Расчет коллективных дымоходов в каскадных котельных на базе настенных газовых котлов

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

РАСЧЕТ КОЛЛЕКТИВНЫХ ДЫМОХОДОВ В КАСКАДНЫХ КОТЕЛЬНЫХ НА БАЗЕ НАСТЕННЫХ ГАЗОВЫХ КОТЛОВ Прошутинский А.О.1, Пономарев Н.С.2, Горшков А.С.3

1 Прошутинский Андрей Олегович — старший преподаватель; 2Пономарев Николай Степанович — доцент; 3Горшков Алексей Сергеевич — магистрант, кафедра теплогазоснабжения и вентиляции, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет,

г. Санкт-Петербург

Аннотация: в условиях активного поиска резервов экономии топливно-энергетических ресурсов существенное значение имеют исследования, связанные с котлами малой мощности (до 30 кВт). Для повышения эффективности производства теплоты в котельных малой мощности успешно используется система каскадного подключения отопительных котлов, которые объединяются в единую систему с программным управлением, что позволяет осуществить плавную регулировку тепловой нагрузки за счет последовательного подключения/отключения котлов с учетом загрузки каждого котла при оптимальном значении КПД.

Ключевые слова: Каскадная котельная, дымоход, продукты сгорания.

В условиях активного поиска резервов экономии топливно-энергетических ресурсов существенное значение имеют исследования, связанные с котлами малой мощности (до 30 кВт). Котельные малой мощности, как источник тепловой энергии и горячего водоснабжения (ГВС), находят широкое применение для промышленных предприятий и жилого сектора, а также при реконструкции исторических районов крупных городов. В качестве источника теплоты для систем отопления и ГВС используются котлы малой мощности, работающие на природном газе.

Для повышения эффективности производства теплоты в котельных малой мощности успешно используется система каскадного подключения отопительных котлов, которые объединяются в единую систему с программным управлением, что позволяет осуществить плавную регулировку тепловой нагрузки за счет последовательного подключения/отключения котлов с учетом загрузки каждого котла при оптимальном значении КПД.

Одним из важных условий безопасной и энергоэффективной работы котельной является наличие правильно подобранной системы удаления продуктов сгорания. При проектировании необходимо определить диаметр дымохода, требуемую высоту вертикального участка дымохода, а также условие применения тепловой изоляции. В нормативной литературе отсутствуют рекомендации по расчету и проектированию горизонтальных коллективных дымоходов для каскада котлов. Существуют рекомендации по подбору сечений дымовых каналов отдельных производителей теплогенераторов и дымоходов, таких как «Thermona», «Schiedel» и др.

В рамках данной статьи приведена методика расчета и подбора дымохода для каскада настенных котлов THERM DUO 50.A мощностью 49 кВт, с расходом газа 5,2 м3/ч.

При расчетах были приняты следующие ограничения:

- максимальное количество котлов в каскаде - 4 шт.;

- допустимая ориентировочная скорость движения продуктов горения для подбора сечения дымохода - от 0,5 до 2 м/с;

- длина горизонтального участка дымоотводящего патрубка не более 3 м;

- температура точки росы продуктов сгорания природного газа tp=46 0С (при значении коэффициента избытка воздуха а=2).

При расчете дымохода необходимо определить площадь поперечного сечения на участке, величину разряжения перед котлом и температуру продуктов сгорания, на выходе из устья дымовой трубы. При этом разряжение должно соответствовать паспортным данным котла (не менее 3-5 Па), а температура на выходе из дымовой трубы должна быть не менее температуры точки росы продуктов сгорания. Требуемый запас по температуре составляет 10 0С.

Расчетная схема системы дымоудаления показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема системы дымоудаления

1. Определение необходимого диаметра на расчетном участке дымохода. Основным параметром для расчёта дымохода является объём генерируемых котлом продуктов горения при номинальной (максимальной) мощности.

Массовый расход продуктов сгорания при сжигании газообразного топлива рассчитывается по формуле:

т =

где Q - мощность котла (кВт).

Объемный расход продуктов сгорания рассчитывается по формуле:

^ т  3600 з,

О =-, м3/ч

^пс

Рпс

где рпс - плотность продуктов сгорания при средней температуре продуктов горения Гш=120 °С - ориентировочно 0,9 кг/м3.

Площадь поперечного сечения дымохода определяется по формуле:

А = -°пс_ м2

Ут  3600

где Ут - средняя скорость движения продуктов горения в канале дымохода, м/сек, принимаем Ут=1,25 м/с.

Расчетный диаметр участка дымохода определяется по формуле:

а = 2  I — »

"расч 2 •

3,14

Принимая ближайший больший стандартный диаметр dBH, пересчитываем площадь поперечного сечения Арасч и скорость продуктов сгорания Красч.

Результаты расчета для каскада из четырех котлов THERM DUO 50.A представлены в таблице 1.

№ уч. т, кг/с бпс, м3/ч Ут, М/С А, м2 ¿расч? м ¿вн, М Арасч? м Урасч, м/с

1-2 0,028 113,68 1,25 0,03 0,18 0,16 0,02 1,57

2-3 0,028 113,68 1,25 0,03 0,18 0,18 0,03 1,24

3-4 0,057 227,36 1,25 0,05 0,25 0,2 0,03 2,01

4-5 0,085 341,04 1,25 0,08 0,31 0,25 0,05 1,93

5-6 0,114 454,72 1,25 0,10 0,36 0,29 0,07 1,91

6-7 0,114 454,72 1,25 0,10 0,36 0,3 0,07 1,79

7-8 0,114 454,72 1,25 0,10 0,36 0,3 0,07 1,79

Для случая работы одного котла в каскаде значения скоростей изменятся следующим образом.

Таблица 2. Диаметры расчетных участков коллективного дымохода, в работе 1 котел

№ уч. т, кг/с 0,с, м3/ч Ут, М/С А, м2 ¿расч? м ¿вн, м Арасч? м У^асч, м/с

1-2 0,028 113,68 1,25 0,03 0,18 0,16 0,02 1,57

2-3 0,028 113,68 1,25 0,03 0,18 0,18 0,03 1,24

3-4 0,028 113,68 1,25 0,03 0,18 0,2 0,03 1,01

4-5 0,028 113,68 1,25 0,03 0,18 0,25 0,05 0,64

5-6 0,028 113,68 1,25 0,03 0,18 0,29 0,07 0,48

6-7 0,028 113,68 1,25 0,03 0,18 0,3 0,07 0,45

6-8 0,028 113,68 1,25 0,03 0,18 0,3 0,07 0,45

Как видно по результатам расчета, скорость продуктов сгорания находится в допустимых пределах во всем диапазоне мощности каскада котлов.

2. Определение температуры продуктов сгорания на выходе из дымовой трубы. Изменение температуры продуктов сгорания в дымоходе определяется по формуле:

г ; = £ ; _ !-Д£,°С

/ - /

М =

0-384102£+05

й [

где - температура продуктов сгорания на выходе из котла ^пс = 130^); - температура окружающего воздуха ^ов = 20^);

R - среднее значение коэффициента теплопередачи для стенок дымохода, отнесенное к внутренней поверхности, Вт/(м2 •

Fвп - внутренняя площадь поверхности расчетного участка дымохода; рассчитывается по формуле:

Реп = п  сС  Н,м2

Расчет ведется для неутепленной стальной трубы для теплого и холодного периода года.

В конце расчета проверяется выполнение условия - ^ > 10 °С и принимается решение по применению теплоизоляции участков дымохода.

Результаты расчета в холодный и теплый период года для случаев работы четырех котлов представлены в таблицах 3,4.

Результаты расчета в холодный и теплый период года для случаев работы одного котла представлены в таблицах 5,6.

З.Определение требуемой высоты вертикального участка дымохода.

Величина разряжения перед газовым прибором (котлом) определяется по формуле:

ДРр = Рт-1Рп,Па

где Рт - величина разряжения (тяги) в дымоходе, Па;

£Р„ - суммарные потери давления на участках дымохода, Па.

Характеристики тяги дымохода рассчитываются по формуле:

Правильная работа дымохода обеспечена если ДРр больше ноля, т.е. тяга дымохода больше, чем потеря давления в целом в системе отвода продуктов сгорания.

9

Величина разряжения (тяги) в дымоходе определяется по формуле:

Рт = 0,0 3 5-Я-

т К27 З+Еов 2 7 З+£псУ 0 у '

где Н - высота участка, создающего тягу;

1ов - температура окружающего воздуха;

11пс - средняя температура продуктов сгорания на участке;

Рб - барометрическое давление (Рб = 105 Па).

Потери давления на трение по длине в дымоходе определяются по формуле:

ЬРтР=^ГР-^)Па

где X - коэффициент трения, принимаемый для металлических труб - 0,02; 1 - длина расчетного участка, м;

- скорость уходяшцх газов; р - плотность уходящих газов, принимаем равной 1,3 кг/м3; 11пс - средняя температура газов на расчетном участке, 0С; (1 - диаметр дымохода, м.

Потери давления на местные сопротивления в дымоходе определяются по формуле:

АРМС = 1,0 2 -2^-7- Па

где Х - сумма коэффициентов местных сопротивлений, включая сопротивление при выходе из трубы:

^ = 0,5 - вход в соединительную трубу из тягопрерывателя; ^ = 0,9 - поворот под углом 90°;

^ = 1,2 - внезапное расширение потока при входе в кирпичный дымоход и поворот под углом 90°;

^ = 1,6 - выход из дымохода с зонтом. Общие потери в дымоходе:

2Рп=2Ртр+2Рмс,Па

Результаты расчетов для различных режимов работы котельной и периодов года приведены в таблицах.

Вывод: разрежение не превышает максимальное перед прибором (30 Па), следовательно, дымоход обеспечит нормальную работу котла.

Таблица 3. Результаты расчета в холодный период года для случая работы четырех котлов

№ уч Qпс, м3/ч dвн, м Длина, м Рвп, м2 к>в, 0С М, 0С Шс, 0С Шс.ср, 0С Н, м Рт, Па Арасч, м2 Vрасч, м/с ДРтр, Па 1С ДРмс, Па ХРп , Па ЛРр, Па

1-2 113,68 0,16 0,33 0,17 16 1,7 130,0 129,13 0,33 1,1 0,02 1,57 0,04 1,4 1,65 1,70 -

2-3 113,68 0,18 0,335 0,19 16 2,0 128,3 127,28 - - 0,03 1,24 0,03 0,5 0,46 0,49 -

3-4 227,36 0,2 0,335 0,21 16 1,1 126,3 125,77 - - 0,03 2,01 0,04 1 1,50 1,54 -

4-5 341,04 0,25 0,335 0,26 16 0,9 125,2 124,79 - - 0,05 1,93 0,03 1 1,43 1,47 -

5-6 454,72 0,29 1,325 1,21 16 3,0 124,3 122,85 - - 0,07 1,91 0,11 1 1,41 1,53 -

6-7 454,72 0,3 0,3 0,28 16 0,7 121,4 121,01 0,3 1,0 0,07 1,79 0,02 1,2 1,58 1,60 -

7-8 454,72 0,3 5 4,71 -24 15,0 120,7 113,18 5 25,3 0,07 1,79 0,38 1,6 2,06 2,44 -

105,7 27,4 0,67 10,11 10,78 16,64

Таблица 4. Результаты расчета в теплый период года для случая работы четырех котлов

№ уч Qпс, м3/ч dвн, м Длина, м 1 1 вп, м2 к>в, 0С М, 0С Шс, 0С Шс.ср, 0С Н, м Рт, Па Арасч, м2 Урасч, м/с ДРтр, Па 1С ДРмс, Па ХРп , Па ДРр, Па

1-2 113,68 0,16 0,33 0,17 16 1,7 130,0 129,13 0,33 1,1 0,02 1,57 0,04 1,4 1,65 1,70 -

2-3 113,68 0,18 0,335 0,19 16 2,0 128,3 127,28 - - 0,03 1,24 0,03 0,5 0,46 0,49 -

3-4 227,36 0,2 0,335 0,21 16 1,1 126,3 125,77 - - 0,03 1,01 0,02 1 0,75 0,77 -

4-5 341,04 0,25 0,335 0,26 16 0,9 125,2 124,79 - - 0,05 0,64 0,01 1 0,48 0,49 -

5-6 454,72 0,29 1,325 1,21 16 3,0 124,3 122,85 - - 0,07 0,48 0,03 1 0,35 0,38 -

6-7 454,72 0,3 0,3 0,28 16 0,7 121,4 121,01 0,3 1,0 0,07 0,45 0,01 1,2 0,39 0,40 -

7-8 454,72 0,3 5 4,71 22 10,2 120,7 115,56 5 14,5 0,07 0,45 0,10 1,6 0,52 0,61 -

110,4 16,6 0,24 4,61 4,85 11,75

№ уч Q™, м3/ч dвн, м Длина, м F F вп, м2 tcrn, 0C At, 0C Шс, 0C Шс.ср, 0C H, м Рт, Па Арасч, м2 Vpаcч, м/с АРтр, Па 1С АРмс, Па !Рп , Па АРр, Па

1-2 113,68 0,16 0,33 0,17 16 1,7 130,0 129,13 0,33 1,1 0,02 1,55 0,04 1,4 1,63 1,67 -

2-3 113,68 0,18 0,335 0,19 16 2,0 128,3 127,28 - - 0,03 1,22 0,03 0,5 0,46 0,49 -

3-4 113,68 0,2 0,335 0,21 16 2,1 126,3 125,24 - - 0,03 0,99 0,02 1 0,74 0,76 -

4-5 113,68 0,25 0,335 0,26 16 2,6 124,2 122,87 - - 0,05 0,63 0,01 1 0,47 0,48 -

5-6 113,68 0,29 1,325 1,21 16 11,2 121,6 115,97 - - 0,07 0,47 0,03 1 0,34 0,37 -

6-7 113,68 0,3 0,3 0,28 16 2,4 110,4 109,15 0,3 0,9 0,07 0,44 0,01 1,2 0,38 0,38 -

7-8 113,68 0,3 5 4,71 -24 47,3 107,9 84,28 5 21,6 0,07 0,44 0,09 1,6 0,47 0,56 -

60,6 23,6 0,22 4,48 4,71 18,91

Таблица 6. Результаты расчета в теплый период года для случая работы одного котла

№ уч Q™, м3/ч dвн, м Длина, м Fвп, м2 te, 0C At, 0C trn, 0C Шс.ср, 0C H, м Рт, Па Арасч, м2 Урасч, м/с АРтр, Па 1С АРмс, Па !Рп , Па АРр, Па

1-2 146,16 0,16 0,33 0,17 16 1,4 130,0 129,32 0,33 1,1 0,02 1,55 0,04 1,4 1,63 1,67 -

2-3 146,16 0,18 0,335 0,19 16 1,5 128,6 127,88 - - 0,03 1,22 0,03 0,5 0,46 0,49 -

3-4 146,16 0,2 0,335 0,21 16 1,7 127,1 126,28 - - 0,03 0,99 0,02 1 0,74 0,76 -

4-5 146,16 0,25 0,335 0,26 16 2,1 125,4 124,41 - - 0,05 0,63 0,01 1 0,47 0,48 -

5-6 146,16 0,29 1,325 1,21 16 9,0 123,4 118,90 - - 0,07 0,47 0,03 1 0,35 0,37 -

6-7 146,16 0,3 0,3 0,28 16 2,0 114,4 113,43 0,3 0,9 0,07 0,44 0,01 1,2 0,38 0,39 -

7-8 146,16 0,3 5 4,71 22 26,3 112,4 99,30 5 12,5 0,07 0,44 0,09 1,6 0,49 0,58 -

86,2 14,5 0,23 4,51 4,74 9,81

Как видно по результатам расчета, условие tnc - tp > 10 °С выполняется во всех режимах работы котельной и во все периоды года. В данном случае теплоизоляция дымохода не требуется.

Необходимая величина разряжения также обеспечивается во всех режимах работы котельной с запасом, возможна установка дымовой трубы высотой 3 м вместо 5 м.

Список литературы

1. Ионин А.А. Газоснабжение. Учебник для вузов - 4-е изд., перераб. и доп. / А.А. Ионин М.: Стройиздат, 1989. 439 с.

2. Расчет пути дымовых газов [Электронный ресурс] https://www.thermona.cz/kaskadove-kotelny/odtah-spaИn-kaskadove-kotelny/vypocet-spalinove-cesty_(Дата обращения: 10.06.2019).

3. Газовые котлы Thermona руководства и техническая документация [Электронный ресурс] https://www.thermona.ru/ru/dokumentacija/ (дата обращения: 10.06.2019).