Скорость газов в дымоходе

Главная » Статьи » Расчет дымовой трубы

Содержание

Расчет дымовой трубы

Элементарное объяснение явления тяги было дано в гл. IV. Если обозначить разность давлений наружного воздуха и горячих газов у корня трубы через Δр, последнее будет равно разности веса двух столбов газа с разными температурами и одинаковой высотой, т. е.

В этой формуле удельный вес воздуха и газов γ_в и γ_г принят при 0° и 760 мм и сделаны пересчеты, учитывая расчетные температуры и принятое барометрическое давление.

Упрощая в дальнейшем уравнение (267) (приравниваем γ_г = γ_в=1,3 кг/нм 3 , ошибка получается ничтожной), получают

Когда задвижка открыта и по трубе проходят газы, то на создание выходной скорости, на преодоление сопротивления трения о стенки трубы, а также в связи с охлаждением ствола трубы придется израсходовать часть теоретической тяги, и у основания расчет дымовой трубы будет наблюдаться разрежение меньшее, равное

По табл. 51 можно определить величину теоретической тяги, зная температуру отходящих газов у основания расчет дымовой трубы, а также задаваясь температурой наружного воздуха. Барометрическое давление и влажность воздуха приняты в таблице отвечающими средним условиям b =750 мм рт. ст. и φ = 70%.

Охлаждение газов в трубе, считая на 1 м высоты, может быть подсчитано по следующим эмпирическим формулам:

а) для железных нефутерованных труб

где D — суммарная максимальная паропроизводительность всех котлов, присоединенных к трубе, в т/час.

Определив таким образом ΔТ, можно в формуле (268) заменить Т_тр значением (Т_тр-ΔТН/2), тогда поправка в формуле (269) на охлаждение трубы исключается.

Обыкновенно в трубах небольшого диаметра скорость по выходе газов из трубы принимается равной 4-6 м/сек, при больших диаметрах (2 м и более) скорость повышается, доходя до 8- 10 м/сек. При дымососах скорость газов по трубе может доходить до 10-15 м/сек, лишь бы обеспечить разрежение в выхлопных газоходах после дымососа во избежание выбивания из них газов.

Площадь выходного сечения трубы подсчитывают, задаваясь скоростями выхода газов:

откуда определяется верхний внутренний диаметр расчет дымовой трубы.

Потеря тяги, связанная с наличием выходной скорости, подсчитывается по формуле

Сопротивление трения определяется по приближенной формуле :

Расчет дымовой трубы, так же как и дымосос, рассчитывают на максимальную нагрузку. В отопительно-производственных котельных максимальная нагрузка совпадает с хорошими условиями тяги (морозные дни). Поэтому, рассчитав трубу по максимальной нагрузке при зимней температуре наружного воздуха, надо произвести поверку для условий летней работы при t_в= 20-30°, когда из-за понижений нагрузки будут меньше газовые сопротивления газоходов, но зато и ухудшится тяга.

Для возможности регулирования тяги в дымовой трубе должен создаваться запас тяги; поэтому сумма газовых сопротивлений обычно увеличивается на 20%.

В соответствии с санитарными нормами проектирования промышленных предприятий, утвержденными Советом Министров СССР 6 января 1951 г., высота дымовых труб принимается по табл. 52.

Радиус санитарно-защитных зон в метрах для промышленных котельных с расходом топлива от 3 т/час и более дан в табл. 53.

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 30.08.2015 2015-08-30

Статья просмотрена: 3516 раз

Библиографическое описание:

Шевяков В. В. Исследование свойств дымовой трубы для бытовой печи. Выбор параметров трубы // Молодой ученый. 2015. №17. С. 307-318. URL https://moluch.ru/archive/97/21774/ (дата обращения: 01.01.2020).

Цель работы — определение влияние конструктивных параметров трубы, скорости и температуры газов на потери тяги. Обоснование выбора оптимального диаметра гладкой металлической трубы. Сравнение круглых гладких металлических труб с кирпичной трубой. Определение технических возможностей кирпичной трубы «четверик» и «пятерик». Регулировка тяги.

Расчет диаметра дымовой трубы обычно проводят исходя из количества сжигаемого топлива за один час, и соответственно количества дымовых газов, проходящих по трубе и задавая скорость дымовых газов. Однако такой подход не является оптимальным.

Если задать определенное значение потерь давления в трубе, то можно рассчитать оптимальное соотношение диаметра трубы и скорости дымовых газов через нее. Получено аналитическое выражение для определения оптимального диаметра трубы. Определены технические возможности кирпичной трубы «четверик» и «пятерик».

В работе показаны возможности по регулировке излишней тяги способом установки дополнительной задвижки перед трубой. Приведена эквивалентная схема печной системы.

Ключевые слова: тяга трубы, металлическая гладкая труба, труба «сендвич», кирпичная труба, потери давления.

Природа возникновения тяги в дымовой трубе для бытовой печи и для котельных агрегатов одна и та же. Но режим работы бытовой печи и котельного агрегата значительно отличаются по режиму работы. Печь топится периодически один-два раза в сутки. А котельный агрегат, как правило, работает непрерывно. Это накладывает свои особенности и на режим работы дымовой трубы. При сжигании дров в печи труба из полностью холодного состояния начинает прогреваться, и не всегда успевает полностью прогреться за время сгорания дров, что приводит к значительно большим падениям температуры на трубе [4]. И после окончания процесса горения опять полностью охлаждается. Это необходимо учитывать при определении величины тяги трубы и расчете ее конструктивных параметров.

Естественной тягой называется разность давлений ∆Р наружного воздуха и горячих газов в печной трубе и определяется разностью веса двух столбов газа с разными температурами и одинаковой высотой. Тяга трубы и приводит в движение дымовые газы в печи. Здесь тяга трубы будет рассмотрена именно, как тяга трубы, без учета тяги самой печи. Поскольку величина тяги самой печи («самотяга») зависит в значительной мере от конструктивных особенностей печи, то ее влияние на тягу трубы при данном рассмотрении учитываться не будет.

Давление создаваемое в трубе газами [3], [7]:

= * *g (1)

Где — высота дымовой трубы (м),

— плотность дымовых газов в дымовой трубе (кг/м³),

g — ускорение свободного падения (9,81 м/с²).

Поскольку состав дымовых газов в трубе бытовой печи не сильно отличается по составу от воздуха, то вместо плотности дымовых газов можно взять плотность воздуха при соответствующей температуре в трубе. Ошибка при этом будет ничтожной [7].

Давление, создаваемое на том же уровне наружным воздухом:

= * *g (2);

Где — плотность наружного воздуха, зависящая от температуры и давления воздуха (кг/м³).

Сила естественной тяги:

= = — = ) (Па) (3)

Где – тяга, создаваемая дымовой трубой с учетом падения давления на внутреннем сопротивление трубы. При нулевых потерях в трубе =;

— теоретическая тяга дымовой трубы или разрежение при закрытой задвижке в Па;

=+ (4);

— потери давления в трубе;

– атмосферное давление =100000Па;

— температура наружного воздуха (К);

— средняя температура газов в дымовой трубе (К);

287,1 — газовая постоянная воздуха(Rв).

Газовая постоянная газообразных продуктов сгорания (Rг) зависит от их состава.

В таблице 1 приведены характеристики составляющих дымовых газов.

Характеристики составляющих дымовых газов

Тогда для воздуха:

С =

Окончательная формула тяги дымовой трубы:

=С ** ( — ) (Па) (5)

Формула (5) дает точное значение для воздуха. Поскольку дымовые газы состоят большей частью из азота и остатков кислорода, а и паров О значительно меньше, то формула (5) даст достаточно точное значение тяги в трубе.

На рисунке 1 приведены графики изменения теоретической тяги трубы, рассчитанные по формуле (5) для разных внешних температур воздуха.

Рис. 1. Графики изменения теоретической тяги трубы

Как видно из графиков рисунок 1 температура внешнего воздуха весьма заметно влияет на величину тяги в дымовой трубе, особенно при небольших температурах дымовых газов.

На рисунке 2 приведены графики тяги трубы, полученные расчетом по формуле (5) и полученные при испытании печи ПДКШ 2,0. Замеры проводились цифровым датчиком дифференциального давления Прома-ИДМ-010–025-ДД1 с минимальным пределом измерения 60 Па.

Рис. 2. График разряжения в трубе печи ПДКШ 2,0

Отличие измеренного значения разряжения в трубе и рассчитанного по формуле (5) можно объяснить тем, что состав дымовых газов в процессе сгорания дров изменяется. На начальном этапе горения дров в дымовых газах довольно много водяных паров, образующихся из воды, имеющейся в дровах. У паров воды, таблица 1, газовая постоянная в 1,6 раза больше чем у воздуха. Это приводит к некоторому снижению тяги (разряжения) в трубе. После испарения большей части воды из дров, начинает сказываться наличие в дымовых газах двуокиси углерода, у которой газовая постоянная в 1,5 раза меньше чем у воздуха. Это приводит к некоторому повышению тяги трубы. Но и кроме всего, при движении дымовых газов по трубе, часть величины теоретической тяги тратится на преодоление сопротивления трения о стенки трубы.

Сопротивление зависит от вида движения газов в трубе. Существует ламинарное и турбулентное движение газов. При турбулентном движении сопротивление пропорционально квадрату скорости течения газа. При ламинарном движении сопротивление пропорционально первой степени скорости. Характер движения зависит от величины диаметра канала, по которому движется газ, от скорости и вязкости ее и определяется так называемым числом Рейнольдса: [5]

Rе =

Где v — скорость движения (см/с);

y — кинематическая вязкость;

p — масса 1 см³ движущейся среды при 0⁰;

µ — абсолютная вязкость.

При числе Re 3000, то движение будет турбулентным.

Между Re 3000 характер движения неустойчивый –ламинарное движение сменяется турбулентным и наоборот. Для уменьшения сопротивления при движении газов в трубе желательно, чтобы движение газов при всех режимах горения дров было ламинарным.

Т. е. Re тяга трубы, металлическая гладкая труба, труба «сендвич», кирпичная труба, потери давления.

Похожие статьи

Основные проблемы в эксплуатации дымовых труб

дымоход, AISI, труба, дымовая труба, сталь, газ, нержавеющая сталь, технологический процесс, высокая температура, кирпичный дымоход.

Обследование дымовых труб: состояние, перспективы.

Кирпичная дымовая труба (АО «Пензенский хлебозавод № 4», 2016 г.) [3], предназначенной для удаления дымовых газов от трёх котлов МЗК-7, четырёх печей ХПА-40 и одной печи ХПА-10, имеет характеристики: высота ствола Н = 30 м, наружный диаметр основания 3,6 м.

Минимизация выбросов отходящих газов от дымовой трубы.

Чистый воздух — один из важнейших показателей качества окружающей среды, влияющий на здоровье человека, состояние зеленых насаждений, архитектурных сооружений, памятников. Неоспоримыми источниками загрязнения окружающей среды являются.

Конструктивные решения железобетонных промышленных.

Дымовая труба — это вертикально расположенное устройство, которое служит для отвода продуктов сгорания в верхние слои в атмосферы. Принцип действия основан на эффекте тяги, который обеспечивает перемещение газов по всей длине ствола от входного к выпускному.

Передача тепла через стенки бытовой печи | Статья в журнале.

Клинкерный кирпич, у которого высокая теплопроводность, не желательно применять для дымовых труб. Т. к. это приводит к увеличению потерь тепла через трубу, что снижает температуру газов на выходе из трубы и может привести к образованию конденсата.

Автоматизированная система управления процессом.

Рассмотрим, САР температуры трубы на выходе из печи, путем изменения подачи метана, с коррекцией температуры в рабочей зоне.

Для предотвращения попадания дымовых газов в производственный цех в печи поддерживается разряжение.

Газодинамика процесса истечения из резервуаров со сжатыми.

Стоит задача в нахождении параметров газа: давления, температуры и плотности внутри баллона на всем процессе истечения, а так же самого времени процесса. Рассматриваются две модели газа: идеального и реального.

Автоматизация технологического процесса термообработки.

Трубы, после охладительных столов участка горячего проката труб сбрасываются в накопительные карманы для набора пакетов.

Рассмотрим САР давления в рабочей зоне печи, путем изменения положения шибера дымовых газов.

Обследование и оценка технического состояния металлической.

 опорной частью дымовой трубы служит кирпичный постамент с размерами в плане 1,0х1,0 м, с трех сторон обшитый листами оцинкованного металлопрофиля;  к трубе подведен один металлический газоход на отм.

Очень часто можно услышать нарекания на неудовлетворительную работу котла по причине плохой тяги. Как она образуется, почему ее нет и где она может пропасть мы постараемся разобрать в данной статье. Так же мы разберемся почему некоторые котлы к ней весьма чувствительны

Внимание! Много формул!

Если у вас возникли вопросы по работе сайта звоните по телефону

По этому номеру вы можете получить бесплатные консультации.

Еще издревне люди заметили, что горячее поднимается вверх, а холодное наоборот опускается вниз и дымовые газы в этом случае не являются исключением. Вот поэтому первобытные люди селились в пещерах со сквозным проходом в потолке или своде, так как при отапливании своего жилища дым не задерживаясь уходил вверх и можно было безопасно находиться у огня. Пожалуй это и был первый прототип дымохода. После, когда жилище становилось комфортабельнее, а требования к отоплению острее, на дымоходы обратили пристальное внимание. И оказалось, что обычная труба, служащая для удаления газов, хранит в себе множество секретов и тонкостей.
Для понимания сути процесса, начнем сразу с физики.
Итак,как мы разобрались в предыдущей статье, за счет разности плотностей горячих газов и холодного воздуха в трубе возникает тяга. Тяга возникающая в трубе измеряется в Паскалях (Па).
Для нормальной работы котла Glaz12 требуется тяга всего лишь 16 Па. Для Вас, уважаемые читатели , эта цифра пока ничего не говорит, поэтому попробуем разложить все по полочкам и разобраться.
Смотрим рисунок. Атмосферный воздух проходит регулировочные заслонки и попадает в подколосниковое пространство (отрезок 1-2), далее воздух , пройдя колосники и прореагировав с топливом , оказывается в топке. (отрезок 2-3). В результате реакции кислород, содержащийся в воздухе рагирует и у нас получаются раскаленные газы, которые проходят газовое окно (отрезок3-4). Эти газы содержат большое количество тепла и поэтому, пройдя теплообменник, они отдают свое тепло воде или другому теплоносителю. (отрезок 4-5). После этого, по выходному патрубку газы покидают котел и уходят в дымоход(отрезок 5-6).

Как видим на рисунке, воздух и дымовые газы проходят 6 характерных точек.
Для того, чтобы воздух из точки 1 начал двигаться через регулировочные заслонке к точке 2, необходимо, чтобы в подколосниковом пространстве возникло разряжение. Чем больше будет перепад давления между точками 1 и 2, тем больше будет скорость потока. Соответственно, чем больше скорость потока, тем больше будет расход воздуха, и тем больше будет мощность котла.
Вот так выглядит эпюра давлений в характерных точках котла GLAZ-12 при работе его на полной мощности.
Как видим из-за большой площади сечения теплообменника, камеры догорания и газового окна , скорости потоков газа, там весьма малы и поэтому суммарные потери давления на участках 3-4-5-6 являются незначительными и составляют чуть больше 1 МПа. Основная потеря давления составляет на колосниках(отрезок 2-3), из-за небольшой величины прозоров в колосниках при прохождении воздуха-газов образуются высокие скорости и поэтому для разгона такого потока требуется больший перепад давлений. Он составляет 14 Па.
На минимальной мощности картина меняется. Теперь весомый перепад давлений приходится на регулировочную дверцу.Ведь воздуху для горения необходимо щемиться через узкую щель заслонки с довольно таки высокой скоростью.
Для работы котла GLAZ-12 достаточно высоты дымовой трубы, всего 4 метра.
Попробуем рассчитать тягу, которая создает этот относительно невысокий дымоход. Для этого окунемся в органическую химию и узнаем, что древесина это сложное сплетение органических соеденений, в чистом виде, без влаги и золы она имеет данный состав:
Углерод С-51%
Водород Н-6%
Кислород О-42,5%
Азот N-0,5%
Влажность свежеспиленной древесины составляет приблизительно 60%, поэтому если топить котел сырой древесиной состав её будет следующим:
Углерод С: 51*(100-60)/100=20,4%
Водород Н: 6*(100-60)/100=2,4%
Кислород О: 42,5*(100-60)/100=17%
Азот N: 0,5*(100-60)/100=0,2%
Влага W: 60%
Золой, содержание которой всего 0,7% мы пренебрегаем.
Из горючих веществ, как видим, в нашем составе присутствует углерод С и водород Н.
Для полного сжигания 1 моль углерода нам потребуется 1 моль кислорода:

С+О2=СО2

На выходе мы имеем 1 моль углекислого газа. Открыв таблицу Менделеева найдём, что 1 моль углерода весит 12 грамм, а кислорода О2 весит 32 грамма (2*16).
Тогда получится, что 12 грамм(С)+32 грамма(О)= 44 грамма (СО2.)
Аналогично и с водородом:

Н2+0,5О2=Н2О

Т.е. 2 грамма (Н)+16 грамм (О)=18 грамм воды (Н2О).
Если в 1 кг дров содержится 204 грамма углерода или 204/12=17 моль, то для его сжигания потребуется те же 17 моль кислорода (или 17*32=544 грамма) и на выходе будут те же 17 моль (или 17*44=748 грамм) углекислого газа. По массовому выходу это будет выглядеть так:

204+544=748 грамм.

Для водорода, которого 24 грамма (или 24/2=12 моль) потребуется 6 моль кислорода ( или 6*32=192 грамма) и в результате реакции образуется 12 моль воды (или 12*18=216 грамм).
Как видим, для сжигания 1 кг дров требуется 544+192=736 грамм чистого кислорода. В силу того, что этот окислитель присутствует в самой древесине в количестве 170 граммов, из атмосферы нам придется взять

736-170=566 грамм чистого кислорода.

Как известно из школьного курса химии наша атмосфера состоит из смеси газов, в которой при самом грубом приближении доля кислорода составляет 21%, а азота 70%. Ясное дело, что вся смесь попадает в котел и если кислород участвует в горении, то азот проскакивает транзитом и вылетает в дымовую трубу. Теоретически для сгорания 1 кг дров нам понадобится:

566/0,21=2695 грамм воздуха.

Практически же в топку для полного сгорания всех компонентов требуется подавать воздух с небольшим избытком. Ориентировочно 20%. Следовательно в топку поступит:

2695*1,2=3234 грамма, из них 679 грамм кислорода и 2555 азота.

Теперь разберемся с составом уходящих газов.
Как было подсчитано ранее, углекислого газа образовалось 748 грамм, а водяного пара

600+216=816 грамм

(600 грамм находилось в самих дровах, а 216 образовалось в результате сгорания водорода).

Азота: 2+2555=2557 грамм.
Кислорода 679-566=113 грамм.

Итого при сгорании 1 кг влажных дров образуется

Мг=748+816+2557+113=4234 грамма уходящих газов.

Для расчета дымохода нам необходимо знать плотность дымовых газов. Опять же из школьного курса химии мы знаем, что 1 моль любого газа занимает объем в 22,4 литра при температуре 0 градусов и давлении 101,3 кПа.
Не составит труда вычислить объем полученных дымовых газов через количества каждого компонента:

V=22,4*(748/44+816/18+2557/28+113/32)=3521 литр или 3,521 м3.

Плотность дымовых газов:

Rг= Mг/V=4234/3521=1,202 кг/м3.

Напомню, что это при температуре 0 градусов и атмосферном давлении101,3 кПа. Температура уходящих газов котла GLAZ-12 составляет 130 градусов (или 403К) и при этой температуре их плотность составит

Rг=1,202*273/403=0,814 кг/м3.

Теперь нетрудно рассчитать располагаемую тягу дымохода высотой 4 метра.

dР=Rв-Rгgh=(1,293-0,814)9,814=18,8 Па.

Уходящие газы двигаясь по дымовой трубе преодолевают сопротивления от трения об стенки, от изгибов дымохода, сужения, расширения и даже зонтиков на оголовке. Да и для тог, чтоб разогнать поток в трубе так же необходимо приложить энергию или иметь некоторый перепад давлений. Следующим шагом в расчете дымохода будет расхода газов.
Зная состав топлива, мы по формуле Менделеева вычислим их теплотворную способность.

Q=339С+1256Н-109О-25,14(9Н+60)=6025 кДж/кг.

Совсем негусто для влажных дров. Если наш котел в номинале выдает мощность 12кВт, то в час он выдаст тепла 12*3,6=43200 кДж, с учетом КПД в 80%, топлива в нем сгорит на 43200/0,80=54000 кДж или 54000/6025=8,962 кг. За час работы образуется 8,962*3,521=31,558 м3 газов. В секунду 31558/3600=0,0088 м3. С учетом температуры уходящих газов в 130 градусов объемный расход составит:

0,0088*403/273=0,013 м3/c.

Для нормальной работы дымохода рекомендуется скорость движения газов в дымоходе порядка 1 м/с. При такой скорости сажа не налипает на стенки и сопротивление самого дымохода невелико. Зная объемный расход и скорость газов можно вычислить необходимое сечение дымохода.

где V- объемный расход м3/c,
C– скорость газов,
S- площадь сечения дымохода.

S=V/C=0,013/1=0,013 м квадратных.

Труба диаметром 133*4 для такого дымохода вполне подойдет.
Мы разобрали наиболее неблагоприятный случай работы котла и дымохода. На практике же необходимо учесть остывание газов в самом стволе дымовой трубы. Принять поправки на шероховатости стенок, изгибы, сужения и расширения. При малых скоростях потока все эти поправки не существенны.
Теперь рассмотрим проблемы, которые могут получиться при неправильной эксплуатации котла или неверном выборе дымохода.

Проблема первая: нет тяги.

Котел не развивает полной мощности, дымит из всех щелей и дрова в нем еле-еле тлеют. Причина чаще всего одна: забит сажей или чаще всего чем-нибудь другим дымоход или теплообменник котла. Было и такое, что птицы умудрялись свить в дымоходе гнездо. Что же происходит? Для пропуска необходимого количества газов требуется повысить их скорость в месте сужения. Для этого требуется увеличить перепад давлений, которого может и не оказаться. Посмотрим на эту эпюру, которая изображает перепады давлений при работе котла с забитым теплообменником:
Как видим наибольший перепад давлений приходится на участок 4-5, то есть на теплообменник. Из за этого в топке (точка 3) разряжение практически отсутствует и дымовые газы могут выпирать под действием конвекции наружу через щели. Особенно этим моментом славятся котлы с верхней подачей воздуха типа Buderus, SAS, OPOP.

Проблема вторая:

Неплотности в местах соединения дымохода и сквозная коррозия дымохода.
Вспоминается случай когда клиент жаловался на плохую работу котла и не способность развивать его заявленную мощность. При осмотре котла выяснилось, что он полностью исправен, правильно подсоединен и обвязан. При растопке котел разгорался, но далее горел весьма вяло и неохотно. Проверка тяги путем поджигания комка газеты выявила, что тяга превосходная. Причина оказалась в месте присоединения металлического дымохода к кирпичному. При нагреве металл расширялся и в месте стыковки образовывалась щель в которую подсасывался паразитный воздух, который захолаживал дымоход и уменьшал тягу, а во вторых через саму трубу возрастал массовый расход воздуха и газов и дымоход работал в предельных для него условиях, в отличии от котла.