9.1. Физическая основа естественной циркуляции

Естественная циркуляция представляет собой про-цесс кругового перемещения массы некоторой среды под действием изменения ее плотности и под влиянием грави-тационных сил. Например, подогретая масса воздуха под-нимается от поверхности земли вверх, а на смену ей к по-верхности устремляются холодные порции воздуха, создавая тем самым в общей массе воздуха местные контуры естественной циркуляции, в которых подъемные потоки не отделены специальными ограничениями от опускных. Это природное физическое явление нашло широкое применение в теплоэнергетических аппаратах, в которых опускные потоки теплоносителя и его подъемные массы заключены в специальные ограждения (каналы).

Система из опускных 3 и подъемных 2 каналов представляет собой контур естественной циркуляции (рис. 9.1). К подъемным каналам подводится теплота q в достаточном количестве для осуществления генерации пара из жидкости. Парожидкостный поток поднимается вверх и попадает в барабан 1, в котором смесь разделяется на пар и жидкость. Пар в количестве D отбирается из барабана. Для компенсации испарившейся жидкости в барабан постоянно подается

питательная жидкость в количестве D + D_пр. Часть жидкости D_пр из контура постоянно удаляется с продувкой (назначение продувки будет рассмотрено ниже).

Рассмотрим условие, по-буждающее движение потока массы теплоносителя вниз по опускным каналах и вверх по подъемным. Вначале допустим, что к подъемным каналам не подводится тепловая энергия, подогрев жидкости и

Рис. 9.1. Схема циркуляцион- генерация пара в них отсутст- ного контура вуют. В этих условиях не бу-

дет движения теплоносителя в замкнутом контуре. Главным условием возникновения естественной циркуляции в замкнутом контуре является подвод тепловой энергии к подъемным каналам и образо-вание пара в них.

Рассмотрим баланс сил, действующих на сечение аа со стороны опускных и подъемных каналов при установившем-ся движении массы теплоносителя в контуре. В сечении аа со стороны опускных каналов действуют силы

gρ_oпH_п+gρ_бΔH— Δр₀, (9.1)

где gp_опH_п — давление столба жидкости высотой Н_п и плот-ностью ρ_оп; gρ_бΔH— давление столба парожидкостной сме-си в барабане высотой ΔН и плотностью ρ_б. Гидравлическое сопротивление движения потока в опускных каналах Δр₀ уменьшает давление в сечении аа, поскольку сила сопротивления направлена в сторону, обратную движению. В сечении аа со стороны подъемного канала действуют силы

gρ₀Н₀+gρ_п.кН_п.к+gρ_p.кН_p.к+

+gρ_б.кН_б.к+gρ_бΔН+Δр_п, (9.2)

где gρ₀H₀ — давление столба жидкости средней плотностью ρ₀ на подогреваемом участке высотой Н₀; gρ_п.кН_п.к— давление столба смеси средней плотностью ρ_п.к на участке поверхностного кипения высотой Н_п.к; gρ_р.кН_р.к— давление столба смеси средней плотностью парожидкостной смеси ρ_р.к на участке развитого кипения высотой Н_р.к; gρ_б.кН_б.к— давление столба смеси плотностью ρ_б.к на участке без ки-пения высотой Н_б.к; gρ_бΔH — давление столба парожид-

костной смеси в барабане; Δр_п — гидравлическое сопротив-ление течения потока в подъемных каналах на участках Н₀, Н_п.к, Н_р.к, Н_б.к. Гидравлическое сопротивление в подъемных каналах увеличивает давление в сечении аа, поскольку движение среды осуществляется вверх.

При установившемся движении теплоносителя в зам-кнутом контуре сумма сил, действующих на сечении аа в опускных и подъемных каналах, равна нулю. Следовательно,

gρ_oпH_п+gρ_бΔH—Δp₀=gρ₀H₀+

+gρ_п.κН_п.κ+gρ_р.κН_р.κ+

+gρ_б.κН_б.κ+gρ_бΔН+Δр_п. (9.3);

Осуществив некоторые преобразования формулы (9.3), по-лучим

gρ_oпH_п+gρ₀H₀—gρ_п.кН_п.к—

—gρ_р.кH_р.к—gρ_б.кH_б.к=Δp₀+Δp_п. (9.4)

Так как полная высота контура равна Н_п=Н₀+Н_п.к+Н_р.к+Н_б.к, то

gρ_опН_п=gρ_опН₀+gρ_опН_п.к+

+gρ_οпН_р.κ+gρ_οпН_б.κ. (9.5)

Если в (9.4) подставим значение gρ_опН_п из (9.5) и выполним простейшие преобразования, то получим условие равновесия сил в замкнутом контуре естественной циркуляции

gH₀ (ρ_оп—ρ₀) +gH_п.к (ρ_оп — ρ_п.к) +gН_р.кХ

X (ρ_оп—ρ_р.к) +gH_б.к (ρ_оп—ρ_б.к) =Δр₀+Δр_п. (9.6)