摘要 介绍了燃油锅炉房附壁烟囱抽力、最低高度、横断面尺寸、热伸长及补偿量、保温层
厚度等的计算方法,给出了保温层厚度计算实例。
关键词 附壁烟囱 抽力 直径 热伸长 保温层厚度
为了满足供热需要,许多建筑特别是高层民用建筑建有地下或地上毗邻建筑的燃油锅炉房、直燃机制冷机房等,为了环保、美观和降低造价,机房内燃油设备的烟囱一般不独立高耸,而是依附于建筑物建设,形成附壁烟囱。附壁烟囱的布置方式多种多样,有的设于建筑物竖井内,有的紧贴外墙内壁,有的紧靠外墙面处于室外不作保温,以利烟气向四周散热。附壁烟囱的荷载由相关楼层分别负担,其设置必须符合锅炉通风、排烟、消防、环保、维护等多方面的要求。与普通独立烟囱相比,附壁烟囱在烟囱材质、构造、抽力计算、高度、受热伸长与补偿、保温隔热等方面均有其特点。
1 附壁烟囱的抽力和最低高度
抽力是由于外界冷空气与烟囱内热烟气存在密度差产生的,又称烟囱自生风。在民用建筑中应用的燃油锅炉,基本上采取自然通风,即自然进风、自然排烟。自然通风的锅炉,其烟囱产生的抽力应能克服烟道(含锅炉炉膛)和烟囱压力损失,并保证炉膛出口有40~80 pa的负压。如果抽力太小,烟气就不能顺利排出,不利于锅炉稳定工作;如果抽力太大,则需调节烟道闸门开度,以增大烟道阻力。
1.1 烟囱抽力s
s =9.81hρko273273+ te-ρyo273273+ ta(1)
式中 s———烟囱抽力,pa;
h———烟囱高度,m;
ρko,ρyo———在标准状态下,空气和烟气的密度,
ρko=1.293 kg/m3,ρyo≈1.34 kg/
m3;
te———环境空气温度,℃;
ta———烟囱内烟气平均温度,℃。对于布置在民用建筑内的烟道及烟囱,一般有较好的保温结构,进行工程设计时,可忽略烟气在烟道、烟囱内的温降,即ta可按锅炉额定排烟温度取用。按上式计算,烟囱每m高度产生的抽力见表1。
1.2 烟囱最低高度hmin
烟囱最低高度应满足下式:
sb101 325≥δhycρyo1.293101 325b+1.2δhyd(2)
即
hmin=1.2δhyd+δhycρyo1.293101 325b9.81ρko273273+ te-ρyo273273+ ta•1
b
101 325
式中 hmin———烟囱最低高度,m;
δhyd———烟道总阻力,pa;
δhyc———烟囱总阻力,pa;
b———平均大气压力,pa;
1.2———储备因数。
对于全年运行的锅炉房,分别以冬、夏季室外空气温度对应的最大蒸发量为基础计算hmin;对于专供冬季供暖的锅炉房,则应分别以供暖室外计算温度及供暖结束时室外温度对应的最大蒸发量为基础计算hmin。如果建筑物高度低于hmin计算值较多,出于美观,实际烟囱高度往往低于hmin,此时,应采取增加抽力的措施,必要时增设锅炉引风机。如果建筑物高度高于hmin计算值较多,为避免烟道出口所排放的烟气对室内环境造成危害,烟囱高度不得低于建筑物高度,但这会导致烟囱抽力过大,这时应在烟道上采取节流措施以增大总阻力。同时,烟囱高度的确定还应有利于nox,co2,烟气废热及水蒸气等的扩散,满足《锅炉大气污染物排放标准》、《大气环境质量标准》等国家标准,使附近环境污染程度处于法规容许的范围内。
2 附壁烟囱的直径
燃油锅炉附壁烟囱的横断面可圆可方,甚至非圆非方,为便于施工,烟囱上、下部横断面一般相同。烟囱的横断面积与通过的总烟气量、烟气流速等因素有关,设计时应根据冬、夏季供热负荷分别计算并取最大值。所采用的烟气流速一般不宜取上限,以便留有锅炉房扩建余地。
2.1 烟气量的计算
液体燃料燃烧产生的烟气量与炉型、燃料种类、理论空气量、过量空气因数等有关,可用式(3)
计算。
vy= vyo+1.016 1(α-1) vko(3)
其中 vyo,vko可由以下经验公式计算:
vyo=0.265×qydw1 000
vko=0.203×qydw1 000+2.0
式中 vy———燃料燃烧产生的烟气量,
m3/kg;
vko———燃料燃烧所需理论空气量,m3/kg;
vyo———燃料燃烧后产生的理论烟气量,m3/kg;
qydw———燃料应用基低位发热量,kj/kg;
α———过量空气因数,对于燃油锅炉(室燃炉),α=1.2~1.25。
当锅炉燃用0#柴油(qydw=42 873 kj/kg)时,vko=10.7 m3/kg,vyo=11.4 m3/kg,vy=13.6~14.1
m3/kg。工程设计中,考虑必要的因数后,单位质量的该燃料燃烧所需空气量vk=13 m3/kg,对应的烟气量vy=17 m3/kg。如果一个附壁烟囱负担数台燃油设备的排烟,则总烟气量计算应考虑同时运行的设备台数,但备用设备产生的烟气量不宜计入。
2.2 烟囱直径
对于圆形横断面附壁烟囱,其直径为:
d =0.018 8mvyw(4)
对于非圆形横断面附壁烟囱,其当量直径为:ddl=mvy900lw(5)
式(4),(5)中d———圆形横断面附壁烟囱直径,m;
ddl———非圆形横断面附壁烟囱当量直径,m;
m———锅炉耗油量,kg/h;
w———烟囱内烟气流速,对于采用自
然通风的燃油锅炉,当负荷最小时,为避免高空冷空气倒灌,w取2.5~3 m/s;当负荷最大时,w取6~10 m/s;
l———烟囱横断面周长,m。
3 钢制附壁烟囱的热伸长与补偿量
烟囱排烟时,高温烟气的加热作用会引起烟囱竖向受热伸长,其伸长量与烟囱材质的线膨胀因数、烟囱内外温差及烟囱高度有关。在工程实践中,钢制附壁烟囱的每m热伸长量可按2.7 mm计算。钢制烟囱产生热伸长后,如果不进行补偿,会产生变形甚至损坏,并拉裂建筑物的梁、板等构件,烟囱的最小补偿量即为热伸长量。烟囱的补偿方法主要为在较长直段设金属波纹伸缩节,在法兰间垫厚石棉垫或石棉绳等,以减弱或消除金属受热膨胀所产生的应力,切不可让膨胀力施加到锅炉设备上。
4 附壁烟囱的保温层厚度
烟囱内烟气温度较高,处于房间中的烟囱外壁如果不进行保温隔热,易烫伤人员;建筑物的混凝土、钢筋等长期受高温烘烤又散热不良,必然导致建筑构造变形与损坏;当室内设空调系统降温时,高温烟气的热传递还会增加房间得热量,增大建筑冷负荷及能耗。因此,对于混凝土或砖砌附壁烟囱,其内表面应有耐火内衬(如耐火砖),或直接采用耐火混凝土烧筑,再在烟囱外表面设保温层、空气夹层等。对于钢制附壁烟囱,可不设耐火内衬,但外壁须保温。钢制烟囱应有足够的强度和刚度,厚度不应小于4 mm(不锈钢烟囱可适当减薄),烟囱壁厚应包含一定量的腐蚀裕度。烟囱内、外壁应刷耐热防腐油漆。
4.1 耐火混凝土平壁烟囱保温层厚度
设烟囱内外表面温度分别为t1和tw,保温层外表面温度为t2,平壁内外表面传热系数分别为h1和h2,混凝土厚度为δr,混凝土导热系数λr=ar+br(t1+tw)/2(其中ar为混凝土平均温度为零时的导热系数,w/(m•℃);br是混凝土导热系数λr随温度的变化系数,w/(m•℃2)),保温材料导热系数λi=ai+bi(tw+t2)/2(其中ai为保温材料平均温度为零时的导热系数,w/(m•℃);bi是保温材料导热系数λi随温度的变化系数,w/(m•℃2))。若忽略保护层热阻,限定保温层外表面温度t2(取t2=30~35℃),则耐火混凝土内表面温度为:
t1= ta-h2(t2- te)h1(6)
耐火混凝土外表面温度为:
tw= t1-δrh2(t2- te)λr(7)
故保温层厚度为:
δi=λi(tw- t2)h2(t2- te)(8)
例如:某平壁式耐火混凝土附壁烟囱,ta=200℃,te=26℃,t2=35℃,h1=12.21 w/(m2•℃),
h2=11.63 w/(m2•℃),δr=0.12 m,λr=1.74 w/(m•k)(忽略λr随温度的变化),当采用矿棉保温时,λi=0.05+0.000 2(tw+t2)/2=0.071 9 w/(m•k)。经计算,保温层厚度δi=103 mm。
4.2 钢制平壁烟囱保温层厚度
对于无耐火内衬的钢制平壁附壁烟囱,可忽略烟囱内表面传热热阻及金属壁导热热阻,此时,
ta=t1=tw,保温层厚度为:
δi=λi(ta- t2)h2(t2- te)
4.3 钢制圆断面烟囱保温层厚度
对于无耐火内衬的钢制圆断面附壁烟囱,当忽略烟囱内表面传热热阻及金属壁导热热阻后,可推导出下式:
ddlndd=2λi(ta- t2)dh2(t2- te)式中 d———烟囱(未保温前)外径,m;d———烟囱保温后外径,m。在计算出(d/d)ln(d/d)值后,查x xlnx函数表可求出保温层厚度。
例如:某圆断面钢制附壁烟囱,d=0.45 m,ta=t1=tw=200℃,t2=35℃,te=26℃,h2=11.63 w/(m2•k),采用矿棉保温时,λi=0.05+0.000 2×(ta+t2)/2=0.073 5 w/(m2•℃)。经计算,保温层厚度δi=98 mm。
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