41. Влияние различных факторов на конденсацию водяных паров в дымовых трубах и условия, предупреждающие это явление

При эксплуатации печей часто имеют место случаи выпадения конденсата на внутренней поверхности дымовых труб. Это происходит по следующим причинам. При движении продуктов сгорания в дымовой трубе температура их постепенно снижается, вследствие этого уменьшается и объем. В то же время водяные пары, содержащиеся в продуктах сгорания, будут оставаться в неизменном массовом количестве. Чем глубже происходит охлаждение продуктов сгорания, тем в большей степени они будут насыщаться водяными парами. Температура, до которой охладятся уходящие газы и при которой водяные пары достигнут насыщения и начнут конденсироваться, называется точкой росы. Температура точки росы продуктов сгорания зависит от коэффициента избытка воздуха (α_т) и определяется по графику на рис. 133. Например, если температура уходящих газов на оголовке дымохода равна 40°С, а коэффициент избытка воздуха при этом равен 3, то на внутренней поверхности стенок оголовка будет происходить конденсация водяных паров. Если же в процессе топки температура уходящих газов возрастет до 45°С, то конденсат образовываться не будет.

Рис. 133. Зависимость температуры точки росы в продуктах сгорания от коэффициента избытка воздуха

В начальный период работы газовых приборов периодического действия, когда стенки дымоходов не прогреты (особенно участки оголовков в зимнее время), на охлажденных участках выделяется капельная влага. В процессе работы газового прибора внутренняя поверхность кладки дымоходов прогревается, температура ее становится выше точки росы и явление конденсации исчезает. Однако в сильные морозы оголовки дымоходов иногда настолько интенсивно охлаждаются, что в них не прекращается конденсация влаги в течение всего периода топки. Рассмотрим, какое количество влаги может выпадать на оголовках дымоходов в зависимости от температуры охлаждения продуктов сгорания и коэффициента избытка воздуха.

Пример. Предположим, в приборе в течение 1 ч сжигается 1,8 м³ природного газа с теплотой сгорания 35650 кДж/м³, имеющего состав: СН=97,8%, С₂Н₆=0,5%, С₃Н₈=0,2%, C₄H₁₀, С₅Н₁₂=0,05%, СО₂-0,05%, N₂=1,3%. На оголовке кирпичного дымохода коэффициент избытка воздуха равен 2,5. Температура воздуха в помещении равна 20°С. Требуется определить, какое количество влаги может выделиться при этих условиях в дымовой трубе.

Определим ряд расчетных величин: объемы теоретически необходимого количества воздуха V₀, азота V_N2, водяных паров V_N2O, объемы трехатомных газов V_RO2, сухих продуктов сгорания V_с.г., а также объем водяных паров V_H2O при заданном коэффициенте избытка в газах. В результате расчетов получены следующие величины: V₀=9,5 м³/м³; V⁰_№2=7,51 м³/м³; V⁰_RO2=1 м³/т³; V_с.г.=22,76 м³/м³; V⁰_H2O=2,15 м³/м³; V_H2O=2.5 м³/м³.

Теперь определим массу водяных паров, содержащихся в газах:

Влагосодержание газов при α=2,5

Изобразим на J - d диаграмме (рис. 134) охлаждение продуктов сгорания в дымоходе. В т. А показано исходное состояние уходящих газов с температурой 150°С и влагосодержанием 67 г/кг. При охлаждении газов до т. В (точка росы) продукты сгорания не изменяют начального влагосодержания. Когда температура в дымоходе оказывается равной температуре точки росы, дальнейшее охлаждение газов сопровождается конденсацией водяных паров. При этом и влагосодержание, и температура продуктов сгорания уменьшаются. В этот период процесс охлаждения газов идет по линии ВС. В т. С температура продуктов сгорания равна 35°С, а влагосодержание - 35 г/кг. За время охлаждения уходящих газов от температуры 150 до 35°С их влагосодержание в расчете на 1 кг уменьшилось на величину

Общее количество сконденсировавшихся паров в течение часа составит

Рис. 134. J-d диаграмма продуктов сгорания природного газа

Расчеты и практика показывают, что чем меньше коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания и ниже их температура, тем интенсивнее выделяется влага в дымоходах. На рис. 135 представлен график, показывающий количество конденсата, который может выпадать из продуктов сгорания природного газа и каменного угля с различной влажностью в зависимости от температуры, при заданном коэффициенте избытка воздуха (график построен на основании J - d диаграммы).

Рис. 135. Зависимость величины конденсации водяных паров от температуры уходящих газов и коэффициента избытка воздуха

Уменьшить, а иногда совсем устранить конденсацию водяных паров в дымовых трубах можно за счет утепления изоляции их участков, расположенных выше чердачного перекрытия и на кровле.

Иногда для уменьшения образования конденсата приходится эксплуатировать печи с увеличенными коэффициентами избытка воздуха (α_т=3-4). При этом снижается КПД печи за счет увеличения потерь теплоты с уходящими газами, хотя снижается температура точки росы. Однако все же имеется устройство, способствующее уменьшению образования конденсата в дымовых трубах и в то же время не снижающее КПД печи. Это тягопрерыватель. Обычно он устанавливается в начале выходного патрубка у газовых емкостных и быстродействующих водонагревателей. В связи с тем, что гидравлическое сопротивление у этих приборов небольшое, входное сечение тягопрерывателя у емкостного водонагревателя АГВ-80 составляет 75 см², а у быстродействующего КГИ-56 примерно 200 см². Многооборотные существующие печи, переведенные на газ, имеют в 2 - 3 раза большее гидравлическое сопротивление, чем водонагреватели, поэтому входное сечение тягопрерывателя у них должно быть значительно меньше. В противном случае из-за недостатка тяги сжигание газа в них может происходить неудовлетворительно. Тягопрерыватель в газовых бытовых печах устанавливается в тех случаях, когда в топливниках устанавливают газовые горелки ГДП-1,5 в комплекте с сигнализаторами тяги ЭБА. При нормальной тяге через трубу сигнализатора под заслонку всегда поступает из помещения определенное количество воздуха, который уменьшает концентрацию водяных паров в уходящих газах и снижает температуру точки росы. Рассмотрим на конкретном примере положительную роль тягопрерывателя в печи.

Пример. Допустим, на выходе из печи температура уходящих газов составляет 140°С, при этом коэффициент избытка воздуха равен 2; расход горючего газа с теплотой сгорания 35650 кДж/м³ равен 1,5 м³/ч; длительность топки - 1,5 ч; длина кирпичного дымохода сечением ¹/₂×¹/₂ кирпича равна 4 м; температура наружного воздуха равна минус 10°С; температура в помещении равна 20°С.

Требуется определить температуру продуктов сгорания на оголовке дымохода в двух случаях:

1. Когда в печи отсутствует тягопрерыватель;

2. Когда имеется тягопрерыватель в виде трубы диаметром 1¹/₂".

1. Определяем ряд расчетных величин, которые в результате расчетов имеют следующие значения: V_с.г.=18 м³/м³; V_г=20,4 м³/м³; V_H2O=2,4 м³/м³; G_с.г.=23,7 кг/м³; G_в.п.=1,93 кг/м³; d=81,5 г/кг с.г.

Площадь тепловоспринимающей поверхности дымохода равна

Коэффициент температуропроводности кладки

Далее определяем температуру газов на оголовке дымохода, которая получается равной 32,6°С.

При значениях α_т=2 и t^or_yx=32,6°C будет происходить конденсация водяных паров, ибо температура точки росы для данных условий равна 49°С. Пользуясь графиком на рис. 135, находим, что при сжигании за 1,5 ч 2,25 м³ горючего газа в газоходе конденсируется

2. Предположим, что в дымовой трубе имеется разрежение около 15 Па. Количество воздуха, которое может поступить в печь через отверстие, найдем по формуле

где V^тяг_возд - объем воздуха, который поступает через отверстие сигнализатора тяги, м³/ч; F_вх - площадь поперечного сечения трубы диаметром 1¹/₂ см²; Δh - разрежение в трубе, Па; γ_возд - плотность воздуха при t_пом=20 °С, кг/м³

В расчете на 1 м³ горючего газа

Принимаем относительную влажность воздуха равной 80%. Тогда влагосодержание воздуха при t_пом=20°С будет равно

Общая масса подсасываемого через тягопрерыватель воздуха на 1 м³ газа составит

Масса продуктов сгорания

На выходе из печи образуется смесь продуктов сгорания и поступившего через трубу воздуха, объем которой равен

Коэффициент избытка воздуха в смеси α_т=3,4.

Определим влажность смеси из уравнения

где G_г, G_возд, G_см - соответственно масса продуктов сгорания, воздуха и смеси, кг/ч; d_г, d_возд, d_см - соответственно влагосодержание продуктов сгорания, воздуха и смеси, г/кг

По диаграмме на рис. 134 находим температуру смеси. Для этого соединяем прямой две точки с параметрами: 1) t=20°С, d=12 г/кг, и 2) t_ух=140 °С, d=81,6 г/кг.

На оси абсцисс из точки, соответствующей влагосодержанию 53,5 г/кг, проводим перпендикуляр до ранее проведенной прямой. Точка пересечения этой прямой с перпендикуляром я даст искомую температуру смеси. В данном случае она равна 100°С.

Эмпирически определим температуру продуктов сгорания на оголовке, которая будет равна 42°С.

При значениях α_т=3,4 и t^ог_вх=42°С конденсация отсутствует, так как температура точки росы для этих условий равна 41°С.