Расчет обособленных дымоходов от газовых печей периодического действия

При проектировании и строительст­ве малоэтажных жилых домов с местным отоплением дымоходы от бытовых при­боров выполняют в подавляющем боль­шинстве случаев обособленными.
    К обособленным дымоходам могут быть подключены газовые печи периоди­ческого и непрерывного действия. Мето­дика расчета дымоходов для этих случаев неодинакова.
    Данная методика расчета учитывает нестационарный процесс теплопередачи, происходящий между продуктами сго­рания и стенками дымоходов. Порядок расчета  следующий.
    Зная тепловую нагрузку горелки печи, высоту дымохода и место установки при­бора в здании, можно ориентировочно определить площадь поперечного сече­ния дымохода F, см², по следующей фор­муле:

F = (K ∙ Q) / (4,19 ∙ √ˉ Н),

где К = 0,02-0,03 - эмпирический коэф­фициент, равный 0,02-0,03; Q - теплопройзводительность газового прибора, кДж/ч; Н - высота дымохода, м.

    Полученная площадь поперечного се­чения дымохода должна быть скоррек­тирована с «Временными техническими условиями по переводу отопительных и отопительно-варочных печей на газовое топливо».
    Так, например, в этом документе ука­зано, что для газовых бытовых печей сёчение кирпичного дымохода должно быть
    ½ х ½  кирпича, а при устройстве дымо­хода из асбестоцементных труб его диа­метр должен быть равен 100 мм независи­мо от того, на каком этаже установлена печь. Если на печи нет насадной трубы, то следует выбрать диаметр металличес­кого патрубка или размеры кирпичного короба, с помощью которого газовая печь присоединяется к отдельно стоящему ды­моходу. Длина патрубка или короба не должна превышать 1 м. Зная конструк­тивные размеры дымохода, можно прове­сти проверочный теплотехнический рас­чет, цель которого заключается в опре­делении температуры уходящих газов на оголовке трубы. По этой температуре и коэффициенту избытка воздуха в уходя­щих газах можно определить, возможна или нет в зимнее время конденсация во­дяных паров на оголовке. Для расчета дол­жны быть заданы: начальная температура газов на выходе из печи, состав горючего газа и продуктов сгорания, конструктив­ные размеры дымового канала.

Пример 9.3.1. Печное отопление двухэтаж­ного жилого дома (рис. 9.8) переведено на га­зообразное топливо. Дымоходы печей располо­жены во внутренней капитальной стене. Печи второго этажа установлены на консолях. Со­единительные патрубки изолированы асбесто­вым шнуром (толщина слоя асбеста 15 мм), подача горючего газа на каждую горелку 1,8 м³/ч, длительность топки 2 ч, теплота сгорания горю­чего газа Q^B_H = 35 600 кДж/м³, температура ухо­дящих газов из каждой печи (на входе в метал­лический патрубок) 213 °С, барометрическое дав­ление 100 кПа (1 бар), коэффициент избытка воздуха для печи 1-го этажа  α_т = 3, длина со­единительного патрубка 1 м, температура: на­ружного воздуха t_нар = - 10°С, воздуха в поме­щении  t_пом = 20 °С.

Рис. 9.8. Двухэтажный жилой дом с печным отоп­лением, переведенным на газообразное топливо

    Требуется определить температуру уходящих газов на оголовке дымовой трубы печи 1-го этажа, а также действительную тягу в этом дымоходе.
    Предварительно найдем некоторые исход­ные величины. Вычислим объем уходящих газов, образующийся при сжигании 1 м³ горючего газа

V_Г = 10,61 + (α_т - l)V°=    = 10,61+ (3-1) • 9,5 = 29,61 м³. 
     Коэффициент теплопередачи К, Вт/(м² • °С), металлического патрубка, изолированного сло­ем асбеста, определим по формуле

K = 1 / (R_вн + R_ст + R_асб + R_нар),

где R_вн  , R_ст , R_асб , R_нар - термические сопротивле­ния соответственно тепловосприятию от газов металлической стенки патрубка, стальной стенки патрубка, асбестовой изоляции толщиной 15 мм и теплоотдаче от наружной поверхности патрубка воздуху помещений, м² • °С/Вт.
    Значения R_вн  и R_нар  найдем по табл. 9.1,  а R_ст  и  R_асб, м² • °С/Вт - по формулам

R_ст  = δ _ст / λ _ст = 0,001 / 58 = 0,000017;

R_асб  = δ_асб / λ_асб = 0,015 / 0,35 = 0,043.

Таблица 9.1

Значения термических   сопротивлений

Затем вычислим значение коэффициента теплопередачи для присоединительного патрубка

K = 1/ (0,056 + 0,000017 + 0,043 + 0,086)  =  5,4   Вт/(м²  • °С).

Падение температуры   Δ t /,  °С, входящих га­зов в присоединительном патрубке можно определить по формуле

Δ t = (KF • (t_ср - t_пом)) / (V_г • c_г ),

    Где F - площадь теплопередающей поверхности патрубка, м²; t_cp, t_лом - соответственно средняя температура входящих газов в патрубке и темпе­ратура воздуха в помещении, °С; V_г - объем газов, м³/ч; с_г - удельная теплоемкость продук­тов сгорания,   кДж/(м³ • °С).
    Предварительно задаемся возможной ко­нечной температурой уходящих газов в конце присоединительного патрубка (195 °С). Тогда средняя температура уходящих газов в патрубке окажется  равной:

t_cp = (213 + 195) / 2 = 204 °С.

Площадь теплопередающей поверхности патрубка будет равна:

F =πDL = 3,14 • 0,12 • 1 = 0,377 м².       .

Вычисляем разность температур

Δ t = (0,377 • 5,4 (204 - 20)) / (1,8 • 29,6 • 0,35) = 18 °С.

    Действительный перепад температур почти не отличается от заданного, поэтому пересчета не требуется.
Итак, температура газов в конце присоеди­нительного патрубка равна:
    Площадь тепловоспринимающей поверхно­сти дымохода сечением ¹/₂ х ¹/₂ кирпича и дли­ной 6,7 м составляет

Sдым _вн = 0,52 • 6,7 = 3,48   м².

    Коэффициент избытка воздуха в обособ­ленных кирпичных дымоходах большой длины, как правило, увеличивается за счет подсоса воз­духа внутрь действующего канала из соседних смежных каналов через неплотности, а также за счет инфильтрации воздуха из помещений через поры кладки. Можно считать, что средний ко­эффициент избытка воздуха в дымоходе боль­шой длины в 1,5 раза больше того, который фиксируется непосредственно в печи. Поэтому принимаем

α^дым_т = 1,5    α_т = 1,5;

V_г = 10,61 + (α_т - 1) V⁰ =

= 10,61 + (4,5 - 1) • 9,5 = 43,91   м³.

    Определим температуропроводность кладки

 α = λ / (с • ρ) = 0,45 / (0,19 • 1600) = 0,00149      м²/ч.

    Если принять, что подсос воздуха происхо­дит в основном в нижней зоне дымохода, тем­пература входящих газов в основании канала составит

t^дым_осн = (c_г•V_г•t_г + V_г•t_г•c_г) / (c_см•V_см) =

= (0,35 • 29,61 • 195 + 14,3 • 20 • 0,31) / (0,35 • 43,91) = 138 °С

 

Температура продуктов сгорания на оголов­ке дымовой трубы равна 41 °С, конденсация водяных паров на оголовке дымовой трубы бу­дет отсутствовать.

Средняя температура уходящих газов в кир­пичном дымоходе равна:

T^ср_дым  = (t^дым_осн + t^ог_ух) / 2 = (138 +41) / 2 = 90 °С.

Зная среднюю температуру продуктов сго­рания в дымоходе, можно провести его гидрав­лический расчет.
Выход продуктов сгорания из печи в атмос­феру происходит под действием гравитационно­го напора ρ_гр, Па, который может быть пред­ставлен  формулой

ρ_гр = 9,81 •  H  • ((ρ⁰_возд) / (1 + t _возд / 273) - (ρ⁰_ух) / (1 + t^ух _ср / 273))  • b / 760 ,

где Н - высота дымовой трубы, м; р⁰_возд , р⁰_ух  -  соответственно плотность наружного воздуха и уходящих газов при температуре 0 °С, кг/м³;
t_возд - температура наружного воздуха, 0 °С;
t ^ух_cp - средняя температура уходящих газов, 0  °С;
b -  барометрическое давление, Па.

   Подставляем в эту формулу исходные данные

ρ_гр = 9,81 •  6,7 ( 1,29 / (1 + 10 / 273) - 1,31 / (1 + 90 / 273)  • 750 / 760 = 22,7 Па.

Часть гравитационного напора затрачивает­ся на преодоление линейных и местных сопро­тивлений. Действительная тяга, которая созда­ется в дымовой трубе, представляет собой раз­ность между гравитационным напором и суммой гидравлических сопротивлений. Определяем со­противления по участкам. 

1.   Металлический патрубок

Потеря на трение в патрубке длиной    1   м

Скорость уходящих газов

W_пат  = (V ^пат_ух(1+β • t ^пат_ср)) / (F • 3600) =

= (29,61 • 1,8 (1 + 204 / 273)) / (0,0113 • 3600) ≈ 2 м / с.

    При этой скорости удельное линейное со­противление составляет 0,6 Па. Сопротивление участка в целом равно:

RL  = 0,6 • 1 = 0,6 Па.

Потери на   местные сопротивления

Коэффициенты местных сопротивлений  в
пределах металлического патрубка равны:

выход из печи в патрубок..................... 0,5
поворот под углом 90°........................... 0,9

внезапное расширение потока при входе в кирпичный дымоход и поворот под углом 90°.............   1,2

Σξ= 2,6

Потери на местные сопротивления равны

Δp_м = (10 • Σ • ξ  • W²_пат  • ρ_ух) / (2 • g) = (10 • 2,6 • 2² • 0,85) / (2 • 9,81) =

 = 4,6 Па.

Гидравлические сопротивления в металли­ческом патрубке составляют

RL + Δp_м = 0,6 + 4,6 = 5,2 Па.

2. Дымоход длиной 6,7 м, сечением 0,1 Зх. 0,13м  

Скорость уходящих    газов

W_дым = (V^дым_ух (1 + β • t^ср_дым) / (F • 3600) =

= (43,91 • 1,8 (1 + 90 / 273)) / (0,0169 • 3600) = 1,75 м / с.

    Диаметр дымохода, эквивалентный сечению 0,13 x 0,13 м, равен: d_ЭKB = 0,138 м при скорости 1,75 м/с, удельное линейное сопротивление его R будет при этом равно 0,4 Па.
    Вследствие большой шероховатости стенок кирпичного дымохода его сопротивление тре­нию Л должно возрастать по сравнению с со­противлением дымохода с гладкими стенками труб из кровельной стали (для которых состав­лена номограмма). Поэтому значение R для кирпичных дымоходов обычно удваивается, а при плохой кладке утраивается.

Потери на трение

    Потери трения на линейные сопротивле­ния в дымоходе длиной 6,6 м с учетом некаче­ственной кладки составят

51 = 3 • 0,4 • 6,7 = 8.Па.

Потери на местные

сопротивления

    Коэффициент местного сопротивления при выходе уходящих газов из оголовка с учетом установки на нем зонта равен 2,

Δp_м = (10 • ξ  • W²_дым  • ρ_ух) / (2 • g) =

= (10 • 2 • 1,75²  • 0,97) / (2  • 9,81) = 3 Па.

    Гидравлические сопротивления в кирпичном дымоходе

RL + Δp_м = 8 + 3 = 11 Па.

    Общая сумма гидравлических потерь в ме­таллическом патрубке и кирпичном дымоходе составляет

Σ(RL + Δp_м) = 5,2 + 11 = 16,2 Па.

    Действительная тяга в дымоходе

p_тяг = p_гр • Σ(RL + Δp_м) = 22,7 - 16,2 = 6,5 Па.

    Фундаменты под печи, располагае­мые у каменных стен (см. приложение 88), расположение фундаментов и разделок при установке печей у деревянных стен (см. приложение 89), основания под печи, расположенные на верхних этажах у каменных стен (см. приложение 90), примыкание дымовых каналов к перекры­тиям и расположение каналов в кирпич­ных стенах (см. приложение 91), изоляция деревянных перекрытий в местах примы­кания дымоходов (см. приложение 92), расположение дымовых каналов во внут­ренних стенах (см. приложение 93), схе­ма установки печей на деревянных пере­крытиях, установка перекидного рукава и циркуляционной решетки в отступке (см. приложение 94), устройство части дымо­вой трубы, расположенной выше кров­ли (см. приложение 95).

перейти к оглавлению