Одне з найважливіших вимог із забезпечення безпеки експлуатації твердопаливного опалювального обладнання — це правильна організація відведення продуктів згоряння. З тим розрахунком, щоб вони своєчасно і повністю виходили назовні, не проникаючи в приміщення, і поступалися місцем притоку свіжого повітря, необхідного для безперервного горіння паливної закладки. Порушення цих вимог призводить, в кращому випадку, до неефективної роботи печі або котла. Але набагато страшніше — це ймовірність отруєння чадним газом або ж виникнення пожежонебезпечної ситуації. У цій статті приведемо розрахунок димової труби — її перетин, що забезпечує своєчасний відведення продуктів згоряння з оптимальною швидкістю, і висоту, що забезпечує створення необхідної природної тяги.
Чому розглядаються саме твердопаливні прилади
Все просто — з ними в цих питаннях завжди більше проблем, якщо порівнювати з газовими. Пояснимо чому:
- Перш за все, газові опалювальні прилади — це практично завжди вироби заводського виробництва. Тобто обов’язково мають патрубок певного перерізу для під’єднання до димоходу. Обумовлюється площа перетину каналу і в технічній документації моделі. Тобто все досить просто — ні на одній з ділянок, що минає вгору димоходу завужувати канал не допускається.
- Температура вихлопу газового котла значно менше ніж у твердопаливного.
- Важко порівняти продукти горіння блакитного палива та будь якого з твердих видів палива.
- А ось твердопаливні опалювальні прилади, печі або котли, дуже часто створюються самостійно. Або ж дістаються «в спадок» від колишніх власників будинку. І ось тут ніколи не зайвою буде перевірка параметрів підключеного до такого приладу димоходу.
Втім, те, що стосується висоти труби і перевірки тяги — напевно, можна в повній мірі віднести і до газового опалювального обладнання. Перетин відомий, але решту перевірити не завадить.
Але почнемо саме з перетину.
Як розрахувати площу перетину димаря?
Існує кілька варіантів розрахунку оптимального перетину. Наприклад, від розмірів камери згоряння або від площі продувального вікна. Але в цій публікації увагу буде сконцентровано на тій методиці, яка заснована на оцінці обсягу димових газів, що утворюються в процесі згоряння.
На основі розрахунків і досліду фахівців давно вже складені таблиці, з яких можна отримати інформацію про димоутворення від різних типів твердого палива. Тобто який обсяг продуктів згоряння утворюється при спалюванні, скажімо, одного кілограма дров, вугілля, торфу тощо.
Наведемо і ми таку таблицю (в скороченому варіанті). У ній, крім димоутворення, показана калорійність палива (кількість тепла, що виділяється при спалюванні одного кілограма) і приблизна температура продуктів згоряння на виході з димохідної труби. Перша із зазначених характеристик нас по першості особливо не цікавить — просто дає загальне уявлення про ефективність палива. А ось температура, так, знадобиться для розрахунків.
| Тип палива | Питома калорійність палива, кКал/кг, усереднено | Питома обсяг виділених продуктів згоряння від спалювання 1 кг, м³ | Рекомендована температура на виході з димоходу, °С |
| Дрова із середнім рівнем вологості – 25% | 3300 | 10 | 150 |
| Торф кусковий (розсипом), повітряної просушки, із середнім рівнем вологість не вище 30% | 3000 | 10 | 130 |
| Торф – брикети | 4000 | 11 | 130 |
| вугілля буре | 4700 | 12 | 120 |
| вугілля кам’яне | 5200 | 17 | 110 |
| Антрацит | 7000 | 17 | 110 |
| Пелети деревні паливні брикети | 4800 | 9 | 150 |
Як бачите, обсяги вражають. Навіть типи палива які дають мінімальну димність — це вже близько 10 кубометрів на кожний спалений кілограм. Значить, просто з міркувань фізики і геометрії перетин димоходного каналу має бути в змозі постійно відводити чималі обсяги назовні.
Від цього і «танцюємо» при розрахунку.
Обсяг продуктів згоряння, що виділяються при спалюванні твердого палива протягом години можна визначити за такою формулою (з урахуванням температурного розширення газів).
Vgч = Vуд × Мтч × (1 + Т д / 273))
Vgч — обсяг продуктів згоряння, що утворюється протягом години.
Vуд — питома обсяг утворюються продуктів згорання для обраного типу палива, м³ / кг (з таблиці).
Мтч — маса паливної закладки, спалимої протягом однієї години. Зазвичай знаходиться відношенням повної паливної закладки до часу її повного прогорання. Наприклад, в піч завантажується разом 12 кг дров, і вони прогорають за 3 години. Значить, Мтч = 12/3 = 4 кг / год.
Тд — температура газів (℃) на виході з димохідної труби (з таблиці).
273 — константа, для приведення температурних параметрів до шкалою Кельвіна, яка використовується в термодинамічних розрахунках.
Так як одиниця часу в нашій системі числення — секунда, то дізнатися обсяг, що виходить за секунду, нескладно — результат просто ділиться на 3600:
Vgс = Vgч / 3600
Щоб дізнатися площу перетину каналу, який гарантовано пропустить через себе цей обсяг при певній швидкості руху газів, треба знайти їх відношення
Sc = Vgс / Fд
Sc — площа поперечного перерізу каналу димоходу, м².
Fд — швидкість потоку газів в димохідної трубі, м / с
Кілька слів про цю швидкість. Для опалювальних приладів і споруд побутового класу зазвичай прагнуть зупинитися в діапазоні від 1,5 до 2.5 м / с. При такій, з одного боку — невисокій швидкості не спостерігається значного опору потоку, не виникає сильних завихрень, що гальмують рух газів. Мінімізуються теплові втрати, знижується до нормальних величин температура газів на виході з труби. Разом з тим, швидкість в достатній мірі велика для того, щоб зменшити утворення конденсату і осідання золи на внутрішніх стінках каналу.
Якщо знайдено перетин (а це — мінімальна його величина), то по відомим геометричній формулі можна знайти або діаметр для труби круглого перетину, або довжину сторони — при квадратному перерізі, або підібрати довжини сторін при прямокутному.
Висота димохідної труби
Тут нам вдасться обійтися без складних розрахунків.
Так, звичайно, існують досить громіздкі формули, за якими з великою точністю можна розрахувати оптимальну висоту димаря. Але вони стають дійсно актуальними при проведенні проектування котелень чи інших промислових установок, де оперують зовсім іншими рівнями потужності, обсягами споживаного палива, висотами і діаметрами труб. Тим більше що в ці формули включена ще й екологічна складова по викиду продуктів згоряння на певну висоту.
Немає ніякого сенсу наводити ці формули тут. Практика показує, і це ще, до речі, обумовлено в будівельних нормах, що для будь-якого з теоретично можливих в приватному будинку твердопаливного приладу або споруди буде досить димохідної труби (з природною тягою) висотою не менше п’яти метрів. Можна зустріти рекомендації орієнтуватися все ж на показник в шість метрів.
При цьому мається на увазі саме перепад висот між виходом з приладу (для печей часто вважають — від рушти) до верхнього обріза труби, без урахування грибка, флюгарки або дефлектора. Це важливо для тих димоходів, на яких є горизонтальні або похилі ділянки. Повторимо — не спільна довжина використовуваної труби, а тільки різниця висот.
Отже, мінімальна довжина зрозуміла — п’ять метрів. Менше — не можна! А більше? Звичайно, можна, і буває навіть — потрібно, так як можуть втрутитися додаткові фактори, зумовлені специфікою будівлі (банально — висота будинку) і розташуванням оголовка труби щодо покрівлі або сусідніх об’єктів.
Це обумовлено і правилами протипожежної безпеки, і тим, що оголовок труби не повинен потрапити в так звану зону вітрового підпору. Якщо цими правилами знехтувати, то димар стане вкрай залежним від наявності, напрямку і швидкості вітру, і в ряді випадків природна тяга через нього може зовсім пропасти або змінитися на зворотну ( «перекинутися»).
Правила ці — не настільки складні, і з їх урахуванням вже можна точно намічати висоту димохідної труби.
Перш за все, через якій би дах димохід не проходив, обріз труби не може бути ближче 500 мм від покрівлі (скатної або плоскої — неважливо).
На дахах складної конфігурації, або на покрівлі, що є сусідами з стіною або іншим об’єктом (скажімо, краєм покрівлі іншого будівлі, прибудови тощо), зона вітрового підпору визначаться лінією, проведеної під кутом в 45 градусів. Обріз димоходу повинен бути вище цієї умовної лінії не менше, ніж на 500 мм.
Таке ж правило, до речі, діє і тоді, коли поряд з будинком знаходиться високий сторонній об’єкт — будівля або навіть дерево. Малюнок нижче показує, як проводиться графічне побудова в цьому випадку.
На похилому даху висота виступає над покрівлею ділянки труби залежить від віддалення від коника.
- Труба, розташована від коника на відстані до 1500 мм, повинна своїм обрізом підніматися над ним мінімум на 500 мм.
- При видаленні від 1500 до 3000 мм верхній край труби повинен бути не нижче рівня коника.
- Якщо відстань до коника більше 3000 мм, мінімально допустимий розташування обріза труби визначається лінією, що проходить через вершину коника, проведеної під кутом в 10 градусів від горизонталі.
Для зниження залежності тяги від вітру застосовуються спеціальні ковпаки, дефлектори, флюгарки. У ряді випадків потрібне і використання іскрогасника — це особливо актуально саме для твердопаливних приладів.
Залишається засісти за креслення свого будинку (наявного або планованого), визначити місце труби і потім вже остаточно зупинитися на якийсь її висоті — від 5 метрів і більше.
Перевірка запланованої труби на величину природної тяги
По суті, основні параметри димової труби ми вже визначили — достатній перетин її каналу і висота. Але для приладів з природною тягою ніколи не зайвим буде перевірити силу цієї самої тяги. Щоб не вийшло, що побудований димохід раптом відмовляється виконувати свої основні функції.
Тяга — це, по суті, різниця тисків гарячих газів в трубі і зовнішнього повітря. Саме ця різниця і стимулює рух газового потоку по каналу димоходу.
Вважається, що для нормальної роботи димоходу з природною тягою ця різниця повинна складати не менше 4 паскаль на кожен метр висоти труби (0,408 мм водяного стовпа або 0,03 мм ртутного стовпа). Тобто для п’ятиметрової труби (наш мінімум) тяга повинна бути не менше 20 Па. Це забезпечує і нормальне відведення газів, і необхідний приплив повітря для безперервного горіння палива.
Як прорахувати цю тягу. Природно, вона багато в чому залежить від щільності газів, які, в свою чергу, тісно взаємопов’язані з температурою. У цьому можна переконатися глянувши на формулу, з якої ми і будемо працювати:
Δ P = Hтр × g × Pатм × (1 / Тв – 1 / ТДС) / 287,1
Δ P — природна тяга в трубі, Па.
Hтр — висота димової труби, м.
g — прискорення вільного падіння (9.8 м / с2);
Pатм — атмосферний тиск. Нормальним вважається значення в 750 мм ртутного стовпа. Однак, місцевість, для якої проводиться розрахунок, може мати і свою специфіку. Треба правильно розуміти, сто нормою вважається рівень моря. А з ростом висоти ця норма починає знижуватися. Причому – досить значно. Так що при розрахунках необхідно буде керуватися нормою для свого регіону проживання.
Атмосферний тиск зазвичай вимірюється в міліметрах ртутного стовпа. Однак, для розрахунку в системі СІ потрібно перевести його в Паскалі. Це нескладно, якщо знати, що 1 мм рт. ст. = 133,3 Па.
Тв — температура повітря на вулиці. Причому, приведена до шкалою Кельвіна, тобто С ° +273.
Тдс — середня температура газів в димоході. Визначається як середнє арифметичне показників на вході і виході, з подальшим приведенням до шкалою Кельвіна.
287,1 — газова стала повітря. Правильніше було б підібрати цю величину під конкретний хімічний склад газів, що відводяться. Але в нашому випадку помилка значна, сильно впливати на кінцевий результат, не буде.
Кілька важливих зауважень по температурі на вході і виході
Статистика вказує, що ліпше загоряння відбувається у банних пічках, в який практично відсутній тепловідвід, в короткі терміни наганяється жар в парильні, і при цьому димохід зазвичай розжарюється до небезпечних температур. Тому потрібно вміти управляти температурами в трубі, використовуючи доступні засоби — шибери, засувки, пристрої додаткової утилізації тепла (наприклад, водогрійні баки).
У побутових і опалювальних печах з цим простіше, але все одно контроль необхідний. У котлах, де сама суть роботи полягає в постійній віддачі тепла циркулюючому теплоносія, ці питання так гостро не стоять.
Режим 900 ÷ 600 ℃ (вхід і вихід), що зустрічається у деяких пічках — надзвичайно небезпечний в усіх відношеннях, і навіть не повинен розглядатися! Розумні рамки (і то — верхній їх межа) це 600 ÷ 400 градусів для побутових цегляних і металевих печей. Зазвичай же намагаються витримувати в діапазоні 400 ÷ 200 ℃. Для газового обладнання нижня межа може падати і нижче 100 градусів.
Якщо всі вихідні значення для підстановки в формулу відомі — можна переходити до розрахунку.
Якщо отримана різниця тисків потрапляє в норми (більше 4 Па на метр висоти труби) — то перевірку можна назвати успішною.
Основні параметри димової труби отримані — можна переходити до вибору матеріалів і детального проектування.