Для понимания процесса образования конденсата в дымоходах печей важно разобраться с понятием точки росы. Точка росы — температура при которой водяные пары, содержащиеся в воздухе, конденсируются в воду.
При каждой температуре в воздухе может быть растворено не более определенного количества водяного пара. Это количесво называется плотностю насыщенного пара для данной температуры и выражается в килограммах в метре кубическом пространства.
На рис. 1 изображен график зависимости плотности насыщенного пара от температуры. Справа отмечены парциальные давления, соответствующие этим значениям. За основу взяты данные этой таблицы. На рис. 2 изображен начальный участок того же графика.
.png)
Рис. 1.
Давление насыщенного водяного пара.
.png)
Рис. 2.
Давление насыщенного водяного пара, интервал температур 10 — 120*С
Поясним как пользоваться графиком на простом примере. Возьмем кастрюлю с водой и накроем крышкой. Через какое-то время под крышкой установиться равновесие между водой и насыщенным водяным паром. Пусть температура кастюли будет равна 40*С, тогда плотность пара под крышкой составит около 50 г/м3. Парциальное давление водяных паров под крышкой согласно таблице (и графику) составит 0,07 атм, остальные 0,93 атм составит давление воздуха. (1 бар = 0,98692 атм). Начнем медленно нагревать кастрюлю, и при 60*С плотность насыщенного пара под крышкой составит уже 0,13 кг/м3, а его парциальное давление — 0,2 атм. При 100*С парциальное давление насыщенного пара под крышкой достигнет одной атмосферы (т. е. внешнего давления), а это означает, что воздуха под крышкой уже не будет. Вода начнет кипеть, а пар уходить из-под крышки. При этом плотность насыщенного пара под крышкой составит 0,59 кг/м3. Теперь закроем крышку герметично (т.е. превратим ее в автоклав) и вставим в нее предохранительный клапан, к примеру, на 16 атм, а саму кастрюлю продолжим нагревать. Кипение воды прекратится, а давление и плотность пара под крышкой будут расти, и при достижении 200*С давление достигнет 16 атм (см. график). При этом вода вновь закипит, а пар будет выходить из-под клапана. Теперь плотность пара под крышкой составит 8 кг/м3.
В случае рассмотрения выпадения конденсата из дымовых газов (ДГ) представляет интерес только часть графика до давления 1 атм, т. к. печь сообщается с атмосферой и давление в ней равно атмосферному с точностью до нескольких Па. Очевидно также, что точка росы ДГ ниже 100*С.
Содержание водяных паров в дымовых газах
Для определения точки росы дымовых газов (т.е. температуры, при которой из ДГ выпадает конденсат) необходимо знать плотность водяного пара в ДГ, которая зависит от состава топлива, его влажности, коэффициента избытка воздуха и темперературы. Плотность пара равняется массе водяного пара, содержащегося в 1 м3 дымовых газов при данной температуре.
Формулы для объема ДГ были выведены в этой работе, раздел 6.1, формулы П1.3 — П1.8. После преобразований получим выражение для плотности пара в дымовых газах в зваисимости от влажности древесины, коэффициента избытка воздуха и температуры. Влажность исходного воздуха вносит небольшую поправку, и в этом выражении не учитывается.
У формулы простой физический смысл. Если домножить числитель большой дроби на 1/(1+w), то получим массу воды в ДГ, в кг на кг древесины. А если домножить знаменатель на 1/(1+w), то получим удельный объем ДГ в нм3/кг. Множитель с температурами служит для перевода нормальных кубических метров в реальные при температуре Т. После подставления чисел получим выражение:
Теперь можно определить точку росы дымовых газов графическим методом. Наложим график плотности пара в ДГ на график плотности насыщенного водяного пара. Пересечение графиков будет соответствовать точке росы ДГ при соответствующей влажности и избытке воздуха. На рис. 3 и 4 представлен результат.
Рис. 3.
Точка росы дымовых газов при избытке воздуха единица и различной влажности древесины.
Из рис. 3 следует, что при самом неблагоприятном случае, при горении древесины с влажностью 100% (половина массы образцы составляет вода) без избытка воздуха конденсация водяного пара начнется примерно при 70*С.
При типичных для периодических печей условиях (влажность древесины 25% и избыток воздуха около двух) конденсация начнется при охлаждении дымовых газов до 46*С. (см. рис. 4)
Рис. 4.
Точка росы дымовых газов при влажности древесины 25% и различных избытках воздуха.
Из рис. 4 также хорошо видно, что избыток воздуха значительно понижает температуру выпадения конденсата. Подмешивание избыточного воздуха в дымоход — один из способов устранения конденсата в трубах.
Поправка на непостоянство состава топлива
Все вышеприведенные рассуждения справедливы в случае, если состав топлива остается неизменным по времени, например в толивнике сжигается газ или подаются непрерывно пеллеты. В случае горения закладки дров в печи периодического действия состав дымовых газов меняется со временем. Сначала выгорают летучие и испаряется влага, а затем сгорает угольный остаток. Очевидно, что в начальный период содержание водяных паров в ДГ будет значительно выше чем рассчитанное, а на этапе горения угольного остатка — ниже. Попробуем примерно оценить температуру точки росы в начальный период. Пусть летучие выгорают из закладки в первую треть процесса протопки, также и вся влага, содержащаяся в закладке испаряется за это время. Тогда концентрация водяных паров в первой трети процесса будет в три раза выше средней. При 25% влажности древесины и 2х-кратном избытке воздуха плотность пара составит 0,075 * 3 = 0,225 кг/м3. (см РИС, синий график). Температура конденсации при этом будет 70-75*С. Это примерная оценка, т. к. неизвестно, как же в реальности изменяется состав ДГ по мере прогорания закладки. Кроме того, из дымовых газов вместе с водой конденсируются недогоревшие летучие, что, видимо, несколько повысит точку росы ДГ.
Конденсат в дымоходах
Дымовые газы, поднимаясь по печной трубе постепенно охлаждаются. При охлаждении ниже точки росы на стенках дымохода начинает выпадать конденсат. Скорость охлаждения ДГ в дымоходе зависит от проходного сечения трубы (площади ее внетренней певерхности), материала трубы и ее засаженности, а так же интенсивности горения. Чем выше скорость горения, тем больше поток дымовых газов, а это означает, что при прочих равных условиях охлаждаться газы будут медленнее.
Образование конденсата в дымоходах печей или печи-камина периодического действия носит циклический характер. В начальный момент, пока труба еще не прогрета, на ее стенках выпадает конденсат, а по мере прогрева трубы конденсат испаряется. Если вода из конденсата успевает испариться полностью, то постепенно пропитывает кирпичную кладку дымохода, и на наружных стенках появляются черные смолистые отложения. Если это происходит на наружном участке дымохода (на улице или в холодном чердачном помещении), то постоянное увлажнение кладки зимой приведет к разрушению печного кирпича.
Падение температуры в дымоходе зависит от его конструкции и величины потока ДГ (интенсивности горения топлива). В кирпичных дымоходах падение Т может достигать 25*С на метр погонный. Этим обосновывается требование иметь температуру ДГ на выходе из печи («на вьюшке») 200-250*С, с той целью, чтобы на оголовке трубы она составила 100-120*С, что заведомо выше точки росы. Падение температуры в утепленных дымоходах типа сендвич составляет всего несколько градусов на метр, и температура на выходе из печи может быть снижена.
Конденсат, образуясь на стенках кирпичного дымохода впитывается в кладку (в силу пористости кирпича), а затем испаряется. В дымоходах из нержавеющей стали (сендвич) даже небольшое количество конденсата, образовавшегося в начальный период сразу начинает стекать вниз, Поэтому, для избежания затекания конденсата в утеплитель дымохода, внутренние трубы собираются таким образом, чтобы верхняя труба вставлялась в нижнюю, т.е. «по конденсату».
Зная скорость горения дров в печи и сечение дымохода можно оценить снижение температуры в дымоходе в расчете на погонный метр по формуле:
где
Коэффициент теплопоглощения стенок дымохода условно взят 1500 ккал/м2час, т.к. для последнего газохода печи в литературе приводится значение 2300 ккал/м2час. Расчет носит ориентировочный характер и призван показать общие закономерности. На рис. 5 представлен график зависимости падения температуры в дымоходах сечением 13 х 26 см (пятерик) и 13 х 13 см (четверик) в зависимости от скорости горения дров в топливнике печи.
Рис. 5.
Падение температуры в кирпичной дымовой трубе в расчете на погонный метр в зависимости от скорости горения дров в печи (потока отходящих газов). Коэффициент избытка воздуха принят равным двум.
Цифрами в начале и в конце графиков указана скорость ДГ в дымоходе, расчитанная исходя из потока ДГ, приведенного к 150*С, и сечения дымохода. Как видно, для рекомендованых ГОСТ 2127-47 скоростей поряка 2 м/с падение температуры ДГ составляет 20-25*С. Также понятно, что применение дымоходов с сечением больше необходимого может привести к сильному охлаждению ДГ и, как следствие, выпадению конденсата.
Как следует из рис. 5, уменьшение часового расхода дров приводит к уменьшению потока отходящих газов, и, как следствие, к значительному падению температуры в дымоходе. Иными словами — температура отходящих газов, например, в 150*С для кирпичной печи периодического действия, где дрова активно горят и для печи медленного горения (тлеющего) совсем не одно и то же. Как-то пришлось наблюдать такую картину, рис. 6.
Рис. 6.
Конденсат в кирпичном дымоходе от печи длительного горения.
Здесь печь тлеющего горения была подключена к кирпичной трубе сечением в кирпич. Скорость горения в такой печи очень мала — одна закладка может гореть 5-6 часов, т.е. скорость горения составит порядка 2 кг/час. Само-собой, газы в трубе охладились ниже точки росы и в дымоходе начал образовываться конденсат, который пропитал трубу насквозь, и при топке печи каплями стекал на пол. Таким образом, печи длительного горения можно подключать только к утепленным дымоходам типа «сендвич».