CC BY
370
КОНДЕНСАТ В ТРУБЕ БЫТОВОЙ ПЕЧИ ПРИ ГОРЕНИИ ДРОВ
Шевяков Владимир Викторович
канд. техн. наук, РФ, г. Москва E-mail: shevvladimir@gmail. com
CONDENSATE IN THE CHIMNEY OF HOUSEHOLD OVEN IN FIREWOOD BURNING
Vladimir Shevyakov
Candidate of Engineering Sciences,
Russia, Moscow
АННОТАЦИЯ
Цель работы — определение условий возникновения конденсата в дымовой трубе бытовой печи при горении дров. Оценка тепловых потерь в кирпичной трубе и трубе «сэндвич» и определение минимально допустимых температур на входе в трубу в зависимости от типа и высоты трубы.
ABSTRACT
The aim of the article is to identify the conditions of condensate appearance in the chimney of household oven during firewood burning. Determination of thermal losses in brick chimney and "sandwich" chimney and determining the minimum permissible temperature at the chimney nose depending on the type and height of the chimney.
Ключевые слова: влага в древесине, конденсат, кирпичная труба, труба «сэндвич», тепловые потери в трубе.
Шевяков В.В. Конденсат в трубе бытовой печи при горении дров // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2015. № 6 (18) . URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/2254
Keywords: water in timber, condensate, brick chimney, "sandwich" chimney, thermal losses in the chimney.
В продуктах горения древесины имеется довольно большое количество паров воды, которые, при снижении температуры дымовых газов, могут конденсироваться в печной трубе. Конденсат в смеси с дымом имеет черный цвет и разрушает кирпичи трубы. Температура, при которой водяные пары, содержащиеся в дымовых газах, конденсируются в воду, называется точкой росы. Для каждого количества водяных паров в дымовых газах существует своя точка росы, т. е. своя конкретная температура. Эта температура зависит от концентрации водяных паров в дымовых газах, т. е. определяется плотностью насыщенного пара и выражается в килограммах или в граммах на метр кубический.
На рисунке 1 представлен график точки росы — взаимосвязь температур и различных концентраций насыщенного пара в воздухе.
Рисунок 1. График точки росы
Так как печь сообщается с атмосферой, то давление в печи равно атмосферному, т. е. не более 1 атм. В этом случае температура кипения воды не превышает 100 0С. При этом максимальная плотность насыщенного водяного пара составит 590 г/м3.
Для определения температуры, при которой из дымовых газов выпадает конденсат, необходимо определить плотность водяного пара в дымовых газах. Плотность водяного пара в дымовых газах зависит от относительной влажности (W %), от коэффициента избытка воздуха (а) и от температуры самих газов. На рисунке 2 в таблице приведены характеристики дров при их разной (относительной) влажности.
W (%) Он (ккал) Количество воды в 1кг дров (г) Кол. сухой горючей массы в 1 кг дров (кг) Кол. тепла, затрачиваемого на испарение воды в дровах (ккал) Кол. ВОДЫ В дымовых газах при сгорании сухой части дров (г) Кол. воды в дымовых газах при сгорании кг дров (г) Масса воздуха при стехиометрическом горении (кг) Объем воздуха при стехиометртеском горении (кг) Объем продуктов горения (м3) (+доп. объем газов к воздуху м3) т 2, ш о 1*1 Е а А со 0 1 А «t § 3! \о О с о =t Примем.
0 4400 0 1 0 549 549 5,96 4,62 5.4 0.78 Искусственно высушенные.
10 3900 100 0.9 55 494 594 5,4 4,15 5,0 0,85
15 3650 150 0,85 82.5 467 617 5,1 3,9 4,8 0.9 Подсушенные в помещении.
20 3400 200 0.8 110 439 639 4,8 3,7 4,58 0.88 Годовалые под навесом.
25 3150 250 0,75 137,5 412 662 4,5 3,5 4,35 0,85
30 2900 300 0,7 165 384 684 4,2 3,23 4,18 0.88
35 2650 350 0,65 192,5 357 707 3,9 3,0 3,9 0,9
40 2400 400 0.6 220 329 729 3,6 2,8 3,73 0,93
Рисунок 2. Таблица. Характеристики дров
Из таблицы видно, что влага в дымовых газах состоит из двух составляющих: это влага, образующаяся при сгорании водорода, входящего
в химический состав сухой части дров, и самой влаги в виде воды в дровах. С ростом влажности дров растет и суммарная влага в дымовых газах.
Воспользуемся полученными из таблицы формулами. При сгорании 1 кг
дров, учитывая температуру дымовых газов, получим:
Р (W, а,)
Мвод
Угор
М(Н2+О)+М(Н2О) 273 , ,
— ----------L-—-— *--------(г/м3)
a*(4,61-0,046W)+0,89 Т+273 v ’
(1)
где: р (W, а,) — плотность насыщенного пара (г/м3);
М(Н2+О) — масса паров воды в дымовых газах, образующаяся при сгорании сухой части дров (г);
М(Н2О) — масса паров воды в дымовых газах, образующаяся при испарении воды из влажной древесины (г);
Угор=Увх+Удоп — объем продуктов горения при стехиометрическом горении дров (м3);
Увх — объем входного воздуха при стехиометрическом горении (м3);
Удоп — дополнительный объем дымовых газов, Удоп=0,89 м3(средняя величина при влажности дров 20—40 %)
а — коэффициент избытка воздуха;
Т — температура газов (0С).
Так как влажность входящего в печь воздуха мала, то она в формуле не учитывается. Величины: относительная влажность дров (W), коэффициент избытка воздуха (а) и температура газов (Т) — оказывают разное влияние на плотность водяного пара в дымовых газах.
Увеличение влажности дров с 20 % до 40 % увеличивает количество влаги с 639 г до 729 г., т. е. увеличивается на 14 %. Увеличение температуры с 20 0С до 100 ос снижает количество водяного пара на 24 %. Самым сильным фактором, влияющим на плотность водяного пара, является коэффициент избытка воздуха (а). Необходимо выбрать такие значения влажности, коэффициента избытка воздуха и температуры, при которых получается максимальная плотность водяного пара. Сгорание дров — процесс
не стабильный по времени. На начальном участке примерно 1/3 от всего времени процесса горения дров будет максимальная концентрация водяных паров и минимальный коэффициент избытка воздуха «альфа». Это связано с тем, что на участке примерно 2/3 от всего времени горении закладки выгорает большая часть летучих, а на начальном участке 1/3 испаряется почти вся влага в дровах. На этом же участке «альфа» может быть равна 1,3—1,5. Тогда формула плотности водяного пара для наихудшего случая при влажности W=40 % будет иметь вид:
Р (W, а,Т)=
1,3*М(Н2+О)+30*( W=40%) 1,3*(4,61-0,046*40)+0,89
273
*------
Т+273
(г/м3)
Р (W, а,Т)=
1630
4,53
*
р (W, а,Т) =360 *
273
Т+273
273
Т+273
(г/м3) (3) (г/м3) (4)
(2)
Построим график плотности водяного пара и наложим его на график точки
росы.
Рисунок 3. График реальной точки росы
Из графика видно, что в этом случае температура дымовых газов должна быть не ниже 80 0С. Задавая некоторый запас в 10—12 % получим минимальную температуру дымовых газов на выходе из трубы: Ттр.вых.мин = 90 0С. Это значение близко к полученному в [2] (70—75 0С ).
Эта та минимальная температура, которая должна быть в дымовой трубе в самой холодной ее части. Это, как правило, верхняя часть трубы.
Для правильной оценки нужной минимальной температуры на выходе из печи или на входе в трубу, необходимо учитывать падение температуры в самой дымовой трубе. Данные по тепловым потерям в дымовой трубе, которые приводятся в технической литературе и часто используются для расчетов труб в бытовых печах, относятся к дымовым трубам для котельных установок. При этом используют известную формулу из [1].
где: В — коэффициент, зависящий от типа трубы;
Qч — мощность отопительной установки (кВт):
При этом рассматриваются три типа дымовых труб:
1. Неизолированная металлическая труба; — (В=0,85)
2. Изолированная металлическая труба; — (В=0,34)
3. Кирпичная труба с толщиной кладки до 0,5 м. — (В=0,17)
Из приведенной формулы видно, что на кирпичной трубе падает меньше всего температуры.
Подставляя значение мощности печи в формулу для кирпичной дымовой трубы, получаем весьма небольшие падения температуры. Всего несколько градусов на один погонный метр трубы. В [4, с. 31 ]рекомендуется взять для расчетов значение 1—1,5 град/метр для кирпичной трубы.
Но режим работы дымовой трубы в котельной установке сильно отличается от режима работы в бытовой печи. В котельных установках режим сгорания топлива поддерживается постоянным и температуру на входе в дымовую трубу задают и поддерживают минимально допустимой.
ДТ=
В
(0С/метр)
(5)
При этом исходят из требований минимальных потерь с уходящими газами и из условий отсутствия конденсата, труба постоянно прогрета. Поэтому там падения температуры небольшие.
В бытовой печи температура на входе в трубу, за время сгорания дров, может изменяться в широких пределах. Греется дымовая труба только в моменты топки печи. Падение температуры на трубе зависит от величины входной температуры в трубу, которая может значительно меняться в процессе сгорания дров. Чем выше входная температура, тем больше будет теплопоглощение стенками трубы и тем больше будет падение температуры в трубе. Кроме того, конструктивно дымовые трубы бытовой печи сильно отличаются от котельных дымовых труб. Кирпичные трубы для бытовой печи делаются, как правило, в 0,5 кирпича. А кирпичные трубы для котельных установок более толстые. Поэтому в трубах совсем разные тепловые потери. Тем более, никак нельзя приравнивать трубу «сэндвич» к изолированной металлической трубе для котельных установок. Они конструктивно совсем разные.
В [2] приводятся расчетные значения падения температур в кирпичной трубе, сечение которой выбрано согласно рекомендациям по скорости прохождения дымовых газов около 2 м/сек. Падение температуры составляет 20—25 0С. При этом падение температуры на «сэндвиче» принимается всего несколько градусов на метр [1].
Все выше изложенное потребовало экспериментальной проверки реального падения температуры на кирпичной трубе и на трубе «сэндвич» для бытовых печей. Были разработаны и изготовлены приборы для замеров температур на трубе. На рисунке 4 приведена электрическая схема приборов.
Схема измерения состоит из двух блоков. Один — основной, установлен на входе в трубу, другой — выносной, установлен на верхней части трубы. Температуры измеряются с помощью цифровой головки PMLCDL на нижнем основном блоке.
В качестве датчика температуры использовались термопары тип К (хромель-алюмель), работающие с микросхемой AD8495. Точность измерения температур ± 1,0—1,5 %. Установка приборов для измерения температур на входе в трубу и на выходе из трубы «сэндвич» показана на рисунках 5 и 6.
Рисунок 5. Основной блок
Рисунок 6. Выносной блок
На рисунке 7 приведен график падения температуры на одном метре кирпичной трубе «четверик» в градусах и в процентах в зависимости от входной температуры трубы при испытании печи ПТО-2300.
Рисунок 7. График потерь температуры на кирпичной трубе «четверик»
Из графика рисунка 7 видно, что на выходе печи ПТО-2300 очень высокие температуры. Это связано с тем, что в печи очень короткие газоходы. Г орячие газы не успевают в достаточной мере охладиться перед входом в трубу. Падение температуры на 1 м дымовой кирпичной трубы ДТтр (1,0 м) почти пропорционально зависит от входной температуры на трубе и незначительно снижается в процентах от времени прогрева трубы. Максимальное значение перепада температуры в данном случае составляет 34 0С и соответствует температуре на входе трубы Твх. тр. 365 oq. Это значение в процентах от входной температуры (ДТтр (1,0 м) (%)) равно 9,5 %. Из графика рисунка 7 видно, что падение температуры на 1,0 м трубы в процессе сгорания дров в процентах от входной температуры меняется незначительно — от 9,5 % до 6,5 %. Среднее значение падения температуры на 1,0 м кирпичной трубы за все время горения дров равно 8,0 %. Т. е. за время сгорания дров дымовая кирпичная труба практически не успевает заметно прогреться.
Для расчетов можно взять среднее значение температуры в процентах на начальном участке 1/3 от всего процесса сгорания дров. Эта величина равна 8,9 % от входной температуры. Примем для расчетов 9,0 %.
Тогда можно записать:
Ттр. вх. мин= Ттр. вых. мин+
9,0*Нтр*Ттр.вх.мин
100
(0С)
(6);
где: Нтр — высота дымовой трубы в метрах;
После подстановки и преобразования получим:
90 0С
Ттр. вх. мин
1—0,09*Нтр
(0С)
(7);
На рисунке 8 приведен график падения температуры на одном метре трубы «сэндвич» в градусах и в процентах в зависимости от входной температуры трубы при испытании печи ПДКШ 2,0.
Труба «сэндвич» длиной 3 м, диаметр внутренний — 110 мм, наружный 200 мм.
Рисунок 8. График потерь температуры на трубе «сэндвич»
Из графика рисунка 8 видно, что падение температуры на 1,0 м трубы «сэндвич» на начальном коротком этапе сгорания дров (4—6 мин) равно 18,0 0С и в процентах от входной температуры трубы составляет примерно 10 %. Но в процессе сгорания дров труба «сэндвич» быстро прогревается, и падение температуры на ней уменьшается с 180С до 4,0 0Q а в процентах снижается с 10 % до 1,7 %. Среднее значение падения температуры на 1,0 м трубы за все время горения дров равно 4,5 %.
Для расчетов конденсата можно взять среднее значение температуры в процентах на начальном участке 1/3 от всего процесса сгорания дров. Эта величина примерно равна 7,0 %. По аналогии с кирпичной трубой для трубы «сэндвич» можно записать:
Ттр.вх.мин
90 0С
1—0,07*Нтр
(0С)
(8)
Тогда общая формула падения температуры на дымовых трубах бытовой печи будет выглядеть:
QO °Г* „
Ттр.вх.мин =--------(0С) (9) ;
где: В — (м-1) — коэффициент типа трубы;
В =0,09 - для кирпичной трубы;
В = 0,07 — для трубы «сэндвич».
На рисунке 9 приведен график значений минимальной температуры на входе в трубу для кирпичной трубы и трубы «сэндвич» в зависимости от высоты трубы.
Рисунок 9. График значений минимальной температуры на входе в дымовую трубу
Выводы:
1. При проектировании печей необходимо обязательно учитывать падение температуры на дымовой трубе.
2. Среднее падение температур на кирпичной трубе за время полного сгорания дров почти в два раза выше, чем на трубе «сэндвич». Кирпичная труба за время горения дров практически не успевает прогреться.
3. Температуры на выходе из печи выше рекомендуемых приводят к лишним потерям с уходящими газами, а ниже — могут приводить к конденсату.
4. Для печей, рассчитанных на работу в режиме «медленного горения» необходимо применять трубы «сэндвич».
Список литературы:
1. Аэродинамический расчет котельных установок. Естественная тяга
/ [Электронный ресурс]. — Режим доступа: URL: http: //proekt-
gaz.ru/_fr/24/_.pdf (дата обращения: 15.04.215).
2. Бацулин А.Ф. Конденсат в дымоходе и точка росы / [Электронный ресурс]. — Режим доступа: URL: http://kirpichiki.pro/read/articles/kondensat-v-dymokhode.html (дата обращения: 15.04.215).
3. Нагорский Д.В. Общая методика расчета печей. — М.—Л., 1941.
4. Овечкин Б.Б. Основы теплотехники. Перенос энергии и массы. — Томск : Издательство ТПУ, 2009.
5. Щеголев М.М. Топливо, топки и котельные установки. — М., 1953.
