Корзина
Разделы
Информация
Поиск
Новости
Интересные статьи
- Плюсы и минусы стальных печей
- Чугунные печи
- Почему дымит камин
- Как очистить трубу и стекло
- Техника безопасности при установке камина
- Кафельные печи
- «Горячий камень» талькохлорит
- Еще больше информации о печах и каминах!
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:
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: с1,с2 - 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 (аОБЩ = аПЕРВ + аВТОР ).
Таким образом, получены все исходные данные для подбора необходимого сечения отводящего вертикального дымохода, которое должно удовлетворять уравнению баланса напоров.