Računalniško podprto konstruiranje - seminarska naloga

PRERAČUN DIMNIKA PO STANDARDU DIN 4705-1

Zagon programa

Abstract

A computer program for fast and simple evaluting of stack dimensions based on the Standard DIN 4705 was made. The program is written in JavaScript and is divided into units for easily to be surveyes.
Variable values, which should be brougt into the program, are marked in blue and should be entered step by step from the begining until the end of formular. A result of the presented calculation are precise dimensions of the stack, which suffice temperature and pressure conditions needed.

1. Definicija naloge

Potrebno je poiskati ustrezne specifikacije za izračun željenega preseka dimnika za podane vhodne podatke.

2. Področje uporabe in namen standarda DIN4705-1

Uporablja se za tehnično izračunavanje dimenzij dimnikov in dimnih kanalov vseh vrst pri izgorevanju trdnih, tekočih in plinastih goriv pri kakršnikoli toplotni kapaciteti. Smiselno se lahko uporablja za preračunavanje dimenzij industrijskih dimnikov na prostem. Za dimnike, ki sprejemajo dimne pline iz večih kotlovnic, pa ta standard ni dovolj natančen za izračunavanje.

3. Opis preračuna

Zaradi boljše preglednosti je postopek izračuna razdeljen na več delov. Vse sodelujoče spremenljivke , ki se pojavljajo, so navedene in opisane v tabeli.

3.1. Karakteristika kotla

Najprej si izberemo vrsto goriva, način izgorevanja in nazivno toplotno kapaciteto Q_n . Izračuna se izkoristek kotla h_w , izgorevalna toplotna kapaciteta Q _f , volumska koncentracija CO₂ v dimnih plinih in masni pretok dimnih plinov m .
V naslednjem koraku vnesemo temperaturo dimnih plinov v kotlu T_w in potrebni potisni tlak kotla p_w.
V tem trenutku je izražen trojček veličin za dimne pline pri kotlu. Sestoji se iz masnega pretoka in temperature dimnih plinov ter potrebnega potisnega tlaka. Te veličine so nujne za izračun tlakov in temperatur. Lahko jih izmerimo, oziroma povzamemo iz navedb proizvajalca.
Če te vrednosti niso navedene, jih za različne nazivne toplotne kapacitete izračunamo po enačbah, upoštevajoč določene koeficiente. Če uporabljamo druga goriva, je treba preveriti, če je kotel sploh primeren za njih. Toplotna kapaciteta drugega goriva naj bi bila omejena z največjim pretokom dimnih plinov, ki se še lahko odvaja skozi dimnik na prosto.
Dimenzije dimnika izračunamo za izgorevanje točno določenega goriva v kotlu.
Pri spreminjajoči toplotni kapaciteti izhajamo pri izračunu tlaka in temperature iz masnega pretoka pri najmanjši možni stacionarni toplotni kapaciteti. Če proizvajalec ne poda drugače, je najmanjši pretok dimnih plinov 1/3 pretoka pri nazivni toplotni kapaciteti.
Na kotlu imamo cevni nastavek, ki je namenjen za spoj kotla in dimnega kanala. Ob izbranem premeru cevnega nastavka D_w , se izračuna hidravlični premer cevnega nastavka D_hw , katerega v nadaljevanju upoštevamo pri izračunu veličin pri dimnem kanalu. Prav tako je potrebno vnesti potreben potisni tlak zraka za izgorevanje v kotlu p_LK , ki ga upoštevamo pri končnem izračunu potrebnega podtlaka na vhodu dimnih plinov v dimnik p_Ze .

3.1. Karakteristika dimnega kanala

Vnesemo dolžino dimnega kanala L_v in višinsko razliko H_v , ki meri od cevnega nastavka do vstopa v dimnik. Identično, kot pri cevnem nastavku, računamo hidravlični premer dimnega kanala.
Pri izračunu odpornosti proti prevajanju toplote (1/L) _v pri dimnem kanalu se je potrebno odločiti za material,toplotno prevodnost l_v in debelino izolacijske plasti d_v. Odpornost proti prevajanju toplote (1/L)_v lahko izračunamo iz podanih enačb približno, saj dimni kanali in dimniki niso podvrženi nobenim uradnim omejitvam. Navadno upoštevamo okrogel prerez, saj najbolj ustreza dejanskim vrednostim.
V tem delu se še izbere zunanji koeficient toplotne prestopnosti a_av in hrapavosti notranje lupine r_v dimnega kanala, ki ju upoštevamo pri izračunih temperatur pri temperaturni vztrajnosti, oziroma pri manjkajoči temperaturni vztrajnosti pri dimnem kanalu.

3.3. Karakteristika dimnika

Vnesemo dolžino dimnika L in višinsko razliko H, ki meri od vstopa dimnih plinov v dimnik do njihovega izstopa iz dimnika. Identično, kot pri cevnem nastavku, računamo hidravlični premer dimnega kanala.
Pri izračunu odpornosti proti prevajanju toplote (1/ L) upoštevamo že prej izračunani hidravlični premer D_h , željeno debelino stene d in izračunan zunanji hidravlični premer D_ha . Pri dimniku, ki je na prostem, pa se upošteva plast dodatne toplotne izolacije (d_ao , l_ao , D_hao ), čigar odpornost proti prevajanju toplote je (1/L)_ozus.
Dodatno izračunano odpornost proti prevajanju toplote na izstopu iz dimnika (1/L)_o in odpornost proti prevajanju toplote (1/L) upoštevamo pri računanju koeficienta toplotne prehodnosti na izstopu iz dimnika k _ob .
V tem delu se še izbere zunanji koeficient toplotne prestopnosti a_a in hrapavosti notranje lupine r dimnega kanala, ki ju upoštevamo pri izračunih temperatur pri temperaturni vztrajnosti, oziroma pri manjkajoči temperaturni vztrajnosti pri dimniku.

3.4. Osnovne vrednosti za izračun

Treba je vnesti geodetsko višino ter temperature zunanjega zraka T _L , okoliškega zraka T_u in zunanjega zraka na izstopu iz dimnika T_uo . Temperature se izbirajo glede na to kje se dimnik nahaja oz. kakšne lastnosti ima. Tako izračunamo gostoto r_L in tlak zunanjega zraka p_L ter plinsko konstanto dimnih plinov R in volumsko koncentracijo vode v dimnih plinih s(H₂O) .
Pri plinski konstanti dimnih plinov razlikujemo izgorevanje s kondenzacijo ali brez. Pri kondenzaciji vodne pare v dimnih plinih je plinska konstanta nižja.
Na koncu se še izračuna temperatura kondenzacije vodne pare dimnih plinov T_p , katero upoštevamo pri računanju temperaturnih pogojev, ko jo enačimo z dopustno mejno temperaturo dimnih plinov T_g .

3.5. Temperature v dimnem kanalu

Pri manjkajoči temperaturni vztrajnosti je potrebno vnesti začetno srednjo temperaturo dimnih plinov T'_mv , ki ob upoštevanju nekaterih koeficientov omogoča izračunavanje specifične toplotne kapacitete (c_pv ), notranjega koeficienta toplotne prestopnosti (a_av ), koeficienta toplotne prehodnosti (k_v ) in ohlajevalnega števila (K_v). Izračunani srednja temperatura dimnih plinov T_mv in temperaturo dimnih plinov na vstopu v dimnik T_e sta odvisni od temperature okoliškega zraka T_u , temperature dimnih plinov v kotlu T_w in ohlajevalnega števila K_v .
Pri upoštevanju temperaturne vztrajnosti dobimo izračunano vrednost temperature T_e večjo, ker pri izračunu koeficienta toplotne prehodnosti upoštevamo, da je korekturni faktor S_H=1 v imenovalcu enačbe, medtem, ko je pa pri manjkajoči temperaturni vztrajnosti v enačbi za izračun K_v korekturni faktor S_H=0.5 .

3.6. Temperature v dimniku

Pri manjkajoči temperaturni vztrajnosti je potrebno vnesti začetno srednjo temperaturo dimnih plinov T'_m , ki ob upoštevanju nekaterih koeficientov omogoča izračunavanje specifične toplotne kapacitete (c_p ), notranjega koeficienta toplotne prestopnosti (a_a ), koeficienta toplotne prehodnosti ( k ) in ohlajevalnega števila ( K ). Izračunani srednja temperatura dimnih plinov T_m in temperaturo dimnih plinov na vstopu v dimnik T_e sta odvisni od temperature okoliškega zraka T_u , temperature dimnih plinov v kotlu T_w in ohlajevalnega števila K .
Pri upoštevanju temperaturne vztrajnosti dobimo izračunano vrednost temperature T_e večjo, ker pri izračunu koeficienta toplotne prehodnosti upoštevamo, da je korekturni faktor S_H=1 v imenovalcu enačbe, medtem, ko je pa pri manjkajoči temperaturni vztrajnosti v enačbi za izračun K korekturni faktor S_H=0.5 .
Na koncu izračunamo še temperaturo notranje stene na izstopu iz dimnika T_iob , ki jo upoštevamo pri temperaturnih pogojih.

3.7. Gostote in hitrosti pri manjkajoči temperaturni vztrajnosti

Računamo gostote in hitrosti za :

- cevni nastavek (upoštevamo tlak zunanjega zraka p_L , plinsko konstanto zunanjega zraka R , temperaturo dimnih plinov v kotlu T_w , masni pretok dimnih plinov m in presek cevnega nastavka A_w )
- dimni kanal (upoštevamo tlak zunanjega zraka p_L , plinsko konstanto zunanjega zraka R , srednjo temperaturo dimnih plinov v dimnem kanalu T_mv , masni pretok dimnih plinov m in presek dimnega kanala A_v )
- dimnik (upoštevamo tlak zunanjega zraka p_L , plinsko konstanto zunanjega zraka R , srednjo temperaturo dimnih plinov v dimniku T_m , masni pretok dimnih plinov m in presek dimnika A ).

3.8. Tlaki v dimnem kanalu

Ob upoštevanju vrste uporov v dimnem kanalu in izgube ob vstopu v dimni kanal, zaradi razlike prerezov med dimnim kanalom in cevnim nastavkom, izračunamo tlačne izgube in potreben podtlak na vhodu dimnih plinov v dimnik ( p_Ze ) , ki je vsota potrebnega potisnega tlaka kotla ( p_w ), potrebnega potisnega tlaka v dimnem kanalu ( p _FV) in potrebnega potisnega tlaka zraka za izgorevanje v kotlu ( p _LK ).

3.9. Tlaki v dimniku

Izberemo si način prehoda med dimnim kanalom in dimnikom, oblike zožitve prereza dimnega kanala ob samem vstopu v dimnik ter vrsto uporov v dimniku. Tako izračunamo tlačne izgube v dimniku in podtlak na vstopu v dimnik ( p_Z ) ki je razlika statičnega tlaka ( p_H ) in tlačnih izgub ( p_R ).

3.10. Meje pri računanju

3.10.1. Minimalni podtlak

Prvo mejo za zagotovitev minimalnega podtlaka določa maksimalna obremenitev dimnika. Zagotovila naj bi, da pri majhnih spremembah pretoka dimnih plinov ne pride do nedopustne spremembe podtlaka. V enačbi upoštevamo razliko temperatur na vstopu dimnih plinov v dimnik in zunanjega zraka.

3.10.2. Minimalna hitrost

Drugo mejo za zagotovitev minimalne hitrosti dimnih plinov določa minimalna obremenitev dimnika. Zagotavljala naj bi, da pri neznatnem zmanjšanju pretoka dimnih plinov ne pride do pomembnega zmanjšanja razpoložljivega podtlaka. Kar pomeni, da dosegamo zadovoljiv pretok v dimniku in tako še lahko uporabimo navedene računske postopke. Vstop zraka skozi odprtino na izstopu iz dimnika mora biti omejen.

3.10.3. Maksimalna vitkost

Tretjo mejo določa maksimalna vitkost dimnika, ki zagotavlja izračun tlačnih izgub, zaradi trenja s podanimi enačbami. Pri večjih višinah prihaja pri običajnih dimnikih do nesorazmerno večjih izgub zaradi trenja, ki jih moramo dodatno upoštevati.
Na ta način naj bi izpolnili zahtevo, da zaradi odstopanj pri gradnji dimnika, zaradi zmanjšanega premera ne pride do pomembne spremembe podtlaka na vstopu dimnih plinov v dimnik.

3.11. Tlačni in temperaturni pogoji

3.11.1. Tlačni pogoji

Dejanski podtlak na vstopu dimnih plinov v dimnik p_Z je enak razliki statičnega tlaka v dimniku p_H in vsoti tlačnih izgub v dimniku p_R in mora biti večji ali kvečjemu enak potrebnemu podtlaku na vhodu dimnih plinov v dimnik p_Ze, ki je vsota treh tlakov : potrebni potisni tlak v dimnem kanalu p_FV , potreben potisni tlak v kotlu p_w in potreben potisni tlak zraka za izgorevanje p_LK .

p_Z = p_H - p_R >= p_Ze = p_FV + p_w + p_LK

3.11.2. Temperaturni pogoji

Temperaturni pogoji so izpolnjeni ob predpostavki, da kotel enakomerno deluje, brez vklapljanj, oziroma izklapljanj. Temperatura notranje stene na izstopu iz dimnika T_iob, ki je odvisna od temperature dimnih plinov na izstopu iz dimnika T_ob , temperature okoliškega zraka na izstopu iz dimnika T_uo in temperature dimnih plinov na vstopu v dimnik T_e mora biti večja od dopustne mejne temperature dimnih plinov T_g , ki smo jo enačili s temperaturo kondenzacije (rosišča) vodne pare dimnih plinov T_p , ker upoštevamo, da vodni hlapi v dimniku kondenzirajo.
Oznaka b pri temperaturi T_iob označuje stanje temperaturne vztrajnosti.

T_iob >= T_g

3.12. Kontrola

Izračun je pravilen, če so izpolnjene neenačbe :

- podtlak na vstopu dimnih plinov v dimnik ( p_Z ) mora biti večji ali enak minimalnemu podtlaku ( p_Zmin )
- hitrost dimnih plinov v dimniku w_m mora biti večja ali enaka minimalni hitrosti w_min
- zadostna vitkost ( H/D_h ) mora biti manjša ali kvečjemu enaka maksimalni vitkosti dimnika ( H/D_h )_max

3.13. Rezultati

Če so izpolnjeni vsi pogoji in je kontrola v redu, se izpišejo dimenzije dimnega kanala in dimnika, katere upoštevamo pri gradnji,ob navedenih delovnih pogojih.

4. Zaključni komentar

Dimni plini nastajajo kot stranski produkt pri izgorevanju trdnih, tekočih in plinastih goriv. V industriji je zaželjeno, da dimne pline po čimbolj racionalni in čimkrajši poti odvedemo v ozračje. Da bi odvajanje dimnih plinov potekalo čim hitreje in s čimboljšim izkoristkom, je potrebno tako dimne kanale kot dimnik pravilno dimenzionirati.
Eden od standardov, ki ureja dimenzioniranje dimnikov in dimnih kanalov vseh vrst pri izgorevanju trdnih, tekočih in plinastih goriv pri kakršnikoli toplotni kapaciteti, je standard DIN 4705. Na osnovi omenjenega standarda je izdelan tudi pričujoči program. Napisan je v jeziku JavaScript. Zaradi boljše preglednosti in lažjega računanja je program razdeljen na več delov. Ker se pri izračunu pojavlja veliko spremenljivk, je bilo potrebno pri pisanju programa biti zelo previden pri njihovem označevanju. Prav tako je bilo potrebno paziti pri odčitavanju različnih koeficientov tlačnih izgub iz podanih tabel v standardu. Kljub mnogim spremenljivkam pa je program razumljiv in enostaven za uporabo.
Pri samem standardu me moti to, da ne vsebuje dovolj skic oziroma slik, ki bi omogočale uporabniku razumljivejšo predstavitev samega delovanja sistema, označevanja posameznih elementov in poteka tlakov in temperatur pri delovanju.

Literatura