Добрый день всем. Вопрос вроде как теоретический, однако инициирован вполне себе реальной практической задачей.

Итак. Есть два сосуда, как на картинке ниже. В нижнем (который 2) установлен нагреватель, который генерирует пар, управляем его мощностью по давлению пара в верхнем сосуде. Выходная труба из него заведена под уровень в сосуде 1. Таким образом, из-за разности плотностей жидкости в трубках Тр1 и Тр2 будет происходить циркуляция. Вся жидкость прогреется до температуры насыщения и установится равновесие между паровой и жидкой фазой. Тут вроде вопросов нет.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

А вот что будет происходить, если мы чуточку подымем врезку Тр2 в сосуд 1, выше уровня жидкости? Как я понимаю, так как у нас образовалась линия раздела фаз, то эта циркуляция прекратится, если только вот этот параметр h не будет будет больше разности столбов жидкости в тр1 и тр2 (когда вот эта паро-водяная смесь все еще имеет возможность переливаться в сосуд 1). Возможно, эта система работоспособна при определенном расположении сосудов относительно друг друга (параметр H)?
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Если упростить вопрос. Представим себе, что мы изначально заполнили всю эту систему водой 20*С и начали греть до тех пор, пока не достигнем, например, 6 бар изб в сосуде 1. Возможно ли иметь в равновесии систему, когда у нас 165*С и 6 бари вверху (выше нагревателя и в сосуде 1) и все еще 20*С в Тр1 (ну или больше 20, но все еще намного ниже температуры насыщения)?

Насколько я понимаю, любой котел с естественной циркуляцией и есть такой термосифон как на рисунке 2 - возврат парожидкостной смеси осуществляется над уровнем жидкости в барабане котла. Рисунок 2 немного некорректный - поскольку среда в Тр2смесь жидкости и пара, то ее уровень выше, чем в сосуде 1.
Ваши вопросы не понял - в установившемся режиме давление и температура в обоих сосудах будет одинаковая.

Да, паровой котел работает примерно так, как показано на рисунке, только 1, а не 2.
Насчет разности уровней на рисунке 2 - да, в левой трубе Тр2 уровень будет повыше, я даже его показал, если увеличить картинку, то можно увидеть. Но, в данном случае это не суть. Я как раз спрашиваю о случае, когда труба Тр2 присоединена к сосуду 1 настолько выше уровня в нем, что даже несмотря на эту разницу в уровнях перетока жидкой фазы из Тр2 в этот сосуд не осуществляется - не "достает" уровень в Тр2 до горизонтального участка. Т.е. есть явный раздел фаз.

Равновесия при + 20 Цельсия в Тр1 не будет, будет интенсивная конденсация пара на поверхности зеркала в верхнем сосуде и соответствующая циркуляция воды, со временем вся вода прогреется до температуры близкой к насыщению (теплопотерями через стенки сосудов системы пренебрегаем).
Для парового котла нижняя схема неприемлема, кипятильные и опускные трубы всегда находятся под поверхностью зеркала испарения и за этим следит автоматика безопасности.

Ладно, пора рассказать, зачем я все это спрашиваю. Скажем так, есть паровой котел, который нужно держать в горячем резерве, т.е. готовым разжечься быстро и сразу же выдать пар, когда это необходимо.
Когда-то я видел один турецкий котел (жаротрубный) со встроенным пучком трубок в барабан, в который можно было бы подать пар и поддерживать давление пара в неработающем котле. Но этот котел, скорее, исключение из правил. Обычно же в паровых котлах ничего такого нет и приходится рассматривать решения с внешним теплобменником.
Можно было бы сделать это так
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Но, обычно в котле нет свободного бокового штуцера вменяемого диаметра, врезать же такой - внесение изменения в конструкцию котла и, соответственно, куча геморра.
Потому появилась идея рассмотреть вот такую инсталляцию
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Но есть подозрение, что оно работать не будет. Теплообменник надудит пара в верхнюю часть котла и циркуляция остановится. Вода сверху будет при температуре насыщения, но ничего не мешает воде внизу остывать. Это как бойлер с послойным заполнением, сверху горячая вода, снизу холодная и они не перемешиваются. Или же вспоминается опыт из "Занимательной физики" Перельмана, когда кипятильник погружен в верхнюю часть стакана, вода сверху кипит, а внизу себе спокойно лед лежит. Может, я и не прав, но что-то не могу сообразить, как все будет происходить во втором случае.

На одном из предприятий нашего города есть два чешских паровых жаротрубника RATISKOVICE THS 20/8. Очень длинные, трех-ходовые по газовому тракту, в руководстве прописана скорость подъема из холодного резерва несколько часов (4-5, точно не помню). Начкот рассказывал, однажды торопились сильно, рабочий котел встал, а резервный был холодный, такие гидроудары были при разгоне - мама не горюй! Оне теперь второй котел держат в горячем резерве очень просто, закрыв ГПЗ и настроив ЩУК на 4,0 ати, остывая, автоматика включает горелку на пять минут и опять ждет пару часов. Так же и Вам рекомендую.
Другой пример, у меня в эксплуатации были два ICI, 4-х тонники, с реверсивной топкой сжатой как гармошка, там разрешалось выходить на номинал сразу после растопа, но мы работали по аналогии с предыдущим примером.

Ок, я понял, что парожидкостной смесь подаётся под уровень в барабане котла. В проектах нефтехимии термосифонный кипятильник довольно распространенное решения для нагрева ректификационных колонн, но у нас возврат парожидкостной смеси осуществляется над уровнем жидкости, при этом описывается много случаев некорректной работы, когда это правило не выполнялось.
В нашей практике расчет термосифона тоже достаточно трудоёмкая процедура и требует квалификации, но методика есть, можете ознакомиться. Мне кажется, что отбор к проектируемому нагревателю нужно брать с нижнего коллектора, тогда не будет ситуации, когда барабан нагрет, а отпускные и экранные трубы холодные, чтобы не было деформаций на пуске. Но надо понимать, что это приведет к значительному увеличению потерь тепла

2 Галиев:
Так в том-то и дело, что хотят уйти от этих пятиминутных включений горелки. Как показала практика, топлива тратится на такое поддержание нехило, а есть рядом практически халявный пар. Короче, там много нюансов, есть задание паром поддерживать и все тут.
2 Twonk:
А можете, если несложно, какую-то схемку выложить, как это дело происходит и почему именно над уровнем жидкости возврат осуществляется?

А вообще у меня появилась мысль: если бы все было так просто, то поддерживать котел в разогретом состоянии можно было бы, просто оставив паровую трубу в открытом состоянии. Пар бы заходил с общего коллектора обратным ходом в котел, давил на зеркало воды и прогревал всю толщу. Но почему-то так никто не делает, наверно, есть причины...

Про причины вы сами сказали выше, будет неравномерный нагрев котла. Можно придумать такую схему, не влезая в конструкцию котла, после дренажной запорной арматуры установить еще одну задвижку, а между ними врезать тройник для отбора воды на циркуляционный насос. Для перекачки воды от насоса в верхней образующей котла использовать штуцер для сброса воздуха (Ду 25), должен быть обязательно, а пар над зеркало подавать через редуктор, настроенный на 1,0 ати, что бы температура нагревшейся воды была приемлема для циркуляционного насоса. Но, нужно будет посматривать за уровнем воды в котле. Либо всупонить в нижнюю часть котла барботажное устройство, если изыщете для него лазейку.

Кстати, через дренажный патрубок можно и пар подать, только греметь будет сильно.

Халява - двигатель прогресса!