Дымовая труба , также известная как дымовая труба , дымовая труба или просто как дымовая труба , представляет собой тип дымовой трубы , вертикальной трубы, канала или аналогичной конструкции, через которую продукты сгорания, называемые дымовыми газами, выбрасываются в наружный воздух. Дымовые газы образуются, когда уголь, нефть, природный газ, древесина или любое другое топливо сжигается в промышленной печи, паропроизводящем котле электростанции или другом крупном устройстве сгорания. Дымовой газ обычно состоит из диоксида углерода (CO2 ) и водяного пара, а также азота и избыточного кислорода, остающегося от всасываемого воздуха для горения. Он также содержит небольшой процент загрязняющих веществ, таких как твердые частицы , оксид углерода , оксиды азота и оксиды серы . Дымовые трубы часто довольно высокие, до 420 метров (1380 футов), чтобы увеличить эффект дымовой трубы и рассеивание загрязняющих веществ.
Когда дымовые газы выбрасываются из печей, духовок, каминов, отопительных печей и котлов или других небольших источников в жилых домах, ресторанах, гостиницах или других общественных зданиях и малых коммерческих предприятиях, их дымовые трубы называются дымоходами.
Первые промышленные дымоходы были построены в середине 17-го века, когда впервые стало понятно, как они могут улучшить горение печи, увеличивая тягу воздуха в зону горения. [2] Таким образом, они сыграли важную роль в развитии отражательных печей и угольной металлургической промышленности, одного из ключевых секторов ранней промышленной революции . Большинство промышленных дымоходов 18-го века (теперь обычно называемых дымовыми трубами ) были встроены в стены печи, во многом как домашние дымоходы. Первые отдельно стоящие промышленные дымоходы, вероятно, были возведены в конце длинных конденсационных дымоходов , связанных с плавкой свинца .
Сильная связь между промышленными дымоходами и характерными дымными пейзажами промышленной революции была обусловлена универсальным применением парового двигателя для большинства производственных процессов. Дымоход является частью парового котла, и его эволюция тесно связана с увеличением мощности парового двигателя. Дымоходы парового двигателя Томаса Ньюкомена были встроены в стены машинного отделения. Более высокие, отдельно стоящие промышленные дымоходы, появившиеся в начале 19 века, были связаны с изменениями в конструкции котла, связанными с «двойными» двигателями Джеймса Уатта , и они продолжали расти в высоту на протяжении всего викторианского периода. Декоративные украшения являются особенностью многих промышленных дымоходов с 1860-х годов с выступающими колпаками и узорчатой кирпичной кладкой.
Изобретение принудительной тяги с помощью вентилятора в начале 20-го века устранило первоначальную функцию промышленных дымоходов — втягивание воздуха в паровые котлы или другие печи. С заменой парового двигателя в качестве первичного двигателя сначала дизельными двигателями, а затем электродвигателями, ранние промышленные дымоходы начали исчезать из промышленного ландшафта. Строительные материалы изменились с камня и кирпича на сталь и позже на железобетон, а высота промышленных дымоходов определялась необходимостью рассеивания дымовых газов сгорания для соблюдения государственных норм контроля загрязнения воздуха .
Дымовые газы сгорания внутри дымовых труб намного горячее, чем окружающий наружный воздух, и, следовательно, менее плотные, чем окружающий воздух. Это приводит к тому, что нижняя часть вертикального столба горячего дымового газа имеет более низкое давление, чем давление в нижней части соответствующего столба наружного воздуха. Это более высокое давление снаружи дымовой трубы является движущей силой, которая перемещает требуемый воздух для горения в зону горения, а также перемещает дымовой газ вверх и из дымовой трубы. Это движение или поток воздуха для горения и дымового газа называется «естественной тягой», «естественной вентиляцией» , «эффектом дымовой трубы» или « эффектом дымовой трубы ». Чем выше дымовая труба, тем больше создается тяга.
Уравнение ниже дает приблизительное значение разницы давления Δ P (между нижней и верхней частью дымовой трубы), которая создается тягой: [3] [4]
где:
Вышеприведенное уравнение является приближением, поскольку оно предполагает, что молярная масса дымового газа и наружного воздуха равны, а падение давления через дымовую трубу довольно мало. Оба предположения довольно хороши, но не совсем точны.
В качестве приближения "первой догадки" можно использовать следующее уравнение для оценки расхода дымовых газов, вызванного тягой дымовой трубы. Уравнение предполагает, что молярная масса дымовых газов и наружного воздуха равны, а сопротивление трения и потери тепла пренебрежимо малы:. [5]
где:
Кроме того, это уравнение справедливо только тогда, когда сопротивление потоку тяги вызвано одним отверстием, характеризующимся коэффициентом расхода C. Во многих, если не в большинстве ситуаций, сопротивление в первую очередь накладывается самой дымовой трубой. В этих случаях сопротивление пропорционально высоте дымовой трубы H. Это приводит к отмене H в приведенном выше уравнении, предсказывающем, что Q будет инвариантным относительно высоты дымохода.
Проектирование дымоходов и дымовых труб для обеспечения необходимого объема естественной тяги включает в себя множество факторов, таких как:
Расчет многих из вышеперечисленных конструктивных факторов требует повторных методов проб и ошибок.
Правительственные учреждения в большинстве стран имеют специальные кодексы, которые регламентируют, как должны выполняться такие проектные расчеты. Многие неправительственные организации также имеют кодексы, регламентирующие проектирование дымоходов и дымовых труб (в частности, кодексы ASME ).
Проектирование больших стеков представляет собой значительную инженерную проблему. Срыв вихрей при сильном ветре может вызвать опасные колебания в стеке и привести к его обрушению. Использование спирального пояса является обычным для предотвращения этого процесса, происходящего на резонансной частоте стека или близкой к ней.
Некоторое промышленное оборудование, работающее на топливе, не полагается на естественную тягу. Многие из таких единиц оборудования используют большие вентиляторы или воздуходувки для достижения тех же целей, а именно: потока воздуха для горения в камеру сгорания и потока горячего дымового газа из дымохода или трубы.
Очень много электростанций оснащены установками для удаления диоксида серы (например, десульфурация дымовых газов ), оксидов азота (например, селективное каталитическое восстановление , рециркуляция отработавших газов , термическое deNOx или горелки с низким содержанием NOx) и твердых частиц (например, электростатические осадители ). На таких электростанциях можно использовать градирню в качестве дымовой трубы. Примеры можно увидеть в Германии на электростанции Staudinger Grosskrotzenburg и на электростанции Rostock . Электростанции без очистки дымовых газов столкнулись бы с серьезной коррозией в таких трубах.
В Соединенных Штатах и ряде других стран исследования по моделированию атмосферной дисперсии [6] требуются для определения высоты дымовой трубы, необходимой для соответствия местным нормам загрязнения воздуха . Соединенные Штаты также ограничивают максимальную высоту дымовой трубы до того, что известно как высота дымовой трубы «Good Engineering Practice» (GEP). [7] [8] В случае существующих дымовых труб, которые превышают высоту дымовой трубы GEP, любые исследования по моделированию дисперсии загрязнения воздуха для таких дымовых труб должны использовать высоту дымовой трубы GEP, а не фактическую высоту дымовой трубы.
