Co je přirozená cirkulace?

Přirozenou cirkulaci v odpařovacích topných plochách kotle lze zajistit pouze při dobrém chlazení stěn potrubí umístěných v zóně vysokých teplot spalin. Médiem, které ochlazuje odpařovací topné plochy, je voda nebo její směs se vznikající párou. Spolehlivé chlazení stěny potrubí otopné plochy lze zajistit pouze při správné organizaci pohybu média ochlazujícího potrubí (voda, emulze pára-voda). Nepřetržitý pohyb média ochlazujícího topnou plochu se nazývá cirkulace.

K pohybu vody po odpařovací topné ploše může dojít vlivem vnějších zdrojů energie (například čerpadla) nebo v důsledku přirozené cirkulace v odpařovacích topných plochách. Od nástupu parních kotlů se ochlazování trubkových stěn topných ploch provádí přirozenou cirkulací v odpařovacích topných plochách, jejíž vizuální znázornění je dáno modelem skla na Obr. 6-1. Model se skládá ze dvou trubek (větví) spojených s bubnem naplněným vodou.

Pokud začnete dodávat teplo Q do levé větve, pak voda v ní začne stoupat a v pravé větvi začne klesat. Taková přirozená cirkulace v odpařovacích topných plochách začne, protože hustota vody v levé větvi, když je zahřátá, bude menší než hustota studené vody v pravé větvi. Se zvyšujícím se ohřevem levé větve se začne zvyšovat rychlost pohybu vody v ní.

Pokud přívod tepla do levé větve pokračuje nepřetržitě, začnou se v ní po nějaké době objevovat bublinky páry. Směs vody s bublinkami páry se nazývá emulze páry a vody nebo směs páry a vody. Průměrná hustota emulze pára-voda bude menší než hustota nevroucí vody v pravé větvi. Páry stoupající do bubnu se budou hromadit v jeho horní části.

Levá větev, podél které voda stoupá, se nazývá vzestupná větev a pravá větev sestupná. Systém trubek, kterými voda cirkuluje, se nazývá cirkulační okruh.

Pokud je pára z bubnu odváděna potrubím 1, pak pro udržení konstantní hladiny vody je nutné přivádět do bubnu studenou vodu potrubím 2 v množství rovném množství vody přeměněné na páru. Voda vstupující do bubnu potrubím 2 se mísí se zbývající vodou a klesá podél nevyhřívané spouštěcí větve. Podobně jako je popsáno, dochází k přirozené cirkulaci v odpařovacích topných plochách v parogenerátoru.

Hnací síla v cirkulačním okruhu, která vzniká v důsledku rozdílu hustot, je vynaložena na vytvoření cirkulační rychlosti a překonání odporu cirkulačního okruhu.

Ve vyhřívaných trubkách se pouze část vody mění v páru. V důsledku toho, aby se veškerá voda vstupující do vyhřívaného potrubí přeměnila na nar, musí potrubím mnohokrát projít. Poměr hmotnosti vody vstupující do odpařovacího okruhu k hmotnosti páry vyrobené v okruhu za stejnou dobu se nazývá cirkulační poměr. U kotlů s přirozeným oběhem se v závislosti na konstrukci a parametrech páry pohybuje cirkulační poměr od 8 do 50. Většina moderních průmyslových kotlů má přirozenou cirkulaci a zpravidla několik paralelně pracujících cirkulačních okruhů.

Výpočet cirkulace je založen na dvou rovnicích: pohybové rovnici kontinuity a energetické rovnici

kde M pod, M op – hmotnost kapaliny pohybující se ve stoupacím a spádovém potrubí, kg/s; p je celkový hnací cirkulační tlak Pa; ∑∆р je celkový hydraulický odpor obvodu.

Celkový hnací tlak cirkulace závisí na rozdílu hustoty kapaliny ve spouštěcích potrubích a hustoty směsi páry a vody ve stoupacích potrubích a také na výšce cirkulačního okruhu. V tomto případě vzniká hnací tlak pouze v článcích okruhu, kterými proudí směs páry a vody.

Hnací tlak je určen (v pascalech) podle vzorce

kde p op _tr, p pod _tr — hustota kapaliny ve spodních trubkách a hustota směsi páry a vody ve stoupacích trubkách, kg/m 3 ; H – výška cirkulačního okruhu, m; g je gravitační zrychlení, m/s 2 .

Celkový hydraulický odpor obvodu (v pascalech)

kde ∆p op _tr, ∆p pod _tr — ztráty třením ve spouštěcích a stoupajících potrubích, Pa; ∆p op _м, ∆p pod _м-ztráty z místního odporu ve spouštěcím a stoupacím potrubí, Pa; ∆р_usk — tlaková ztráta k vytvoření zrychlení směsi ve stoupacích potrubích, Pa.

Užitečný hnací tlak je rozdíl mezi celkovým hnacím cirkulačním tlakem a součtem tlakových ztrát v důsledku tření ve stoupacích potrubích, snížených o tlakovou ztrátu v důsledku vytvoření zrychlení směsi v nich. To znamená, že užitečný hnací tlak se vynakládá na překonání tlakových ztrát z tření ve svodech a tlakových ztrát z lokálního odporu v celém okruhu (ve svodech a stoupačkách). Čistý hnací tlak potřebný k vytvoření spolehlivé cirkulace by měl být tím větší, čím vyšší je rychlost vody v okruhu a tlak v parogenerátoru a tím složitější je návrh okruhu. Čistý hnací tlak (v pascalech)

Výpočty cirkulace kotle se provádějí v souladu s normami vyvinutými TsKTI a VTI. Cirkulace vody v kotli neovlivňuje jeho účinnost, ale určuje spolehlivost topných ploch.