Основы теплотехнического расчета

Поступающие в дымовую трубу продукты горения, имеющие температуру выше температуры окружающей среды, вступают в теплообмен со стенками газоотводящего ствола. Задачей теплотехнического расчета дымовой трубы является определение температурного режима ограждающих конструкций.

Вычисления температурных полей и тепловых потоков в теле ствола дымовой трубы не являются конечной целью, а дают лишь исходные данные, необходимые для определения термических напряжений, которые в общем случае возникают в телах при их жестком закреплении и появлении неоднородного температурного поля.

Вследствие теплового воздействия на элементы трубы на более нагретой поверхности возникают кольцевые и осевые напряжения сжатия, на менее нагретой — растягивающие кольцевые и осевые напряжения. При этом общее тепловое расширение конструктивных элементов дымовой трубы происходит в условиях свободной деформации.

Параметром, определяющим значение термических напряжений в элементах трубы, является градиент температуры, в случае стационарного режима работы — перепад по толщине стенки конструктивного элемента.

Перепады температуры в стенке трубы от воздействия отводимых газов надлежит определять на основании теплотехнических расчетов для установившегося потока тепла при наибольшем значении температуры отводимых газов и расчетной температуре наружного воздуха (средней температуре наиболее холодной пятидневки) и наибольшем значении коэффициента теплоотдачи наружной поверхности.

Для футеровки из кислотоупорной керамики допускаемый температурный перепад принимают равным 80 °С, а для обеспечения надежной работы железобетонного ствола считается оптимальным поддерживать температуру на его внутренней поверхности около 100 °С, хотя по строительным нормам допускается использовать обычный бетон при температуре 200 °С.

Таким образом, при проектировании дымовых труб необходимо знать температурный режим их работы и перепады температур на поверхностях ствола, футеровки и изоляции. От этого во многом зависит надежность работы труб из всех видов материалов, в связи с чем необходимо проводить их тепловой расчет.

Расчет температурных полей ограждающих конструкций дымовых труб выполняют последовательно по зонам. Для стационарного режима температуру по толщине ограждающих конструкций в пределах расчетной зоны определяют по формуле

,

где t_г — температура дымовых газов, °С; t_в — температура (расчетная) наружного воздуха, °С; R₀ — общее термическое сопротивление ограждения теплопередаче

,

R_r — термическое сопротивление при теплоотдаче от дымовых газов к внутренней поверхности ствола, определяется как для цилиндрической стенки среднего для зоны диаметра на 1 м ее высоты:

R_r = 1/α₁d₁,

где d₁ — средний диаметр дымового канала в пределах расчетной зоны, м; α₁ — коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к внутренней поверхности дымового канала, Вт/(м²·К)

Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов, наиболее существенными из которых являются вид движения газа (ламинарный или турбулентный), скорость газа, его теплофизические характеристики (плотность, теплопроводность, теплоемкость, кинематическая вязкость), геометрические размеры трубы, наличие фазовых переходов, и определяется по формуле

α₁ = Nuλ / d₁,

где λ — теплопроводность дымовых газов, Вт/(м·К); Nu — критерий Нуссельта

Nu = 0,032 Re^0,8 Pr^0,3 (d₁ / h)^0,054,

где Re — критерий Рейнольдса

Re = Wd₁ / γ,

здесь W — средняя скорость дымовых газов в пределах расчетной зоны, М/с; γ — коэффициент кинематической вязкости дымовых газов, которых при температуре 100°С равен 21,54·10^-6м²/с; Рr — критерий Прандтля; h — высота расчетной зоны, м.

Для цилиндрической стенки термическое сопротивление i-го пояса на 1 м высоты трубы, м·К/Вт, определяют по формуле

,

где d_i, d_i-1 — наружный и внутренний диаметры i-го пояса трубы, м; λ_i — коэффициент теплопроводности материала i-го пояса Вт/(м·К); R_в — термическое сопротивление при теплоотдаче от наружной поверхности ствола к наружному воздуху.

R_в = 1 / α₂d₂,

здесь d₂ — средний наружный диаметр ствола в пределах расчетной зоны, м; α₂ — коэффициент теплоотдачи от наружной стенки ствола к воздуху, Вт/(м²·К)

α₂ = 5 + 10√V_b,

где V_b — скорость ветра, м/с.

По результатам проведенных испытаний в зависимости от высотной отметки расчетной зоны принимаются следующие значения коэффициента теплоотдачи: от 0 до 20 м — 23,3 Вт/(м²·К); от 20 до 80 м — 34,9 Вт/(м²·К); от 80 до 120 м — 46,5 Вт/(м²·К); от 120 до 250 м — 58,2 Вт/(м²·К).

При отношении общей толщины слоев ограждающих конструкций трубы к ее наружному диаметру в пределах расчетной зоны меньше чем 1/10 разницей в площадях тепловоспринимающей и теплоотдающей поверхностей можно пренебречь. В этом случае расчет температурных полей ограждающих конструкций дымовой трубы можно вести с использованием формул теплопередачи через плоскую стенку.

Тогда R_r = 1 / α₁; R_i = σ_i / λ_i; R_В = 1 / α₂.

Передача теплоты является сложным процессом, включающим перенос теплоты кондуктивной теплопроводностью, излучением и конвекцией, и осуществляется посредством:

• теплопроводности твердого скелета, образующего пористую структуру материала;
• теплопроводности газа, находящегося в порах и капиллярах;
• излучения между стенками пор и капилляров;
• конвективного переноса теплоты за счет конвективных токов газа в пористой структуре теплоизоляции.

Однако, в целях упрощения тепловых расчетов, используются расчетные зависимости, основанные на законе Фурье, справедливом, строго говоря, лишь для твердых тел, в которых перенос тепла при наличии градиента температур происходит только за счет кондуктивной теплопроводности. Очевидно, что используемый при таком подходе коэффициент теплопроводности является обобщенной характеристикой проводимости теплоты в материале – эффективной теплопроводностью:

λ_эф = λ_q + λ_p + λ_k (1.2)

где λ_q – коэффициент кондуктивной, λ_p – радиационной, λ_k – конвективной теплопроводности.

• 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.