Αναλυτικός υπολογισμός καπνοδόχου σύμφωνα με το EN 13384 (Μέρος 2)

Στο προηγούμενο άρθρο παρουσιάστηκε ο θερμοδυναμικός υπολογισμός της καπνοδόχου με βάση το πρότυπο DIN EN 13384-1, ορίστηκαν οι απαιτήσεις σε πίεση και θερμοκρασία και υπολογίστηκαν οι βασικές τιμές. Στο παρόν άρθρο θα υπολογίσουμε τις θερμοκρασίες, τις πιέσεις, την πυκνότητα και την ταχύτητα του καυσαερίου που απαιτούνται σύμφωνα με το DIN EN 13384-1. Ο υπολογισμός των παραπάνω απαιτείται για τη διαστασιολόγηση της καπνοδόχου μίας εγκατάστασης λεβητοστασίου.

Καθορισμός των θερμοκρασιών

Για την τεκμηρίωση των απαιτήσεων σε πίεση και θερμοκρασία θα πρέπει να καθοριστούν η μέση θερμοκρασία καυσαερίου και η θερμοκρασία καυσαερίου στην έξοδο της καπνοδόχου.
Εξίσωση υπολογισμού μέσης θερμοκρασίας καυσαερίου, σε K

Η θερμοκρασία καυσαερίου στην έξοδο της καπνοδόχου TO υπολογίζεται σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση:
Εξίσωση υπολογισμού θερμοκρασίας καυσαερίου στην έξοδο της καπνοδόχου, σε K

Η μέση θερμοκρασία του καυσαερίου στον καπναγωγό TmV υπολογίζεται σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση:
Εξίσωση υπολογισμού μέσης θερμοκρασίας καυσαερίου στον καπναγωγό, σε K

Η θερμοκρασία καυσαερίου στην είσοδο της καπνοδόχου Te υπολογίζεται σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση:
Εξίσωση υπολογισμού θερμοκρασίας καυσαερίου στην είσοδο της καπνοδόχου, σε K όπου

K συντελεστής ψύξης καπνοδόχου (coefficient of cooling)
KV συντελεστής ψύξης του καπναγωγού (coefficient of cooling of the connecting flue pipe)
Te θερμοκρασία καυσαερίου στην είσοδο της καπνοδόχου (flue gas temperature at the chimney inlet) K
Tu θερμοκρασία του αέρα του περιβάλλοντος (ambient air temperature) K
TW θερμοκρασία του καυσαερίου της συσκευής θέρμανσης (flue gas temperature of the heating appliance) K

Υπολογισμός συντελεστή ψύξης

Ο συντελεστής ψύξης K υπολογίζεται σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση:
Εξίσωση υπολογισμού συντελεστή ψύξης όπου

cp ειδική θερμοχωρητικότητα του καυσαερίου (specific heat capacity of the flue gas) J/kg*K
k συντελεστής θερμοπερατότητας (U-value) (coefficient of haet transmission) W/m2*K
L μήκος της καπνοδόχου (length of chimney) m
m παροχή μάζας καυσαερίου (flue gas mass flow) kg/s
U εσωτερική περίμετρος της καπνοδόχου (internal chimney circumference) m

Για το συντελεστή ψύξης KV του καπναγωγού χρησιμοποιούνται οι αντίστοιχοι παράμετροι για τον καπναγωγό.

Συντελεστής θερμοπερατότητας

Ο συντελεστής θερμοπερατότητας της καπνοδόχου σε θερμοκρασιακή ισορροπία kb υπολογίζεται σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση:
Εξίσωση υπολογισμού συντελεστή θερμοπερατότητας της καπνοδόχου σε θερμοκρασιακή ισορροπία

Ο συντελεστής θερμοπερατότητας της καπνοδόχου σε έλλειψη θερμοκρασιακής ισορροπίας k υπολογίζεται σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση:
Εξίσωση υπολογισμού συντελεστή θερμοπερατότητας της καπνοδόχου σε έλλειψη θερμοκρασιακής ισορροπίας όπου

Dh εσωτερική υδραυλική διάμετρος (internal hydraulic diameter) m
Dha εξωτερική υδραυλική διάμετρος (external hydraulic diameter) m
SH συντελεστής διόρθωσης για έλλειψη θερμικής ισορροπίας (correction factor for temperature instability)
αa εξωτερικός συντελεστής συναγωγής θερμότητας (external coefficient of heat transfer) W/(m2*K)
αi εσωτερικός συντελεστής συναγωγής θερμότητας (internal coefficient of heat transfer) W/(m2*K)
(1/Λ) θερμική αντίσταση m*K/W

Εσωτερικός συντελεστής μετάδοσης θερμότητας

Ο εσωτερικός συντελεστής συναγωγής θερμότητας στην καπνοδόχο αi υπολογίζεται σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση:
Εξίσωση υπολογισμού εσωτερικού συντελεστή συναγωγής θερμότητας, σε W/(m2*K) όπου

Dh εσωτερική υδραυλική διάμετρος (internal hydraulic diameter) m
Nu αριθμός Nusselt
λΑ συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του καυσαερίου (coefficient of thermal conductivity of the flue gas) W/(m*K)

Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του καυσαερίου λΑ υπολογίζεται εξαρτώμενος από τη μέση τιμή της θερμοκρασίας του καυσαερίου σύμφωνα με την εξίσωση του παραρτήματος Α, πίνακας 1 του προτύπου και

Εξίσωση υπολογισμού συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας

Η μέση τιμή του αριθμού Nusselt για το ύψος της καπνοδόχου υπολογίζεται σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση:
Εξίσωση υπολογισμού αριθμού Nusselt όπου

Dh εσωτερική υδραυλική διάμετρος (internal hydraulic diameter) m
Ltot ολικό μήκος της καπνοδόχου m
Pr αριθμός Prandtl
Re αριθμός Reynolds
ψ συντελεστής τριβής για υδραυλικά τριβώδη ροή (coefficient of the flow resistance due to friction for hydraulically rough flow)
ψsmooth συντελεστής τριβής για υδραυλικά ομαλή ροή (coefficient of the flow resistance due to friction for hydraulically smooth flow)

Η εξίσωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για 2.300 < Re < 10.000.000 και (ψ/ψsmooth) < 3 όπως επίσης 0,6 < Pr < 1.
Για μέση ταχύτητα καυσαερίου wm < 0,5 m/s, θα θεωρείται ότι wm = 0,5 m/s.
Για αριθμό Reynolds κάτω από 2.300 θα θεωρείται ότι Re = 2.300.

Ο αριθμός Prandtl υπολογίζεται σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση:
Εξίσωση υπολογισμού εσωτερικού συντελεστή μετάδοσης θερμότητας (αδιάστατο)

Ο αριθμός Reynolds υπολογίζεται σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση:
Εξίσωση υπολογισμού εσωτερικού συντελεστή μετάδοσης θερμότητας(αδιάστατο) όπου

cp ειδική θερμοχωρητικότητα του καυσαερίου (specific heat capacity of the flue gas) J/kg*K
Dh εσωτερική υδραυλική διάμετρος (internal hydraulic diameter) m
wm μέση ταχύτητα καυσαερίου (mean velocity of the flue gas) m/s
ηΑ δυναμικό ιξώδες του καυσαερίου (dynamic viscosity of the flue gas) N*s/m2
λΑ συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του καυσαερίου (coefficient of thermal conductivity of the flue gas) W/(m*K)
pm μέση πυκνότητα του καυσαερίου (mean density of the flue gas) kg/m3

Εξωτερικός συντελεστής μετάδοσης θερμότητας

Ο εξωτερικός συντελεστής συναγωγής θερμότητας αα είναι:

  • 8 W/(m2*K) για καπναγωγούς και καπνοδόχους, εσωτερικούς στο κτίριο
  • 23 W/(m2*K) για καπναγωγούς και καπνοδόχους εξωτερικούς στο κτίριο
Για καπναγωγούς και καπνοδόχους που βρίσκονται εν μέρει εξωτερικά του κτιρίου, ο συντελεστής μετάδοσης θερμότητας αα υπολογίζεται με παρεμβολή (interpolation) στις παραπάνω τιμές.

Καθορισμός της πυκνότητας και της ταχύτητας του καυσαερίου

Πυκνότητα καυσαερίου (ρm)

Η μέση πυκνότητα του καυσαερίου ρm υπολογίζεται σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση:
Εξίσωση μέσης πυκνότητας καυσαερίου, σε kg/m3 όπου

pL εξωτερική πίεση του αέρα (external air pressure) Pa
R σταθερά αερίου του καυσαερίου (gas constant of the flue gas) J/(kg*K)
Tm μέση θερμοκρασία του καυσαερίου (mean temperature of the flue gas) K

Ταχύτητα καυσαερίου (wm)

Η μέση ταχύτητα του καυσαερίου wm υπολογίζεται σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση:
Εξίσωση μέσης ταχύτητας καυσαερίου, σε m/s όπου

A εσωτερική διατομή της καπνοδόχου (internal cross section of the chimney) m2
m παροχή μάζας καυσαερίου (flue gas mass flow) kg/s
ρm μέση πυκνότητα του καυσαερίου (mean density of the flue gas) kg/m3

Για τη μέση ταχύτητα του καυσαερίου wmV στον καπναγωγό, χρησιμοποιούνται οι αντίστοιχες τιμές του καπναγωγού.

Καθορισμός των πιέσεων

Ελκυσμός στην είσοδο της καπνοδόχου αρνητικής πίεσης (PZ)

O ελκυσμός στην είσοδο της καπνοδόχου αρνητικής πίεσης PZ αρχικά εξαρτάται από την παροχή μάζας καυσαερίου και τη θερμοκρασία καυσαερίου, το ενεργό ύψος της καπνοδόχου, τη διατομή και τις χαρακτηριστικές τιμές σχεδίασης (τραχύτητα και θερμική αντίσταση) της καπνοδόχου. O ελκυσμός στην είσοδο της καπνοδόχου αρνητικής πίεσης PZ υπολογίζεται σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση:
PZ = PH - PR- PL, σε Pa όπου

PH θεωρητικός ελκυσμός που οφείλεται στο φαινόμενο της καπνοδόχου (theoritical draught available due to chimney effect) Pa
PL πίεση της ταχύτητας του ανέμου (ανεμόπτωσης) (wind velocity pressure) Pa
PR πίεση αντίστασης στην καπνοδόχο (pressure resistance of the chimney) Pa

O θεωρητικός ελκυσμός που οφείλεται στο φαινόμενο της καπνοδόχου (chimney effect) PH υπολογίζεται σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση:
Εξίσωση θεωρητικού ελκυσμού που οφείλεται στο φαινόμενο της καπνοδόχου, σε Pa όπου

H ενεργό ύψος της καπνοδόχου (effective height of the chimney) m
g επιτάχυνση της βαρύτητας (acceleration due to gravity) 9,81 m/s2
ρL πυκνότητα του εξωτερικού αέρα (density of the external air) kg/m3
ρm μέση πυκνότητα του καυσαερίου (mean density of the flue gas) kg/m3

Απαιτούμενος ελκυσμός στην είσοδο της καπνοδόχου (PZe)

O αναγκαίος ελκυσμός (υποπίεση) στην είσοδο του καυσαερίου στην καπνοδόχο PZe υπολογίζεται από τον αναγκαίο ελκυσμό της συσκευής θέρμανσης PW, την ενεργή πίεση αντίστασης του καπναγωγού PFV και την αντίσταση πίεσης του αέρα τροφοδοσίας PB ως εξής:
PZe = PW + PFV + PB, σε Pa όπου

PZe απαιτούμενος ελκυσμός (υποπίεση) στην είσοδο του καυασερίου στην καπνοδόχο (draught required at the flue gas inlet into the chimney) Pa
PW αναγκαίος ελκυσμός για τη συσκευή θέρμανσης (minimum draught for the heating applinace) Pa
PFV ενεργή πίεση αντίστασης του καπναγωγού (effective pressure resistance of the connecting flue pipe) Pa
PB πίεση αντίστασης του αέρα τροφοδοσίας (pressure resistance of the air supply) Pa

Ενεργή πίεση αντίστασης στον καπναγωγό (PFV)

Η ενεργή πίεση αντίστασης στον καπναγωγό PFV υπολογίζεται σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση:
PFV = PRV - PHV, σε Pa όπου

PHV θεωρητικός ελκυσμός που δημιουργεί ο καπναγωγός (theoretical draught available of the connecting flue pipe) Pa
PRV πίεση αντίστασης (πτώση πίεσης) στον καπναγωγό (pressure resistance of the connecting flue pipe) Pa

Αν ο καπναγωγός αποτελείται από πολλά διαφορετικά τμήματα διαφορετικής σχεδίασης, ο υπολογισμός διεξάγεται ξεχωριστά για κάθε τμήμα. Η πίεση αντίστασης και ο θεωρητικός ελκυσμός των ξεχωριστών τμημάτων θα πρέπει να υπολογίζεται ολικά.

Δεν υπάρχουν σχόλια: