CC BY
184
Аф 7universum.com
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ГАЗОДИНАМИКА БЫТОВОЙ ПЕЧИ.
РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА
Шевяков Владимир Викторович
канд. техн. наук, Россия, г. Москва E-mail: shevvladimir@gmail. com
GASDYNAMICS OF THE HOUSEHOLD OVEN. DEVELOPMENT OF THE CALCULATION METHOD
Vladimir Sheviakov
Candidate of Engineering sciences, Russia, Moscow
АННОТАЦИЯ
Существующий метод расчета газодинамических сопротивлений бытовой печи, основанный на подсчете и суммировании величин коэффициентов местного сопротивления отдельных участков печи и воздействии на них скоростного напора газов, не позволяет рассчитать печь как систему, в которой происходит сбалансирование сопротивлений и располагаемых напоров. Это связано с тем, что площадь сечения отдельных участков печи чаще всего бывает разной по величине и газы на этих участках имеют разную температуру. Все это приводит к разным результирующим скоростям на участках печи. Это усложняет расчет. В данной работе разработан и экспериментально подтвержден метод расчета как отдельных участков печи, так и общего сопротивления печи при прохождении через печь определенных объемов воздуха (газов), приведенных к температуре 0 0С, а сами участки печи и общее сопротивление печи выражены в новых газодинамических величинах (гОм - газодинамический Ом). Дано описание и определение единицы
Шевяков В.В. Газодинамика бытовой печи. Разработка метода расчета. // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2015. № 11 (22) . URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/2771
газодинамического Ома. В таблицах приведены значения газодинамических сопротивлений для характерных сечений участков печи в гОм. Получено аналитическое выражение для расчета падения давления на отдельных участках и на всей печи с учетом местного нагрева.
Экспериментально получено аналитическое выражение для расчета сопротивления закладки дров с разной массой, различных размеров поленьев и различных сортов древесины. Разработанный метод расчета подтвержден испытаниями печей ПДКШ-2,0 и ПТО-2300.
ABSTRACT
A current calculation method of the flow resistance of the household oven based on counting and summing the coefficients values of individual sections local resistance of the oven and exposed to dynamic pressure gas does not allow calculating the oven as a system in which the balancing resistors and disposable pressure occur. That is connected with the fact that the cross-sectional area of oven individual sections differs in magnitude, and gases in these regions have different temperatures. All leads to the resultant velocity at different parts of the oven. It complicates the calculation. In the article, method of calculating individual sections of the oven and the total resistance of the oven is developed and experimentally confirmed while passing through the oven of defined volumes of air (gas) reduced to 0 0C, and oven sections and the oven total resistance are expressed in new flow variables (gOhm - gas-dynamic ohm). The description and definition of the unit of gas-dynamic Ohm is given. The table shows the flow resistance for the specific areas of cross-sections of the oven in gOhm. An analytical expression for the calculation of pressure drop across the individual sections and the entire oven taking into account local heat is received. Experimentally, an analytical expression for calculating the resistance of wood laying with different masses, logs of different sizes and different types of wood is received. The developed calculation method is confirmed by testing the ovens PDKSH 2.0 and PTO-2300.
Ключевые слова: сопротивление печи, падение давления, скоростной напор, газодинамический Ом, сопротивление закладки дров.
Keywords: oven resistance; pressure drop; dynamic pressure; gas-dynamic Ohm; resistance of wood laying.
1. Постановка задачи и цель работы
Бытовую печь, да и любую другую, можно представить как устройство, состоящее из каналов различного сечения и различной формы. Через это устройство проходит поток воздуха, под воздействием силы тяги трубы и самой тяги печи («самотяги»). Величина этого потока воздуха определяется внутренним сопротивлением печи и величиной суммарной тяги. Внутреннее сопротивление печи состоит из отдельных участков, начиная с поддувальной дверки и заканчивая выходом в трубу. Каждый участок печи, в процессе сгорания дров и прогрева печи, меняет свое сопротивление, в зависимости от температуры данного участка. И, собственно говоря, зная величину этого суммарного сопротивления печи и зная, как изменяется это сопротивление при работе печи, можно и определить, какие потоки воздуха будут проходить через печь при приложении той или иной величины тяги трубы.
При этом возникает вопрос: сколько дров можно сжечь в печи? Для ответа на этот вопрос сначала необходимо определиться, какой размер (средний диаметр полена) и какой сорт древесины необходимо взять за образец дров. В [1] указана влажность дров, принимаемая для расчетов W=25 %. В ГОСТ 3243-88 указаны размеры стандартной древесины. По длине дрова бывают - 0,25; 0,33; 0,5; 0,75; 1,0 м. По толщине дрова делятся на тонкие -толщиной от 3 до 10 см включительно, средние - толщиной от 11 до 14 см включительно и смесь поленьев.
Возьмем за основу средние березовые дрова с влажностью W=25 % толщиной 8-14 см. Длина дров мало влияет на скорость сгорания и определяется длиной топки. Чаше всего длина дров составляет 33 см + 2 см.
Именно на сгорание таких дров в печи и будем ориентироваться. Если взять дрова других пород, менее плотных, например осина, сосна, то они при тех же габаритах полена будут сгорать быстрее. Так же как и более тонкие дрова, которые также сгорают быстрее. Скорость сгорания дров и качество их сгорания - это отдельный вопрос и здесь рассматриваться не будет. Нам важно определить те реальные потоки воздуха, которые может пропустить через себя печь в процессе сгорания дров.
Как уже было отмечено выше, на процессы в печи влияют три фактора: тяга трубы, «самотяга» печи и внутреннее сопротивление печи. Вопросы тяги трубы и потери в трубе разобраны в работе [6]. «Самотяга» печи имеет ту же природу, что и тяга трубы, и определяется конструкцией печи. Например, величина «самотяги» печи «прямоточки» больше, чем у «противоточки». И т. к. «самотяга» печи складывается с тягой трубы, то ее необходимо учитывать при расчете печей.
За основу взяты идеи, изложенные в работе [3]:
«...надо вести расчет печной системы, в которую входят все части, начиная от пламенного пространства до устья трубы.Задача сводится к тому, чтобы на основании протекающих объемов печных газов подобрать сечения частей системы так, чтобы располагаемый напор, т. е. напор, даваемый дымовой трубой и другими частями системы, сбалансировался с суммой всех сопротивлений при движении газов по системе».
Поэтому целью данной работы является доработка и усовершенствование газодинамического метода расчета сопротивлений печи. И проверка его при расчете и испытании печи ПТО-2300.
2.1. Разработка метода расчета газодинамических сопротивлений бытовой печи
Любая печь состоит из газоходов, соединенных между собой переходами, имеющими различную конфигурацию. Полное сопротивление печи состоит из сопротивлений прямых участков и из сопротивлений переходов. И если на прямых участках газоходов падение давления невелико, то на переходах
оно может быть весьма значительным. Расчет падений давления в бытовой печи имеет ряд особенностей и ограничений.
Во-первых, мощность бытовых печей ограничена от маломощных печей до мощных со средней теплоотдачей до 5000 ккал/час или 60000 ккал при двух топках за сутки [1]. С учетом КПД=0,75 необходимо 80000 ккал. Для получения такого количества тепла необходимо сжечь примерно 25 кг дров с W=25 %. Т. е. максимальное количество сжигаемых дров в бытовых печах это 25-26 кг. Причем это количество дров должно сгорать за время
2,0 часа [1]. Т. е. за один час сгорает 12-13 кг дров. Количество воздуха, необходимое для полного сгорания этого количества дров, берется из расчета примерно 10 м3 на 1,0 кг дров с W=25 % [1] и составит 120-130 м3. При этом коэффициент избытка воздуха «альфа» будет равен 2,6-2,8.
Во-вторых, сечения газоходов и самих переходов также имеют вполне конкретные величины, соизмеримые с размерами используемых кирпичей. Например: 12,5 см*12,5 см, 12,5 см*25 см, 25 см*25 см, 6,5 см*25 см,
6,5 см*37,5 см, и т. п. Если к этому добавить значения коэффициентов местного сопротивления для поддувальной дверки, колосника, закладки дров и задвижки, то получится почти весь перечень необходимых элементов для расчета любой бытовой печи.
В- третьих, температуры газов на участках газоходов очень разные и изменяются в процессе сгорания дров. Это обязательно надо учитывать при расчете полного сопротивления печи. Причем желательно знать полное сопротивление печи для холодного и горячего состояния.
В бытовых печах количество различных переходов не велико, и достаточно знать величину их местного сопротивления, чтобы определить падение давления на каждом участке. Имеется достаточно много литературы, где приведены справочные значения местных коэффициентов сопротивлений для различных переходов [2].
Для расчетов местных сопротивлений печи и определения на них падения давления пользуются выражением из [3]:
ДРп = £*— у (мм вод. ст.) или
2S
АРп = Гу 7 (Па) (1),
/ I \ \г \г /1, Тг (0С) Л .273+ Тг (0С)
где: v - скорость газов (м/с); Vr = V0 (1+—^~ )= V0 (---—-----)
273
V 0— скорость газов при температуре 0 0С (м/с);
2
2
g — ускорение силы тяжести (9,81 м/с2);
у — объемный вес воздуха (газа) (весовая плотность) (кг/ м3 ); при Т=+15 0С у=1,225 кг/м3.
7= Yo
Т1
Тг (К)
*
Y0
* 273 -Тг (К)
1,292*
273 Тг (К)
1,292*
273
273+Тг (0С)
Y0=1,292 (кг/м3) (при Т=0 0С)
£ — коэффициент местного сопротивления;
V2
— у — скоростной напор.
Коэффициент местного сопротивления £ зависит в основном от конфигурации и формы самого перехода и не зависит от его геометрических размеров. Так, для прямоугольного колена размером 12,5 см*12,5 см и 25 см*25 см коэффициент местного сопротивления один и тот же и равен £=1,5. А при одинаковом количестве проходящего воздуха скорость будет разной, в зависимости от площади сечения. И потери давления будут разные.
Для определения суммарного падения давления печи необходимо величину каждого коэффициента местного сопротивления умножить на свой конкретный скоростной напор и полученные результаты сложить. При этом совершенно непонятно, как будет изменяться суммарное сопротивление печи в зависимости от изменения количества входного воздуха. А во время нагрева печи количество входного воздуха V0 в некоторых типах печей возрастает на 35—40 %. Да и скоростной напор может быть на различных участках разным, в зависимости от сечения перехода. Задача значительно упрощается, если все сечения печи имеют одинаковую величину.
И, следовательно, скорость во всех сечениях будет одинаковая. Однако и в этом случае необходимо учитывать разные температуры на переходах, что приводит к своим конкретным скоростям газов. Но в печах, как правило, есть переходы с разными сечениями, и, кроме того, такие элементы, как колосниковая решетка, поддувальная дверка, могут иметь свои проходные сечения. Это все осложняет расчет печи и не позволяет определить влияние суммарной тяги трубы и печи на характеристики всей печной системы. Именно это и привело к поиску и разработке более простых и понятных методов расчета печи и всей печной системы.
В печи есть параметр, который практически одинаков для всех сечений печи и для трубы. Это объем воздуха, входящего V0 и проходящего через печь. Количество входящего воздуха зависит от внутреннего сопротивления печи и от величины, прикладываемой к печи суммарной тяги трубы и печи.
В [1, таблица 10] приведена привязка количества продуктов горения при нормальных условиях на 1,0 кг дров. Эта величина равна 10 м3. При этом, учитывая, что объем дымовых газов увеличивается примерно на 8,8 % [7] по сравнению с объемом входного воздуха, допустимо принять, что объемы входного воздуха и объем продуктов горения (дымовые газы), приведенные к температуре 0 0С, примерно равны. Конечно, эта привязка весьма условная. Т. к. в конкретном объеме воздуха может сгорать разное количество дров. Это зависит от многих моментов. И от плотности древесины, и от размера полешек, и от того, сколько дров заложено в закладку. В этих случаях дрова будут сгорать с разными коэффициентами избытка воздуха. Но такая привязка полезна при расчете печей.
Подставляя в формулу (1) скорость и плотность воздуха с учетом температуры, получим.
ДР„ = С» 0,646 * V2 » (273Уг(°С)) (Па) (2).
Выразив скорость V0 через объем воздуха V0, получим:
ДР„ = С* 0,646 * § * (273+Ь-^) (Па) (3),
где: V0 - объем воздуха, проходящий через печь при температуре 0 °С (м3/с); А - наименьшая площадь сечения конкретного перехода (м2).
Формулу (3) можно записать:
ДРп = ( * ^ * Vo2 *Kt (Па)
(4),
273+ТГ (0С)
где: Kt= ——--------коэффициент температуры;
В таблице 1 приведены значения коэффициента температуры в диапазоне температур от 0 0С до 1100 0С.
Таблица 1.
Значения коэффициента температуры
Темпе] Тг( эатура °С) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
0 1,00 137 1,73 2,10 2,47 2,83 330 3,56 333 430 4,66 5,03
20 1,07 1,44 1,81 2,17 2,54 2,90 337 3,64 4,00 437 4,74 5,10
40 Kt 1,15 1,51 1,88 2,25 2,61 2,98 334 3,71 4,08 4,44 4,81 5,18
60 и: 1,59 1,95 232 2,68 3,05 3,42 3,78 4,15 4,52 4,88 535
S0 1Д9 1,66 2,03 239 2,76 3,12 3,49 3,86 432 4,59 436 532
Из таблицы 1 видно, что коэффициент температуры в печи может изменяться в широких пределах: от 1,0 до 5,0.
Тогда формула (4) примет вид:
ДРп= Z * Ro * V02 * Kt (Па) (5),
где: Ro =
0,646
А2
(6) — условное сопротивление местного участка газохода
при температуре 0 0С.
Из выражения (6) можно получить условную единицу сопротивления при температуре 0 0С:
R=
0,646
А2
=1; это сопротивление соответствует площади сечения
А=0,804 (м2).
Или для квадратного сечения со сторонами a=b=0,897 (м). Для сечения круглой трубы диаметром d=1,01 (м).
Обозначим эту единицу по аналогии с законом Ома - гОм. (Г азодинамический Ом). Тогда тысяча гОм будет обозначаться как КгОм.
Коэффициент местного сопротивления £ может принимать значения для одного и того же перехода от 0,5 до 1,5 и больше в зависимости от внутренней формы перехода. Поэтому определим, какой объем воздуха при температуре 0 0С должен пройти через полученное сечение за одну секунду при падении на этом переходе давления равного 1,0 Па, принимая £=1,0.
Из выражения (5) при £ = 1 и Kt = 1
V0 =1,0 ( м3/с).
Тогда можно обозначить:
1,0 гОм - газодинамическое сопротивление перехода с площадью круглого сечения диаметром 1,0 м, с коэффициентом местного сопротивления равного единице, при прохождении через который объема воздуха в 1,0 м3 за 1,0 с при температуре 0 °С, на нем падает давление
1,0 Па.
Тогда:
ДР„= z * Rt* Vo2 (Па) (7),
где: Rt = R0 * Kt - сопротивление местного участка с учетом температуры газов на этом участке,
Учитывая величину коэффициента местного сопротивления, можно окончательно записать:
ДР„ = % * Vo2 (Па) (8),
где: zRt = Z * Rt (гОм) - сопротивление перехода с учетом коэффициента
местного сопротивления и коэффициента температуры.
Формула (8) является универсальной формулой для расчета печей. По своей структуре она похожа на формулу закона Ома, где падение давления
ДР„ - это аналог падения напряжения, ZRt - сопротивление местного участка, а V2 - аналог тока в цепи. Зная величины местных сопротивлений
и коэффициенты местного сопротивления, их необходимо перемножить и суммировать и посчитать общее сопротивление печи. Тогда общее падение давления на печи будет равно:
ХЛР„= I (Zi *Rti + Z *Rti)* Vo2 (Па) (9)
или
ЕДРп= Z ( %i + ?Rti) * Vo2 (Па) (10)
На рисунке 1 приведена эквивалентная схема печной системы и эпюры давлений в печной системе для случая открытой выходной задвижки и открытой поддувальной дверки.
Рисунок 1. Эквивалентная схема печной системы и эпюры давлений
Где: STp и Sne4 - (Па) тяга и «самотяга» трубы и печи,
X ZRti - (гОм) сумма внутренних сопротивлений печи с учетом коэффициентов местного сопротивления и коэффициента температуры,
^под.дв. - (гОм) сопротивление поддувальной дверки,
^Сзадв. — (гОм) сопротивление задвижки трубы,
RtTp - (гОм) сопротивление трубы,
АР - (Па) падение давления на участках печи и трубы,
V0 - (м3/с) объем входного воздуха, входящего в печь при температуре 0 °С,
Уог - (м3/с) объем выходных газов, выходящих из печи, пересчитанный на температуру 0 0С. Т. к. Vor = 1,088 V0, то V0 ~Vor.
Задавая значения V0 в пределах 10-150 м3 (1,0-15,0 кг сгоревших за 1,0 час дров), получим графики падений давления для печи. Причем можно построить графики для холодной печи и для горячей.
Если проанализировать применяемые в печах переходы, то видно, что большинство из них имеют различные площади сечения, кратные размерам кирпича, и различные коэффициенты местных сопротивлений, которые могут принимать значения примерно от 0,5 до 4,0.
Составим таблицу характерных сечений переходов, кратных размеру кирпича, и определим для них соответствующие величины сопротивлений R0. При этом не будем учитывать толщину шва между кирпичами. Для дальнейшего удобства в расчетах примем размер условного кирпича 250*125 мм.
Таблица 2.
Площадь сечений переходов в печи и величины их газодинамических сопротивлений
Размер сечения (см) 6=25*12,5 6=25*25 12=5*12=5 6=25*37=5 12=5*25 12=5*37=5 25*25
Площадь (м2) 0=0078 0=0156 0=0234 0=0312 0=0468 0=0625
R0 (гОм) 10618 2654 1180 664 295 165
2.2. Определение сопротивления прямых участков печи
Для чисто турбулентного движения падение давления в канале выражается формулой [3, с. 112]:
I V2
Др=Х*- * — * у (мм вод ст) (11),
где: X - коэффициент трения;
I - длина канала (м); d — диаметр канала (м);
или «приведенный» диаметр; если сечение канала a*b, то приведенный диаметр
А _ 2а*Ь
йпРив = ~^+ъ;
V — скорость в м/с;
g — ускорение силы тяжести =9,81 м/с2;
Y - весовая плотность воздуха (газа) (кг/м3).
При температуре 0 0С y0 = 1,293 кг/м3.
В [3, с. 115] приведены еще несколько выражений для определения падения давления в каналах. Но разница невелика. Поэтому возьмем для анализа и расчетов падения давления формулу (11) с учетом выбора коэффициента трения для кирпичного канала [3].
Для чистого кирпичного канала сечением 12,5*12,5 (см2) и 12,5*25(см2) с учетом рекомендуемой прибавки 60 % X = 0,056-0,048. Примем X = 0,5.
Для кирпичного канала при длительной эксплуатации потери возрастают в два раза: X =0,112-0,096. Примем X = 0,1.
Преобразовав выражение (11) согласно разделу 2.1и подставив значения коэффициента трения, получим:
Др1м=(0,05-0,1)*- * * Ко2* К (Па) (12),
иприв А кан
где: Др1 - падение давления на 1 погонном метре трубы или канала; йприв - приведенный диаметр (м);
Акан - площадь канала (м2);
VQ - объем воздуха, проходящего через канал за 1 с (м3/с);
Kt - коэффициент температуры газов в канале (0С).
Или:
ДР1М = ZiM * R0 * V2 * Kt (Па) (13),
где: Ro= —— (гОм ) - газодинамическое сопротивление канала;
А
1
Zi =(0,05-0,1)*----коэффициент сопротивления 1,0 м канала.
м ^прив
Для сечения канала 12,5*12,5(см2) йприв = 0,125 (м) Z1m=0,4-0,8;
Для сечения канала 12,5*25(см2) йприв = 0,166 (м) Z1m=0,3-0,6;
Для сечения каналов 6,25*37,5(см2) йприв = 0,105 (м) Z1m=0,45-0,9.
Если сравнить полученное выражение (13) с выражением (5) для падения давления на переходе, то при одинаковых сечениях видно, что различия в величинах коэффициентов сопротивления Z1m и Z не очень велики. Обычно величина Z равна 0,5 - 1,0 - 3,0.
ДРп= Z * Ro * Vo2 * Kt (Па) (5).
Поэтому при расчете общего сопротивления печи желательно учитывать и сопротивление каналов печи.
2.3. Число Рейнольдса в каналах печи
Для определения характеристик движения газов в печи, определим число Рейнольдса для различных сечений печи.
У*ЙВрив
Re = —,
где: v - скорость движения (м/с);
^прив - диаметр канала (м);
V - кинематическая вязкость воздуха (газов) (м2/с)
При Re < 2300 происходит ламинарное движение газов, при Re > 3000 движение газов турбулентное. Между 2300 и 3000 режим не устойчивый, переходной. При турбулентном движении газов потери давления пропорциональны квадрату скорости газа, а при ламинарном движении пропорциональны первой степени скорости. Определим, какой характер
движения имеет место в печах в различных переходах и каналах. Поскольку изначально принималось, что движение газов в печи турбулентное, то необходимо определить границы ламинарного и турбулентного движения для характерных сечений бытовой печи.
Число Рейнольдса для площади сечения канала Акан с учетом температуры газов принимает вид:
J^e= Ускорив *
Акян*^"
Kt
(14)
Акан - площадь наименьшего сечения канала или перехода (м2);
VQ - объем воздуха, проходящего через канал за 1 с (м3/с).
В таблице 3 приведены значения кинематической вязкости воздуха и коэффициента температуры от температуры.
Таблица 3.
Изменение кинематической вязкости воздуха от температуры
Температура воздуха (°С) 0 100 О о 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
Кинематическая вязкость V- IO'6 (м2/с) 13,7 22,7 34,1 46,8 60,7 75,5 91,1 108 124 142 159 177 193
Kt 1 1-37 1,73 2,1 2,46 2,83 3,2 3.56 3,93 4,3 4,66 5,03 5,4
К* 4 Kt =~т* ю4 v V (сУм2) 7J 6,0 5,1 4,5 4,1 3,7 3,5 3,3 3,2 3,0 2,9 2,84 2,8
irt “попр 1 0,82 0,7 0,62 0,56 0,51 0,48 0,45 0,44 0,41 0,4 0,39 0,38
Исходя из таблицы 3 выражение (14) можно записать:
Re
v0*d
прив *
А
кан
K
(15),
где: К^ = К * 104 (с/м2) - коэффициент температуры с учетом изменения
кинематической вязкости воздуха (из таблицы 3).
Для температуры воздуха, равной 0 0С, число Рейнольдса равно:
Re0 =7,3*7°*^прив * 104 (16).
Акан
Число Рейнольдса с учетом температуры будет выглядеть:
vn*dT
Ret = Re0 * КПопр = 7,3*^-^ * К
^П0Пр 7 ^ д lvnonp
Акан
104
(17),
где: КП0Пр - температурный поправочный коэффициент.
Из таблицы 3 видно, что число Рейнольдса с увеличением температуры от 0 0С до 1200 0С уменьшается в 2,6 раза.
На рисунке 2 представлены графики, изменения величины числа Рейнольдса для различных сечений переходов в печи при температуре воздуха (газов), равной 0 oq
*
Из графика рисунок 2 видно, что при температуре воздуха, равной 0 0С, и количестве входного воздуха более 40 м3/час движение во всех сечениях печи турбулентное. При нагреве газов в печи число Рейнольдса уменьшается согласно таблице 3, и это необходимо учитывать при расчетах.
В таблице 4 приведены дополнительно к таблице 3 значения объемов входного воздуха через сечения печи, с которых начинается устойчивое турбулентное движение, т. е. при Re0 > 3000.
Таблица 4.
Г раница устойчивого турбулентного движения воздуха в печи
Размер сечения (см2) 6,25*12,5 6,25*25 12,5*12,5 6,25*37,5 12,5*25 12,5*37,5 25*25
Площадь (м2) 0,0078 0,0156 0,0234 0,0312 0,0468 0,0625
R0 (гОм) 10618 2654 1180 664 295 165
Vc (м3/с) иКИНч ' у 13,9 18,46 33 27,6 36,8 36,9
3. Расчет сопротивлений основных участков печи.
3.1 Таблицы сопротивлений
При расчете сопротивлений основных участков печи использовались данные, изложенные в [2]. Полученные результаты сведены в таблицы.
Таблица 5.
Сопротивления участков печи
Таблица 6.
Сопротивления участков печи
Таблица 7.
Сопротивления участков печи
Тип перехода. Размер (см) Плошадь (м2) Ro (гОм) % (гОм)
А. - ? A-l - - -
* v А- 12,5*25 0,0312 - - -
j. ' * 1 Л 2 - - -
12,5*12,5 0,0156 0,17 2254 383
6,25*12.5 0,0078 0,26 10618 2761
А 7 V— А± - - -
* At 1 12,5*25 0,0312 - - -
-42 - - -
12,5*12,5 0,0156 0,25 2254 563
6,25*12,5 0,0078 0,065 1061S 690
12,5*12,5 0,0156 0,5 2254 1126
12,5*25 0,0312 664 332
12,5*37,5 0,0468 295 147
<=>
6,25*12,5 0,0078 1061S 5309
А1 6,25*25 0,0156 2254 1127
6,25*37,5 0,0234 1180 590
3.2 Поддувальная дверка
Сопротивление поддувальной дверки можно рассматривать как вход воздуха в отверстие в стене. Для этого случая коэффициент местного сопротивления равен £ = 0,5. А общее сопротивление дверки будет определяться степенью ее открытия, т. е. площадью проходного сечения. Поскольку поддувальные дверки выпускаются и применяются разных размеров, то в таблице 8 приведены величины сопротивления R0 полностью открытых поддувальных дверок, наиболее часто применяемых в печах.
Таблица 8.
Сопротивления поддувальных дверок
Тип поддувальной дверки. Посадочный размер (Ш*В) (см) Размер проходного сечения (см) Площадь (м0 Ro (гОм) ?Ro (гОм)
Дпк 25,0*14,5 0,0045 0,5 32300 16150
ДП-2 25,0*14,0 24,0*13,0 0,0312 666 333
ДП-1 13,0*14,0 12,0*13,0 0,0156 2692 1346
ДП-1(Р) 15,0*12,5 14,0*11,5 0,0161 2494 1247
ДПр 13,0*9,0 12,0*8,0 0,0096 7022 3511
«Монолит-01» 15,0*16,0 14,0*15,0 0,0210 1468 734
3.3 Устройство для замера количества поступающего воздуха.
Поскольку при испытании печей на входе установлено устройство для замера входного воздуха со встроенным термоанемометром, то его сопротивление необходимо учитывать при расчете суммарного сопротивления печи.
На рисунке 3 представлен разрез нижней части топки и зольной камеры печи ПДКШ-2,0.
Рисунок 3. Нижняя часть топки печи ПДКШ-2,0
Устройство для замера количества воздуха, поступающего в печь, состоит из прямоугольной камеры с трубой диаметром 100 мм, в которой установлен
термоанемометр. Эти элементы обладают своими сопротивлениями для входного воздуха. Подсчитаем их сопротивления.
Здесь два участка с характерными сопротивлениями: 1 - сужение трубы в месте установки анемометра и 2 - расширение потока воздуха на выходе из трубы в прямоугольную камеру.
1 - участок можно сопоставить со случаем прохождения воздуха через диафрагму [4].
Площадь трубы = 0,00817 м2, площадь анемометра ~ 9 см2 (0,0009 м2). Проходная площадь равна 0,0073 м2. Тогда коэффициент местного
сопротивления Z для соотношения площадей ——= 0,91 £ = 0,03.
А-
тр
Г азодинамическое сопротивление участка для проходного сечения равна R0 = 12188 (гОм). С учетом величины местного сопротивления ZR0 = 365 (гОм)
2 - участок расширения потока относится к случаю внезапного расширения канала. Площадь сечения прямоугольной камеры
А=36*22 (см*см) = 792 см2 (0,079 м2). Коэффициент местного сопротивления
для соотношения площадей при =0,1 £ =0,81. Газодинамическое
Акам
сопротивление участка для сечения Атр равно: R0 = 9685 (гОм). С учетом величины местного сопротивления ZR0=7845 (гОм).
Результаты расчетов сведены в таблицу 9.
Таблица 9.
Сопротивление устройства замера входного воздуха
Участок печи Расчетная площадь (м2) (гОм) 5 % (гОм) тЕ (0°С) Kt % (гОм)
Диафрагма 0,0073 12188 0,03 365 0 1 365
Расширение канала 0,00817 9685 0,81 7845 0 1 7845
Общее сопротивление 8210 8210
3.4 Зольная камера
В зольной камере установлена выдвижная зольная коробочка, сверху находится колосник размером 25*15 (см2).
Здесь также два участка с характерными сопротивлениями:
3 - проход воздуха в зольную камеру и 4 - заход воздуха в зону колосника.
3 - участок можно сопоставить со случаем что-то среднее между Г -образным переходом и Z - образным c коэффициентами местного сопротивления соответственно £ = 1,0 - 2,0. Примем £ = 1,5. Площадь прохода воздуха в зольную камеру примерно равна А = 3,5* 20 (см2) = 70 см2 (0,007 м2). Газодинамическое сопротивление участка для сечения Ак = 0,007 м2 равно:
R0 = 13183 (гОм). С учетом величины местного сопротивления ZR0=19775 (гОм).
4 - участок можно сопоставить со случаем колена под углом 90 0
с заглушенным продолжением одной ветви из широкой части в узкую, с коэффициентом местного сопротивления £ =1,5 - 2,5. Примем £ = 1,5. Площадь сечения будет равна 5*19 (см2) = 95 см2 (0,0095м2) [3].
Газодинамическое сопротивление участка для сечения 0,0095 м2 равно: R0 =7177 (гОм). С учетом величины местного сопротивления ZR0=10765 (гОм).
Результаты расчетов сведены в таблицу 10.
Таблица 10.
Сопротивление зольной камеры
Участок печи Расчетная площадь ю Ко (Юм) 1 ?Ro (гОм) (0°С) Кг % (Юм)
Зольная камера 0,007 13183 1,5 19775 0 1 19775
0,0095 7177 1,5 10765 0 1 10765
Общее сопротивление 30540 30540
3.5 Колосник 25*15 (см2)
5 - участок решетки колосника. Участок решетки можно сопоставить со случаем решетки из перфорированных реек [2, диагр.8-3].
Для колосниковой решетки толщиной 10 мм и шириной прозоров около 9,0-10,0 мм коэффициент местного сопротивления будет равен £ = 3,5. Живая площадь решетки равна 131 см2. Газодинамическое сопротивление решетки для сечения 0,0131 м2 равно: R0 = 3756 (гОм). С учетом величины местного
сопротивления ZR0=13145 (гОм).
Снизу колосник обдувается холодным входным воздухом. А верх нагревается теплом от горящих дров и углей. Примем температуру воздуха на выходе колосника 300оС. Тогда коэффициент температуры Kt =2,1.
С учетом температуры колосниковой решетки ZRt=27605 (гОм).
Результаты расчетов сведены в таблицу 11.
Таблица 11.
Сопротивление колосника
Участок печи Расчетная площадь (м4) К (гОм) < % (гОм) т. (0°С) Kt % (гОм)
Колосник 0,0131 3756 3,5 13145 300 2Д 27605
Общее сопротивление 13232 27787
4. Экспериментальное определение сопротивления закладки дров
Определение сопротивления закладки дров весьма сложная задача, т. к. оно зависит от нескольких параметров: от количества сжигаемых дров, от площади укладки закладки на дно топки, от плотности укладки полешек в самой закладке, от плотности сжигаемой древесины, от среднего диаметра полешек и от температуры горения дров. В литературе отсутствуют рекомендации по определению сопротивления закладки дров для бытовых печей. Наиболее близкой по физическому смыслу является формула для определения сопротивления слоя кускового материала в топке [3, с. 145].
ДР=а*— *— * у = а*— *—v-—
^ср 2g dcp ^2*2g
у (мм вод ст)
(18),
где: а -коэффициент сопротивления;
V - средняя скорость течения газа через площадь закладки дров (м/с); vt - средняя скорость течения в пустотах (в свободном сечении слоя) (м/с);
f - объем пустот на единицу объема слоя;
dcp - средний диаметр полена дров в закладке (см);
у - плотность газа (кг/м3);
h - высота закладки дров (см).
f - объем пустот на единицу объема слоя. Примем эту величину как отношение разности площадей квадрата со стороной dcp и площади сечения круглого полена dcp к площади квадрата. Тогда <f = 0,215 для всех
значений dcp.
vn
Выразим V0 = —— (м/с),
Азакл
где v0 - средняя скорость газа через площадь закладки при температуре 0 0С;
V0 - средний объем газа, проходящего через площадь закладки при температуре 0 ос (м3/с);
Азакл - площадь основания закладки (м2).
Подставив значение плотности воздуха у0 = 1,292 (кг/м3) для температуры 0 ос и учитывая температуру газов с помощью коэффициента температуры Kt, получим для (Па):
ДР =а*
h *0,646 * лг2
^2*^ср Азакл
h
V02 * Kt =21,6* а* — * R0 * V02 * Kt (Па)
(19),
где: R0 - газодинамическое сопротивление сечения закладки (гОм).
0,646
R0 = тт~ (гОм)
Азакл
Выразим высоту закладки h через массу дров и плотность древесины
М
h = Уз (1 + ^) * 102 = Мдр * 1 п2 = 1 01 * * 1 п2
А
Р*Аз
-(1+ f) * 102 = 1,215 * 102
др
Р*Аз
(см) (20),
*
*
где: V3 - объем закладки дров (м3); р - плотность древесины (кг/м3).
Тогда формула (19) примет вид:
АР =а*-^— *0646 * К02 * Kt =26,25* 102 * а* —^—* R0 * К02 * Kt (Па) (21) .
Р*Азакл*^ср
^2*^ср Азакл
В таблице 12 приведены значения плотности различных видов древесины при различной влажности.
Таблица 12.
Влажность и плотность древесины
Вид древесины Дуб Береза Сосна Осина Ель
к " = -5 Ь 5 \У=0°о 650 600 470 470 420
W=12°o 690 650 500 495 445
W=25°o 720 690 530 510 465
(Конкретно для закладки березы W = 25 % массой 5 кг получим высоту закладки 11 см.)
Из формулы (21) получим общее выражение для сопротивления закладки: Л(закл = 26,25* 102 * а* Мдр * Ro * К, (гОм)
Р*Азакл*аср
При этом сопротивление закладки дров при температуре воздуха 0 0С Ro закл имеет вид:
(22).
Ro закл = 26,25* 102 * а* Мдр * Ro (гОм)
Р*Азакл*аср
(23).
Полученное выражение (23) полностью отражает физический смысл сопротивления закладки. Действительно, с увеличением количества дров в закладке увеличивается высота закладки, значит, растет и сопротивление закладки, дрова с меньшей плотностью занимают больший объем, что также увеличивает сопротивление, а уменьшение среднего диаметра полена увеличивает внутреннюю площадь закладки, что также приводит к увеличению сопротивления.
В формулах (22, 23) неизвестной величиной является а - коэффициент сопротивления, который определялся экспериментально из характеристик, полученных при испытании печи ПДКШ - 2,0 при сжигании в ней трех
различных закладок дров.
Для этого случая:
Азакл = 0,0825(м2) - площадь основания закладки дров (33*25)(см2),
Ro = = 95(гОм),
Азакл
Kt = 5,0 (для температуры газов в закладке 1100 0С),
1- береза W = 20-25 %, плотность 690 кг/м3, масса 5,0 кг, длина полена 33 см, средний диаметр dcp =7,7 см (полено массой 1,0 кг);
R
Сзакл
= 26,25* 102 * а*
5
690*0,0825*7,7
* 95 * 5 = 14200* а (гОм) (24).
2 - береза W = 20-25 %, плотность 690 кг/м3, масса 7,5 кг, длина полена 33 см, средний диаметр dcp =7,7 см;
Rt3a^=21334* а (гОм) (25).
3 - осина W = 20-25 %, плотность 510 кг/м3, масса 5,0 кг, длина полена 33 см, средний диаметр dcp =7,7 см
R^ = 19243* а (гОм) (26)
При этом измерялись средние значения количества входного воздуха в печь Vo и температура на выходе печи на отрезке времени 20,0 мин осциллограммы горения дров, при наименьших значениях кислорода на выходе печи. И по ним рассчитывалась тяга трубы, и, с учетом величины «самотяги» печи по выражению (8), определялось общее сопротивление печи
ZRt . Сопротивление закладки определялось как разница между общим сопротивлением печи и суммарным сопротивлением всех остальных участков печи.
Rt закл= ?Rt печ - I ^ti (гОм).
Значение I
Rti бралось из таблицы 13.
На рисунке 4 представлена в разрезе печь ПДКШ-2,0, на которой отмечены характерные участки, сопротивления которых учтены при расчете общего сопротивления печи.
Рисунок 4. Разрез печи ПДКШ-2,0
Суммарное сопротивление печи определялось согласно данным таблицы 13.
Таблица 13.
Сопротивления печи ПДКШ-2,0
Номер участка Название Размер (см2) Площадь (кг) R0 (Юм) % (Юм) T (°C) K* % (гОм)
1 Устройство замера вх. воздуха S210 0 1 8210
2 Зольная камера 30540 0 1 30540
д Колосник 25*15 0,0131 3,5 3756 13145 300 2,1 27605
4 Закладка 25*33 O,0S25 95 1100 5.0
5 П - колено 6,25*37,5 0,0234 1.5 1 ISO 1770 750 3,75 6637
6 Г-колено 6,25*37,5 0,0234 0,84 11S0 991 500 2,83 2804
7 Г-колено 6,25*37,5 0,0234 0,84 1 ISO 991 400 2.47 2447
8 Сужение канала 11*11 0,0121 4,02 4455 17820 200 l,73 30828
9 Каналы печн 6.25*37,5 (0,84м) 0,0234 0,6 1 ISO 708 600 32 1900
10 6,25*37,5 (0,5м) 0,0234 0,7 1 ISO 826 400 2.41 1020
11 6,25*37,5 (1.1м) 0,0234 0,8 1180 944 350 2J 238S
Всего без закладки 75945 ШГ9
В таблице 14 приведены дальнейшие результаты замеров и расчетов.
о о
я о д >тЗ о н Д о 2 о Я
о и '< д д и to ft В д S о д о
ft д to
д д ►е* '<
д to о д
Е ^3 ft
ft 2 д
>тЗ ft д Е
со 13 2
tol со Д
д н to
й ьз
д Ul ft
to Д
о и ft to ьз S) д to 2
ft д 2 ?о
Е о r~t 0J W я
и
н о Са
р о о to to
to д to
д тз
а ft «
'< to
У1 ft to д н д о д о
со
д о
р to
д '<
ft д
д §5
д
ft о
*
о со ►в* Д д р
Д
д д
а to
д
ft to
д t3
н о
р и
о
0 X
1 О)
П
*<
X
Q)
20
W
СГ)
V
5*
О
1-»
Ol
Ol
CT>
к
CTI
N>
0
01 w
U1
3C
<J1
(D
"О
Ф
W
Ш
UJ
yi
СЛ
I
NJ
M
VO
Ol
U1
£
b!
N)
V/l
4b
(Л
Ol
4ь.
U1
X
<71
ID
T3
Ф
u>
Q)
W
00
Id
m
м
vo
vo
yi
00
NJ
W
00
Ю
о
4*
M
00
4b
'-J
VO
-J
VO
OJ
-J
VO
NJ
Ol
N)
(Л
fs)
4b
О
00
(Л
00
VO
00
О
1Л
+
(Л>
Ol
4b
4b
'si
+
vn
о
(JO
00
о
+
4b
Ln *
Ol
U1
ЭС
Количество дров (кг)
Объем входного воздуха (мэ/час)
Средняя температура без учета падения на трубе (°С) Средняя температура с учетом падения на трубе (°С)
Расчетное значение тяги (Па)
Расчетное значение суммарной тяги трубы и печи (Па)
Сопротивления печи
t печ
(гОм)
Сопротивление участков печи 1 ^Rt j (гОм)
Сопротивления закладкиRt закл (гОм)
Изменение сопротивления заклад1^[закл (гОм)
Изменение сопротивления закладкиRt зШСЛ (%)
г
л
%
Результаты замеров и расчетов печи ПДКШ-2,0
Таблица 15.
Расчет коэффициента сопротивления
Количество дров. § sS 8=5 I О 5 1 ^ „ Qj £ w Q. s ГУ <и р и- 2 о s го q. * О га О 5 го го р 1'Тзакл (гОм) Коэффициент сопротивлении а. 1 - d 3 Ь к г з s = 5. 3 гп — — ‘ __ —1 -i. пг 1*1 i. 5 = о § Ш s£ g = 5 О О 5 $ х С? О h & ГО О S Q-Q.bC to- -ч. о га и 5 ГО ГО Ш О О о: s _ <и = 5 0 о я 1 м 5 ГО О X О- о. ьс 5 £ и 5 го го
5 кг
Береза 89805 14200* а 6,32 9215S 18432
7,5кг
Береза 140185 21334* а 6,57 6,49 138458 27691
5 кг
Сухая 126252 19243* а 6,56 124887 24977
осина
Как видно из таблицы 15, полученные значения сопротивления закладки для среднего коэффициента сопротивления а = 6,49 довольно точно совпадают с измеренными результатами.
Тогда общая формула (22) приобретает окончательный вид:
R
Гзакл
= 17* 103 *
М
др
Р*Азакл*^ср
-* R0 * Kt (гОм) (27).
В таблице 16 представлены окончательные данные расчета сопротивлений печи ПДКШ-2,0 с закладкой березовых дров массой 5,0 кг.
Таблица 16.
Сопротивление ПДКШ-2,0 с закладкой березовых дров массой 5,0 кг
Номер участка Название. % (гОм) % (гОм)
1 Устройство замера входного воздуха 8210 S210
2 Внутреннее сопротивление печи без закладки дров 67735 106169
3 Закладка дров 18432 9215S
Суммарное сопротивление печи 94377 206537
Из таблицы 16 видно, что сопротивление холодной печи в два раза меньше горячей печи.
Г азодинамические характеристики печи ПДКШ-2,0
Расчет газодинамических характеристик печи проводился по формуле
(10):
4Р„= Е ( ZRti +ZRti) * V2 (Па) (10)
где: ДР„ - величина суммарной тяги трубы и печи (Па);
Е ( zRti +Rti) — суммарное сопротивление печи (гОм);
Е ( ZRoi +4>i) = 94377 (гОм);
Е ( ZRt1 +ZRti) = 206537 (Юм);
Vo — объем входного воздуха в печь при температуре 0 0С (м3/с).
На рисунке 5 приведен график зависимости падения давления на сопротивлении печи от количества входного воздуха для холодного и нагретого состояния печи.
Рисунок 5. Падение давления на сопротивлении печи ПДКШ-2,0
При расчетной суммарной тяге 24,0 Па через печь проходит 39 м3/час воздуха.
На рисунке 6 представлены графики горения 5,0 кг березовых дров в печи ПДКШ-2,0.
°с
450
400
550
300
250
200
150
100
50
О
Печь ПДКШ-2,0, дрова береза 5,0кг W=20-25%,THap=0°C
м3/с) (%)
к ** т ** -- — —
4 ( \ ✓ f
( у ле 4
9
• • « • S'
• •• • •• • • • •
•
45
40
35
30
25
20
15
10
5
О
------Твых(°С)
......02(%)
------Уо(мЗ/час)
О 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72
Время горения дров (мин)
мин
Рисунок 6. График горения дров в печи ПДКШ-2,0
5. Расчет газодинамических характеристик печи ПТО-2300
На рисунке 7 отображен разрез печи ПТО-2300. Печь ПТО-2300 классическая «прямоточка» с очень простой конструкцией газоходов.
Рисунок 7. Печь ПТО-2300
На рисунке показаны участки печи, сопротивление которых влияет на характеристики печи.
Составим таблицу 17 этих участков и их сопротивлений при температуре газов 0 0С и при реальных температурах газов на этих участках. В печи ПТО-2300 очень короткие газоходы, что приводит к большим температурам на выходе печи около 350 oq Считаем, что температура в топке примерно 1100 oq а остальные температуры изменяются пропорционально длине
канала.
Таблица 17.
Сопротивление печи ПТО-2300
Номер участка Название Размер (см2) Площадь (м!) Ro (гОм) Ч (гОм) Т (°С) К: Ч (гОм)
Устройст. замера входы. воздуха S210 0 1 8210
1 Поддувал. дверка 12,0*13,0 0,0156 0,5 2691 1346 0 1,0 1346
2 Г-колено 12,5*25 0,0312 1,5 664 996 0 1,0 996
3 Колосник 25*18 0,0158 (проход ная) 3,5 2587 9057 300 2,1 19019
4 Закладка дров 25*33 0,0825 95 27691 1100 5 138458
5 Г-колено 12,5*25 0,0312 1,5 664 996 750 3,75 3735
6 Г-колено 12,5*25 0,0312 1,5 664 996 600 3,2 3187
7 Г-колено 12,5*25 0,0312 1,2 664 797 500 2,83 2245
8 Сужение канала 12,5*12,5 0,0156 0,17 2691 457 450 2,65 1212
9 Расширение канала 12,5*12,5 0,0156 0,25 2691 672 400 2,47 1648
10 Каналы печи 12,5*25 (1Д2м) 0,0312 0,7 664 464 750 3,75 1140
11 12,5*25 (0,9 м) 0,0312 0,8 664 531 450 2,65 1407
Всего 52213 182603
Сопротивление закладки дров определялось для случая сжигания 7,5 кг березовых дров длиной 33 см, средним диаметром dcp = 7,7 см и W = 20-25 %. Плотность таких дров ~ р = 670-690 кг/м3. Согласно выражению (27) сопротивление закладки дров имеет вид:
Rtaa™ = 17* 103 * Л" , * Ro * К (гОм) (27),
Р*А закл*“ср
где: Азакл = 0,33*0,25 = 0,085 (м2),
Kt = 5 (для температуры газов 1100 0С). После подстановки получим:
ЯСзакл = 17* 103 * ---------* 95 * 5 = 138458 (гОм) (28):
сзакл 670*0,085*7,7 v ’ v ’
Ro закл = 27691 (гОм) (29).
Из таблицы видно, что наибольшим сопротивлением в печи ПТО-2300 обладает закладка дров в горящем состоянии (138458 гОм) и колосник (19019 гОм). Сопротивления остальных участков печи значительно меньше. Суммарное сопротивление холодной печи (44000 гОм без учета сопротивления входного измерительного устройства) при этом увеличивается в три раза.
Рассчитаем величину «самотяги» печи ПТО-2300.
На рисунке 8 представлен разрез печи ПТО-2300, показаны характерные участки газоходов. В таблице 18 приведена длина этих участков, примерные температуры и расчетные величины «самотяги» этих участков.
Рисунок 8. Самотяга печи ПТО-2300
Величина «самотяги» определялась по формуле:
1 1
Sn=C * Ро * hn (- - — ) (Па) ,
Тв Тг
где: Sn - величина «самотяги» вертикального участка печи (Па), hn - длина вертикального участка печи (м),
ро- атмосферное давление =100000Па,
Тв - температура наружного воздуха (К),
Тг - средняя температура газов в канале (К),
С = 0,0342.
Достаточная точность этой формулы подтверждена в работе [6].
Таблица 18.
Тяга и «самотяга» печи ПТО-2300
Номер участка Длина (м) Средняя температура (°С)' Величина тяги («самотяги») (Па) Потери в трубе (10%) (Па) Суммарная тяга трубы и печи (Па)
1 0:63 875 6.1
2 0,49 675 4,3
3 0,84 425 6,3
Суммарная «самотяга» печи 16,7
Труба «четверик» 3,5 300 23 2,3 37,4
5 280 31,6 3,2 45,1
7,5 240 44 4,4 56,3
Как видно из таблицы суммарная величина «самотяги» печи примерно равна 17,0 Па.
Печь ПТО-2300 эксплуатируется с кирпичной трубой «четверик» высотой
3,5 м. Температура дымовых газов на входе в трубу примерно 350 0С. На каждом метре трубы падает 30-35 ос [7]. Тогда при средней температуре в трубе 300 ос тяга трубы будет равна 23 Па. Потери на трение в печной трубе «четверик» составляют примерно 10 % [6].
На рисунке 3 приведены графики падения давления на печи ПТ-2300 в зависимости от количества воздуха, проходящего через печь для холодного и горячего состояний печи, и для разной длины печной трубы, построенные по результатам расчетов таблиц 17 и 18.
Рисунок 9. Газодинамические характеристики печи ПТО-2300
Из рисунка 9 видно, что при работе печи с трубой 3,5 м при суммарной тяге примерно 37 Па через печь должен проходить воздух в количестве 51 м3/час. При трубе 5,0 м и 7,5 м количество входного воздуха соответственно 56,0 м3/час и 63,0 м3/час.
Полученные данные достаточно точно подтверждаются результатами испытаний печи ПТО-2300. На рисунке 10 приведены графики испытаний печи ПТО-2300.
Из графиков видно, что количество входного воздуха в печь меняется от 40 м3/час до 55 м3/час. Для среднего установившегося режима при тяге трубы около 18-19 Па расход воздуха равен около 50 м3/час. Реальные замеренные величины тяги несколько меньше расчетной величины. Это можно объяснить большими потерями давления в кирпичной трубе, чем принято в таблице 18. Печь давно эксплуатируется, и труба ни разу не чистилась.
Для полученного расчетом значения количества воздуха, поступающего в печь V0 =50 м3/час, составим таблицу 19 значений числа Рейнольдса для сечений печи ПТО-2300.
Таблица 19.
Скорость воздуха (газов) и число Рейнольдса в печи ПТО-2300
Номер участка Название Размер (см2) Площадь (м2) % (гОм) V0 (м/с) Re0 Т (°С) Kt •v* vr (м/с) Кощ> Ret
1 Подц. дверка 12,0*13,0 0,0156 1346 0,89 8130 0 1 0,89 1 8130
2 Г-колено 12,5*25 0,0312 996 0,45 5430 0 1 0,45 1 5430
3 Колосник 25*18 0,0158 (проходная) 9057 0,88 7070 300 2,1 1,85 0,62 4380
4 Закладка дров 25*35 0,0825 27691 0,78 1100 5 3,92
5 Г-колено 12,5*25 0,0312 996 0,45 5430 750 3,75 1,69 0,45 2440
6 Г-колено 12,5*25 0,0312 996 0,45 5430 600 3.2 1,44 0,48 2600
7 Г-колено 12,5*25 0,0312 797 0,45 5430 500 2,83 1,28 0,51 2770
8 Сужение канала 12,5*12,5 0,0156 457 0,89 8130 450 2,65 2,39 0,53 4300
9 Расширен. канала 12,5*12,5 0,0156 672 0,89 8130 400 2,47 2.2 0,56 4550
10 Каналы печи 12,5*25 (1Д2м) 0,0312 464 0,45 5430 750 3,75 1,69 0,45 2440
11 12,5*25 (0,9м) 0,0312 531 0,45 5430 450 2,65 1.2 0,53 2880
Как видно из таблицы, для некоторых сечений печи 12,5*25 (0,0312 м2) при нагреве печи число Рейнольдса снижается до 2440. Это граница начала ламинарного режима движения газов. Это приводит к уменьшению сопротивления этих участков и к снижению падения давления на них. Все это и приводит при прогреве печи к увеличению количества воздуха, проходящего через печь даже при уменьшении тяги трубы с 20,0 Па до 15,0 Па.
Выводы
В работе решена задача по разработке метода расчета падений давления на сопротивлении бытовой печи, основанного на принципе прохождения через все участки печи одинакового по величине объема воздуха (газов). Получены аналитические выражения для расчета сопротивлений и падений давления как для отдельных участков печи, так и для всей печи, позволяющие построить
газодинамическую характеристику всей печи. Результаты расчетов
по предлагаемой методике подтверждаются испытаниями печи ПТО-2300.
Список литературы:
1. ГОСТ 2127-47. Печи отопительные теплоемкие / [Электронный ресурс]. -Режим доступа: URL: http://www.artdek.ru/template/txtgost/4.pdf (дата обращения: 15.07.2015).
2. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1992.
3. Нагорский Д.В. Общая методика расчета печей. - М., 1941.
4. Талиев В.Н. Аэродинамика вентиляции. - М.: Стройиздат, 1979.
5. Хошев Ю.М. Дровяные печи. - М., 2014.
6. Шевяков В.В. Исследование свойств дымовой трубы для бытовой печи.
Выбор параметров трубы // Молодой ученый. - 2015. - № 17 / [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: http://
www.moluch.ru/archive/97/21774/ (дата обращения: 01.10.2015).
7. Шевяков В.В. Конденсат в трубе бытовой печи при горении дров // Universum: Технические науки. - 2015. - № 6 / [Электронный ресурс]. -Режим доступа: URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/2254 (дата обращения: 25.07.2015).
References:
1. GOST 2127-47. Heating warmly spacious ovens. Available at:
http://www.artdek.ru/template/txtgost/4.pdf (accessed: 15 July 2015).
2. Idel'chik I.E. Handbook of hydraulic resistance. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1992. (In Russian).
3. Nagorskii D.V. General method of oven calculation. Moscow, 1941.
(In Russian).
4. Taliev V.N. Aerodynamics ventilation. Moscow, Stroiizdat Publ., 1979.
(In Russian).
5. Khoshev Iu.M. Wood oven. Moscow, 2014. (In Russian).
6. Sheviakov V.V. Studying the properties of the chimney for household ovens. The choice of parameters of the pipe. Molodoi uchenyi [Young scientist], 2015, no. 17. Available at: http:// www.moluch.ru/archive/97/21774/ (accessed: 01 October 2015).
7. Sheviakov V.V. Condensation in the tube oven at home burning firewood.
Universum: Tekhnicheskie nauki [Universum: Technical Sciences], 2015, no. 6. Available at: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/2254 (accessed:
25 July 2015).
