Дымовые трубы (конструкции, расчет)

Дымовые трубы (конструкции, расчет)

ДЫМОВАЯ ТРУБА, устройство для отведения газов, развивающихся при горении в топках, или ядовитых газов химических, металлургических и других заводов в относительно высокие слои атмосферы, а также для возбуждения тяги, вызывающей приток воздуха, необходимого для сгорания топлива. Образование тяги объясняется разностью между удельным весом горячих газов внутри трубы и удельным весом наружного воздуха. По конструкции дымовые трубы разделяют на кирпичные, железные и железобетонные.

Кирпичные дымовые трубы выполняются круглого, квадратного, шестиугольного и восьмиугольного поперечного сечения. В настоящее время кирпичные дымовые трубы делают исключительно круглого сечения, т. к. при этой форме влияние давления ветра, величина поверхности, отдающей тепло, и объем кирпичной  кладки получаются наименьшими. Для кирпичных дымовых труб  применяют специальный лекальный пустотелый кирпич (фиг. 1), имеющий форму части сегмента с несколькими вертикальными сквозными отверстиями.

Лекальный пустотелый кирпич

Лекальный кирпич приготовляют из чистой глины. В дымовой трубе  (фиг. 2) различают следующие главные части: 1) фундамент, подразделяющийся на бетонное основание и бутовую кладку; 2) постамент, подразделяющийся на: цоколь, ствол постамента и карниз; 3) ствол трубы, подразделяющийся на: нижний выступающий пояс, собственно ствол и головку.

Дымовая труба

Фундамент дымовой трубы  обыкновенно книзу расширяется уступами, причем ширина уступа не должна превышать 2/3 его высоты. Если по состоянию грунта ширина уступа д. б. более 2/3 его высоты, то такие фундаменты рекомендуется выполнять железобетонными. Бетонное основание дымовых труб  делается высотой не менее 600 мм. Бутовый камень фундамента и грунт необходимо хорошо изолировать от действия горячих газов, которые могут ослабить прочность бутовой кладки. Изоляция же достигается кирпичной кладкой толщиною приблизительно в 2,5 кирпича. Постамент и ствол также д. б. изолированы от вредного действия горячих газов; для этого при температуре газов >250° применяют свободно стоящую футеровку из огнеупорного кирпича на шамотном растворе. Ствол трубы возводится звеньями (барабанами), высота которых по возможности делается одинаковой в пределах 3—10 м. Толщина стенок трубы должна позвенно увеличиваться по направлению книзу, что соответствует общему уклону, который для внешней стороны равен 0,015—0,04, а для внутренней - 0,002—0,02.

Для защиты дымовой трубы  от повреждения молнией на ней устанавливают громоотвод, состоящий из приемника, наружного провода и заземленного отвода в виде тонкой медной луженой пластины. Наружный провод громоотвода крепится в особых железных держателях, которые при возведении дымовой трубы  заделываются в кладке на расстоянии приблизительно 2 м друг от друга. Возведение дымовой трубы  производится без лесов; лесами пользуются обыкновенно только вначале, когда кладется нижняя часть дымовой трубы, а далее уже весь строительный материал подается с помощью несложных подъемных механизмов (фиг. 3 и 4). При возведении дымовой трубы  необходимо наблюдать за тем, чтобы оси отдельных звеньев трубы в точности совпадали с осью трубы; последнее проверяется с помощью веска.

Возведение дымовой трубы

Из повреждений дымовой трубы  наиболее важным является уклонение дымовой трубы от первоначального ее вертикального положения. Последнее обстоятельство чаще всего объясняется неравномерной осадкой фундамента. Выпрямление трубы производится следующим образом: в нижней части дымовой трубы  со стороны, противоположной той, куда труба наклонилась, пробивают во всю толщину стенки ряд отверстий на протяжении более половины периметра трубы, которые заполняют более тонким слоем кладки, после чего оставшиеся промежуточные части кладки осторожно удаляют, и дымовая труба, оседая от собственного веса, постепенно выпрямляется, приближаясь к вертикальному положению. Исправление появившихся трещин, повреждения облицовки или швов, производится во время действия трубы, причем рабочие взбираются до места работ по железным скобам, расположенным с наружной ее стороны.

При проектировании дымовой трубы,  прежде всего, определяют ее главные размеры, т. е. диаметр верхнего сечения и высоту, и затем производят статический расчет. Величина диаметра трубы зависит от допускаемой скорости выхода газов, которую во избежание нарушений в работе трубы не рекомендуется делать менее 2 м/сек. При меньшей скорости газов могут получиться обратные потоки и задувание ветром. Максимальной выходной скоростью газов считают 8 м/сек; превышение этой скорости влечет значительные потери на трение и поддержание скорости газов в трубе. Т. о., при определении площади верхнего сечения дымовой трубы  желательно задаваться скоростью в 3—4 м/сек, чтобы, при всех возможных колебаниях нагрузки проектируемой установки, скорость газов при выходе из трубы оставалась в пределах 2—8 м/сек. Для определения площади верхнего сечения и высоты дымовой трубы  предварительно вычисляют следующие величины: а) Полный объем дымовых газов V определяется по составу дымовых газов и расходу топлива, сгорающего в час (см. Газ топочный и дымовой). Для определения объема сухих газов, приходящегося на 1 кг топлива при 0° и 760 мм рт. ст., с достаточной точностью можно воспользоваться приближенной формулой Даша:

Формула Даша для определения объема сухих газов, приходящегося на 1 кг топлива

где Q - рабочая теплопроизводительность топлива в Cal/кг; а - коэффициент избытка воздуха, величина которого зависит от размеров обмуровки котла и экономайзера, ее плотности, длины борова, степени разрежения в газоходах и от многих других причин; в общем случае можно принять а = 1,6—2,0. Объем водяных паров при 0° и 760 мм рт. ст. определяется по формуле:

Объем водяных паров

где Н - содержание водорода в рабочем топливе в % по весу; W - содержание влаги в рабочем топливе в % по весу; Wф. - количество пара (в кг), введенное в топку для сжигания 1 кг топлива, при наличии парового дутья или паровой форсунки. Т. о., приближенный полный объем продуктов сгорания при 0° и 760 мм рт. ст., получающихся при сгорании 1 кг топлива, определяется по следующей формуле:

Полный объем продуктов сгорания

б) Средняя теплоемкость 1 м3 сухих газов в Cal определяется из уравнения:

Средняя теплоемкость сухих газов

в) Средняя теплоемкость 1 кг водяных паров в Cal определяется из уравнения:

Средняя теплоемкость 1 кг водяных паров

причем вес водяных паров, образующихся при сгорании 1 кг топлива, определяется по формуле:

Вес водяных паров, образующихся при сгорании 1 кг топлива

в уравнениях (4) и (5) t’ - температура газов при входе в дымовую трубу.

Расчет площади верхнего сечения дымовой трубы  в свету производится по формуле:

Расчет площади верхнего сечения дымовой трубы  в свету

где w - скорость газов в м/сек при выходе (желательно 3—4 м/сек), a VСК. - секундный объем газов, определяемый по формуле:

Секундный объем газов

где В - часовой расход топлива в кг, V - полный объем газов, определяемый из формулы (3), Рб. - барометрическое давление в мм рт. ст., t" - температура газов при выходе из трубы, которая определяется по формуле:

Температура газов при выходе из трубы

где (Gn.c.·cn.c.) - тепло, отдаваемое газами при охлаждении на 1° и отнесенное к 1 кг сожженного топлива, определяемое из уравнения:

Dymovaja truba 13

В - часовой расход топлива в кг, dcp. - средний диаметр дымовой трубы  в свету в м; Н - высота дымовой трубы  в м; ts. - температура воздуха; χ - коэффициенте теплопередачи дымовой трубы  (в Cal/м2·час·°С), принимаемый с достаточной точностью равным: 1 - для кирпичной трубы, 2 - для бетонной трубы (толщиной 100 мм) и 4 - для железной нефутерованной. Для определения высоты дымовой трубы, измеряемой от уровня колосниковой решетки, служит формула:

Определения высоты дымовой трубы

где S' - теоретическая тяга в мм вод. ст., развиваемая трубою, γв. - удельный вес воздуха при 0° и 760 мм рт. ст., γг. - удельный вес газов при тех же условиях, tcp. - средняя температура газов. Так как yв.≈yг.≈1,293, то формула (9) примет вид:

Dymovaja truba 15

Чтобы знать действительную тягу проектируемой трубы, надо, кроме учитываемых потерь от охлаждения газов, определить также потери тяги на трение и создание скорости газов в трубе, а именно:

Dymovaja truba 16

и

Dymovaja truba 17

где γср. - удельный вес газов (вычисляется по состоянию газов в среднем поперечном сечении трубы); wcp. - средняя скорость газов в том же сечении; g = 9,81 м/сек2; ψ - коэффициент, который в среднем можно принять 0,0007, при диаметре менее 0,5 м, и 0,0006 - для труб большего диаметра. Т. о. действительная тяга у основания трубы

Действительная тяга у основания трубы

Действительная тяга проектируемой дымовой трубы  (формула 13) не д. б. менее всех сопротивлений установки. При расчете площади верхнего сечения дымовой трубы  и ее высоты иногда пользуются и более простыми, довольно многочисленными эмпирическими формулами. Все эти формулы составлены на основании опытных данных и содержат целый ряд числовых коэффициентов, от правильного применения которых и зависит точность определения размеров дымовой трубы; однако, пользование эмпирическими формулами при расчете дымовой трубы  не рекомендуется.

После определения площади верхнего сечения дымовой трубы  приступают к статическому расчету, исследуя устойчивость трубы и краевые напряжения от действия ветра и веса кладки. Для определения основных величин рассматривают часть дымовой трубы  (фиг. 5), лежащую выше сечения ВВ1 и имеющую одинаковую толщину стенок δ.

Дымовая труба

В центре тяжести этого элемента S прикладывают силу давления ветра Р и силу Q, вызываемую весом кладки, лежащей выше рассматриваемого сечения. Равнодействующую силу R перемещают по ее направлению до пересечения с плоскостью сечения ВВ1 в точке А, где ее снова разлагают на составляющие Р' и Q'. Силой Р' обыкновенно пренебрегают, как силой, вызывающей незначительное срезывающее усилие, а по оси трубы прикладывают две взаимно уравновешивающиеся силы Q, из которых одна, направленная вниз, вызывает напряжение сжатия, а другая дает с составляющей Q' пару сил с плечом с. Напряжение сжатия от силы Q выражается уравнением:

Dymovaja truba 20

где

Dymovaja truba 21

1800 - вес в кг 1 м3 кладки. Напряжение изгиба:

Dymovaja truba 22

где M=Q·c = P·e и W—момент сопротивления площади сечения

Dymovaja truba 23

площадь, на которую действует ветер, в м2

Dymovaja truba 24

давление ветра

Dymovaja truba 25

и

Dymovaja truba 26

где k - давление ветра, принимаемое равным 150 кг/м2 и 0,67 - коэффициент, принимаемый при определении силы давления ветра для круглых труб. Момент сопротивления W для кольцеобразного сечения:

Момент сопротивления W для кольцеобразного сечения

Таким образом,

Dymovaja truba 28

двойной знак означает здесь, что максимальные напряжения являются сжимающими (+) с подветренной стороны и растягивающими (—) с наветренной стороны дымовой трубы. Искомое сложное краевое напряжение (в кг/м2):

Dymovaja truba 29

Уравнение (16) показывает, что в различных местах горизонтального сечения трубы, в зависимости от того, будет ли абсолютная величина σ1 больше, меньше или равна σ2, возникают напряжения на сжатие, на растяжение или же напряжения будут равны нулю. Прямая, проходящая через точки нулевых напряжений, называется нейтральной осью N; эта ось находится в сопряжении с точкой приложения A эксцентричной силы Q. Кривая, описываемая точкой А, когда нейтральная ось принимает все положения, касательные к данному сечению, образует ядро сечения. Для круглых труб ядро сечения представляет собой круг, радиус которого

Для круглых труб ядро сечения представляет собой круг, радиус которого

Ядро сечения есть площадь, внутри которой должна лежать точка приложения эксцентричной силы Q, если напряжения в рассматриваемом сечении д. б. только одного знака. Как только точка А выйдет за пределы ядра сечения, нейтральная ось пройдет через рассматриваемое сечение, разделив его на две части, напряженные противоположно. Для определения напряжений, возникающих в поперечном сечении любого звена дымовой трубы, ниже приводятся формулы, с помощью которых производится упрощенный расчет круглой дымовой трубы. Принимая k = 150 кг/м2 и пользуясь формулой (16), краевое напряжение в основании верхнего звена дымовой трубы  можно выразить следующим образом:

Краевое напряжение в основании верхнего звена дымовой трубы

для 2-го звена

Dymovaja truba 32

для n-го звена

Dymovaja truba 33

где D1, D2, D3,... - наружные диаметры у основания звеньев дымовой трубы  в метрах, d1 d2, d3,... – внутренние диаметры у основания звеньев, d'1, d'2, d'3... - внутренние диаметры у вершин звеньев, d0 - диаметр верхнего отверстия дымовой трубы, D0 - верхний наружный диаметр трубы, δ1, δ2, δ3,... - толщины стенок по высоте звеньев, h1, h2, h3,... - высоты отдельных звеньев и Н1, Н2, Н3... - высоты, считая от вершины дымовой трубы  до рассматриваемого сечения. Введя обозначения

Dymovaja truba 34

и

Dymovaja truba 35

получим:

Dymovaja truba 36

Объем кирпичной кладки звеньев, лежащих выше рассматриваемого сечения, определяется по формуле:

Объем кирпичной кладки звеньев, лежащих выше рассматриваемого сечения

Что касается фундамента дымовой трубы, то его глубина заложения h' определяется в каждом случае отдельно. Глубина фундамента не д. б. менее глубины промерзания грунта. Давление на грунт, вызываемое всем сооружением дымовой трубы, при фундаменте круглого сечения определяется по следующей формуле:

Давление на грунт, вызываемое всем сооружением дымовой трубы

где, кроме вышепринятых обозначений, D - диаметр нижнего основания фундамента в м (внутренний диаметр d = 0), U - объем бутовой кладки фундамента и бетонного основания. Вес 1 м3 кладки фундамента принимается равным 2260 кг. При расчете кирпичной дымовой трубы  высотой до 30 м допускается напряжение на сжатие до 12 кг/cм2, а на растяжение - до 1,2 кг/см2. Для дымовой трубы  большей высоты это напряжение уменьшается на каждый метр высоты на 0,05 кг/см2; т. о., для дымовой трубы  высотою более 54 метров напряжение на растяжение не допускается. При расчете же фундамента дымовой трубы  в плоскости соприкосновения его с грунтом напряжение на растяжение вовсе не допускается. Во многих западных странах имеются специальные утвержденные требования, предъявляемые к кирпичным дымовым трубам.

Железные дымовые трубы  применяют в большинстве случаев в дымососных установках, в установках, имеющих временное значение, а также при слабом грунте. Конструктивно железные дымовые трубы  выполняются из конических железных барабанов, высотой каждый около 1 м, склепанных между собой таким образом, что каждый верхний барабан охватывает снаружи нижерасположенный. Такая конструкция дымовой трубы  создает меньшее сопротивление проходу газов и, кроме того, устраняет возможность попадания в швы дождевой воды. Толщина железа, употребляемого для дымовых труб, 3—8 мм. Основанием железных дымовых труб  служит чугунная фундаментная плита, которая крепится обыкновенно на кирпичном цоколе. Необходимая высота железных дымовых труб  и их диаметры определяются, как и для кирпичных дымовых труб; при этом диаметры рекомендуется брать на 30% больше, чем для кирпичных труб, вследствие более сильного охлаждения газов. При статическом расчете железных дымовых труб т. о. приходится учитывать изгибающие усилия, вызываемые давлением ветра. Эти усилия воспринимаются обычно растяжками, которые прикрепляются к кольцам, охватывающим дымовую трубу  (фиг. 6).

Расчет дымовой трубы

Растяжки делают из цепей, из стальных тросов или круглого железа. При расчете железных дымовых труб, как и кирпичных, принимают: а) k - давление ветра - равным 150 кг/м2; б) коэффициент, принимаемый при определении силы давления ветра для круглых труб =2/3(≈0,67). Далее, примем следующие обозначения: Н - высота над крышей в см; h1 - высота в см части дымовой трубы, расположенной выше кольца; h2 - высота в см части, расположенной ниже кольца; h3 - высота части, находящейся под крышей; D - внешний диаметр дымовой трубы  в см; D1 - внутренний диаметр в см; δ - толщина стенки дымовой трубы  в см; Р - давление ветра на всю трубу в кг; S - натяжение растяжки в кг; α - угол наклона растяжек; Dymovaja truba 40 - момент сопротивления поперечного сечения кругового кольца; σ - напряжение материала железной дымовой трубы  в кг/см2.

В зависимости от высоты железной дымовой трубы  могут быть три случая крепления: 1) труба растяжками не укрепляется вовсе, 2) труба укрепляется только в одном месте и 3) труба укрепляется по высоте растяжками в двух и более местах.

Случай 1.

Dymovaja truba 41

Изгибающий момент от силы давления ветра

Dymovaja truba 42

напряжение изгиба

Dymovaja truba 43

Железные дымовые трубы без растяжек строятся в последнее время весьма значительных размеров (высотой до 60 м); на фиг. 7 изображена такая дымовая труба  высотой 45 м.

Дымовая труба  высотой 45 м

Случай 2. Давление ветра на трубу (фиг. 6) Р = 0,01 DH кг. Натяжение наветренной растяжки

Натяжение наветренной растяжки

Ствол дымовой трубы испытывает следующие напряжения: 1) от продольного изгиба, вызываемого собственным весом дымовой трубы  и вертикальной составляющей S2 натяжения растяжек, и 2) от изгиба моментом М' вследствие давления ветра Р и момента М" вертикальной составляющей натяжения растяжек S. Влияние первого рода нагрузки незначительно и его учитывают пренебрегая заделкой нижнего конца дымовой трубы. Максимальные значения изгибающий момент приобретает в двух сечениях: у кольца, к которому крепятся растяжки, - М1, и в сечении, лежащем на высоте

Dymovaja truba 46

от уровня крыши, - М2.

Dymovaja truba 47

где

Dymovaja truba 48

Для расчета отдельных частей железных дымовых труб, растяжек, колец и пр., пользуются обычными формулами сопротивления материалов; коэффициенты прочности на растяжение для растяжек kz ≤ 1000 кг/см2, на изгиб для трубы kb ≤ 800 кг/см2.

Т. к. давление ветра воспринимается гл. образом растяжками, то подошву основания дымовой трубы  достаточно рассчитать на давление собственного веса

Dymovaja truba 49

где G1 - вес в кг самой трубы, определяемый по ее размерам, с добавлением около 25% на заклепки и перекрышку шва, и G2 - вес в кг цоколя и фундамента; при этом допускаемое давление на грунт колеблется в среднем от 0,75 до 1,5 кг/см2.

Железобетонные дымовые трубы применяются реже, чем кирпичные и железные, что объясняется гл. обр. особенностями свойств железобетона. Бетон при продолжительном действии на него высокой температуры теряет прочность вследствие химического разложения некоторых составных частей; резкая разница температур между внутренней и внешней сторонами стенки дымовой трубы  вызывает глубокие трещины и разрушения бетонной дымовой трубы. В последнее время за границей (особенно в Америке) тщательно изучают на опытах действие теплоты на всю конструкцию железобетонных дымовых труб. Как оказывается, главные напряжения материала в этих трубах вызываются высокими температурами, вследствие чего при проектировании на эту сторону расчета приходится обращать особое внимание. Согласно установленным правилам, железобетонная дымовая труба  по всей высоте, от основания до устья, должна снабжаться надежной футеровкой, рассчитанной таким образом, чтобы перепад температур между внутренней и внешней сторонами стенки не превышал 80° (Δt ≤ 80°). Указанная величина Δt для дымовой трубы с футеровкой определяется следующей формулой:

Dymovaja truba 50

где ti - температура газов у поверхности стенки футеровки, tn - температура окружающего воздуха, аi - коэффициент теплопередачи от газов к стенке в Cal/м2·час·°С, аа - коэффициент теплопередачи от стенки к окружающему воздуху в Саl/м2·час·°С, df - толщина футеровки в м; λf - средний коэффициент теплопроводности футеровки в Саl·м/м2·час·°С, λ' - эквивалентный коэффициент теплопередачи через воздушную прослойку, d' - толщина воздушной прослойки в м, λ - средний коэффициент теплопроводности железобетонной стенки в Cal·м/м2·час·°С, d - толщина железобетонной стенки в м. Для дымовой трубы  без футеровки величина Δt определяется по более простой формуле:

Dymovaja truba 51

Относительно числовых величин коэффициентов, входящих в формулы (28) и (29), необходимо отметить, что для уточнения их в Америке производятся обширные опыты. Коэффициент теплопроводности железобетонной стенки λ не следует брать слишком большим, и при расчете дымовой трубы его рекомендуется принимать в пределах 1,2—0,8. Коэффициент теплопередачи от газов к стенке ai определяется по следующей формуле:

Коэффициент теплопередачи от газов к стенке

где w - максимальная скорость газов в различных сечениях трубы; что касается коэффициента теплопередачи aa, то в отношении его пока нет достаточно обоснованных данных. Если окружающий воздух находится в состоянии покоя, что на практике бывает очень редко, то aa ≈ 6. При более неблагоприятных условиях aa может доходить до 20. Средний коэффициент теплопроводности футеровки λf можно принимать около 0,7; λ' берут по формуле:

Dymovaja truba 53

Давление ветра, которое кладется в основу статического расчета железобетонных дымовых труб  определяется в каждом случае следующей формулой:

Давление ветра

где Н - высота дымовой трубы  от основания до устья в м. Сила давления ветра на всю трубу определяется, как и для кирпичных дымовых труб, по формуле

Сила давления ветра на всю трубу

где χ для круглых труб = 0,67. Установленные за границей для железобетонных дымовых труб  требования являются более жесткими и детальными, чем для кирпичных. Применение железобетона позволяет сооружать дымовые трубы  весьма большой высоты, что является очень ценным для современных тепловых установок. Одна из самых высоких железобетонных дымовых труб построена в Америке в 1927 г. для Horne Copper С° (Канада). Эта труба предназначена для отведения газов от ряда печей с температурой 150—230° в высокие слои атмосферы. Высота дымовой трубы  129 м, диаметр верхнего сечения 3,96 м; ее фундамент расположен на скале, на высоте 270 м над уровнем моря. Разрежение, создаваемое этой трубой, колеблется в пределах 20—35 мм вод. ст., при температуре наружного воздуха от —20 до +32°. С внутренней стороны труба изолирована футеровкой с воздушной прослойкой в 50 мм. Футеровка выполнена из материалов, не поддающихся действию кислот. Фундамент представляет собой железобетонное кольцо с диаметрами 10670 и 7010 мм.

 

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 7 - 1929 г.