Корзина
(пусто)
 
Разделы
Информация
Поиск
Новости
Интересные статьи

Теплотехнический и аэродинамический расчет каминов

В настоящее время при выкладке новых печей используют в основном данные, полученные на основе опыта эксплуатации действующих каминов. В результате эмпирического бобщения опытных данных были получены определенные размеры, рекомендуемые для каминов, выкладываемых в помещениях различного размера. В основном эти рекомендации относятся к конструированию топочного очага и его декоративного оформления (портала). Значительно меньше имеется рекомендаций по расчету и выбору других конструктивных элементов камина, таких, как дымоходы и дымовая труба. В связи с тем, что ежегодно число эксплуатируемых каминов в нашей стране возрастает, назрела необходимость разработки единой методики теплотехнического и аэродинамического расчета каминов, пригодной для любых местных условий.
Теплотехнический расчет камина заключается в увязке работы двух основных элементов — топливника и вертикального дымохода. Топливником камина, как и топливником отопительной печи, называется камера, в которой одновременно сжигается топливо и осуществляется лучистый теплообмен между зоной горения и ограждающими стенками топки. Горение топлива, в том числе твердого, с одновременным лучистым теплообменом со стенками топки имеет место во многих тепловых устройствах — топках котлов, промышленных печей и т. д. Применительно к этим устройствам разработаны специальные типовые методики расчета теплообмена в топках. Однако тепловой процесс в топливнике камина имеет свои существенные особенности: сжигание топлива происходит в ограниченном топочном объеме и, соответственно, с малой толщиной излучающего слоя газов; в топке камина доля лучистой составляющей (в промышленных топках она составляет 95% общей теплопроизводительности) резко падает в связи с тем, что в зоне сгорания существенно снижена температура из-за значительного коэффициента избытка воздуха; камин с лицевой стороны открыт в отапливаемом помещении, таким образом, часть лучистой теплоты передается непосредственно во внешнюю среду. Эти обстоятельства необходимо учесть в расчете.
До перехода к изложению методики теплотехнического расчета рассмотрим механизм работы камина.
На поду открытого топливника сжигается твердое топливо (обычно дрова или каменный уголь). Слой горящего твердого топлива имеет температуру 800—850 °С и при этом излучает тепло по всем направлениям. Часть излучения, попадающая в открытый проем, непосредственно используется для обогрева жилища. Другая часть, попадающая сначала на заднюю и боковые стенки, затем переизлучается  ими в помещение. При переизлучении в помещение передается меньший тепловой поток по сравнению с прямой отдачей (примерно в два раза). Задняя и боковые стенки выполняют при этом роль вторичных косвенных излучателей.
Наконец, излучение, направленное вверх, попадает на наклонные стенки отводящего вертикального дымохода и после многократных переизлучений теряется в окружающей среде.
 Существенной особенностью камина является то, что при работе в него засасывается значительно больше воздуха, чем необходимо для горения. Большие избытки воздуха вредны в теплотехническом отношении, так как, во-первых, снижают температуру излучающего слоя и полезную радиационную отдачу тепла, во-вторых, снижение температуры продуктов сгорания уменьшает располагаемый гидростатический напор, создаваемый дымовой трубой.
    Итак, продукты сгорания слоя топлива, смешиваясь с воздухом, подсасываемым из помещения через открытый проем, направляются в дымоход и далее в дымовую трубу. При работе камина должно соблюдаться равновесие между аэродинамическим сопротивлением вертикального дымохода и располагаемым температурным напором, создаваемым дымовым трактом. Если камин имеет дымоход определенного сечения, то при малых величинах коэффициента избытка воздуха объем отходящих газов становится наименьшим и соответственно аэродинамическое сопротивление уменьшается. Если во время интенсивного горения температура отходящих газов становится максимальной, то располагаемый гидростатический напор при этом резко увеличивается и становится максимальным. Этому режиму на рис. 1.19 соответствует сечение I—I с расходом продуктов сгорания V1. Здесь располагаемый напор Hр существенно больше аэродинамического сопротивления дымохода Hг. В верхней зоне топливника камина устанавливается большее разрежение, под действием которого в проем будет подсасываться дополнитель¬ное количество воздуха. За счет увеличения объема продуктов сгорания возрастет и сопротивление дымохода Hг, а с учетом снижения температуры газов уменьшится располагаемый напор Hр. В результате при некотором расходе газов V2 (сечение II—II) будет иметь место равенство аэродинамического сопротивления и располагаемого температурного напора. Точка сечения II—II   соответствует рабочему режиму работы камина. Расход продуктов сгорания, поступающих из камина в отво­дящий дымоход, может быть определен из выражения, отражающего равенство зна­чений Hгр:

камины график

Рис. 1.19. Эпюра аэродинамических напоров в камине:

I—I — частичная нагрузка; II—II — расчетная нагрузка

 

    Основной задачей расчета камина является определение необходимого рас­хода теплоты, передаваемой в помещение, а также определение размеров топливни­ка и вертикального дымохода.
    В соответствии с этим уравнением сна­чала нужно определить сечение отводящих газоходов. Для решения уравнения следу­ет выразить входящую в него скорость га­зов WГ в зависимости от их расхода и се­чения дымохода ЕД:

WГ = VГt / (3600 ∙ FД) ∙ VДt = VГ ∙TГ.СР/273 ,

где VГ  VГt - объемы отходящих газов при нормальных условиях и при средней тем­пературе газов в дымоходе TГ.СР ,   м3/ч;    FД - площадь поперечного сечения ды­мохода, м2.
    Величина VГ согласно нормативной методике теплотехнических расчетов дол­жна рассчитываться по следующим соот­ношениям: и H

VГ  = [V⁰Г + (αТ - 1) ∙ V⁰В ] ∙ ВТ  ;

V⁰Г = V⁰С.Г + V⁰В.П ;

V⁰В.П  = VCO2 + VN2 + VSO2 ;

где VС..Г.0, VВ..П.0, VВ.Г.0  - объемы соответствен­но сухих газов, водяных паров, влажных газов, образующихся при сжигании топ­лива и наличии стехиометрических соот­ношений, м3; VВ0 - стехиометрический объем воздуха, поступающего на горение; ВТ - расход сжигаемого топлива, кг/ч.
    Входящие в уравнения величины необ­ходимо определять следующим образом:

VCO2 = CР / (0,54 ∙ CO2 ) ;

VN2 = 0,79  ∙ V⁰В ;

VSO2 = 0,375 ∙ SР /  (0,54 ∙ SO2 ) ;

V⁰В.П  =1,24  ∙ 10-2 ∙ (9  ∙ HP + WP) ;

V⁰В = [ 0,0889  ∙ (СP + 0,375  ∙ SP) + 0,265  ∙ HP  - 0,330  ∙ OP ] ;

αТ = 1/ (1 - 3,76 ∙ O2/ N2 ) ;

где VCO2 , VN2 , VSO2 , VВ.П  , V⁰В   - объемы соответственно углекислоты, азота, сер­нистого ангидрида, водяных паров и воз­духа, необходимого для горения, м3/кг;  αТ  - коэффициент избытка воздуха; Ср, Sp, Нр, Wр - содержание в 1 кг топлива со­ответственно углерода, серы, водорода и влаги, кг; СО2, SО2, N2, О2 - содержание углекислоты, сернистого ангидрида, азота и кислорода в продуктах сгорания, %,
    Для расчета полного объема продук­тов сгорания по нормативному методу, таким образом, необходимо знать часовой расход топлива, элементарный состав его и данные анализа отходящих газов. Эти данные могут быть получены в результате теплотехнических испытаний каминов.
    Можно существенно облегчить зада­чу, если использовать методику расчетов по так называемым приведенным харак­теристикам топлива. Согласно этой, ме­тодике при сжигании топлива любого вида количество воздуха, необходимого для горения, определяют из расчета не на 1 кг сжигаемого топлива, а на 3600 Вт (1000 ккал)теплоты, выделяемой при сгорании топлива. В этом случае форму­лы для расчета количества газов и возду­ха имеют вид:

V⁰В = α + 6 ∙ 10-3 ∙ α ∙ DП ;

V0Г = в + (6 ∙ 10-3 ∙ в + 1,24∙ 10-2) ∙ DП ;

VП В  = αТ ∙ V⁰В ;   VПГ = V0Г + (αТ -1) ∙ 1,016 ∙ V⁰В .   

где VГ0 , VВП - стехиометрический и дей­ствительный объемы продуктов сгорания, получающиеся при выделении 3600 Вт (1000 ккал) теплоты; VВ0 , VВП-стехиомет­рический и действительный объемы воз­духа, подаваемого на горение; DП - влаж­ность топлива: а, в - эмпирические коэф­фициенты.

Для дров    α = 1,05 ,   в = 1,227 ,  V⁰В = 1,05 + 6,3 ∙ 10-3 ∙ DП   и  V0Г = 1,23 + 2 ∙ 10-2 ∙ DП .  Принимая в среднем DП = 7%, получим на 3600 Вт теплоты  V⁰В = 1,09 ,   V0Г = 1,37 ,  VП В  = 1,09 α , VПГ = 0,26 + 1,11 α .

    Таким образом были получены про­стые и удобные формулы для подсчета объемов продуктов сгорания, уходящих из камина, и объемы воздуха, поступающего на горение. Указанные объемы зависят лишь от величины коэффициента избыт­ка воздуха в газах.
    Теперь используем полученные зави­симости для расчета по уравнению балан­са напоров. Входящая в это уравнение скорость газов W зависит не только от количества поступающих газов, но и от их температуры. От температуры газов зави­сит и другая основная характеристика - плотность газов в дымовой трубе и соот­ветственно располагаемый напор, под действием которого происходит. движе­ние газов по системе дымоходов. Для того чтобы рассчитать эту температуру, рас­смотрим более детально картину теплооб­мена в камине.
    В камине можно различить два пото­ка воздуха: один, непосредственно ис­пользующийся для горения, и второй, избыточный, транзитный, который сме­шивается с продуктами сгорания перед их поступлением в вертикальный дымоход.
    Слой горящего топлива излучает теп­лоту QЛ в помещение. За счет отдачи теп­лоты продукты сгорания охлаждаются. Поскольку количество образующихся про­дуктов сгорания зависит от коэффициента избытка воздуха в первом потоке αперв , то и температура охлажденных газов также будет зависеть от αперв и QЛ . Далее охлаж­денные в результате излучения продукты сгорания смешиваются со вторым потоком воздуха, подсасываемым из помещения, после чего направляются в дымовую трубу. Для того чтобы определить температуру газов на входе в дымовую трубу, нужно определить количество теплоты, передава­емой излучением из тонки в помещение.
    Расчет количества радиационной теп­лоты, излучаемой топкой камина, воз­можно произвести на основе баланса лу­чистых потоков в топке камина, учитыва­ющего температуру излучающего слоя, его поверхность, а также поверхности задней и боковых стен камина и топочного от­верстия. Однако такой расчет весьма за­труднителен главным образом потому, что не поддается определению реальная поверхность излучающего слоя топлива, а также поверхность излучающего факела. Кроме того, температура излучающего факела непрерывно меняется как из-за передачи им лучистого тепла, так и из-за охлаждения за счет подсоса холодного воздуха. В силу указанных причин расчет лучистого теплообмена в каминах обычно не производится. В качестве первого при­ближения можно использовать данные теплотехнических исследований ками­нов. Согласно этим исследованиям, в среднем камины передают в обогреваемое помещение лучеиспусканием 20% тепло­ты. Эту цифру целесообразно принять и для расчета температуры газов после их охлаждения в топке. Это тем более право­мерно, что если и будет допущена погреш­ность, то она мало скажется на темпера­туре смеси продуктов сгорания с большим объемом вторичного холодного воздуха. Таким образом, для определения темпе­ратуры газов перед вертикальным дымохо­дом нужно определить температуру про­дуктов сгорания непосредственно в зоне горения, температуру газов после отдачи ими лучистой теплоты, рассчитать темпе­ратуру смеси охлажденных продуктов сго­рания после их смешивания со вторич­ным воздухом. Для определения величи­ны Q непосредственно в зоне горения следует принять во внимание эксперимен­тальные данные, свидетельствующие о том, что слой горящего топлива раскаля­ется до состояния желтоватого свечения. Это свидетельствует о том, что температу­ра горящего слоя и факела составляет не менее 850 °С. Расчет показывает, что та­кая температура соответствует коэффици­енту избытка воздуха порядка αперв = 2,5.
    По известной величине часовой теплопроизводительности камина и коэффи­циенту избытка первичного воздуха мож­но определить температуру продуктов сгорания, получающуюся после передачи ими лучистой теплоты в помещение из выражения

QЛУЧ= VГ ∙ (с1 ∙ t1 - с2 ∙ t2) ,

где t1, t2 - температура продуктов сгора­ния до к после лучистой теплоотдачи: с12 - соответствующие теплоемкости продуктов сгорания.

Искомая t2 может быть выражена

t2  = (c1/c2) ∙ t1 - QЛУЧ / (VГ ∙ C2) .

И, наконец, из уравнения смешения охлажденных продуктов сгорания с допол­нительным вторичным воздухом, посту­пившим в камин, можно определить тем­пературу продуктов сгорания на входе в отводящий вертикальный дымоход. Урав­нение смешения можно представить в сле­дующем виде:

VП.С ∙ с2 ∙ t2 + VВ ∙ сВ ∙ tВ = ( VП.С  + VВ ) ∙ с'Д ∙ t'Д  ,

где Vп.c , Vв - объемы продуктов сгорания и подсасываемого воздуха, м3/ч;  t2,  tв,  tД' - температура соответственно продук­тов сгорания, холодного воздуха и смеси; с2,  сД' ,  cВ  - теплоемкости соответственно продуктов сгорания до и после смешения с воздухом и холодного воздуха.
Подставив в это уравнение значения Vп.c , VB получим

Q ∙ 10-3 ∙ (0,26+1,11 ∙ аперв ) ∙ с2 ∙ t2 + Q ∙ 10-3 ∙ 1,09 ∙  автор  ∙ сВ ∙ tВ  ≈ Q ∙ 10-3 ∙ (0,26+1,11 ∙ аобщ ) ∙ с'Д ∙ t'Д  ,

откуда температура после смешения

t'Д  = [ (0,26 + 1,11 ∙ аперв ) ∙ с2 ∙ t2 + 1,09 ∙  автор  ∙ сВ ∙ tВ ] / [ (0,26+1,11 ∙ аобщ ) ∙ с'Д ]

где аПЕРВ , аВТОР - коэффициенты избытка воздуха в зоне горения и дополнительно подсасываемого  ОБЩ = аПЕРВ + аВТОР ).
    Таким образом, получены все исход­ные данные для подбора необходимого сечения отводящего вертикального дымо­хода, которое должно удовлетворять урав­нению баланса напоров.

 

Перейти ко второй части расчетов