Дымовая труба

Дымовая труба , также известная как дымовая труба , дымовая труба или просто дымовая труба , представляет собой тип дымохода , вертикальной трубы, канала или аналогичной конструкции, через которую газы продуктов сгорания, называемые дымовыми газами, выбрасываются в наружный воздух. Дымовые газы образуются при сжигании угля, нефти, природного газа, древесины или любого другого топлива в промышленной печи, электростанции парогенераторном котле или другом крупном устройстве сжигания. Дымовой газ обычно состоит из углекислого газа (CO ₂ ) и водяного пара, а также азота и избыточного кислорода, остающихся из всасываемого воздуха для горения. Он также содержит небольшой процент загрязняющих веществ, таких как твердые частицы , окись углерода , оксиды азота и оксиды серы . Трубы дымовых газов часто бывают довольно высокими, до 420 метров (1380 футов), чтобы увеличить эффект дымовой трубы и рассеивание загрязняющих веществ.

Когда дымовые газы выводятся из печей, духовок, каминов, отопительных печей и котлов или других небольших источников в жилых домах, ресторанах, гостиницах или других общественных зданиях и на небольших коммерческих предприятиях, их дымовые трубы называются дымоходами.

История

Первые промышленные дымоходы были построены в середине 17 века, когда впервые стало понятно, как можно улучшить горение печи за счет увеличения тяги воздуха в зону горения. ^[2] Таким образом, они сыграли важную роль в развитии отражательных печей и угольной металлургической промышленности, одного из ключевых секторов ранней промышленной революции . Большинство промышленных дымоходов 18-го века (теперь их обычно называют дымовыми трубами ) были встроены в стены печи, очень похоже на домашний дымоход. Первые отдельно стоящие промышленные дымоходы, вероятно, были построены в конце длинных конденсационных дымоходов, связанных с плавкой свинца .

Мощная связь между промышленными дымоходами и характерными задымленными пейзажами промышленной революции возникла благодаря универсальному применению парового двигателя для большинства производственных процессов. Дымовая труба является частью парогенерирующего котла, и ее эволюция тесно связана с увеличением мощности парового двигателя. Дымоходы паровой машины Томаса Ньюкомена были встроены в стены машинного отделения. Более высокие, отдельно стоящие промышленные дымоходы, появившиеся в начале 19 века, были связаны с изменениями в конструкции котлов, связанными с двигателями Джеймса Уотта с «двойной мощностью», и они продолжали расти в размерах на протяжении всего викторианского периода. Декоративные украшения являются особенностью многих промышленных дымоходов 1860-х годов: выступающие колпаки и узорчатая кирпичная кладка.

Изобретение принудительной тяги с помощью вентилятора в начале 20 века устранило первоначальную функцию промышленных дымоходов - всасывание воздуха в парогенераторные котлы или другие печи. С заменой парового двигателя в качестве первичного двигателя сначала дизельными двигателями, а затем электродвигателями, ранние промышленные дымоходы начали исчезать из индустриального ландшафта. Строительные материалы изменились с камня и кирпича на сталь, а затем и на железобетон, а высота промышленного дымохода была определена необходимостью рассеивать дымовые газы для соблюдения государственных норм по контролю загрязнения воздуха .

Тяга дымовой трубы

Дымовые газы внутри дымовых труб намного горячее окружающего наружного воздуха и, следовательно, менее плотные, чем окружающий воздух. Это приводит к тому, что нижняя часть вертикального столба горячего дымового газа имеет более низкое давление, чем давление нижней части соответствующего столба наружного воздуха. Это более высокое давление снаружи дымохода является движущей силой, которая перемещает необходимый воздух для горения в зону горения, а также перемещает дымовые газы вверх и из дымохода. Это движение или поток воздуха для горения и дымовых газов называется «естественной тягой», «естественной вентиляцией» , «эффектом дымохода» или « эффектом дымовой трубы ». Чем выше штабель, тем больше создается тяга.

Приведенное ниже уравнение дает аппроксимацию разницы давлений Δ P (между нижней и верхней частью дымовой трубы), которая создается тягой: ^[3]^[4]

\Delta P=Cah{\bigg (}{\frac {1}{T_{o}}}-{\frac {1}{T_{i}}}{\bigg )}

где:

Δ P : доступная разница давлений, Па.
С = 0,0342
a : атмосферное давление, Па.
h : высота дымовой трубы, м.
T _o : абсолютная температура наружного воздуха, в К.
T _i : абсолютная средняя температура дымового газа внутри дымовой трубы, К.

Приведенное выше уравнение является приблизительным, поскольку оно предполагает, что молярные массы дымового газа и наружного воздуха равны и что перепад давления в дымовой трубе весьма мал. Оба предположения довольно хороши, но не совсем точны.

Расход дымовых газов, вызванный тягой

В качестве «первого приближения» можно использовать следующее уравнение для оценки расхода дымовых газов, вызванного тягой дымовой трубы. Уравнение предполагает, что молярные массы дымового газа и наружного воздуха равны, а сопротивление трения и тепловые потери пренебрежимо малы: ^[5]

Q=CA{\sqrt {2gH{\frac {T_{i}-T_{o}}{T_{i}}}}}

где:

Q : расход дымовых газов, м³/с
A : площадь поперечного сечения дымохода, м ² (при условии, что он имеет постоянное поперечное сечение)
C : коэффициент расхода (обычно принимается равным 0,65–0,70).
g : ускорение свободного падения на уровне моря = 9,807 м/с².
H : высота дымохода, м
T _i : абсолютная средняя температура дымового газа в дымовой трубе, К.
T _o : абсолютная температура наружного воздуха, К

Кроме того, это уравнение справедливо только тогда, когда сопротивление тяговому потоку вызвано одним отверстием, характеризуемым коэффициентом расхода C. Во многих, если не в большинстве ситуаций, сопротивление в первую очередь создается самой дымовой трубой. В этих случаях сопротивление пропорционально высоте дымохода H. Это приводит к исключению H в приведенном выше уравнении, предсказывающему, что Q будет инвариантным относительно высоты дымохода.

Проектирование дымоходов и дымоходов для обеспечения необходимой естественной тяги включает в себя множество факторов, таких как:

Высота и диаметр стопки.
Желаемое количество избыточного воздуха для горения, необходимое для обеспечения полного сгорания.
Температура дымовых газов, покидающих зону горения.
Состав дымовых газов, определяющий плотность дымовых газов.
Сопротивление трения потоку дымовых газов через дымоход или дымовую трубу, которое будет варьироваться в зависимости от материалов, использованных для изготовления дымохода или дымовой трубы.
Потери тепла с дымовыми газами при их прохождении через дымоход или дымовую трубу.
Местное атмосферное давление окружающего воздуха, которое определяется местной высотой над уровнем моря.

Расчет многих из вышеперечисленных расчетных факторов требует повторяющихся методов проб и ошибок.

Правительственные учреждения в большинстве стран имеют специальные правила, которые определяют, как должны выполняться такие проектные расчеты. Многие неправительственные организации также имеют нормы, регулирующие проектирование дымоходов и дымовых труб (в частности, нормы ASME ).

Дизайн стека

Проектирование больших штабелей представляет собой серьезную инженерную задачу. Выброс вихрей при сильном ветре может вызвать опасные колебания трубы и привести к ее обрушению. Обычно используется спиральный ремень, чтобы предотвратить возникновение этого процесса на резонансной частоте батареи или близкой к ней.

Другие предметы, представляющие интерес

Некоторое промышленное оборудование, работающее на топливе, не использует естественную тягу. Во многих таких элементах оборудования используются большие вентиляторы или воздуходувки для достижения одних и тех же целей, а именно: подачи воздуха для горения в камеру сгорания и потока горячего дымового газа из дымохода или дымовой трубы.

Многие электростанции оснащены оборудованием для удаления диоксида серы (т. е. десульфуризации дымовых газов ), оксидов азота (т. е. селективного каталитического восстановления , рециркуляции выхлопных газов , термического удаления NOx или горелок с низким содержанием NOx) и твердых частиц (т. е. , электрофильтры ). На таких электростанциях в качестве дымовой трубы можно использовать градирню . Примеры можно увидеть в Германии на электростанции Штаудингер Гросскроценбург и на электростанции Росток . Электростанции без очистки дымовых газов в таких дымовых трубах могут подвергнуться серьезной коррозии.

В США и ряде других стран моделирование атмосферной дисперсии ^[6] необходимы исследования для определения высоты дымовой трубы, необходимой для соблюдения местных норм по загрязнению воздуха . Соединенные Штаты также ограничивают максимальную высоту дымовой трубы так называемой высотой дымовой трубы «Надлежащей инженерной практики» (GEP). ^[7]^[8] В случае существующих дымовых труб, высота которых превышает высоту дымовой трубы GEP, в любых исследованиях по моделированию рассеивания загрязнения воздуха для таких дымовых труб должна использоваться высота дымовой трубы GEP, а не фактическая высота дымовой трубы.

См. также

Ссылки

^ Схема 25 самых высоких дымовых труб в мире.
^ Дуэ, Джеймс (1988). Подымаясь в дыму: история промышленного дымохода , Викторианское общество, Лондон, Англия. Отчеты о работе Викторианского общества, заархивированные 25 сентября 2006 г. в Wayback Machine.
^ Лекция 2 о естественной вентиляции. Архивировано 12 мая 2006 г. в Wayback Machine.
^ Перри, Р. Х.; Грин, Дон В. (1984). Справочник инженеров-химиков Перри (6-е издание (стр. 9–72) изд.). Книжная компания МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-049479-7 .
^ Лекция 3 о естественной вентиляции. Архивировано 2 июля 2006 г. в Wayback Machine.
^ Бейчок, Милтон Р. (2005). Основы рассеивания дымовых газов (4-е изд.). опубликовано автором. ISBN 0-9644588-0-2 . www.air-dispersion.com
^ Руководство по определению высоты дымовой трубы надлежащей инженерной практики (Документ технической поддержки правил высоты дымовой трубы), пересмотренное (1985 г.), публикация EPA № EPA-450/4-80-023R, Агентство по охране окружающей среды США (NTIS № PB 85). –225241)
^ Лоусон-младший, RE и WH Snyder (1983). Определение высоты дымовой трубы согласно надлежащей инженерной практике: демонстрационное исследование электростанции , Публикация Агентства по охране окружающей среды № EPA-600/3-83-024. Агентство по охране окружающей среды США (NTIS № PB 83–207407)

Внешние ссылки

Справочник по основам ASHRAE доступен здесь, на сайте ASHRAE.
Коды и стандарты ASME, доступные в ASME.

[1] Схема 25 самых высоких дымовых труб в мире.

[2] Дуэ, Джеймс (1988). Подымаясь в дыму: история промышленного дымохода , Викторианское общество, Лондон, Англия. Отчеты о работе Викторианского общества, заархивированные 25 сентября 2006 г. в Wayback Machine.

[3] Лекция 2 о естественной вентиляции. Архивировано 12 мая 2006 г. в Wayback Machine.

[4] Перри, Р. Х.; Грин, Дон В. (1984). Справочник инженеров-химиков Перри (6-е издание (стр. 9–72) изд.). Книжная компания МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-049479-7 .

[5] Лекция 3 о естественной вентиляции. Архивировано 2 июля 2006 г. в Wayback Machine.

[6] Бейчок, Милтон Р. (2005). Основы рассеивания дымовых газов (4-е изд.). опубликовано автором. ISBN 0-9644588-0-2 . www.air-dispersion.com

[7] Руководство по определению высоты дымовой трубы надлежащей инженерной практики (Документ технической поддержки правил высоты дымовой трубы), пересмотренное (1985 г.), публикация EPA № EPA-450/4-80-023R, Агентство по охране окружающей среды США (NTIS № PB 85). –225241)

[8] Лоусон-младший, RE и WH Snyder (1983). Определение высоты дымовой трубы согласно надлежащей инженерной практике: демонстрационное исследование электростанции , Публикация Агентства по охране окружающей среды № EPA-600/3-83-024. Агентство по охране окружающей среды США (NTIS № PB 83–207407)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]