6.6.3 Гидравлический расчёт вытяжной дымовой трубы.

Функцией вытяжной трубы является создание потока воздуха из здания через печь, топку котла и т.п. в атмосферу.

Р ис. 6.9

Устойчивый поток воздуха в такой трубе возникает под действием двух естественных 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 котёл не топится;

- если котёл топится и труба заполнена воздухом (дымом), температура которого выше чем в атмосфере (а плотность, соответственно, меньше), то под действием силы тяжести более лёгкий тёплый 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 б), может быть оборудован защитным колпаком, предупреждающим попадание в трубу атмосферных осадков (рис. 6.9 в), или оснащён устройством, улучшающим его аэродинамическое качество – дефлектором.

Конструкции этих устройств должны быть осесимметричными, чтобы обеспечить одинаковые условия обтекания при любом направлении ветра. Локальное понижение давления относительно атмосферного давления в окрестности выходного сечения трубы оценим зависимостью:

где - скорость ветра на уровне оголовка трубы; k – коэффициент, значения которого зависят от конструкции оголовка (см. график на рис. 6.10); - плотность воздуха.

Рис. 6.10. Зависимость k = k ( / ) для цилиндрической трубы (1), для трубы с оголовком, снабжённым колпаком (2)

На рисунке 6.10: - скорость потока воздуха в трубе; - скорость ветра на уровне оголовка трубы; - сумма коэффициентов местного сопротивления в системе печь-труба.

Физические свойства сухого воздуха приведены в приложении 1.

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 в помещении и вне его одинаковы (котёл не топится).

Рис. 6.11

где - атмосферные давления на высоте z₁ и z₂; - давление в сечении 2-2; , где - скорость потока воздуха в трубе; ; - потери напора от сечения 1-1 до сечения 2-2.

Потеря на вход . Потеря по длине . Потеря на поворот ; - длина трубы; - диаметр трубы.

Полагая, что распределение давления в атмосфере и внутри здания (вне трубы) гидростатическое, имеем

Подставляя (6.74) и выражения для потерь напора в уравнение Бернулли (6.73) и, используя (6.72), получим:

Зависимость (6.75) показывает, что скорость воздуха в трубе пропорциональна скорости ветра , следовательно, растопку печи легче осуществить в ветреную погоду.

2. Котёл топится.

Пусть труба заполнена тёплым воздухом (дымом). Рисунок остаётся прежним. Плотность дыма 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.6.10.

где Потери напора .

Потеря напора на вход . Потеря по длине . Потеря на поворот ; - длина трубы; - диаметр трубы. Подставив выражение для потерь напора в уравнение (6.76), получим:

Значение определим, предполагая, что распределение давления в атмосфере и внутри здания (вне трубы) гидростатическое, т.е. используя (6.74):

Подставив (6.78) в (6.77), получим

Искомый расход Q определим, умножив на площадь сечения трубы. Согласно (6.79) скорость нагретого воздуха (дыма) и его расход в трубе возрастают с увеличением высоты трубы Н. Кроме того, из формулы следует, что положительная тяга, когда поток воздуха направлен из здания наружу, имеет место при условии . Если печь не топится и труба заполнена воздухом, температура которого равна температуре внутри здания, то положительная тяга при отсутствии ветра 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 тёплый дым не заполнит трубу, дым из печи будет поступать внутрь здания.

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 внутри, в штатном режиме работы трубы (т.е. когда печь топится) невелика. Побуждающий фактор, связанный с обдуванием оголовка трубы ветром, играет весьма важную роль в начале работы печи, когда её разжигают. За счёт этого фактора тёплый воздух (дым) из печи поступает не внутрь помещения, где находится печь, а засасывается в трубу, которая быстрей затопляется (заряжается) нагретым воздухом, и в результате возникает более интенсивная тяга, обусловленная вторым фактором. При вступлении в действие второго фактора дефлекторы и колпаки уже являются дополнительным сопротивлением потоку воздуха в трубе. Поэтому для высоких труб, которым атмосферные осадки не опасны, нет необходимости в установке колпаков.

Во избежание неприятностей выходное отверстие печной трубы располагают выше самой высокой части здания (конька крыши).