Proprietà fisiche dell'aria, dei gas e dell'acqua. Caratteristiche termofisiche e proprietà dei gas "Università tecnica statale di Samara"

L'aria umida è una miscela di aria secca e vapore acqueo. Nell'aria insatura, l'umidità è nello stato di vapore surriscaldato e quindi le proprietà dell'aria umida possono essere approssimativamente descritte dalle leggi dei gas ideali.

Le principali caratteristiche dell'aria umida sono:

1. Umidità assoluta g, che determina la quantità di vapore acqueo contenuta in 1 m 3 di aria umida. Il vapore acqueo occupa l'intero volume della miscela, quindi l'umidità assoluta dell'aria è uguale alla massa di 1 m 3 di vapore acqueo o densità del vapore, kg / m 3

2. L'umidità relativa j è espressa dal rapporto tra l'umidità assoluta dell'aria e la sua massima umidità possibile alla stessa pressione e temperatura, oppure dal rapporto tra la massa di vapore acqueo contenuta in 1 m 3 di aria umida e la massa di vapore acqueo necessario per saturare completamente 1 m 3 di aria umida alla stessa pressione e temperatura.

L'umidità relativa determina il grado di saturazione dell'aria con l'umidità:

, (1.2)

dove è la pressione parziale del vapore acqueo corrispondente alla sua densità Pa; - pressione del vapore saturo alla stessa temperatura, Pa; - la quantità massima possibile di vapore in 1 m 3 di aria umida satura, kg / m 3; - densità di vapore alla sua pressione parziale e temperatura dell'aria umida, kg/m 3 .

La relazione (1.2) è valida solo quando si può assumere che il vapore liquido sia un gas ideale fino allo stato di saturazione.

La densità dell'aria umida r è la somma delle densità del vapore acqueo e dell'aria secca a pressioni parziali di 1 m 3 di aria umida alla temperatura dell'aria umida T, A:

(1.3)

dove è la densità dell'aria secca alla sua pressione parziale di 1 m 3 di aria umida, kg / m 3; - pressione parziale dell'aria secca, Pa; - costante gassosa dell'aria secca, J/(kg×K).

Esprimendo e dall'equazione di stato per aria e vapore acqueo, otteniamo

, (1.5)

dove è la portata massica di aria e vapore acqueo, kg/s.

Queste uguaglianze sono valide per lo stesso volume V aria umida alla stessa temperatura. Dividendo la seconda uguaglianza per la prima, otteniamo un'altra espressione per il contenuto di umidità

. (1.6)

Sostituendo qui i valori delle costanti gassose per l'aria J/(kg×K) e per il vapore acqueo J/(kg×K), otteniamo il valore del contenuto di umidità espresso in chilogrammi di vapore acqueo per 1 kg di aria secca

. (1.7)

Sostituendo la pressione parziale dell'aria con il valore , dove dal precedente e Aè la pressione atmosferica barometrica nelle stesse unità di R, otteniamo aria umida a pressione barometrica

. (1.8)

Pertanto, a una data pressione barometrica, il contenuto di umidità dell'aria dipende solo dalla pressione parziale del vapore acqueo. Il massimo contenuto di umidità possibile nell'aria, da dove

. (1.9)

Poiché la pressione di saturazione aumenta con la temperatura, la massima quantità possibile di umidità che può essere contenuta nell'aria dipende dalla sua temperatura, e maggiore è la temperatura. Se le equazioni (1.7) e (1.8) sono risolte per e , allora otteniamo

(1.10)

. (1.11)

La quantità di aria umida all'interno metri cubi per 1 kg di aria secca è calcolato dalla formula

(1.12)

Volume specifico di aria umida v, m 3 / kg, è determinato dividendo il volume di aria umida per la massa della miscela per 1 kg di aria secca:

L'aria umida come vettore di calore è caratterizzata da un'entalpia (in kilojoule per 1 kg di aria secca) pari alla somma delle entalpie dell'aria secca e del vapore acqueo

(1.14)

dove è la capacità termica specifica dell'aria secca, kJ/(kg×K); t– temperatura dell'aria, °С; io- entalpia del vapore surriscaldato, kJ/kg.

L'entalpia di 1 kg di vapore acqueo saturo secco a basse pressioni è determinata dalla formula empirica, kJ/kg:

dove è un coefficiente costante approssimativamente uguale all'entalpia del vapore alla temperatura di 0 °C; = 1,97 kJ/(kg×K) – capacità termica specifica del vapore.

Sostituzione dei valori io nell'espressione (1.14) e prendendo il calore specifico dell'aria secca costante e pari a 1.0036 kJ / (kg × K), troviamo l'entalpia dell'aria umida in kilojoule per 1 kg di aria secca:

Equazioni simili a quelle discusse sopra vengono utilizzate per determinare i parametri del gas umido.

, (1.17)

dove è la costante del gas per il gas di prova; R- pressione del gas.

Entalpia del gas, kJ/kg,

dove è la capacità termica specifica del gas, kJ/(kg×K).

Contenuto assoluto di umidità del gas:

. (1.19)

Quando si calcolano gli scambiatori di calore a contatto per i vettori di calore aria-acqua, è possibile utilizzare i dati nella tabella. 1.1-1.2 o dipendenze calcolate per la determinazione dei parametri fisico-chimici dell'aria (1.24-1.34) e dell'acqua (1.35). Per i gas di scarico possono essere utilizzati i dati della tabella 1. 1.3.

Densità del gas umido, kg / m 3:

, (1.20)

dove è la densità del gas secco a 0 ° C, kg / m 3; M g, M p sono le masse molecolari di gas e vapore.

Coefficiente di viscosità dinamica del gas umido, Pa×s:

, (1.21)

dove è il coefficiente di viscosità dinamica del vapore acqueo, Pa×s; - coefficiente di viscosità dinamica del gas secco, Pa×s; - concentrazione in massa di vapore, kg/kg.

Capacità termica specifica del gas umido, kJ/(kg×K):

Coefficiente di conducibilità termica del gas umido, W/(m×K):

, (1.23)

dove Kè l'indice adiabatico; A– coefficiente (per gas monoatomici A= 2,5; per gas biatomici A= 1,9; per gas triatomici A = 1,72).

Tabella 1.1. Proprietà fisiche aria secca ( R= 0,101 MPa)

Le proprietà termofisiche dell'aria secca possono essere approssimate dalle seguenti equazioni.

Viscosità cinematica dell'aria secca a temperature da -20 a +140 ° C, m 2 / s:

Papà; (1.24)

e da 140 a 400 °С, m2/s:

. (1.25)

Tabella 1.2. Proprietà fisiche dell'acqua in stato di saturazione

Densità del gas umido, kg/m3.

2. calore portato via dai gas di scarico. Determiniamo la capacità termica dei fumi a tux = 8000°C;

3. perdita di calore attraverso la muratura per conducibilità termica.

Perdite attraverso il caveau

Lo spessore della volta è di 0,3 m, il materiale è argilla refrattaria. Accettiamo che la temperatura della superficie interna della cupola sia uguale alla temperatura dei gas.

Temperatura media del forno:

In base a questa temperatura, selezioniamo il coefficiente di conducibilità termica del materiale refrattario:

Pertanto, le perdite attraverso il caveau sono:

dove α è il coefficiente di scambio termico dalla superficie esterna delle pareti all'aria ambiente, pari a 71,2 kJ / (m2 * h * 0С)

Perdite attraverso i muri. La muratura delle pareti è costituita da due strati (argilla refrattaria 345 mm, farina fossile 115 mm)

Superficie della parete, m2:

zona metodica

zona di saldatura

Zona Tomil

fine

Superficie totale della parete 162,73 m2

Con una distribuzione lineare della temperatura sullo spessore della parete temperatura media l'argilla refrattaria sarà pari a 5500°C e la diatomite 1500°C.

Di conseguenza.

Perdita totale per muratura

4. Secondo i dati pratici, le perdite di calore con l'acqua di raffreddamento sono considerate pari al 10% Qx del reddito, ovvero Qx + Qp

5. Accettiamo perdite non contabilizzate per un importo pari al 15% Q della portata termica

Componi l'equazione per il bilancio termico del forno

Il bilancio termico del forno è riassunto nella tabella 1; 2

Tabella 1

Tavolo 2

Sarà il consumo di calore specifico per il riscaldamento di 1 kg di metallo

Accettiamo che nel forno siano installati bruciatori del tipo "tubo nel tubo".

Ci sono 16 pezzi nelle zone di saldatura, 4 pezzi nella zona di presa. totale bruciatori 20 pz. Determinare la quantità stimata di aria che arriva a un bruciatore.

Vв - consumo orario d'aria;

TV - 400 + 273 = 673 K - temperatura di riscaldamento dell'aria;

N è il numero di bruciatori.

Si presume che la pressione dell'aria davanti al bruciatore sia 2,0 kPa. Ne consegue che la portata d'aria richiesta è fornita dal bruciatore DBV 225.

Determinare la quantità stimata di gas per bruciatore;

VG \u003d V \u003d 2667 consumo orario di carburante;

TG \u003d 50 + 273 \u003d 323 K - temperatura del gas;

N è il numero di bruciatori.

8. Calcolo dello scambiatore di calore

Per il riscaldamento dell'aria, progettiamo uno scambiatore di calore ad anello metallico costituito da tubi con un diametro di 57/49,5 mm con una disposizione a corridoio del loro passo

Dati iniziali per il calcolo:

Consumo orario di carburante B=2667 kJ/h;

Consumo d'aria per 1 m3 di carburante Lα = 13,08 m3/m3;

La quantità di prodotti della combustione da 1 m3 di gas combustibile Vα = 13,89 m3/m3;

Temperatura del riscaldamento dell'aria tv = 4000С;

La temperatura dei gas di scarico dal forno tux=8000C.

Consumo orario d'aria:

Produzione oraria di fumo:

La quantità oraria di fumo che passa attraverso lo scambiatore di calore, tenendo conto della perdita di fumo per l'espulsione e attraverso la serranda di bypass e la perdita d'aria.

Il coefficiente m, tenendo conto della perdita di fumo, prendiamo 0,7.

Il coefficiente che tiene conto della perdita d'aria nei maiali, prenderemo 0,1.

Temperatura dei fumi davanti allo scambiatore di calore, tenendo conto delle perdite d'aria;

dove iух è il contenuto di calore dei gas di scarico a tух=8000С

Questo contenuto di calore corrisponde alla temperatura dei fumi tD=7500C. (Vedere Fig.67(3))

Calore di combustione. Il potere calorifico netto del combustibile gassoso secco Qf varia ampiamente da 4 a 47 MJ / m3 e dipende dalla sua composizione: il rapporto e la qualità di combustibile e non combustibile

componenti. Il valore Qf più basso è per il gas di altoforno, la cui composizione media è di circa il 30% di gas combustibili (principalmente monossido di carbonio CO) e di circa il 60% di azoto non combustibile N2. Più grande

Il valore Qf per i gas associati, la cui composizione è caratterizzata da un elevato contenuto di idrocarburi pesanti. Il calore di combustione dei gas naturali oscilla in un intervallo ristretto Qf = 35,5…37,5 MJ/m3.

Il potere calorifico inferiore dei singoli gas che compongono i combustibili gassosi è riportato in tabella. 3.2. Vedere la sezione 3 per i metodi per determinare il potere calorifico dei combustibili gassosi.

Densità. Ci sono densità assoluta e relativa dei gas.

La densità assoluta del gas rg, kg/m3, è la massa del gas per 1 m3 del volume occupato da questo gas. Quando si calcola la densità di un singolo gas, il volume del suo kilomo-la viene preso pari a 22,41 m3 (come per un gas ideale).

La densità relativa del gas Rotn è il rapporto tra la densità assoluta del gas in condizioni normali e una densità dell'aria simile:

Rotn \u003d Rg / Pv \u003d Rg / 1.293, (6.1)

Dove rg, pE sono, rispettivamente, la densità assoluta di gas e aria in condizioni normali, kg/m3. La densità relativa dei gas viene solitamente utilizzata per confrontare diversi gas tra loro.

I valori della densità assoluta e relativa dei gas semplici sono riportati in tabella. 6.1.

La densità della miscela di gas pjM, kg/m3, è determinata in base alla regola dell'additività, secondo la quale le proprietà dei gas sono riassunte in base alla loro frazione in volume nella miscela:

Dove Xj è il contenuto volumetrico del 7° gas nel combustibile, %; (rg); - densità del j-esimo gas, che fa parte del combustibile, kg/m3; n è il numero di singoli gas nel carburante.

I valori della densità dei combustibili gassosi sono riportati in tabella. P.5.

La densità del gas p, kg/m3, a seconda della temperatura e della pressione, può essere calcolata mediante la formula

Dove p0 è la densità del gas in condizioni normali (T0 = 273 K e p0 = 101,3 kPa), kg/m3; p e T sono, rispettivamente, la pressione effettiva, kPa, e la temperatura assoluta del gas, K.

Quasi tutti i tipi di combustibili gassosi sono più leggeri dell'aria, quindi, in caso di perdite, il gas si accumula sotto i soffitti. Per motivi di sicurezza, prima di avviare la caldaia, è indispensabile verificare l'assenza di gas nei luoghi più probabili del suo accumulo.

La viscosità dei gas aumenta con l'aumentare della temperatura. I valori del coefficiente di viscosità dinamica p, Pa-s, possono essere calcolati utilizzando l'equazione empirica di Seser-Land

Tabella 6.1

Caratteristiche dei componenti del combustibile gassoso (a t - O ° C chr \u003d 101,3 kPa)

Dove p0 è il coefficiente di viscosità dinamica del gas in condizioni normali (G0 = 273 K e p0 - 101,3 kPa), Pa-s; T è la temperatura assoluta del gas, K; C - il coefficiente dipendente dal tipo di gas, K, è tratto dalla tabella. 6.2.

Per una miscela di gas, il coefficiente di viscosità dinamica può essere determinato approssimativamente dai valori della viscosità dei singoli componenti:

Dove gj è la frazione di massa del j-esimo gas nel carburante,%; Zu - coefficiente di viscosità dinamica del componente j-esimo, Pa-s; n è il numero di singoli gas nel carburante.

In pratica è ampiamente utilizzato il coefficiente di viscosità cinematica V, m2/s, che
che è correlato alla viscosità dinamica p attraverso la densità p dalla dipendenza

V = r / r. (6.6)

Tenendo conto delle (6.4) e (6.6), il coefficiente di viscosità cinematica v, m2/s, in funzione della pressione e della temperatura, può essere calcolato mediante la formula

Dove v0 è il coefficiente di viscosità cinematica del gas in condizioni normali (Go = 273 K e p0 = 101,3 kPa), m2/s; p e G sono, rispettivamente, la pressione effettiva, kPa, e la temperatura assoluta del gas, K; C - il coefficiente dipendente dal tipo di gas, K, è tratto dalla tabella. 6.2.

I valori dei coefficienti di viscosità cinematica per combustibili gassosi sono riportati in Tabella. P.9.

Tabella 6.2

Coefficienti di viscosità e conducibilità termica dei componenti dei combustibili gassosi

(a t \u003d 0 ° С ir \u003d 101,3 kPa)

Conduttività termica. Il trasferimento di energia molecolare nei gas è caratterizzato dal coefficiente di conducibilità termica 'k, W / (m-K). Il coefficiente di conducibilità termica è inversamente proporzionale alla pressione e aumenta all'aumentare della temperatura. I valori del coefficiente X possono essere calcolati utilizzando la formula di Sutherland

Dove X,0 è la conducibilità termica del gas in condizioni normali (G0 = 273 K e Po = 101,3 kPa), W / (m-K); p e T sono, rispettivamente, la pressione effettiva, kPa, e la temperatura assoluta del gas, K; C - il coefficiente dipendente dal tipo di gas, K, è tratto dalla tabella. 6.2.

I valori dei coefficienti di conducibilità termica per combustibili gassosi sono riportati in Tabella. P.9.

La capacità termica del combustibile gassoso per 1 m3 di gas secco dipende dalla sua composizione e in vista generale definito come

4L=0.01(CH2H2+Ccos0 +

CCH4CH4 + cCo2cOg + - + cx. X;), (6.9) - capacità termiche dei componenti costitutivi del combustibile, rispettivamente idrogeno, monossido di carbonio, metano, anidride carbonica e /-esimo componente, kJ/(m3-K); H2, CO, CH4, CO2, ..., Xg--

Le capacità termiche dei componenti combustibili del combustibile gassoso sono riportate in tabella. P.6, non combustibile - in tabella. P.7.

Capacità termica del combustibile gassoso umido

Cgtl, kJ/(m3-K), è definito come

<тл = ctrn + 0,00124cHzq йтля, (6.10) где drTn- влагосодержание газообразного топлива,

Esplosività. Una miscela di gas combustibile con aria in determinate proporzioni in presenza di fuoco o anche di una scintilla può esplodere, cioè si accende e brucia a una velocità prossima alla velocità di propagazione del suono. Le concentrazioni esplosive di gas combustibile nell'aria dipendono dalla composizione chimica e dalle proprietà del gas. I limiti di accensione della concentrazione in volume per i singoli gas combustibili in una miscela con aria sono riportati in precedenza nella tabella. 6.1. L'idrogeno (4.. .74% in volume) e il monossido di carbonio (12,5...74%) hanno i limiti di accensione più ampi. Per il gas naturale, i limiti di infiammabilità medio inferiore e superiore sono rispettivamente del 4,5 e del 17% in volume; per coke - 5,6 e 31%; per il dominio - 35 e 74%.

Tossicità. La tossicità è intesa come la capacità di un gas di causare avvelenamento degli organismi viventi. Il grado di tossicità dipende dal tipo di gas e dalla sua concentrazione. I componenti del gas più pericolosi a questo riguardo sono il monossido di carbonio CO e l'idrogeno solforato H2S.

La tossicità delle miscele di gas è determinata principalmente dalla concentrazione del più tossico dei componenti presenti nella miscela, mentre il suo effetto nocivo, di norma, è notevolmente potenziato in presenza di altri gas nocivi.

La presenza e la concentrazione di gas nocivi nell'aria possono essere determinate da un dispositivo speciale: un analizzatore di gas.

Quasi tutti i gas naturali sono inodori. Per rilevare una fuga di gas e adottare misure di sicurezza, il gas naturale viene odorizzato prima che entri nel condotto, cioè è saturo di una sostanza che ha un odore pungente (ad esempio, mercaptani).

Calore di combustione vari tipi il carburante varia ampiamente. Per l'olio combustibile, ad esempio, è superiore a 40 MJ/kg e per il gas di altoforno e alcuni tipi di scisti bituminosi è di circa 4 MJ/kg. Anche la composizione dei combustibili energetici varia notevolmente. Pertanto, le stesse caratteristiche qualitative, a seconda del tipo e della marca di carburante, possono differire notevolmente quantitativamente l'una dall'altra.

Le caratteristiche date del carburante. Per l'analisi comparativa, nel ruolo di caratteristiche riassuntive della qualità del carburante, vengono utilizzate le caratteristiche date del carburante, %-kg / MJ, che sono generalmente calcolate dalla formula

Dove хг è un indicatore della qualità del carburante funzionante, %; Q[ - calore specifico di combustione (minimo), MJ/kg.

Quindi, ad esempio, per calcolare il ridotto

Umidità contenuto di ceneri di zolfo S „p e

Azoto N^p (per condizioni di funzionamento del carburante)

La formula (7.1) assume la forma seguente, %-kg/MJ:

TOC o "1-3" h z KP=Kl GT; (7.2)

4f=l7e[; (7.3)

snp=S'/Єї; (7.4)

^p=N7 Q[. (7.5)

A titolo esemplificativo, il confronto che segue è indicativo, a patto che in caldaie di uguale potenza termica vengano bruciati combustibili diversi. Quindi, un confronto tra il ridotto contenuto di umidità del carbone vicino a Mosca

Gradi 2B (WЈp = 3,72% -kg / MJ) e Nazarov-

Il carbone 2B (W^p = 3,04%-kg / MJ) mostra che nel primo caso, la quantità di umidità introdotta nel forno della caldaia con il combustibile sarà circa 1,2 volte maggiore rispetto al secondo, nonostante ciò l'umidità di lavoro del carbone vicino a Mosca (W[ \u003d 31%) è inferiore a quella di

Carbone Nazarovsky (Wf = 39%).

carburante condizionato. Nel settore energetico, al fine di confrontare l'efficienza di utilizzo del combustibile nei vari impianti di caldaie, per pianificare l'estrazione e il consumo di combustibile nei calcoli economici, è stato introdotto il concetto di combustibile convenzionale. Come combustibile standard è accettato tale combustibile il cui potere calorifico specifico (minimo) di cui in esercizio è pari a Qy T = 29300 kJ/kg (o

7000 kcal/kg).

Per ogni combustibile naturale esiste un cosiddetto equivalente termico adimensionale E, che può essere maggiore o minore dell'unità:

Quando il carbonio del combustibile viene bruciato nell'aria secondo l'equazione (21C + 2102 + 79N2 = 21C02 + 79N2), per ogni volume di CO2 nei prodotti della combustione ci sono 79: 21 = 3,76 volumi di N2.

Durante la combustione di antracite, magra carbone e altri combustibili con alto contenuto carbonio, si formano prodotti della combustione che hanno una composizione simile ai prodotti della combustione del carbonio. Quando l'idrogeno viene bruciato secondo l'equazione

42H2+2102+79N2=42H20+79N2

Per ogni volume di H20, ci sono 79:42 = 1,88 volumi di azoto.

Nei prodotti della combustione di gas naturali, liquefatti e di cokeria, combustibili liquidi, legna da ardere, torba, lignite, carbone a fiamma lunga e gassoso e altri combustibili con un contenuto di idrogeno significativo nella massa combustibile, si forma una grande quantità di vapore acqueo , a volte superando il volume di CO2. La presenza di umidità nella parte superiore

Dal vivo, naturalmente, aumenta il contenuto di vapore acqueo nei prodotti della combustione.

Composizione dei prodotti combustione completa i principali tipi di combustibile nel volume stechiometrico dell'aria sono riportati in tabella. 34. Dai dati di questa tabella si evince che il contenuto di N2 nei prodotti di combustione di tutti i tipi di combustibili supera significativamente il contenuto totale di C02-f-H20 e nei prodotti di combustione di carbonio è del 79%.

I prodotti della combustione dell'idrogeno contengono il 65% di N2; i prodotti della combustione di gas naturali e liquefatti, benzina, olio combustibile e altri combustibili idrocarburici contengono il 70-74% di N2.

Riso. 5. Capacità termica volumetrica

Prodotti della combustione

4 - prodotti della combustione del carbonio

5 - prodotti della combustione dell'idrogeno

La capacità termica media dei prodotti della combustione completa che non contengono ossigeno può essere calcolata mediante la formula

C \u003d 0,01 (Cc02C02 + Cso2S02 + Cn20H20 + CN2N2) kcal / (m3 - ° С), (VI. 1)

Dove Сс0г, Cso2, СНа0, CNa sono le capacità termiche volumetriche di anidride carbonica, anidride solforosa, vapore acqueo e azoto e С02, S02, Н20 e N2 sono il contenuto dei componenti corrispondenti nei prodotti della combustione, % (vol.) .

Secondo questa formula (VI. 1) assume la forma seguente:

C \u003d 0,01 (Cc02 /? 02 + CHj0H20-bCNi! N2) kcal / (m3 "°C). (VI.2)

La capacità termica volumetrica media di CO2, H20 e N2 nell'intervallo di temperatura da 0 a 2500 °C è riportata in Tabella. 36. Le curve che caratterizzano la variazione della capacità termica volumetrica media di questi gas all'aumentare della temperatura sono mostrate in fig. 5.

Dal tavolo. 16 dati e curve rappresentati in fig. 5 mostra quanto segue:

1. La capacità termica volumetrica di CO2 supera significativamente la capacità termica di H20, che, a sua volta, supera la capacità termica di N2 nell'intero intervallo di temperatura da 0 a 2000 °C.

2. La capacità termica della CO2 aumenta all'aumentare della temperatura più velocemente della capacità termica di H20 e la capacità termica di H20 più velocemente della capacità termica di N2. Tuttavia, nonostante ciò, le capacità termiche volumetriche medie ponderate dei prodotti della combustione di carbonio e idrogeno in un volume stechiometrico di aria differiscono di poco.

Questa situazione, a prima vista alquanto inaspettata, è dovuta al fatto che nei prodotti della combustione completa del carbonio nell'aria, per ogni metro cubo di CO2, che ha la massima capacità termica volumetrica, si trovano 3,76 m3 di N2 con un minimo volumetrico

Capacità termica, e nei prodotti della combustione dell'idrogeno per ogni metro cubo di vapore acqueo, la cui capacità termica volumetrica è inferiore a quella della CO2, ma superiore a quella di N2, c'è la metà della quantità di azoto (1,88 m3).

Di conseguenza, le capacità termiche volumetriche medie dei prodotti di combustione del carbonio e dell'idrogeno nell'aria vengono equalizzate, come si può vedere dai dati in Tabella. 37 e confronto delle curve 4 e 5 nelle Figg. 5. La differenza delle capacità termiche medie ponderate dei prodotti di combustione del carbonio e dell'idrogeno nell'aria non supera il 2%. Naturalmente, le capacità termiche dei prodotti della combustione del combustibile, che consiste principalmente di carbonio e idrogeno, in un volume stechiometrico di aria si trovano in una stretta regione tra le curve 4 e 5 (ombreggiata in Fig. 5).

Prodotti di combustione completa di vari vidoges; i combustibili in aria stechiometrica nell'intervallo di temperatura da 0 a 2100 °C hanno la seguente capacità termica, kcal/(m3>°C):

Le fluttuazioni della capacità termica dei prodotti della combustione di vari tipi di combustibili sono relativamente piccole. In combustibile solido con un alto contenuto di umidità (legna da ardere, torba, lignite, ecc.) la capacità termica dei prodotti della combustione nello stesso intervallo di temperatura è superiore a quella di combustibili a basso contenuto di umidità (antracite, carbone, olio combustibile, gas naturale, ecc. .) . Ciò è dovuto al fatto che durante la combustione di carburante con un alto contenuto di umidità nei prodotti della combustione, aumenta il contenuto di vapore acqueo, che ha una capacità termica maggiore rispetto al gas biatomico - azoto.

In tavola. 38 mostra le capacità termiche volumetriche medie dei prodotti della combustione completa, non diluiti con aria, per vari intervalli di temperatura.

Tabella 38

Un aumento del contenuto di umidità nel combustibile aumenta la capacità termica dei prodotti della combustione a causa di un aumento del contenuto di vapore acqueo in essi contenuto nello stesso intervallo di temperatura, rispetto alla capacità termica dei prodotti della combustione del combustibile con un'umidità inferiore contenuto, e allo stesso tempo abbassa la temperatura di combustione del combustibile a causa dell'aumento del volume dei prodotti della combustione dovuto alla coppia d'acqua.

All'aumentare del contenuto di umidità nel combustibile, la capacità termica volumetrica dei prodotti della combustione aumenta in un determinato intervallo di temperatura e, contemporaneamente, l'intervallo di temperatura diminuisce da 0 a £max per una diminuzione del valore<тах. ПОСКОЛЬКУ ТЄПЛОЄМКОСТЬ ГЭЗОВ уМвНЬ — шается с понижением температуры, теплоемкость продуктов сгорания топлива с различной влажностью в интервале температур от нуля до <тах для данного топлива претерпевает незначительные колебания (табл. 39). В соответствии с этим можно принять теплоемкость про­дуктов сгорания всех видов твердого топлива от 0 до tmax равной 0,405, жидкого топлива 0,401, природного, доменного и генераторного газов 0,400 ккал/(м3-°С).

Ciò consente di semplificare notevolmente la determinazione delle temperature di combustione calorimetriche e calcolate (secondo il metodo descritto nel Capitolo VII). L'errore consentito in questo caso di solito non supera l'1%, ovvero 20°.

Dalla considerazione delle curve 4 e 5 nelle Figg. 5 si può vedere che il rapporto tra la capacità termica dei prodotti della combustione completa del carbonio in un volume stechiometrico di aria nell'intervallo di temperatura da 0 a t ° C, ad esempio da 0 a

200 e da 0 a 2100 °C sono praticamente uguali al rapporto tra le capacità termiche dei prodotti della combustione di idrogeno negli stessi intervalli di temperatura. Il rapporto specificato delle capacità termiche C' rimane praticamente costante per i prodotti della combustione completa di vari tipi di combustibile in un volume stechiometrico d'aria.

In tavola. 40 mostra i rapporti delle capacità termiche dei prodotti della combustione completa di combustibile a basso contenuto di zavorra, che passa in prodotti di combustione gassosi (antracite, coke, carbone, combustibile liquido, gas naturale, petrolio, cokeria, ecc.) nell'intervallo di temperatura da 0 a t ° С e nell'intervallo di temperatura da 0 a 2100 °C. Poiché la capacità termica di questi tipi di combustibili è prossima a 2100 °C, il rapporto indicato delle capacità termiche C' è uguale al rapporto delle capacità termiche nell'intervallo di temperatura da 0 a t e da 0 a tm&x-

In tavola. 40 riporta anche i valori di C', calcolati per i prodotti della combustione di combustibile ad alto contenuto di zavorra, che passa durante la combustione del combustibile in prodotti gassosi della combustione, ovvero umidità nel combustibile solido, azoto e anidride carbonica nello stato gassoso carburante. La capacità termica di questi tipi di combustibili (legna, torba, lignite, generatore misto, aria e gas di altoforno) è di 1600-1700 °C.

Tabella 40

Come si può vedere dalla Tabella. 40, i valori di C' e K differiscono poco anche per prodotti della combustione di combustibili con diverso contenuto di zavorra e resa termica.

Quando si costruisce un forno, idealmente, si vorrebbe avere un tale design che fornisca automaticamente tutta l'aria necessaria per la combustione. A prima vista, questo può essere fatto con un camino. Infatti, più intensamente brucia la legna, più caldi dovrebbero essere i fumi, maggiore dovrebbe essere la spinta (modello a carburatore). Ma non lo è. Il tiraggio non dipende affatto dalla quantità di fumi caldi generati. Il tiraggio è la caduta di pressione nel tubo dalla testa del tubo al focolare. È determinato dall'altezza del tubo e dalla temperatura dei fumi, o meglio, dalla loro densità.

La spinta è determinata dalla formula:

F \u003d A (p in - p d) h

dove F è la spinta, A è il coefficiente, p in è la densità dell'aria esterna, p d è la densità dei fumi, h è l'altezza del tubo

La densità dei fumi si calcola con la formula:

p d \u003d p in (273 + t in) / (273 + t d)

dove t in e t d - temperatura in gradi Celsius dell'aria atmosferica esterna all'esterno del tubo e dei gas di scarico nel tubo.

Velocità dei fumi nel tubo (portata volumetrica, cioè capacità di aspirazione del tubo) G non dipende affatto dall'altezza del tubo ed è determinato dalla differenza di temperatura tra i fumi e l'aria esterna, nonché dalla sezione della canna fumaria. Ne derivano alcune conclusioni pratiche.

In primo luogo, i camini sono rialzati non per aumentare il flusso d'aria attraverso il focolare, ma solo per aumentare il tiraggio (cioè la caduta di pressione nel tubo). Questo è molto importante per evitare il ribaltamento del tiraggio (fumo del forno) in caso di pressione del vento (il valore della spinta deve sempre superare la possibile pressione del vento).

In secondo luogo, è conveniente regolare il flusso d'aria con l'aiuto di dispositivi che cambiano l'area della sezione libera del tubo, cioè con l'aiuto di valvole. Con un aumento dell'area della sezione trasversale del canale del camino, ad esempio, di un fattore due, ci si può aspettare un aumento di circa il doppio del flusso d'aria volumetrico attraverso il focolare.

Spieghiamolo con un esempio semplice e illustrativo. Abbiamo due forni identici. Li combiniamo in uno. Otteniamo una stufa di dimensioni doppie con il doppio della quantità di legna che brucia, con il doppio della portata d'aria e della sezione trasversale del tubo. Oppure (che è la stessa cosa), se sempre più legna da ardere divampa nel focolare, è necessario aprire sempre di più le valvole sul tubo.

In terzo luogo Se la stufa brucia normalmente allo stato stazionario e lasciamo inoltre un flusso di aria fredda nel focolare oltre la legna che brucia nel camino, i gas di combustione si raffredderanno immediatamente e il flusso d'aria attraverso la stufa diminuirà. Allo stesso tempo, la legna da ardere in fiamme inizierà a svanire. Cioè, non sembriamo influenzare direttamente la legna da ardere e dirigere il flusso aggiuntivo oltre la legna da ardere, ma si scopre che il tubo può far passare meno fumi rispetto a prima, quando questo flusso d'aria aggiuntivo era assente. Il tubo stesso ridurrà il flusso d'aria alla legna da ardere che era in precedenza e, inoltre, non lascerà entrare un flusso aggiuntivo di aria fredda. In altre parole, il camino sarà bloccato.

Ecco perché l'aria fredda fuoriesce dalle fessure dei camini, l'eccesso di flusso d'aria nel focolare e, in effetti, qualsiasi perdita di calore nel camino che porta ad una diminuzione della temperatura dei fumi sono così dannosi.

Il quarto, maggiore è il coefficiente di resistenza gas-dinamica del camino, minore è la portata d'aria. Cioè, è desiderabile rendere le pareti del camino il più lisce possibile, senza turbolenze e senza giri.

Quinto, minore è la temperatura dei fumi, più bruscamente cambia il flusso d'aria con le fluttuazioni della temperatura dei fumi, il che spiega la situazione di instabilità del tubo all'accensione del forno.

Al sesto, ad elevate temperature dei fumi, la portata d'aria è indipendente dalla temperatura dei fumi. Cioè, con un forte riscaldamento del forno, il flusso d'aria cessa di aumentare e inizia a dipendere solo dalla sezione trasversale del tubo.

I problemi di instabilità sorgono non solo quando si analizzano le caratteristiche termiche di un tubo, ma anche quando si considera la dinamica dei flussi di gas in un tubo. Il camino è infatti un pozzo riempito di fumi leggeri. Se questo gas di scarico leggero non sale molto rapidamente, esiste la possibilità che l'aria esterna pesante possa semplicemente affondare nel gas leggero e creare un flusso di caduta verso il basso nel tubo. Questa situazione è particolarmente probabile quando le pareti del camino sono fredde, cioè durante l'accensione del forno.

Riso. 1. Schema del movimento dei gas in un camino freddo: 1 - focolare; 2 - alimentazione d'aria attraverso il ventilatore; 3 camini; 4 - valvola; 5 - dente del camino; 6 fumi; 7-aria fredda mancante; 8 - flusso d'aria che provoca ribaltamento di spinta.

a) tubo verticale aperto liscio
b) un tubo con una valvola e un dente
c) tubo con valvola superiore

Le frecce piene indicano le direzioni di movimento dei gas di combustione caldi e leggeri. Le frecce tratteggiate mostrano le direzioni dei flussi verso il basso di aria fredda e pesante dall'atmosfera.

Sul Riso. 1aè mostrato schematicamente un forno, nel quale viene immessa aria 2 e vengono rimossi i gas di scarico 6 attraverso il camino, anche il focolare. Questo flusso in caduta può sostituire il flusso d'aria “normale” attraverso la ventola 2. Anche se la stufa è bloccata con tutte le porte e tutte le serrande di aspirazione dell'aria sono chiuse, la stufa può comunque bruciare a causa dell'aria proveniente dall'alto. A proposito, questo è ciò che accade spesso quando il carbone si esaurisce con le porte del forno chiuse. Può anche verificarsi un ribaltamento completo del tiraggio: l'aria entrerà dall'alto attraverso il tubo e i gas di scarico usciranno attraverso la porta.

In realtà sulla parete interna della canna fumaria sono sempre presenti protuberanze, escrescenze, asperità, all'urto con cui i fumi ed i flussi di aria fredda in arrivo verso il basso vorticano e si mescolano tra loro. Allo stesso tempo, il flusso d'aria fredda verso il basso viene espulso o, riscaldandosi, inizia a salire verso l'alto mescolato a gas caldi.

L'effetto di rivoltare verso il basso i flussi di aria fredda verso l'alto è potenziato in presenza di serrande parzialmente aperte, nonché del cosiddetto dente, ampiamente utilizzato nella tecnologia di fabbricazione dei camini ( Riso. 1b). Il dente impedisce il flusso di aria fredda dal camino nello spazio del camino e quindi impedisce al camino di fumare.

Le correnti d'aria nel tubo sono particolarmente pericolose in caso di nebbia: i gas di scarico non sono in grado di far evaporare le più piccole gocce d'acqua, si raffreddano, la spinta diminuisce e possono anche ribaltarsi. Allo stesso tempo, la stufa fuma molto, non si accende.

Per lo stesso motivo, le stufe con camini umidi fumano molto. Le valvole a saracinesca Top sono particolarmente efficaci nel prevenire i deflussi ( Riso. 1c), regolabile in funzione della velocità dei fumi nel camino. Tuttavia, il funzionamento di tali valvole è scomodo.

Riso. Fig. 2. Dipendenza del coefficiente d'aria in eccesso a dal tempo di riscaldamento del forno (curva solida). La curva tratteggiata è il consumo di aria G richiesto per la completa ossidazione dei prodotti della combustione della legna da ardere (comprese fuliggine e sostanze volatili) nei gas di scarico (in unità relative). La curva tratteggiata è il consumo effettivo di aria G del tubo fornito dal tiraggio del tubo (in unità relative). Il coefficiente d'aria in eccesso è il quoziente della separazione del tubo G per flusso G

Un tiraggio stabile e sufficientemente forte si verifica solo dopo che le pareti del camino si sono riscaldate, il che richiede molto tempo, quindi all'inizio del riscaldamento non c'è sempre aria sufficiente. In questo caso, il coefficiente d'aria in eccesso è inferiore all'unità e il forno fuma ( Riso. 2). E viceversa: a fine riscaldamento il camino rimane caldo, il tiraggio rimane a lungo, anche se la legna da ardere è quasi bruciata (il coefficiente d'aria in eccesso è maggiore di uno). I forni metallici con camini isolati in metallo raggiungono il regime più velocemente a causa della loro bassa capacità termica rispetto ai camini in mattoni.

L'analisi dei processi nel camino può essere continuata, ma è già chiaro che per quanto buona sia la stufa stessa, tutti i suoi vantaggi possono essere ridotti a zero da un cattivo camino. Naturalmente, idealmente, la canna fumaria dovrebbe essere sostituita da un moderno sistema di aspirazione forzata dei fumi mediante un elettroventilatore a portata regolabile e con precondensazione dell'umidità dei fumi. Un tale sistema, tra le altre cose, potrebbe pulire i gas di combustione da fuliggine, monossido di carbonio e altre impurità nocive, nonché raffreddare i gas di combustione scaricati e fornire un recupero di calore.

Ma tutto questo è in un lontano futuro. Per un residente estivo e un giardiniere, un camino a volte può diventare molto più costoso della stufa stessa, soprattutto nel caso di riscaldamento di una casa a più livelli. I camini della sauna sono generalmente più semplici e più corti, ma il livello di potenza termica della stufa può essere molto elevato. Tali tubi, di regola, sono molto caldi per l'intera lunghezza, da essi spesso volano scintille e cenere, ma la condensa e la fuliggine sono insignificanti.

Se per ora prevedi di utilizzare l'edificio della sauna solo come stabilimento balneare, il tubo può anche essere reso non isolato. Se si pensa anche allo stabilimento balneare come luogo di possibile soggiorno (residenza temporanea, pernottamenti), soprattutto in inverno, allora è più opportuno rendere immediatamente la tubazione isolata, e qualitativamente, “a vita”. Allo stesso tempo, le stufe possono essere cambiate almeno ogni giorno, il design può essere selezionato in modo più conveniente e appropriato e il tubo sarà lo stesso.

Per lo meno, se la stufa funziona nella modalità di combustione a lungo termine (legna da ardere fumante), è assolutamente necessario l'isolamento dei tubi, poiché a basse potenze (1 - 5 kW) un tubo metallico non isolato diventerà completamente freddo, la condensa scorre abbondantemente, che nelle gelate più forti può anche congelare e bloccare il tubo con il ghiaccio. Ciò è particolarmente pericoloso in presenza di una griglia parascintille e di ombrelloni con piccoli spazi di passaggio. I parascintille sono utili per il riscaldamento intensivo in estate ed estremamente pericolosi per condizioni di combustione debole della legna da ardere in inverno. A causa del possibile intasamento dei tubi con il ghiaccio, l'installazione di deflettori e ombrelli sui camini è stata vietata nel 1991 (e anche prima sui camini delle stufe a gas).

Per gli stessi motivi, non dovresti lasciarti trasportare dall'altezza del tubo: il livello di spinta non è così importante per una stufa per sauna senza ritorno. Se fuma, puoi sempre ventilare rapidamente la stanza. Ma l'altezza sopra il colmo del tetto (almeno 0,5 m) deve essere rispettata per evitare il ribaltamento della spinta durante le raffiche di vento. Sui tetti piani, il tubo deve sporgere sopra il manto nevoso. In ogni caso è meglio avere un tubo più basso, ma più caldo (che più alto, ma più freddo). I camini alti sono sempre freddi e pericolosi in inverno.

I camini freddi hanno molti svantaggi. Allo stesso tempo, i tubi non isolati, ma non molto lunghi delle stufe metalliche, si riscaldano rapidamente durante l'accensione (molto più velocemente dei tubi in mattoni), rimangono caldi con un riscaldamento vigoroso e quindi sono molto utilizzati nei bagni (e non solo nei bagni ), soprattutto perché sono relativamente economici. I tubi di cemento-amianto non vengono utilizzati su forni di metallo, poiché sono pesanti e crollano anche se surriscaldati con frammenti volanti.

Riso. 3. I modelli più semplici di camini metallici: 1 - un camino rotondo in metallo; 2 - cattura scintille; 3 - un tappo per proteggere il tubo dalle precipitazioni atmosferiche; 4 - travi; 5 - rivestimento del tetto; 6 - blocchi di legno tra le travi (o travi) per la progettazione di un'apertura antincendio (taglio) nel tetto o nel soffitto (se necessario); 7 - colmo del tetto; 8 - coperture morbide (materiale di copertura, idrostekloizol, tegole morbide, fogli di cartone ondulato-bitume, ecc.); 9 - lamiera per copertura e copertura dell'apertura (è consentito utilizzare una lastra piana di aceid - un pannello isolante elettrico in cemento-amianto); 10 - tampone di drenaggio in metallo; 11 - sigillatura dell'intercapedine in amianto (giunto); 12 - lontra in metallo; 13 - travi del soffitto (con riempimento dello spazio con isolamento); 14 - rivestimento del soffitto; 15 - piano mansardato (se necessario); 16 - taglio della lamiera del soffitto; 17 - angoli di rinforzo in metallo; 18 - copertura metallica del taglio del soffitto (se necessario); 19 - isolamento resistente al calore non combustibile (argilla espansa, sabbia, perlite, lana minerale); 20 - tampone protettivo (lamiera sopra uno strato di cartone di amianto di 8 mm di spessore); 21 - schermo per tubi metallici.

a) tubo non isolato termicamente;
b) un tubo schermato termoisolato con una resistenza al trasferimento di calore di almeno 0,3 m 2 -deg / W (che equivale a uno spessore del mattone di 130 mm o uno spessore dell'isolamento in lana minerale di 20 mm).

Sul Riso. 3 vengono presentati schemi di installazione tipici di tubi metallici non isolati. Il tubo stesso deve essere acquistato in acciaio inossidabile con uno spessore di almeno 0,7 mm. Il diametro più popolare del tubo russo è 120 mm, quello finlandese è 115 mm.

Secondo GOST 9817-95, l'area della sezione trasversale di un camino multigiro dovrebbe essere di almeno 8 cm 2 per 1 kW di potenza termica nominale rilasciata nel forno quando il legno viene bruciato. Questa potenza non deve essere confusa con la potenza termica di un forno ad alta intensità di calore, rilasciata dalla superficie esterna in mattoni del forno nella stanza secondo SNiP 2.04.05-91. Questo è uno dei tanti malintesi dei nostri documenti normativi. Poiché i forni ad alta intensità di calore vengono generalmente riscaldati solo 2-3 ore al giorno, la potenza nel forno è circa dieci volte maggiore della potenza del rilascio di calore dalla superficie di un forno di mattoni.

La prossima volta parleremo delle caratteristiche dell'installazione dei camini.