Основы аэродинамического расчета дымовых труб

После определения высоты дымовой трубы и ее выходного диаметра следующей задачей является выбор оптимальной геометрии ее дымового канала посредством выполнения аэродинамического расчета. Аэродинамические режимы работы труб отражаются на выборе их конструкции, что связано прежде всего с распределением статических давлений по высоте дымового канала. Аэродинамические характеристики дымовых труб существенно сказываются как на общем сопротивлении газоотводящего тракта, так и на степени агрессивного воздействия дымовых газов на конструкции труб.

Для определения аэродинамических характеристик газоотводящего ствола необходимо определить сопротивление движению потока газов и потери его напора. Сопротивление дымовой трубы складывается из сопротивления трению ∆P_тр и сопротивления с выходной скоростью ∆P_вых.

Простейшая форма газоотводящего ствола — ствол постоянного сечения (цилиндрический).

Сужающиеся газоотводящие стволы — это чаще всего осесимметричные последовательно расположенные конфузоры с дискретно уменьшающимся уклоном.

За конфузорными участками может следовать, обычно последним, диффузор или участок постоянного сечения.

В конфузорном газоотводящем стволе с консольными выступами для опирания футеровки местные сопротивления, обусловленные дополнительным сужением сечения ствола в местах этих выступов, а затем внезапным расширением потока после них, можно учесть, принимая увеличенным коэффициент сопротивления трения ствола.

При расчете потерь на трение на участке газоотводящего ствола длиной l и диаметром D используют известную гидравлическую формулу, которая определяет потери при стабилизированном течении, хотя хорошее совпадение формулы с опытными данными наблюдается при удалении рассматриваемого участка на 20-30 калибров от входного сечения, где произошло смыкание пограничного слоя и установился типичный турбулентный профиль скорости:

,

Сопротивление трения конической трубы. Па, рассчитывают по формуле

,

где i уклон дымовой трубы; h_до — динамическое давление на выходе, Па; h_Д — динамическое давление в нижнем сечении трубы. Па.

Расчет величины статического давления, ∆h_СТ Па, по высоте трубы выполняют по формуле

∆h_СТ = h_до + ∆h_тр – h_д^г – (Ρ_В – Ρ_Г)S,

где ∆h_тр — сопротивление трения на рассмотренном участке, вычисляемое по разным формулам в зависимости от цилиндрической или конической конфигурации ствола, Па; h_д^г — динамическое давление газа, Па; h_до - динамическое давление в устье трубы; S — расстояние расчетного сечения от верхней отметки трубы, м.

Статическое давление внутри ствола трубы изменяется по высоте, и зачастую на промежуточной отметке происходит смена его знака.

Точка, лежащая на отметке, где происходит смена знака давления в стволе дымовой трубы, т.е. инверсия давления, называется инверсионной точкой, а сечение (диаметр) и отметка, где она находится, — инверсионным сечением (диаметром) и инверсионной отметкой.

Для характеристики статического давления в дымовом канале трубы используют критерий Рихтера, вычисляемый по формуле

, (1)

где λ — коэффициент сопротивления трения, равный для футерованных труб 0,05, а для нефутерованных 0,015—0,03; i — уклон образующей ствола трубы; P_до — динамический напор в устье ствола, Па; D_о — диаметр устья, м; ∆_p — разница плотностей воздуха и дымовых газов, кг/м³ (плотность газов принимается неизменной по высоте трубы); g = 9,8 м/с² — ускорение свободного падения;

P_до - динамический напор в устье ствола: P_до = 0,5ρW²,

где: P – плотность газа, W – скорость газового потока.

При R ≤ 1 в дымовой трубе по всей высоте будет соблюдаться разрежение. При R > 1 в стволе трубы возникает избыточное давление.

В такой оценке избыточного давления дымовых газов предполагается, что в любой наружной точке поверхности ствола действует давление воздуха, равное атмосферному на данной отметке. В то же время известно (см. рис. 1), что при обтекании цилиндрического тела ветровым потоком на его боковых и подветренной сторонах возникают зоны разрежения (отрицательного статического давления). Величина разрежения в зависимости от скорости ветра может составлять от нескольких десятков до нескольких сотен Паскалей, поэтому стенка ствола дымовой трубы, особенно в ее верхней части, оказывается в условиях, когда разрежение воздуха снаружи ствола больше, чем разрежение газов внутри. Стремление среды по градиенту давления в зону с меньшим разрежением приводит к фильтрации газов через футеровку к наружной оболочке.

Рис. 1. Схема распределения статических давлений при обтекании трубы ветровым потоком («+» - избыточное статическое давление, «-» - разрежение)

Анализ характера повреждений дымовых труб показывает, что, как правило, разрушение начинается в верхней трети ствола, наименее нагруженной силовыми воздействиями. При этом имеются все признаки фильтрации конденсата дымовых газов через стенку трубы (намокание, отслоение защитного слоя и коррозия арматуры, лещадка), однако оценка по критерию Рихтера часто свидетельствует о том, что избыточного давления при этом в трубе не возникает.

Это явление наиболее ярко проявляется в районах с большими скоростями ветра и значительным преобладанием одного направления в розе ветров. В этом случае повреждения ствола однозначно локализуются в зонах, соответствующих максимальному разрежению, создаваемому ветром.

Так, например, при обследовании ЗАО «ЭЦ ВИС» железобетонной дымовой трубы Н=120 м Д₀=4,8 м цементного завода «Пролетарий» ОАО «Новоросцемент» (г. Новороссийск) выявлены значительные повреждения несущего ствола преимущественно в юго-западном - северо-западном секторах. При этом климат Новороссийска характеризуется сильными преимущественно северо-восточными ветрами. Средняя скорость ветра - 5 м/с, в холодное время года северо-восточные ветра периодически усиливаются до 40 м/c (ветра «бора»). Максимальный расход отводимых через трубу технологических газов 225 м³/с, температура газов 140-170 °С. В результате аэродинамического расчета была получена эпюра статических давлений в трубе (см. рис. 2а). Из эпюры видно, что труба по всей высоте работает при разрежении газов в стволе. Затем, исходя из средней скорости ветра в данном районе (5 м/с) и изменения ветрового давления по высоте рассчитаны значения максимального ветрового разрежения при обтекании ствола трубы ветром (рис. 2б). Разница величин разрежений внутри и снаружи ствола трубы показана на рис. 2в. Из рисунка видно, что даже при небольших скоростях ветра с отм. 90,0 м до отм. 120,0 м в зонах ветрового разрежения имеется положительный градиент статических давлений, создающий условия для фильтрации газов в этих зонах через футеровку и стенку ствола наружу. В период наиболее сильных ветров градиент давлений многократно возрастает, а процесс фильтрации ускоряется, вызывая коррозию арматуры и бетона, увеличивая температурно-влажностные напряжения и провоцируя разрушение несущей оболочки ствола.

Статическое давление, Па

Рис. 2. Эпюры статических давлений (Па) в железобетонной дымовой трубе Н=120 м Д₀=4,8 м цементн г зав а «Пролетарий» ОАО «Новоросцемент»
а) - статическое давление внутри ствола дымовой трубы (общепринятая методика);
б) - статическое давление снаружи ствола в зонах максимального ветрового разрежения;
в) - разность (градиент) статических давлений дымовых газов и наружного воздуха при действии ветра.

Таким образом, фактически положительный градиент статических давлений внутри и снаружи ствола возникает у всех дымовых труб при их эксплуатации, так как разрежение газов к устью трубы снижается до нуля, а ветровое разрежение с боковых и подветренной сторон трубы достигает максимума. Этот факт является дополнительным объяснением того, что практически все дымовые трубы подвержены более интенсивному разрушению в верхней части. Необходимо учитывать указанные особенности при проектировании и оценке причин разрушения дымовых труб и разработке решений по их ремонту и реконструкции.

Оптимальный профиль ствола дымовой трубы выбирают на основании технико-экономического анализа.

Пример аэродинамического расчета газоотводящего тракта дан в [норм.метод]

• Основы проектирования дымовых труб. Основные факторы и исходные данные для разработки проекта (Страница 1)
• Расчет высоты и выходного диаметра трубы. Расчет выходного диаметра и высоты трубы для обеспечения естественной тяги. Расчет высоты трубы при принудительной тяге (Страница 2)
• Основы аэродинамического расчета дымовых труб. Особенности внутренней аэродинамики (Страница 3)
• Диффузоры и их аэродинамика (Страница 4)
• Самоокутывание газоотводящих труб (Страница 5)
• Основы теплотехнического расчета (Страница 6)
• Основы силового расчета (Страница 7)
• Нагрузки и воздействия, реакция на них сооружения, особенности учета при расчете и проектировании. Нормативные и расчетные значения нагрузок (Страница 8)
• Особенности учета собственного веса. Температурные технологические воздействия (Страница 9)
• Ветровые нагрузки (Страница 10)
• Нормативные и расчетные значения прочностных и других характеристик материалов и грунтов. Проектирование ствола трубы (Страница 11)
• Проектирование и расчет оснований и фундаментов (Страница 12)

Подробную информацию про разработку проектной документации можно найти на странице о проектировании.