Основными элементами прямоточного котла являются трубные панели, состоящие из многочисленных труб, присоединенных параллельно друг другу к входному и выходному коллекторам. Панели соединены между собой последовательно, и по этой параллельно-последовательной системе труб под действием напора питательного насоса совершается с большой скоростью (до 10—12 м/с) принудительное перемещение рабочей среды (вода, пароводяная смесь, пар). Одним из главных условий надежности работы прямоточного котла является равномерность распределения рабочей среды между отдельными трубами панелей. Гидравлика системы панелей надежна тогда, когда расход воды (рабочей среды) Wi в каждой параллельно включенной трубе равен среднему расходу Wср:
Wi/Wср=1
Трубные панели смонтированы и «настроены» таким образом, что при полной нагрузке котла это условие практически выполняется. Отклонения Wi в отдельных трубах от Wср незначительны, и гидравлическая неравномерность, так называемая гидравлическая разверка, вызванная неодинаковостью гидравлических сопротивлений отдельных труб, не проявляет себя заметно. Однако при понижении нагрузки котла и уменьшении расхода рабочей среды в трубах усиливается влияние неодинаковости гидравлических сопротивлений и, кроме того, возникает так называемый коллекторный эффект (изменение статического напора вдоль коллектора), поэтому гидравлическая неравномерность усиливается.
Схема трубной панели прямоточного котла
С уменьшением расхода рабочей среды гидравлическая разверка все больше отклоняется от единицы. При понижении нагрузки котла гидравлическая неравномерность усугубляется еще усилением тепловой, т. е. отклонением тепловосприятия отдельных труб от среднего.
Это отклонение (в незначительной степени) существует и при полной нагрузке котла, но все больше увеличивается по мере снижения форсировки топки из-за увеличения неоднородности температурного поля.
Вследствие неодинакового обогрева отдельных труб из-за тепловой разверки плотность рабочей среды в них становится также неодинаковой, и это сказывается на значении так называемого нивелирного напора (составляющей напора, определяемой массой столба воды в трубе), который уменьшается там, где обогрев больше среднего, и увеличивается там, где обогрев меньше. В результате разность статических напоров на концах труб, определяющая расход рабочей среды в них, становится еще больше, вследствие чего гидравлическая неравномерность в панели усиливается. При некоторых критических значениях нагрузки котла неравномерность обогрева различных труб панели может оказаться настолько значительной, что в наименее обогреваемых трубах нивелирный напор окажется больше разности давлений в коллекторе. В этом случае рабочая среда в наименее обогреваемых трубах начнет двигаться в обратную сторону, т. е. сверху вниз, и произойдет опрокидывание циркуляции рабочей среды. Промежуточным режимом является прекращение движения рабочей среды в трубе и образование паровых пробок — застой циркуляции. В этом случае из-за резкого ухудшения теплообмена возможен перегрев металла труб и их повреждение. Эта критическая нагрузка и определяет технический минимум нагрузки прямоточного котла по условиям надежной гидравлики. С некоторым запасом минимальная нагрузка прямоточных котлов по условиям гидравлики принимается равной (0,6—0,75)*Dном в зависимости от конструкции котла и вида сжигаемого топлива. Для каждого конкретного котла его технический минимум должен быть определен опытным путем. В некоторых случаях, которые будут рассмотрены ниже, глубина разгрузки прямоточных котлов может быть увеличена.