Αναλυτικός υπολογισμός καπνοδόχου σύμφωνα με το EN 13384 (Μέρος 1)

Ας ξεκινήσω με δύο ορισμούς: Καπνοδόχος είναι ο κατακόρυφος αγωγός που οδηγεί τα καπναέρια ενός λέβητα στον αέρα του περιβάλλοντος.
Καπναγωγός είναι το περίπου οριζόντιο τμήμα αγωγού που συνδέει το λέβητα με την καπνοδόχο.
Μετά από αυτή τη διευκρίνιση προκύπτει ότι βασική ανάγκη μιας σωστής εγκατάστασης λεβητοστασίου είναι ο σωστός υπολογισμός, η εκλογή υλικών και η κατασκευή της καπνοδόχου. Η ορθή διαστασιολόγηση και κατασκευή της καπνοδόχου είναι απαραίτητοι όροι για την ορθή λειτουργία των εγκαταστάσεων απαγωγής καυσαερίων.

Το πρότυπο DIN EN 13384

Ο θερμοδυναμικός υπολογισμός της καπνοδόχου που εξυπηρετεί μία συσκευή γίνεται με βάση το πρότυπο ΕΝ 13384-1.

Το πρότυπο DIN EN 13384-1

Ο θερμοδυναμικός υπολογισμός της καπνοδόχου που εξυπηρετεί περισσότερες από μία συσκευές γίνεται με βάση το πρότυπο ΕΝ 13384-2 που πρακτικά συμπληρώνει το ΕΝ 13384-1.

Το πρότυπο DIN EN 13384-2

Τα δύο πρότυπα EN 13384-1 & EN 133841-2 καλύπτουν φυσικό αέριο, υγραέριο, μαζούτ, πετρέλαιο θέρμανσης, στερεά ορυκτά καύσιμα και ξύλο.

Μέθοδος υπολογισμού καπνοδόχου

Ο υπολογισμός των εσωτερικών διαστάσεων (διατομή επιφάνειας) καπνοδόχων αρνητικής πίεσης βασίζεται στα ακόλουθα τρία κριτήρια:

  1. Ο ελκυσμός του καυσαερίου στην είσοδο της καπνοδόχου Pz πρέπει να είναι μεγαλύτερος από τον αναγκαίο ελκυσμό του καυσαερίου στην είσοδο της καπνοδόχου Pze (Pz > Pze)
  2. Ο ελκυσμός του καυσαερίου στην είσοδο της καπνοδόχου Pz πρέπει να είναι μεγαλύτερος από την ενεργή αντίσταση πίεσης της παροχής αέρα PB (Pz > PB)
  3. Η θερμοκρασία του εσωτερικού τοιχώματος στο στόμιο εξόδου Tiob της καπνοδόχου πρέπει να είναι μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία συμπύκνωσης του καυσαερίου Tsp (Tiob > Tsp)

Απαιτήσεις στην πίεση

Ισχύουν οι παρακάτω σχέσεις:
Απαιτήσεις στην πίεση, σε Pa
Απαιτήσεις στην πίεση, σε Pa όπου

PB ενεργή αντίσταση πίεσης του αέρα παροχής (effective pressure resistance of air supply) Pa
PFV ενεργή αντίσταση πίεσης του καπναγωγού (effective pressure resistance of the connecting flue pipe) Pa
PH θεωρητικός ελκυσμός που οφείλεται στο φαινόμενο της καμινάδας (theoretical draught available due to chimney effect) Pa
PL πίεση της ταχύτητας του αέρα (wind velocity pressure) Pa
PR αντίσταση πίεσης της καπνοδόχου (pressure resistance of the chimney) Pa
PW αναγκαίος ελκυσμός της συσκευής θέρμανσης (minimum draught for the heating appliance) Pa
PZ ελκυσμός του καυσαερίου στην είσοδο της καπνοδόχου (draught at the flue gas inlet into the chimney) Pa
PZe αναγκαίος ελκυσμός του καυσαερίου στην είσοδο της καπνοδόχου (required draught at the flue gas inlet into the chimney) Pa

Απαιτήσεις στη θερμοκρασία

Ισχύει η παρακάτω σχέση:
Tiob ≥ Tg, σε K όπου

Tiob θερμοκρασία του εσωτερικού τοιχώματος στο στόμιο εξόδου της καπνοδόχου K
Tg θερμοκρασιακό όριο K

Αν η καπνοδόχος της οροφής έχει επιπρόσθετη μόνωση, ισχύει και ο παρακάτω τύπος:
Tirb ≥ Tg, σε Pa όπου

Tirb εσωτερική θερμοκρασία αμέσως μετά την επιπρόσθετη μόνωση K

Το θερμοκρασιακό όριο Tg για καπνοδόχους με ξηρές συνθήκες λειτουργίας πρέπει να λαμβάνεται ως η συγκεντρωτική θερμοκρασία Tsp του καυσαερίου.

Τα θερμοκρασιακά όρια Tg για καπνοδόχους με υγρές συνθήκες λειτουργίας πρέπει να λαμβάνονται ως 273,15 K το οποίο εμποδίζει το σχηματισμό πάγου στην εξωτερική επιφάνεια της καπνοδόχου.

Δεδομένα καυσαερίου

Για τον υπολογισμό των θερμοκρασιών και των πιέσεων, τα σχετικά δεδομένα του καυσαερίου που χαρακτηρίζουν τη συσκευή θέρμανσης είναι:

  • η παροχή μάζας του καυσαερίου m
  • η θερμοκρασία καυσαερίου ονομαστικής θερμικής απόδοσης tw
  • ο αναγκαίος ελκυσμός για τη συσκευή θέρμανσης pw
Επίσης πρέπει να είναι γνωστά τα εξής:
  • το είδος του καυσίμου
  • η συγκέντρωση κατ' όγκο του CO2 του καυσαερίου
  • και η γεωμετρία του καπναγωγού

Παροχή μάζας καυσαερίου στην ονομαστική θερμική απόδοση της συσκευής θέρμανσης

Για τον υπολογισμό των τιμών πίεσης και θερμοκρασίας χρειάζεται να οριστεί η παροχή μάζας καυσαερίου σε συνθήκες ονομαστικής θερμικής απόδοσης για τη συσκευή θέρμανσης. Αν τα δεδομένα δεν είναι διαθέσιμα, η παροχή μάζας καυσαερίου m και η συγκέντρωσης κατ'όγκο του CO2 σ(CO2) μπορούν να οριστούν από τους τύπους των Πινάκων Β.1, Β.2 και Β.3. του προτύπου DIN EN 13384-1.

Θερμοκρασία καυσαερίου της συσκευής θέρμανσης (TWN)

Η θερμοκρασία καυσαερίου στην ονομαστική θερμική απόδοση της συσκευής θέρμανσης TWN ορίζεται από τον κατασκευαστή της συσκευής.

Αναγκαίος ελκυσμός για τη συσκευή θέρμανσης (PW) για καπνοδόχους αρνητικής πίεσης

Για τον υπολογισμό μίας καπνοδόχου αρνητικής πίεσης, η τιμή του αναγκαίου ελκυσμού για τη συσκευή θέρμανσης PW παρέχεται από τον κατασκευαστή της συσκευής. Αν οι τιμές δεν είναι διαθέσιμες, οι σχετικές τιμές του αναγκαίου ελκυσμού της συσκευής θέρμανσης θα πρέπει να επιλεχθούν από σχετικά πρότυπα προϊόντα για συσκευές θέρμανσης. Αν οι τιμές για το λέβητα δεν είναι διαθέσιμες δείτε τον πίνακα Β.2 του προτύπου. Αν η διαθέσιμη τιμή για τον αναγκαίο ελκυσμό είναι αρνητικός αριθμός (που υποδηλώνει λειτουργία θετικής πίεσης) τότε για τους υπολογισμούς θεωρούμε ότι PW = 0. Αν από τον κατασκευαστή δεν υπάρχουν διαθέσιμες πληροφορίες για τον εκτροπέα έλξης, για συσκευές αερίου τύπου B1 σύμφωνα με το CR 1749 χρησιμοποιείται η τιμή των 3 Pa για τον αναγκαίο ελκυσμό και η τιμή των 10 Pa για όλες τις άλλες συσκευές αερίου που είναι εξοπλισμένες με εκτροπέα έλξης.

Χαρακτηριστικά δεδομένα για τον υπολογισμό

Για να υπολογίσουμε τις σχετικές τιμές πίεσης και θερμοκρασίας, πρέπει πρώτα να καθοριστούν η τραχύτητα του εσωτερικού τοιχώματος και η θερμική αντίσταση του καπναγωγού και της καπνοδόχου.

Τραχύτητα (r)

Η μέση τιμή για την τραχύτητα του εσωτερικού τοιχώματος καθορίζεται από τον κατασκευαστή του προϊόντος. Στον παρακάτω πίνακα B.4 υπάρχουν οι μέσες τιμές τραχύτητας για κάποια υλικά που συναντάμε στις καπνοδόχους.

Πίνακας Β.4

Υλικό εσωτερικής επιφάνειας Μέση τραχύτητα r σε m
Συγκολλητός χάλυβας 0.001
Γυαλί 0.001
πλαστικό 0.001
Αλουμίνιο 0.001
Κεραμικό πλακάκι 0.0015
Τούβλο 0.005
Συγκολλητό μέταλλο 0.002
Μπετόν 0.003
Πέτρα 0.005
Πτυχωτό(corrugated) μέταλλο 0.005

Θερμική αντίσταση (1/Λ)

Η θερμική αντίσταση 1/Λ του συστήματος της καπνοδόχου καθορίζεται από τον κατασκευαστή του προϊόντος. Η θερμική αντίσταση 1/Λ των υλικών καθορίζεται από τον κατασκευαστή του προϊόντος και θα περιλαμβάνει τα αποτελέσματα των θερμικών γεφυρών. Για χειροποίητες καμινάδες πολλών επιπέδων η θερμική αντίσταση καθορίζεται από την παρακάτω εξίσωση:
Θερμική αντίσταση 1/Λ, σε m2*K/W όπου

Dh εσωτερική υδραυλική διάμετρος (internal hydraulic diameter)/td> m
Dh,n υδραυλική διάμετρος του εσωτερικού κάθε στρώματος (internal hydraulic diameter of the inside of each layer) m
Χαρακτηριστικά δεδομένα για τον υπολογισμό θερμική αντίσταση του περιβλήματος του σωλήνα που αναφέρεται στην εσωτερική του επιφάνεια (thermal resistance of a pipe shell)

Βασικές τιμές για τον υπολογισμό

Θερμοκρασία εξωτερικού αέρα (TL)

Η θερμοκρασία του εξωτερικού αέρα TL θεωρείται ως η μέγιστη θερμοκρασία του εξωτερικού αέρα στην οποία πρόκειται να χρησιμοποιηθεί η καπνοδόχος. Η θερμοκρασία εξωτερικού αέρα TL για συστήματα θέρμανσης συνήθως παίρνει την τιμή 288,15°K (TL = 15°C).

Πίεση εξωτερικού αέρα (pL)

Η εξωτερική πίεση του αέρα pL εξαρτάται από το υψόμετρο της θάλασσας και καθορίζεται από την παρακάτω εξίσωση:

Πίεση εξωτερικού αέρα, σε Pa όπου

g επιτάχυνση της βαρύτητας (acceleration due to gravity) 9,81 m/s2
RL σταθερά αερίου του αέρα (gas constant of the air) J/(kg*K)
TL θερμοκρασία του εξωτερικού αέρα (external air temperature) K
z υψόμετρο πάνω από το ύψος της θάλασσας (height above sea level) m
97000 πίεση του εξωτερικού αέρα στο ύψος της θάλασσας διορθωμένο για την επίδραση του καιρού (external air pressure at the sea level corrected for weather influence) Pa

Σταθερά αερίου του αέρα

Η σταθερά αερίου του αέρα RL παίρνει την τιμή 288 J/(kg*K) (η περιεκτικότητα σε υδρατμούς σ(H2O) σαν κλάσμα όγκου 1,1%).

Σταθερά αερίου του καυσαερίου R

Η σταθερά αερίου του καυσαερίου R καθορίζεται από την παρακάτω εξίσωση:

Σταθερά αερίου του καυσαερίου R, σε J/kg·K

Ο συντελεστής fR εξαρτάται από το είδος του καυσίμου και λαμβάνεται από τον παρακάτω πίνακα.

Είδος καυσίμου fR
Πετρέλαιο 0.0002
Φυσικό αέριο 0.0032
Υγραέριο 0.0033

Πυκνότητα εξωτερικού αέρα (ρL)

Η πυκνότητα του εξωτερικού αέρα ρL υπολογίζεται σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση:

Πυκνότητα εξωτερικού αέρα, σε kg/m3 όπου

pL εξωτερική πίεση του αέρα (external air pressure) Pa
RL σταθερά αερίου του αέρα (gas constant of the air) J/(kg*K)
TL θερμοκρασία του εξωτερικού αέρα (external air temperature) K

Ειδική θερμοχωρητικότητα του καυσαερίου (cp)

Η ειδική θερμοχωρητικότητα του καυσαερίου cp υπολογίζεται σύμφωνα με την εξίσωση:

Ειδική θερμοχωρητικότητα του καυσαερίου, σε J/kg*K

Oι συντελεστές της παραπάνω εξίσωσης εξαρτώνται από το είδος του καυσίμου και λαμβάνονται από τον παρακάτω πίνακα.

Είδος καυσίμου fco fc1 fc2 fc3
Πετρέλαιο 13.0 0.014 -0.000011 0.0093
Φυσικό αέριο 23.0 0.015 -0.000007 0.0142
Υγραέριο 17.6 0.015 -0.000009 0.0116

Συντελεστής διόρθωσης για έλλειψη θερμικής ισορροπίας (SH)

Ο συντελεστής διόρθωσης SH για έλλειψη θερμικής ισορροπίας είναι 0,5.

Ρευστοδυναμικός συντελεστής ασφαλείας (SE)

Για καπνοδόχους αρνητικής πίεσης χρησιμοποιείται ο συντελεστής ασφαλείας SE = 1,5, εκτός από τις αυστηρά ελεγχόμενες συσκευές και εγκαταστάσεις καπνοδόχων.

Στο δεύτερο μέρος του άρθρου θα καθορίσουμε τις θερμοκρασίες, τις πιέσεις, την πυκνότητα και την ταχύτητα του καυσαερίου και θα περιγράψουμε τα χαρακτηριστικά του καπναγωγού.

Δεν υπάρχουν σχόλια: