Для горения топлива необходим непрерывный подвод в топку атмосферного воздуха и удаление из нее образующихся дымовых газов в атмосферу.

Внешняя принудительная сила, которая заставляет воздух поступать в топку, а газообразные продукты сгорания двигаться по газоходам и по дымовой трубе, называется силой тяги. Отношение силы тяги к площади сечения дымовой трубы называется тягой.

Тяга и ввод воздуха в топку могут быть естественными и искусственными.

Естественная тяга осуществляется в котельных агрегатах производительностью до 2,5 т/ч и с сопротивлением газового тракта не более 300 Па (30 мм вод. ст.) при сжигании нешлакующих или малошлакующих топлив (дрова, торф) с помощью установки дымовой трубы. Естественной тягой называют разность давлений, которая приводит к возникновению движения потока. Эта разность появляется вследствие различных плотностей наружного холодного воздуха и горячих дымовых газов в трубе котельной установки.

Действие дымовой трубы основано на законе сообщающихся сосудов. Столб атмосферного воздуха давит снизу на колосниковую решетку. Топочная камера, газоходы котла и дымовая труба являются системой сообщающихся сосудов. Пока температура воздуха в котельной и дымовой трубе одинакова, в этой системе будет сохраняться равновесие.

Во время работы котла в дымовой трубе горячие газообразные продукты сгорания (t = 130 – 400 ^оС) и равновесие в этой системе нарушается. Дымовые газы, которые находятся в дымовой трубе, значительно легче, чем окружающий воздух. Столб наружного воздуха, как более тяжелый, вытесняет столб газообразных продуктов сгорания в дымовой трубе и выталкивает их в атмосферу. Вследствие этого возникает беспрерывное движение воздуха и дымовых газов в котле.

Естественная тяга тем больше, чем ниже температура и выше давление атмосферного воздуха, выше температура продуктов сгорания в дымовой трубе и больше высота дымовой трубы.

Тяга, Па, создаваемая в трубе газами определяется по формуле:

где Н_ТР – высота дымовой трубы, м; r_Г– плотность дымовых газов в дымовой трубе, кг/м³; g – ускорение свободного падения (»9,81 м/с²).

 

Рисунок 3.13 – Дымовые трубы:

а – стальная, б – кирпичная;

1 – цоколь, 2 – цокольная плита, 3 – ствол трубы, 4 – растяжки, 5 – кольцо, 6 – молниеотвод, 7 – лаз, 8 – футеровка.

Давление, создаваемое на том же уровне наружным воздухом определяется по формуле:

где r_В – плотность наружного воздуха, зависящая от температуры и давления воздуха, на кг/м³.

Сила естественной тяги определяется по формуле:

 

 

где S_Т – тяга, создаваемая дымовой трубой, Па; Р_О – давление воздуха по барометру, Па; Т_В – термодинамическая температура наружного воздуха, К; Т_Г- средняя термодинамическая температура газов в дымовой трубе, К; 287,1 – газовая постоянная воздуха (R_В); R_Г – газовая постоянная газообразных продуктов сгорания зависит от их состава - R_Г »R_В  (таблица 3.1).

Задача: Определить тягу, развиваемую дымовой трубой высотой 60 м в зимние время, при средней температуре уходящих дымовых газов t_г = 350 ^оС, температуре и давлении наружного воздуха t_в = -25 ^оС и Р_в = 100 кПа (750 мм рт. ст.).

 

Дымовые газы при прохождении через котлоагрегат испытывают сопротивление о твердые поверхности газохода и сопротивление, вызываемое изменением направления движения потока газа.

Высоту трубы принимают такой, чтобы имелся некоторый запас тяги, т.е. разряжения в топке (создаваемое трубой), которое должно быть больше суммы всех сопротивлений, получающихся в процессе прохождения газов по газоходам котла.

Для нормальной работы топки необходимо поддерживать в ней постоянное разряжение 20 – 30 МПа (2-3 мм вод. ст.). Поэтому полная тяга, Па, создаваемая дымовой трубой и обозначаемая S, должна быть достаточной для преодоления всех аэродинамических сопротивлений котла и создания разряжения в топке.

 

где åDS_КА – сумма сопротивлений всех элементов котельного агрегата.

Таблица 3.1 – Характеристика газов

 

В зависимости от температуры наружного воздуха тяга дымовой трубы изменяется; чем ниже температура наружного воздуха, тем больше разность плотностей этого воздуха и дымовых газов в трубе и тем больше тяга, а чем выше температура наружного воздуха, тем меньше тяга. Изменение тяги происходит и при изменении режима работы парового котла. В этом случае тягу регулируют большим или меньшим открытием соответствующих заслонок. При увеличении нагрузки котлов увеличивают часовое количество сжигаемого топлива, количество подаваемого в топку воздуха и усиливают тягу, что осуществляется большим открытием соответствующих заслонок, а при снижении нагрузки, когда уменьшают подачу в топку топлива и воздуха соответственно заслонки прикрывают.

Дымовые трубы строят стальными, кирпичными или железобетонными в зависимости от мощности котельной установки и срока работы, на который установка рассчитана.

Стальные трубы применяются в основном при временных установках и не выше 30 – 40 м. Для котельных установок средней и большей мощности строят кирпичные трубы высотой до 80 м и железобетонные высотой 80 – 250 м.

Для предохранения кирпичной кладки и железобетонной трубы от действия горячих газов внутри трубы выводят футеровку из огнеупорного кирпича.

Разряжение на выходе из топки поддерживается равным от 1 до 5 мм вод. ст. (10 – 50 Па). У основания дымовой трубы разряжение составляет:

– с естественной тягой – 1-3 мм вод. ст. (10 – 30 Па);

– с искусственной тягой – 10-20 мм вод. ст. (1 -2 кПа).

Это объясняется тем, что газообразные продукты сгорания теряют часть своего давления по мере их прохождения по газоходам к дымовой трубе.

Если топка имеет значительную высоту, то вследствие заполнения ее газообразными продуктами сгорания с высокой температурой топка действует как дымовая труба, т.е. в ней развивается естественная тяга. Благодаря этому в верхней части топки устанавливается разряжение меньшее, чем в нижней ее части.

В некоторых случаях в верхней части топки возникает давление больше атмосферного. Это приводит к выбиванию пламени и газов из топки, что недопустимо.

Регулирование естественной тяги осуществляется с помощью шиберов, которые устанавливаются на газоходах котла, а искусственной – с помощью осевого направляющего аппарата дымососа.

Для измерения тяги используются специальные приборы – тягомеры различных конструкций. На котлах малой производительности используются стеклянные жидкостные тягомеры типа ТНЖ, которые заправляются спиртом. На котлах средней производительности используются мембранные тягомеры ТМ-890. Имея показания тягомера в двух точках газового тракта, можно по их разности определить сопротивление движению дымовых газов между этими точками.