Дымовая труба, расчет
При устройстве печи в идеале хочется иметь такую конструкцию, которая автоматически давала бы столько воздуха, сколько надо для горения. С первого взгляда, это можно сделать с помощью дымовой трубы. Действительно, чем более интенсивно горят дрова, тем больше должно быть горячих дымовых газов, тем больше должна быть и тяга (модель карбюратора). Но это не так. Тяга вовсе не зависит от количества образующихся горячих дымовых газов. Тяга — это перепад давления в трубе от оголовка трубы до топливника. Определяется же она высотой трубы и температурой дымовых газов, а точнее — их плотностью.
Тягу определяют по формуле:
F= A(pв — pд) h
где F — тяга, А — коэффициент, pв— плотность наружного воздуха, pд — плотность дымовых газов, h — высота трубы
Плотность дымовых газов рассчитывают по формуле:
pд = pв (273+tв) / (273+tд)
где tв и tд — температура в градусах Цельсия наружного атмосферного воздуха вне трубы и дымовых газов в трубе.
Скорость движения дымовых газов в трубе (объёмный расход, то есть засасывающая способность трубы) G вовсе не зависит от высоты трубы и определяется разностью температур дымовых газов и наружного воздуха, а также площадью поперечного сечения дымовой трубы. Отсюда следует ряд практических выводов.
Видео: расчет дымовой трубы при естественной тяге 2часть
Во-первых, дымовые трубы делают высокими вовсе не для того, чтобы повысить расход воздуха через топливник, а только для увеличения тяги (то есть перепада давления в трубе). Это очень важно для предотвращения опрокидывания тяги (дымления печи) при ветровом подпоре (величина тяги должна всегда превышать возможный ветровой подпор).
Во-вторых, регулировать расход воздуха удобно с помощью устройств, изменяющих площадь живого сечения трубы, то есть с помощью задвижек. При увеличении площади поперечного сечения канала дымовой трубы, например, вдвое — можно ожидать примерно двукратного увеличения объёмного расхода воздуха через топливник.
Поясним это простым и наглядным примером. Имеем две одинаковые печи. Объединяем их в одну. Получаем вдвое большую печь с удвоенным количеством горящих дров, с двукратными расходом воздуха и площадью поперечного сечения трубы. Или (что является тем же самым), если в топливнике разгорается всё больше дров, то необходимо всё больше и больше открывать задвижки на трубе.
В-третьих, если печка горит нормально в установившемся режиме, а мы добавочно пустим в топливник поток холодного воздуха мимо горящих дров в трубу, то дымовые газы тотчас охладятся, и расход воздуха через печь сократится. При этом горящие дрова начнут затухать. То есть мы вроде бы непосредственно на дрова не влияем и направляем дополнительный поток мимо дров, а получается так, что труба может пропустить меньше дымовых газов, чем раньше, когда этот дополнительный поток воздуха отсутствовал. Труба сама сократит поток воздуха на дрова, что был ранее, и к тому же не пустит добавочный поток холодного воздуха. Иными словами, дымовая труба запрётся.
Видео: Как прывильно выбрать и расчитать дымоход для твердотопливного котла
Вот почему так вредны подсосы холодного воздуха через щели в дымовых трубах, излишние потоки воздуха в топливнике да и вообще какие-либо теплопотери в дымовой трубе, приводящие к снижению температуры дымовых газов.
В-четвёртых, чем больше коэффициент газодинамического сопротивления дымовой трубы, тем меньше расход воздуха. То есть стенки дымовой трубы желательно выполнять как можно более гладкими, без завихрений и без поворотов.
В-пятых, чем меньше температура дымовых газов, тем более резко изменяется расход воздуха при колебаниях температуры дымовых газов, что и объясняет ситуацию неустойчивости работы трубы при розжиге печи.
В-шестых, при высоких температурах дымовых газов расход воздуха не зависит от температуры дымовых газов. То есть при сильном разгорании печи расход воздуха перестаёт увеличиваться и начинает зависеть только от сечения трубы.
Вопросы неустойчивости возникают не только при анализе тепловых характеристик трубы, но и при рассмотрении динамики газовых потоков в трубе. Действительно, дымовая труба представляет собой колодец, заполненный лёгким дымовым газом. Если этот лёгкий дымовой газ поднимается вверх не очень быстро, то не исключена вероятность того, что тяжёлый внешний воздух может попросту утонуть в лёгком газе и создать падающий нисходящий поток в трубе. Особенно вероятна такая ситуация при холодных стенках дымовой трубы, то есть во время розжига печи.
Рис. 1. Схема движения газов в холодной дымовой трубе: 1 — топливник- 2 — подача воздуха через поддувало- 3—дымовая труба- 4 — задвижка- 5 — каминный зуб- 6—дымовые газы- 7—проваливающийся холодный воздух- 8 — поток воздуха, вызывающий опрокидывание тяги.
а) гладкая открытая вертикальная труба
б) труба с задвижкой и зубом
в) труба с верхней задвижкой
Сплошные стрелки — направления движения лёгких горячих дымовых газов. Пунктирные стрелки — направления движения нисходящих потоков холодного тяжёлого воздуха из атмосферы.
На рис. 1а схематически изображена печь, в которую подаётся воздух 2 и выводятся через дымовую трубу дымовые газы 6. Если поперечное сечение трубы велико (или скорость движения дымовых газов мала), то в результате какой-либо флуктуации в трубу начинает проникать холодный тяжёлый атмосферный воздух 7, достигая даже топливника. Этот падающий поток может заменить «штатный» поток воздуха через поддувало 2. Даже если печь будет заперта на все дверцы и все заслонки воздухозаборных отверстий будут закрыты, то всё равно печь может гореть за счёт поступающего сверху воздуха. Кстати, именно так часто и бывает при догорании углей при закрытых дверях печей. Может даже произойти полное опрокидывание тяги: воздух будет поступать сверху через трубу, а дымовые газы — выходить через дверцу.
Видео: Как расчитать высоту дымохода!
В действительности же на внутренней стенке дымовой трубы всегда имеются неровности, наросты, шероховатости, при соударении с которыми дымовые газы и встречные нисходящие холодные воздушные потоки взвихриваются и перемешиваются друг с другом. Холодный нисходящий поток воздуха при этом выталкивается или, нагреваясь, начинает подниматься вверх вперемешку с горячими газами.
Эффект разворачивания нисходящих потоков холодного воздуха вверх усиливается при наличии частично открытых задвижек, а также так называемого зуба, широко применяемого в технологии изготовления каминов (рис. 1б). Зуб препятствует поступлению холодного воздуха из трубы в каминное пространство и предотвращает тем самым дымление камина.
Нисходящие потоки воздуха в трубе особенно опасны в туманную погоду: дымовые газы не в состоянии испарить мельчайшие капельки воды, охлаждаются, тяга снижается и может даже опрокинуться. Печь при этом сильно дымит, не разгорается.
По той же причине сильно дымят печи с сырыми дымовыми трубами. Для предотвращения возникновения нисходящих потоков особенно эффективны верхние задвижки (рис. 1в), регулируемые в зависимости от скорости дымовых газов в дымовой трубе. Однако эксплуатация таких задвижек неудобна.
Рис. 2. Зависимость коэффициента избытка воздуха а от времени протопки печи (сплошная кривая). Пунктирная кривая — потребный расход воздуха Gпотр для полного окисления продуктов сгорания дров (в том числе сажи и летучих веществ) в дымовых газах (в относительных единицах). Штрих-пунктирная кривая — реальный расход воздуха Gтрубы обеспечиваемый тягой трубы (в относительных единицах). Коэффициент избытка воздуха является частным отделения Gтрубы на Gпотр
Устойчивая и достаточно сильная тяга возникает только после прогрева стенок дымовой трубы, на что требуется значительное время, Так что в начале протопки воздуха всегда не хватает. Коэффициент избытка воздуха при этом меньше единицы, и печь дымит (рис. 2). И наоборот: по окончании протопки дымовая труба остаётся горячей, тяга долго сохраняется, хотя дрова уже практически сгорели (коэффициент избытка воздуха — больше единицы). Металлические печи с металлическими утеплёнными дымовыми трубами быстрее выходят на режим ввиду малой теплоёмкости по сравнению с кирпичными трубами.
Анализ процессов в дымовой трубе можно продолжить, но уже и так ясно, что как бы ни хороша была сама печь, все её достоинства могут быть сведены к нулю плохой дымовой трубой. Конечно, в идеальном варианте дымовую трубу надо было бы заменить современной системой принудительной вытяжки дымовых газов с помощью электрического вентилятора с регулируемым расходом и с предварительной конденсацией влаги из дымовых газов. Такая система помимо прочего могла бы очищать дымовые газы от сажи, окиси углерода и других вредных примесей, а также охлаждать сбрасываемые дымовые газы и обеспечивать рекуперацию тепла.
Но всё это — в далёкой перспективе. Для дачника и садовода дымовая труба порой и так может стать намного дороже самой печи, особенно в случае отопления многоуровневого дома. Банные дымовые трубы обычно попроще и покороче, но уровень тепловой мощности печи может быть очень большим. Такие трубы, как правило, сильно прогреты по всей длине, из них часто вылетают искры и пепел, но выпадение конденсата и сажи незначительно.
Если вы пока планируете использовать банное здание только как баню, то трубу можно делать и неутеплённой. Если же баня задумывается вами и как место возможного пребывания (временного проживания, ночёвок), особенно зимой, то целесообразнее трубу сразу делать утеплённой, причём качественно, «на всю жизнь». Печки при этом можно менять хоть каждый день, подбирать конструкцию поудачней и по-нужнее, а труба будет одна и та же.
По крайней мере, если печка работает в режиме длительного горения {тления дров), то утепление трубы абсолютно обязательно, поскольку при низких мощностях (1 — 5 кВт) неутеплённая металлическая труба станет совсем холодной, будет обильно течь конденсат, который в самые сильные морозы может даже замёрзнуть и перекрыть льдом трубу. Это особенно опасно при наличии искроуловительной сетки и зонтов с малыми проходными зазорами. Искроуловители целесообразны при интенсивных протопках летом и крайне опасны при слабых режимах горения дров зимой. По причине возможного забивания труб льдом установка дефлекторов и зонтов на печных трубах была запрещена в 1991 году (а на дымоходах газовых печей ещё раньше).
По тем же соображениям не стоит увлекаться высотой трубы — уровень тяги не так уж важен для безоборотной банной печи. Если же она будет поддымливать, всегда можно быстро проветрить помещение. А вот высоту над коньком крыши (не менее 0,5 м) следует соблюсти обязательно для предотвращения опрокидывания тяги при порывах ветра. На пологих же крышах труба должна выступать над снежным покровом. Во всяком случае лучше иметь трубу пониже, но потеплее (чем повыше, но холоднее). Высокие трубы зимой всегда холодные и опасные в эксплуатации.
Холодные дымовые трубы имеют массу недостатков. В то же время неутеплённые, но не очень длинные трубы на металлических печах при растопке прогреваются быстро (много быстрее, чем кирпичные трубы), остаются горячими при энергичной протопке и поэтому в банях (и не только в банях) применяются очень широко, тем более что они относительно дёшевы. Асбоцементные трубы на металлических печах не используют, так как они имеют большой вес, а также разрушаются при перегреве с разлётом осколков.
Рис. 3. Простейшие конструкции металлических дымовых труб: 1 — металлическая круглая дымовая труба- 2 — искроуловитель- 3 — колпак для защиты трубы от атмосферных осадков- 4 — стропила- 5 — обрешётка крыши- 6 —деревянные бруски между стропилами (или балками) для оформления противопожарного проёма (разделки) в крыше или перекрытии (при необходимости)- 7 — конёк крыши- 8 — мягкая кровля (рубероид, гидростеклоизол, мягкая черепица, гофрированные картонно-битумные листы и т.п.)- 9 — металлический лист для настила крыши и перекрытия проёма (допускается использовать плоский лист ацеида — асбоцементную электроизоляционную доску)- 10 — металлическая водоотводная накладка- 11 — асбестовая герметизация зазора (стыка)- 12 — металлический колпак-выдра- 13 — потолочные балки (с заполнением пространства утеплителем)- 14 — обшивка потолка- 15 — пол чердака (при необходимости)- 16 — металлический лист потолочной разделки- 17 — металлические усиливающие уголки- 18 — металлическая крышка потолочной разделки (при необходимости)- 19 — утеплитель негорючий термостойкий (керамзит, песок, перлит, минвата)- 20 — защитная накладка (металлический лист по слою асбестового картона толщиной 8 мм)- 21 — металлический экран трубы.
а) нетеплоизолированная труба-
б) теплоизолированная экранированная труба с сопротивлением теплопередаче не менее 0,3 м2-град/Вт (что эквивалентно толщине кирпича 130 мм или толщине утеплителя типа минваты 20 мм).
На рис. 3 представлены типичные монтажные схемы неутеплённых металлических труб. Саму трубу следует приобретать из нержавеющей стали толщиной не менее 0,7 мм. Наиболее ходовой диаметр российской трубы — 120 мм, финской — 115 мм.
По ГОСТ 9817-95 площадь поперечного сечения многооборотной дымовой трубы должна составлять не менее 8 см2 на 1 кВт номинальной тепловой мощности, выделяющейся в топке при горении дров. Эту мощность не следует путать с тепловой мощностью теплоёмкой печи, выделяющейся с наружной кирпичной поверхности печи в помещение по СНиП 2.04.05-91. Это — одно из многочисленных недоразумений наших нормативных документов. Поскольку теплоёмкие печи обычно топятся лишь 2-3 часа в сутки, то мощность в топке примерно в десять раз больше мощности выделения тепла с поверхности кирпичной печи.
В следующий раз мы поговорим об особенностях монтажа дымовых труб.
