烟囱设计

这几天来南方降温厉害,这魔法攻击不由得让我怀念起室内温暖如春的北方。闲来无事,就扯一扯烟囱设计吧!

简单来说,按气体流动的动力,烟囱可以大致分为两类:

  • 机械通风(机械排烟)
  • 自然通风(自然排烟)

其中,机械通风是使用引风机或喷射器等设备,强迫气体排出;自然通风利用伯努利原理中压头转变带来的负压,将烟气从烟囱底部“抽离”并排出。前者消耗能源且噪音严重,后者不消耗能源且排放高度大。一般来说,只有环境不允许建设高度过大的烟囱(例如机场附近)、排出的烟气温度较低或通风系统阻力过大难以利用伯努利原理进行自然排烟时才使用机械通风。

因涉及到喷射器的设计,机械通风暂且不提,这里说说自然排烟。

前面提到好几次的伯努利原理,这个东西其实大家都不陌生,无非是能量守恒定律的特殊形式。

其中,1/2ρv^2为动压头,ρgh为几何压头(位压头),P为静压头;对应的物理意义分别是气体动能、气体位能以及气体表压强。

具体怎么推的这里 就不赘述了,具体看维基百科 – 伯努利定律

对于烟囱内的低速空气流动,如上图取垂直于烟囱取向取上下两个截面1-1和2-2,假设两截面间的烟气做等温流动,即密度ρ不变,可以列出:

对于烟囱的计算,我们习惯用ω来表示气体流速,用z来表示相对基准面的高度,也就是将上式写成:


式1

考虑浮力对于烟囱内气体的影响,另外对烟囱外的空气列出单一流体静力学方程:


式2

其中,ρa为空气密度。

式1减式2并将流动过程中的热损失及机械损失HL加入右侧,且由于ρa>ρ得:

上式称为两流体伯努利方程,为了简便,可以记作:Hs1 + Hge1 + Hk1 = Hs2 + Hge2 + Hk2 +HL,各项分别为1-1截面的静压头、动压头和几何压头,2-2截面的静压头、动压头和几何压头,以及阻力损失。阻力损失HL又分为摩擦阻力损失Hf(单位Pa)和局部阻力损失Hζ(与通风管道的几何形状例如弯折等有关)。


重新选取两个截面,2-2截面位于烟囱最顶部,与大气相连,1-1截面位于烟囱最低部,与系统内部相连。

取2-2截面为基准面(零压面),此时2-2截面的静压头为零,几何压头为零,不考虑局部阻力损失时,列出两流体伯努利方程:

Hs1 + Hge1 + Hk2 = Hk2 + 0 + 0 + Hf

摩擦阻力计算公式:

其中dav是烟囱平均直径,等于顶部半径与底部半径之和的一半。

λ为摩擦阻力系数,混凝土烟囱取约0.05,钢材质烟囱取0.02,应根据具体材料实际情况取值。


粗算烟囱顶部内径(单位m)

根据质量守恒,流入质量等于流出质量,记流入流出截面分别为S1、S2,则有S1×ω1=S2×ω2=……

所以顶部直径可以根据烟气排出量和速度计算。

自然通风的ωT取2.0~4.0Nm/s。

dT一般不小于0.7米,厚度一般不小于一砖厚。


粗算烟囱高度(单位m)

其中,ΣH为总阻力,K为储备系数,K可取1.2~1.3。


粗算底部内径(单位m)

其中,H为烟囱高度,斜率为0.01~0.02。


底部流速(单位Nm/s)


精算烟囱高度(单位m)

其中,ρa为空气密度,ρm为平均烟气密度。

1.293kg/m³为标况下(101.325kPa,0℃)的干空气密度,如果实际建造地区空气湿含量较高,应当使用湿空气密度计算。


其它校正

季节性温度变化,温度影响空气密度,空气密度影响抽力,计算时应用当地全年最高温度。

海拔造成的气压变化,同样是由于空气密度变化引起的抽力变化。

当地空气湿度,若空气湿度较大,则计算空气密度时应当以湿空气密度为基准。

计算烟气平均温度时,要考虑烟气在高度上的温降。

烟囱高度应高于方圆200m内的最高建筑物3m以上。

……


校验误差

粗算与精算的烟囱高度误差应当小于5%,如大于此值,需重新设计,即:


注意事项

参考GB 50051-2013


好了,就到这里吧,下回如果还记得,可以聊聊喷射器。

我还记得16年的十二月有过一场大雾霾,在学校里十米外已经看不见人了。通过这些年的逐步以集中供暖取代散布式的烧煤取暖,北方的空气已经好了很多,真是切身体会得到的。冬天没有雾霾很舒服,没有怪味儿,真好。光速打脸,今晚华北雾霾极其严重,五十米人畜不分,服了。

2 条评论

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  • Google Chrome 79 Google Chrome 79 Windows 10 Windows 10

    啊……是头疼的物理,不过我想看喷射器(●ˇ∀ˇ●)

    • Firefox 71 Firefox 71 Windows 10 Windows 10

      啊……喷射器这个东西比较复杂