Поверочный расчет дымохода для котлов с открытой камерой сгорания

alt

ДБН В.2.5-20-2001 Приложение Ж «Отвод продуктов сгорания»

Поверочный расчет дымохода для котлов с открытой камерой сгорания
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 (т.е. в начале расчета мы задаем некоторые параметры, такие как высота и материал дымохода, скорость дымовых газов и т.д., а потом путем последовательных приближений уточняем эти значения).

Однако на практике гораздо чаще приходится сталкиваться с необходимостью поверочного расчета дымохода, так как обычно котел 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.

То есть 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.)Image
  • 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.
Image
где hc — величина самотяги;
Hд — эффективнаявысота дымохода;
в — плотность воздуха;
г — плотность дымовых газов.
Как видно из формулы [0], 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 (см. рис. 2).


Image


Однако на практике гораздо чаще встречаются случаи, когда изменяется не только температура дымовых газов, но и температура воздуха. В таб. 1 приведены величины удельной самотяги на один метр высоты дымовой трубы в зависимости от температур продуктов сгорания и воздуха.


Image


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.
в — плотность воздуха при рабочих условиях:
Image
где tос — температура окружающей среды, °С, принимается для наихудших условий работы оборудования — летнего времени. При отсутствии данных принимается 20 °С;
вну — плотность воздуха при нормальных условиях — 1,2932 кг/м3.
г — плотность дымовых газов при рабочих условиях:
Image
где гну — плотность продуктов сгорания при нормальных условиях, пр= 1,2 для природного газа можно принять — 1,26 кг/м3.

Для удобства обозначим , a=1/273
тогда
Image
где 1 + a x 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.


Image
 

Практическое вычисление самотяги
Для вычисления естественной тяги необходимо уточнить среднюю температуру газов в трубе ϑcp. Температура на входе в трубу ϑ1 определяется из паспортных данных оборудования. Температуру продуктов сгорания на выходе из устья дымохода ϑ2 находят с учетом их охлаждения по длине трубы.

Охлаждение газов в трубе на 1 метр её высоты определяется по формуле:
Image
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 метра.
Температура на выходе из трубы:
Image
где Hд — эффективная высота дымовой трубы в метрах.

Средняя температура продуктов сгорания в дымоходе:
Image

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 °С от 20 °С, то принимается расчетная температура.
3. Если теплогенератор эксплуатируется только в зимний период, то расчет ведется по средней температуре за отопительный период.

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

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

Охлаждение газов в трубе на 1 метр её высоты по [3]:
Image
Температура дымовых газов на выходе из трубы по [4]:
ϑ2 = 125 - 8 x 1,016 = 117, °С.
Средняя температура продуктов сгорания в дымоходе по [5]:
ϑср = (125 + 117)/2 = 121, °С.
Величину самотяги вычисляем по [0]:
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).
Image
Для цилиндрических труб определяется диаметр:
Image
r — коэффициент, зависящий от вида используемого топлива. Газ: r = 0,016, жидкое топливо: r = 0,024, уголь: 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:
Image
где mг
д — массовый расход продуктов сгорания, кг/час.
Для примера рассмотрим следующий случай:

  • Высота дымовой трубы 7 м;
  • Массовый расход продуктов сгорания 81 кг/час;
  • Плотность продуктов сгорания (при ϑср =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:
F = (0,225 кг/c)/(1,4 м/c x 0,8982) = 0,0178 м2 = 179 см2.

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.
Image
wг = (0,225 кг/c)/(0,8982 кг/м3 x 0,01327 м2) = 1,89 м/c.
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:
Image

Ø 110 mm: wг = 2,64 м/с.
Ø 130 mm: wг = 1,89 м/с.
Ø 150 mm: wг = 1,42 м/с.
Ø 180 mm: wг = 0,98 м/с.


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

Для удобства подбора типоразмера дымохода можно использовать диаграмму рис. 5.
Для примера:

 

  • Расход продуктов сгорания 468 м3/час; диаметр газохода Ø 300 мм — скорость продуктов сгорания wг = 1,9 м/с
  • Расход продуктов сгорания 90 м3/час; диаметр газохода Ø 150 мм — скорость продуктов сгорания wг = 1,4 м/с


Потери напора в дымоходе
Сумма сопротивлений трубы:
Image
Сопротивление трения:
Image
Потери в местных сопротивлениях:
Image
= 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:
для кирпичных труб = 0,05;
для стальных труб = 0,02.
g — ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2.
d — диаметр дымовой трубы, м.
wг — скорость продуктов сгорания в трубе:
Image
Vдг — действительный объём продуктов сгорания:
Image
BT — расход топлива с учетом теплотворной способности данного топлива:
Image
— 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;
Voг — теоретический объем продуктов сгорания, для природного газа можно принять 10,9 м3/м3;
Voв — теоретически необходимое количество воздуха, для сжигания 1 м3 природного газа 8,5-10
м3/м3;
— коэффициент избытка воздуха, для природного газа 1,05-1,25.

Проверка тяги производится по формуле:
Image
hбар — барометрическое давление, принимается 750 мм вод.ст.
HП — перепад полных давлений газового тракта, мм вод.ст., без учета сопротивления и самотяги трубы.
1,2 — коэффициент запаса по тяге.
Перепад полных давлений по газовому тракту (общий вид формулы):
Image
где hT’’ — 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 сопротивления h и самотяги трубы hc.
Таким образом:
HП = hT’’ = 2-5 мм вод.ст.
Для наглядности изобразим процессы, происходящие в дымовом канале на напорной диаграмме (рис. 6).
Image
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 цве- том, символизирует разряжение в дымовом канале.

Очевидно, что величина естественной тяги уменьшается по высоте дымохода, а потери напора возрастают от устья к основанию дымовой трубы.

Пример корректного монтажа дымохода и выдержки из ДБН.В.2.5-20-2001 «Газоснабжение»

При проектировании и монтаже дымоходов обязательно необходимо соблюдать следующие пункты отечественных норм и правил:


 

ДБН В.2.5-20-2001 Приложение Ж «Отвод продуктов сгорания».

Ж.З.
Отвод продуктов сгорания от бытовых газовых приборов, печей и другого бытового газового оборудования, в конструкции которых предусмотрен отвод продуктов сгорания в дымоход, следует предусматривать от каждого прибора, агрегата или печи по обособленному дымоходу.
В существующих зданиях допускается предусматривать присоединение к одному дымоходу не более двух водонагревателей или отопительных печей, расположенных на одном или разных этажах здания, при условии ввода продуктов сгорания в дымоход на разных уровнях, не ближе 0,5 м один от другого, или на одном уровне с устройством в дымоходе рассечки на высоту не менее 0,5 м.

Ж.6. Площадь сечения дымохода не должна быть меньше площади сечения патрубка газового прибора, присоединяемого к дымоходу. При присоединении к дымоходу двух приборов, печей и т.п. сечение дымохода следует определять с учетом одновременной их работы. Конструктивные размеры дымоходов должны определяться расчетом.

Ж.7. Дымоходы следует выполнять из морозостойкого кирпича (Мрз 125), глиняного кирпича, жаростойкого бетона для многоэтажных зданий и асбесто-цементных труб для одноэтажных зданий. Допускается отвод продуктов сгорания предусматривать по стальным дымовым трубам. Конструкции дымовых каналов также могут быть заводского изготовления, поставляемые в комплекте с газовым оборудованием. При установке асбестоцементных и стальных труб вне здания или при прохождении их через чердак здания они должны быть теплоизолированные для предотвращения образования конденсата. Конструкция дымовых каналов в наружных стенах и приставных к этим стенам каналов также должна обеспечивать температуру газов на выходе из них выше точки росы. Запрещается выполнять каналы из шлакобетонных и других неплотных или пористых материалов.

Ж.9. Присоединение газового оборудования к дымоходам следует предусматривать соединительными трубами, изготовленными из кровельной или оцинкованной стали толщиной не менее 1,0 мм, гибкими металлическими гофрированными патрубками или унифицированными элементами, поставляемыми в комплекте с оборудованием. Соединительная дымоотводящая труба, соединяющая газовый прибор с дымоходом, должна иметь вертикальный участок. Длина вертикального участка соединительной трубы, считая от низа дымоотводящего патрубка газового прибора до оси горизонтального участка трубы, должна быть не менее 0,5 м. В помещениях высотой до 2,7 м для приборов со стабилизаторами тяги допускается уменьшение длины вертикального участка до 0,25 м, без стабилизаторов тяги до 0,15 м. Суммарная длина горизонтальных участков соединительных труб в новых домах должна быть не более 3 м, в существующих домах — не более 6 м. Уклон трубы должен быть не менее 0,01 в сторону газового прибора. На дымоотводящих трубах допускается предусматривать не более трех поворотов с радиусом закругления не менее диаметра трубы. Ниже места присоединения дымоотводящей трубы от прибора к дымоходу должно быть предусмотрено устройство «кармана» сечением не менее сечения дымохода и глубиной не менее 25 см, имеющий люк для очистки. Дымоотводящие трубы, прокладываемые через неотапливаемые помещения, при необходимости должны быть покрыты изоляцией. Прокладка дымоотводящих труб от приборов и печей через жилые комнаты не допускается

Ж.10. Расстояние от соединительной трубы до потолка или стены из несгораемых материалов принимается не менее 5 см, а из сгораемых и трудносгораемых материалов — не менее 25 см.

Ж.15. Дымовые трубы от газовых приборов в зданиях должны быть выведены:
— выше границы зоны ветрового подпора, но не менее 0,5 м выше конька крыши при расположении их (считая по горизонтали) не далее 1,5 м от конька крыши;
— в уровень с коньком крыши, если они отстоят на расстоянии до 3 м от конька крыши;
— не ниже прямой, проведенной от конька вниз под углом 10° к горизонту, при расположении труб на расстоянии более 3 м от конька крыши. Зоной ветрового подпора дымовой трубы считается пространство ниже линии,  проведенной под углом 45° к горизонту от наиболее высоких точек вблизи расположенных сооружений и деревьев. Во всех случаях высота трубы над прилегающей частью крыши должна быть не менее 0,5 м, а для домов с совмещенной кровлей (плоской крышей) — не менее 2,0 м. Установка на дымоходах зонтов и других насадок не допускается.

Ж.20. Длина горизонтального участка дымового канала от отопительного оборудования с герметичной камерой сгорания при выходе через наружную стену принимается не более 3 м.

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

 

JoomlaWatch 1.2.12 - Joomla Monitor and Live Stats by Matej Koval
YOOtheme design - Powered by Joomla