Скорость газов в дымоходе котла. Поверочный расчет дымохода для котлов с открытой камерой сгорания

Определим площадь устья. Для того чтобы не было задувания, скорость в устье принимаем W ус = 3,0 м/с.

F ус = V 1 /W ус = 6,27/3 = 2,09 м 2 .

Тогда диаметр устья D ус = (4*F ус /π) 0,5 = (4*2,09/3,14) 0,5 = 1,63 м.

Диаметр основания D осн = 1,5* D ус = 1,5*1,63 = 2,45 м.

Скорость движения дымовых газов в основании:

W осн = 4* V 1 / (π* D осн 2) = 4*6,27/(3,14*2,45 2) = 1,33 м/с.

Действительное разряжение, создаваемое трубой должно быть на 20-40% больше потерь напора при движении дымовых газов по дымовому тракту. Примем h днйст = 1,3*∑ ΔР = 1,3*185701 = 241411 Па.

Для определения температуры дымовых газов в устье трубы, принимаем H тр = 40м. Падение температур для кирпичной трубы принимаем 1,5º на 1м высоты: .

Температура в основании принята Т осн = t осн + 273 = 573 К.

Тогда температура в устье трубы Т ус = Т осн – ΔТ = 573 – 60 = 513 К.

Найдем средний диаметр трубы D ср:

D ср = (D ус + D осн)/2 = (1,63 + 2,45)/2 = 2,04 м.

Средняя площадь сечения:

F ср = π* D ср 2 /4 = 3,14*2,04 2 /4 = 3,27 м 2 .

Средняя скорость движения дымовых газов

W ср = V 1 / F ср = 6,27/3,27 = 1,91 м/с.

Примем λ дг для кирпичной трубы 0,05.

Средняя температура дымовых газов в трубе:

T ср = (Т осн + Т ус)/2 = (573 + 513)/2 = 543 К.

Высота дымовой трубы находится по формуле:

Н тр = Ч/З.

Ч = h днйст + ρ дг *(W ус 2 - W осн 2)/2* T ср / Т о + ρ дг * W ус 2 /2* Т ус / Т о,

где ρ дг – плотность дымового газа при нормальных условиях, кг/м 3 .

Тогда числитель дроби:

Ч = h днйст + ρ дг *(W ус 2 - W осн 2)/2* T ср / Т о + ρ дг * W ус 2 /2* Т ус / Т о = 241411 + 1,295*(3 2 – 1,33 2)/2*543/273 + 1,295*3 2 /2*513/273 = 241431

З = (ρ в * Т о / Т в - ρ дг * Т о / Т ср)*g - λ дг / D ср * ρ дг * W ср 2 /2* Т ср / Т о,

где ρ в – плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м 3 ;

Т в – температура окружающей среды, К.

Тогда знаменатель дроби:

З = (ρ в * Т о / Т в - ρ дг * Т о / Т ср)*g - λ дг / D ср * ρ дг * W ср 2 /2* Т ср / Т о = (1,29*273/283 – 1,295*273/543)*9,81 – 0,05/2,04*1,295*1,91 2 /2*543/273 = 5,7055.

Тогда высота дымовой трубы: Н тр = Ч/З = 241431/5,7055 = 42315 м.

Принимаем трубу 40 метров из следующих соображений:

Основная высота застройки около 30 м, а дымовые газы должны рассеиваться с высоты выше уровня застройки.

Строительство трубы более 40 м экономически нецелесообразно, поэтому рекомендуется установить дымосос у основания трубы, который будет компенсировать разряжение.

Определим потери напора, которые должен компенсировать дымосос. Для этого в приложении Excel воспользуемся процедурой Сервис/Подбор параметра. Результат расчета показал, что при Н тр = 40 м компенсируются потери напора ΔР = 207,96 Па, тогда оставшиеся потери напора 241411 – 207, 96 = 241203,04 Па должны быть скомпенсированы за счёт тяги дымососа.

Заключение

Для нагрева 23 т/ч толуола с 10ºС до 110ºС требуется кожухотрубный теплообменник с диаметром кожуха D = 400 мм, числом труб n=111, длинной труб l = 2 м, площадью теплопередачи F = 16 мс запасом поверхности 0,57. Кроме рабочего устанавливается также запасной теплообменник того же типа.

Для нагрева потребуется 1,39 м/c газа, состава, приведенного в условии.

Для подачи толуола из хранилища необходимо установить центробежный насос типа 3К – 9 с производительностью V 2 = 40 м/ч, напором Н = 35 м, мощностьюN = 7 кВт, диаметром рабочего колеса D рк = 148 мм и КПД = 62 %.

Сопротивление действительное дымового тракта составляет 241411 Па. Рекомендуется для удаления дымовых газов установить кирпичную дымовую трубу высотой 40 м, в основании которой установить дымосос для создания разряжения не менее 241203,04 Па.

Обратная тяга в дымовой трубе возникает и в том случае, когда температура наружного воздуха выше температуры воздуха в помещении. Такое явление наблюдается преимущественно в летнее время года, когда наружного воздуха достигает максимальных значений. Поэтому при неработающих печах дымовые трубы в жаркие дни могут работать не на вытяжку, а на .

Во многих случаях обратная образуется в результате потери плотности стенок дымовой трубы, в которых под действием ветра, атмосферных осадков и частой смены температурных режимов появляются сквозные трещины и . них в дымовую трубу подсасывается значительное количество наружного воздуха, препятствующего свободному продвижению дымовых газов. Вследствие дополнительного притока холодного воздуха из атмосферы или соседних вентиляционных каналов будет значительно снижаться температура уходящих газов, а следовательно, и разрежение. Поэтому в процессе эксплуатации дымовые и вентиляционные каналы следует периодически проверять на плотность. Явление обратной тяги в дымовых трубах не отражается на работе всех печных устройств, но и создает реальную угрозу отравления продуктами сгорания топлива.

В индивидуальных домах для защиты дымовой трубы от влияний ветра используют дефлекторы. Однако применение таких защитных приспособлений не исключает возможности возникновения обратной тяги в дымовой трубе при значительном увеличении скорости ветра, изменении направления воздушных потоков и других природных явлений. таких дефлекторов на дымовые трубы, предназначенные для отвода продуктов сгорания от печей, запрещена.

Дефлектора основана на использовании скорости ветра, который при определенных условиях создает дополнительное разрежение в дымовом и вентиляционном каналах. Степень разрежения должна быть достаточной для преодоления всех сопротивлений движению дымовых газов, которые могут возникнуть в дымовой трубе при различных погодных условиях. Опасно использовать металлические дефлекторы, так как в зимнее они часто обмерзают, вследствие в дымовых каналах наблюдается или прекращение тяги.

Скорость движения дымовых газов в конвекционной камере определяется естественной тягой, создаваемой дымовой трубой высотой 40 - 50 м, и составляет 3 - 4 м / сек.  

Скорость движения дымовых газов составляет 0 5 - 0 7 м / сек.  

Скорость движения дымовых газов в камере конвекции для боль -, шинства печей составляет 3 - 4 м / сек. Трубы в камере конвекции: обычно располагают в шахматном порядке, что обеспечивает турбулентность движения дымовых газов.  

При уменьшении скорости движения дымовых газов в конвекционной камере печи коэфициент теплопередачи понижается. Как следствие, возрастают требуемая поверхность труб и стоимость сооружения конвекпионной камеры. При увеличении скорости движения дымовых газов в конвекционной камере печи повышаются гидравлические сопротивления и, как следствие, требуемая высота дымовой трубы.  

Уменьшение сечения камеры повышает скорость движения дымовых газов, а следовательно, и коэффициент теплоотдачи конвекцией.  

Площади сечения дымоходов-боровов определяются по скорости движения дымовых газов, принимаемой в сборных боровах 3 - 4 м / сек, в боровах, идущих от котлов к сборному борову, 2 - 4 м / сек.  

Коэффициент теплопередачи зависит главным образом от скорости движения дымовых газов в камере конвекции: чем выше эта скорость, тем больше коэффициент теплопередачи. При естественной тяге с увеличением скорости возрастает необходимая высота дымовой трубы и в этом случае не рекомендуется иметь эту скорость выше 6 м / сек. В случае создания принудительной тяги эта скорость может быть увеличена. Однако практически ввиду конструктивных трудностей компактного расположения конвекционных труб скорость дымовых газов в камере конвекции ниже указанной цифры.  

Конвективная теплопередача может быть улучшена путем повышения скорости движения дымовых газов. Однако при камерном и камерно-слоевом сжигании твердого топлива с увеличением скорости дымовых газов усиливается износ поверхностей нагрева летучей золой и уносом топлива. По этой причине желательной является скорость газов не более 9 - 10 м / сек, а в газоходах стальных водяных экономайзеров 8 - 9 м / сек и ниже.  

Эффективность передачи тепла конвекцией обусловлена прежде всего скоростью движения дымовых газов в конвекционной камере. Стремление к большим скоростям, однако, сдерживается допустимыми величинами сопротивления движению газов.  

Эффективность передачи тепла конвекцией обусловлена прежде всего скоростью движения дымовых газов в конвекционной камере. Стремление к большим скоростям, однако, сдерживается допустимыми значениями сопротивления движению газов. Для более тесного обтекания труб дымовыми газами и большей турбулизации потока дымовых газов трубы в конвекционных камерах размещают, как правило, в шахматном порядке.  

Сопротивление пучка конвекционных труб главным образом зависит от скорости движения дымовых газов в свободном сечении между трубами (5 - 8 м / с), от числа рядов труб и их диаметра, способа размещения труб (шахматное или коридорное), расстояния между осями труб по горизонтали и вертикали. Для расчета этой величины предложен ряд уравнений или номограмм, приведенных в специальной литературе.  

При эксплуатации маломощных теплогенераторов очень большое значение имеет такой фактор, как правильно спроектированный и корректно смонтированный дымоход. Естественно возникает необходимость расчета. Как и всякий теплотехнический расчет, расчет дымоходов бывает конструкционный и поверочный. Первый из них представляет собой последовательность вложенных итераций (в начале расчета мы задаем некоторые параметры, такие как высота и материал дымохода, скорость дымовых газов и пр., а затем путем последовательных приближений уточняем эти значения). Однако на практике гораздо чаще приходится сталкиваться с необходимостью поверочного расчета дымохода, поскольку котел обычно подключается к уже существующей системе дымоудаления.

В этом случае у нас уже есть высота дымовой трубы, материал и площадь сечения дымохода и т.д. Стоит задача проверки совместимости параметров дымового канала и теплогенератора, т.е. необходимым условием корректной работы дымохода является превышение cамотяги над потерями напора в дымоходе на величину минимально допустимого разряжения в дымоотводящем патрубке теплогенератора. Величина естественной тяги зависит от многих факторов:

• формы поперечного сечения дымохода (прямоугольная, круглая и т.д.);
• температуры дымовых газов на выходе из теплогенератора;
• материала дымохода (нержавеющая сталь, кирпич и т.д.);
• шероховатости внутренней поверхности дымохода;
• неплотностей газохода, при сочленениях элементов (трещины в покрытии и т.п.);
• параметров наружного воздуха (температура, влажность);
• высоты над уровнем моря;
• параметров вентиляции помещения, где установлен котел;
• качества настройки теплогенератора — полноты сгорания топлива (соотношения топливо/воздух);
• типа работы горелки (модуляционный или дискретный);
• степени загрязненности элементов газовоздушного тракта (котла и дымохода).

Величина самотяги

В первом приближении величину самотяги можно проиллюстрировать на примере рис. 1.

h c = H д (ρ в - ρ г), мм вод. ст.,

где h c — величина самотяги; H д — эффективная высота дымохода; ρ в — плотность воздуха; ρ г — плотность дымовых газов. Как видно из формулы, основную переменную составляющую образуют плотности дымовых газов и воздуха, которые являются функциями от их температуры. Для того, чтобы показать насколько сильно величина самотяги зависит от температуры дымовых газов, мы приводим следующий график, иллюстрирующий эту зависимость (рис. 2).

Однако на практике гораздо чаще встречаются случаи, когда изменяется не только температура дымовых газов, но и температура воздуха. В табл. 1 приведены величины удельной самотяги на один метр высоты дымовой трубы в зависимости от температур продуктов сгорания и воздуха. Естественно, что таблица дает весьма приблизительный результат и для более точной оценки (во избежание интерполирования значений) необходимо подсчитывать реальные значения плотности продуктов сгорания и окружающего воздуха. Плотность воздуха ρ в при рабочих условиях:

где t ос — температура окружающей среды, °С, принимается для наихудших условий работы оборудования — летнего времени, при отсутствии данных принимается 20 °С; ρ в.ну — плотность воздуха при нормальных условиях, 1,2932 кг/м 3 ; ρ г — плотность дымовых газов при рабочих условиях:

где ρ г.ну — плотность продуктов сгорания при нормальных условиях, при α= 1,2 для природного газа можно принять — 1,26 кг/м 3 . Для удобства обозначим:

где (1 + αt)— температурная составляющая. Для упрощения операций будем считать плотность дымовых газов равной плотности воздуха и сводим все значения плотности, приведенные к нормальным условиям на промежутке t = -20…+400 °С, в табл. 2.

Практическое вычисление самотяги

Для вычисления естественной тяги необходимо уточнить среднюю температуру газов в трубе (символ) cp . Температура на входе в трубу (символ) 1 определяется из паспортных данных оборудования. Температуру продуктов сгорания на выходе из устья дымохода (символ) 2 находят с учетом их охлаждения по длине трубы.

Охлаждение газов в трубе на 1 м ее высоты определяется по формуле:

где Q — номинальная тепловая мощность котла, кВт; В — коэффициент: 0,85 — неизолированная металлическая труба, 0,34 — изолированная металлическая труба, 0,17 — кирпичная труба с толщиной кладки до 0,5 м.

Температура на выходе из трубы :

где H д — эффективная высота дымовой трубы в метрах.

Средняя температура продуктов сгорания в дымоходе :

На практике величину самотяги просчитывают для следующих граничных условий:

1. Для температуры наружного воздуха 20 °С (летний режим работы теплогенератора).
2. Если летняя расчетная температура наружного воздуха отличается более чем на 10 от 20 °С, то принимается расчетная температура.
3. Если теплогенератор эксплуатируется только в зимний период, то расчет ведется по средней температуре за отопительный период.

Для примера возьмем установку со следующими параметрами (рис. 3):

• мощность — 28 кВт;
• температура дымовых газов — 125 °С;
• высота дымовой трубы — 8 м;
• дымовая труба — из кирпича.

Охлаждение газов в трубе на 1 м ее высоты по (3):

Температура дымовых газов на выходе из трубы по (4):

Средняя температура продуктов сгорания в дымоходе по (5):

Тогда величина самотяги будет : h c = 8.(1,2049 - 0,8982)= 2,4536 мм вод. ст.

Вычисление оптимальной площади поперечного сечения дымового канала

1. Первый вариант определения диаметра дымохода Диаметр трубы принимается либо по паспортным данным (по диаметру выходного патрубка из котла) в случае монтажа отдельной дымовой трубы к каждому котлу, либо по формуле при объединении нескольких котлов в общий дымоход (суммарная мощность до 755 кВт):

Для цилиндрических труб определяется диаметр:

где r — коэффициент, зависящий от вида используемого топлива: для газа — r = = 0,016, для жидкого топлива — r = 0,024, для угля — r = 0,030, дрова — r = 0,045.

2. Второй вариант определения диаметра дымохода (с учетом скорости продуктов сгорания)

Согласно Norma UNI-CTI 9615, площадь поперечного сечения дымохода можно вычислить по формуле:

где m г.д — массовый расход продуктов сгорания, кг/ч. Для примера рассмотрим следующий случай:

• высота дымовой трубы — 7 м;
• массовый расход продуктов сгорания — 81 кг/ч;
• r = 0,8982 кг/м 3 ;
• плотность продуктов сгорания (при (символ) ср =120 °С) ρ г = 0,8982 кг/м 3 ;
• скорость продуктов сгорания (в первом приближении) w г = 1,4 м/с.

По (8) определяем ориентировочную площадь сечения дымового канала:

Отсюда вычисляем диаметр дымового канала и подбираем ближайший стандартный дымоход: 150 мм. По новому значению диаметра дымовой трубы определяем площадь дымового канала и уточняем скорость дымовых газов:

После этого проверяем, чтобы скорость дымовых газов укладывалась в диапазон 1,5-2,5 м/с. При слишком высокой скорости дымовых газов увеличивается гидравлическое сопротивление дымохода, а при слишком низкой — активно образуется конденсат водяных паров. Для примера просчитаем также скорость дымовых газов при нескольких ближайших типоразмерах дымохода:

• Ø110 мм: w г = 2,64 м/с.
• Ø130 мм: w г = 1,89 м/с.
• Ø150 мм: w г = 1,42 м/с.
• Ø180 мм: w г = 0,98 м/с.

Результаты представлены на рис. 4. Как видим, из полученных значений скоростным условиям удовлетворяют два типоразмера: Ø 130 мм и Ø 150 мм. В принципе, мы можем остановиться на любом из этих значений, однако Ø 150 мм предпочтительней, т.к. потери напора в этом случае будут меньше.

Для удобства подбора типоразмера дымохода можно использовать диаграмму рис. 5. Для примера: расход продуктов сгорания — 468 м 3 /ч; диаметр газохода Ø 300 мм — скорость продуктов сгорания w г = 1,9 м/с. Расход продуктов сгорания — 90 м3/ч; диаметр газохода Ø 150 мм — скорость продуктов сгорания w г = 1,4 м/с.

Потери напора в дымоходе

Сумма сопротивлений трубы:

Σ∆h тр = ∆h тр + ∆h мс, мм вод. ст. (10)

Сопротивление трения :

Потери в местных сопротивлениях:

где ζ= 1,0; 0,9; 0,2-1,4 — коэффициенты местного сопротивления с выходной скоростью (на выходе из трубы), на входе в дымовую трубу и в поворотах — отводах и тройниках (коэффициент выбирают в зависимости от их конфигураций), соответственно; λ— коэффициент сопротивления трения: 0,05 для кирпичных труб, 0,02 для стальных; g — ускорение свободного падения, 9,81 м/с2; d — диаметр дымовой трубы, м; w г — скорость продуктов сгорания в трубе:

V г.д — действительный объем продуктов сгорания:

BT — расход топлива с учетом теплотворной способности данного топлива:

где η— КПД установки из паспортных данных на оборудование, 0,9-0,95; Q нр — низшая теплотворная способность (в зависимости от состава топлива), для газа — 8000 ккал/м3; V г.о — теоретический объем продуктов сгорания, для природного газа можно принять 10,9 м3/м3; V в.о — теоретически необходимое количество воздуха, для сжигания 1 м3 природного газа 8,5-10 м3/м3; α— коэффициент избытка воздуха, для природного газа 1,05-1,25.

Проверка тяги производится по формуле :

H бар — барометрическое давление, принимаемое 750 мм вод. ст.; ∆Н п — перепад полных давлений газового тракта, мм вод. ст., без учета сопротивления и самотяги трубы; h = 1,2 — коэффициент запаса по тяге. Перепад полных давлений по газовому тракту (общий вид формулы):

∆H п = h т ˝ + ∆h - h c . (17)

где h т ˝ — разряжение на выходе из топки, необходимое для предотвращения выбивания газов, обычно принимается 2-5 мм вод. ст. В данном случае для проверки тяги перепад полных давлений берется без учета суммарного ∆h и самотяги трубы h c сопротивлений, таким образом:

∆H п = h т ˝ = 2-5 мм вод. ст.

Для наглядности изобразим процессы, происходящие в дымовом канале, на напорной диаграмме (рис. 6). По горизонтальной оси отложим перепады давления и потери напора, а по горизонтальной — высоту дымохода. Тогда отрезок DB будет обозначать величину cамотяги, а линия DA — перепад давлений по высоте дымовой трубы. С другой стороны от оси АВ откладываем потери напора в дымоходе. Графически потери давления по длине дымохода будет символизировать отрезок АС.

Производим зеркальную проекцию отрезка ВС и получаем точку С. Область, затушеванная зеленым цветом, символизирует разряжение в дымовом канале. Очевидно, что величина естественной тяги уменьшается по высоте дымохода, а потери напора возрастают от устья к основанию дымовой трубы.

Заключение

Как показывает многолетний опыт эксплуатации теплогенераторов с открытой камерой сгорания, от правильно спроектированного и корректно смонтированного дымохода в большой мере зависит надежная и стабильная работа теплогенерирующей установки (см. рис. 7). Поэтому необходимо уделять этому вопросу самое пристальное внимание уже на стадии проектирования системы теплоснабжения, а также проводить поверочные расчеты при ремонте, модернизации и замене теплогенераторов. Надеемся, статья поможет вам разобраться с этим немаловажным вопросом.