Естественная циркуляция в системе отопления: Система отопления с естественной циркуляцией

Содержание

Системы отопления с естественной циркуляцией

Это одни из самых простых и, пожалуй, самые распространенные системы отопления для небольших загородных домов и квартир с индивидуальным отоплением. Системы весьма долговечны (при правильной эксплуатации 40 и более лет без капитального ремонта) и используют только природные физические законы, не требуя дополнительных источников энергии или дорогостоящего оборудования.

Недостатком таких отопительных систем являются: сокращенный радиус действия (до 30 м по горизонтали), обусловленный небольшим циркуляционным давлением; замедленное включение в действие из-за большой теплоемкости воды и низкого циркуляционного давления, и повышенная опасность замерзания воды в расширительном бачке, смонтированном в неотапливаемом помещении.

Принципиальная схема системы отопления с естественной циркуляцией состоит из котла (водоподогревателя), подающего и обратного трубопроводов, нагревательных приборов и расширительного бачка. Нагретая в котле вода поступает по подающему трубопроводу и стоякам в нагревательные приборы, отдает им часть своего тепла, затем по обратному трубопроводу возвращается в котел, где вновь подогревается до необходимой температуры, и далее цикл повторяется. Все горизонтальные трубопроводы системы делаются с наклоном в сторону движения воды: нагретая вода, поднявшись по стояку вследствие температурного расширения и выдавливания более холодной водой обратки, растекается по горизонтальным отводам самотеком, охлажденная вода также самотеком поступает обратно в котел. Уклоны трубопроводов способствуют и отводу пузырьков воздуха к расширительному баку: газ легче воды, поэтому он стремится вверх, а наклонные участки трубопроводов помогают ему нигде не задерживаться и поступать в расширитель, а затем в атмосферу. Расширительный бачок создает постоянное давление в системе, принимает увеличивающийся при нагревании объем воды, а при охлаждении отдает воду обратно в трубопровод.

Вода в системе отопления поднимается за счет расширения при нагревании и под действием гравитационного давления, движение (циркуляция) возникает вследствие разности плотностей нагретой (поднимающейся по подающему стояку) и охлаждённой воды (спускающейся по обратному). Гравитационное давление расходуется на движение теплоносителя и преодоление сопротивлений в сети трубопроводов. Эти сопротивления вызываются трением воды о стенки труб, а также наличием в системе местных сопротивлений. К местным сопротивлениям относятся: ответвления и повороты трубопроводов, арматура и сами нагревательные приборы. Чем больше сопротивлений возникает в трубопроводе, тем больше должно быть гравитационное давление. Для снижения трения применяются трубы увеличенных диаметров.

Циркуляционный напор (Рц) зависит (рис. 1):

1. от разности отметок центра котла и центра нижнего отопительного прибора (h), чем больше разность высот между центрами котла и прибора, тем лучше будет циркулировать теплоноситель;

2. от плотности горячей (ρг) и охлажденной воды (ρо).

Рис. 1. Принципиальная схема отопления с естественной циркуляцией теплоносителя

Как появляется циркуляционный напор? Представим, что в котле и радиаторах отопления температура теплоносителя меняется скачкообразно по центральным осям этих приборов, что, кстати, недалеко от истины. То есть в верхних частях котла и радиаторов находится горячая вода, а в нижних — охлажденная. Горячая вода имеет меньшую плотность, а следовательно, меньший вес, чем охлажденная вода. Мысленно срежем верхнюю часть отопительного контура (рис. 2) и оставим только нижнюю часть. И что же мы видим? А то, что мы имеем дело с двумя сообщающимися сосудами, хорошо знакомым нам из школьной физики. Верх одного сосуда находится выше верха другого; вода под действием сил гравитации стремится переместиться из верхнего сосуда в нижний. Отопительный контур — замкнутая система, вода в нем не выплескивается, как в сообщающихся сосудах, а стремится «успокоиться» (занять один уровень), но это ей не удается сделать, поскольку котел постоянно подогревает воду в верхней половине контура, уменьшая ее вес относительно охлажденной воды. Таким образом, высокий столб охлажденной тяжелой воды после радиаторов постоянно выталкивает низкий столб воды перед котлом и подталкивает горячую воду — возникает естественная циркуляция. Иными словами, чем выше находится центр радиаторов относительно центра кола, тем больше циркуляционный напор. Высота установки — это, первый показатель напора. Уклоны подающих трубопроводов в сторону радиаторов и обратки от радиаторов к котлу только способствуют этому процессу, помогая воде преодолевать местные сопротивления в трубах.

Рис. 2. Графическая схема возникновения циркуляционного напора

В частных домах лучше всего размещать котел ниже отопительных приборов, например, в подвале. При квартирном отоплении, когда котел устанавливается непосредственно в квартире почти на одном уровне с радиаторами, для увеличения циркуляционного напора котел лучше устанавливать «в яму» прямо на плиты перекрытия, выпилив вокруг него пол. Разумеется, «в яме» должны быть сделаны противопожарные мероприятия: плиты выровнены тонкой стяжкой, уложены листы асбеста и железа.

Второй показатель, от которого зависит циркуляционный напор, это разница между плотностями охлажденной и горячей воды. Здесь необходимо заметить, что системы с естественной циркуляцией теплоносителя относятся к саморегулирующимся системам. При проведении качественного регулирования, то есть при изменении температуры нагрева воды, самопроизвольно возникают количественные изменения — изменяется расход воды. Из-за изменения плотности горячей воды будет увеличиваться (уменьшаться) естественное циркуляционное давление, а следовательно, и количество циркулирующей воды. Другими словами, когда на улице холодно, становится холодно и в доме, включая котел на полную мощность, мы увеличиваем нагрев воды, значительно уменьшая ее плотность. Придя в отопительные приборы, вода отдает теплоту охлажденному воздуху в помещении, ее плотность при этом сильно повышается. А если взглянуть на ту часть формулы (рис. 1), которая стоит в скобках, мы видим, что чем больше разность между плотностями охлажденной и горячей воды, тем больше циркуляционный напор. Следовательно, чем сильнее нагрета вода в котле и чем сильнее она остывает в радиаторе, тем быстрее она начинает «бегать» (циркулировать) по системе отопления и это происходит до тех пор, пока воздух в помещении не прогреется. После чего вода начинает остывать в радиаторах медленнее, плотность ее уже не сильно отличается от плотности воды, вышедшей из котла, и циркуляционный напор начинает постепенно снижаться. Водичка уже не «бегает» по трубам, как «угорелая» стремясь нагреть помещение, а степенно перекатывается в них. Но как только температура в помещении начнет снижаться, например, из-за резкого похолодания или просто из-за открытой по забывчивости входной двери, циркуляционный напор начнет повышаться и водичка «побежит» по трубам веселее, стремясь выровнять температуру. Таким образом и происходит саморегуляция системы: одновременное изменение температуры и количества воды обеспечивает необходимую теплоотдачу отопительных приборов для поддержания ровной температуры помещений.

Системы водяного отопления с естественной циркуляцией бывают двухтрубные с верхней и нижней разводками, а также однотрубные с верхней разводкой.

Источник: «Отопление дома. Расчет и монтаж систем » 2011. Савельев А.А.

Открытая система отопления с естественной циркуляцией: отопление открытого типа

Содержание:

Устройство открытой системы обогрева в загородном доме
Принцип работы и преимущества открытой отопительной системы
Недостатки открытой системы
Особенности монтажа и эксплуатации открытой отопительной системы
Видео об открытой системе отопления

Водяное отопление – самое распространённое решение, которое уже давно пришло на смену простому печному обогреву. Востребованным вариантом в загородном домостроении является открытая система отопления дома, при которой циркуляция воды в трубах и радиаторах осуществляется естественным путём.

Она не требует установки циркуляционного насоса и другого дополнительного оборудования, поэтому является более дешёвой. Как создать открытую систему отопления?

Устройство открытой системы обогрева в загородном доме

Открытые системы отопления частного дома работают на разнице давления в системе. При нагревании вода расширяется и поднимается вверх по трубам до самой высокой точки, после чего она направляется вниз к радиаторам самотёком, прогревает их и воздух в комнате, после чего вновь возвращается к котлу. Главное отличие от закрытого варианта: расширительный бак для открытой системы отопления не является герметичным: он открыт для проникновения воздуха и не закрывается крышкой.

В открытой системе отопления бак играет сразу несколько ролей:

Он позволяет компенсировать температурное расширение воды. При нагревании увеличивается её объём, и разницу необходимо компенсировать, чтобы избежать гидроударов. Установка бака позволяет обеспечить равномерную циркуляцию теплоносителя.
Образовавшиеся пузырьки воздуха поднимаются вверх, поэтому в самой верхней точке устанавливается расширительный бак. Его наличие позволяет избежать появления воздушных пробок в системе, которые могут полностью вывести её из строя. Установка в наивысшей точке бака даёт возможность гарантировать полное удаление воздуха из системы.
В бак доливается вода, которая постепенно испаряется. Придётся постоянно контролировать количество теплоносителя и вовремя восполнять потери.

Система отопления открытого типа позволяет устанавливать самый простой расширительный бак, изготовленный с помощью сварки из обычного металлического листа. Его можно накрывать крышкой, чтобы избежать попадания в воду всевозможного мусора, но в любом случае он не должен быть герметичным.

Котлы для открытой системы отопления могут быть любыми: твердотопливными, газовыми, электрическими. Обычно такое оборудование стоит недорого, в отличие от мини-котельных, которые уже снабжены циркуляционным насосом и расширительным баком и используются для монтажа в закрытых отопительных системах.

Котёл выбирается в зависимости от площади дома: обычно для обогрева достаточно 1-1,2 кВт на каждые 10 кв. метров площади помещений. Это нормальное количество тепла для обогрева утеплённого дома: если не позаботиться о теплозащите, энергии будет расходоваться намного больше.

Отопительные радиаторы можно выбирать стальные, чугунные, алюминиевые, биметаллические и т. д. Выбор сегодня предлагается широкий, поэтому можно ориентироваться на площадь комнаты, персональные требования владельца, а также финансовые возможности. Чугунные радиаторы остаются вечной классикой: они характеризуются максимальной теплоёмкостью и медленно отдают нагрев даже после выключения отопления.

Принцип работы и преимущества открытой отопительной системы

Как сделать открытую систему отопления? Есть несколько обязательных для исполнения правил монтажа открытой отопительной системы:

Чтобы создать разницу давления, потребуется использовать трубы разного диаметра. На выходе из котла он должен быть максимальным: чем больше диаметр труб, тем больше давление воды, выходящей из котла и направляющейся в отопительную систему. Обратка, напротив, должна быть более узкой, чтобы обеспечивать достаточный уровень давления для продвижения воды.
Трубы, идущие к радиаторам и к котлу, должны располагаться под уклоном, чтобы обеспечивалась естественная циркуляция воды. Угол уклона должен оставлять 0,005 % — 0,01 % от самой высокой точки системы до радиаторов отопления.
Необходим высокий стояк, чтобы обеспечивать высокое давление в системе. Трубы, уложенные горизонтально, по диаметру должны соответствовать стояку. Это обеспечит нормальную циркуляцию теплоносителя, которая будет идти на основе разницы давления в системе.

Открытая система отопления с естественной циркуляцией не должна содержать большого количества поворотов и развилок. Все они будут понижать скорость движения воды, а значит, снижать эффективность отопления. Вообще такая система используется преимущественно для небольших одноэтажных зданий: чем больше дом, тем труднее будет обеспечить в нём достаточную естественную циркуляцию теплоносителя.

Объём расширительного бака для открытой системы отопления должен составлять приблизительно 1/10 от общего количества теплоносителя. При этом лучше, чтобы он был больше, чем меньше нормы. В качестве теплоносителя в такой системе желательно использовать только воду: любой антифриз достаточно быстро испаряется, кроме того, его пары будут токсичными и опасными для человека.

Основное преимущество открытой отопительной системы – низкая стоимость монтажа, так как не потребуется приобретать дополнительное дорогостоящее оборудование. Кроме того, она будет полностью независимой от внешних источников энергии: в деревенском доме перебои с электричеством не редкость, и лучше позаботиться о том, чтобы отопление работало на достаточном уровне и без него.

Установка циркуляционного насоса в открытую систему отопления возможна, при этом он может использоваться, например, только при наступлении сильных холодов или в другие серьёзные периоды. Использование дополнительного оборудования позволит быстрее прогревать дом и сделает работу отопительного котла более выгодной в экономическом плане. Обычно установка насоса в открытую систему отопления проводится в виде параллельного подключения, когда его можно изолировать с помощью шаровых кранов и пустить воду по обычной системе с естественной циркуляцией.

Недостатки открытой системы

Однотрубная открытая система отопления – распространённый, но не самый выгодный вариант. Она имеет более низкий КПД, по сравнению с закрытым типом отопления, кроме того, её значительно сложнее устанавливать: потребуется строго выдерживать уклон, утеплять трубы и т. д. Из-за высокой разницы в температуре воды при выходе из котла и при входе в него прослужит он меньше, чем при работе с закрытой системой.

В открытом расширительном баке, установленном на чердаке, вода может начать перемерзать, поэтому его придётся утеплять. Вообще такая система является громоздкой и не слишком удобной в обслуживании, поэтому её чаще выбирают для небольших дачных домов и других недорогих зданий. Есть и ещё один существенный минус.

Трубы большого диаметра труднее установить в помещении и замаскировать, это негативно скажется на декоративной стороне интерьера. В маленьком доме будет труднее выделить полноценное помещение под котельную, поэтому для всего оборудования придётся искать место.

Такая система практически не используется для двухэтажных зданий. Естественная циркуляция не позволит поднимать воду на второй этаж, и если вы планируете использовать его постоянно, от такого варианта лучше отказаться.

Однако, несмотря на некоторые серьёзные минусы, открытая система отопления с насосом продолжает пользоваться спросом как самое простое решение для небольшого загородного дома. Она даст возможность создать полностью автономный обогрев, не зависимый ни от каких посторонних аварий и катаклизмов.

Особенности монтажа и эксплуатации открытой отопительной системы

Как залить воду в открытую систему отопления? Пополнение количества теплоносителя осуществляется через расширительный бак: воду можно просто залить ведром в нужном количестве, а можно подключить бак к трубопроводной системе, чтобы ускорить и упростить подачу воды. Количество теплоносителя рассчитывается по мощности отопительного котла: на 1 кВт его мощности потребуется приблизительно 10-40 литров воды.

Если будет монтироваться открытая система отопления, схема должна учитывать правильное расположение котла. Его желательно разместить в самой нижней части дома, поэтому очень часто для него выбирается цокольный этаж или подвал.

Оборудование котельной в подвале позволит решить сразу несколько вопросов: это освободит место в жилых комнатах и обеспечит максимальную естественную циркуляцию за счёт разницы в высоте. Однако так можно поступить только с электрическим или твердотопливным котлом: газовое оборудование запрещено помещать в подвал по технике безопасности.

Система отопления открытого типа с насосом допускает установку дополнительных элементов: к ним можно отнести бойлер для обеспечения горячего водоснабжения, тёплого пола, отопления теплиц и т. д. Если предполагается установка радиаторов и тёплых полов, то в каждом случае желательно устанавливать отдельный насос, что обеспечит хорошую циркуляцию теплоносителя. Но если начнутся серьёзные перебои с энергоснабжением, теплоноситель может просто закипеть в трубах, что приведёт к очень быстрому износу всей системы.

Открытая двухтрубная система отопления – хорошее решение для полностью автономного теплоснабжения дома. Она позволит обеспечивать здание теплом и создаст равномерное движение теплоносителя в системе без дополнительных расходов на электроэнергию.

Естественная циркуляция | Инженерная библиотека

На этой странице представлена глава о естественной циркуляции из «Справочника по основам DOE: термодинамика, теплопередача и поток жидкости», DOE-HDBK-1012/3-92, Министерство энергетики США, июнь 1992 г.

Другие связанные главы из «Справочника по основам Министерства энергетики: термодинамика, теплопередача и поток жидкости» можно увидеть справа.

Естественная циркуляция — это циркуляция жидкости в трубопроводных системах или открытых бассейнах, возникающая из-за изменений плотности, вызванных разницей температур. Естественная циркуляция не требует каких-либо механических устройств для поддержания потока.

Принудительная и естественная циркуляция

В предыдущих главах, посвященных потоку жидкости, объяснялось, что всякий раз, когда жидкость течет, возникает некоторое трение, связанное с движением, которое вызывает потерю напора. Было указано, что эта потеря напора обычно компенсируется в трубопроводных системах насосами, которые работают с жидкостью, компенсируя потерю напора из-за трения. Циркуляция жидкости в системах с помощью насосов обозначается как

принудительная циркуляция .

Некоторые жидкостные системы можно спроектировать таким образом, чтобы не требовалось наличие насосов для обеспечения циркуляции. Напор, необходимый для компенсации потерь напора, создается градиентами плотности и изменениями высоты. Поток, возникающий в этих условиях, называется естественная циркуляция .

Термоголовка

Тепловая приводная головка – это сила, вызывающая естественную циркуляцию. Это вызвано разницей в плотности между двумя телами или областями жидкости.

Рассмотрим два равных объема жидкости одного и того же типа. Если два объема имеют разную температуру, то объем с более высокой температурой также будет иметь меньшую плотность и, следовательно, меньшую массу. Поскольку объем при более высокой температуре будет иметь меньшую массу, на него также будет действовать меньшая сила тяжести. Эта разница в силе тяжести, действующей на жидкость, приводит к тому, что более горячая жидкость поднимается, а более холодная опускается.

Этот эффект наблюдается во многих местах. Одним из примеров этого является воздушный шар. Сила, заставляющая воздушный шар подниматься, является результатом разницы в плотности между горячим воздухом внутри воздушного шара и более холодным воздухом, окружающим его.

Тепло, добавленное к воздуху в воздушном шаре, добавляет энергию молекулам воздуха. Движение молекул воздуха увеличивается, и молекулы воздуха занимают больше места. Молекулы воздуха внутри воздушного шара занимают больше места, чем такое же количество молекул воздуха снаружи воздушного шара. Это означает, что горячий воздух менее плотный и легче, чем окружающий воздух. Поскольку воздух в воздушном шаре менее плотный, гравитация оказывает на него меньшее влияние. В результате воздушный шар весит меньше окружающего воздуха. Гравитация втягивает более холодный воздух вниз в пространство, занимаемое воздушным шаром. Нисходящее движение более холодного воздуха выталкивает воздушный шар из ранее занятого пространства, и воздушный шар поднимается.

Условия, необходимые для естественной циркуляции

Естественная циркуляция будет происходить только при наличии правильных условий. Даже после того, как естественная циркуляция началась, устранение любого из этих условий приведет к остановке естественной циркуляции. Условия естественной циркуляции следующие.

Существует разница температур (существуют источник тепла и радиатор).
Источник тепла находится на более низкой высоте, чем радиатор.

Жидкости должны соприкасаться друг с другом.

Должно быть два тела жидкости с разными температурами. Это также может быть одно тело жидкости с участками разной температуры. Разница в температуре необходима, чтобы вызвать разницу в плотности жидкости. Разница в плотности является движущей силой естественного циркуляционного потока.

Для продолжения естественной циркуляции необходимо поддерживать разницу температур. Добавление тепла от источника тепла должно иметь место в области высоких температур. В области низких температур должен существовать непрерывный отвод тепла радиатором. В противном случае температуры со временем выровнялись бы, и дальнейшей циркуляции не произошло бы.

Источник тепла должен находиться на более низкой высоте, чем радиатор. Как показано на примере воздушного шара, более теплая жидкость менее плотная и будет стремиться вверх, а более холодная жидкость более плотная и будет стремиться опуститься. Чтобы воспользоваться преимуществами естественного движения теплых и холодных жидкостей, источник тепла и радиатор должны находиться на соответствующей высоте.

Две области должны находиться в контакте, чтобы поток между областями был возможен. Если путь потока затруднен или заблокирован, то естественная циркуляция невозможна.

Пример охлаждения с естественной циркуляцией

Естественная циркуляция часто является основным средством охлаждения реакторов бассейнового типа и облученных тепловыделяющих сборок, хранящихся в бассейнах с водой после извлечения из реактора. Источником тепла является ТВС. Радиатор – это основная часть воды в бассейне.

Вода в нижней части топливной сборки поглощает энергию, вырабатываемую сборкой. Температура воды увеличивается, а плотность уменьшается. Гравитация втягивает более холодную (более плотную) воду в нижнюю часть сборки, вытесняя более теплую воду.

Более теплая (более легкая) вода вынуждена уступить свое место более холодной (более тяжелой) воде. Более теплая (более легкая) вода поднимается выше в узле. По мере того, как вода проходит по всей длине сборки, она поглощает больше энергии. Вода становится все легче и легче, постоянно вытесняемая вверх более плотной водой, движущейся под ней. В свою очередь, более холодная вода поглощает энергию сборки и также вынуждена подниматься по мере продолжения естественного циркуляционного потока. Вода, выходящая из верхней части топливной сборки, отдает свою энергию, смешиваясь с основной массой воды в бассейне. Основная часть воды в бассейне обычно охлаждается за счет циркуляции через теплообменники в отдельном процессе.

Расход и разница температур

Тепловой напор, который вызывает естественную циркуляцию, возникает из-за изменения плотности, вызванного разницей температур. Как правило, чем больше разница температур между горячей и холодной областями жидкости, тем больше тепловой напор и результирующая скорость потока.

Однако рекомендуется держать горячую жидкость переохлажденной, чтобы предотвратить изменение фазы. В двухфазном потоке возможна естественная циркуляция, но поддерживать поток обычно сложнее.

Для индикации или проверки наличия естественной циркуляции можно использовать различные параметры. Это зависит от типа растения. Например, для реактора с водой под давлением (PWR) выбранные параметры системы теплоносителя реактора (RCS), которые будут использоваться, следующие.

RCS ΔT (T _{Горячий} − T _{Холодный} ) должен составлять 25-80% от значения полной мощности и либо быть постоянным, либо медленно уменьшаться. Это указывает на то, что остаточное тепло отводится из системы с достаточной скоростью для поддержания или снижения температуры ядра.

Температуры горячих и холодных участков RCS должны быть постоянными или медленно снижаться. Опять же, это указывает на то, что тепло отводится, а нагрузка остаточного тепла снижается, как и ожидалось.
Давление пара в парогенераторе (давление на вторичной стороне) должно соответствовать температуре RCS. Это подтверждает, что парогенератор отводит тепло от хладагента RCS.

Если естественная циркуляция для PWR осуществляется или неизбежна, можно выполнить несколько действий, чтобы обеспечить или улучшить возможности охлаждения активной зоны. Во-первых, уровень компенсатора давления может поддерживаться выше 50%. Во-вторых, поддерживайте переохлаждение RCS на 15°F или выше.

Оба этих действия помогут предотвратить образование паровых/паровых карманов в СТР, где они будут ограничивать поток СТР. В-третьих, поддерживайте уровень воды в парогенераторе на уровне ≥ нормального диапазона. Это обеспечивает адекватный теплоотвод для обеспечения достаточного отвода тепла для предотвращения закипания RCS.

Естественная циркуляция | Определение и условия

Естественная циркуляция – это циркуляция жидкости в трубопроводных системах или открытых бассейнах из-за изменений плотности , вызванных разницей температур. Естественная циркуляция не требует никаких механических устройств для поддержания потока.

Это явление имеет сходную природу с естественной конвекцией , но коэффициент теплопередачи не является объектом исследования. В этом случае объемный поток через контур является объектом исследования. Это явление является скорее гидравлической проблемой , чем проблемой теплопередачи. Однако в результате естественная циркуляция отводит тепло от источника и переносит его к теплоотводу и имеет первостепенное значение для безопасности реактора. Естественная циркуляция в замкнутом контуре

Что такое естественная конвекция

Естественная конвекция , также известная как свободная конвекция. из-за перепадов температур, а не из-за какого-либо внешнего источника (например, насоса, вентилятора, всасывающего устройства и т. д.).

При естественной конвекции жидкость, окружающая источник тепла, получает тепло, становится менее плотной и поднимается на тепловое расширение . Тепловое расширение жидкости играет решающую роль. Другими словами, более тяжелые (более плотные) компоненты будут падать, а более легкие (менее плотные) компоненты будут подниматься, что приведет к движению объемной жидкости. Естественная конвекция может происходить только в гравитационном поле или при наличии другого собственного ускорения , такого как:

ускорение
центробежная сила
6
900 сила Кориолиса 60135
Естественная конвекция практически не работает на орбите Земли. Например, на орбитальной Международной космической станции требуются другие механизмы теплопередачи для предотвращения перегрева электронных компонентов.
Условия, необходимые для естественной циркуляции
Аналогично, как и для естественной конвекции , естественная циркуляция по существу не действует на орбите Земли, а естественная циркуляция возникает по замкнутому контуру только при определенных условиях. Даже после того, как естественная циркуляция началась, устранение любого из этих условий вызовет естественная циркуляция до остановки . Условия естественной циркуляции следующие:
Наличие собственного ускорения. Естественная циркуляция может происходить только в гравитационном поле или при наличии другого собственного ускорения, например ускорения центробежной силы.
Наличие источника тепла и радиатора . Источник тепла и теплоотвод необходимы, поскольку естественная циркуляция создается разницей плотности жидкости, возникающей из-за разницы температур. Жидкость, попадая в источник тепла, получает тепло, становится менее плотной и поднимается за счет теплового расширения. Тепловое расширение жидкости играет решающую роль. Процесс в тепловом узле противоположный, тепловому узлу передается тепло, а жидкость уплотняется. Разница в плотности является движущей силой естественного циркуляционного потока. Для продолжения естественной циркуляции необходимо поддерживать разницу температур. Добавление тепла от источника тепла должно иметь место в высокотемпературной области. В низкотемпературной области должен существовать непрерывный отвод тепла радиатором. В противном случае температуры со временем выровнялись бы, и дальнейшей циркуляции не произошло бы.
Правильная геометрия . Наличие и величина естественной циркуляции также зависят от геометрии задачи. Наличие градиента плотности жидкости в гравитационном поле не обеспечивает существования естественных конвекционных течений. Естественная циркуляция в замкнутом контуре, заполненном жидкостью, создается путем размещения радиатора в контуре на высоте выше источника тепла. Циркулирующая жидкость отбирает тепло от источника и переносит его к стоку. Поток может быть однофазным или двухфазным, при котором пар течет вместе с жидкостью. Для продолжения естественной циркуляции необходимо поддерживать разницу температур. Добавление тепла от источника тепла должно иметь место в высокотемпературной области. В низкотемпературной области должен существовать непрерывный отвод тепла радиатором. В противном случае температуры со временем выровнялись бы, и дальнейшей циркуляции не произошло бы. В двухфазном потоке возможна естественная циркуляция, но поддерживать поток обычно сложнее.
Контактирующие жидкости . Две области должны быть в контакте, чтобы сделать возможным поток между областями. Если путь потока затруднен или заблокирован, естественная циркуляция невозможна.
Естественная циркуляция – расход
Расход естественной циркуляции в контуре в установившихся условиях определяется из баланса между движущей и силами сопротивления . Движущая сила возникает из-за разницы в плотности между горячим и холодным ответвлениями контура. Напор, необходимый для компенсации потерь напора, создается градиентами плотности и изменениями высоты.
Тепловая приводная головка
Тепловая приводная головка представляет собой силу, вызывающую естественную циркуляцию . Это вызвано разницей в плотности между двумя телами или областями жидкости. Рассмотрим два равных объема жидкости одного и того же типа. Если два объема имеют разную температуру, то объем с более высокой температурой также будет иметь меньшую плотность и, следовательно, меньшую массу. Известно, что плотность газов и жидкостей зависит от температуры, в общем случае уменьшаясь (из-за расширения жидкости) с повышением температуры. Поскольку объем при более высокой температуре будет иметь меньшую массу, на него также будет действовать меньшая сила тяжести. Эта разница в силе тяжести, действующей на жидкость, приводит к тому, что более горячая жидкость поднимается, а более холодная опускается. Термальный приводной напор можно просто рассчитать, используя разность гидростатических давлений:
Как видно, чем больше разница температур между горячей и холодной областями жидкости, тем больше тепловой приводной напор и результирующий расход оценивать.
Плотность воды как функция температуры
Плотность воды как функция температуры
Сила гидравлического сопротивления
Как было написано, расход естественной циркуляции , V, в петле, в установившемся режиме определяется из баланса между движущим напором и силами сопротивления. Подобно трению в трубе, общие потери давления пропорциональны квадрату расхода и, следовательно, их можно легко интегрировать в уравнение Дарси-Вейсбаха . Инженеры часто используют коэффициент потери давления , PLC . Отмечается K или ξ (произносится как «xi»). Этот коэффициент характеризует потерю давления конкретной гидросистемы или части гидросистемы. Его можно легко измерить в гидравлических контурах. Коэффициент потери давления может быть определен или измерен как для прямых труб, так и для локальные (незначительные) потери . Поскольку коэффициент трения Дарси является функцией скорости (в числе Рейнольдса), то расчет коэффициента потери давления представляет собой итеративный процесс.
Естественная циркуляция в реакторостроении
Естественная циркуляция в замкнутом контуре
В реакторостроении естественная циркуляция является очень желательным явлением, поскольку она может обеспечить охлаждение активной зоны реактора после потери ГЦН (например, после потеря внешнего питания – LOOP). В PWR конструкция установки обеспечивает перепад высот , h , примерно 12 метров между осевой линией парогенератора и осевой линией активной зоны реактора. Компоновка системы должна обеспечивать возможность естественной циркуляции после потери потока, чтобы обеспечить охлаждение без перегрева активной зоны. Кроме того, соединительный трубопровод от корпуса реактора до парогенераторов должен быть неповрежденным, свободным от препятствий, таких как неконденсирующиеся газы (например, паровые карманы). Таким образом, естественная циркуляция гарантирует, что жидкость будет продолжать течь до тех пор, пока температура реактора выше температуры радиатора, даже если питание насосов не подается.
RCP обычно не являются «системами безопасности», как они определены. После потери ГЦН (например, после отключения внешнего электроснабжения – LOOP) реактор должен быть немедленно остановлен, так как ГЦН медленно останавливаются до нулевого расхода. Тогда достаточный и безопасный отвод остаточного тепла обеспечивается естественной циркуляцией потока через реактор. При отсутствии принудительного течения теплоноситель в активной зоне начинает нагреваться. Повышение температуры теплоносителя вызывает уменьшение плотности теплоносителя, что приводит к перемещению теплоносителя в парогенератор. Следует отметить, что естественной циркуляции недостаточно для отвода тепла, выделяющегося при работе реактора на мощности.
В современных конструкциях реакторов используется естественная циркуляция, очень важная функция безопасности . Многие пассивные системы безопасности в современных конструкциях реакторов работают без использования каких-либо насосов, что обеспечивает повышенную безопасность, целостность и надежность конструкции при одновременном снижении общей стоимости реактора.
Индикаторы естественной циркуляции
В PWR можно использовать различные параметры для индикации или проверки наличия естественной циркуляции. Это зависит от типа установки и систем установки. Например, для PWR можно использовать следующие выбранные параметры:
В идеале расход можно измерить в каждом из контуров.
ΔT ( T _{Горячий} – T _{Холодный} ). Разница температур между горячими и холодными ветвями должна составлять 25-80% от значения полной мощности и либо быть постоянной, либо медленно снижаться. Это указывает на то, что остаточное тепло отводится из системы с достаточной скоростью для поддержания или снижения температуры ядра.

Температура горячих и холодных ног должна быть постоянной или медленно снижаться. Опять же, это указывает на то, что тепло отводится, и нагрузка остаточного тепла снижается, как и ожидалось.
Давление пара в парогенераторе (давление на вторичной стороне) должно соответствовать температуре системы теплоносителя реактора, и это подтверждает, что парогенератор отводит тепло от теплоносителя СТР.
Специальный номер: Естественная циркуляция в атомных электростанциях с водяным охлаждением, IAEA-TECDOC-1474. МАГАТЭ, 2005 г. ISBN 92–0–110605–X.

Ссылки:
Теплопередача:
Основы тепломассообмена, 7-е издание. Теодор Л. Бергман, Эдриенн С. Лавин, Фрэнк П. Инкропера. John Wiley & Sons, Incorporated, 2011. ISBN: 9781118137253.

Тепломассообмен. Юнус А. Ценгель. McGraw-Hill Education, 2011. ISBN: 9780071077866.
Министерство энергетики, термодинамики, теплопередачи и потока жидкости США. Справочник по основам Министерства энергетики, том 2 из 3, май 2016 г.
Ядерная и реакторная физика:
Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную технику, 3-е изд., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
WM Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
Гласстоун, Сесонске. Разработка ядерных реакторов: разработка реакторных систем, Springer; 4-е издание, 1994 г., ISBN: 978-0412985317
WSC. Уильямс. Ядерная физика и физика элементарных частиц. Кларендон Пресс; 1 издание, 1991 г., ISBN: 978-0198520467
Г.Р.Кипин. Физика ядерной кинетики. Паб Эддисон-Уэсли. Ко; 1-е издание, 1965 г.
Роберт Рид Берн, Введение в работу ядерного реактора, стр. 1988.
Министерство энергетики, ядерной физики и теории реакторов США. Справочник по основам Министерства энергетики, том 1 и 2. Январь 1993 г.
Пол Ройсс, Нейтронная физика. EDP Sciences, 2008. ISBN: 978-2759800414.
Advanced Reactor Physics:
К. О. Отт, В. А. Безелла, Введение в статистику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, исправленное издание (1989 г.), 1989 г., ISBN: 0-894-48033-2.
No related posts.