Виды циркуляции теплоносителей в системах отопления

Система отопления с естественной циркуляцией

В системе с естественной циркуляцией движение нагретого теплоносителя происходит под действием гравитационной силы, которая возникает за счет разности плотности теплоносителя в подающих и обратных трубах. Плотность горячей воды меньше, чем холодной, значит, она легче.

Разность плотности охлажденной и нагретой воды создает в системе водяного отопления гидростатический напор, который заставляет воду двигаться от теплогенератора к отопительным приборам и в обратном направлении.

Иными словами горячая вода как более легкая вытесняется охлажденной водой.

Нагретая в отопительном котле вода становится легче и поднимается по подающей магистрали (главному стояку) вверх, откуда поступает в разводящие подающие стояки, поставляющие воду к приборам отопления.

По пути вода остывает и становится тяжелее. От отопительных приборов охлажденная, или обратная, вода спускается вниз по обратным стоякам и общей обратной магистрали в отопительный котел, где вытесняет более легкую нагретую воду.

За счет разности температур нагретой и обратной воды циркуляция имеет непрерывный характер, обеспечивающий бесперебойную работу отопительной системы.

Величина циркуляционного напора в системе отопления с естественной циркуляцией воды зависит от двух факторов:

Разность температур нагретой и охлажденной воды:

Обычно максимальная температура горячей воды в системе водяного отопления составляет 95, а охлажденной - 70С.

- Во избежание снижения температуры в подающей магистрали (главном стояке) и, как следствие, падения гидростатического давления в системе, ее необходимо защитить теплоизоляционным материалом.

Наоборот, обратные трубопроводы следует прокладывать без теплоизоляции. Только в этом случае обратная вода будет охлаждаться и создавать необходимый циркуляционный напор.

Расположение приборов отопления по отношению к теплогенератору (водогрейному котлу):

Общая закономерность такова: чем выше находится отопительный прибор над водогрейным котлом, тем больше циркуляционное давление.

- Это значит, что циркуляционное давление для отопительных приборов, расположенных на втором этаже, будет больше, чем у приборов, находящихся на первом этаже загородного дома.

Именно поэтому в условиях водяного отопления верхние этажи прогреваются лучше, чем нижние. Отопительные приборы, находящиеся на одном уровне с водогрейным котлом или ниже его, нагреваются незначительно и поэтому оказываются неэффективными.

Наименьшее расстояние между центрами водогрейного котла и отопительного прибора на первом этаже должно составлять не менее 3 метров.

Отопительная система с естественной циркуляцией воды может быть с нижней или верхней разводкой (рис. 20).

Принцип действия обеих систем идентичен. Единственное различие – в расположении подающей магистрали.

Система водяного отопления с естественной циркуляцией воды обладает рядом достоинств:

Ровным распределением температуры воздуха в жилых помещениях, обеспечивающим комфортный микроклимат.

Причина высокой комфортности - в саморегуляции системы отопления: изменение температуры и плотности воды автоматически изменяет ее расход из-за колебаний изменения естественного циркуляционного давления;

Простотой устройства и эксплуатации системы отопления;

Отсутствием вибраций и шума, неизбежного спутника циркуляционных насосов;

Долговечностью отопительной системы (до 50 лет при условии грамотной эксплуатации).

Несмотря на перечисленные достоинства в настоящее время систему водяного отопления с естественной циркуляцией воды можно встретить только в деревнях.

В загородных же домах и коттеджах предпочитают использовать отопительные системы, функционирующие на базе циркуляционных насосов.

Непопулярность отопительной системы с естественной циркуляцией теплоносителя объясняется ее недостатками:

Большим диаметром труб и, как следствие, большим расходом строительных материалов;

Увеличенными затратами на монтаж отопительной системы;

Большими энергозатратами (включая непомерный расход топлива);

Замедленным включением системы отопления;

Невозможностью регулировать температуру воздуха в жилых помещениях;

Высокой вероятностью замерзания воды на участках трубопровода, проложенного в неотапливаемых помещениях;

Низкими эстетическими качествами (из-за труб большого диаметра).

В силу перечисленных недостатков отопительная система с естественной циркуляцией воды зачастую оказывается малоэффективной и экономически невыгодной.

Отопительная система с принудительной циркуляцией теплоносителя

В системе традиционного отопления с принудительной циркуляцией движение теплоносителя происходит под действием специального агрегата - циркуляционного насоса.

Насос обеспечивает постоянную циркуляцию теплоносителя по замкнутой отопительной системе. Прибор подключают к обратной магистрали, что способствует продлению срока службы деталей, взаимодействующих с нагретой водой.

К обратной же магистрали подсоединяют и расширительный бак, о котором речь пойдет ниже, в отдельной главе.

Использование циркуляционного насоса позволяет значительно увеличить протяженность трубопровода, что особенно актуально для отопления многоэтажных коттеджей и жилых домов, и применять новые схемные решения отопительной системы (рис. 19).

Однако использовать циркуляционные насосы можно только в условиях бесперебойной подачи электроэнергии, так как они работают от сети.

Рис. 19. Водяное отопление с принудительной циркуляцией

А - нижняя разводка: 1 - котел; 2 - главный стояк; 3 - расширительный бак; 4 - сигнальная линия; 5 - подающая линия; 6 --воздухосборник; 7 - подающие стояки; 8 - обратные стояки; 9 - обратная линия; 10- насос; 11 - расширительная труба; б - верхняя разводка: 1 - котел; 2 - подающая линия; 3 - обратная линия; 4 - подающие стояки; 5 - обратные стояки;6 - воздушная линия; 7 - воздухосборник; 8 - расширительный бак; 9 - насос; 10- расширительная труба

Рис. 20. Система с естественной циркуляцией воды

А - верхняя разводка; б - нижняя разводка; 1 - котел; 2 - воздушная линия (главный стояк); 3 - разводящая линия; 4 - горячие стояки 5 - обратные стояки; 6 - обратная линия; 7 - расширительный бак; 8 - сигнальная линия; 9 -уклон

Достоинства системы с принудительной циркуляцией теплоносителя

Благодаря работе циркуляционного насоса отопительная система с принудительной циркуляцией теплоносителя обладает рядом достоинств:

Более полной теплоотдачей (по сравнению с системой с естественной циркуляцией воды);

Отсутствием потерь теплоносителя на испарение;

Возможностью использования труб небольшого диаметра, что значительно сокращает расход строительных материалов и облегчает монтаж системы;

Небольшой разницей температуры нагретого и охлажденного теплоносителя, что увеличивает срок службы водогрейного котла (из-за отсутствия необходимости перегревать воду);

Возможностью регулировать мощности всей системы отопления и температуры воздуха в жилых помещениях, что обеспечивает более высокую степень комфорта.

В целом отопительная система с принудительной циркуляцией теплоносителя более удобна в эксплуатации, да и качество такой системы выше.

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

ЭКСПЛУАТАЦИЯ И РЕМОНТ КОТЛОВ

Отопительные системы делятся на два основных типа: принудительные и естественные, которые в свою очередь имеют множество подвидов. Принцип работы таких систем практически одинаков, учитывая различие по транспортировке теплоносителя в самой отопительной системе. Системы отопления с естественной циркуляцией считаются более экономными, ведь их работа остаётся полностью независимой от электрической сети, чего нельзя сказать про принудительную систему отопления, для работы которой требуется электричество.

Естественная циркуляционная система работает по следующему принципу. Нагретый в нагревательном котле теплоноситель перемещается по отопительным трубам к приборам отопления, а после остывания транспортируется обратно к нагревательному котлу. Движение теплоносителя осуществляется по той причине, что нагретый и холодный теплоноситель имеет разную плотность, что приводит к образованию нужного давления в системе, которое и перемещает теплоноситель с меньшей плотностью к отопительным приборам.

Естественная циркуляция

Примерная схема системы

Основным вопросом системы естественной циркуляции является вопрос, который определяет силу движения теплоносителя к отопительным приборам и обратно в котёл. Сила движения нагретого теплоносителя появляется по той причине, что теплоноситель нагревается в тепловом генераторе, тогда, как в приборах отопления данный теплоноситель остывает и его выдавливает нагретый теплоноситель. Другими словами, теплоноситель, который нагрелся в тепловом генераторе до определённой температуры, имеет меньшую массу, чем теплоноситель в холодном состоянии.

Итак, нагретая до нужной температуры вода поднимается по определённому направлению в главном стояке и распределяется трубной разводкой по всем отопительным приборам, то есть радиаторам. Через некоторое время теплоноситель в радиаторах остывает, отдавая своё тепло металлу, что делает его отяжелевшим. По специально подведённым трубам обратного направления остывший теплоноситель транспортируется обратно к нагревательному котлу, где своей массой вытесняет горячую воду из теплового генератора.

Такой цикл движения теплоносителя в отопительной системе будет повторяться до того момента, пока нагревательный котёл будет работать, вследствие чего теплоноситель будет циркулировать по трубной магистрали. Системы отопления с естественной циркуляцией имеют разную силу давления, что приводит к разной интенсивности циркуляции и нагрева отопительных приборов. Сила движения теплоносителя в отопительной системе зависит от разных плотностей и весов холодного и горячего теплоносителя.

Из этого можно сделать вывод, что давление в отопительной системе и сила движения воды зависит от общей разницы горячего и холодного теплоносителя. Другими словами, чем больше эта разница, тем больше сила движения теплоносителя в системе отопления, циркуляция теплоносителя в которой осуществляется естественным путём. Кроме всего прочего, давление в системе отопления и сила движения нагретого теплоносителя зависит от того, на какой высоте располагается отопительный прибор относительно генератора тепловой энергии.

Как правило, теплоноситель в простой системе отопления водяного типа нагревается до 95 градусов, тогда, как остывший теплоноситель имеет температуру не выше 70 градусов. Из таких показателей можно определить общее давление в системе отопления и силу движения теплоносителя к верхним и нижним отопительным приборам. Для того, чтобы визуально представить себе распределение между верхними и нижними радиаторами в системе отопления необходимо нарисовать некое подобие схемы.

По центру обозначаем нагревательный котёл, от которого идёт разводка к верхним и нижним радиаторам, замыкающаяся напротив самого котла. Проведя линию между верхними и нижними нагревательными приборами (радиаторами), мы получим границу перепада температуры от 95 до 70 градусов. Далее рассмотрим отопительный процесс.

Схема системы

Отопительный котёл нагревает теплоноситель, в нашем случае воду, который из-за образовавшегося давления начинает своё движение от одного отопительного прибора к другому. Когда теплоноситель пересечёт проведённую нами линию и отправится в отопительные приборы нижнего этажа, его температура будет значительно ниже, а из последнего радиатора и вовсе выйдет теплоноситель с температурой всего в 70 градусов. При осуществлении движения теплоносителя от радиатора к радиатору не стоит забывать о том, что часть температуры отдаётся и самим трубам, вследствие чего температура теплоносителя постоянно снижается.

Из этого можно сделать смелый вывод, что нагревательные приборы, которые находятся выше линии разделения системы будут нагреваться больше, чем те, которые располагаются на нижнем этаже.

Всё это приводит к тому, что использование данной отопительной системы для двухэтажных домов неактуально, ведь первый этаж будет постоянно холоднее, чем второй. Кроме того, при использовании двухтрубной отопительной схемы, когда радиаторы будут располагаться ниже самого котла или на одном с ним уровне, добиться правильной циркуляции теплоносителя без использования вспомогательных механизмов практически невозможно.

По этим очевидным причинам расположение нагревательного котла должно быть таким, чтобы приборы отопления находились на уровень выше самого котла. Для этого нагревательные котлы располагают в небольшом углублении, а систему отопления немного поднимают под определённым углом, чтобы добиться должного давления и правильной естественной циркуляции теплоносителя. Таких явных недостатков лишены стандартные однотрубные схемы отопления.

Однотрубная отопительная система

Такая отопительная система имеет схожее устройство с двухтрубной отопительной схемой, только остывший теплоноситель перемещается по тем же трубам, по которым поступает в отопительные приборы. Работа такой системы состоит в том, что холодный теплоноситель выдавливается из радиаторов нагретой водой, что позволяет радиаторам получать одинаковую температуру по всей цепи. Охлаждение теплоносителя в однотрубных отопительных системах считается необходимым фактором, который создаёт давление в отопительной цепи, обеспечивая системе требуемую силу движения нагретого теплоносителя без вмешательства специального оборудования.

По той причине, что магистральные трубы такой отопительной системы осуществляют дополнительное отопление полезной площади жилого дома, их монтируют на стены, не замуровывая в поверхность стены или перегородки. Такой манёвр играет две роли: дополнительное отопление жилого пространства и ускоренное охлаждение теплоносителя в системе. Но не стоит забывать о том, что теплоноситель не должен охлаждаться в стояке подъёмного типа, ведь это может привести к сбою давления в отопительной системе и худшему прогреву всех отопительных приборов.

По этой причине стояк подъёмного типа подлежит качественной и надёжной тепловой изоляции. Тот уровень тепловой энергии, которая переходит от приборов отопления в обогреваемое помещение, зависит от того, сколько теплоносителя транспортируется по отопительным трубам, и какую температуру этот теплоноситель имеет. Количество теплоносителя в отопительной системе зависит не только от её общего объёма, но и от качества циркуляции теплоносителя в используемой системе отопления.

По этим показателям выбирается диаметр труб, которые будут транспортировать нагретый теплоноситель в приборы отопления. Чем качественнее выполняется циркуляция теплоносителя в отопительной системе, тем больше нагретого теплоносителя может поставляться в радиаторы по трубам, которые имеют меньший диаметр. Соответственно, если циркуляция теплоносителя в отопительной системе довольно слабая, то трубы должны быть на порядок больше, чтобы доставить в отопительный радиатор необходимое количество прогретого теплоносителя.

Не стоит забывать о том, что естественная система отопления должна иметь должное давление и движение теплоносителя в трубах, что позволит теплоносителю с нужной скоростью и силой движения преодолевать все возможные препятствия в отопительной схеме.

Движение воды в трубных магистралях встречает большое количество различных сопротивлений, к которым относится сила трения нагретого теплоносителя и внутренних стенок магистральных труб, а также наличие различных кранов и отводов, которые оказывают немалое сопротивление движению плотного или нагретого теплоносителя. Чем больше диаметр магистральной трубы, тем меньше скорость движения в ней теплоносителя, который встречает вдвое больше сопротивление от трения.

Соответственно, если диаметр магистральной трубы маленький, а её длина больше, то скорость перемещения теплоносителя в системе ускоряется в 4 раза, что ещё больше влияет на трение и оказанное воде сопротивление. На движение теплоносителя в отопительной системе естественного типа влияет и тип разводки отопительных труб и приборов.

Разводка верхнего типа

Радиаторы отопления

При использовании отопительной схемы с верхней разводкой нагретый теплоноситель транспортируется через стояк верхнего типа в главную трубную магистраль. Такая магистраль должна располагаться выше уровня расположения отопительных приборов, чаще всего это чердак. После того, как теплоноситель поднимется в верхнюю магистраль, он при помощи образовавшегося давления равномерно распределится по всем приборам отопления, что приведёт к равномерному прогреванию радиаторов в системе отопления.

Разводка нижнего типа

Отопительная система естественного типа с разводкой нижнего типа имеет следующее устройство. Главная магистраль такой системы отопления должна располагаться ниже уровня отопительных приборов, то есть под полом или в подвальном помещении, откуда будет организована специальная разводка на все приборы отопления. Основных отличий между отопительными системами с нижней и верхней разводкой нет, ведь в обеих системах прогретый теплоноситель поднимается по стояку благодаря своей меньшей массе и плотности.

Организация отопительной системы естественного типа становится актуальным только для небольших жилых домов, ведь выполнение такой системы в двухэтажном большом доме будет довольно дорогим. Скорость движения теплоносителя в трубах такой системы не должна быть большой, ведь циркуляция естественного типа не отличается высоким давлением. Это приводит к тому, что трубы должны быть максимально допустимого диаметра, что при устройстве относительно большой отопительной системы будет стоить довольно дорого.

Конструктивные особенности

Отопительные системы, независимо от того, естественные они или принудительные, делятся на следующие типы:

1. Система с верхней или нижней разводкой, которая отличается по способу и месту монтажа основной магистрали;
2. Однотрубные или двухтрубные отопительные системы, которые имеют отличия в способе монтажа радиаторов к распределяющим теплоноситель стоякам;
3. Отопительные системы с горизонтальными или вертикальными стояками, отличающимися способом монтажа и расположением главных стояков;
4. Отопительные системы тупикового или попутного типа, которые могут отличаться разностью способов прокладки и монтажа главной трубной магистрали.

Отличия однотрубной и двухтрубной отопительной системы

Подводка к котлу

Устройство однотрубной отопительной системы не предусматривает наличие стояков обратного типа, что позволяет охлаждённому теплоносителю возвращаться в нагревательный котёл по подающему главному стояку. По той причине, что в нижние отопительные радиаторы поступает не только нагретый теплоноситель, но и тот теплоноситель, который успел остыть в верхних отопительных радиаторах, общую поверхность нагрева радиаторов первого этажа необходимо увеличивать. Делается это при помощи добавления секций отопительным радиаторам первого этажа, что приводит к выравниванию температурного режима между верхними и нижними отопительными приборами.

Регулировка температурного режима в подобной отопительной системе осуществляется при контроле поступления нагретого теплоносителя в нагревательные приборы, что становится возможным благодаря наличию кранов на каждом отдельном радиаторе. Такое можно сделать только в той системе отопления однотрубного типа, в которой имеются отдельные стояки к каждому отопительному радиатору.

В том случае, когда таких стояков нет, а теплоноситель транспортируется от одного радиатора к другому, снизить количество теплоносителя в отдельном радиаторе невозможно, ведь в таком случае снизится общее количество теплоносителя и во всех остальных радиаторах в отопительной схеме. Из этого следует, что регулировать температуру воздуха в жилом помещении при использовании такой отопительной системы практически невозможно, что приводит к ощутимым неудобствам.

Для выполнения однотрубной отопительной системы с естественной циркуляцией теплоносителя в жилом доме должен находиться чердак или подвал. В противном случае невозможно будет выполнить верхнюю или нижнюю разводку отопительной системы, что приведёт к сбою давления в системе и плохой циркуляции теплоносителя. К положительным моментам системы отопления однотрубного типа можно отнести тот факт, что такая система довольно проста в монтаже и эксплуатации.

Кроме того, внешний вид однотрубной схемы отопления значительно лучше, что позволяет организовывать такую систему в открытом виде. Не стоит забывать и о том, что однотрубная отопительная система нуждается в меньшем количестве трубного материала, что приводит к значительному снижению стоимости организации отопительной системы. Минусом такой схемы отопления считается ограниченная возможность температуры нагрева тепловых радиаторов.

Чтобы регулировать температуру воздуха в жилом доме при использовании такой отопительной системы приходится оборудовать её специальными регулировочными котлами, которые имеют прямую зависимость от электрической сети. И если подключать котёл к электрической сети, то нет никакого смысла применять отопительную систему с естественной циркуляцией теплоносителя.

domnuzhen.ru

Циркуляция естественная - Справочник химика 21

    Удельный вес, удельный объем. Из таблицы IV видно относительно большое изменение удельного веса воды при различных температурах, что имеет большое значение для естественной циркуляции воды в системе отопления. Разность удельных весов определяется разностью температур нагретой и охлажденной воды она создает в системе циркуляции естественное движение. Скорость циркуляции прямо пропорциональна разности удельных весов циркулирующей воды.      Земная жизнь как нельзя лучше использует эти особенности воды. При сезонных изменениях температуры реки и озера не промерзают до дна. Верхний слой, охладившись до 4°С и достигнув максимальной плотности, опускается на дно водоема, принося кислород его оби-тате.лям и обеспечивая равномерное распределение питательных веществ. Поднявшиеся к поверхности более теплые слои уплотняются при соприкосновении с приповерхностным воздухом, охлаждаясь до 4°С, и в свою очередь опускаются. Такое перемешивание происходит до тех пор, пока циркуляция естественно не прекратится и водоем не покроется плавающим слоем льда. 

В зависимости от характера движения в выпарном аппарате упариваемых щелоков различают аппараты с естественной циркуляцией и с принудительной циркуляцией. Естественная циркуляция упариваемых щелоков возникает в результате изменения удельного веса растворов в кипятильнике и испарительной (паровой) 

Схема экспериментальной установки и измерений показана на рис. IV.9. Установка работает по замкнутому контуру. Циркуляция естественная. Исследуемая жидкость кипит внутри экспериментальной трубки 1, образующаяся парожидкостная смесь поднимается в рабочую емкость 5, где происходит ее сепарация. Пар направляется в конденсатор 7 змеевикового типа, конденсат из которого возвращается в рабочую емкость. Уровень жидкости в ней контролируется при помощи уровнемерного стекла 6. Жидкий продукт из рабочей емкости поступает в калориметр 2 для замера расхода, после которого предварительно подогретый до необходимой температуры промежуточным электронагревателем 10 поступает в экспериментальный участок. Охлаждение конденсатора и жидко- 

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией. Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе, состоящей из необогреваемой циркуляционной трубы I и обогреваемых кипятильных труб 2 (рис. 4.3.2). Если жидкость в кипятильных трубах нагрета до кипения, то в результате испарения ее части в этой трубе образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности жидкости. Таким образом, масса столба жидкости в циркуляционной трубе будет больше, чем в кипятильных трубах, вследствие чего произойдет упорядоченная циркуляция кипяшей жидкости по пути кипятильные трубы - паровое 

Замораживание в морозильных камерах. При загрузке морозильных камер необходимо правильно размещать в них продукты и обеспечивать свободную циркуляцию (естественную или побудительную) воздуха. Для этого полутуши или четвертины мяса размещают на крюках кареток подвесных путей. Они не должны соприкасаться, так как помимо замедления процесса неизбежно их смерзание. 

В результате проведенного исследования установлено, что закономерности теплообмена при кипении в условиях ограниченного межреберного пространства имеют ряд существенных особенностей. Наиболее важной из них является отмеченное увеличение плотности теплового потока при переходном кипении с ростом скорости циркуляции. Существенный рост тепловых потоков позволяет надеяться, что рационально организованная циркуляция (естественная и вынужденная) жидкости в межреберпом зазоре позволит увеличить теплосъем с оребренной поверхности по сравнению с рассчитанным по кривой кипения, полученной в условиях большого объема. 

Подобное приспособление устроено, напр., в биполярных ваннах группы Toronto-Power. Для отдельных ячеек, не имеющих общей циркуляции, естественно можно применить тот же принцип, снабжая каждую ячейку поплавком и располагая трубопроводы для питающей воды, в которых должно быть только небольшое давление, вдоль всех ячеек, как, например, в установке Fauser. Для того, чтобы в закрытых ваннах на положение уровня не влияло газовое давление, поплавок должен находиться под тем же газовым давлением, какое имеется в ванне. Для этого поплавок может быть расположен внутри ванны, или газовое давление в последней должно поддержива-п>ся постоянным при помощи регулятора (см. выше). 

chem21.info

Естественная циркуляция - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Естественная циркуляция

Cтраница 3

Естественной циркуляцией называется движение теплоносителя по замкнутому контуру, состоящему из обогреваемых и необогреваемых труб и коллекторов.  

Если естественная циркуляция ненадежна и неустойчива, то применяют принудительную циркуляцию.  

Скорость естественной циркуляции может достигать критического значения, которое зависит от количества образующегося пара и от рабочего давления.  

При естественной циркуляции (см. рис. V-3, б) жидкость с нижней тарелки самотеком поступает в межтрубное пространство теплообменника, частично испаряется в нем и поступает в колонну под нижнюю тарелку. Теплоноситель (обычно водяной пар) проходит через трубки теплообменника. Циркуляция жидкости в системе обеспечивается разностью давлений между столбом горячей жидкости в трубопроводе, ведущем от колонны к теплообменнику, и столбом паро-жидкостной смеси в межтрубном пространстве теплообменника и трубопроводе, соединяющем теплообменник с колонной.  

Расчет естественной циркуляции в сложных контурах опирается на следующие основные положения: 1) полезные напоры параллельных контуров в сложной циркуляционной системе равны; 2) суммарный расход воды по всем параллельным контурам равен расходу по общей опускной системе.  

Расчет естественной циркуляции в контурах, подъемная часть которых находится в зоне обогрева газами с температурой eg 500 С, можно не производить.  

Контуры естественной циркуляции делятся на простые и сложные.  

Для естественной циркуляции наиболее целесообразным является элемент типа III. Однако и при этом, в случае обжига флотационного колчедана при Cg 42 %, высота слоя должна быть не менее 1 6 ж, а при СО ] 63 % следует или применять принудительную циркуляцию (с элементом типа II), или, в случае естественной циркуляции, снижать возможную (по концентрации кислорода) интенсивность печи почти в два раза, что приведет к соответствующему увеличению габаритов печи.  

При естественной циркуляции вода нагревается дымовыми газами в змеевиках трубчатой печи. Нагретая вода поднимается вверх (вследствие меньшей ее плотности) и поступает в змеевики теплообменного аппарата, где она охлаждается, а затем снова возвращается в змеевики трубчатой печи. Циркуляция происходит за счет разности плотностей горячей и охлажденной воды.  

Для естественной циркуляции требуются два условия: 1) достаточная высота уровня жидкости в опускной трубе, с тем чтобы уравновесить столб парожидкостной смеси в кипятильных трубах и сообщить этой смеси достаточную скорость; 2) достаточная интенсивность парообразования в кипятильных трубах, чтобы парожидкостная смесь имела возможно малый удельный вес.  

www.ngpedia.ru

Естественная циркуляция - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 4

Естественная циркуляция

Cтраница 4

При естественной циркуляции (рис. 6.4) теплоноситель циркулирует за счет разности его плотностей в нагретом (после нагревательной печи) и охлажденном (после теплообменника) виде. Нагретый в печи / теплоноситель за счет снижения плот-ности поднимается в теплообменник 2, где отдает теплоту. При этом плотность повышается и теплоноситель возвращается в печь для последующего нагревания.  

При естественной циркуляции контур образуется обогреваемой подъемной трубой 1 (фиг.  

Кроме естественной циркуляции, в экранных трубах возможна принудительная циркуляция от центробежных насосов, забирающих воду из водяного пространства котла или из питательной магистрали (фиг. Для бесперебойной работы экранов с принудительной циркуляцией устанавливают два насоса, из которых второй служит запасным на случай повреждения работающего насоса, и предусматривают продувочную линию для экрана.  

При естественной циркуляции поступающая в контур жидкость по мере прохождения по трубкам частично превращается в пар. Поэтому из контура выходит не чистая жидкость, а паро-жидкостная эмульсия.  

Для естественной циркуляции требуются два условия: 1) достаточная высота уровня жидкости в опускной трубе, чтобы уравновесить столб парожидкостной смеси в кипятильных трубах и сообщить этой смеси необходимую скорость; 2) достаточная интенсивность парообразования в кипятильных трубах, чтобы парожидкостная смесь имела возможно малую плотность.  

Улучшению естественной циркуляции содействует также и барботирование газа в расплаве. Так, например, в хлораторе, изображенном на рис. 1 - 8, хлор, подводимый по трубам 3 в фурмы, смешиваясь с расплавом, образует у внешних стенок двухфазный поток, характеризуемый малой плотностью и энергично устремляющийся вверх, тогда как у внутренней разделительной стенки (и по каналу внутри ее) создается нисходящий поток. Во всех случаях действие барботажа должно суммироваться с восходящим потоком в нагревающемся расплаве или растворе.  

При естественной циркуляции коэффициент теплопередачи при выпаривании растворов составляет около 1000, а коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору около 2000 - 3000 впг / м2 - град. С уменьшением диаметра трубок в пучке коэффициент теплоотдачи увеличивается и можно найти такие оптимальные условия, при которых принудительная циркуляция даст значительный эффект.  

При естественной циркуляции жидко г о теплоносителя в нагревательных рубашках, стаканах и колосниковых подогревателях коэффициент теплоотдачи ctj определяется по уравнениям для свободной конвекции в ограниченном пространстве.  

При естественной циркуляции снарядный режим движения практически маловероятен. Уже при 30 ата снарядный режим переходит в смешанный снарядно-пузырчатый.  

При естественной циркуляции движение воды через котел возникает под действием конвекционных токов и сетевого циркуляционного насоса системы.  

При естественной циркуляции минимальная высота котельной рекомендуется 3500 мм.  

Наличие естественной циркуляции и лучшая очистка поверхности трубок несколько улучшают условия теплопередачи в вертикальных испарителях.  

При естественной циркуляции контур образуется обогреваемой трубой 2, необогреваемой трубой 4 и двумя барабанами / и 3, к которым эти трубы присоединены.  

Страницы:      1    2    3    4    5

www.ngpedia.ru

естественная циркуляция - это... Что такое естественная циркуляция?

 естественная циркуляция

Англо-русский словарь технических терминов. 2005.

• естественная устойчивость
• естественная ширина линии

Смотреть что такое "естественная циркуляция" в других словарях:

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… … Термины атомной энергетики

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 … Справочник технического переводчика

Циркуляция - 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

ЦИРКУЛЯЦИЯ - (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 - 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

Естественная тяга воздуха - 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

Силовой трансформатор - 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

Авария на АЭС Три-Майл-Айленд - 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

dic.academic.ru

Естественная циркуляция в испарительных поверхностях нагрева

Естественная циркуляция в испарительных поверхностях нагрева котла может быть обеспечена только при хорошем охлаждении стенки труб, расположенных в зоне высоких температур продуктов сгорания. Средой, охлаждающей испарительные поверхности нагрева, является вода или смесь ее с образовавшимся паром. Надежное охлаждение стенки труб поверхности нагрева может быть обеспечено только при правильной организации движения среды, охлаждающей трубы (вода, пароводяная эмульсия). Непрерывное движение среды, охлаждающей поверхность нагрева, называют циркуляцией.

Движение воды по испарительной поверхности нагрева может происходить под действием внешних источников энергии (например, насоса) или за счет естественной циркуляции в испарительных поверхностях нагрева. С момента появления паровых котлов охлаждение стенок труб поверхностей нагрева осуществляет естественная циркуляция в испарительных поверхностях нагрева, наглядное представление о которой дает стеклянная модель, показанная на рис. 6-1. Модель состоит из двух трубок (ветвей), присоединенных к барабану, заполненному водой.

Если начать подводить тепло Q к левой ветви, то вода в ней начнет подниматься, а в правой опускаться. Такая естественная циркуляция в испарительных поверхностях нагрева начнется потому, что плотность воды в левой ветви при ее нагреве будет меньше плотности холодной воды в правой ветви. По мере увеличения нагрева левой ветви скорость движения воды в ней начнет повышаться.

Если подвод теплоты к левой ветви будет непрерывно продолжаться, то через некоторое время в ней начнут появляться паровые пузырьки. Смесь воды с паровыми пузырьками называют пароводяной эмульсией или пароводяной смесью. Средняя плотность пароводяной эмульсии будет меньше плотности некипящей воды в правой ветви. Пузырьки пара, поднявшись в барабан, будут скапливаться в его верхней части.

Левая ветвь, по которой вода поднимается, называется подъемной, а правая - опускной. Система труб, по которым происходит циркуляция воды, называется циркуляционным контуром.

Если из барабана по трубе 1 отводится пар, то для поддержания постоянного уровня воды в барабан необходимо по трубе 2 подавать холодную воду в количестве, равном количеству воды, превратившейся в пар. Поступившая по трубе 2 в барабан вода смешивается с оставшейся и опускается по необогреваемой опускной ветви. Аналогично описанному происходит естественная циркуляция в испарительных поверхностях нагрева в парогенераторе.

Движущая сила в циркуляционном контуре, возникшая вследствие разности плотностей, расходуется на создание скорости циркуляции и преодоление сопротивлений циркуляционного контура.

В обогреваемых трубах только часть воды превращается в пар. Следовательно, для превращения в нар всей воды, поступившей в обогреваемые трубы, она должна пройти по трубам много раз. Отношение массы воды, поступившей в испаритель­ный контур, к массе пара, выработанного контуром за то же время, называется кратностью циркуляции. Для котлов с естественной циркуляцией в зависимости от конструкции и параметров пара кратность циркуляции колеблется в пределах от 8 до 50. Большинство современых промышленных котлов имеет естественную циркуляцию и, как правило, несколько параллельно работающих циркуляционных контуров.

Расчет циркуляции базируется на двух уравнениях: уравнении неразрывности движения и уравнении энергии

где Мпод, Моп - массы жидкости, движущейся в подъемных и опускных трубах, кг/с; р - полное движущее давление циркуля­ции, Па; ∑∆р - полное гидравлическое сопротивление контура.

Полное движущее давление циркуляции зависит от разности плотности жидкости в опускных трубах и плотности пароводяной смеси в подъемных трубах, а также от высоты циркуляционного контура. При этом движущее давление возникает лишь в звеньях контура, по которым протекает пароводяная смесь.

Движущее давление определяется (в паскалях) по формуле

где роптр, рподтр - плотность жидкости в опускных трубах и плотность пароводяной смеси в подъемных трубах, кг/м3; Н - высота циркуляционного контура, м; g - ускорение силы тяжести, м/с2.

Полное гидравлическое сопротивление контура (в паскалях)

где ∆pоптр, ∆pподтр - потери на трение в опускных и подъемных трубах, Па; ∆pопм, ∆pподм-потери от местных сопротивлений в опускных и подъемных трубах, Па; ∆руск - потери давления на создание ускорения движения смеси в подъемных трубах, Па.

Полезным движущим давлением называют разность полного движущего давления циркуляции и суммы потерь давления на трение в подъемных трубах, уменьшенную па потери давления на создание ускорения смеси в них. Это означает, что полезное движущее давление затрачивается па преодоление потерь давления от трения в опускных трубах н потерь давления от местных сопротивлений во всем контуре (в опускных и подъемных трубах). Полезное движущее давление, требуемое для создания надежной циркуляции, должно быть тем больше, чем выше скорость воды в контуре и давление в парогенераторе, а также чем сложнее конструктивное исполнение контура. С учетом сказанного полезное движущее давление (в паскалях)

Расчеты циркуляции котлов производятся в соответствии с нормами, разработанными ЦКТИ и ВТИ. Циркуляция воды в котле не влияет на его экономичность, но определяет надежность работы поверхностей нагрева.

Одной из самых простых является система отопления с естественной циркуляцией. Однако эта простота при отсутствии надлежащего опыта работ с такими системами может «вылезти боком» в процессе эксплуатации.

Отопление с естественной циркуляцией было широко распространено еще десяток лет назад в загородных небольших домах и некоторых квартирах с индивидуальным отоплением. Сейчас же рынок «завоевывают» системы с принудительной циркуляцией теплоносителя, благодаря возможностям, которые они предоставляют.

Но поговорим все же про водяное отопление с естественной циркуляцией.

Конструкционные особенности системы

Системы отопления с естественной циркуляцией включают в свой состав:

• отопительный котел, нагревающий воду;
• подающий трубопровод, «поставляющий» горячую воду к отопительным приборам (радиаторам);
• обратный трубопровод, по которому вода возвращается в котел;
• нагревательные приборы - радиаторы, отдающие тепло в окружающую среду;
• , предназначенный для компенсации температурного расширения жидкости.

Принцип действия системы

Вода, нагреваясь в котле, поднимается вверх по центральному стояку и по подающему трубопроводу поступает в радиаторы отопления (нагревательные приборы), где отдает часть своего тепла. Далее уже охлажденная вода по обратному трубопроводу вновь поступает в котел и снова нагревается. Затем цикл повторяется, обеспечивая комфортную температуру в отапливаемом помещении.

Для обеспечения естественной циркуляции теплоносителя (обычно воды) в системе горизонтальные части трубопровода монтируются с уклоном не менее 1 см на погонный метр длины горизонтального участка системы отопления.

Горячая вода, вследствие уменьшения своей плотности при нагревании, поднимается по центральному стояку вверх, выдавливаемая холодной водой, возвращающейся в котел. Далее самотеком растекается по подающему трубопроводу к радиаторам отопления. После «пребывания» в них вода также самотеком стекает обратно в котел, вновь выдавливая вверх уже нагретую в котле воду.

Воздух, попавший с теплоносителем в систему, может создать воздушную пробку в радиаторах отопления, но, зачастую, в таких системах отопления с естественной циркуляцией пузырьки воздуха благодаря уклонам трубопровода «путешествуют» вверх и выходят в расширительный бачок открытого типа (бак, контактирующий с атмосферным воздухом).

Расширительный бачок предназначен для поддержания постоянного давления в системе отопления, благодаря тому, что он заполняется увеличившимся при нагревании объемом теплоносителя, который затем «отдает» обратно в систему при понижении температуры жидкости.

Делаем выводы!

Итак! Подъем воды в системе (стояке к подающей трубе) осуществляется благодаря разнице между плотностями нагретой и охлажденной жидкости. Движение же (циркуляция) поддерживается еще и благодаря гравитационному давлению (обратная труба).

При движении теплоносителя по трубопроводу в системе отопления с естественной циркуляцией на жидкость действуют силы сопротивления:

• трение жидкости о стенки труб (для снижения используются трубы большого диаметра);
• изменение направления движения жидкостью на поворотах, ответвлениях, каналах отопительных приборов (радиаторов).

Основные физические параметры системы отопления с естественной циркуляцией

Циркуляционный напор Рц - физическая величина, определяемая разностью высот центров котла и самого нижнего отопительного прибора (радиатора).

Чем больше разница высот (h) и разница плотностей нагретой (ρ г) и охлажденной (ρ о) жидкостей в системе, тем более качественная и стабильная будет циркуляция теплоносителя.

Р ц =h(ρ о -ρ г)=м(кг/м 3 -кг/м 3)=кг/м 2 =мм.вод.ст.

«Поищем» причину появления циркуляционного напора в системе отопления с естественной циркуляцией в «дебрях» законов физики.

Если допустить, что температура теплоносителя в системе отопления «делает прыжок» между центрами приборов (котла и радиаторов), то есть верхняя часть системы содержит более горячую воду, чем нижняя часть системы.

Плотность (ρ г)(ρ г).

Отсекаем (мысленно) верхнюю часть на схеме контура и… Что мы видим? Знакомую картину со школы - два сообщающихся сосуда, находящиеся на разном уровне. А это приведет к тому, что жидкость с более высокой точки по действием гравитационной силы будет перетекать в более низкую.

Вследствие того, что отопительная система представляет собой замкнутый контур, то вода не выплескивается, а просто стремиться выровнять свой уровень, что приводит к выталкиванию нагретой воды вверх и к дальнейшему ее «самостоятельному гравитационному» пути по системе отопления.

Вывод таков! Основополагающим показателем циркуляционного напора является разница высот установки котла и последнего (нижнего) в системе радиатора. Поэтому в системах отопления частных домов котлы по возможности располагают в подвалах, соблюдая предельную высоту в 3 м.

В квартирных вариантах котлы стараются «углубить» до плиты перекрытия, соответственно «пожарообезопасив» «гнездо» посадки котла в пол.

Согласно формуле, приведенной выше, на циркуляционный напор существенной влияние оказывает и разница плотностей холодной и горячей воды в системе.

Система отопления с естественной циркуляцией является саморегулируемой системой, то есть, например, при повышении температуры нагрева теплоносителя естественным образом (см. формулу) увеличивается циркуляционный напор и, соответственно, расход воды.

При низкой температуре в отапливаемом помещении разница плотностей воды большая и циркуляционный напор достаточно большой. При прогреве помещения теплоноситель уже не так остывает в радиаторах, и разница плотностей нагретого и охлажденного теплоносителя уменьшается. Соответственно уменьшается и циркуляционный напор, уменьшая «расход» воды.

Охладился воздух в помещении? Например, кто-то открыл двери на улицу. Разница плотностей опять возросла, увеличив напор воды.

Недостатки и преимущества систем отопления с естественной циркуляцией

К недостаткам водяных систем отопления с естественной циркуляцией можно отнести:

• Небольшое циркуляционное давление, которое определяет ограниченное использование таких систем отопления - небольшой горизонтальный радиус действия (до 30 м).
• Большая инертность системы отопления, обусловленная большим объемом теплоносителя в системе и низким циркуляционным давлением.
• Вероятность замерзания воды в расширительном баке открытого типа, который, обычно находится в холодном (неотапливаемом) чердачном помещении.

Основным преимуществом таких систем является энергонезависимость котлов на твердом топливе. То есть такие системы можно использовать в домах, где отсутствует электроснабжение. Большая инертность системы из-за достаточно большого объема теплоносителя в системе может играть как положительную (некое подобие теплового аккумулятора при «потухшем» котле), так и отрицательную роль - значительное время изменения температуры системы, особенно на стадии запуска.

Виды схем отопления с естественной циркуляцией

Какую систему отопления с естественной циркуляцией теплоносителя Вы выберете? Надеемся правильную!

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.