Дымовая труба , также известная как дымовая труба , дымовая труба или просто дымовая труба , представляет собой тип дымохода , вертикальной трубы, канала или аналогичной конструкции, через которую продукты сгорания, называемые дымовыми газами , выбрасываются в наружный воздух. . Дымовые газы образуются при сжигании угля, нефти, природного газа, древесины или любого другого топлива в промышленной печи, парогенераторном котле электростанции или другом крупном устройстве сжигания . Дымовой газ обычно состоит из диоксида углерода (CO 2 ) и водяного пара, а также азота и избыточного кислорода, остающихся из всасываемого воздуха для горения. Он также содержит небольшой процент загрязняющих веществ, таких как твердые частицы , окись углерода , оксиды азота и оксиды серы . Трубы дымовых газов часто бывают довольно высокими, до 420 метров (1380 футов), чтобы увеличить эффект дымовой трубы и рассеивание загрязняющих веществ.
Когда дымовые газы выводятся из печей, духовок, каминов, отопительных печей и котлов или других небольших источников в жилых домах, ресторанах, гостиницах или других общественных зданиях и на небольших коммерческих предприятиях, их дымовые трубы называются дымоходами.
Первые промышленные дымоходы были построены в середине 17 века, когда впервые стало понятно, как можно улучшить горение печи за счет увеличения тяги 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 их обычно называют дымовыми трубами ) были встроены в стены печи, очень похоже на домашний дымоход. Первые отдельно стоящие промышленные дымоходы, вероятно, были построены в конце длинных конденсационных дымоходов , связанных с плавкой свинца .
Мощная связь между промышленными дымоходами и характерными задымленными пейзажами промышленной революции возникла благодаря универсальному применению парового двигателя для большинства производственных процессов. Дымовая труба является частью парогенерирующего котла, и ее эволюция тесно связана с увеличением мощности парового двигателя. Дымоходы паровой машины 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 котлов, связанными с двигателями Джеймса Уотта с «двойной мощностью», и они продолжали расти в размерах на протяжении всего викторианского периода. Декоративные украшения являются особенностью многих промышленных дымоходов 1860-х годов: выступающие колпаки и узорчатая кирпичная кладка.
Изобретение принудительной тяги с помощью вентилятора в начале 20 века устранило первоначальную функцию промышленных дымоходов - всасывание воздуха в парогенерирующие котлы или другие печи. С заменой парового двигателя в качестве первичного двигателя сначала дизельными двигателями, а затем электродвигателями, ранние промышленные дымоходы начали исчезать из индустриального ландшафта. Строительные материалы были заменены с камня и кирпича на сталь, а затем и на железобетон, а высота промышленного дымохода определялась необходимостью рассеивания дымовых газов сгорания для соблюдения государственных правил по контролю загрязнения воздуха .
Дымовые газы сгорания внутри дымовых газов намного горячее окружающего наружного воздуха и, следовательно, менее плотные, чем окружающий воздух. Это приводит к тому, что давление в нижней части вертикального столба горячего дымового газа ниже, чем давление в нижней части соответствующего столба наружного воздуха. Это более высокое давление снаружи дымохода является движущей силой, которая перемещает необходимый воздух для горения в зону горения, а также перемещает дымовые газы вверх и из дымохода. Это движение или поток воздуха для горения и дымовых газов называется «естественной тягой», «естественной вентиляцией» , «эффектом дымохода» или « эффектом дымовой трубы ». Чем выше штабель, тем больше создается тяга.
Приведенное ниже уравнение дает аппроксимацию разницы давлений Δ P (между нижней и верхней частью дымовой трубы), которая создается тягой: [3] [4]
где:
Приведенное выше уравнение является приблизительным, поскольку оно предполагает, что молярные массы дымового газа и наружного воздуха равны и что перепад давления в дымовой трубе весьма мал. Оба предположения довольно хороши, но не совсем точны.
В качестве «первого приближения» можно использовать следующее уравнение для оценки расхода дымовых газов, вызванного тягой дымовой трубы. Уравнение предполагает, что молярные массы дымового газа и наружного воздуха равны, а сопротивление трения и тепловые потери пренебрежимо малы: [5]
где:
Кроме того, это уравнение справедливо только тогда, когда сопротивление тяговому потоку вызвано одним отверстием, характеризуемым коэффициентом расхода C. Во многих, если не в большинстве ситуаций, сопротивление в первую очередь создается самой дымовой трубой. В этих случаях сопротивление пропорционально высоте дымохода H. Это приводит к исключению H в приведенном выше уравнении, предсказывающему, что Q будет инвариантным относительно высоты дымохода.
Проектирование дымоходов и дымоходов для обеспечения необходимой естественной тяги включает в себя множество факторов, таких как:
Расчет многих из вышеперечисленных расчетных факторов требует повторяющихся методов проб и ошибок.
Правительственные учреждения в большинстве стран имеют специальные правила, которые определяют, как должны выполняться такие проектные расчеты. Многие неправительственные организации также имеют нормы, регулирующие проектирование дымоходов и дымовых труб (в частности, нормы ASME ).
Проектирование больших штабелей представляет собой серьезную инженерную задачу. Выброс вихрей при сильном ветре может вызвать опасные колебания трубы и привести к ее обрушению. Обычно используется спиральный ремень, чтобы предотвратить возникновение этого процесса на резонансной частоте батареи или близкой к ней.
Некоторое промышленное оборудование, работающее на топливе, не использует естественную тягу. Во многих таких элементах оборудования используются большие вентиляторы или воздуходувки для достижения одних и тех же целей, а именно: подачи воздуха для горения в камеру сгорания и потока горячих дымовых газов из дымохода или дымовой трубы.
Многие электростанции оборудованы оборудованием для удаления диоксида серы (т. е. десульфуризации дымовых газов ), оксидов азота (т. е. селективного каталитического восстановления , рециркуляции выхлопных газов , термического удаления NOx или горелок с низким содержанием NOx) и твердых частиц (т. е. , электрофильтры ). На таких электростанциях в качестве дымовой трубы можно использовать градирню . Примеры можно увидеть в Германии на электростанции Штаудингер Гросскроценбург и на электростанции Росток . Электростанции без очистки дымовых газов в таких дымовых трубах могут подвергнуться серьезной коррозии.
В США и ряде других стран исследования по моделированию атмосферной дисперсии [6] необходимы для определения высоты дымовой трубы, необходимой для соблюдения местных норм по загрязнению воздуха . Соединенные Штаты также ограничивают максимальную высоту дымовой трубы так называемой высотой дымовой трубы «Надлежащей инженерной практики» (GEP). [7] [8] В случае существующих дымовых труб, высота которых превышает высоту дымовой трубы GEP, в любых исследованиях по моделированию рассеивания загрязнения воздуха для таких дымовых труб должна использоваться высота дымовой трубы GEP, а не фактическая высота дымовой трубы.