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. hc = Hд(?в – ?г), мм вод. ст., где hc— величина самотяги; Hд— эффективная высота дымохода; ?в— плотность воздуха; ?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 ?впри рабочих условиях: (1) где tос — температура окружающей среды, °С, принимается для наихудших условий работы оборудования — летнего времени, при отсутствии данных принимается 20 °С; ?в.ну — плотность воздуха при нормальных условиях, 1,2932 кг/м3; ?г — плотность дымовых газов при рабочих условиях: (2) где ?г.ну — плотность продуктов сгорания при нормальных условиях, при ?= 1,2 для природного газа можно принять — 1,26 кг/м3. Для удобства обозначим: (формула) тогда (формула) где (1 + ?t)— 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: (3) 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: (4) где Hд — эффективная высота дымовой трубы в метрах. Средняя температура продуктов сгорания в дымоходе: (5) 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): (формула) Температура дымовых газов на выходе из трубы по (4): (формула) Средняя температура продуктов сгорания в дымоходе по (5): (формула) Тогда величина самотяги будет: hc = 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): (6) Для цилиндрических труб определяется диаметр: (7) 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: (8) где mг.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/м3; ? плотность продуктов сгорания (при (символ)ср =120 °С) ?г = 0,8982 кг/м3; ? скорость продуктов сгорания (в первом приближении) wг = 1,4 м/с. По (8) определяем ориентировочную площадь сечения дымового канала: (формула) 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: (формула) 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: ? ?110 мм: wг = 2,64 м/с. ? ?130 мм: wг = 1,89 м/с. ? ?150 мм: wг= 1,42 м/с. ? ?180 мм: wг= 0,98 м/с. Результаты представлены на рис. 4. Как видим, из полученных значений скоростным условиям удовлетворяют два типоразмера: ? 130 мм и ? 150 мм. В принципе, мы можем остановиться на любом из этих значений, однако ? 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 м3/ч; диаметр газохода ? 300 мм — скорость продуктов сгорания wг = 1,9 м/с. Расход продуктов сгорания — 90 м3/ч; диаметр газохода ? 150 мм — скорость продуктов сгорания wг = 1,4 м/с. Потери напора в дымоходе Сумма сопротивлений трубы: ??hтр = ?hтр + ?hмс, мм вод. ст. (10) Сопротивление трения: (11) Потери в местных сопротивлениях: (12) где ?= 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; ?— 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; wг — скорость продуктов сгорания в трубе: (13) Vг.д — действительный объем продуктов сгорания: (14) BT — расход топлива с учетом теплотворной способности данного топлива: (15) где ?— КПД установки из паспортных данных на оборудование, 0,9–0,95; Qнр — низшая теплотворная способность (в зависимости от состава топлива), для газа — 8000 ккал/м3; Vг.о — теоретический объем продуктов сгорания, для природного газа можно принять 10,9 м33; Vв.о — теоретически необходимое количество воздуха, для сжигания 1 м3 природного газа 8,5–10 м33; ?— коэффициент избытка воздуха, для природного газа 1,05–1,25. Проверка тяги производится по формуле: (16) Hбар — барометрическое давление, принимаемое 750 мм вод. ст.; ?Нп — 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): ?Hп = hт ? + ?h – hc. (17) где hт ? — 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 hc сопротивлений, таким образом: ?Hп = hт ? = 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.