Дымовые трубы. Работа и расчет

Подавляющее большинство металлургических печей, осо­бенно нагревательных, оборудовано для эвакуации про­дуктов сгорания из рабочего пространства дымовыми тру­бами. Кроме того, дымовые трубы решают и экологичес­кую задачу, рассеивая вред­ные примеси на удалении от земной поверхности и умень­шая тем самым приземные концентрации вредных веществ.

Работа дымовой трубы основана на действии геометри­ческого давления, создаваемого горячими газами, находя­щимися в трубе. Это давление расходуется на преодоление сопротивлений от рабочего пространства до основания дымовой трубы, включая поворот газов в дымовую трубу, а также на преодоление сопротивления самой трубы, вклю­чая выход в атмосферу.

Высота дымовой трубы, таким образом, будет опреде­ляться величинами сопротивлений дымового тракта и са­мой трубы. Для получения расчетной формулы запишем уравнение Бернулли в форме (4.70) для сечений 1 и 2, по­лагая при этом, что температура в трубе постоянна и рав­на средней величине между температурами газа внизу (у основания) и вверху (у устья) трубы (рис. 12.11).

(12.19)

или

(12.20)

Здесь H g (r_a - r_г) - геометрическое давление, создаваемое дымовой трубой высотой Н; p ₂ – p ₁ = p_p - характеризует разрежение у основания дымовой трубы; 0,5 r_г (V ₂² – V ₁²) указывает величину изменения кинетической энергии газа при его движении в конической трубе, а D p _пот определяет потери энергии газа на трение при его движении в трубе и выходе в атмосферу:

(12.21)

В последнем выражении средний диаметр дымовой тру­бы d _ср, как и скорость газа V _ср, вычисляется среднеариф­метически, например, d _ср = (d ₁ + + d ₂)/2, z - коэффициент местного сопротивления при выходе газов в атмосферу.

Нормальная работа печи будет обеспечена, если вели­чина разрежения у основания дымовой трубы будет боль­ше или равна сумме всех сопротивлений на пути движения газов до их попадания в трубу, т. е. p ₂ – p ₁ ³ D p _S. С учетом этого обстоятельства после соответствующих подстановок и преобразований из (12.20) может быть получена формула для расчета высоты дымовой трубы Н:

(12.22)

Получение результата по этой формуле затрудняется тем, что величины T ₂, T _ср зависят от высоты дымовой трубы, так как газ по мере подъема остывает.

Для определения размеров дымовой трубы - высоты и диаметров, необходимо располагать: расходом дымовых газов с учетом подсосов по тракту - Q, м³/с, плотностью газов - r_0г, кг/м³, температурой газов у основания дымо­вой трубы - Т ₁ и суммарными потерями энергии газового по­тока - - р _S, Па.

Методика расчета дымовой трубы сводится к следую­щему:

1. Поскольку в процессе эксплуатации аэродинамичес­кое сопротивление дымового тракта увеличивается из-за заноса каналов пылью, роста подсосов холодного воздуха через неплотности печи, необходимости форсирования ра­боты печи, то величину D р _S принимают на 20—30 % боль­ше расчетной, т.е. D р _S = (1,2 ¸ 1,3) р ₀.

2. Диаметр основания дымовой трубы определяется из условия, что в этом сечении скорость газов должна быть равной V ₀₁ = 1… 2 м/с. Таким образом, d ₁ = [4 Q /(p V ₀₁)]^1/2, м.

3. Диаметр устья трубы определяется по подобной формуле, однако скорость газа в устье принимается в пре­делах V ₀₂ = 3… 5 м/с. Меньшие скорости нежелательны, так как может иметь место заброс атмосферного воздуха в трубу при сильных порывах ветра, а при более высоких скоростях значительно возрастают потери энергии при вы­ходе газа в атмосферу. Следовательно, d ₂ = [4 Q /(p V ₀₂)]^1/2. Отметим, что d ₂не может быть меньше 0,8 м по конструк­тивным соображениям кладки и ремонта.

4. Определение температуры газа у устья трубы зави­сит от уровня тепловых потерь в трубе. Опытные данные характеризуют следующие градиенты температур на 1 м высоты трубы - D T, K/м:

Кирпичные - 1…1,5.

Металлические футерованные - 2…3.

Металлические без футеровки - 3…4.

Для расчета Т ₂ в К используется формула T ₂ = T ₁ - D T H. Величина Н в ней принимается ориентировоч­но по данным рис. 12.12. Найденное значение T ₂ вместе с T ₁ позволяет рассчитать T _ср.

Рис. 12.12. Номограмма для предварительного определения высоты дымовой трубы

5. Температура окружающего воздуха у основания ды­мовой трубы Т _в.осн зависит от климатических условий: для умеренного климата она принимается 278...293, для жар­кого 288...298 и для холодного 263...283 К. Для высоких труб эта температура снижается по мере приближения к устью. Средняя температура окружающего воздуха может быть найдена с помощью формулы: Т _в = Т _в.осн + 0,5 Н ^1/2, в которой величиной Н предварительно задаются.

6. Коэффициент сопротивления трению можно принять для кирпичных каналов l = 0,05; для металлических (без футеровки) труб l = 0,03…0,04. Величина z для дымовых труб обычно равна 0,06.

7. Плотность воздуха r_0а и газа r_0г принимается для стандартных условий, причем последняя либо рассчитыва­ется по составу газа, либо принимается равной r_0г = 1,34 кг/м³. Плотность r_0а = 1,29 кг/м³.

Подготовленные в соответствии с этой методикой дан­ные используются для расчета высоты трубы H. Если рас­считанная величина Н оказывается меньше или больше задаваемой при определении T ₂ и других величин, то мето­дами последовательного приближения добиваются равен­ства указанных величин. Расхождение между рассчитан­ными и задаваемыми значениями Н можно допустить в пределах 5 %.

Окончательно высота дымовой трубы выбирается с учетом санитарно-гигиенических требований по нормам проектирования промышленных предприятий. В соответ­ствии с ними трубы не сооружаются высотой менее 16 м; при наличии зданий высотой 15 м и более в радиусе 200 м высота трубы выбирается не менее 45 м. Следует также учитывать агрессивность газов, удаляемых через трубу, их температуру, возможность развития коррозионных явле­ний и т. п. Эти и другие особенности определяют конструк­цию трубы как строительного сооружения, которое после теплотехнического расчета (определения размеров) под­вергается расчету на прочность по законам строительной механики.

Если дымовая труба предназначена для обслуживания печи с изменяющимся расходом топлива, а, следовательно, и дымовых газов, то расчет трубы проводится по максималь­ному расходу. Если труба будет обслуживать несколько печей, то ее высота рассчитывается по наибольшему сопро­тивлению (наиболее удалённая печь - труба), а не по сумме сопро­тивлений всех печей, как это иногда ошибочно принимают. При этом расход дыма через трубу должен учитывать лю­бые варианты работы всех печей. Другими словами, при работе нескольких печей на одну трубу увеличивается ко­личество проходящих через трубу газов, а суммарное рас­четное сопротивление учитывает потери энергии от слия­ния потоков газов в канале, подводящем дым к трубе. Работа дымовой трубы, как устройства для перемещения газов в печах, может быть оценена коэффициентом полез­ного действия, формула для подсчета которого при r_0а = 1,26 кг/м³ и r_0г = 1,34 кг/м³ такова:

h = Н /(105 Т _ср). (12.23)

К. п. д. дымовых труб лежит в пределах 0,1...0,2 %, что, конечно, значительно ниже к. п. д. вентилятора (h = 60…80%). Однако если иметь в виду то, что трубы экс­плуатируются десятки лет без ремонта и не потребляют в процессе эксплуатации электроэнергии, как вентиляторы, то следует считать дымовые трубы весьма экономичны­ми устройствами для эвакуации газов из рабочего прост­ранства металлургических печей. В тех случаях, когда дымовая труба не может обеспечить работу металлургиче­ской печи из-за неспособности преодолеть большие сопро­тивления, прибегают к установке дымососа, принципы вы­бора параметров которого рассмотрены ранее. Возможны также комбинации дымовой трубы и дымососа, дымовой трубы и эжектора.

Работа эжектора и инжектора, как устройств, приво­дящих в движение газы, описана в гл. 11.

Описанные устройства для перемещения газов к рабо­чему пространству и от него в атмосферу позволяют соз­дать в печи и ее элементах любой гидравлический режим распределения давлений. Чаще всего для того, чтобы све­сти к минимуму подсосы холодного воздуха в печь и пре­дохранить таким образом металл от дополнительного окис­ления, на поду печи поддерживают давление равное атмосферному. Это обеспечивается за счет нагнетания вентилятором воздуха до его выхода в рабочее простран­ство печи. Затем вступает в действие дымовая труба, обес­печивая отсос газов из рабочего пространства печи. Такое обеспечение движения газов через систему печи получило название уравновешенной тяги. Эта тяга располагает широкими возможностями регулирования давления в печи, способна компенсировать значительные затраты на прео­доление различных сопротивлений, включая и теплообменные аппараты. Являясь наиболее совершенной, уравнове­шенная тяга широко применяется в работе металлургиче­ских печей.