Дымовая труба для котельной: как сделать расчет размеров

Показатели для практического аэродинамического расчета дымовой трубы

Дымовые трубы котельных и частных домов с твердотопливным котлом (каминами) требуют проведения тщательного вычисления с учетом ряда показателей:

климатических особенностей данной местности;
рельефа местности и типа грунта, на котором возводится постройка;
региональной сейсмической активности;
скорости ветров и норм выпадения осадков, а также критических величин;
типа кладки печи;
динамических колебаний оборудования;
материала, из которого построят дымовую трубу, и его температурного расширения;
вида топлива, его теплоотдачи;
технических характеристик, присущих котлу;
температуры газов на выходе.

Оперируя такими данными, можно просчитать:

высоту сооружения;
оптимальный диаметр;
допустимую массу, которую может иметь возводимая дымовая труба и, следовательно, выбрать материал, подходящий для обустройства конструкции.

Результаты расчетов позволят определиться с диаметром будущего дымохода, его высотой и массой

Правильно просчитанная высота и проходимость, подбор формы и материалов поспособствуют естественной тяге, обеспечивая хорошую теплоотдачу. Правильному расчету способствует привлечение профессиональных специалистов. Проявление небрежности обернется конструкционными ошибками, вследствие которых:

внутренние поверхности будут подвергаться чрезмерному оседанию сажи и золы;
внутреннее сечение будет постепенно уменьшаться, что приведет к ослабеванию тяги и проникновению угарных газовых образований во внутренние помещения;
возрастет возможность возгорания накапливающихся смол и деформации трубы, вызванной температурными перепадами;
повысится пожароопасность.

Использование дымовых труб

Конструктивные особенности

Кроме внутреннего оборудования важной деталью также является дымоход, который монтируется на тепловой установке. От того, насколько точно был выполнен расчет дымовой трубы котельной, и насколько правильно была установлена эта конструкция, во многом зависит эффективность работы всей системыСуществует несколько разновидностей таких труб:

Фермовые. Внутренний дымоход крепится к самонесущим стальным фермам, установленным на грунте и закрепленным с помощью глубинных анкеров либо анкерной корзины в монолитном железобетонном основании.
Самонесущие. Собираются из нескольких дымоходов, окруженных теплоизоляционным контуром и закрепленных внутри стальной самонесущей обечайки. Наружная конструкция несет статическую нагрузку а также сопротивляется ветровым воздействиям.

Элементы самонесущего дымохода

Фасадные. Наиболее простые в монтаже, некоторые из них могут быть установлены даже своими руками. Представляют собой сборный или монолитный стальной дымоход, закрепленный либо непосредственно на стене, либо на системе стеновых кронштейнов.
Мачтовые. В качестве дымовыводящего канала используется бесшовная толстостенная стальная труба, нижняя часть которой фиксируется анкерами на цокольной плите. Для сопротивления ветровым нагрузкам конструкция закрепляется растяжками из тросов.

Фасадная конструкция

Нужно отметить, что большинство подобных конструкций обладают значительными габаритами и массой. Вот почему монтаж или демонтаж котельной трубы выполняют в основном специализированные организации. Исключение составляют лишь небольшие дымоходы частных домов, а также упоминавшиеся выше фасадные малогабаритные системы.

Расчеты основных параметров

Для проектировки и возведения эффективно работающего дымохода необходимо заранее рассчитать его основные параметры, к которым относятся высота дымовой трубы котельной и ее внутренний диаметр. Проще всего это сделать с помощью специальных программ-калькуляторов, которые можно найти в сети, но и без них можно узнать хотя бы приблизительные цифры.

Для бытовых котельных небольшой мощности исходные данные будут примерно одинаковыми:

Входящая температура газа – до 200С.
Движение газа в трубе – 2м/с и более.
Высота по СНИП – не меньше 5 м от колосника и не ниже 0,5 м от конька (для промышленных моделей – минимум на 5 м выше чем самый высокий объект в радиусе 25 м).
Естественный напор газа – 4 Па и более.

В качестве примера рассчитаем диаметр стальной изолированной трубы (тепловой коэффициент В = 0,34), необходимой для работы котельной, в которой в час сжигается 10 кг дров с влажностью 25% и температурой на выходе 150С.

Объем газов, необходимых для сгорания топлива – 10м3/кг:

Вычисляем объем газов на входе в трубу в секунду по формуле Vr= m*V*(1+t/273)/3600, где m –масса топлива, а V – объем газа.
Получаем Vr = (10*10*1,55)/3600 = 0,043 м3/с.
Используя формулу объема цилиндра, определяем квадрат диаметра D2 = (4∙0.043)/3,14∙2 = 0,027.
Следовательно, минимальный диаметр дымохода составит 0,165 м.

Как видите, вычисления даже одного параметра достаточно сложны. Это – еще один аргумент в пользу того, что проектировкой дымоходов, особенно рассчитанных на поддержание работы котельных с высокой мощностью, должны заниматься профессионалы.

Молниезащита

Учет всех особенностей при составлении проекта, правильный монтаж, регулярное обследование дымовых труб котельных для выявления дефектов и своевременного их устранения являются обязательными условиями для эффективной работы. Однако иногда причиной выхода системы из строя могут стать внешние факторы.

Одним из таких факторов является молния, и потому высокие трубы нужно защищать от ее воздействия:

На неметаллических дымоходах монтируют стальные или омедненные молниеулавливающие стержни. Их количество может варьировать от одного (сооружения до 50 м) до трех (от 150 м и выше). В ряде случаев стержни заменяют стальными кольцевыми накладками, которые крепятся на торце.

Схема молниезащиты неметаллической конструкции

Для бетонных труб роль молниеотводов играет внутренняя арматура. Чтобы повысить эффективность ее функционирования, верхние края стержней соединяют сварным способом. Стальная труба сама по себе играет роль молниеотвода

Естественно, в этом случае важно обеспечить качественное заземление

Описание дымохода из нержавеющей стали

Дымовой канал из нержавеющего металла может быть укомплектован по-разному, поэтому целесообразно рассмотреть все виды обсуждаемой конструкции.

Виды труб из нержавейки

Чтобы оборудовать печь дымоходом из нержавеющего металла, потребуется делать выбор между тремя вариантами:

однослойное стальное изделие;
нержавеющая гофрированная труба;
двухконтурная конструкция из нержавеющего металла (сэндвич-труба).

Толщина однослойных дымовых труб может составлять от 0,6 до 2 мм. Покупка изделия не ударит по карману, но надо иметь в виду, что применение таких изделий допустимо не во всех случаях.

Дымоход из однослойной нержавеющей стали требует тщательного утепления дома

О двухконтурной трубе из нержавеющей стали говорят как о самой надёжной конструкции. Сэндвич-система способна хорошо функционировать, будучи смонтированной как внутри дома, так и за его пределами. Это заслуга промежуточного слоя изделия — негорючего материала, удерживающего тепло. Им может быть обычная минеральная вата.

Сэндвич-труба отлично удерживает тепло и поэтому может быть смонтирована снаружи дома

Гофрированная нержавеющая труба

На гофрированную трубу рассчитывают, если нужно создать дымовой канал с криволинейными переходами. Изделие, сделанное из гофрированной нержавеющей стали, без проблем работает, даже нагреваясь до 900 градусов. Оно хорошо выводит газы, образующиеся в результате сжигания топлива, и поэтому пользуется большим спросом.

Гофрированную трубу берут, зная, что обычное стальное изделие не сможет обеспечить необходимый изгиб канала

Труба из нержавеющего металла с гофрированием активно применяется при установке отопительного оборудования, в том числе газовых котлов.

Гофрированная труба из нержавеющей стали изгибается как угодно и поэтому становится незаменимой в целом ряде случаеы

Таблица: технические параметры гофрированной трубы из нержавейки

Характеристики	Показатели
Рабочая температура	От -50 до +110 ºС
Давление при рабочей температуре в + 110 ºС	15 бар
Радиус изгиба	2,5–15 см
Теплопроводность	17 Вт/м*К
Коэффициент шероховатости поверхности	0,008

Последняя характеристика означает, что внутренние стенки изделия очень гладкие и поэтому защищены от излишнего загрязнения.

Преимущества применения гофрированного нержавеющего дымохода

Дымоход из гофрированной нержавеющей стали заслужил хорошую репутацию, потому что:

просто устанавливается и не требует использования особого строительного инструмента;
добросовестно служит в течение 30 лет;
обладает прекрасной гибкостью и стойкостью по отношению к вибрации;
не ржавеет и не покрывается плесенью;
относительно мало весит;
не повреждается из-за гидравлических ударов;
выдерживает воздействие низких температур.

Диаметр и стандарты труб из нержавейки

Стальные нержавеющие трубы отличаются размерами. Неодинаковыми могут быть величина условного прохода, наружный диаметр и толщина стенок трубопровода.

Трубы из нержавеющей стали выпускаются в широком ассортименте типоразмеров

Таблица: параметры нержавеющих стальных труб

Проход, мм	Наружный диаметр, мм	Толщина стенок, мм	Масса трубы длиной 1 м, кг
Стандартные трубы	Усиленные трубы	Стандартные трубы	Усиленные трубы
10	17	2,2	2,8	0,61	0,74
15	21,3	2,8	3,2	1,28	1,43
20	26,8	2,8	3,2	1,66	1,86
25	33,5	3,2	4	2,39	2,91
32	42,3	3,3	4	3,09	3,78
40	48	3,5	4	3,84	4,34
50	60	3,5	4,5	4,88	6,16
65	75,5	4	4,5	4,88	6,16
80	88,5	4	4,5	8,34	9,32
100	114	4,5	5	12,15	13,44
125	140	4,5	5,5	15,04	18,24
150	165	4,5	5,5	17,81	21,63

Почему рассматриваются именно твердотопливные приборы?

Всё просто – с ними в этих вопросах всегда больше проблем, если сравнивать с газовыми. Поясним почему:

Прежде всего, газовые отопительные приборы – это практически всегда изделия заводского производства. То есть обязательно имеют патрубок определенного сечения для подсоединения к дымоходу. Оговаривается площадь сечения канала и в технической документации модели. То есть все довольно просто – ни на одном из участков уходящего вверх дымохода зауживать канал не допускается.

Котлы или печи заводской сборки всегда имеют патрубок для подключения дымохода. То есть проблема с сечением дымохода уже не стоит – оно должно быть не меньше указанного в технической документации.

Температура выходящих в дымоход продуктов сгорания газа несоизмеримо меньше, чем у образующихся при сгорании древесины или иного твёрдого топлива.
Трудно сравнить и объёмы образующихся при сгорании «голубого» и твердого топлива газовых смесей. Разница здесь – весьма существенная!

А вот твердотопливные отопительные приборы, печи или котлы, очень часто создаются самостоятельно. Или же достаются «в наследство» от бывших владельцев дома. И вот здесь никогда не лишней будет проверка параметров подключённого к такому прибору дымохода.

Впрочем, то, что касается высоты трубы и проверки тяги – наверное, можно в полной мере отнести и к газовому отопительному оборудованию. Сечение-то известно, но остальное проверить не помешает.

Но начнем именно с сечения.

Проектирование сооружения

Чертеж дымовой трубы

Этапы расчетов

Промышленные дымовые трубы котельных требуют многоступенчатого проектирования.

Данный процесс включает в себя нижеследующие пункты.

Определение типа сооружения.
Аэродинамические расчеты самой трубы, а также газового тракта в котельной.
Нахождение оптимальной высоты конструкции.
Определение диаметра трубы.
Вычисление скорости газов в проектируемом сооружении, и ее сравнение с допустимыми значениями.
Определение самотяги, которую будет иметь труба.
Расчет сооружения на прочность и устойчивость, с последующим составлением техзадания на его фундамент.
Теплотехнический расчет конструкции.
Определение метода и вида крепления трубы.
Создание чертежей сооружения.
Составление сметы.

Для чего необходимы вычисления

Аэродинамические расчеты нужны, чтобы определить высоту и диаметр, которые должна иметь дымовая труба для котельной, обеспечивая ее эффективную работу.

Данная часть проекта дымовой промышленной трубы определяется мощностью либо отдельных котлов, либо всего котельного оборудования, в целом, для прохождения заданного количества дымовых газов из агрегатов при определенной их температуре.

В последнем случае, данный параметр нужен, в большей степени, для экологического обоснования, чтобы учесть рассеивание вредных веществ. После вычисления сечения и высоты, которые будет иметь труба дымовая для котельной, следует новый этап проекта промышленной дымоходной трубы.

Это составление технического задания на подсоединение к ней газоходов котельного оборудования и разработка ее чертежей.

Пакет данной документации дает возможность создать техническое задание на проекты фундамента трубы, ее молниезащиты и заземления. Если будет устанавливаться нестандартное сооружение, то параллельно разрабатываются и индивидуальный паспорт на него, а также инструкция по эксплуатации.

Типы конструкций

Бескаркасная самонесущая труба

На данный момент, дымовые трубы для котлов могут иметь следующие конструкции.

Дымовые колонные трубы, по сути, являются самостоятельными свободностоящими сооружениями. Несущая конструкция подобной трубы представляет собой обечайку из высокоуглеродистой стали и закрепляется к анкерной корзине, заливаемой в фундамент.
Фермовые дымовые трубы котельных промышленные закрепляются на прочной и надежной самонесущей ферме. Та, в свою очередь, фиксируется к анкерной корзине, заливаемой в фундамент.
Околофасадные и фасадные сооружения крепятся на раме к стене строения с помощью настенных кронштейнов. Подобная конструкция передает ветровые нагрузки на фасад через специальные виброизолирующие элементы. Околофасадная труба дополнительно обладает своим нижним фундаментом, передавая на него весовую нагрузку.
Бескаркасная самонесущая труба для котельной дымовая ставится на крыше здания и закрепляется внутри помещения.
Мачтовое сооружение на растяжках является свободностоящей конструкцией, закрепленной на анкерной корзине, которая заливается в фундамент. Газоход такой трубы крепится хомутами к колонне.
В котельной дымовая труба может быть как одноствольной, так и многоствольной.

Необходимая документация

Свод нормативно-технической документации по дымовым трубам

Проектирование, изготовление и сооружение дымовых труб должно производиться в соответствии с существующей нормативно-технической документацией.

Расчет высоты сооружения осуществляется по ОНД №86.
Определение ветровых нагрузок — по СНиП №2.01.07-85.
Прочность конструкции рассчитывается по СНиП №II-23-81.
Проектирование фундамента осуществляется по СНиП №№2.03.01-84 и 2.02.01-83 .
Если сооружается дымовая труба для газового котла, нужно использовать СНиП №II-35-76 «Котельные установки».
При использовании электрического аналога руководствуются СНиП №11-01-03 «Корпуса, оболочки и кожухи для монтажа электрического оборудования».
При изготовлении бетонной трубы применяется СНиП №2.03.01-84 «Железобетонные и бетонные конструкции».
Сооружение стального аналога требует соблюдения СП №53-101-98 «Изготовление и контроль над качеством стальных конструкций».
Помимо этого используется ГОСТ 23118-99 «Стальные строительные конструкции».

Следует помнить, что какой бы ни была труба дымовая для газового котла по конструкции, только точные расчеты, грамотное изготовление и правильный монтаж позволят эксплуатировать ее продолжительное время.

Как рассчитать площадь сечения дымовой трубы?

Существует несколько методик расчета оптимального сечения. Например, от размеров топочной камеры очага или от площади поддувального окна печи

Но в этой публикации внимание будет сконцентрировано на той методике, которая основана на оценке объема образующихся в процессе сгораний дымовых газов

Горение древесины и другого твёрдого топлива всегда сопровождается весьма значительным дымообразованием. И дымоходная труба должна быть в состоянии своевременно отводить эти объемы наружу.

На основе расчётов и опытов специалистами давно уже составлены таблицы, из которых можно получить информацию об удельном дымообразовании для разных типов твердого топлива. То есть какой объем продуктов сгорания образуется при сжигании, скажем, одного килограмма дров, угля, торфа и т.п.

Приведем и мы такую таблицу (в сокращенном варианте). В ней, помимо удельного дымообразования, показаны калорийность топлива (количество тепла, выделяемого при сжигании одного килограмма) и примерная температура продуктов сгорания на выходе из дымоходной трубы. Первая из указанных характеристик нас в заданный момент особо не интересует — просто дает общее представление об эффективности топлива. А вот температура, да, понадобится для расчетов.

Тип топлива	Удельная калорийность топлива, кКал/кг, усредненно	Удельный объем выделяемых продуктов сгорания от сжигания 1 кг, м³	Рекомендуемая температура на выходе из дымохода, °С
Дрова со средним уровнем влажности — 25%	3300	10	150
Торф кусковой (россыпью), воздушной просушки, со средним уровнем влажность не выше 30%	3000	10	130
Торф — брикеты	4000	11	130
Уголь бурый	4700	12	120
Уголь каменный	5200	17	110
Антрацит	7000	17	110
Пеллеты или древесные топливные брикеты	4800	9	150

Как видите, объемы впечатляют. Даже дающие минимальную дымность типы топлива – это уже около 10 кубометров на каждый сожженный килограмм. Значит, просто из соображений физики и геометрии сечение дымоходного канала должно быть в состоянии постоянно отводить эти немалые объемы наружу.

От этого и «пляшем» при расчёте.

Цены на дымовую трубу

дымовая труба

Объем продуктов сгорания, выделяемых при сжигании твёрдого топлива в течение часа можно определить по следующей формуле (с учетом температурного расширения газов).

Vgч = Vуд × Мтч × (1 + Тд/273))

Vgч — объем продуктов сгорания, образующийся в течение часа.

Vуд — удельный объем образующихся продуктов сгорания для выбранного типа топлива, м³/кг (из таблицы).

Мтч — масса топливной закладки, сгораемой в течение одного часа. Обычно находится отношением полной топливной закладки ко времени ее полного прогорания. Например, в печь загружается разом12 кг дров, и они прогорают за 3 часа. Значит, Мтч = 12 / 3 = 4 кг/час.

Тд — температура газов (℃) на выходе из дымоходной трубы (из таблицы).

273 — константа, для приведения температурных параметров к шкале Кельвина, использующейся в термодинамических расчетах.

Так как единица времени в нашей системе исчисления секунда, то узнать объем, получающийся за секунду, несложно – результат просто делится на 3600:

Vgс = Vgч / 3600

Чтобы узнать площадь сечения канала, который гарантированно пропустит через себя этот объем при определенной скорости движения газов, надо найти их отношение

Sc = Vgс / Fд

Sc — площадь поперечного сечения канала дымохода, м².

Fд — скорость потока газов в дымоходной трубе, м/с

Несколько слов об этой скорости. Для отопительных приборов и сооружений бытового класса обычно стремятся остановиться в диапазоне от 1,5 до 2.5 м/с. При такой, с одной стороны – невысокой скорости не наблюдается значительного сопротивления потоку, не возникает сильных завихрений, тормозящих движение газов. Минимизируются тепловые потери, снижается до нормальных величин температура газов на выходе из трубы. Вместе с тем, скорость в достаточной степени большая для того, чтобы уменьшить образование конденсата и оседание золы на внутренних стенках канала.

Если найдено сечение (а это – минимальная его величина), то по известным геометрическим формулам можно найти или диаметр для трубы круглого сечения, или длину стороны – при квадратном сечении, или подобрать длины сторон при прямоугольном.

Ниже предложен калькулятор, который до предела упростит проведение этих вычислений. В нем необходимо указать тип топлива, примерный расход его расход (точнее, массу и время прогорания полной загрузки) и ожидаемую скорость потока газов в дымоходе. Остальное программа выполнит сама.

Итоговый результат показывается в трех представлениях:

— минимальный диаметр для круглого сечения;

— минимальная длина стороны для квадратного сечения;

— площадь сечения, по которой можно, например, подобрать размеры сторон для прямоугольного сечения.