан (Рисунок 16). Самым важным параметром конструкции жаток является диаметр. Он определяется расходом и количеством трубок, подключенных к коллектору (здесь количество стояков). Конструкция коллектора представляет собой миниатюрную версию простого парового барабана (диаметры меньше, чем у паровых барабанов).Однако в коллекторах обычно нет внутренних устройств, за исключением отверстий в котлах с принудительной циркуляцией и прямоточных основных котлах. Коллекторы малого диаметра состоят из трубы с приваренными передней и концевой пластинами, а коллекторы большого диаметра изготовлены из гнутых стальных пластин так же, как и паровые барабаны.

Рисунок 15: Фотография жатки экономайзера [3].

Кипение в вертикальных трубах испарителя Процесс кипения в вертикальных трубах с стояком начинается с однофазного потока воды в самой нижней части испарителя.При передаче тепла от печи сначала образуются пузырьки пара. Непрерывная теплопередача увеличивает содержание пара в смеси. В кольцевом состоянии кипения пароводяной смеси стенка трубы все еще покрыта водяной пленкой, но по мере увеличения содержания пара вода может находиться в трубе только в виде тумана. Это состояние называется туманным / падающим (рис. 17).

Рис. 16. Буровой барабан и коллекторы коллектора [3].

Кризис теплопередачи Процесс кипения можно рассматривать и с точки зрения теплопередачи.Тепловой поток в печи, создаваемый в процессе горения, чрезвычайно высок. Существует критическое значение, которого может достичь тепловой поток, что приводит к внезапному снижению теплопередающей способности трубки. Это называется отклонением от пузырькового кипения (DNB), высыханием, выгоранием, критическим тепловым потоком или кризисом теплопередачи (Рисунок 18). Явление, ответственное за эту проблему, – это переход от состояния кипения в кольцевом пространстве к состоянию

Рис. 17: Различные типы потока воды / пара во время процесса кипения [1].12

туманное состояние / падение. В туманном / каплевидном состоянии стенка котла больше не покрыта водой. Это высыхание приводит к резкому падению коэффициента теплопередачи со стороны воды. Критический тепловой поток зависит от рабочего давления, качества пара, типа трубы, диаметра трубы, профиля потока и наклона трубы. Чтобы конструкция котла была приемлемой, критический тепловой поток для стенок топки всегда должен быть с запасом больше, чем тепловой поток, генерируемый в камере сгорания. Оптимизация дизайна естественной циркуляции Ниже приведены некоторые из основных методов, используемых для оптимизации естественной циркуляции.Все методы приводят к увеличению движущей силы:

Рис. 18: Высыхание в трубке испарителя.

1. Увеличьте высоту топки или поднимите паровой барабан на более высокий уровень. 2. Увеличьте плотность в трубках со спускным стаканом, увеличивая эффективность отделения пара в паровом барабане, перекачивая питательную воду в паровой барабан в виде недонасыщенной жидкости или минимизируя осевой поток в паровом барабане. 3. Уменьшите плотность в стояках за счет повышения температуры в нижней печи. Особые конструкции Есть некоторые особые применения принципа естественной циркуляции, которые в настоящее время не рассматриваются в этой электронной книге, но их можно найти в других местах в сети.Вот эти конкретные типы котлов: •

Котлы с естественной циркуляцией с двумя барабанами (Рисунок 19) • Консервативные котлы с вертикальной топкой • Угловые котлы или котлы Eckrohr

Рисунок 19: Котел-утилизатор, использующий два паровых барабана [Andritz].

13

Котлы с принудительной или принудительной циркуляцией Общие сведения В отличие от котлов с естественной циркуляцией, принудительная циркуляция основана на внутренней циркуляции воды / пара с помощью насоса. Циркуляционный насос – главное отличие котлов с естественной и принудительной циркуляцией.В наиболее распространенном типе котлов с принудительной циркуляцией, котле Lamont, принципы принудительной циркуляции в основном такие же, как и для естественной циркуляции, за исключением циркуляционного насоса. Благодаря циркуляционному насосу уровень рабочего давления котла с принудительной циркуляцией может быть немного выше, чем у котла с естественной циркуляцией, но поскольку разделение пара и воды в паровом барабане основано на разнице плотностей пара и воды, эти котлы не являются либо подходит для сверхкритического давления (> 221 бар).Практически максимальное рабочее давление для котла с принудительной циркуляцией составляет 190 бар, а падение давления в котле составляет около 2-3 бар. Принцип принудительной циркуляции Циркуляция воды / пара начинается от бака питательной воды, откуда перекачивается питательная вода. Насос питательной воды повышает давление питательной воды до требуемого давления в котле. На практике конечное давление пара ниже 190 бар, чтобы пар постоянно оставался в подкритической области. Затем питательная вода предварительно нагревается в экономайзере почти до точки кипения воды при текущем давлении.Паровой барабан обычно такой же, как и в котлах с естественной циркуляцией.

Рисунок 20: Принцип принудительной / вспомогательной циркуляции. Те же символы, что и на Рисунке 6, за исключением циркуляционного насоса, отмеченного стрелкой.

В котле с принудительной / вспомогательной циркуляцией циркуляционный насос (Рисунок 20) обеспечивает движущую силу для циркуляции пара / воды. Поскольку циркуляцию усиливает насос, трубы испарителя можно устанавливать практически в любом положении. Допускаются большие потери давления, поэтому испарительные трубы в котле с принудительной циркуляцией дешевле и имеют меньший диаметр (по сравнению с испарительными трубами с естественной циркуляцией).Затем насыщенная вода течет из парового барабана по спускным трубам в грязевой барабан (коллектор). Обычно есть пара сливных труб, которые не нагреваются и находятся вне котла. Коллекторы, которые распределяют воду по трубам испарителя, оснащены дросселями (ограничителями потока) для каждой стенки трубы, чтобы распределять воду как можно более равномерно. Вода поступает в стояки, где испаряется. 14

Пар отделяется в паровом барабане и проходит через пароперегреватели, как в котлах с естественной циркуляцией.Этот тип циркуляции называется принудительной циркуляцией из-за наличия в контуре циркуляционного насоса воды. Циркуляция пара / воды обеспечивается насосом и не зависит от разницы в плотности, как при естественной циркуляции. Распределение потока между параллельными вертикальными трубами. Плавное распределение потока от коллектора к вертикальным трубам предотвращает перегрев вертикальных труб. В котлах с принудительной циркуляцией (в данном контексте к этой группе относятся и проточные котлы, и котлы с комбинированной циркуляцией) вода / пар проталкивается через испарительные трубы с помощью насоса.Потери давления сильно определяют распределение воды между несколькими параллельно соединенными трубками. Трубки с наибольшей долей пара (наибольшая потеря давления) получают, таким образом, наименьшее количество воды (т.е. недостаточно охлаждающей воды). Было отмечено, что гладкая вода. Рис. 21: Схематическое изображение отверстия для распределения воды между трубками проще всего использовать на практике с отверстиями (дросселями, ограничителями потока), расположенными на входе каждой стояковой трубы (Рис. 21). Они вызывают дополнительную потерю давления в каждой трубке, и поэтому пропорциональные различия в потерях потока между параллельными трубками становятся незначительными.Отверстия рассчитываются отдельно для каждой стояковой трубы, чтобы обеспечить плавное распределение потока между параллельными стояковыми трубами (испарительными трубами). Другая возможность состоит в том, чтобы разместить трубки малого диаметра в качестве мундштуков в каждой стояке и, таким образом, увеличить потери давления. Однако трубы с отверстиями являются более распространенной практикой. Типы котлов Котлы Lamont Наиболее распространенным типом котлов с принудительной циркуляцией является тип котлов Lamont, названный в честь инженера, который разработал этот тип котла. В котлах этого типа циркуляция пара / воды осуществляется насосом.Рабочее давление остается ниже 190 бар, поскольку при более высоком давлении доля теплоты испарения становится слишком низкой. Расположение трубок стенки не ограничено для типа Lamont. Потеря давления в стеновых трубах составляет 2-3 бар. Области применения котлов Lamont: • •

Котлы по индивидуальному заказу, где размеры котла определяются, например, у здания, где будет размещен котел. Парогенераторы-утилизаторы (HRSG) и котлы, оборудованные отдельными камерами сгорания 15

Котлы с регулируемой циркуляцией Принцип управляемой циркуляции также известен как тепловая циркуляция с насосом.Он разработан в основном в США и является разновидностью котла Lamont. В котлах этого типа насос просто способствует циркуляции пара / воды. Преимуществом котлов с регулируемой циркуляцией является меньшая потребность в перекачке энергии, поскольку для циркуляции частично используется принцип естественной циркуляции. Котлы с регулируемой циркуляцией используются для высоких докритических давлений до 200 бар и обычно для относительно больших котлов. Преимущества и недостатки Преимущества котлов с принудительной циркуляцией (FC): • • • • •

Котлы

FC могут использовать трубы меньшего диаметра, чем котлы с естественной циркуляцией, за счет более эффективной (насосной) циркуляции.Котлы FC имеют широкий диапазон размеров электростанций. Котел FC также дает больше свободы для размещения поверхностей теплопередачи и может быть спроектирован практически в любом положении (таким образом, принудительная циркуляция очень распространена в HRSG: котлах в парогазовых электростанциях на базе газовых турбин). Котлы FC имеют низкий коэффициент циркуляции (3-10). Циркуляция воды ненадежна из-за разницы в плотности, потому что циркуляционный насос заботится о циркуляции, когда котел работает.

Котлы с принудительной циркуляцией имеют следующие недостатки по сравнению с другими типами циркуляции: • • • • •

• •

• • •

Котлы

FC имеют ограничения по размещению циркуляционного насоса, так как он должен быть установлен вертикально под паровым барабаном.В противном случае насыщенная вода может закипеть (кавитация) в циркуляционном насосе. Котлы FC имеют более высокое внутреннее потребление электроэнергии. Циркуляционный насос обычно потребляет около 0,5-1,0% электроэнергии, производимой рассматриваемой регулируемой циркуляционной установкой. Котлам FC требуется более высокое качество воды, чем котлам на естественной циркуляции. Котлам FC требуется массовый расход 1000-2000 кг / (м2 · с) для максимального давления. Котлы FC подходят только для докритических уровней давления (практически для рабочих давлений ниже 190-200 бар).Это происходит из-за отсутствия разницы плотностей в сверхкритическом паре, что является принципом работы разделения пара / воды в паровом барабане. Котлам FC требуется циркуляционный насос и диафрагмы, ограничивающие поток, что увеличивает капитальные затраты на котел. Котлы FC чувствительны к перепадам давления. Внезапное падение или повышение давления вызывает повышенную скорость испарения, и, следовательно, уровень воды в паровом барабане также повышается. Это может привести к попаданию воды в трубы пароперегревателя и проблемам с циркуляцией воды, что приведет к их повреждению.Котлы FC требуют контроля и регулирования взаимодействия между насосом питательной воды и циркуляционным насосом, что затруднительно в установках с регулируемой циркуляцией. Требуется паровой барабан, а это очень дорогая часть котла. Надежность котлов FC ниже, чем у котлов с естественной циркуляцией, из-за возможного засорения отверстий и сбоев в работе циркуляционного насоса.

16

Прямоточные котлы Общие сведения Прямоточный (или универсальный напорный) котел можно упростить как длинную трубу с внешним обогревом (Рисунок 22).В котле отсутствует внутренняя циркуляция, поэтому коэффициент циркуляции для прямоточных котлов равен 1. В отличие от других типов водотрубных котлов (с естественной и регулируемой циркуляцией), прямоточные котлы не имеют парового барабана. Таким образом, длина испарительной части (где насыщенная вода переходит в пар) не фиксируется на один раз через котлы. Прямоточные котлы также называют универсальными котлами под давлением, потому что они применимы для всех давлений и температур. Однако прямоточные котлы обычно представляют собой котлы больших размеров с высоким докритическим или сверхкритическим давлением пара.Большой современный энергоблок (около 900 МВтт) по прямоточной конструкции может иметь высоту более 160 м при высоте топки 100 м.

Q

Рис. 22: Упрощенный принцип прямоточного котла

Прямоточный котел – единственный тип котла, пригодный для сверхкритического давления (в настоящее время оно может достигать 250-300 бар). Доступный температурный диапазон для проходного типа в настоящее время составляет 560-600 ° C. Потери давления могут достигать 40-50 бар. Для прямоточных котлов требуются современные системы автоматизации и управления из-за их относительно небольшого объема воды / пара.У них также нет буфера для изменения мощности, как у других типов водотрубных котлов. Типы прямоточных котлов Общие сведения Существует три основных типа прямоточных котлов: конструкции Бенсона, Зульцера и Рамзина. Конструкция Бенсона Самая простая и распространенная конструкция – конструкция Бенсона (Великобритания, 1922 г.). В котлах Benson точка полного испарения (когда вся вода превратилась в пар) изменяется в соответствии с рисунком 23: прямоточный котел конструкции Benson. мощность нагрузки котла (рисунок 23). Температура перегретого пара регулируется соотношением массового расхода топлива 17

воды.Дизайн Бенсона используется на крупнейших электростанциях Финляндии, например. Мери-Пори, Хаапавеси и ИВО Инкоо. Дизайн Sulzer Однотрубный котел Sulzer был изобретен в Швейцарии компанией Gebrüder Sulzer GmbH. В котле Sulzer используется специальный сосуд высокого давления, называемый бутылкой Sulzer, для отделения воды от пара (рис. 24). После бутылки пар не содержит воды. Следовательно, точка испарения в бойлере Sulzer всегда находится у баллона и, следовательно, постоянна. Изначально бутыль использовалась для отделения примесей (концентрированных солей и т. Д.).) из пара. Другой типичной особенностью котлов типа Sulzer является регулирование расхода воды в каждой трубе, выходящей из определенного коллектора, с помощью отдельного прямоточного котла конструкции Sulzer. Сепараторная бутылка отмечена стрелкой. отверстия для каждой трубки. Конструкция Рамзина Котел Рамзина – это российская конструкция, известная своей змеевидной формой испарительных трубок, окружающих топку (Рисунок 25). Из-за наклонных и загнутых водяных труб конструкция котлов Ramzin сложна и, следовательно, дорога.Наклонная конструкция печи в настоящее время также иногда используется в конструкции Зульцера и Бенсона.

Рисунок 25: Прямоточный котел Рамзина.

18

Стеновые спиральные трубы В прямоточных котлах используется специальная конструкция водяных труб. Они называются трубками со спиральными или рифлеными стенками (рис. 26). Нарезки в трубе увеличивают смачивание стенки, т.е. улучшают контакт между стенкой трубы и пароводяной смесью и, таким образом, улучшают внутренний коэффициент теплопередачи. Рифленая стенка трубы также более устойчива к высыханию.Из-за более сложного процесса производства спиральных труб трубка со спиральной стенкой дороже обычных труб с гладкой стенкой. Гладкостенные трубы используются в конструкции с наклонными стенками (как в котлах Рамзина).

Рис. 26: Эскиз трубы со спиральной стенкой

Многопроходная конструкция Чтобы получить поток большой массы, необходимый для эффективного охлаждения трубы, нижняя часть печи может быть разделена на два последовательных пути потока воды. Эти два параллельных пути образуются путем изменения труб первого и второго прохода вокруг печи.Как показано на рисунке (Рисунок 27), вода из экономайзера течет по трубам первого прохода к выпускным коллекторам, где вода смешивается и направляется в сливные трубы. Из сливных стаканов водно-паровая смесь направляется в трубы второго прохода, откуда она собирается и смешивается в коллекторе второго прохода. Затем пароводяная смесь поступает в коллекторы для труб третьего прохода, из которых состоит остальная часть испарителя. Используя два прохода, нижняя часть печи имеет вдвое больший массовый расход воды, чем верхняя часть.Благодаря коллекторам уменьшается разница температур между отдельными трубками.

Рисунок 27: Конструкция многопроходной топки

Преимущества и недостатки Прямоточные котлы (OT) имеют следующие преимущества по сравнению с другими типами циркуляции: • Котлы

OT могут использовать трубы меньшего диаметра, чем котлы на основе парового барабана из-за из-за отсутствия внутренней циркуляции. • Котлы OT имеют надежную внешнюю циркуляцию воды (зависит от насоса технологической воды). 19

•

Спиральные (рифленые) водосточные трубы более устойчивы к высыханию, чем гладкие трубы испарителя.• Котлы OT не имеют внутренней циркуляции (коэффициент циркуляции = 1) и, следовательно, для внутренней циркуляции не требуются правила или конструкция. • Котел OT – единственный котел, способный работать при сверхкритическом давлении, поскольку не требуется разделения пара в зависимости от плотности (баллон Зульцера не используется для сверхкритических значений пара). • В котлах ОТ не используется паровой барабан, что снижает расходы котла.

Прямоточные котлы (OT) имеют следующие преимущества по сравнению с другими типами циркуляции: • • • • •

Котлы

OT требуют высокого уровня контроля воды, поскольку пар / вода проходит напрямую через котел в турбину.Котлы OT требуют сложного регулирования из-за небольшого объема воды / пара (отсутствие буфера для изменения мощности), отсутствия парового барабана и того факта, что массовые потоки топлива, воздуха и воды прямо пропорциональны выходной мощности котла. Котлам ОТ требуется большой массовый расход 2000-3000 кг / (м2 · с) в стенках топки. Трубки со спиральными стенками дороже труб с гладкими стенками из-за более сложного процесса производства. Котлы ОТ не имеют буфера мощности из-за отсутствия парового барабана и их прямотока.

Эксплуатация Основным различием между типами прямоточных котлов традиционно является точка полного испарения в трубах. Однако работа в диапазоне сверхкритического давления устраняет эту явную разницу между состояниями воды и пара, и, таким образом, котлы Sulzer и Benson одинаково работают при сверхкритическом давлении. Тем не менее, разработка привела к постоянной точке испарения и для котлов Benson (благодаря улучшенному контролю процесса), и в настоящее время режим работы прямоточного котла очень похож.Сегодня самые большие эксплуатационные различия между типами Benson и Sulzer заключаются в системе управления и процедурах нагрева. В целом, все прямоточные котлы нуждаются в определенных специальных приспособлениях для процедуры нагрева и работы на малой мощности. Производство и использование бывших в употреблении котлов Котлы Benson в настоящее время в основном производятся компаниями, входящими в группу Babcock (Deutsche Babcock и др.). Котлы Sulzer в основном производятся (по лицензии) компаниями ABB Combustion Engineering, Mitsubishi, EVT, Andritz и др.Котлы Рамзина можно найти в России. Большая часть новой мощности традиционных паровых электростанций основана на принципе однократного использования, так как он обеспечивает более высокое давление пара и, следовательно, более высокую эффективность использования электроэнергии. Котел Sulzer можно найти, например, на электростанции Наантали на юго-западе Финляндии (также на электростанции Муссало). Котел электростанции Мери-Пори, расположенной в западной Финляндии, основан на типе Бенсона. Также на электростанциях Inkoo и Haapavesi используются котлы конструкции Benson. 20

Интернет-ссылки Вот список ссылок на интересные материалы по прямоточным котлам: • • • • • •

Siemens-Westinghouse: публикации и ссылки BENSON Siemens-Westinghouse: котлы Benson BOOSTER Co.Ltd: О прямоточных котлах Mitsubishi Прямоточные котлы Компания Babcock & Wilcox: Технология сверхкритических (прямоточных) котлов (PDF) Foster-Wheeler: Прямоточные сверхкритические котлы (PDF)

Котлы с комбинированной циркуляцией Общие сведения Этот котел Тип представляет собой комбинацию котлов с регулируемой циркуляцией и прямоточных котлов. Котлы с комбинированной циркуляцией (прямоточная с наложенной рециркуляцией) могут использоваться как для работы при докритическом, так и при сверхкритическом давлении пара.На рисунке 28 показан упрощенный принцип комбинированной циркуляции. При мощности от 60 до 100% котел работает как прямоточный. При загрузке ниже 60% котлы с комбинированной циркуляцией работают как котлы с принудительной циркуляцией, чтобы поддерживать соответствующий поток воды / пара в стеновых трубах. Самым большим преимуществом котлов комбинированного циркуляционного типа является снижение потребности в энергии насоса, так как режим работы меняется в зависимости от загрузки мощности. Основными недостатками являются затруднительное взаимодействие между насосом питательной воды и циркуляционным насосом, а также высокий уровень, необходимый для очистки воды (что необходимо для однократных котлов).

Рис. 28: Упрощенный принцип комбинированной циркуляции (горение)

Основным производителем котлов этого типа является ABB Combustion Engineering и другие компании с лицензией ABB CE. Однако Mitsubishi – практически единственная лицензионная компания за пределами США.

21

Ссылки 1.