Generatorji toplote - vaje

Preračun dimnika

49 študijsko leto: 2019/2020

7. Preračun dimnika

Za kotel iz prejšnjih nalog izberi dimenzije dimnika in preveri, če izbrani dimnik ustreza

funkcionalnim zahtevam standarda DIN 4705. O kotlu je znano: imenska moč kotla QN 115 000 kW masni tok dimnih plinov m 65,1a kg/s temperatura dimnih plinov na izstopu iz kotla TW 180 °C delež CO2 v suhih dimnih plinih φ(CO2)s 13,7b % delež H2O v dimnih plinih φ(H2O) 14,0c %

Iz posebnega izračuna, ki ga opravimo za povezovalno cev med kotlom in dimnikom, dobimo padec temperature dimnih plinov v povezovalni cevi TV 4 K padec tlaka dimnih plinov v povezovalni cevi pFV 12 Pa skupni koeficient lokalnih uporov v dimniku Σζn 0,8

Znana je tudi nadmorska višina lokacije kotla, ki je z = 300 m.

Preračun dimnika poteka preko preverjanja, če izbrane dimenzije dimnika ustrezajo določenim

funkcionalnim zahtevam in je obenem zadoščeno tudi nekaj izkustvenim omejitvam.

Funkcionalni zahtevi sta:

1. dejanski vlek, ki se vzpostavi v dimniku, mora biti večji od potrebnega vleka

pZ = pH – pR ≥ pW + pFL + pL = pZe

2. najmanjša temperatura dimnih plinov v dimniku ne sme biti manjša od temperature

rosišča

Tiob ≥ Tg

Začnemo z določanjem lastnosti okoliškega zraka in dimnih plinov.

Zrak:

Temperatura zraka je v standardu določena kot TL = 15 °C. Pri izračunu najnižje temperature

dimnih plinov, pa je potrebno upoštevati bolj 'neugodne' razmere in zato v tem primeru

upoštevamo temperaturo Tu = –15 °C.

Tlak okoliškega zraka standard določi glede na nadmorsko višino. (p7.2/s7)

4300e0

LL TR

zg

LL pp

zračni tlak na morski gladini pri 15 °C: pL0 = 101 320 Pa

težnostni pospešek: g = 9,81 m/s2

plinska konstanta zraka: RL = 288 J/(kg K) (po standardu za vl. zrak)

nadmorska višina: z = 300 m

a izračunan pri masnem toku goriva dobljenem z DIN 1942 b upoštevaj vrednost iz stehiometričnega preračuna c upoštevaj vrednost iz stehiometričnega preračuna

Generatorji toplote - vaje

Preračun dimnika

50 študijsko leto: 2019/2020

Pri izračunanem tlaku je gostota zraka

LL

LL

TR

pρ

Dimni plini:

Dimne pline obravnavamo kot idealen plin, zato jim najprej določimo plinsko konstanto

(t1/s17).

)CO(1 2φfRR RL

RL plinska konstanta zraka (288 J/(kg K))

φ(CO2) volumenski delež CO2 v suhih dimnih plinih v %

fR iz tabele 7.1

Specifična toplota dimnih plinov je odvisna tako od njihove sestave, kot tudi temperature.

Določimo jo pri srednji temperaturi dimnih plinov Tm, ki pa jo moramo na začetku oceniti, za

prvi približek lahko ocenimo, da bo temperatura v dimniku padla za 10 K, torej bo srednja

temperatura pribl. 180 – 4 – 10/2 = 171 °C. Specifično toploto lahko zdaj določimo z uporabo

diagrama za ustrezno gorivo (sestava dimnih plinov!), ki so podani v standardu, ali pa z

empirično enačbo, ki jo prav tako predpisuje standard (t1/s17).

2 20 1 2 2

3 2

1011 0,05 0,0003 (CO )

1 (CO )

m c c m cm mp

c

T T f f T f T φc

f φ

Temperaturo Tm moramo vstaviti v °C, delež CO2 pa v %. Faktorje fc poišči v tabeli 7.1.

Parcialni tlak vodne pare v dimnih plinih je pomemben za določanje temperature rosišča. Če

hočemo preprečiti, da bi vlaga v dimnih plinih kondenzirala, mora biti temperatura dimnih

plinov povsod, predvsem ob steni, kjer je najbolj verjeten pojav kondenzacije, višja od

temperature rosišča. To moramo zato poznati (t1/s17).

LD pφ

p100

)OH( 2

67,236ln236448

9,4077

Dp

pT

Tabela 7.1: Faktorji za izračun plinske konstante in specifične toplote dimnih plinov fR fc0 fc1 fc2 fc3 premog -0,0034 3,3 0,014 -0,000014 0,0046 kurilno olje -0,0001 13 0,014 -0,000011 0,0093 zemeljski plin 0,0033 23,1 0,015 -0,000007 0,0142 les 0,0001 15,4 0,016 -0,000011 0,0111

Standard predpisuje kontrolo funkcionalnosti dimnika, ne pa eksplicitno določanja

njegovih dimenzij. Te si moramo zato izbrati sami in preveriti njihovo ustreznost v

konkretnem primeru.

Generatorji toplote - vaje

Preračun dimnika

51 študijsko leto: 2019/2020

Izberi:

notranji premer dimnika: Dh (ker je dimnik okrogel je to obenem hidravlični premer)

delovna višina dimnika: L (dejanska višina dimnika je lahko večja)

debelino stene dimnika: d (predpostavimo, da je debelina stene konstantna)

material dimnika

Ker se dimni plini v dimniku ohlajajo, njihova temperatura ni konstanta, zato ves preračun

izvedemo pri srednji temperaturi dimnih plinov (p8/s8).

Kueum

K

TTTT

e1

temp. okoliškega zraka Tu = –15 °C

vstopna temp. dimnih plinov Te = TW – ΔTV

hladilno število

pcm

LkUK

notranji obseg dimnika U = π d

koeficient prehoda toplote

aha

hH

i αD

D

ΛS

α

k11

1

toplotna prestopnost na notranji strani - v večini primerov jo lahko ocenimo s

poenostavljeno enačbo

0,8

4 10,92 0,0006 3,6 0,065i r m

h

mα ψ T

U D

Pri tem je koeficient hrapavosti stene ψr odvisen od hrapavosti stene r, ki sta za različne

materiale stene podana v tabeli 7.2 (p8.2.1/s9, t3/s18). Za srednjo temperaturo dimnih plinov

Tm na tem mestu ponovno upoštevamo prejšnjo oceno Tm = 171 °C.

toplotna prestopnost na zunanji strani – standard določa, da je toplotna prestopnost na

stenah, ki so v zaprtih prostorih αa = 8 W/m2K, za stene, ki so na odprtem pa αa = 23 W/m2K

(p8.2.2/s9).

toplotna upornost stene 1/Λ – v primeru, ko je stena dimnika iz ene same plasti je upornost

enaka

h

hah

D

D

λ

D

Λln

2

1

faktor zveznosti obratovanja – za neprekinjeno obratovanje je SH = 1, za pogosto prekinjano

obratovanje (on/off) pa SH = 0,5. Izberimo prvo možnost.

Generatorji toplote - vaje

Preračun dimnika

52 študijsko leto: 2019/2020

Tabela 7.2: Hrapavost in toplotna prevodnost sten r λ ψr

m W/(m K)

verjene jeklene cevi 0,001 58 1,15

šamotne cevi 0,0015 1 1,2

šamotni zidaki 0,002 1 1,26

pločevinasta cev 0,002 58 1,26

betonski zidaki 0,003 2,1 1,34

zidani kanali 0,005 0,6 1,42

Če izračunana Tm bistveno odstopa od predpostavljene, izračun ponovimo.

Z znano srednjo temperaturo dimnih plinov lahko določimo gostoto in hitrost dimnih plinov,

od katere so odvisni upori v dimniku.

m

Lm

TR

pρ

mm

ρA

mw

Z izračunanimi vrednostmi izračunamo dejanski vlek v dimniku, ki bo moral biti večji od

potrebnega vleka za dano postrojenje.

pZ = pH – pR

statični vlek v dimniku

pH = L g (ρL – ρm)

pretočni upori v dimniku

2

2m

m

n

nh

ER wρ

ζD

LψSp

varnostni faktor (izberemo): SE = 1,5

koeficient trenja – odčitamo iz diagrama (s17/s39) ali ocenimo z enačbo

4,0

25,0

118,0hD

rψ

vsoto vseh lokalnih uporov Σζn določimo z analizo geometrije dimnika, za naš primer je

podana

Generatorji toplote - vaje

Preračun dimnika

53 študijsko leto: 2019/2020

Vlek dimnika mora biti dovolj velik, da zagotovi pretok dimnih plinov skozi dimnik, torej da bo

izpolnjena prva funkcionalna zahteva

pZ > pZe

Potreben vlek dimnika pZe je sestavljen iz treh delov

pZe = pW + pFV + pL

vlek za kotel – glede na vrsto goriva in imensko moč kotla (t2a/s18), upoštevamo

pW = 80 Pa

vlek za povezovalni del – v našem primeru je podan, sicer pa ga izračunamo kot tlačne upore

v kanalih od kotla do dimnika upoštevajoč dolžino kanalov, kolena,...

vlek za zgorevalni zrak – če ga ni mogoče bolj natančno določiti, predvideva standard

vrednost 3 Pa, če je kotel v prostoru s prezračevalnimi napravami, ali 4 Pa, za kotle, ki so v

prostorih brez posebnega prezračevanja.

Če je potrebni vlek pZe je večji od dejanskega vleka pZ, prva funkcionalna zahteva ni izpolnjena.

Dimenzije dimnika je torej potrebno korigirati.

Pazi! Sprememba dimenzij dimnika vpliva na precejšnje število izračunanih vrednosti,

zato je treba celoten izračun ponoviti in upoštevati nove rezultate.

Druga funkcionalna zahteva za dimnike pravi, da mora biti temperatura dimnih plinov povsod

dovolj visoka, da ne pride do kondenzacije vode v dimniku. Temperaturo rosišča Tp smo že

določili, poiskati moramo še najnižjo temperaturo dimnih plinov. Ta se pojavi ob steni dimnika

na njegovem vrhu (izstopu)(p11.2/s12).

uobi

obobiob TT

α

kTT

temperatura dimnih plinov na vrhu dimnika (v jedru toka dimnih plinov)(p8/s8)

Kueuob TTTT e

koeficient prehoda toplote na vrhu dimnika – če dimnik ni homogen, se lahko razlikuje od

siceršnjega koeficienta k, v našem primeru pa je kob = k

Preverimo, ali je izpolnjen pogoj

Tiob > Tp

Generatorji toplote - vaje

Preračun dimnika

54 študijsko leto: 2019/2020

Na koncu je treba preveriti še, če izbrani dimnik ustreza še nekaterim izkustvenim omejitvam.

najmanjši vlek dimnika

175

LeZmin

TTLp

najmanjša hitrost dimnih plinov

4·58,1 Awmin

največja vitkost dimnika

212,5 12500h max

Hr

D

Rezultati:

premer dimnika

višina dimnika

material

debelina stene

potrebni vlek dimnika

dejanski vlek dimnika

temperatura rosišča vode

najnižja temperatura v dimniku

najmanjši in dejanski vlek dimnika

najmanjša in dejanska hitrost dimnih plinov

največja in dejanska vitkost dimnika