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, как и 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 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 позднее на железобетон, а высота промышленных дымоходов определялась необходимостью рассеивания дымовых газов для соответствия государственным нормам 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 внизу 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.
