2010-01-27

При строительстве индивидуального жилого дома перед будущими жильцами непременно встает закономерный вопрос: какую систему отопления предпочесть. На этом этапе важно правильно поставить цель проекта, чтобы с само-го начала избежать ненужных трат и ошибок. В данной статье мы рассмотрим главную цель - высокую надежность работы системы отопления.

Холодное время года имеет продолжительность не менее полугода, а зимой морозы бывают такие, что отопление становится главным условием пригодности дома для проживания. Это особенно ощущается в случае отключения электроэнергии зимой и вообще в холодное время года. Замерзнуть в темноте — перспектива не из приятных. В конце концов, свет можно получить разными способами: свечи, фонари и т.п., холодильник в холодное время, в крайнем случае, можно заменить балконом, лоджией или холодной террасой, воду принести из колодца или магазина и т.д. Но тепло в доме — вот что должно работать бесперебойно. Приобретение же портативного электрогенератора по карману не каждому, да и его обслуживание сопряжено с разного рода неудобствами: шум, необходимость ручной активации, нежелание оставлять потенциально опасный работающий аппарат без присмотра. К тому же, у автономного генератора продолжительность необслуживаемой работы не превышает нескольких часов, а электричество в сельской местности, случается, отсутствует по нескольку суток.

Итак, поставим цель — добиться максимальной надежности работы системы отопления на основе одного источника энергии, например, газа, хотя это может быть и угольное, и дровяное отопление, и даже теплообменник. Правильный расчет естественного циркуляционного давления будет не лишним даже для систем с принудительной циркуляцией теплоносителя, позволяя более эффективно использовать электрический насос, ведь законы физики работают вне зависимости от наличия или отсутствия оборудования для транспортировки воды по трубам. Это также может оказаться полезным при выходе из строя насоса: если позволит автоматика котла, система отопления сможет некоторое время работать и без принудительной циркуляции.

Из истории известно, что уже в Древнем Риме были попытки утилизировать теплоту продуктов горения для нагревания воды или пара в отопительных целях. В то время и вплоть до середины XX века водяное отопление устраивалось с естественной циркуляцией воды, т.е. подъем горячей воды вверх осуществлялся за счет свойства воды становится менее плотной при нагреве. По мере отдачи тепла и охлаждения вода стекала вниз.

Область использования систем отопления с естественной циркуляцией воды

Рассмотрим в первую очередь случаи, в которых целесообразно использование водяного отопления с естественной циркуляцией. Область применения таких систем довольно широка.Наиболее выгодно использовать ее для отопления жилых обособленных зданий, например, коттеджей, дач, т.е. вообще любых зданий, расположенных как в городской, так и в сельской местности.

Также системы с естественной циркуляцией воды используют там, где не желателен шум и вибрация, создаваемых циркуляционными насосами, это касается жилых домов, где люди особенно ценят тишину и покой, а также особых производственных зданий, например, измерительных лабораторий.

Надо только четко понимать, что система водяного отопления с естественной (еще ее называют «гравитационной») циркуляцией будет тем эффективней работать, чем выше оборудованный ей дом. В высоких зданиях гидростатическое давление в вертикальных частях системы может достигать значений, соизмеримых с давлением, создаваемым насосом. Это связано со свойством воды передавать давление, создаваемое на ее поверхности, по всему объему, каждой точке системы.

Наилучшим образом данный эффект иллюстрирует знаменитый опыт Блеза Паскаля (1648 г.): в наполненную до краев закрытую бочку он вставил тонкую трубку диаметром 1 см 2 длиной 5 м, поднялся на второй этаж и вылил в трубку кружку воды. Давление внутри бочки из-за этого повысилось настолько, что бочку просто разорвало.

Принципиальная схема системы отопления с естественной циркуляцией воды

Как известно из законов физики, при нагревании все тела расширяются, т.е. их плотность уменьшается. Это относится и к воде, хотя именно у воды имеется отклонение от этого закона. При 4 °C вода имеет наибольшую плотность — 1000 кг/м 3 , а при охлаждении ниже этой температуры и при нагревании выше нее плотность падает. Мы будем рассматривать случай нагревания воды выше 4 °C, значит, плотность воды будет падать, побуждая ее подниматься вверх. График зависимости плотности воды ρ от температуры t показан в табл. 1 и на рис. 1. При нагревании воды от 4 до 100 °C плотность воды уменьшается от 1000 до 958,4 кг/м 3 , что составляет 4 %, а в отопительных системах при нагреве воды от 50 до 95 °C изменение плотности составляет 2,5 %. Вот на этих-то, казалось бы, небольших процентах и держится вся система естественной циркуляции воды системы отопления.

Теплогенератор или теплообменник находится внизу, нагретая более легкая жидкость поднимется вверх, а на ее место поступает более холодная. Это принципиальное для отопления явление мы наблюдаем ежедневно, нагревая воду в чайнике или кастрюле. Здесь на пользу человека работают три закона физики: закон земного притяжения, закон расширения тел при нагревании и закон неразрывности струи. Схема естественной системы водяного отопления выглядит следующим образом: источник тепла (например, котел), теплопровод (трубы), расширительный бак и отопительные приборы (радиаторы).

Такая система будет работать непрерывно, пока котел нагревает воду. Нагретая вода поднимается по трубам вверх, а, дойдя до верхней точки, стекает вниз, отдавая тепло и охлаждаясь. Расширительный же бак служит для компенсации расширения воды. Такую систему принято называть «система с верхней разводкой».

Сравнение систем с естественной и принудительной циркуляцией

Электрический циркулярный насос можно включать или не включать в цепь системы водяного отопления. В чем разница для потребителя?

Еще раз отметим, что система водяного отопления с естественной циркуляцией тем выгоднее, чем выше здание. В высоких зданиях гидростатическое давление в вертикальных частях системы может достигать значений, соизмеримых с давлением, создаваемым насосом. Это принципиальное свойство систем с гравитационной системой водяного отопления накладывает и некоторые ограничения на область ее применения, а именно, в малоэтажных зданиях радиус действия ее составляет примерно 20 м по горизонтали, т.е. отапливаемая площадь каждого этажа составляет от 400 до 1200 м 2 в зависимости от места расположения котла.

Второе отличие (оно же и преимущество) гравитационной системы по сравнению с системой с насосом состоит в относительной простоте обслуживания систем с естественной циркуляцией воды и в ее долговечности. Она может прослужить 40-50 лет без всякого вмешательства, нужно лишь периодически контролировать уровень воды в расширительном баке.

Еще одно преимущество гравитационной системы заключается в хорошем стабильном режиме отопления помещений, что объясняется явлением количественного саморегулирования. При изменении температуры воздуха в помещении (например, похолодание, ветреная погода и т.п.) система сама начинает повышать скорость течения воды и выравнивает температуру.

Как это происходит? Очень просто: если понизилась температура окружающего воздуха при постоянной температуре воды в котле, то увеличится разность температур, следовательно, увеличится и разность плотностей воды, а, значит и разность давлений. Под увеличенным давлением вода будет циркулировать быстрее, и количество поступающего в помещение тепла увеличится. И наоборот, если стало жарко, то эффект саморегулирования сработает в сторону снижения поступающего тепла. Одновременное изменение температуры и количества протекающей воды обеспечивает такую теплоотдачу отопительных приборов, которые поддерживают ровную температуру в помещениях. Наконец, еще одно отличие гравитационных систем от систем с насосом заключается в необходимости использовать трубы большего диаметра, чтобы сила трения воды о стенки труб не сильно влияла на естественное ее течение. С этим связана и повышенные первоначальные капиталовложения в такую систему, во-первых, из-за покупки более толстых труб, и, во-вторых, из-за значительных трудозатрат при монтаже, который надо выполнять, пунктуально следуя схеме. Система не простит нарушения законов физики. Но вообще в конструкции гравитационной системы отопления нет ничего особенно сложного, автор лично знаком со многими владельцами частных домов, которые, не имея высшего строительного образования, самостоятельно выполнили монтаж несложной системы водяного отопления с естественной циркуляцией воды, аккуратно и тщательно собирая одно звено за другим.

Основные разновидностисистем отопления

По положению труб, объединяющих отопительные приборы по вертикали или по горизонтали, системы делятся на вертикальные и горизонтальные. А в зависимости от схемы соединения труб с отопительными приборами бывают системы одно и двухтрубные. В каждом стояке однотрубной системы приборы соединяют одной трубой, и вода протекает последовательно через все приборы. В двухтрубной же системе приборы отдельно присоединяют к двум трубам — подающей и обратной, а вода протекает через каждый отопительный прибор независимо от других.

В данной статье рассматривается открытая однотрубная вертикальная система водяного отопления с естественной циркуляцией воды и отопительным котлом в качестве теплогенератора.

Гидростатическое давление, создаваемое в системеводяного отопления

Согласно законам гидродинамики, давление на двух разных уровнях воды будет разным, оно отличается на величину, численно равную весу вертикального столба жидкости, заключенного между этими уровнями, с площадью сечения, равной единице. Рассмотрим сначала случай системы, заполненной водой с одинаковой температурой. Формула для расчета давления была получена Паскалем и выглядит так:

p 2 = p 1 + ρgh, (1)

где p 2 — давление в нижней точке; p 1 — давление в верхней точке; ρ — плотность воды, равная приблизительно 1000 кг/м 3 ; g — ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с 2 ; h — высота водного столба, м. Напомним, что давление — это тоже сила, а именно, физическая величина, характеризующая состояние сплошной среды и, соответственно, численно равная силе, действующей на единицу площади поверхности .

Давайте оценим, какое же дополнительное давление p может создать столб жидкости в трехэтажном доме высотой h, например, 8 м, т.е. рассмотрим случай, когда расширительный бак (верхняя точка системы) находится на высоте 8 м относительно котла. Тогда гидростатическое давление столба жидкости будет равно:

p ст = ρgh = 1000 кг/м 3 × 9,8 м/с 2 × 8 м = 78 400 Па ≈ 0,8 атм. Итак, как видно из расчета, гидростатическое давление столба воды трехэтажного дома чуть менее атмосферного давления (1 атм = 101 326 Па, ).

Гидродинамическое давление при движении воды в трубах

В системе отопления вода не стоит на месте, а течет. Это означает, что имеется гидродинамическая составляющая давления. Рассчитаем ее и сравним со статическим давлением. При установившемся движении потока воды полное давление по уравнению Бернулли составит:

где p — давление, Па; ρ — плотность воды, кг/м 3 ; g — ускорение свободного падения, м/с 2 ; h — расстояние от оси потока воды до плоскости сравнения, м; v — скорость движения воды в потоке, м/с; ρgh — гидростатическое давление, Па. Оценим обе составляющие. При скорости v = 1,5 м/с имеем ρv 2 /2 = 1091 Па.Возьмем перепад высот 1 м, для него гидростатическое давление составит:ρgh = 1000 × 9,8 × 1 = 9800 Па. Мы видим, что даже при небольшой высоте в 1 м гидродинамическое давление почти в 10 раз меньше гидростатического, а для трехэтажного дома это значение превышает 78 000 раз. Поэтому гидродинамическим давлением можно пренебречь, что существенно упрощает расчеты.

Давление с учетом нагрева воды в котле

В системе отопления вода не просто течет, а еще и нагревается котлом. Рассчитаем гидростатическое давление в системе водяного отопления с нагреваемой водой. Что изменилось в этом случае по сравнению с ранее рассмотренным? Изменилась температура воды. Следовательно, изменится и давление воды в системе. Это очень важный факт! Покажем, как влияет нагрев воды на давление в системе. Обозначим точку выхода горячей воды буквой «г», температуру воды обозначим t г, плотность воды, соответственно, ρ г (рис. 2). Горячая вода проходит по системе вверх, охлаждается и стекает вниз.

Обозначим точку охлаждения буквой «о», температуру и плотность воды, соответственно, t о и ρ о. Точка «о» расположена, разумеется, выше точки «г». Максимальное гидростатическое давление в стояке с горячей водой, согласно закону Паскаля, описанному ранее в (1), будет равно:p г = g(ρ г h 1 + ρ г h 2) + p атм, (2)где h 1 — высота столба жидкости до верхней магистрали; h 2 — высота столба жидкости от верхней магистрали до поверхности воды в расширительном баке; pатм — атмосферное давление, Па. Аналогично определяется давление в точке «о»:p о = g(ρ о h 1 + ρ о h 2) + p атм. (3)Поскольку плотность холодной воды больше, чем горячей, т.е. ρ о > ρ г, сравнение формул (2-3) показывает, что давление в холодном стояке будет больше, т.е. p о > pг. Это различие в значениях давления и вызывает циркуляцию воды в системе отопления. Естественным циркуляционным (гравитационным) давлением pе называется разница между давлением столба холодной и горячей воды. Вычитая (2) из (3), получим самую главную в этой статье формулу естественного циркуляционного давления, создающего движение в системе отопления:p е = p о - p г = gh 1 (ρ о - ρ г).В общем виде естественное циркуляционное давление в системе водяного отопления равняется: p е = gh(ρ о - ρ г), (4)где h — расстояние между центрами охлаждения и нагревания воды.

Под действием этого давления и происходит циркуляция воды в системе, при этом давление уравновешивается потерями давления на преодоления сил трения воды о стенки системы отопления.

Заметим характерную особенность данной системы отопления: гидростатическое давление в точке присоединения магистральной трубы к трубе расширительного бака всегда постоянно и равно ghρ г. А сама эта точка называется «точной постоянного давления» или «нейтральной точкой» рассматриваемой системы отопления.

Как видно, гидростатическое давление во всех остальных точках системы при циркуляции воды изменяется следующим образом: перед точкой охлаждения оно увеличивается, а после точки охлаждения — уменьшается. При циркуляции воды в замкнутом контуре гравитационной системы отопления гидростатическое давление изменяется во всех точках, за исключением одной точки присоединения в системе трубы расширительного бака.

Расчет естественного циркуляционного давления через плотности воды

В предыдущем разделе мы получили формулу (4) для расчета давления воды в системе отопления с естественной циркуляцией.

Но для более полного расчета циркуляционного давления необходимо учитывать радиаторы и подводящие трубы. Нагревание и охлаждение воды создает неоднородное распределение ее плотности. Постепенное охлаждение воды в подводящих трубах сменяется быстрым охлаждением в отопительных приборах (радиаторах). Общее давление будем рассчитывать как сумму двух величин: давления Δp р, образующегося вследствие охлаждения воды в радиаторах, и давления Δp тр, вызываемого охлаждением воды в трубах:Δp е = Δp р + Δp тр. (5).

В большинстве случаев первое слагаемое является основным по значению, а второе — дополнительным. В одноэтажных же зданиях основным является второе, т.е. давление, вызываемое охлаждением воды в трубах.

Для расчетов обычно используют среднюю величину температуры на однородном участке тепловой сети. Для этого вводится такое понятие как «центр охлаждения теплоносителя». Тогда можно предположить для расчетов, что система отопления состоит из участков с одинаковой температурой, и температура меняется не постепенно по трубе или в радиаторе, а скачкообразно. Изменение температуры происходит в центрах охлаждения. При этом гидростатическое давление также меняется скачком в этих центрах, а на остальных участках остается постоянным.

Используя такой подход, покажем, как рассчитать естественное давление для однотрубной системы отопления. Для примера рассмотрим трехэтажный дом. Аналогично можно рассчитать и систему на любое количество этажей. На рис. 3 показана схема вертикальной однотрубной системы водяного отопления с верхней разводкой для трехэтажного дома.

Получим значение циркуляционного давления с использованием метода условных центров нагревания и охлаждения воды в трубах. Сами центры находятся на разной высоте относительно плоскости отсчета.

Сначала напишем расчетную формулу для гидростатического давления p1 в главном стояке. Высоту стояка примем равной h 1 + h 2 + h 3 , не считая части стояка выше условного центра охлаждения верхнего прибора О 3 , где температура воды принята равной температуре воды в главном стояке. Тогда давление составит p 1 = gρ г (h 1 + h 2 + h 3), где ρ г — плотность горячей воды в системе.

Гидростатическое давление в рабочих стояках с учетом тех же высот при плотностях воды на этажах, соответственно, ρ o , ρ 1 и ρ 2 составит: p 2 = g(ρ о h 1 + ρ 1 h 2 + ρ 2 h 3). Естественное циркуляционное давление в вертикальной однотрубной системе с верхней разводкой, возникающее вследствие охлаждения воды в приборах, определяется как разность гидростатического давления в рабочих и главном стояках:

Δp = g.

Из уравнения видно, что для получения естественного давления следует вертикальное расстояние от центров охлаждения и нагревания до плоскости отсчета умножать на разности плотности воды после и до каждого центра, считая по направлению движения воды. Кстати, из этого же уравнения следует, что в системе отопления с верхней разводкой естественное циркуляционное давление Δp всегда больше, чем в системе с нижней разводкой, за счет увеличения вертикального расстояния от центра охлаждения в верхней магистрали до центра нагревания.

Таким образом, мы получили расчетную формулу для определения давления на основании известных высот этажей и известных средних плотностях воды на этажах. На практике удобнее вести расчеты не через плотность воды, а через значения температуры воды на этажах. Об этом следующий раздел.

Расчет естественного циркуляционного давления через значения температуры воды ****

Потребителю и проектировщику удобно оперировать значениями температур при расчетах давления. Для этого надо в уравнении (6) выразить плотности воды через температуру. На рис. 1 показан график зависимости плотности от температуры. Для расчетов вполне можно считать эту зависимость линейной с коэффициентом K [кг/(м2⋅°C)], представляющим собой, по сути, среднее уменьшение плотности при увеличении температуры воды на 1 °C:

Этот коэффициент нетрудно вычислить. Например, взяв температуры из наиболее широко используемого диапазона температур tг = 95 °C и tо = 70 °C, получим K ≈ 0,64 кг/(м2⋅°C).Тогда уравнение (6) будет выглядеть следующим образом:Δp = gК.

Итак, зная температуры воды на этажах и высоту этажей, можно рассчитать естественное циркуляционное давление в системе. Высоту проектировщик обычно знает. Расчету температур посвящен следующий раздел, поскольку температура зависит от расхода воды в системе отопления и тепловой мощности.

Расход воды в системе отопления

Расход воды, т.е. количество воды, протекающее через систему в единицу времени, напрямую связано с количество тепла, которое мы хотим получить. Как известно из законов теплопередачи , количество тепла Qm [Дж], которое отдает вода при охлаждении от tг до to составляет:Qm = cm(tг - to), (8)где m — масса воды, кг; с — удельная теплоемкость воды (4178 Дж/(кг⋅°C) ).

При проектировании системы отопления оперируют обычно мощностями [Вт], т.е. количеством тепла, отдаваемым в единицу времени: Поэтому разделив обе части уравнения (8) на время τ, получим соотношение:Q = cG(tг - to), (9)где G = m/τ — расход воды, кг/с; Q — тепловая мощность системы отопления, Вт; tг и to — температуры подающей горячей и обратной охлажденной воды в системе отопления, °C.

Отсюда: Реальный расход воды в стояке Gст при заданном теплопотреблении, температуре воды и типе отопительных приборов определяется по формуле, аналогичной предыдущей, но с введением коэффициентов:где Qст — тепловая нагрузка стояка, равная суммарной теплопотребности помещений; β1 — поправочный коэффициент, учитывающий теплоотдачу дополнительной площади, принимаемой при установке отопительных приборов за счет округления сверх расчетной площади теплопередачу через дополнительную площадь приборов, принятых к установке; β2 — поправочный коэф фициент, учитывающий дополнительные теплопотери вследствие размещения отопительных приборов у наружных ограждений.

Из полученного соотношения (10) видно, что расход воды в однотрубном стояке прямо пропорционален тепловой нагрузке стояка и обратно пропорционален расчетному перепаду температуры воды в стояке Δtст.

Пример расчета расхода воды

Допустим, мы распределили тепловую нагрузку отопительных приборов на трех этажах дома, включая коэффициенты β1 и β2 таким образом: Q1 = 1100 Вт, Q2 = 900 Вт, Q3 = 1400 Вт.

Зададим также температуру подающей горячей воды tг = 95 °C и обратной охлажденной воды tо = 70 °C, K = 0,64 кг/(м3⋅°C). Общая тепловая нагрузка Gст равна сумме нагрузок на всех этажах:Qст = 1100 + 900 + 1400 = 3400 Вт.Подставляя эту величину в формулу (10), получим Gст [кг/с]:

На практике удобно пользоваться единицами измерения расхода кг/ч.

Примечание: поскольку в часе 3600 секунд, для перевода в кг/ч полученную величину надо умножить на 3600. Таким образом, получаем расход воды, который ожидается в рассчитываемой системе отопления трехэтажного дома: Gст = 0,032 × 3600 ≈ 117 кг/ч.

Заметим, если температура охлажденной воды в системе будет ниже, то расход уменьшится. Эту ситуацию иллюстрирует табл. 2 и рис. 4. Например, при температуре охлажденной воды 50 °C расход снизится до 65 кг/ч. Для случая tо = 40 °C расход составит 53 кг/ч.

Аналогично можно проанализировать понижение температуры подающей линии, что вызывает увеличение расхода (табл. 3 и 4).

Температура воды на участках отопительной системы

Зная расход воды, можно теперь рассчитать и температуры на всех участках стояка. Начнем считать сверху. Для этого сначала воспользоваться формулой (9) для всего стояка и для верхнего этажа (в данном примере это третий этаж):Qст = cG(tг - to), (12)Q3 = cG(tг - t3). Разделим одно уравнение на другое:откуда после несложных преобразований получим: Аналогично рассчитывается температура следующего этажа: В общем виде температура воды на iм участке однотрубного стояка будет равна:где ∑Qi — суммарная тепловая нагрузка всех отопительных приборов на стояке до рассматриваемого участка, считая по направлению движения воды. Воспользовавшись формулой (12) и выражая разности температур (tг - tо) через тепловые нагрузки и расход воды в стояке получим: В общем виде:

Пример расчета температуры воды

Определим температуру воды на участках стояка для отопительной системы дома с теми же параметрами, что и в предыдущем примере для случая tг = 95 °C и tо = 50 °C. Расход воды в этом случае равен 65 кг/ч (табл. 2). Подставляя эти величины в расчетные формулы (13) и (14) получим значения температур [°C]:

Здесь введен множитель 3600 для пересчета расхода обратно из кг/ч в кг/с.

Температура воды в системе нижнего этажа принята равной температуре на входе в котел, т.е. t1 ≈ 50 °C.

Итак, мы получили все три значения температур воды на всех трех этажах.

Эти примеры показывают, как несложным способом с помощью простых арифметических действий можно рассчитать температуры участков для конкретного случая.

Расчет естественного циркуляционного давления

Зная значения температур, можно теперь рассчитать и естественное циркуляционное давление по формуле (7). Сразу поясним, что этот расчет мы ведем для того, чтобы убедится, что данное давление способно «продавить» воду в планируемой системе, т.е. преодолеть силу трения воды о стенки трубопровода. Приведем пример расчета.

Пример расчета циркуляционного давления

Определим естественное циркуляционное давление для случая tг = 95 °C и tо = 50 °C. По формуле (7), подставляя конкретные величины, а именно g = 9,8 м/с2, K = 0,64, t2 = 65 °C, t3 = 76,5 °C, получим:Δp = gK = 9,8 × 0,64 ×× ≈ 9,8 × 0,64 × (55,5 ++ 90 + 90) ≈ 1480 Па.

На практике температуру воды на входе в котле можно опустить до 40 °C, и в этом случае естественное давление будет выше. Аналогично считая расход и температуру на этажах, можно получить результаты для различных случаев (табл. 2). Читатель без труда и с интересом сам может проделать подобные расчеты для своей системы, чтобы узнать, какое же давление ожидается для конкретных входных величин, а именно, теплопотребления на всех этажах, высоты всех этажей и температуры на входе и выходе из котла. В нашем примере мы получили, что давление в системе за счет разницы в плотности горячей и холодной воды составляет чуть менее полутора тысяч паскаль. Возникает естественный вопрос: много это или мало? Хватит ли этого давления для того, чтобы прокачать воду в системе?

Размеры трубопровода-системы отопления

Все описанные ранее расчеты давления выполнялись для того, чтобы понять, сможет ли давление воды преодолеть силу трения воды о стенки труб. Поэтому при расчетах реальных систем учитывают силу трения воды о стенки трубопровода или, как это принято в строительных расчетах, потери давления в трубах. При этом используют такую характеристику как «среднее значение потери давления на единицу длины» Rед. Зная эти потери, можно выбрать диаметр труб, исходя из принятого расхода воды и среднего ориентировочного значения удельной линейной потери давления.

При гидравлическом расчете потери давления на участке Δpуч определяются по формуле Дарси-Вейсбаха, известной из курса гидравлики : где λ — коэффициент гидравлического трения; l и d — длина и диаметр трубы; ρ — плотность воды; v — средняя скорость течения жидкости.

Из формулы видно, что потери давления пропорциональны квадрату скорости потока v и обратно пропорциональны диаметру трубы d.

Строителями и проектировщиками составлены специальные таблицы удельных потерь для разных случаев . Для примера в табл. 4 приведены значения удельных линейных потерь давления для температур горячей воды в диапазоне 95-105 °C и холодной 70 °C.

Для расчета удельных потерь на трение удобно пользоваться также номограммами (рис. 5) . Исходя из расчетной величины расхода теплоносителя G и планируемого диаметра трубы можно определить расчетные потери на трение. Для этого надо найти на вертикальной оси значение G, выраженное в кг/м3, затем провести горизонтальную черту до линии, соответствующей диаметру трубы. От точки пересечения этой черты с линией надо провести вертикальную линию вниз до оси удельных потерь.

Пример выбора диаметра трубопровода

В рассматриваемом нами примере системы отопления трехэтажного дома для G = 65 кг/ч выберем трубопровод диаметром 20 мм и проанализируем, какие удельные потери давления на трения нас ожидают. Найдя на вертикальной оси число 65 (оно находится почти в самом низу, т.к. расход небольшой) и проведя горизонтальную черту до линии диаметра 20 мм, получим точку пересечения. От нее проводим вертикальную линию и видим, что потери составят около 3,8 Па/м. Это немного! Для естественного давления 1480 Па, которое мы получили ранее, находим, что длина труб может составить 1480/3,8 ≈ 389,5 м. Реально для такого здания общая длина труб составит около 200 м. То есть, в данном примере естественного давления с запасом хватит, чтобы сконструировать систему отопления на основе трубопроводов диаметра 20 мм. А вот труба 15 мм не подойдет: по номограмме можно увидеть, что потери давления составят около 12 Па/м, и максимальная длина трубопровода должна быть почти в два раза короче необходимой, а именно, 1480/12 ≈ 123 м.

Таким образом, в данной статье мы вместе с читателем проследили, как можно рассчитать систему отопления с естественной циркуляцией воды. Задав теплопотребление, высоту этажей, температуру на входе и выходе из котла, мы получили давление и оценили возможные размеры трубопроводов: входной диаметр и общую длину.

1. Методика расчета электрической мощности электрокотельных, используемый для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых домов и общественных зданий и сооружений Минтопэнерго РФ 14.11.1996.
2. Интернетпортал «Википедия».
3. Исаченко В.П. и др. Теплопередача: Учебник для ВУЗов. Изд. 3е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1975.
4. Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление. Учебник для ВУЗов. - М.: Стройиздат, 1991.
5. Физическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1988.
6. Покотилов В.В. Пример гидравлического расчета горизонтальной однотрубной системы отопления с применением радиаторных узлов «ГЕРЦ3000» // Журнал «С.О.К.»

Никто не верит в теории, кроме теоретиков.
Однако все верят в эксперименты, кроме экспериментаторов.
Научный фольклор

Для вертикальной структуры природных водоемов (озер, водохранилищ, морей и океанов) умеренных широт характерен верхний перемешанный слой, ниже которого располагается скачок плотности - пикноклин. Последний моряки-подводники иногда называют жидким грунтом. Представление о механизмах формирования перемешанного слоя и пикноклина важно не только для решения теоретических, но и для многих прикладных задач, таких как прогноз погоды, рыбный промысел, подводная навигация. Характер экологической системы озера часто зависит от того, существует ли в середине лета перемешанный слой или нет. Принято считать, что перемешанный слой и, соответственно, пикноклин, образуются и эволюционируют под действием таких механизмов вертикального перемешивания, как мелкомасштабная турбулентность, гравитационная конвекция, обрушение поверхностных и внутренних волн, а также... циркуляции Ленгмюра.

Наряду со смерчем и шаровой молнией, циркуляции Ленгмюра остаются одними из самых загадочных и до конца не понятых гидрометеорологических явлений. Несмотря на то, что с момента их первого описания прошло почти семьдесят лет, механизм возникновения не вполне ясен, а предложенные теории слишком сложны для проверки по данным наблюдений. Да и сами они противоречивы и не систематизированы. Например, отсутствуют экспериментально установленные зависимости между параметрами циркуляции и фоновыми гидрометеорологическими условиями (скоростью ветра, характеристиками волн, глубиной перемешанного слоя и/или места и др.). Нами была предпринята попытка установить вероятностные закономерности для параметров циркуляции Ленгмюра на основе анализа собственных полевых измерений, а также данных, опубликованных в мировой литературе. О присутствии циркуляции свидетельствуют полосы пены, выстроенные вдоль направления ветра.

Ветровые полосы и поперечные циркуляции

Тот, кто наблюдал за поверхностью моря или озера в ветреную погоду, возможно, обращал внимание на параллельные полосы, выстроенные примерно в направлении ветра. В эти так называемые ветровые полосы (от англ. wind-streaks ) сбивается пена, водоросли, фито- и зоопланктон, воздушные пузырьки, сухие листья и другие мелкие плавающие предметы (рис. 1). Расстояние между соседними полосами может меняться от десятков сантиметров до десятков и, возможно, сотен метров. Полосы становятся заметны, когда скорость ветра превышает 3–5 м/с, а ветер возбуждает в воде течение, которое тоже называют ветровым. В некоторых ситуациях полосы более заметны, иногда менее. Это может зависеть, например, от устойчивости пены, которая, в свою очередь, связана с присутствием поверхностно-активных веществ, температурой воды и др. Иногда, но далеко не всегда, направление полос отклоняется от направления ветра на небольшой угол.

Оказалось, что ветровые полосы маркируют особые упорядоченные циркуляции, развивающиеся в верхних слоях водоемов. Вблизи поверхности частицы воды движутся (конвергируют) в направлении ветровых полос и там опускаются, образуя так называемый даунвеллинг (от англ. down welling ). Между полосами частицы, наоборот, поднимаются, образуя апвеллинг (от англ. upwelling ) и дивергируют (рис. 2). На глубине проникновения циркуляции картина меняется на противоположную. Таким образом, две соседние ветровые полосы (полосы конвергенции) ограничивают двумерную циркуляционную ячейку, состоящую из двух разнонаправленных вихрей. Не зря же эти циркуляции иногда называют поперечными циркуляциями в ветровом течении. Скорости опускания в ветровых полосах, достигая необычайно больших значений, ~10 см/с, превосходят скорости подъема. Поэтому вихри в циркуляционной ячейке асимметричны. Кроме того, каждая частица в ячейке имеет и продольную составляющую скорости, направленную вдоль ветра. Причем в полосах она больше, чем между ними (рис. 2). Таким образом, частицы движутся по спиралям. Важная особенность циркуляции заключается в том, что вслед за внезапно изменившимся направлением ветра в течение нескольких минут полосы также перестраиваются вдоль этого нового направления. Таким образом, характерный масштаб времени для циркуляции составляет всего несколько минут.

После усиления ветра очень быстро возникают ветровые полосы, маркирующие появления циркуляции Ленгмюра. Время, необходимое для их генерации, варьирует от нескольких секунд в лаборатории до нескольких минут в открытом океане. Причем оказалось, что между значением времени и поперечным расстоянием между возникающими полосами конвергенции существует степенная зависимость. Это отчетливо видно на рис. 3, где собраны результаты измерений различных авторов, время и поперечное расстояние показаны в безразмерном виде, а при переходе к безразмерным переменным в качестве характерных нами были взяты масштаб длины и период поверхностных ветровых волн.

Эксперименты Ленгмюра и теоретические исследования

Теперь пора сделать небольшое отступление. Капитан Джеймс Кук, лорд Чарльз Дарвин, сэр Конан Дойл, профессор Ирвинг Ленгмюр. Что общего между этими достопочтенными джентльменами, кроме того, что все они прекрасно владели английским? А то, что каждый из них хотя бы раз в своих произведениях описывал ветровые полосы на поверхности моря. Например, Кук, который, по некоторым сведениям был еще и пиратом, - в рапортах Его Величеству о проделанной в море работе, Дарвин - в своей монографии о знаменитом плавании на «Бигле», Дойл - в захватывающем рассказе «Полосатый сундук». И только Ленгмюр, американец французского происхождения и лауреат Нобелевской премии по химии 1932 г., не ограничился простым созерцанием и описанием. В 1938 г. он опубликовал пионерскую статью , в которой изложил серию своих блестящих по простоте полевых экспериментов на оз. Джордж (штат Нью-Йорк, США), показавших, что ветровые полосы ассоциируются с поперечными циркуляциями в ветровом течении именно с такими свойствами, которые были описаны выше. Впоследствии эти циркуляции и получили его имя. Кстати, Ленгмюр почти всю свою жизнь проработал в лаборатории «Дженерал Электрик».

С момента появления его работы прошло около 70 лет. За это время опубликовано около 300 теоретических, экспериментальных и лабораторных работ, включая два десятка диссертаций, посвященных циркуляциям (рис. 4). Однако до сих пор механизм их возникновения неясен. В истории исследования циркуляции Ленгмюра можно выделить несколько этапов. Рассмотрим их коротко.

Если вышележащие частицы жидкости становятся тяжелее нижележащих (например, в результате охлаждения), они опускаются, а на их место поднимаются более легкие. Это - гравитационная конвекция. Часто она происходит в форме так называемых шестигранных ячеек Бенара. По краям такой ячейки жидкость опускается, а в центре поднимается. Если на ячейки накладывается, например, ветровое течение, то ячейки выстраиваются вдоль течения и образуют полосы конвергенции, напоминающие ленгмюровские. Не удивительно, что в середине 40-х годов прошлого столетия А. Вудкок, в то время капитан дальнего плавания, а впоследствии профессор физической океанографии в Гавайском университете, предположил , что циркуляции Ленгмюра и есть не что иное, как упорядоченная гравитационная конвекция. И такой взгляд в то время широко разделялся океанологической общественностью. Однако к началу 70-х годов стало ясно, что не все так просто. Оказалось, что циркуляции Ленгмюра возникают и при нагревании поверхности водоема, и, следовательно, при отсутствии гравитационной конвекции.

При достаточно длительном и устойчивом ветре в верхних слоях водоемов может развиваться так называемое экмановское ветровое течение. В начале 60-х годов прошлого века профессор Мэрилендского университета А. Фаллер показал , что при некоторых условиях неустойчивость экмановского ветрового течения проявляется в форме поперечных циркуляции, очень похожих на ленгмюровские (рис. 4). Однако этот механизм также был подвержен серьезной критике. Оказалось, что характерный масштаб времени экмановской неустойчивости - несколько часов , тогда как циркуляции Ленгмюра, как мы знаем, - несколько секунд или минут. Вспомним о быстрой перестройке ветровых полос при смене направления ветра!

Воздействуя на поверхность водоема, ветер возбуждает два неразрывно связанных явления - течение и волны. Неудивительно, что в середине 70-х годов прошлого столетия профессора А. Крэйк и С. Лейбович предложили и в серии последующих работ развили механизм, рассматривающий циркуляции Ленгмюра как результат сложного взаимодействия ветрового течения и поверхностных гравитационных ветровых волн (рис. 4). Хотя этот механизм, получивший название «теория Крэйка-Лейбовича», выглядит очень привлекательным, он остается слишком сложным и запутанным для проверки по экспериментальным данным.

Экспериментальные исследования

А что же экспериментальные исследования? Здесь тоже свои проблемы. В природных водоемах обычно одновременно происходит множество гидродинамических процессов, зачастую имеющих близкие пространственно-временные масштабы. Например, близкие к циркуляциям Ленгмюра характерные масштабы (метры, минуты) могут иметь внутренние волны или сейши. Однако океанологическая или лимнологическая аппаратура измеряет в водоеме некоторый интегральный сигнал. Поэтому серьезнейшая проблема при натурных измерениях - «отфильтровать» сигнал полезный, а сделать это удается далеко не всегда. Кроме того, полевые исследования, в отличие от теоретических, требуют больших финансовых затрат. И, наконец, сами океаны, моря и озера тоже не всегда дружелюбны к ученым-экспериментаторам .

Надо сказать, что картину циркуляции, описанную Ленгмюром, за последующие годы удалось лишь немного расширить. Например, выяснилось , что циркуляции возникают вблизи поверхности, а затем развиваются в глубину. Иногда ветровые полосы смещаются в поперечном к ветру направлении, оставаясь параллельными ветру и друг другу . Возможно, это происходит, когда циркуляции Ленгмюра развиваются на фоне какого-либо крупномасштабного течения. В поле циркуляционных ячеек обнаружены групповые структуры, состоящие из различного количества ячеек , что очень напоминает групповую структуру ветрового волнения. Следует также отметить оригинальные исследования профессора С. Торпа и его коллег на оз. Лох-Несс . Установленные ими на дне озера акустические сонары позволили проследить облака пузырьков, образующиеся при разрушении волн, стягивающиеся в ветровые полосы и переносящиеся циркуляциями Ленгмюра в пределах верхнего перемешанного слоя (рис. 4). Примечательны также исследования доктора Р. Веллера с коллегами , а также последующие измерения с научно-исследовательской платформы «Флип». С помощью трехмерных измерителей течений, а также акустических сонаров им удалось непосредственно в океане измерить трехмерную структуру течений в циркуляциях Ленгмюра (рис. 4).

География натурных исследований циркуляции Ленгмюра довольно обширна (рис. 5). Однако сами натурные данные часто противоречивы и не систематизированы. Например, отсутствуют экспериментально установленные универсальные зависимости между параметрами циркуляции и фоновыми гидрометеорологическими условиями (скоростью ветра, характеристиками волн, глубиной перемешанного слоя или места и др.). Это обстоятельство затрудняет экспериментальную проверку теории Крэйка-Лейбовича.

Измерение поперечных размеров ленгмюровских ячеек

В наших исследованиях была сделана попытка восполнить один из пробелов, в частности на основе анализа экспериментальных данных выяснить некоторые закономерности изменчивости поперечных размеров циркуляционных ячеек Ленгмюра (поперечных расстояний L между соседними ветровыми полосами). Выбор именно этой характеристики объясняется тем, что она наиболее легко и надежно измеряемая характеристика циркуляций. Например, сравнительно несложно получить аэрофотографии поверхности обширной водной акватории, покрытой ветровыми полосами. По фотографии можно измерить поперечные размеры ячеек. А что же дальше? Дело в том, что поперечные размеры ленгмюровских ячеек каким-то пока не вполне понятным образом коррелируют с глубиной проникновения самих циркуляций и, следовательно, со степенью их воздействия на перемешанный слой. Поэтому было бы заманчиво, например, оценить степень такого воздействия на большой акватории по аэрофотографии ветровых полос на поверхности водоема.

Кстати, для полевых измерений серий последовательных поперечных расстояний между ветровыми полосами в современной океанологии и лимнологии используют два подхода. О первом мы уже упомянули. Это - аэрофотосъемка поверхности акватории. Однако этот метод требует не только значительных финансовых затрат, но и проведения «подсамолетных» измерений фоновых гидрометеорологических характеристик. Второй, чаще применяемый подход состоит в следующем. Научно-исследовательское судно движется с постоянной скоростью поперек поля ветровых полос. При этом измеряются не только фоновые гидрометеорологические условия, но и промежутки времени между последовательным пересечением очередной полосы. Затем по скорости судна и временным интервалам пересечении полос рассчитываются поперечные размеры циркуляционных ячеек.

В основу наших анализов было положено около 150 серий авторских «корабельных» измерений поперечных размеров циркуляционных ячеек на Ладожском озере. Каждая серия, сопровождавшаяся измерениями фоновых гидрометеорологических условий, содержит от нескольких сотен до полутора тысяч измеренных ячеек. Эксперименты проводились со второй половины 70-х до конца 80-х годов прошлого столетия. Но не будем о грустном. Все эти исходные данные были собраны в авторскую базу LANGMUIR-2 . Сюда же были добавлены результаты натурных измерений поперечных размеров циркуляционных ячеек, опубликованные в мировой литературе (рис. 5). Покажем некоторые результаты анализов собранных экспериментальных данных.

В некоторых гидрометеорологических кругах до сих пор бытует представление о циркуляциях Ленгмюра как об эпизодически встречаемом экзотическом явлении. Данные рис. 6, где показаны гистограммы повторяемости циркуляций Ленгмюра при различных скоростях ветра, опровергают такое представление. Отчетливо видно, что, во-первых, в промежутке скоростей ветра от штиля до шторма (18 м/с) средние вероятности возникновения циркуляции достигают 0.56–0.58. Во-вторых, эти вероятности близки как для морских, так и озерных условий. И, в-третьих, с увеличением скорости ветра вероятность того, что вы увидите циркуляции, возрастает, приближаясь к единице при скоростях ветра, превышающих 9 м/с. Наконец, рис. 6 показывает, что при слабых ветрах есть некоторый «докритический» режим, когда циркуляции Ленгмюра не возникают. К сожалению, отсутствуют сведения о «встречаемости» циркуляций Ленгмюра при очень сильных ураганных ветрах. Однако можно предположить, что при таких ветрах циркуляции разрушаются («надкритический» режим).

Даже при устойчивых фоновых гидрометеорологических условиях (например, скорости ветра и характеристик волнения) поперечные размеры циркуляционных ячеек Ленгмюра проявляют значительную изменчивость (рис. 7, вверху). Например, между ярко выраженными полосами на поверхности водоема часто заметны менее выраженные. Очевидно, полосы различной выраженности маркируют циркуляционные ячейки Ленгмюра различной интенсивности и различного размера. Поэтому при анализе поперечных размеров ячеек продуктивным оказывается аппарат вероятностного анализа. Его применение, в частности, показало, что, несмотря на значительную изменчивость размеров ячеек, всегда можно выделить некоторый доминирующий масштаб (рис. 7, внизу).

Кроме того, статистический анализ серий измеренных размеров ячеек, собранных в базе данных LANGMUIR-2, показал, что средний поперечный размер ячейки положительно коррелирует со среднеквадратическим отклонением размеров (рис. 8). Иными словами, отношение среднеквадратического значения поперечных размеров к среднему выдерживает некоторое соотношение - так называемый статистический коэффициент вариации, равный ~0.40–0.60.

Чрезвычайно полезным бывает знание статистического распределения исследуемой характеристики. Известно, например, что площади озер или размеры живых организмов подчиняются степенному распределению, а скорости ветра - распределению Релея. Любое статистическое распределение можно характеризовать статистическими моментами. Например, средним и среднеквадратическим значениями, коэффициентами эксцесса и асимметрии и др. Так вот, для 94 серий измеренных значений поперечных размеров циркуляционных ячеек, собранных в базе LANGMUIR-2, мы рассчитали статистическое распределение и соответствующие статистические моменты. При анализе результатов расчетов выяснились интересные особенности. Например, оказалось, что статистические распределения поперечных размеров ячеек Ленгмюра всегда характеризуются положительными значениями коэффициента асимметрии. Это значит, что наиболее вероятное значение размера ячейки всегда меньше среднего значения. Далее мы проверили, насколько близки «экспериментальные» статистические распределения к теоретическим с хорошо известными свойствами. При этом выяснилось, что размеры ячеек распределились в основном по логнормальному закону. Напомним, что при таком распределении логарифмы величин подчиняются нормальному или гауссову распределению.

Таким образом, в результате проведенных исследований удалось впервые выяснить некоторые статистические зависимости и свойства поперечных размеров циркуляционных ячеек Ленгмюра. Однако вернемся к эпиграфу нашей статьи. Почему же все верят в эксперименты, кроме экспериментаторов? А всё дело в том, что любое исследование, и экспериментальное не исключение, часто порождает больше вопросов, чем дает ответов. Почему, например, между средними поперечными размерами ячеек и их среднеквадратическим отклонением выдерживается некоторое соотношение? Почему в распределениях размеров ячеек преобладает логнормальное? Может быть, это как-то связано с изменением фоновых гидрометеорологических условий или нестационарностью самих циркуляций Ленгмюра? Каким образом связаны поперечные и вертикальные размеры циркуляционных ячеек Ленгмюра? И, наконец, каков механизм генерации циркуляций Ленгмюра? Все эти и многие другие вопросы ждут ответов.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.
Проект 01-05-б4049а, 05-05-б4494а и 05-05-90598-ННС.

Литература:

1. Langmuir I. // Science. 1938. V. 187. P. 119–123.
2. Woodcock А.Н. //J. Marine Res. 1944. V. 5. № 3. P. 196–205.
3. Fuller A.J. // J. Fluid Mech. 1963. V. 15. № 4. P. 560–576.
4. Craik A.D.D., Leibovich S. // J. Fluid Mech. 1976. V. 73. № 3. P. 401–426.
5. Scott J.T., Myer G.E., Stewart R., Walther E.G. // Limnol. Oceanogr. 1969 V.14. №4. P.493–503.
6. Дмитриева А.А., Рянжин С.В. // Вестник ЛГУ. 1976. Т. 18. № 3. C. 110–117.
7. Рянжин С.В. // Известия АН. ФАО. 1982. Т. 18. № 10. С. 814–820.
8. Thorpe S.A., Stubbs A.M. // Nature. 1979. V. 279 № 5712. Р. 403–405.
9. Wetter R.A., Dean P.Jr, Marra J., Price J.F., et al. // Science. 1985. V. 227. P. 1552–1556.
10. Ryanzhin S.V., Chu P., Karlin L.N., Kochkov N.V. Developing LANGMUIR-1 and LANGMUIR-2 - the Databases for a Study of Langmuir Circulation / Ed. A.Yu.Terzhevik. Proc. 7th European Workshop Physical Processes in Natural Waters. Petrozavodsk, 2003. P. 50–53.

Надо сказать, что внесший большой вклад в исследование циркуляции Ленгмюра и ныне здравствующий профессор Фаллер впоследствии сам публично отказался от предложенной им теории.

Возможно, поэтому ученые-экспериментаторы обычно не расстаются со своими натурными данными «без стонов». Чтобы убедиться в этом, попробуйте выпросить натурные данные у какого-нибудь гидробиолога!

Надёжная работа парового котла возможна при условии непрерывного отвода теплоты, передаваемой газами поверхности нагрева. Теплота отводится нагреваемой средой, т.е. водой, паром или пароводяной смесью. Хороший отвод теплоты нагреваемой средой обеспечивается при правильной организации циркуляции.

Циркуляция – многократное движение воды по замкнутому контуру.

Контур циркуляции – замкнутая система непрерывного движения воды и пароводяной смеси по трубам, подключённым к паровому и водяным коллекторам котла.

Непрерывное движение воды и пароводяной смеси в циркуляционном контуре водотрубного котла осуществляется вследствие разности их плотностей (естественная циркуляция ) или с помощью циркуляционных насосов (принудительная циркуляция ).

Контуры циркуляции бывают независимыми и смешанными . У независимого контура циркуляции опускные трубы обслуживают только свой контур, а у смешанного – опускные трубы питают водой подъёмные трубы нескольких контуров.

В водотрубном паровом котле (рис. 6.1) вода из пароводяного коллектора 4 по опускным трубам 2 и 5 , наиболее удалённым от топки и получающим меньше теплоты, поступает в водяные коллекторы 1 и 7 . Опускные трубы 5 являются обогреваемыми, 2 – необогреваемыми. Первые получают теплоту, идущую на подогрев воды, а вторые теплоту практически не получают. Трубы 6 конвективного пучка и трубы 3 экрана, воспринимающие больше теплоты, являются подъёмными – по ним движется в коллектор 4 образующаяся пароводяная смесь. В пароводяном коллекторе происходит разделение пара и воды, смешение питательной воды с котловой и организация поступления воды в опускные трубы. У большинства котлов все конвективные пучки труб подъёмные, а опускные необогреваемые трубы размещаются за первым рядом бокового экрана или в воздушных коробах фронта котла, т.е. вне топки.

Во вспомогательном огнетрубном котле и утилизационном газотрубном котле, относящихся к котлам с неорганизованной циркуляцией, процесс циркуляции осуществляется благодаря восходящим потокам на участках поверхностей нагрева наиболее обогреваемых и нисходящим потокам – на необогреваемых или слабообогреваемых участках.

Расход воды через циркуляционный контур превышает количество образующегося в нём пара.

Кратность циркуляции – отношение расхода циркулирующей воды к паропроизводительности контура:

Кратность циркуляции показывает, сколько раз должна пройти по контуру определённая масса воды, чтобы полностью превратиться в пар.

k ц = 20 – 70 в ГК

k ц = 20 – 40 в ВК

k ц = 2 – 10 в УК с принудительной циркуляцией.

Движущий напор циркуляции – разность масс столбов воды и пароводяной смеси соответственно в опускных и подъёмных трубах контура.

Высота подъёмной трубы складывается из экономайзерного участка h э (рис. 6.2), в котором вода, поступающая из водяного коллектора, доводится до кипения, и участка h п, называемого высотой паросодержащей части. На участке h п происходит парообразование и восходящее движение пароводяной смеси. Движущий напор зависит от высоты паросодержащей части и разности плотностей воды и пароводяной смеси, находящихся практически при одинаковой температуре.

Полезный напор циркуляции – разность между значениями движущего напора и сопротивлений движению в подъёмных трубах.

Скорость циркуляции – скорость входа воды в подъёмные трубы контура [т/ч]. В зависимости от расположения пучков труб по отношению к источнику теплоты значения скорости циркуляции составляют 0,3 – 1,5 м/с.

Застой циркуляции – замедление или прекращение движения пароводяной смеси вверх. Это явление возникает в случае неравномерного обогрева или загрязнения парообразующих труб, расположенных в одном ряду. При застое циркуляции в менее нагретых трубах образуется свободный уровень воды. По участку труб, расположенному выше свободного уровня, будет медленно двигаться пар, а не пароводяная смесь. Нормального отвода теплоты от стенки обогреваемой трубы не будет и произойдёт аварийный перегрев металла.

Опрокидывание циркуляции – явление, при котором в подъёмных трубах, получающих по сравнению с другими трубами ряда меньше теплоты, происходит выделение пара и его подъём с одновременным опусканием воды. Причины и последствия опрокидывания те же, что и при застое циркуляции.

В горизонтальных трубах и трубах с небольшим уклоном к горизонту возможно расслоение пароводяной смеси . При движении пароводяной смеси с небольшой скоростью пар, имеющий меньшую плотность, чем вода, поднимается и отделяется от воды, в результате чего возникает раздельное движение по трубе воды и пара. Это приводит к перегреву участков труб, омываемых паром. Расслоение пароводяной смеси усиливается с увеличением диаметра труб, снижением скорости движения среды, повышением давления пара.

Кавитация – явление, при котором во входном сечении опускной трубы происходит парообразование. Оно может наступить, если статическое давление в этом сечении окажется меньше давления в пароводяном коллекторе. При кавитации нарушается нормальное поступление воды в опускные трубы, следовательно, и в подъёмные. Образующиеся паровые пузырьки и их конденсация вызывают в трубах гидравлические удары, которые могут быть причиной образования трещин в трубах. Для предотвращения кавитации следует поддерживать уровень воды в пароводяном коллекторе не менее чем на 50 ммвыше верхней кромки входного сечения опускных труб.

С целью обеспечения надёжной циркуляции необходимо содержать в чистоте поверхности нагрева, не допускать резких колебаний давления пара, поддерживать нормальный уровень воды в пароводяном коллекторе, особенно при качке, а также не допускать модернизационных мероприятий без предварительной оценки надёжности циркуляции для нового варианта котла.

Естественная циркуляция

циркуляция теплоносителя в контуре реактора или другого аппарата, обусловленная не работой насоса, а разницей температур «низа» и «верха». За счет естественной циркуляции обеспечивается расхолаживание ядерного реактора на АС при аварийной потере электропитания собственных нужд АС.

Термины атомной энергетики. - Концерн Росэнергоатом , 2010

Смотреть что такое "Естественная циркуляция" в других словарях:

естественная циркуляция - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN natural circulation …

Естественная циркуляция теплоносителя циркуляция теплоносителя в водо водяном кипящем реакторе, осуществляемая за счет разности масс столба воды в кольцевом зазоре между корзиной и корпусом реактора и столба пароводяной смеси в активной зоне.… … Термины атомной энергетики

- (Circulation) 1. Движение газов и жидкостей по замкнутому контуру. Циркуляция. В зависимости от причин, ее вынуждающих, делится на Ц. естественную и Ц. принудительную. Ц. естественная является следствием различия в плотности (и температуры) в… … Морской словарь

естественная вентиляция Справочник технического переводчика

естественная вентиляция - Перемещение воздуха и его замещение свежим воздухом под действием ветра и/или перепада температуры. [ГОСТ Р МЭК 60050 426 2006] вентиляция естественная Вентиляция, при которой воздух поступает в помещение и удаляется из него за счёт разности… … Справочник технического переводчика

В шахтах (a. natural draught; natural ventilation; н. naturlicher Luftzug; ф. tirage d air naturel; и. ventilacion natural de aire) движение воздуха в шахтных выработках под действием гл. обр. разл. его плотности (в меньшей степени… … Геологическая энциклопедия

ESE на 110кВ Силовой трансформатор стационарный прибор с двумя или более обмотками, который посредством электромагнитной индукции преобразует систему переменного напряжения и тока в другую систему … Википедия

силовой трансформатор - Трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии. Примечание. К силовым относятся трансформаторы трехфазные и… … Справочник технического переводчика

Президент Джимми Картер покидает АЭС Три Майл Айленд после личного визита 1 апреля 1979 года … Википедия

ХОЛОДИЛЬНИКИ - ХОЛОДИЛЬНИКИ, сооружения для охлаждения и хранения скоропортящихся продуктов. Холодильник состоит: а) из охлаждаемых помещений или камер, куда помещаются охлаждаемые продукты, б) машинного и аппаратного отделения, где вырабатывается холод. Для… … Большая медицинская энциклопедия