Скорость движения дымовых газов в котельной. Разрежение дымовых труб
8.10. Расчет дымовой трубы
Расчет дымовой трубы заключается в правильном выборе ее конструкции и подсчете высоты, обеспечивающей допустимую концентрацию вредных веществ в атмосфере.
Рассчитаем минимальную высоту дымовой трубы.
Диаметр устья дымовой трубы D 0 , м, определяется по формуле:
где N – предполагаемое число дымовых труб (принимаем N = 1);
w 0 – скорость дымовых газов в устье дымовой трубы, м/с
(принимаем w 0 = 22 м/с /8/);
V – объемный расход дымовых газов, м 3 /с,
V = V Г *B, (78)
где В – суммарный расход топлива на станцию, кг/с;
V Г – удельный объем дымовых газов, м 3 /кг,
где - удельный объем дымовых газов, соответствующий теоретически необходимому объему воздуха, м 3 /кг,
Объемы продуктов сгорания подсчитываются по формулам:
где d Г – влагосодержание топлива (при температуре топлива 20 0 С
d Г = 19,4 /8/);
Тогда действительный объем газов:
С учетом плотности топлива имеем:
Суммарный расход топлива всеми котлами:
В = В Р *n, (84)
где В Р – расчетный расход топлива на один котел, кг/с;
n – число котлов.
В = 7,99*4 = 31,96 кг/с.
Тогда объемный расход дымовых газов:
V = 19*31,96 = 607,24 м 3 /с.
Диаметр устья дымовой трубы:
Высота дымовой трубы Н, м, определяется по формуле:
, /12/
(85)
где F – поправочный коэффициент, учитывающий содержание примесей в дымовых газах (для газообразных примесей F = 1);
A – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы (для данного региона А= 200);
m и n – коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из трубы;
ПДК – предельно допустимая концентрация какого-либо элемента в атмосфере, мг/м 3 ;
C Ф – фоновая концентрация вредных веществ, обусловленная внешними источниками загазованности, мг/м 3 ;
М – массовый выброс вредных веществ в атмосферу, г/с;
Разность температур уходящих газов и атмосферного воздуха, 0 С.
Разность температур определяется формулой:
Т – температура воздуха самого жаркого месяца в 13 часов дня
150-20 = 130 0 С.
Фоновая концентрация С Ф зависит от промышленной развитости района сооружения станции. Поскольку город Сызрань является крупным промышленным центром, то фоновая концентрация велика: С Ф = 0,025 мг/м 3 .
Поскольку в топливе отсутствует сероводород, будем вести расчет только по выбросам диоксида азота NO 2 . ПДК по содержанию в воздухе этого элемента составляет 0,085 мг/м 3 .
Массовый выброс диоксида азота определяется пол формуле:
где q 4 – потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива (при сжигании газообразного топлива q 4 = 0 %);
Поправочный коэффициент, учитывающий влияние на выход оксидов азота качества сжигаемого топлива (для газообразного топлива, при отсутствии содержания в нем N, =0,9);
Коэффициент, учитывающий конструкцию горелок (для вихревых горелок =1);
Коэффициент, учитывающий вид шлакоудаления (= 1);
Коэффициент, характеризующий эффективность воздействия рециркулирующих газов в зависимости от условий подачи их в топку (=0);
r – степень рециркуляции дымовых газов (r = 0 %);
Коэффициент, характеризующий снижение выброса оксидов азота при подаче части воздуха помимо основных горелок (=1).
К – коэффициент, характеризующий выход оксидов азота, кг/т;
где D – паропроизводительность котла, т/ч;
Итак массовый выброс оксида азота:
М NO 2 = 0,034*8,57*0,9*31,96*34,32 = 287,6 г/с.
Для того, чтобы определить коэффициенты m и n, необходимо знать высоту трубы. Поэтому расчет ведется методом последовательных приближений.
Задаемся высотой трубы H = 150 м.
Коэффициент m определяем по формуле:
,
(89)
где f – безразмерный параметр, определяемый по формуле:
Коэффициент n зависит от параметра V М, который определяется по формуле.
7. ГАЗОВОЗДУШНЫЙ ТРАКТ, ДЫМОВЫЕ ТРУБЫ, ОЧИСТКА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ
Газовоздушный тракт
7.1. При проектировании котельных тягодутьевые установки (дымососы и дутьевые вентиляторы) следует принимать в соответствии с техническими условиями заводов-изготовителей. Как правило, тягодутьевые установки должны предусматриваться индивидуальными к каждому котлоагрегату.
7.2. Групповые (для отдельных групп котлов) или общие (для всей котельной) тягодутьевые установки допускается применять при проектировании новых котельных с котлами производительностью до 1 Гкал/ч и при проектировании реконструируемых котельных.
7.3. Групповые или общие тягодутьевые установки следует проектировать с двумя дымососами и двумя дутьевыми вентиляторами. Расчетная производительность котлов, для которых предусматриваются эти установки, обеспечивается параллельной работой двух дымососов и двух дутьевых вентиляторов.
7.4. Выбор тягодутьевых установок следует производить с учетом коэффициентов запаса по давлению и производительности согласно прил. 3 к настоящим нормам и правилам.
7.5. При проектировании тягодутьевых установок для регулирования их производительности следует предусматривать направляющие аппараты, индукционные муфты и другие устройства, обеспечивающие экономичные способы регулирования и поставляемые комплектно с оборудованием.
7.6. Проектирование газовоздушного тракта котельных выполняется в соответствии с нормативным методомаэродинамического расчета котельных установок ЦКТИ им. И.И.Ползунова.
(К) Для встроенных, пристроенных и крышных котельных в стенах следует предусматривать проемы для подачи воздуха на горение, расположенные, как правило, в верхней зоне помещения. Размеры живого сечения проемов определяются исходя из обеспечения скорости воздуха в них не более 1 м/с.
7.7. Газовое сопротивление серийно выпускаемых котлов следует принимать по данным заводов-изготовителей.
7.8. В зависимости от гидрогеологических условий и компоновочных решений котлоагрегатов наружные газоходы должны предусматриваться подземными или надземными. Газоходы следует предусматривать кирпичными или железобетонными. Применение надземных металлических газоходов допускается, в виде исключения, при наличии соответствующего технико-экономического обоснования.
7.9. Газовоздухопроводы внутри котельной допускается проектировать стальными, круглого сечения. Газовоздухопроводы прямоугольного сечения допускается предусматривать в местах примыкания к прямоугольным элементам оборудования.
7.10. Для участков газоходов, где возможно скопление золы, должны предусматриваться устройства для очистки.
7.11. Для котельных, работающих на сернистом топливе, при возможности образования в газоходах конденсата следует предусматривать защиту от коррозии внутренних поверхностей газоходов в соответствии со строительными нормами и правилами по защите строительных конструкций от коррозии.
Дымовые трубы
7.12. Дымовые трубы котельных должны сооружаться по типовым проектам. При разработке индивидуальных проектов дымовых труб необходимо руководствоваться техническими решениями, принятыми в типовых проектах.
7.13. Для котельной необходимо предусматривать сооружение одной дымовой трубы. Допускается предусматривать две трубы и более при соответствующем обосновании.
7.14. (К) Высота дымовых труб при искусственной тяге определяется в соответствии с Указаниями по расчету рассеивания в атмосфере вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий и Санитарными нормами проектирования промышленных предприятий. Высота дымовых труб при естественной тяге определяется на основании результатов аэродинамического расчета газовоздушного тракта и проверяется по условиям рассеивания в атмосфере вредных веществ. При расчете рассеивания в атмосфере вредных веществ следует принимать максимально допускаемые концентрации золы, окислов серы, двуокиси азота и окиси углерода. При этом количество выделяемых вредных выбросов принимается, как правило, по данным заводов изготовителей котлов, при отсутствии этих данных - определяются расчетным путем.
Высота устья дымовых труб для встроенных, пристроенных и крышных котельных должна быть выше границы ветрового подпора, но не менее 0,5 м выше крыши, а также не менее 2 м над кровлей более высокой части здания или самого высокого здания в радиусе 10 м.
7.15. (К) Диаметры выходныхотверстий стальных дымовых труб определяются из условия оптимальных скоростей газов на основании технико-экономических расчетов. Диаметры выходных отверстий кирпичных и железобетонных труб определяются на основании требований п. 7.16 настоящих норм и правил.
7.16. В целях предупреждения проникновения дымовых газов в толщу конструкций кирпичных и железобетонных труб не допускается положительное статическое давление на стенки газоотводящего ствола. Для этого должно выполняться условие R < 1, где R - определяющий критерий, равный
Л - коэффициент сопротивления трению;
i - постоянный уклон внутренней поверхности верхнего участка трубы;
Yx - плотность наружного воздуха при расчетном режиме, кг/ м 3 ;
d0 - диаметр выходного отверстия трубы, м;
h0 - динамическое давление газа в выходном отверстии трубы, кгс/м 2:
W0 - скорость газов в выходном отверстии трубы, м/c;
g - ускорение силы тяжести, м 2 /с;
Yr - плотность газа при расчетном режиме, кг/м 3 .
Проверочный расчет должен производиться для зимнего и летнего расчетных режимов работы котельных.
При R > 1 следует увеличить диаметр трубы или применить трубу специальной конструкции (с внутренним газонепроницаемым газоотводящим стволом, с противодавлением между стволом и футеровкой).
7.17. Образование конденсата в стволах кирпичных и железобетонных труб, отводящих продукты сжигания газообразного топлива, при всех режимах работы не допускается.
7.18. Для котельных, работающих на газообразном топливе, допускается применение стальных дымовых труб при экономической нецелесообразности повышения температуры дымовых газов.
(К) Для автономных котельных дымовые трубы должны быть газоплотными, изготавливаться из металла или из негорючих материалов. Трубы должны иметь, как правило, наружную тепловую изоляцию для предотвращения образования конденсата и люки для осмотра и чистки.
7.19. Проемы для газоходов в одном горизонтальном сечении ствола трубы или стакана фундамента должны располагаться равномерно по окружности.
Суммарная площадь ослабления в одном горизонтальном сечении не должна превышать 40% общей площади сечения для железобетонного ствола или стакана фундамента и 30% - для ствола кирпичной трубы.
7.20. Подводящие газоходы в месте примыкания к дымовой трубе необходимо проектировать прямоугольной формы.
7.21. В сопряжении газоходов с дымовой трубой необходимо предусматривать температурно-осадочные швы или компенсаторы.
7.22. Необходимость применения футеровки и тепловой изоляции для уменьшения термических напряжений в стволах кирпичных и железобетонных труб определяется теплотехническим расчетом.
7.23. В трубах, предназначенных для удаления дымовых газов от сжигания сернистого топлива, при образовании конденсата (независимо от процента содержания серы) следует предусматривать футеровку из кислотоупорных материалов по всей высоте ствола. При отсутствии конденсата на внутренней поверхности газоотводящего ствола трубы при всех режимах эксплуатации допускается применение футеровки из глиняного кирпича для дымовых труб или глиняного обыкновенного кирпича пластического прессования марки не ниже 100 с водопоглощением не более 15% на глиноцементном или сложном растворе марки не ниже 50.
7.24. Расчет высоты дымовой трубы и выбор конструкции защиты внутренней поверхности ее ствола от агрессивного воздействия среды должны выполняться исходя из условий сжигания основного и резервного топлива.
7.25. Высота и расположение дымовой трубы должны согласовываться с местным Управлением Министерства гражданской авиации. Световое ограждение дымовых труб и наружная маркировочная окраска должны соответствовать требованиям Наставления по аэродромной службе в гражданской авиации СССР.
7.26. В проектах следует предусматривать защиту от коррозии наружных стальных конструкций кирпичных и железобетонных дымовых труб, а также поверхностей стальных труб.
7.27. В нижней части дымовой трубы или фундаменте следует предусматривать лазы для осмотра трубы, а в необходимых случаях - устройства, обеспечивающие отвод конденсата.
Очистка дымовых газов
7.28. Котельные, предназначенные для работы на твердом топливе (угле, торфе, сланце и древесных отходах), должны быть оборудованы установками для очистки дымовых газов от золы в случаях, когда
A p B>5000 (3)
B- максимальный часовой расход топлива, кг.
Примечание. Приприменениитвердого топлива в качестве аварийного установка золоуловителей не требуется.
7.29. Выбор типа золоуловителей производится в зависимости от объема очищаемых газов, требуемой степени очистки и компоновочных возможностей на основании технико-экономического сравнения вариантов установки золоуловителей различных типов.
В качестве золоулавливающих устройств следует принимать:
- блоки циклонов ЦКТИ или НИИОГАЗ - при объеме дымовых газов от 6000 до 20000 м 3 /ч;
- батарейные циклоны - при объеме дымовых газов от 15000 до 150000 м 3 /ч;
- батарейные циклоны с рециркуляцией и электрофильтры - при объеме дымовых газов свыше 100000 м 3 /ч.
"Мокрые" золоуловители с низконапорными трубами Вентури с каплеуловителями могут применяться при наличии системы гидрозолошлакоудаления и устройств, исключающих сброс в водоемы вредных веществ, содержащихся в золошлаковой пульпе.
Объемы газов принимаются при их рабочей температуре.
7.30. Коэффициенты очистки золоулавливающих устройств принимаются по расчету и должны быть в пределах, установленных прил. 4 к настоящим нормам и правилам.
7.31. Установку золоуловителей необходимо предусматривать на всасывающей стороне дымососов, как правило, на открытых площадках.
При соответствующем обосновании допускается установка золоуловителей в помещении.
7.32. Золоуловители предусматриваются индивидуальные к каждому котлоагрегату. В отдельных случаях допускается предусматривать на несколько котлов группу золоуловителей или один секционированный аппарат.
7.33. При работе котельной на твердом топливе индивидуальные золоуловители не должны иметь обводных газоходов.
7.34. Форма и внутренняя поверхность бункера золоуловителя должны обеспечивать полный спуск золы самотеком, при этом угол наклона стенок бункера к горизонту принимается 60° и в обоснованных случаях допускается не менее 55°.
Бункера золоуловителей должны иметь герметические затворы.
7.35. Скорость газов в подводящем газоходе золоулавливающих установок следует принимать не менее 12 м/с.
7.36. "Мокрые" искрогасители следует применять в котельных, предназначенных для работы на древесных отходах, в случаях когда A p B<5000 После золоуловителей искрогасители не устанавливаются.
Тяга в дымовой трубе котельного агрегата и ввод воздуха в топку котла могут быть естественными и искусственными. Для горения топлива необходим непрерывный подвод в топку котла атмосферного воздуха и удаление из топки котла образующихся дымовых газов в атмосферу через дымоход и дымовую трубу.
Естественная тяга осуществляется в котельных агрегатах производительностью до 2,5 т/час и с сопротивлением газового тракта не более 300 Па (30 мм водяного столба] при сжигании нешлакующих или малошлакующих топлив (дрова, торф) с помощью установки дымовой трубы. Естественной тягой называют разность давлений (появляющуюся вследствие различных плотностей наружного холодного воздуха и горячих дымовых газов в трубе котельной установки, которая приводит к возникновению движения потока дымовых газов в газоходах котла.
Тяга, Па, создаваемая в трубе газами,
где Н тр - высота дымовой трубы, м;
g г - плотность дымовых газов в дымовой трубе, кг/м,
g - ускорение свободного падения (9,81 м/с2).
Давление, создаваемое на том же уровне наружным воздухом,
где g в - плотность наружного воздуха, зависящая от температуры и давления воздуха, кг/м 3 .
Сила естественной тяги
где Sт - тяга, создаваемая дымовой трубой;
р 0 - давление воздуха по барометру. Па;
Т В - термодинамическая температура наружного воздуха, К
Т Г - средняя термодинамическая температура газов в дымовой трубе, К;
287,1 - газовая постоянная воздуха (R в);
газовая постоянная газообразных продуктов сгорания (
R г) зависит от их состава - R г к R в (табл. 23).Таблица 23. Характеристика газов
Пример. Сделать расчет тяги в котле, развиваемую дымовой трубой высотой 50 м в зимнее время, при средней температуре уходящих дымовых газов t Г = 300°С, температуре наружного воздуха t
В = -30°С и давлении наружного воздуха P В = 100 кПа (750 мм рт. ст.).Находим значения Т Г и Т В в градусах Кельвина:
Т Г = t Г
+ 273 = 300 + 273 = 573К;Т В =
t В + 273 = - 30 + 273 = 243К.По формуле (58) определяем тягу, развиваемую дымовой трубой
Схема создания естественной тяги в топке котла показана на рис. 97. В установку включены топка 2, котел и экономайзер 4. Тяга осуществляется дымовой трубой 5.
Дымовые газы при прохождении через котлоагрегат испытывают сопротивление о твердые поверхности газохода и сопротивление, вызываемое изменением направления движения потока газа.
Высоту дымовой трубы принимают такой, чтобы всегда имелся некоторый запас тяги, т.е. разрежение в топке (создаваемое трубой), которое должно быть больше суммы всех сопротивлений, получающихся в процессе прохождения газов по газоходам котлового агрегата. Для нормальной работы топки котла необходимо поддерживать в ней постоянное разрежение 20 - 30 Па (2 - 3 мм вод. ст.). Поэтому полная тяга, Па, создаваемая дымовой трубой и обозначаемая S, должна быть достаточной для преодоления всех аэродинамических сопротивлений котельного агрегата и создания разрежения в топке
Sт = Σ ΔSka + 20 - 30
где ΔSka - сумма сопротивлений всех элементов котельного агрегата.
В зависимости от температуры наружного воздуха тяга дымовой трубы изменяется:
чем ниже температура наружного воздуха, тем больше разность плотностей воздуха и дымовых газов в трубе и тем больше тяга,
чем выше температура наружного воздуха, тем меньше тяга.
Изменение тяги происходит и при изменении режима работы парового котла. В этом случае тягу регулируют большим или меньшим открытием соответствующих заслонок. При увеличении нагрузки котлов увеличивают часовое количество сжигаемого топлива, количество подаваемого в топку воздуха и усиливают тягу, что осуществляется большим открытием соответствующих заслонок, а при снижении нагрузки котла уменьшают подачу в топку топлива и воздуха и соответственно прикрыть заслонки.
Дымовые трубы строят стальными, кирпичными пли железобетонными в зависимости от мощности котельных агрегатов или котельной установки и срока работы, на который котельная установка рассчитана.
Стальные трубы (рис. 98, а) применяют редко, главным образом при временных установках и не выше 30 - 40 метров. Для котельных установок средней и большой мощности строят кирпичные трубы (рис. 98,6) высотой до 80 метров и железобетонные высотой 80-250 метров.
Для предохранения кирпичной кладки и железобетонной трубы от действия горячих газов внутри трубы выводят футеровку 8 из огнеупорного кирпича приблизительно на 1/4 ее высоты.
В кирпичных и железобетонных трубах газы остывают приблизительно на 1°С, а в остальных - на 1,5 - 2°С на каждый метр высоты трубы.
Дымовые трубы
Дымовые трубы должны иметь высокую надежность и долговечность при умеренной стоимости сооружения. До высоты 120 метров применяются дымовые трубы различных типов - кирпичные, металлические, из сборных элементов, монолитные железобетонные. Дымовые трубы высотой более 120 метров имеют, как правило, железобетонную коническую оболочку, которая воспринимает ветровые и весовые нагрузки. Внутренняя часть дымовой трубы, непосредственно соприкасающаяся с уходящими дымовыми газами котлов и энергетических установок, выполняется при этом по-разному. Наибольшее распространение до настоящего времени имели дымовые трубы с прижимной футеровкой из красного или кислотоупорного кирпича, укладываемого на консолях несущего железобетонного ствола (рис. 11.17, а). Однако эта конструкция дымовой трубы не является достаточно надежной, так как не исключает проникновения агрессивных дымовых газов к несущему железобетонному стволу трубы.
Рис. 11.17. Типы Дымовых труб с железобетонным несущим стволом (оболочкой). .
а - Дымовая труба с кислотоупорной прижимной футеровкой;
б - Дымовая труба с вентилируемым непроходным зазором;
в - Дымовая труба с цилиндрическим кремнебетонным газоотводящим стволом и проходным зазором;
г - Дымовая труба многоствольная с металлическими газоотводящими стволами;
1 - фундамент;
2 - железобетонный ствол;
3 - футеровка;
4 - вентилируемый непроходной зазор;
5 - вентиляционная установка:
6 - газоотводящий ствол;
7 - диффузор;
8 - цоколь.
Модификацией этого типа дымовой трубы, обеспечивающей повышенную надежность, является дымовая труба с вентилируемым непроходным зазором между газоотводящим стволом из кирпича и железобетонной оболочкой (рис. 11.17,6). Подогретый в паровых калориферах до температуры 60-100°С воздух подается в зазор шириной 100-200 мм с помощью вентилятора, установленного под дымовой трубой. В некоторых случаях вентиляция в зазоре может осуществляться за счет самотяги.
Наиболее высокой надежностью отличается дымовая труба, состоящая из газоотводящего ствола цилиндрической формы, отделенного проходным (обслуживаемым) зазором от железобетонного несущего ствола конической формы (рис. 11.17, а). Внутренний ствол дымовой трубы выполняется из кремнебетонных плит, отличающихся высокими коррозионными свойствами, или стального листа.
Для тепловых электростанций ТЭС с набором большого количества разнотипного парогенерирующего и теплогенерирующего оборудования, особенно на ТЭЦ, получили применение многоствольные дымовые трубы (рис. 11.17,г), в которых внутри железобетонной оболочки устанавливается несколько (обычно 3-4) металлических стволов цилиндрической формы. Каждый ствол заменяет отдельно стоящую трубу дымовую трубу и обслуживает подсоединенные к нему котлы. В верхней части цилиндрические стволы дымовой трубы переходят в секторные для создания единого дымового факела, обеспечивающего подъем на большую высоту.
Для надежной работы всех конструкций дымовых труб необходимо, чтобы давление внутри газоотводящего ствола на любой отметке было меньше, чем в окружающей атмосфере на этом же уровне. В этом случае при наличии каких-либо неплотностей в стволе дымовой трубы воздух будет подсасываться к дымовым газам. В случае положительной разности давлений между дымовыми газами и воздухом может произойти просачивание агрессивных газов через футеровку и несущий ствол и разрушение несущего ствола дымовой трубы.
Разность статических давлений газов в стволе и окружающем воздухе, Па, в любом сечении дымовой трубы определяется по формуле
ΔРст = Рдо + Σ ΔРтр - Рд -
g ΔPL (11 . 64)где Рдо = p· w
2 0 / 2 - динамическое давление газов в устье дымовой трубы, Па; Рд - динамическое давление газов на расстоянии l от выходного сечения; w 0 , w - скорости газов в устье дымовой трубы и в рассматриваемом сечении, м/с; Σ ΔРтр - потери на трение от рассматриваемого участка до верха трубы, Па; g - ускорение свободного падения, м/с2; ΔР = Pв - P - разность плотностей воздуха и дымовых газов (обычно Pв = 1,2 кг/м3 при tв = 20°С).Для цилиндрического участка потери на трение определяются по выражению
ξ · l/d · Рдо (11. 65)а для участка конической формы
ΔРтр = ξ / 8i · (Рдо - Рд) (11.66)
где ξ - коэффициент трения. Для металлических газоотводящих стволов принимается ξ = 0,015, для кремнебетонных ξ = 0,02; для футерованных конических стволов с учетом выступов ξ = 0,05.
Отсутствие избыточных статических давлений по всей высоте (ΔРст<0) дымовой трубы с газоотводящим стволом конической или цилиндрической формы обеспечивается следующим условием для числа Рихтера:
R = (ξ + 8i ) · Рдо / g ΔPD o
где D o - диаметр устья трубы, м; i - уклон образующей газоотводящего ствола.
Если R > 1, то в некотором сечении диаметра D м конической дымовой трубы статическое давление достигает максимального значения р ст.м, Па.
Отношение максимального статического давления к динамическому давлению на выходе из трубы находится по выражению
φ м = р ст.м / Рдо = (1+ ξ / 8i ) · S (11. 68)относительный диаметр ствола, в котором это отношение достигает максимума,
D м = D/D 0 =
R 0,2 (11. 69)Значения множителя S в формуле (11.68) в зависимости от числа R приводятся ниже:
| R | 1,2 | 1,4 | 1,6 | 1,8 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 4,0 | 5,0 |
| S | 0,012 | 0,037 | 0,066 | 0,10 | 0,120 | 0,208 | 0,257 | 0,351 | 0,420 |
Если дымовая труба имеет переменный по высоте уклон, то обычно максимальное статическое давление наблюдается в верхней части трубы, и определение φ м производится по формуле (11.68) для верхнего ее участка. В некоторых случаях максимальное статическое давление может быть и на нижележащем участке. Это происходит, если число R, вычисленное на этом участке, окажется больше единицы. В этом случае р ст.м следует определять по общей формуле (11.64), разбивая трубу по высоте на ряд участков и строя эпюру статических давлений.
Для дымовых труб цилиндрической формы (i = 0) избыточное статическое давление в условиях ТЭС встречается редко (обычно R<1). В случае возникновения избыточного статического давления его максимальное значение находится на уровне ввода газоходов и определяется по выражению (11.64).
Способы борьбы с избыточным статическим давлением в дымовой трубе:
1) уменьшение
Pдо за счет выбора большего выходного диаметра Dо;2) выполнение газоотводящего ствола или верхнего его участка цилиндрической формы (i = 0);
3) установка в верхней части дымовой трубы диффузора, снимающего избыточные статические давления во всем стволе.
Рис. 11.18. Вентиляционные трубы АЭС.
а - железобетонная труба для выброса вентиляционного воздуха: 1 - железобетонный вентиляционный газоход; 2 - ствол; 3 - фундамент;
4 - кислотоупорный кирпич; 5 -железобетон; 6 - цоколь;
б - металлическая вентиляционная труба на металлическом каркасе: 1 - труба; 2 - каркас;
в - металлическая вентиляционная труба в трубе: 1 - внутренняя труба; 2 - наружная труба.
Если
φ м =< 0,3 , то с достаточной степенью точности выходной диаметр диффузора D Д можно найти из соотношения
Разрушения дымовой трубы могут происходить и за счет других причин - растрескивания футеровки из-за повышенной разности температур, проникновения газов в ствол вследствие диффузии и возникновения при этом сернокислотной коррозии и др.
При использовании высокосернистых топлив может происходить разрушение наружной поверхности верхней части железобетонной оболочки дымовой трубы на длине до двух ее диаметров за счет обволакивания уходящими из нее дымовыми газами. Это может иметь место при низких скоростях уходящих газов и высоких скоростях ветра
Р ДО = < 2,4 Р ДВ (11.72)
где Р ДВ - динамическое давление ветра на уровне устья дымовой трубы, Па.
Вентиляционные трубы АЭС не имеют особых отличий от труб ТЭС. Размеры труб при одинаковой мощности ТЭС и АЭС значительно меньше у АЭС (высота труб АЭС обычно не превышает 100-120 м при умеренных диаметрах). Это объясняется малыми объемами выбросов у АЭС по сравнению с ТЭС и меньшим относительным содержанием вредных веществ.
Дымовые трубы АЭС строят из различных материалов - металлические, кирпичные, железобетонные и др. Выбор материалов зависит от размеров трубы и агрессивности к материалам примесей в удаляемом воздухе (рис. 11.18). Когда агрессивные примеси содержатся лишь в небольшой части удаляемого воздуха, применяют разделение стволов различных назначений
При устройстве печи в идеале хочется иметь такую конструкцию, которая автоматически давала бы столько воздуха, сколько надо для горения. С первого взгляда, это можно сделать с помощью дымовой трубы. Действительно, чем более интенсивно горят дрова, тем больше должно быть горячих дымовых газов, тем больше должна быть и тяга (модель карбюратора). Но это не так. Тяга вовсе не зависит от количества образующихся горячих дымовых газов. Тяга — это перепад давления в трубе от оголовка трубы до топливника. Определяется же она высотой трубы и температурой дымовых газов, а точнее - их плотностью.
Тягу определяют по формуле:
F= A(p в — p д) h
где F - тяга, А - коэффициент, p в - плотность наружного воздуха, p д - плотность дымовых газов, h - высота трубы
Плотность дымовых газов рассчитывают по формуле:
p д = p в (273+t в) / (273+t д)
где t в и t д - температура в градусах Цельсия наружного атмосферного воздуха вне трубы и дымовых газов в трубе.
Скорость движения дымовых газов в трубе (объёмный расход, то есть засасывающая способность трубы) G вовсе не зависит от высоты трубы и определяется разностью температур дымовых газов и наружного воздуха, а также площадью поперечного сечения дымовой трубы. Отсюда следует ряд практических выводов.
Во-первых , дымовые трубы делают высокими вовсе не для того, чтобы повысить расход воздуха через топливник, а только для увеличения тяги (то есть перепада давления в трубе). Это очень важно для предотвращения опрокидывания тяги (дымления печи) при ветровом подпоре (величина тяги должна всегда превышать возможный ветровой подпор).
Во-вторых , регулировать расход воздуха удобно с помощью устройств, изменяющих площадь живого сечения трубы, то есть с помощью задвижек. При увеличении площади поперечного сечения канала дымовой трубы, например, вдвое - можно ожидать примерно двукратного увеличения объёмного расхода воздуха через топливник.
Поясним это простым и наглядным примером. Имеем две одинаковые печи. Объединяем их в одну. Получаем вдвое большую печь с удвоенным количеством горящих дров, с двукратными расходом воздуха и площадью поперечного сечения трубы. Или (что является тем же самым), если в топливнике разгорается всё больше дров, то необходимо всё больше и больше открывать задвижки на трубе.
В-третьих , если печка горит нормально в установившемся режиме, а мы добавочно пустим в топливник поток холодного воздуха мимо горящих дров в трубу, то дымовые газы тотчас охладятся, и расход воздуха через печь сократится. При этом горящие дрова начнут затухать. То есть мы вроде бы непосредственно на дрова не влияем и направляем дополнительный поток мимо дров, а получается так, что труба может пропустить меньше дымовых газов, чем раньше, когда этот дополнительный поток воздуха отсутствовал. Труба сама сократит поток воздуха на дрова, что был ранее, и к тому же не пустит добавочный поток холодного воздуха. Иными словами, дымовая труба запрётся.
Вот почему так вредны подсосы холодного воздуха через щели в дымовых трубах, излишние потоки воздуха в топливнике да и вообще какие-либо теплопотери в дымовой трубе, приводящие к снижению температуры дымовых газов.
В-четвёртых , чем больше коэффициент газодинамического сопротивления дымовой трубы, тем меньше расход воздуха. То есть стенки дымовой трубы желательно выполнять как можно более гладкими, без завихрений и без поворотов.
В-пятых , чем меньше температура дымовых газов, тем более резко изменяется расход воздуха при колебаниях температуры дымовых газов, что и объясняет ситуацию неустойчивости работы трубы при розжиге печи.
В-шестых , при высоких температурах дымовых газов расход воздуха не зависит от температуры дымовых газов. То есть при сильном разгорании печи расход воздуха перестаёт увеличиваться и начинает зависеть только от сечения трубы.
Вопросы неустойчивости возникают не только при анализе тепловых характеристик трубы, но и при рассмотрении динамики газовых потоков в трубе. Действительно, дымовая труба представляет собой колодец, заполненный лёгким дымовым газом. Если этот лёгкий дымовой газ поднимается вверх не очень быстро, то не исключена вероятность того, что тяжёлый внешний воздух может попросту утонуть в лёгком газе и создать падающий нисходящий поток в трубе. Особенно вероятна такая ситуация при холодных стенках дымовой трубы, то есть во время розжига печи.
Рис. 1. Схема движения газов в холодной дымовой трубе: 1 - топливник; 2 - подача воздуха через поддувало; 3-дымовая труба; 4 - задвижка; 5 - каминный зуб; 6-дымовые газы; 7-проваливающийся холодный воздух; 8 - поток воздуха, вызывающий опрокидывание тяги.
а) гладкая открытая вертикальная труба
б) труба с задвижкой и зубом
в) труба с верхней задвижкой
Сплошные стрелки - направления движения лёгких горячих дымовых газов. Пунктирные стрелки - направления движения нисходящих потоков холодного тяжёлого воздуха из атмосферы.
На рис. 1а схематически изображена печь, в которую подаётся воздух 2 и выводятся через дымовую трубу дымовые газы 6. Если поперечное сечение трубы велико (или скорость движения дымовых газов мала), то в результате какой-либо флуктуации в трубу начинает проникать холодный тяжёлый атмосферный воздух 7, достигая даже топливника. Этот падающий поток может заменить «штатный» поток воздуха через поддувало 2. Даже если печь будет заперта на все дверцы и все заслонки воздухозаборных отверстий будут закрыты, то всё равно печь может гореть за счёт поступающего сверху воздуха. Кстати, именно так часто и бывает при догорании углей при закрытых дверях печей. Может даже произойти полное опрокидывание тяги: воздух будет поступать сверху через трубу, а дымовые газы - выходить через дверцу.
В действительности же на внутренней стенке дымовой трубы всегда имеются неровности, наросты, шероховатости, при соударении с которыми дымовые газы и встречные нисходящие холодные воздушные потоки взвихриваются и перемешиваются друг с другом. Холодный нисходящий поток воздуха при этом выталкивается или, нагреваясь, начинает подниматься вверх вперемешку с горячими газами.
Эффект разворачивания нисходящих потоков холодного воздуха вверх усиливается при наличии частично открытых задвижек, а также так называемого зуба, широко применяемого в технологии изготовления каминов (рис. 1б ). Зуб препятствует поступлению холодного воздуха из трубы в каминное пространство и предотвращает тем самым дымление камина.
Нисходящие потоки воздуха в трубе особенно опасны в туманную погоду: дымовые газы не в состоянии испарить мельчайшие капельки воды, охлаждаются, тяга снижается и может даже опрокинуться. Печь при этом сильно дымит, не разгорается.
По той же причине сильно дымят печи с сырыми дымовыми трубами. Для предотвращения возникновения нисходящих потоков особенно эффективны верхние задвижки (рис. 1в ), регулируемые в зависимости от скорости дымовых газов в дымовой трубе. Однако эксплуатация таких задвижек неудобна.
Рис. 2. Зависимость коэффициента избытка воздуха а от времени протопки печи (сплошная кривая). Пунктирная кривая - потребный расход воздуха G потр для полного окисления продуктов сгорания дров (в том числе сажи и летучих веществ) в дымовых газах (в относительных единицах). Штрих-пунктирная кривая - реальный расход воздуха G трубы обеспечиваемый тягой трубы (в относительных единицах). Коэффициент избытка воздуха является частным отделения G трубы на G потр
Устойчивая и достаточно сильная тяга возникает только после прогрева стенок дымовой трубы, на что требуется значительное время, Так что в начале протопки воздуха всегда не хватает. Коэффициент избытка воздуха при этом меньше единицы, и печь дымит (рис. 2 ). И наоборот: по окончании протопки дымовая труба остаётся горячей, тяга долго сохраняется, хотя дрова уже практически сгорели (коэффициент избытка воздуха - больше единицы). Металлические печи с металлическими утеплёнными дымовыми трубами быстрее выходят на режим ввиду малой теплоёмкости по сравнению с кирпичными трубами.
Анализ процессов в дымовой трубе можно продолжить, но уже и так ясно, что как бы ни хороша была сама печь, все её достоинства могут быть сведены к нулю плохой дымовой трубой. Конечно, в идеальном варианте дымовую трубу надо было бы заменить современной системой принудительной вытяжки дымовых газов с помощью электрического вентилятора с регулируемым расходом и с предварительной конденсацией влаги из дымовых газов. Такая система помимо прочего могла бы очищать дымовые газы от сажи, окиси углерода и других вредных примесей, а также охлаждать сбрасываемые дымовые газы и обеспечивать рекуперацию тепла.
Но всё это - в далёкой перспективе. Для дачника и садовода дымовая труба порой и так может стать намного дороже самой печи, особенно в случае отопления многоуровневого дома. Банные дымовые трубы обычно попроще и покороче, но уровень тепловой мощности печи может быть очень большим. Такие трубы, как правило, сильно прогреты по всей длине, из них часто вылетают искры и пепел, но выпадение конденсата и сажи незначительно.
Если вы пока планируете использовать банное здание только как баню, то трубу можно делать и неутеплённой. Если же баня задумывается вами и как место возможного пребывания (временного проживания, ночёвок), особенно зимой, то целесообразнее трубу сразу делать утеплённой, причём качественно, «на всю жизнь». Печки при этом можно менять хоть каждый день, подбирать конструкцию поудачней и по-нужнее, а труба будет одна и та же.
По крайней мере, если печка работает в режиме длительного горения {тления дров), то утепление трубы абсолютно обязательно, поскольку при низких мощностях (1 — 5 кВт) неутеплённая металлическая труба станет совсем холодной, будет обильно течь конденсат, который в самые сильные морозы может даже замёрзнуть и перекрыть льдом трубу. Это особенно опасно при наличии искроуловительной сетки и зонтов с малыми проходными зазорами. Искроуловители целесообразны при интенсивных протопках летом и крайне опасны при слабых режимах горения дров зимой. По причине возможного забивания труб льдом установка дефлекторов и зонтов на печных трубах была запрещена в 1991 году (а на дымоходах газовых печей ещё раньше).
По тем же соображениям не стоит увлекаться высотой трубы - уровень тяги не так уж важен для безоборотной банной печи. Если же она будет поддымливать, всегда можно быстро проветрить помещение. А вот высоту над коньком крыши (не менее 0,5 м) следует соблюсти обязательно для предотвращения опрокидывания тяги при порывах ветра. На пологих же крышах труба должна выступать над снежным покровом. Во всяком случае лучше иметь трубу пониже, но потеплее (чем повыше, но холоднее). Высокие трубы зимой всегда холодные и опасные в эксплуатации.
Холодные дымовые трубы имеют массу недостатков. В то же время неутеплённые, но не очень длинные трубы на металлических печах при растопке прогреваются быстро (много быстрее, чем кирпичные трубы), остаются горячими при энергичной протопке и поэтому в банях (и не только в банях) применяются очень широко, тем более что они относительно дёшевы. Асбоцементные трубы на металлических печах не используют, так как они имеют большой вес, а также разрушаются при перегреве с разлётом осколков.
Рис. 3. Простейшие конструкции металлических дымовых труб: 1 - металлическая круглая дымовая труба; 2 - искроуловитель; 3 - колпак для защиты трубы от атмосферных осадков; 4 - стропила; 5 - обрешётка крыши; 6 -деревянные бруски между стропилами (или балками) для оформления противопожарного проёма (разделки) в крыше или перекрытии (при необходимости); 7 - конёк крыши; 8 - мягкая кровля (рубероид, гидростеклоизол, мягкая черепица, гофрированные картонно-битумные листы и т.п.); 9 - металлический лист для настила крыши и перекрытия проёма (допускается использовать плоский лист ацеида - асбоцементную электроизоляционную доску); 10 - металлическая водоотводная накладка; 11 - асбестовая герметизация зазора (стыка); 12 - металлический колпак-выдра; 13 - потолочные балки (с заполнением пространства утеплителем); 14 - обшивка потолка; 15 - пол чердака (при необходимости); 16 - металлический лист потолочной разделки; 17 - металлические усиливающие уголки; 18 - металлическая крышка потолочной разделки (при необходимости); 19 - утеплитель негорючий термостойкий (керамзит, песок, перлит, минвата); 20 - защитная накладка (металлический лист по слою асбестового картона толщиной 8 мм); 21 - металлический экран трубы.
а) нетеплоизолированная труба;
б) теплоизолированная экранированная труба с сопротивлением теплопередаче не менее 0,3 м 2 -град/Вт (что эквивалентно толщине кирпича 130 мм или толщине утеплителя типа минваты 20 мм).
На рис. 3 представлены типичные монтажные схемы неутеплённых металлических труб. Саму трубу следует приобретать из нержавеющей стали толщиной не менее 0,7 мм. Наиболее ходовой диаметр российской трубы - 120 мм, финской - 115 мм.
По ГОСТ 9817-95 площадь поперечного сечения многооборотной дымовой трубы должна составлять не менее 8 см 2 на 1 кВт номинальной тепловой мощности, выделяющейся в топке при горении дров. Эту мощность не следует путать с тепловой мощностью теплоёмкой печи, выделяющейся с наружной кирпичной поверхности печи в помещение по СНиП 2.04.05-91. Это - одно из многочисленных недоразумений наших нормативных документов. Поскольку теплоёмкие печи обычно топятся лишь 2-3 часа в сутки, то мощность в топке примерно в десять раз больше мощности выделения тепла с поверхности кирпичной печи.
В следующий раз мы поговорим об особенностях монтажа дымовых труб.
