Система отопления закрытого типа с естественной циркуляцией: Закрытая система отопления с естественной циркуляцией

Система отопления с естественной циркуляцией в частных домах

Автор Евгений Апрелев На чтение 4 мин Просмотров 571
Обновлено 06.12.2017

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

[contents]

Что такое естественная циркуляция систем отопления?

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

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

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

Виды и особенности систем отопления с естественной циркуляцией

Существует несколько разновидностей отопительных систем с естественной циркуляцией теплоносителя:

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

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

Расчет системы отопления с естественной циркуляцией

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

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

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

Закрытая система отопления с принудительной циркуляцией схема

Закрытая индивидуальная отопительная система работает гораздо эффективнее и надежнее, чем открытая, так как в циркуляционный контур закрытого типа кислород не попадает, следовательно, не идут разрушительные процессы окисления металла. При этом заполнение системы отопления закрытого типа можно делать как чистой питьевой или дистиллированной водой, так и теплоносителями типа антифриза, трансформаторного масла или другими синтетическими растворами, не вступающими в контакт с металлом и не вредящими здоровью людей.
Подпитка отопления антифризом

Особенности закрытой системы

Название системы отопления дома происходит от конструкции расширительного резервуара, который обязательно присутствует в любой схеме отопления. Расширительный резервуар в схеме предназначен для хранения расширяющейся при нагревании жидкости, и, так как некоторый объем теплоносителя испаряется или вытекает при эксплуатации системы, жидкость в бачок периодически доливается. В открытую емкость доливать теплоноситель требуется чаще, так как, кроме перечисленных выше причин снижения уровня жидкости, она просто испаряется с открытой поверхности резервуара. В закрытой емкости этого не происходит, поэтому долив жидкости проводится намного реже.

Сейчас популяризуется система отопления закрытого типа, как наиболее экономичная и эффективная. Ее положительные качества очевидны:

1. Это – чаще всего автоматизированная система;
2. Автономная схема закрытой системы отопления работоспособна с любым теплоносителем;
3. Постоянное и контролируемое давление в трубах позволяет пользоваться любой современной бытовой техникой, требующей подключения воды;
4. Теплоноситель не контактирует с воздухом, поэтому металл системы не окисляется изнутри (например, в металлических радиаторах и в рубашке котла) и не происходит сокращение срока службы элементов схемы;
5. Закрытый расширительный резервуар можно монтировать в любой точке помещения дома, но обычно его устанавливают рядом с котлом. Открытый же бачок нужно устанавливать в наивысшей точке отопительной системы, а это очень неудобно с позиции эргономики, дизайна, монтажа и обслуживания, так как чаще всего бачок приходится устанавливать на чердаке;
6. Автономная закрытая система отопления с естественной циркуляцией или с помпой включает в состав схемы автоматические воздухоотводчики, поэтому образование пробок с воздухом в трубах и отопительных приборах полностью исключено.

Схема системы закрытого исполнения

Отрицательным моментом в такой схеме отопления можно считать зависимость от электричества, так как циркуляционный насос и автоматика с датчиками требуют подключения к сетевому напряжению, и при аварийном отключении сети работа отопления останавливается. Но можно организовать закрытую схему с естественной циркуляцией с помощью точного расчета толщины отопительных труб, где за счет разного диаметра трубопровода создается давление, движущее теплоноситель по системе. Оговоримся, что это – довольно сложная задача, требующая не только правильных математических выкладок, то и абсолютно точного исполнения, поэтому на практике реализовать оптимальное давление в закрытой системе отопления с естественным движением жидкости довольно проблематично.

Можно если не нивелировать полностью, то максимально минимизировать энергозависимость закрытой схемы – для этого в схему монтируются ставят источники бесперебойного питания (ИБП) с аккумуляторами на конденсаторах, или параллельно подключаются генераторы напряжения, чтобы не создавать проблем с группой безопасности и циркуляционным насосом.
Источники бесперебойного питания и генераторы для отопления частного дома

Комплектующие и узлы закрытой отопительной системы:

1. Котел, обвязанный ГБ – группой безопасности с группой безопасности. Гб может быть встроенной и наружной. Группа безопасности – это датчики, манометры, термометры, воздухоотводчики, клапана, вентили, запорная арматура;
2. Водопроводные трубы, радиаторы отопления или система «теплый пол», регистры, батареи, конвекторы;
3. Циркуляционный электрический насос – монтируется в трубе обратки;
4. Расширительный резервуар для компенсации скачков объема жидкости и стабилизации давления в системе.

Автономная закрытая система отопления с принудительной циркуляцией требует подбора мощности котла, и это можно сделать по упрощенному, но точному принципу: на 10 м² отапливаемой площади затрачивается 1 кВт тепловой энергии плюс запас в 20-35%.
Закрытая система с естественной и принудительной циркуляцией жидкости

О группе безопасности

ГБ монтируется на трубу подачи теплоносителя сразу на выходе ее из нагревательного котла для контроля рабочих параметров системы. Манометр позволяет визуально контролировать давление в трубах, которое не должно превышать 1,5 Бар для одноэтажного дома и 3 Бар для двухэтажного здания. Падение давления свидетельствует об утечке теплоносителя, которую необходимо ликвидировать, а повышенное давление может быть по многим причинам, в том числе: нарушение режима работы котла, перегрев системы, выход из строя насоса или предохранительного клапана.
Группы безопасности для отопительных систем

Автоматический воздухоотводчик отводит из системы воздух, что позволяет вовремя ликвидировать воздушные пробки. Стандартные группы безопасности есть в продаже как в собранном виде, так и по отдельности каждый прибор. Можно приобрести все устройства по одному и смонтировать свою группу безопасности, исходя из конкретики схемы отопления.

Расширительный резервуар представляет собой герметичную емкость с мембраной, разделяющей камеру пополам. Верхняя часть камеры заполнена воздухом или инертным газом, нижняя – теплоносителем. Если температура жидкости не превышает допустимых пределов, мембрана находится в свободном состоянии. По мере повышения температуры мембрана под давлением горячего теплоносителя поднимается и сжимает воздух (газ) в верхней части камеры, что и отображает манометр как увеличение давления в системе. Чтобы не отслеживать визуально в ручном режиме превышение давления, многие модели котлов снабжаются предохранительным клапаном, который сбрасывает излишнее давление автоматически.
Закрытый расширительный бачок

Как рассчитать объем теплоносителя

Перед тем, как заполнить систему отопления закрытого типа теплоносителем, следует рассчитать его количество. Это особенно актуально для дорогих жидкостей – антифриза, водно-гликолевых растворов или трансформаторного масла. Практика построения систем отопления показала, что оптимальным объемом для расширительного резервуара будет 10% от всего объема воды в системе (для технических жидкостей объем рассчитывается по-другому). То есть, для расчета емкости бачка необходимо сначала вычислить общий объем теплоносителя, а для этого нужно знать диаметр труб, объем радиаторов и объем котла. Если используются антифриз или водно-гликолевые смеси, то объем расширительной емкости нужно увеличить в полтора-два раза.

Практический пример по расчету объема мембранного расширительного бачка: При общем объеме всей системы 35 литров объем бачка мембранного типа будет составлять 3,5 литра для воды и 5-7 литров для антифриза. Бака именно такого объема в продаже может не быть, поэтому покупайте емкость бо́льшего объема.

Важно: В продаже вы встретите красные и синие мембранные расширительные емкости. Покупать нужно красный бачок – он предназначен для работы с горячей водой. Синий бачок устанавливается в системе холодного водоснабжения, и повышенных температур его мембрана может не выдержать.

Разводка труб и группы безопасности

Индивидуальная закрытая система отопления предусматривает монтаж расширительной емкости на трубе обратной подачи теплоносителя, перед насосом по ходу движения жидкости. Для подключения в трубу врезают тройник, к центральному отводу которого через латунные фитинги и короткий отрезок металлопластиковой трубы подключается бачок. После тройника врезается запорный вентиль для перекрытия воды в системе на случай ремонта или замены бачка.

Перед тем, как заполнить закрытую систему отопления, продумайте точку врезки циркуляционного насоса – на подаче или на обратке. Стандартное подключение – обратная труба теплоносителя, чтобы высокая температура не повредила детали насоса. Но при установке нового насоса его можно включать и в подачу, так как современные материалы, применяющиеся в новых моделях, выдержат даже максимальный обогрев. Перед насосом и после него также врезается запорный кран для перекрытия подачи воды.
Закрытая схема отопления частного дома

Байпас в системе отопления закрытого типа не предусмотрен, так как система без насоса просто не будет работать. Вместо байпаса врезают два шаровых вентиля – по обе стороны насоса – и фильтр грубой очистки воды монтировать обязательно нужно. Вентили позволяют при необходимости демонтировать насос для замены или ремонта, а фильтр продлит срок его эксплуатации.

Автономная закрытая система отопления частного дома заполняется подпиткой через врезку в трубу обратного хода теплоносителя. Для подпитки или слива жидкости в трубу врезается вентиль или тройник с краном. Если кран не подключать к системе канализации, то при сливе жидкости под него нужно будет подставлять приемную емкость, а при подпитке – надевать на вентиль шланг, через который можно будет заливать теплоноситель в систему.

Система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя

Гравитационная система отопления двухэтажного дома.

Система отопления с естественной циркуляцией – система, в которой циркуляция теплоносителя осуществляется гравитационным путем без использования циркуляционного насоса.

Область применения

Как правило, монтируется в частных домах площадью не более 150 м², т.к. отсутствие в самотечной системе циркуляционного насоса не позволяет делать ее слишком протяженной.

Преимущества

• Простота.
• Длительный срок службы.
• Частный дом является абсолютно энергонезависимым, если в нем установлена самотечная система отопления на основе дровяного котла. Это один из наиболее подходящих вариантов для районов с частыми отключениями электроэнергии.

Недостатки

• Сложность выполнения монтажных работ. Необходимо точно рассчитать расположение всех элементов системы, в противном случае система просто не будет работать. Несоблюдение уклонов (необходим уклон 10 мм на 1 м трубы) приведет к тому, что после запуска котла теплоноситель останется «стоять» на месте и не попадет в отопительные приборы, либо скорость его движения будет настолько низкой, что разогрева системы придется ждать часами.
• Эффективно функционирует только малой протяженности системы (длина трубопровода не должна превышать 30-35 м).
• Большой объем теплоносителя и низкая скорость его движения не позволяет системе быстро реагировать на изменение температуры.
• При использовании расширительного бака открытого типа существует вероятность его замерзания (в случае, если он расположен на чердаке). Еще одним минусом такого бака является постоянное испарение теплоносителя, поэтому периодически в систему требуется доливать воду. При использовании расширительного бака мембранного типа таких проблем не существует, как правило мембранный бак монтируется на входе котла, либо на обратном трубопроводе рядом с котлом.
• Неприглядный внешний вид. Расположенные под потолком трубы большого диаметра понравятся не каждому.

Схема системы отопления самотеком.

Система отопления с естественной циркуляцией состоит из следующих элементов:

1. Источник тепла (различные виды котлов). Рекомендуется подбирать котел, который будет обладать высокими гидравлическими характеристиками, в первую очередь это касается входа и выхода котла, которые должны быть большого диаметра (от 40 мм и выше). Также необходимо обратить внимание на внутренние патрубки котла. Для обеспечения необходимого давления рекомендуется, по возможности, устанавливать котел ниже радиаторов;
2. Радиаторы отопления;
3. Расширительный бак открытого или закрытого типа;
4. Подающий и обратный трубопровод большого диаметра. Большие трубы являются обязательным условием самотечной системы отопления. На трубы большого диаметра приходиться тратить больше средств, чем на трубы для системы с принудительной циркуляцией.

Примечание! Гравитационная система отопления должна быть спроектирована таким образом, чтобы теплоноситель попал в последний радиатор. В связи с этим обязательным условием является использование труб большого диаметра (на 1-2 порядка больше, чем у системы с принудительной циркуляцией). В случае, если установить трубы малого диаметра, теплоноситель будет двигаться по пути наименьшего сопротивления, т.е. попадать только в первый радиатор, не доходя до последующих.

Помимо этого, теплоноситель на своем пути должен встречать как можно меньше препятствий. Повороты должны быть плавными и выполнены не под прямыми углами (не рекомендуется использовать углы 90° или Т-образные тройники), только в этом случае при прохождении поворотов скорость движения теплоносителя не будет снижаться.

Как работает система отопления с естественной циркуляцией?

Принцип действия самотечной системы отопления основан на явлении теплового расширения воды, когда при нагреве меняются ее физические свойства (плотность), и на разнице давлений между подающим и обратным трубопроводом. Нагретая вода легкая, т.к. обладает меньшей плотностью, холодная вода, напротив более тяжелая, т.к. обладает более высокой плотностью. Такая разница плотности создает естественную циркуляцию воды (холодная вода давит вниз и выдавливает горячую наверх).

Гравитационная система отопления работает следующим образом:

• Теплоноситель нагревается в котле (в это время он расширяется и становится легче), в результате чего самостоятельно (без циркуляционного насоса) поднимается вверх по основному стояку, при этом более холодная, тяжелая вода остается в нижней части котла. Над основным стояком находится расширительный бак открытого типа, в котором скапливается «избыточный» теплоноситель;
• Далее, нагретый теплоноситель двигается по подающему трубопроводу (который прокладывается под потолком или на чердаке) и поступает в радиатор через верхний вход;
• Отдавая тепло радиатору теплоноситель становится холоднее и тяжелее, в результате чего опускается в нижнюю часть радиатора, после этого поступает в обратный трубопровод и возвращается в котел;
• В котле цикл повторяется, охлажденный теплоноситель нагревается до требуемой температуры, расширяется, становиться легче и под давлением холодной воды поднимается наверх.

Видео

Что такое естественная циркуляция? — Определение из Corrosionpedia

Что означает естественная циркуляция?

Естественная циркуляция — это способность жидкости в системе непрерывно циркулировать, при этом разница в плотности является единственной движущей силой.

По-другому, естественная циркуляция вызвана конвекционными токами, возникающими в результате неравномерного нагрева воды в бойлере. Он может быть свободным или ускоренным и в основном используется в котлах и испарителях.

Испарители с естественной циркуляцией основаны на естественной циркуляции продукта, вызванной разницей плотности, возникающей при нагревании. Испарители с естественной циркуляцией необходимы на очистных сооружениях, а также в химической и фармацевтической промышленности.

Коррозия объясняет естественное кровообращение

В котлах с естественной циркуляцией циркуляция воды зависит от разницы между плотностью восходящей смеси горячей воды и пара и нисходящего тела с относительно холодной водой без пара.Разница в плотности возникает из-за того, что вода расширяется при нагревании и, таким образом, становится менее плотной. В большинстве котлов есть естественная циркуляция воды, в основе которой лежит принцип термосифона.

В котле со свободной естественной циркуляцией генераторные трубы устанавливаются почти горизонтально, с небольшим наклоном к вертикали. Когда генераторные трубы установлены под гораздо большим углом наклона, скорость циркуляции воды значительно увеличивается.Поэтому говорят, что котлы, в которых трубы имеют довольно крутой наклон от парового барабана к водяному барабану, имеют естественную циркуляцию ускоренного типа.

Испарители с естественной циркуляцией очень просты и обычно используются там, где сточные воды имеют высокую вязкость, более высокие уровни отвердителей, нерастворенных твердых веществ, для продуктов, которые подвержены влиянию собственных высоких температур и более продолжительному остаточному времени. Работа может быть непрерывной, периодической или полупериодической и не требует насосов для рециркуляции или перекачки промежуточного продукта.

Общая скорость циркуляции (расход) в системах с естественной циркуляцией в основном зависит от высоты, рабочего давления и расхода тепла котла.

% PDF-1.4
%
6571 0 объект
>
эндобдж
xref
6571 122
0000000016 00000 н.
0000002815 00000 н.
0000003045 00000 н.
0000003198 00000 п.
0000044679 00000 п.
0000044841 00000 п.
0000044928 00000 п.
0000045016 00000 п.
0000045119 00000 п.
0000045363 00000 п.
0000045425 00000 п.
0000045602 00000 п.
0000045664 00000 п.
0000045855 00000 п.
0000045981 00000 п.
0000046043 00000 п.
0000046192 00000 п.
0000046254 00000 п.
0000046406 00000 п.
0000046468 00000 н.
0000046795 00000 п.
0000046857 00000 п.
0000047039 00000 п.
0000047101 00000 п.
0000047271 00000 п.
0000047333 00000 п.
0000047507 00000 п.
0000047569 00000 п.
0000047772 00000 п.
0000047834 00000 п.
0000047896 00000 п.
0000048007 00000 п.
0000048069 00000 п.
0000048243 00000 п.
0000048414 00000 н.
0000048476 00000 п.
0000048676 00000 п.
0000048738 00000 п.
0000048884 00000 н.
0000048946 00000 н.
0000049132 00000 п.
0000049194 00000 п.
0000049388 00000 п.
0000049450 00000 п.
0000049593 00000 п.
0000049655 00000 п.
0000049717 00000 п.
0000049826 00000 п.
0000049888 00000 п.
0000050102 00000 п.
0000050164 00000 п.
0000050368 00000 п.
0000050430 00000 п.
0000050540 00000 п.
0000050636 00000 п.
0000050698 00000 п.
0000050834 00000 п.
0000050896 00000 п.
0000051039 00000 п.
0000051101 00000 п.
0000051163 00000 п.
0000051340 00000 п.
0000051402 00000 п.
0000051502 00000 п.
0000051602 00000 п.
0000051664 00000 п.
0000051794 00000 п.
0000051856 00000 п.
0000052000 00000 н.
0000052062 00000 н.
0000052124 00000 п.
0000052312 00000 п.
0000052373 00000 п.
0000052473 00000 п.
0000052587 00000 п.
0000052648 00000 п.
0000052782 00000 п.
0000052843 00000 п.
0000052980 00000 п.
0000053041 00000 п.
0000053177 00000 п.
0000053238 00000 п.
0000053299 00000 п.
0000053413 00000 п.
0000053474 00000 п.
0000053602 00000 п.
0000053733 00000 п.
0000053794 00000 п.
0000053957 00000 п.
0000054018 00000 п.
0000054188 00000 п.
0000054249 00000 п.
0000054399 00000 п.
0000054460 00000 п.
0000054521 00000 п.
0000054628 00000 п.
0000054689 00000 п.
0000054802 00000 п.
0000054863 00000 п.
0000054923 00000 п.
0000055030 00000 п.
0000055090 00000 н.
0000055153 00000 п.
0000055384 00000 п.
0000055441 00000 п.
0000055758 00000 п.
0000055974 00000 п.
0000056603 00000 п. ! +)
/ П-44
/ V 1
/ Длина 40
>>
эндобдж
6574 0 объект
>
эндобдж
6691 0 объект
>
транслировать
‘W- + u_% ģAyWQj | Ԯ Յ T] E \ CxɗD8260I.j / MNLeV | hhW6yt ֏ & 0 ZQYQ @ v
~ (KPVy-O,! & Ɨ ڇ 5 Ћ_b? ​​& Q8! 8Y, 6% ɜezICwmAK ٙ R 蔔 S’N5cQ | K 䀗 lSl6 [~ z4g’ABxVhq.kVS`4; 1aj | /f.vh̽G -0`Nw

Солнечный водонагреватель

Солнечный водонагреватель, возможно, является наиболее энергоэффективным способом производства горячей воды, поскольку основным источником энергии является «солнечный свет».
бесплатно. Солнечное водяное отопление использовалось в течение многих лет в теплом солнечном климате, но оно может работать и в таких северных районах, как Канада и Северная Европа.Если у вас большая семья или вы используете большое количество горячей воды, система солнечного нагрева воды может быть экономически эффективным вариантом. Пока в оборудовании есть
более высокая начальная стоимость, чем у других типов водонагревателей, экономия энергии может более чем компенсировать затраты в течение всего срока службы системы.

Активные и пассивные солнечные батареи

Существует два основных типа солнечных водонагревательных систем — активные, в которых используется насос для циркуляции воды между баком и коллекторами, и пассивные,
который использует естественную конвекцию для циркуляции воды.

Активные системы могут быть как с прямой, так и с непрямой циркуляцией. Системы прямой циркуляции обеспечивают циркуляцию бытовой воды через коллекторы в
резервуар для хранения. Они лучше всего подходят для мягкого климата, где температура редко опускается ниже нуля. В системах с косвенной циркуляцией циркулируют незамерзающие
теплоноситель через коллекторы, а затем через теплообменник в накопительном баке. Они предпочтительны в холодном климате, где трубы находятся в прямом
система циркуляции может замерзнуть.

Пассивные системы обычно дешевле, но менее эффективны. Они могут быть как интегральными системами сбора / хранения, так и термосифонными системами. Интегральный
Тип коллектора / накопителя обычно используется для предварительного нагрева воды для обычного водонагревателя и лучше всего подходит для климата, где температура редко опускается ниже
замораживание. Системы Thermosyphon полагаются на естественную конвекцию для циркуляции воды, поэтому бак должен располагаться выше, чем панели коллектора — нагретая вода.
от панелей течет вверх в бак, а более холодная вода возвращается в коллектор для обогрева.

Компоненты

Основными компонентами любой солнечной системы нагрева воды являются один или несколько коллекторов для улавливания солнечной энергии и хорошо изолированный резервуар для хранения воды.

Существует три распространенных типа коллекторов — плоские коллекторные панели, интегрированные коллекторные / накопительные системы и вакуумные трубчатые коллекторы.

Плоские коллекторные панели

имеют темную абсорбирующую пластину за стеклянной или полимерной крышкой. Вода циркулирует по темным трубам, проходящим через коллектор.Когда солнечный свет проходит через прозрачную крышку, его тепло поглощается пластиной поглотителя и трубопроводами и передается воде. Панели коллектора обычно
установлен на крыше, обращен на юг. Их также можно установить на стене, выходящей на юг, или на подставке на земле (как при обогреве бассейна).

Интегральные системы сбора / хранения, также известные как «периодические» системы, имеют один или несколько черных резервуаров или трубок внутри изолированной коробки с прозрачным стеклом или пластиком.
крышка.Их часто используют для предварительного нагрева воды перед тем, как она попадет в обычный водонагреватель накопительного типа. Их также можно комбинировать с безрезервуарным или по запросу.
водонагреватель.

Вакуумные трубчатые коллекторы состоят из параллельных рядов прозрачных трубок, содержащих металлические поглотительные трубки, поглощающие солнечное тепло. Этот тип используется в основном
в коммерческих приложениях.

Резервуары для хранения, как правило, представляют собой обычные водонагреватели большой емкости (80 галлонов или больше) (электрические или газовые).Чем больше емкость, тем больше «бесплатно»
горячая вода в пасмурную погоду. Когда солнечные коллекторы не могут обеспечить достаточное количество горячей воды, резервные нагревательные элементы или горелки составляют
разница. Система с одним резервуаром использует существующий водонагреватель как для хранения, так и для резервного копирования, в то время как система с двумя резервуарами предварительно нагревает воду, прежде чем она попадет в магистраль.
бак водонагревателя.

Стоимость и выгода

Экономическая эффективность солнечной системы водяного отопления зависит от ряда факторов и должна оцениваться опытным профессионалом. Эти факторы включают:

• Использование горячей воды — чем больше горячей воды вы используете, тем больше вероятность того, что солнечная система нагрева воды со временем окупится.Обычно они наиболее рентабельны.
  для больших семей или домов с повышенным спросом на горячую воду.
• Стоимость системы — пассивные системы обычно дешевле, но во многих случаях могут оказаться непрактичными или неприемлемыми.
• Количество доступного солнечного света — солнечные батареи, очевидно, лучше всего работают в местах с большим количеством доступного солнечного света. В идеале коллекционеры должны быть разоблачены
  попадание прямых солнечных лучей в течение максимально возможного количества часов в день, поэтому правильное расположение имеет решающее значение для достижения оптимальной производительности.

Срок окупаемости будет зависеть от этих и других факторов, но налоговые льготы и другие стимулы могут значительно снизить начальную стоимость и сократить срок
время окупаемости. Перед покупкой солнечной системы водяного отопления вы должны изучить все потенциальные стимулы и учесть их в своем решении.

Установка и обслуживание

Для любого типа солнечной водонагревательной системы правильная установка имеет решающее значение и должна выполняться только квалифицированным, опытным подрядчиком.При выборе
подрядчика, ищите человека с большим опытом установки этого конкретного типа системы. Уточняйте лицензионные требования в своем штате или округе.
проверяйте отзывы прошлых клиентов и проверяйте источники, такие как Better Business Bureau, на предмет каких-либо жалоб или проблем.

Как и в случае с любой другой крупной системой, правильное обслуживание очень важно. Для активных систем обязательно обсудите требования к обслуживанию с установщиком и проконсультируйтесь с
руководство пользователя.Пассивные системы обычно не требуют значительного обслуживания, поскольку они проще и содержат меньше компонентов.

Связанные темы:

Численный анализ общих тенденций однофазной естественной циркуляции в двумерном кольцевом контуре

Целью данной статьи является изучение поведения потока жидкости при естественной циркуляции в двумерном кольцевом контуре, заполненном водой. Двумерный численный анализ естественной конвекции в двумерном кольцевом термосифоне с замкнутым контуром был проведен для различных отношений радиусов от 1.2 — 2,0, при этом контур нагревается с постоянным потоком в нижней половине и охлаждается с постоянной температурой в верхней половине. Численно показано, что естественная конвекция в двумерном кольцевом термосифоне с замкнутым контуром способна демонстрировать псевдопроводящий режим при бифуркации вил, стационарные конвективные режимы без и с рециркуляционными областями, возникающими на входе в теплообменники, колебательную конвекцию на бифуркациях Хопфа и Лоренца. -подобный хаотический поток. Таким образом, здесь также обнаруживается сложность динамических свойств, экспериментально обнаруженных в тороидальных или прямоугольных петлях.

1. Введение

Естественная циркуляция — важный механизм, и
знание его поведения представляет интерес для целей охлаждения в промышленных
процессы, в том числе солнечные водонагреватели, геотермальные процессы, газовая турбина
охлаждения лопастей, а также в составе системы аварийного охлаждения активной зоны ядерных реакторов.
Отвод тепла за счет естественной циркуляции обеспечивает практичное средство для охлаждения и
сбросить давление в системе теплоносителя первого контура после аварии реактора.Но
в перспективных конструкциях ядерных реакторов системы отвода тепла за счет естественного
конвекция также является потенциально важной конструктивной особенностью. Действительно, некоторые продвинутые
В конструкции атомных электростанций используется естественная циркуляция для снижения мощности активной зоны.
нормальная работа (запуск, нормальная работа с питанием и выключение), а некоторые
в конструкции используется естественная циркуляция для охлаждения защитной оболочки.
Из-за их практического значения термосифоны стали предметом исследования.
большое количество теоретических и экспериментальных исследований.Обзор широкого
дано применение контуров естественной циркуляции в инженерных системах.
Звирина [1]. Они также привлекают внимание из-за разнообразия движений жидкости и сложности встречающихся динамических свойств, несмотря на
простота их геометрии. Обзор исследований, начатых Келлером [2], Веландером [3] и Малкусом [4], был дан Грейфом [5]. Наличие
область обратного потока впервые была качественно описана Creveling et al. [6], которые также впервые в своих экспериментах наблюдали хаотическое течение лоренцевского типа (см.
также [7–9]).

Предыдущие исследования тороидальных петель использовали одномерный
подход путем усреднения определяющих уравнений по поперечному сечению трубы,
что требовало априорной спецификации трения и теплопередачи
коэффициенты. Насколько нам известно, в литературе только один
численный эксперимент по установившемуся трехмерному течению в тороидальной петле существует (Lavine et al.
[10]).

Цель
настоящего исследования заключается в исследовании путем прямого численного интегрирования
определяющими уравнениями установившихся и нестационарных движений в термосифоне простых
четкая геометрия, 2D-кольцевой контур.

2. Основные уравнения и разрешение

Рассмотрим двумерную кольцевую петлю ламинарного
жидкость, нагретая на половине своей площади с однородным тепловым потоком () и охлаждаемая на оставшейся половине при постоянной температуре ()
как показано на рисунке 1. Внутренний
(соответственно внешний) радиус цилиндра равен (соответственно), зазор канала определяется как. В
классические управляющие (Навье-Стокса плюс энергия) уравнения для несжимаемой
жидкость с приближением Буссинеска, используемым в цилиндрических координатах, не
написано здесь из-за нехватки места, но его можно найти в работе Desrayaud et al.
al.[11]. Обезразмерность уравнений осуществляется следующим образом:
для размера, времени, скорости и температуры:

Теплофизические характеристики жидкости:
его температуропроводность, его
кинематическая вязкость, и
его теплопроводность. Знак — коэффициент теплового расширения и
безразмерные радиальная и осевая скорости равны и.

Безразмерные граничные условия следующие:
угловой
координата отсчитывается от нисходящей вертикали
(см. рисунок 1):

Неподвижный изотермический раствор, использованный в качестве
начальное предположение для вычислений дается

Безразмерными параметрами, определяющими течение, являются рэлеевские параметры.
число Ra, основанное на зазоре канала, числе Прандтля и соотношении радиусов, которые определяются

Безразмерный массовый расход циркулирующего внутри
петля (которая также является безразмерной средней поперечной скоростью) определяется как и не зависит от угла из-за ламинарной несжимаемости жидкости.

Процедура контрольного объема используется для дискретизации
на шахматной равномерной цилиндрической сетке нелинейная система управления
уравнения и граничные условия с центрированной схемой второго порядка для
конвективные условия. Алгоритм SIMPLER используется для
связь скорость-давление. Уравнения импульса и энергии записываются в виде
переходная форма и интегрирование по времени выполняется с использованием переменного
неявная схема направления (ADI). Граничные условия периодического типа применялись при и
.Этот
состоит из использования решений, рассчитанных на предыдущем радиальном прогоне, в качестве
граничные условия в угловой прогонке процедуры ADI. Единая сетка с контролем
объемы по направлениям и было
использованы для получения всех результатов, представленных в этой статье. Цифровой код был
широко проверены на нескольких случаях (см. [11, 12]).

3. Результаты и обсуждение

Более 100 прогонов
были выполнены для установившихся течений и 50 для нестационарных течений для
отношения радиусов и рабочие
жидкостью была вода с числом Прандтля, во всех случаях.К этой статье прилагаются три видеоролика (см. Видеоролики в дополнительных материалах, доступных на сайте http://dx.doi.org/10.1155/2008/895695). Они были сжаты в mp4
формат и, как следствие, они несколько уступают по качеству; однако в
в результате получилось стилизованное представление, важные черты видны довольно хорошо
(хотя цвета не соответствуют цветам на иллюстрациях в
текст).

Карта различных режимов, иллюстрирующая «маршрут
к хаосу »в такой конфигурации представлена ​​на рис. 2 для отношений радиусов и.Эти режимы являются псевдопроводящим (ps-), конвективным ( усл. ), вторичным движением ( секунд ),
колебательный ( осциллятор ) и хаотический ( обратный ) режимы. Следует отметить, что
эта карта показывает только общие тенденции потока. Никаких попыток найти точный
переход чисел Рэлея был сделан потому, что нестационарные движения очень
Требует много времени процессора. Например, сложно правильно захватить
интегрирование грубой силы числа Рэлея, при котором монопериодическое движение
происходит потому, что Ra-зазор очень узкий.Более того, этот режим может вырождаться
после долгой интеграции в хаотично реверсивное движение. в
Ниже приведены результаты, используемые для иллюстрации различных режимов, для разных
отношения радиусов, но, как показано на рисунке 2, все эти режимы были найдены независимо от отношения радиусов.

3.1. Устойчивый поток

3.1.1. Псевдопроводящий режим

При очень низких значениях числа Рэлея
(,; см. рис. 3) стратифицированная
температура, которая почти симметрично распределена в обеих половинах
кольцо (
И в
Рисунок 3 (а)) показывает важность осевой проводимости с конвекцией.
играет лишь второстепенную роль в передаче тепла.Следовательно, тепло передается в основном за счет
проводимость от нижней горячей части к верхней холодной части, и, таким образом, этот режим может
быть соответственно квалифицированным как псевдопроводящий. Глобальный против часовой стрелки
движение по всей петле практически отсутствует и две очень большие рециркуляции
слабого движения происходят (см. рисунок 3 (б)). Эти два больших, но слабых вихря
характеризуют псевдопроводящий режим, оба расположены у нагревателя, один
вдоль внутренней стены, а другой — вдоль внешней стены.Эти двое
вихри занимали почти четверть петли, слабое глобальное движение
течет между вихрями. Слабое глобальное движение всегда происходит вокруг
петли, даже при очень малых числах Рэлея, из-за цилиндрической геометрии
петля, и чисто проводящее решение так и не было найдено
(т.е. без глобального движения жидкости). Эта конфигурация похожа на
Рэлея-Бенара (нагрев внизу и охлаждение в верхней части), но
в отличие от этого хорошо известного случая, когда движение не ожидается до тех пор, пока
достигнуто критическое число Рэлея, нагретая жидкость немедленно движется вверх
вдоль внутреннего нижнего нагретого цилиндра, потому что не может существовать устойчивого равновесия
по выпуклой стене.Кроме того, из-за симметрии
секции нагрева и охлаждения к вертикальной оси, глобальное движение может быть
по часовой стрелке или против часовой стрелки в произвольном порядке. Два конвективных решения очень слабой
движение ответвляется симметрично от состояния покоя (т. е.)
претерпевает раздвоение вил [11]. Как ни странно, на рисунке 2 показано, что
уменьшение отношения радиусов уменьшает число Рэлея, при котором псевдопроводящий
происходит режим. Когда отношение радиусов уменьшается, это может произойти одним из способов.
за счет уменьшения зазора между стенками, размер ячеек
становится слишком большим, чтобы позволить жидкости двигаться, вена контракта слишком мала.Затем клетки отталкиваются
поток и таким образом исчезнут.

3.1.2. Конвективный режим

Для умеренных значений числа Рэлея a
вдоль контура существует квазиодномерное течение, и течение стационарное без
претерпевает какой-либо колебательный процесс. На рисунке 4 показаны температура и поток.
функциональные поля на двух ветвях бифуркации вил для рэлеевского
число, равное 1000, и коэффициент радиуса. Один из этих двух
решение было получено увеличением числа Рэлея от 0 до 1000
(см. рис. 4 (а)), в то время как другой был получен путем увеличения рэлеевского
номер шаг за шагом (см. рисунок 4 (б)).С увеличением Ra расход жидкости
претерпевает кратковременные колебания, прежде чем станет стабильным. Температура и
поля функции тока для и
показаны на рисунке 5, где жидкость движется по петле в
против часовой стрелки. Линии тока, концентрические для низких
значения числа Рэлея теперь немного деформируются во входной области
обменников, а
больше искажается у нагревателя (см. Рисунок 5 (b)). Это искажение связано с
в зону очень сильного повышения температуры, хорошо заметного на входе
обогревателя вдоль внешней стены (см. Рисунок 5 (а)).Эти искаженные
линии тока менее выражены на входе в охладитель из-за наложенного
температура у стен.

(a) движение против часовой стрелки; изотермы, от 0,1 (синий) до 1,1 (красный) с шагом 0,1
(b) движение по часовой стрелке; поле функции тока, от 1 до 11 с шагом 1
(a) Движение против часовой стрелки; изотермы, от 0,1 (синий) до 1,1 (красный) с шагом 0,1
(b) движение по часовой стрелке; поле функции тока, от 1 до 11 с шагом 1

3.1.3. Режим вторичного потока

При и (см.
Рисунок 6) следует отметить, что, помимо основного кровотока кровообращения,
можно увидеть две клетки в первом и третьем квадрантах. Эти два рециркуляционных
области возникают около внешней стены входа теплообменников (см. Рисунок 6 (b)),
при этом больший вихрь всегда находится у нагревателя, в то время как другой в охладителе
очень слабый. Как следствие, зона сильного повышения температуры
которые простирались в основном вниз по течению вдоль внешних стен, теперь уменьшены (см. рис. 6 (а)).

Безразмерные температуры на внутренней и внешней стенках показаны на рис.
Рисунок 7 только вдоль нагревателя, охладитель находится при заданной температуре. В
температура наружной стены всегда значительно выше, чем температура
внутренняя стена. Это связано с граничным условием, наложенным тепловым потоком на
утеплитель, совмещенный с кривизной. Так как поверхность внешней стены
раз больше, чем поверхность внутренней стенки, общий тепловой поток
передаваемый в конвективный поток жидкости также в разы больше и там
приводит к более высокому уровню температуры у внешней стены.В
(22 500, соотв.), Средняя температура
внешняя стенка (соответственно 0,527), в то время как на внутренней только 0,390 (соответственно 0,394)
стена. После основной циркуляции от до на рис. 7 () четко виден вход в
у обогревателя резкое повышение температуры у наружной стены с последующим незначительным
снижение температуры. Этот обратный градиент температуры объясняет, почему
жидкость может проходить вверх по потоку вдоль внешней стенки на входе в
теплообменник.При очень большом
рециркуляция происходит на входе в нагреватель (см. рисунок 6 (b)), усиливая сильную обратную
температурный градиент (см. рисунок 7). Более того, нет увеличения среднего
температура у внутренней стенки от 22 000 до 22 500, в то время как
большая возникает у внешней стены.

В
вторичные клеточные структуры появляются при значениях числа Рэлея, которые все высоки, поскольку радиус
отношение невелико, и они представляют верхний предел установившегося движения
(см. рисунок 2).Уменьшение радиуса имеет очень сильный стабилизирующий эффект, с
продвижение вторичных ячеек, таким образом, становится очень трудным для узких
промежутки между каналами, потому что следствием появления ячеек всегда является
уменьшение массового расхода, как видно на рисунке 8 (а). Существует
конкуренция между усилением ячеек за счет температурного градиента
и основная циркуляция потока, которая содержит и ограничивает ячейки »
рост.

(a) Динамика массового расхода во времени;

р
а
знак равно
2
3
5
0
0

,

𝑅
знак равно
1
.6

, а также

𝑃
𝑟
знак равно
5 Ra = 23500
(б) Предельный цикл;

р
а
знак равно
2
4
6
0
0

,

𝑅
знак равно
1
.
6

, а также

𝑃
𝑟
знак равно
5 Ra = 24600
(a) Динамика массового расхода во времени;

р
а
знак равно
2
3
5
0
0

,

𝑅
знак равно
1
.
6

, а также

𝑃
𝑟
знак равно
5 Ra = 23500
(б) Предельный цикл;

р
а
знак равно
2
4
6
0
0

,

𝑅
знак равно
1
.
6

, а также

𝑃
𝑟
знак равно
5 Ra = 24600

3.2. Колебательный режим

Хронология массового расхода во времени представлена ​​на Рисунке 8 (а) из
до 23 500 для радиуса,
.При таком соотношении радиусов и при таком соотношении радиусов
циркуляционный поток является однонаправленным (см. Рисунок 5 (b)), в то время как вторичные ячейки
изображено на (см. рисунок 6 (b)). После первоначального демпфирования
колебания, массовый расход резко уменьшается из-за возникновения
вторичные ячейки по внешней стене у входа в теплообменники. Это
с последующими небольшими устойчивыми колебаниями вторичных ячеек на месте с незначительным изменением их силы (и размера). Поток
структурное поведение поля функции тока в то же время, что и
на Рисунке 8 (а) хорошо задокументировано в видео 1 (см. дополнительные материалы), ясно демонстрируя возникновение вторичного
клетки с последующим небольшим колебательным движением этих клеток.В
, амплитуда периодического движения очень мала
и колебания очень медленно затухают (не различимы на рисунке 8 (а)
или в видео 1 (см. дополнительные материалы)).
Вот почему предельный цикл, к которому притягивается система, тянется при
. При этом числе Рэлея предел
цикл, показанный на Рисунке 8 (b), показывает, что движение (почти)
периодические с одной частотой,. Фаза
портрет для интервала выборки 0,0025 за время
интервал 1 представляет 6 циклов с почти 310 итерациями за цикл.

3.3. Хаотически реверсивное движение

Рисунок 9 (a), представляющий очень долгую временную историю массового расхода
от до 47 000 за четко
показывает апериодическое поведение потока. Безразмерный интервал времени равен
равно 35, что соответствует 70 000 итераций. Следует отметить, что
процесс реверсирования потока достигается только через долгое время, равное 15 во время
скорость потока колеблется с увеличением амплитуды до тех пор, пока не изменится на противоположное.
направления, после чего возникают колебания в новом направлении потока.Этот
переменная четко указывает на изменение направления потока с его изменением
подписать. Эти изменения направления потока также сопровождаются большим
колебания температуры, которые могут быть вредны для безопасной эксплуатации тепла
системы удаления. На рисунке 9 (b) представлены для и
, увеличение временной истории осевой составляющей
скорость в середине охладителя во время
короткий период времени, который представляет собой три колебания, за которыми следуют четыре обратных
потоки.На рисунках 10 и 11 приведены восемь снимков температуры и
поля функции тока, равномерно распределенные во времени (0,048) в прогрессии по часовой стрелке
вокруг фигуры в центре во время одного процесса обратного потока. Временные местоположения этих снимков также
обозначены закрашенными красными квадратами на Рисунке 9 (b). Направление потока ясно
различимы на полях температуры, причем изотермы следуют
направление потока (см. рисунок 10). Относительно поля потока рециркуляционная
области на входе в обменники меняют свое положение при каждом потоке
разворот, занимающий первый и третий квадранты для движения против часовой стрелки (см. снимки 8,1 на Рисунке 11) и второй и четвертый квадранты для движения по часовой стрелке
(см. Рисунок 11, снимки 4, 5).В центре рисунков 10 и 11 также показаны средние
поля температуры и функции тока, которые получаются сложением всех
мгновенные поля на каждом временном шаге в течение двух квазипериодических потоков
эволюция показывает обратные потоки во времени (см. рисунок 9 (b)).
Средние поля не совсем симметричны относительно вертикали.
центральная плоскость, потому что эволюция потока не является периодической. Видео 2 и 3 (см. Дополнительные материалы), соответственно, представляют
поведение полей температуры и функции тока в одно и то же время
история, как на рисунках 9 (b), и полезно дополнять рисунки 10 и 11.Первое
три колебания полей температуры и функции тока и способ
четко видны четыре обратных направления потока.

(а) Временной график;

р
а
знак равно
4
7
0
0
0

,

𝑅
знак равно
1
.
4

, а также

𝑃
𝑟
знак равно
5 Ra = 47000
(б) Расширение временной истории;

р
а
знак равно
1
5
0
0
0

,

𝑅
знак равно
2
.
0

, а также

𝑃
𝑟
знак равно
5 Ra = 15000
(а) Временной график;

р
а
знак равно
4
7
0
0
0

,

𝑅
знак равно
1
.
4

, а также

𝑃
𝑟
знак равно
5 Ra = 47000
(б) Расширение временной истории;

р
а
знак равно
1
5
0
0
0

,

𝑅
знак равно
2
.0

, а также

𝑃
𝑟
знак равно
5 Ra = 15000

Несколько экспериментов по тепловой конвекции в закрытом
петли были сделаны. Хотя они проводились в тороидальном
[6, 13, 14] или прямоугольные [7–9, 15] петли и не
Тем не менее, в кольцевом контуре можно провести некоторые качественные сравнения.
Во-первых, Stern et al. [14], используя те же граничные условия, что и в настоящем
численное исследование, но для тороидальной петли, экспериментально продемонстрировал течение
реверсирование в секции нагрева должно быть сильнее, чем реверсирование в охлаждающей
раздел.Более того, все эти эксперименты
[6–9, 14, 15] показали, что после установившегося режима
возникли колебательные движения с последующими обратными потоками, как в настоящее время
численный эксперимент. Наконец, некоторые из них также испытали на себе подобие Лоренца.
поведение [6–9], как на рисунке 12, где
можно увидеть узнаваемую форму аттрактора Лоренца. Аттрактор спроектирован
в этом плане напоминает бабочку. Эта фаза
портрет был построен на
только с одним временным рядом (горизонтальная ось), массовым расходом и
с использованием двух лагов по времени
и 0.06 для другой оси и за общее безразмерное время, равное 10.
Только одна итерационная точка (красная) из десяти используется для рисования аттрактора Лоренца.
На рисунке 12 есть только два отклонения потока вокруг положительного
крыло (при этом движение идет против часовой стрелки), а большая часть
они кружатся над отрицательным крылом (движение по часовой стрелке
направление). Нет лучшего описания этого явления, чем
следующее: «В качестве аттрактора Лоренца
нанесен, прядь будет вычерчена из одной точки, и начнется плетение
контур правого крыла бабочки.Затем он переходит на левое крыло и
рисует его центр. Аттрактор продолжит колебаться между
два крыла, его движение кажется случайным, само его действие отражает хаос
что движет процессом ». (http://zeuscat.com/andrew/chaos/lorenz.html).
Для тех, кто хочет посмотреть фильмы с аттракторами Лоренца в реальном времени, есть множество примеров.
можно легко найти в Интернете.

4. Заключение

Поведение
двумерного кольцевого контура естественной циркуляции, равномерно нагреваемого по
нижнюю половину и охлаждают, поддерживая постоянную температуру стенки над верхней
половина исследована численно.Подробные численные результаты для потока
в термосифоне представлены для различных соотношений радиусов и все эти
результаты были продемонстрированы путем грубой интеграции полного
Уравнения Навье-Стокса.

Это
численно продемонстрировано, что сложность динамических свойств
здесь также встречается экспериментально встречающийся в тороидальных и прямоугольных петлях.
следующее:
(i) псевдопроводящий
режим, при котором тепло в основном передается за счет теплопроводности от нагревателя к
охладитель; (ii) установившийся поток
показывающее глобальное движение по всему контуру с теплом, выделяемым
жидкость из нагревателя в охладитель.Движение может быть по часовой стрелке или
против часовой стрелки по случайности из-за раздвоения вил; (iii) устойчивый поток
с рециркуляционными зонами, показывающими замедление массового расхода из-за
возникновение вихря на входе нагревателя, уменьшающего « вена контракта »; (iv) периодический
движение, при котором клетки колеблются на
пятно с постоянной амплитудой очень малой величины; (v) лоренц-подобный хаотический
поток. Скорость потока колеблется с
увеличивая амплитуду до тех пор, пока в конце концов не изменит направление на противоположное, после чего
колебания возникают в новом направлении потока.Этот хаотический режим, кажется, достигается через Ruelle-Takens.
сценарий, включающий последовательность бифуркаций Хопфа: от фиксированной точки до
периодическая орбита, поэтому вполне вероятно, что система обладает странной
аттрактор.

Номенклатура

тепловой поток на нагревателе, Вт / м ²

200

Греческий 9010 7

Надстрочный индекс

81

81

90 200 Внутренний цилиндр

Благодарности

Эта работа была поддержана исследовательским грантом No.031265 от Французского национального института достижений в области научных вычислений (IDRIS-Computer Center). Авторы признательны Р. Спампинато за помощь в выполнении некоторых вычислительных работ.

Дополнительные материалы

Видео 1 показывает эволюцию структуры потока поля функции тока от Ra = 22000 до Ra = 23500 при R = 1,6 в течение той же временной истории, что и на рисунке 7a. Видео 2 показывает эволюцию структуры потока температурного поля в течение того же периода времени, что и на рисунке 9.Видео 3 показывает эволюцию структуры потока поля функции потока в течение того же периода времени, что и на рисунке 10.

1. Видео 1
2. Видео 2
3. Видео 3

Урок 2: Основы солнечной горячей воды

Обзор

В этом уроке вы узнаете об использовании солнца для обеспечения тепла. В этой части курса мы уделим особое внимание нагреву горячей воды для дома.

В солнечной водонагревательной системе сбор тепла является основной целью наряду с отводом тепла от собирающей поверхности, передачей его в накопитель и, в конечном итоге, использованием его для нагрева горячей воды для бытового потребления.

Мелкая вода в озере обычно теплее, чем глубокая. Это потому, что солнечный свет может нагреть дно озера на мелководье, которое, в свою очередь, нагревает воду. Это природный способ солнечного нагрева воды. Солнце можно использовать практически так же, как для нагрева воды в зданиях и бассейнах.

Большинство солнечных водонагревательных систем для зданий состоит из двух основных частей: солнечного коллектора и накопительного бака .Самый распространенный коллектор называется коллектор с плоской пластиной . Установленный на крыше, он представляет собой тонкую плоскую прямоугольную коробку с прозрачной крышкой, обращенной к солнцу. Маленькие трубки проходят через коробку и несут жидкость — воду или другую жидкость, такую ​​как раствор антифриза, — для нагрева. Трубки прикреплены к пластине абсорбера , которая окрашена в черный цвет для поглощения тепла. По мере того, как в коллекторе накапливается тепло, он нагревает жидкость, проходящую по трубкам.
Ниже описаны различные типы солнечных коллекторов.

Бак для хранения удерживает горячую жидкость. Это может быть просто модифицированный водонагреватель, но обычно он больше и очень хорошо изолирован. Системы, в которых используются жидкости, отличные от воды (обычно смесь пропиленгликоля), нагревают воду, пропуская ее через теплообменник, который передает тепло от смеси гликоля к нагреваемой воде.

Солнечные водонагревательные системы могут быть активными или пассивными . Наиболее распространены активные системы, в которых для перемещения жидкости между коллектором и резервуаром для хранения используются насосы.С другой стороны, пассивные системы полагаются на силу тяжести и склонность воды к естественной циркуляции при нагревании.

Солнечные коллекторы — ключевой компонент активных систем солнечного отопления. Солнечные коллекторы собирают солнечную энергию, преобразуют ее излучение в тепло, а затем передают это тепло воде, солнечной жидкости или воздуху.Солнечная тепловая энергия может использоваться в солнечных водонагревательных системах, солнечных нагревателях бассейнов и солнечных системах отопления помещений. Есть несколько видов солнечных коллекторов:

В жилых и коммерческих зданиях, где требуется температура ниже 200F, обычно используются плоские коллекторы, тогда как в тех, где требуется температура выше 200F, используются вакуумные трубчатые коллекторы.

В начало

Типы солнечных водонагревательных систем

Активные солнечные водонагревательные системы

Активные солнечные водонагреватели используют электрические насосы, клапаны и контроллеры для циркуляции воды или других теплоносителей (обычно смеси пропиленгликоля) через коллекторы. Существуют три типа активных солнечных водонагревательных систем:

1. В системах с прямой циркуляцией (или открытых системах ) используются насосы для циркуляции воды через коллекторы.Эти системы подходят для мест, которые не замерзают в течение длительного времени и не имеют жесткой или кислой воды. Эти системы не одобрены Solar Rating & Certification Corporation (SRCC), если в них используется рециркуляционная защита от замерзания (циркуляция теплой воды в резервуаре в условиях замерзания), потому что для эффективной защиты требуется электроэнергия.

2. Системы с косвенной циркуляцией (или закрытые системы ) перекачивают теплоносители, такие как смесь гликоля и водяного антифриза, через коллекторы.Теплообменники передают тепло от жидкости питьевой воде, хранящейся в резервуарах. Некоторые непрямые системы имеют защиту от перегрева, которая защищает коллектор и гликолевую жидкость от перегрева при низкой нагрузке и высокой интенсивности поступающего солнечного излучения.

3. Дренажные системы , тип косвенной системы, используют насосы для циркуляции воды через коллекторы. При остановке насосов вода из коллекторного контура сливается в резервуар-накопитель.Это делает дренажные системы хорошим выбором в более холодном климате. Дренажные системы должны быть тщательно установлены, чтобы гарантировать, что трубопровод всегда наклонен вниз, чтобы вода полностью стекала из трубопровода. В некоторых обстоятельствах этого может быть сложно.

Пассивные солнечные водонагревательные системы

Пассивные солнечные водонагревательные системы обычно дешевле активных систем, но обычно не так эффективны.Пассивные солнечные водонагреватели полагаются на силу тяжести и склонность воды к естественной циркуляции при нагревании. Поскольку они не содержат электрических компонентов, пассивные системы, как правило, более надежны, проще в обслуживании и, возможно, имеют более длительный срок службы, чем активные системы.

1. Системы хранения со встроенным коллектором состоят из одного или нескольких резервуаров, помещенных в изолированную коробку с застекленной стороной, обращенной к солнцу. Зимой их необходимо осушить или защитить от замерзания.Эти солнечные коллекторы лучше всего подходят для областей, где температура редко опускается ниже нуля. Они также хороши в домохозяйствах со значительными дневными и вечерними потребностями в горячей воде; но они плохо работают в семьях с преимущественно утренними розыгрышами, потому что они теряют большую часть собранной энергии за ночь.

2. Системы Thermosyphon — это экономичный и надежный выбор, особенно в новых домах. Эти системы основаны на естественной конвекции теплой воды, поднимающейся вверх, для циркуляции воды через коллекторы и в резервуар (расположенный над коллектором).Когда вода в солнечном коллекторе нагревается, она становится светлее и естественным образом поднимается в резервуар наверху. Тем временем более холодная вода стекает по трубам к нижней части коллектора, улучшая циркуляцию. Некоторые производители размещают накопительный бак на чердаке дома, скрывая его от глаз. Непрямые термосифоны (которые используют гликолевую жидкость в коллекторном контуре) могут быть установлены в климатических условиях, склонных к замерзанию, если трубопровод в некондиционном пространстве должным образом защищен.

Солнечные водонагревательные системы почти всегда нуждаются в резервной системе в пасмурные дни и в периоды повышенного спроса.Обычные накопительные водонагреватели обычно обеспечивают резервное копирование и могут уже быть частью солнечной системы. Резервная система также может быть частью солнечного коллектора, например, резервуары на крыше с термосифонными системами. Поскольку накопительная система со встроенным коллектором уже накапливает горячую воду в дополнение к накоплению солнечного тепла, она может быть укомплектована водонагревателем по запросу (без резервуара или проточным) для резервного копирования

В начало

Компоненты солнечной водонагревательной системы

Компоненты: Коллекторы

Плоские коллекторы воздуха используются в основном для солнечного отопления помещений.Пластины абсорбера в коллекторах воздуха могут быть металлическими листами, слоями экрана или неметаллическими материалами. Воздух проходит мимо абсорбера за счет естественной конвекции или вентилятора. Поскольку воздух проводит тепло гораздо хуже, чем жидкость, от абсорбера коллектора воздуха передается меньше тепла, чем от абсорбера коллектора жидкости. Для отопления помещений используются воздушные плоские коллекторы.

2.Коллекторы вакуумные

Коллекторы с вакуумированными трубками могут достигать чрезвычайно высоких температур (от 170F до 350F), что делает их более подходящими для коммерческого и промышленного применения. Однако коллекторы с вакуумированными трубками дороже плоских коллекторов, при этом стоимость единицы площади примерно в два раза выше, чем у плоских коллекторов.(см. рисунок 2)

Коллекторы обычно состоят из параллельных рядов прозрачных стеклянных трубок. Каждая трубка содержит стеклянную внешнюю трубку и металлическую трубку-поглотитель, прикрепленную к ребру. Ребро покрыто покрытием, которое хорошо поглощает солнечную энергию, но препятствует радиационным потерям тепла. Воздух удаляется или откачивается из пространства между стеклянными трубками и металлическими трубками для создания вакуума, который устраняет кондуктивные и конвективные потери тепла.

Новая конструкция с вакуумными трубками доступна от китайских производителей, Beijing Sunda Solar Energy Technology Co.Ltd. Конструкция «Дьюара» представляет собой вакуум, содержащийся между двумя концентрическими стеклянными трубками, с избирательным покрытием абсорбера на внутренней трубке. Обычно воде позволяют термосифонировать вниз и обратно во внутреннюю полость, чтобы передать тепло резервуару для хранения. Нет никаких межмолекулярных уплотнений. Этот тип вакуумной трубки может стать конкурентоспособным по стоимости по сравнению с плоскими пластинами.

3. Интегральные коллекторно-накопительные системы

Интегральные коллекторно-накопительные системы (ICS), также известные как системы периодического действия, состоят из одного или нескольких пустых резервуаров или трубок в изолированном застекленном ящике.Холодная вода сначала проходит через солнечный коллектор, который предварительно нагревает воду, а затем попадает в обычный резервный водонагреватель.

Системы

ICS — это простые и надежные солнечные водонагреватели. Однако их следует устанавливать только в климате с умеренным морозом, потому что сам коллектор или наружные трубы могут замерзнуть в очень холодную погоду. Некоторые недавние исследования показывают, что проблему замерзания труб в некоторых случаях можно решить, используя устойчивые к замерзанию трубопроводы в сочетании с методом защиты от замерзания.

Компоненты: Теплообменник
В солнечных водонагревательных системах используются теплообменники для передачи солнечной энергии, поглощенной в солнечных коллекторах, жидкости или воздуху, используемым для нагрева воды или помещения.

Теплообменники могут быть изготовлены из стали, меди, бронзы, нержавеющей стали, алюминия или чугуна. В системах солнечного отопления обычно используется медь, поскольку она является хорошим проводником тепла и обладает большей устойчивостью к коррозии.

Солнечные водонагревательные системы используют два типа теплообменников:

1.Теплообменники жидкость-жидкость

Теплообменники жидкость-жидкость используют теплоноситель, который циркулирует через солнечный коллектор, поглощает тепло, а затем протекает через теплообменник для передачи тепла воде в резервуар для хранения. Жидкие теплоносители, такие как антифриз, защищают солнечный коллектор от замерзания в холодную погоду. Жидкостные теплообменники имеют один или два барьера (одностенные или двустенные) между теплоносителем и водопроводом.

Одностенный теплообменник представляет собой трубу или трубку, окруженную жидкостью. Либо жидкость, проходящая через трубку, либо жидкость, окружающая трубки, может быть теплоносителем, а другая жидкость — питьевой водой. Двухстенные теплообменники имеют две стенки между двумя жидкостями. Две стенки часто используются, когда теплоноситель токсичен, например, этиленгликоль. Двойные стенки часто требуются в качестве меры безопасности в случае утечки, помогая гарантировать, что антифриз не смешается с питьевой водой.Примером двухстенного теплообменника жидкость-жидкость является «кольцевой теплообменник», в котором трубка обернута вокруг бака с горячей водой и прикреплена к внешней стороне. Трубка должна быть должным образом изолирована, чтобы уменьшить тепловые потери. Некоторые местные нормы и правила требуют наличия двустенных теплообменников в солнечных водонагревательных системах.

Хотя двустенные теплообменники повышают безопасность, они менее эффективны, поскольку тепло должно передаваться через две поверхности, а не через одну. Для передачи такого же количества тепла теплообменник с двойными стенками должен быть больше, чем теплообменник с одинарными стенками.

2. Воздухо-жидкостные теплообменники

Солнечные системы отопления с воздухонагревательными коллекторами обычно не нуждаются в теплообменнике между солнечным коллектором и системой распределения воздуха. Некоторые солнечные системы воздушного отопления предназначены для нагрева воды, если удовлетворяются требования к обогреву помещения. В этих системах используются теплообменники типа «воздух-жидкость», которые аналогичны теплообменникам «жидкость-воздух».

Конструкции теплообменников
Существует множество конструкций теплообменников.Вот несколько распространенных:

1. Змеевик в баке

Теплообменник представляет собой змеевик в накопительном баке. Это может быть одинарная трубка (одностенный теплообменник) или толщина двух трубок (двустенный теплообменник). Менее эффективной альтернативой является размещение змеевика снаружи резервуара коллектора с изоляционным покрытием.

3. Трубчатый теплообменник

В этой очень эффективной конструкции трубы для воды и теплоносителя находятся в прямом тепловом контакте друг с другом. Вода и теплоноситель движутся в противоположных направлениях. Этот тип теплообменника имеет две петли, аналогичные описанным в кожухотрубном теплообменнике.

В начало

Калибровка

Чтобы теплообменник был эффективным, он должен иметь правильный размер.При выборе правильного размера необходимо учитывать множество факторов, в том числе следующие:

• Тип теплообменника
• Характеристики жидкого теплоносителя (удельная теплоемкость, вязкость и плотность)
• Расход
• Температура на входе и выходе для каждой жидкости.

Обычно производители предоставляют показатели теплопередачи для своих теплообменников (в британских тепловых единицах в час) для различных температур жидкости и расхода. Кроме того, размер поверхности теплообменника влияет на его скорость и эффективность: большая площадь поверхности передает тепло быстрее и эффективнее.

Установка

Для обеспечения наилучшей производительности всегда соблюдайте рекомендации производителя по установке теплообменника. Обязательно выберите жидкий теплоноситель, совместимый с типом теплообменника, который вы будете использовать. Если вы хотите построить свой собственный теплообменник, имейте в виду, что использование различных металлов в конструкции теплообменника может вызвать коррозию. Кроме того, поскольку разнородные металлы имеют разные характеристики теплового расширения и сжатия, могут возникнуть утечки или трещины.Любое из этих условий может сократить срок службы теплообменника.

Компоненты: теплоносители

Жидкие теплоносители переносят тепло через солнечные коллекторы и теплообменник в резервуары для хранения тепла в солнечных водонагревательных системах. При выборе теплоносителя следует учитывать следующие критерии:

• Коэффициент расширения: относительное изменение длины (или иногда объема, если указано) материала за единицу изменения температуры
• Сопротивление вязкости жидкости сдвиговым силам (и, следовательно, течению)
• Теплоемкость Способность вещества накапливать тепло
• Точка замерзания температура, ниже которой жидкость превращается в твердое вещество
• Точка кипения температура, при которой жидкость закипает
• Температура вспышки самая низкая температура, при которой пар над жидкостью может воспламениться на воздухе.

Например, в холодном климате для солнечных водонагревательных систем требуются жидкости с низкой температурой замерзания. Жидкости, подвергающиеся воздействию высоких температур, например, в пустынном климате, должны иметь высокую температуру кипения. Вязкость и теплоемкость определяют количество необходимой энергии перекачивания. Жидкость с низкой вязкостью и высокой удельной теплоемкостью перекачивать легче, потому что она менее устойчива к течению и передает больше тепла. Другими свойствами, которые помогают определить эффективность жидкости, являются ее коррозионная активность и стабильность

.

Типы жидкостей-теплоносителей
Ниже приведены некоторые из наиболее часто используемых жидкостей-теплоносителей и их свойства:

Воздух
Воздух не замерзает и не закипает, не вызывает коррозии.Однако он имеет очень низкую теплоемкость и имеет тенденцию вытекать из коллекторов, воздуховодов и заслонок.

Вода
Вода нетоксична и недорогая. Благодаря высокой удельной теплоемкости и очень низкой вязкости его легко перекачивать. К сожалению, вода имеет относительно низкую температуру кипения и высокую температуру замерзания. Он также может вызывать коррозию, если pH (уровень кислотности / щелочности) не поддерживается на нейтральном уровне. Вода с высоким содержанием минералов (например, «жесткая» вода) может вызвать образование минеральных отложений в коллекторах и трубопроводах системы.

Смеси гликоль / вода
Наиболее распространенной жидкостью, используемой в закрытых солнечных водонагревательных системах, является пропиленгликоль. Смеси гликоль / вода имеют соотношение гликоль-вода 50/50 или 60/40. Этилен и пропиленгликоль — «антифризы». Этиленгликоль чрезвычайно токсичен и должен использоваться только в двустенных замкнутых системах. Вы можете использовать смеси пропиленгликоля и воды пищевого качества в одностенных теплообменниках, если смесь сертифицирована как нетоксичная.Убедитесь, что в него не добавлены токсичные красители или ингибиторы. Большинство гликолей портятся при очень высоких температурах. Значение pH, точку замерзания и концентрацию ингибиторов следует проверять ежегодно, чтобы определить, нуждается ли смесь в каких-либо корректировках или заменах для поддержания ее стабильности и эффективности.

Хладагенты / жидкости с фазовым переходом
Они обычно используются в качестве теплоносителя в холодильниках, кондиционерах и тепловых насосах. Обычно они имеют низкую температуру кипения и высокую теплоемкость.Это позволяет небольшому количеству хладагента очень эффективно передавать большое количество тепла. Хладагенты быстро реагируют на солнечное тепло, что делает их более эффективными в пасмурные дни, чем другие перекачивающие жидкости. Поглощение тепла происходит, когда хладагент закипает (переходит из жидкой фазы в газообразную) в солнечном коллекторе. Высвобождение собранного тепла происходит, когда газообразный хладагент снова конденсируется в жидкость в теплообменнике или конденсаторе. Солнечные коллекторы с вакуумными трубками и тепловыми трубками используют этот вид жидкости.

В течение многих лет хлорфторуглеродные (CFC) хладагенты, такие как фреон, были основными жидкостями, используемыми производителями холодильников, кондиционеров и тепловых насосов, поскольку они негорючие, малотоксичные, стабильные, некоррозионные и не замерзают. Однако из-за негативного воздействия ХФУ на озоновый слой Земли производство ХФУ постепенно прекращается, как и производство гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ). Те немногие компании, которые производили солнечные системы с хладагентом, либо полностью прекратили производство этих систем, либо в настоящее время ищут альтернативные хладагенты.Некоторые компании исследовали метиловый спирт как замену хладагентам.

Если солнечная система заправлена ​​хладагентом и нуждается в обслуживании, следует связаться с местным специалистом по обслуживанию солнечных батарей или холодильного оборудования. С 1 июля 1992 г. преднамеренный выброс ХФУ и ГХФУ во время обслуживания и ремонта или утилизации оборудования, содержащего эти соединения, является незаконным и карается высокими штрафами. Несмотря на то, что производство CFC было прекращено в США в 1996 г., лицензированный техник по холодильному оборудованию все еще может обслуживать вашу систему.

В начало

Компоненты: Циркуляционные насосы

Центробежные циркуляционные насосы чаще всего используются в солнечных водонагревательных системах. Центробежные насосы обычно имеют низкое энергопотребление, низкие эксплуатационные расходы и высокую надежность. Корпуса обычно изготавливаются из чугуна, бронзы или нержавеющей стали. Для более дешевых замкнутых систем подходят циркуляционные насосы из чугуна. Для разомкнутых систем циркуляции пополняющей воды необходим циркуляционный насос из бронзы.Насосы из нержавеющей стали используются в плавательных бассейнах и других областях, где присутствуют химические вещества.

Как только определено, что насос должен работать в замкнутом контуре, разомкнутом контуре или в другой конкретной среде, для выбора подходящего насоса используются требования к напору и расходу солнечной системы. Напор — это давление, которое насос должен создать, чтобы создать желаемый поток через систему. Общее давление, которое должен создать насос, определяется высотой подъема воды и сопротивлением трения трубы.

Статический напор — это давление, возникающее в результате вертикальной высоты и соответствующего веса столба жидкости в системе. Чем выше насос должен поднимать жидкость против силы тяжести, тем выше статический напор, который он должен развивать. Динамический напор включает сопротивление трению жидкости, протекающей по трубе и фитингам в системе. Давление, которое насос должен создать для преодоления динамического напора, зависит от размера и длины трубы, количества фитингов и изгибов, а также скорости потока и вязкости жидкости.

Циркуляционные насосы обычно делятся на категории с низким, средним или высоким напором. Приложения с низким напором имеют напор от 3 до 10 футов (0,9–3 м); аппликации со средним напором, от 10 до 20 футов (3-6 м) напора; и аппликации с высоким напором, более 20 футов напора.

Компоненты: датчики и органы управления

Компоненты: Накопительный бак

Солнечная система нагрева воды обычно устанавливается между холодной водой, поступающей в дом, и обычным водонагревателем, и используется для предварительного нагрева воды, поступающей в обычный водонагреватель. Накопительный бак необходим для хранения воды, нагретой солнечной системой нагрева воды. Добавление еще одного накопительного бака для хранения воды, нагретой солнечными батареями, не только более эффективно, чем обычный водонагреватель, но и солнечный водонагреватель действует как средство защиты солнечных панелей от перегрева.На этом рисунке слева показан накопительный бак емкостью 80 галлонов, а справа — обычный водонагреватель, работающий на природном газе, с дополнительным изоляционным покрытием.

В летние месяцы, которые можно удовлетворить только за счет солнечной горячей воды, вы можете установить «узел перепускного клапана» между солнечным накопительным баком и резервным водонагревателем. Обвод солнечного коллектора состоит из трех клапанов (или двух трехходовых клапанов), которые позволяют напрямую снабжать дом водой, нагретой солнечными батареями.Клапан темперирования должен быть добавлен, когда вода, нагретая солнечными батареями, горячее, чем обычно производится в обычном баке с термостатическим управлением. Клапан темперирования устанавливается на трубопроводе горячей воды, питающей дом. Желаемую максимальную температуру воды, подаваемой в кран, можно отрегулировать. Горячая вода поступает с одной стороны, холодная вода при необходимости поступает снизу, а смешанная вода выходит в дома по водопроводу горячей воды.

Компоненты: обратный клапан

Обратный клапан позволяет жидкости течь только в одном направлении.Он предотвращает потерю тепла в ночное время за счет конвективного потока от теплого накопительного бака к холодным коллекторам. Обратные клапаны бывают «поворотного» или «пружинного» типа. Обратные клапаны поворотного типа должны быть установлены надлежащим образом (т. Е. Не перевернутыми вертикально, чтобы они могли висеть открытыми). Обратный клапан поворотного типа следует использовать с насосом, питаемым непосредственно от фотоэлектрического модуля. В условиях низкой освещенности происходит более низкая скорость потока, которая может быть недостаточно сильной, чтобы преодолеть пружинный обратный клапан. Для систем, использующих циркуляционные насосы переменного тока, следует установить пружинные обратные клапаны.Пружина сопротивляется потоку термосифона в любом направлении.

Компоненты: Расширительный бак

Расширительный бак позволяет жидкости в замкнутой системе расширяться и сжиматься в зависимости от температуры жидкости. Без расширительного бачка водопровод легко лопнул бы при нагревании жидкости. Расширительные баки мембранного типа состоят из внутренней камеры и камеры сжатого воздуха. Нагретая жидкость расширяется в замкнутом контуре относительно баллона и камеры сжатого воздуха.Поскольку жидкость сжимается при охлаждении, воздушная камера поддерживает давление в замкнутом контуре. Размер расширительного бака должен выдерживать расширение в зависимости от объема, коэффициента расширения и диапазона колебаний температуры. Размер и количество коллекторов, а также размер и длина трубопроводов и фитингов определяют объем жидкости. Расширительные баки мембранного типа можно найти в большинстве домов водоснабжения.

Компоненты: Клапан сброса давления

Каждая гидравлическая система отопления должна иметь защиту от высокого давления из-за высоких температур.Клапан сброса давления на 50 фунтов на квадратный дюйм обычно достаточен для защиты водопроводных систем с замкнутым контуром от чрезмерного давления. Клапаны сброса температуры / давления обычно не используются в замкнутом контуре, поскольку часто встречаются высокие температуры. Чаще всего используются предохранительные клапаны только по давлению. Клапаны сброса давления должны иметь вентиляционную трубку, которая направляет вытекающую жидкость в ведро или слив в полу. Как только один из этих клапанов открывается, целесообразно заменить его, поскольку они часто не полностью пересаживаются, частицы накипи или грязи могут привести к медленной утечке.

Компоненты: датчики давления и температуры

Манометр показывает, находится ли система с замкнутым контуром в допустимом диапазоне давления. Типичное давление в системе составляет от 10 до 15 фунтов на квадратный дюйм. Манометр используется в качестве диагностического прибора для контроля состояния заряда гликоля. Падение давления указывает на утечку в системе, которую необходимо найти и отремонтировать.

Два датчика температуры в замкнутом контуре и один в водяном контуре не являются обязательными, но являются ценными индикаторами функционирования системы. По одному датчику на каждой стороне теплообменника в коллекторном контуре показывает повышение температуры в коллекторах и изменение температуры в теплообменнике. Разница температур от 15 до 20F указывает на эффективную работу системы.Один датчик температуры в водяном контуре между выходом из теплообменника и входом в накопительный бак будет отображать текущую температуру воды, нагретой солнечными батареями, поступающей в накопительный бак.
Температурные датчики должны иметь диапазон от 0 до 240 или 300F. В жаркий летний день температура воды в солнечном контуре может составлять около 200F, хотя обычно максимальная достигаемая температура составляет 180F.

Вопросы к уроку 2

1. Кратко опишите два основных типа активных солнечных водонагревательных систем.
2. В пассивных солнечных водонагревательных системах, что движет циркуляцией жидкости от коллектора (коллекторов) к накопительному резервуару?
3. Какой тип солнечного коллектора наиболее распространен?
4. Когда требуется теплообменник с двойными стенками в солнечной водонагревательной системе?
5. Почему хладагенты-теплоносители, такие как хлорфторуглерод, постепенно исключаются из систем солнечного отопления?
6. Какой тип насоса обычно используется в типичной жилищной системе солнечного водонагревания с замкнутым контуром?
7. В чем разница между статической головкой и динамической головкой?
8. Где следует размещать датчики контроллеров в солнечной водонагревательной системе?
9. Зачем устанавливать обратный клапан в солнечной системе водяного отопления? Где следует установить пружинный обратный клапан?
10. Какова основная функция расширительного бачка в системе с обратной связью?
11. Где должны быть установлены датчики температуры, чтобы указать, как работает система в разомкнутой и замкнутой системе солнечного водонагревания?

В начало

ответов

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

Скачать проект циркуляции пара / воды…

Хельсинкский технологический университет Факультет машиностроения Энергетика и охрана окружающей среды Электронная книга Технология паровых котлов Эспоо 2002

Проектирование циркуляции пара / воды Себастьян Тейр, Антто Кулла

Хельсинкский технологический университет Кафедра машиностроения Энергетика и защита окружающей среды

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

ii

Введение Как представлено в предыдущем В главе котлы можно классифицировать по способу сжигания, по применению или по типу циркуляции пара / воды. В этой главе будут описаны различные типы циркуляции пара / воды в котлах. В нем не обсуждается циркуляция пара / воды для приложений, перечисленных на Рисунке 1 в разделе «Прочие» (например, ядерная, солнечная и электрическая).[1]

Паровые котлы Большой объем

Водяная труба

Прочее

Пожарная труба

Естественная циркуляция

Солнечная

Газовая труба

Вспомогательная / принудительная циркуляция

Электрическая

Кожух

Прямоточный Nuclear

Комбинированная циркуляция

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

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

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

Котлы

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

Жаротрубные котлы Современные жаротрубные котлы используются там, где требуется умеренное давление и умеренный спрос.Как следует из названия, основная конструкция жаротрубного котла состоит из труб, в которых сжигается топливо и транспортируется дымовой газ, расположенных в сосуде под давлением, содержащем воду. Обычно котлы этого типа настраиваются на жидкое или газообразное топливо, такое как нефть, природный газ и биогаз. Жаротрубные котлы используются для подачи пара или теплой воды в небольших помещениях. [2] Обычно жаротрубные котлы состоят из цилиндрических камер (1-3), в которых происходит основная часть горения, и дымовых труб.В большинстве случаев пожарные трубы располагаются горизонтально (пожарные трубы размещаются над камерами).

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

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

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

Пожарные трубы Люк Люк Очистительный люк Выход пара Вход воды

12. 13. 14. 15. 16.

Выход дымовых газов Дымовой люк Выход и циркуляция Изоляция ножек

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Пароперегреватели

Паровой барабан

Экономайзер

Спускные трубы

Буровой барабан

Испаритель (стояк)

Насос питательной воды

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

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

Котлы

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

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

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

• • • •

•

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

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

m & raisers m & feedwater

(1)

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

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

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

(2)

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

h ′ ′ — h ′ ⋅ H испарителя ∆h ⋅ U

( 3)

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

9

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

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

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

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

10

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

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

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

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

Рисунок 15: Фотография жатки экономайзера [3].

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

Рисунок 16: Буровой барабан и коллекторы коллектора [3].

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

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

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

Рис. 18: Высыхание в трубке испарителя.

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

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

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

13

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

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

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

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

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

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

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

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

• •

• • •

Котлы

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

16

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

Q

Рис. 22: Упрощенный принцип прямоточного котла

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

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

Рисунок 25: Прямоточный котел Рамзина.

18

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

Рис. 26: Эскиз трубы со спиральной стенкой

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

Рисунок 27: Многопроходная конструкция топки

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

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

•

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

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

Котлы

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

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

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

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

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

Рис. 28: Упрощенный принцип комбинированной циркуляции (горение)

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

21

Ссылки 1.

Эса Ваккилайнен, слайды лекций и материалы по технологии паровых котлов, 2001

2.

Ахонен, В. «Хёйритекникка II». Отакустантамо, Эспоо.1978

3.

Руководство по эксплуатации котла-утилизатора, Ahlstrom Machinery Corporation 1999, CD-ROM, Andritz.

4.

Хухтинен, М., Кеттунен, А., Нурмиайнен, П., Пакканен, Х. ”Höyrykattilatekniikka”. Painatuskeskus, Хельсинки. 1994.

22

Течение и теплопередача в замкнутом термосифоне Часть II …

Поток и тепло передает в закрытом петля термосифон часть II — экспериментальное моделирование Дж. К. Рупперсберг, Р. Т. Добсон, кафедра механической инженерии, в eer in g, Стелленбосский университет, Южная Африка. Резюме. замкнутый контур термосифон — это энергия устройство для переноса , которое использует термически в градиенты плотности, чтобы в циркуляции рабочей в г жидкости, тем самым устраняя в g необходимость в любых механических подвижных частях g, таких как насосы и элементы управления насосами.Это in увеличивает надежность и прохладной в g системы и снижает в размещение, эксплуатация и оплата аренды. Эти характеристики делают его особенно привлекательным вариантом для системы охлаждения с полостью in g модульного реактора с шаровидным слоем (PBMR). Однако известно, что петлевые термосифоны становятся нестабильными при Certa in in itial и работе в < / strong> g условия.Поэтому необходимо провести экспериментальное и теоретическое исследование пускового и переходного поведения такой системы. Был построен небольшой тестовый цикл , который представляет собой в g раздел концептуальной системы g. Был создан ряд репрезентативных, но типичных экспериментальных температурных и кривых расхода для диапазона исходных граничных условий и , нанесенных на график и даны как функция времени.Эти кривые показывают, что возникла колебательная температура и потока, которая зависела от разницы в g конструкции и работы в g. условия. Был выявлен ряд проблемных областей теоретического моделирования в g и актуальных в конструкции систем. Эти проблемные области необходимо решить, если требуется более высокая точность для фиксации неустойчивого и якобы хаотического тепло передачи поведения цикла < / сильный>.Ключевые слова: замкнутый контур двухфазный термосифон тепловая труба, двухфазный поток, экспериментальная оценка, переходный анализ 1 . Введение замкнутый контур термосифон — это передающее устройство, способное передавать r in g тепла от источника тепла к отдельному источнику тепла s в k на относительно большое расстояние.Его можно представить в виде вертикально ориентированной петли , состоящей из г труб, которые содержат в рабочую в г жидкость. . Если одна сторона контура нагревается , а другая — охлаждается, средняя плотность жидкости в нагретая сторона меньше, чем охлаждаемая.Разница гидростатического давления, возникающая в результате этого термически внутреннего градиента плотности между горячей и холодной сторонами, заставляет потоки жидкости огибать петлю . Это устраняет необходимость в каких-либо механических движущихся частях, таких как насосы и регуляторы расхода насоса. Таким образом, эти устройства особенно подходят для охлаждения в g приложений (например, в технологии ядерных реакторов ), где надежность и безопасность имеют первостепенное значение.По этим причинам использование замкнутого контура термосифона с естественной циркуляцией следует рассматривать для охлаждения в г полость реактора модульного реактора с шаровидным слоем (PBMR). Чертеж концепции in g потенциальной системы охлаждения в полости реактора в g (RCCS) для PBMR, предложенный Добсоном (2006), дается в Рисунок 1.В этой концепции СКП может быть представлен рядом осесимметричных элементов: активной зоны реактора, корпуса реактора высокого давления, воздуха в полости между корпусом реактора и бетонной конструкции. , бетонная конструкция, тепло s в k, расположенном вне бетонной конструкции, и несколько закрытых < сильная> петля термосифона тепловых трубок с одной вертикальной ножкой в полость для горячего воздуха и другая нога в тепло с в k. Петли тепловой трубы расположены по периферии полости реактора под углом θ. Вертикальные f in прикреплены к каждой длине тепловой трубы в полости, чтобы защитить бетонную конструкцию от излучения и конвекция от корпуса реактора через зазор между трубами и для отвода тепла к трубам.