Вытяжная дымовая труба

Функцией вытяжной трубы является создание потока воздуха из здания через печь, топку котла и т. п. в атмосферу (рис. 6.9,а). Устойчивый поток воздуха в такой трубе возникает под действием двух естественных побудительных факторов:

• — при обдувании ветром оголовка трубы в выходном сечении возникает локальное понижение давления, при этом давление внутри здания может оказаться достаточным для создания потока воздуха из здания в атмосферу в условиях изотермического процесса, т. е. когда печь не топится;
• — если печь топится и труба заполнена воздухом (дымом), температура которого выше, чем в атмосфере (а плотность, соответственно, меньше), то под действием силы тяжести более легкий теплый воздух (дым) «вытесняется» вверх, согласно закону Архимеда.

Рассмотрим раздельное и совместное действия этих факторов.

1. Оголовок вытяжной трубы может представлять собой просто окончание цилиндрической трубы (рис 6.9,6), может быть оборудован защитным колпаком, предупреждающим попадание в трубу атмосферных осадков (рис. 6.9,в), или оснащен устройством, улучшающим его аэродинамическое качество (дефлектором). Конструкции этих устройств должны быть осесимметричны, чтобы обеспечить одинаковые условия обтекания при любом направлении ветра.

Локальное понижение давления р относительно атмосферного давления р_а в окрестности выходного сечения трубы оценим зависимостью.

(2.28).

где v_B -скорость ветра на уровне оголовка трубы; к — коэффициент, значения которого зависят от конструкции оголовка; р_в — плотность воздуха. На рис. 6.10 представлена экспериментальная зависимость коэффициента k = k (v_T/v_B) для цилиндрической трубы и для трубы с оголовком, снабженным колпаком; — сумма коэффициентов потерь напора в системе печь—труба—оголовок.

Рассмотрим в качестве примера дымовую трубу, представленную на рис. 6.11, и запишем уравнение Бернулли для сечений 1 — 1 и 2—2, указанных на этом рисунке, полагая, что температура воздуха, а следовательно, и его плотность р_в в помещении и вне его одинаковы:

Z₁ + p₁/p_вg + ₁v₁/2g = z₂ + p₂Дp/p_вg + ₂v₂²/2g + h_f (2.29).

где p₁ и р₂ — атмосферные давления на высоте z₁ и z₂; (p₂-p) — давление в сечении 2—2; v₁ = 0, v₂ = v_T, v_T — скорость потока воздуха в трубе; = 1,0; h_f — потери напора от сечения 1 — 1 до сечения 2−2,.

h_f = h_BX + h_l + h_n, потеря на вход.

h_BX =, потеря по длине.

;

для предварительных расчетов можно принять потеря на поворот.

.

длина трубы, D_T — ее диаметр.

2. Для демонстрации расчета объемного расхода Qдтеплого воздуха (дыма), выбрасываемого в атмосферу благодаря второму фактору, рассмотрим дымовую трубу, представленную на рис. 6.12. Пусть труба заполнена теплым воздухом (дымом), плотность которого рд меньше плотности атмосферного воздуха. Запишем уравнение Бернулли для потока воздуха в трубе, выбрав сечения 1 — 1 и 2—2 и плоскость сравнения 0—0, как показано на рис. 6.12:

Z₁ + p₁/p_дg + ₁v₁²/2g = z₂ + p₂/p_дg + ₂v₂²/2g + h_f (2.30).

где v, = 0, v₂ = v_T; = 1,0; потеря напора.

h_f = h_вх+h_п+ h_l+h_п, потеря на вход.

h_BX =, потеря по длине.

.

*.

Рис. 6.12. К расчету потока нагретого воздуха в дымовой трубе

Подставив выражение для потерь напора в уравнение (2.30), получим:

Значение (p1 — p2) определим, предполагая, что распределение давления в атмосфере и внутри здания (вне трубы) гидростатическое, т. е. используя (6.34):

p1 -p2 = p_Bg (z₂ -zi) = pвgН. (2.32).

Подставив 2.32) в (2.31), получим.

(2.33).

Искомый расход Q определим, умножив v_т на площадь сечения трубы. Согласно (6.39), скорость нагретого воздуха (дыма) и его расход в трубе возрастают с увеличением высоты трубы Н. Кроме того, из формулы (2.33) следует, что положительная тяга, когда поток воздуха направлен из здания наружу, имеет место только при условии р_я < р_в. Если печь не топится и труба заполнена воздухом, температура которого равна температуре внутри здания, то положительная тяга возникает только тогда, когда температура наружного воздуха ниже температуры воздуха внутри здания (плотность газа обратно пропорциональна температуре). Поэтому печь легко затопить в морозную погоду, и, напротив, в жаркую безветренную погоду тяга может быть отрицательной, и пока печь и труба не прогреются выше температуры наружного воздуха и теплый дым не заполнит трубу, дым из печи будет поступать внутрь здания.

Для уменьшения потери кинетической энергии воздуха, выбрасываемого из трубы в атмосферу, и увеличения тяги на выходе из трубы устраивают диффузорный участок (рис. 6.13), который эффективно работает при угле конуса (<13° (см. разд. 8.5).

3. Совместное действие обоих факторов. Как правило, скорость нагретого воздуха в трубе, возникающая под действием архимедовой силы, соизмерима и даже превосходит скорость ветра, поэтому эффективность побуждающего фактора, связанного с обдуванием оголовка трубы ветром, в штатном режиме работы трубы (т.е. когда печь топится) невелика. Более того, устройство дефлекторов и колпаков, которые создают дополнительное сопротивление потоку воздуха в трубе, уменьшают тягу и скорость потока в трубе (если она создается за счет нагретого воздуха в трубе); поэтому дефлекторы, как правило, не устанавливают, а для высоких труб, которым атмосферные осадки не опасны, нет необходимости в установке колпаков. Оголовки невысоких труб небольшого диаметра оборудуются и коническим диффузором и колпаком.

Побуждающий фактор, связанный с обдуванием оголовка трубы ветром, играет весьма важную роль в начале работы печи, когда ее разжигают. За счет этого фактора теплый воздух (дым) из печи поступает не внутрь помещения, где находится печь, а засасывается в трубу, которая заполняется нагретым воздухом («заряжается»), и в результате возникает значительно более интенсивная тяга (больший объемный расход воздуха), обусловленная вторым фактором.

При проектировании печных труб зданий следует иметь в виду, что под действием ветра с наветренной стороны здания образуется область, в которой давление выше, чем атмосферное давление, вводимое в расчет зависимостью (6.34). Если выходное сечение трубы находится в этой области (как показано, например, на рис. 6.14), то под действием локального повышенного давления тяга и расход дыма уменьшатся, а при сильном.

Рис. 6.14. Неправильное расположение выходного сечения дымовой трубы