Spinta naturale e camino
La spinta è la differenza di pressione che causa un flusso d'aria o gas da un punto all'altro nel sistema della caldaia. La spinta è richiesta in un sistema di caldaia principalmente per due motivi.
Fornire aria sufficiente per completare la combustione.
Rimuovere i gas di scarico dal sistema dopo la combustione e lo scambio termico.
Ci sono due tipi di spinta applicati al sistema della caldaia.
La spinta naturale
La spinta forzata
In questo articolo discuteremo della spinta naturale. La spinta naturale è sempre preferita poiché non richiede costi di esercizio, anche se ha un costo iniziale elevato. La spinta naturale permette la circolazione naturale dell'aria attraverso il sistema della caldaia. La spinta naturale dipende principalmente dall'altezza del camino.
Cerchiamo di calcolare l'altezza necessaria del camino per ottenere una spinta naturale richiesta per un sistema di caldaia. Per farlo, dobbiamo passare attraverso due equazioni di base della pressione gassosa. Le equazioni sono
Dove, "P" è la pressione dell'aria o del gas, "ρ" è la densità dell'aria o del gas, "g" è la costante gravitazionale, e "h" è l'altezza della testa.
Qui "V" è il volume dell'aria o del gas, "m" è la massa del gas o dell'aria, "T" è la temperatura misurata in scala kelvin e "R" è la costante dei gas.
L'equazione (2) può essere riscritta come
Durante il processo di combustione nella fornace, principalmente il carbonio reagisce con l'ossigeno (O2) dell'aria e forma anidride carbonica (CO2). Il volume del carbonio solido rispetto all'aria richiesta per la reazione è trascurabile. A causa di ciò, possiamo considerare che il volume di aria richiesto per la combustione sia esattamente uguale al volume dei gas di scarico creati dopo la combustione, se assumiamo che le temperature prima e dopo la combustione siano uguali. Ma questo non è il caso effettivo. L'aria che entra nella camera di combustione guadagnerà un volume extra dopo la combustione a causa della temperatura di combustione. Il volume guadagnato dell'aria sarà equivalente al volume dei gas di scarico creati dopo la combustione.
Supponiamo che ρo sia la densità dell'aria a 0°C o 273 K, e diciamo che è To
Qui, P è la pressione dell'aria a 0°C o 273 K, cioè a To K.
Se manteniamo la pressione P costante, la relazione tra la densità e la temperatura dell'aria o dei gas può essere scritta come,
Dove, ρa e ρg è la densità dell'aria a temperatura Ta e Tg K rispettivamente.
Dalle equazioni (1) e (5) possiamo scrivere l'espressione della pressione al punto "a" esterno al camino, come
Il volume dell'aria alla temperatura Tg sarebbe
Supponiamo che m kg di aria siano necessari per bruciare 1 kg di carbonio, allora la densità del gas di scarico sarebbe
La pressione del gas di scarico all'interno del camino dalle equazioni (1) e (8), sarebbe
La differenza di pressione tra l'esterno e l'interno del camino dalle equazioni (6) e (9) sarebbe
Qui, "h" è l'altezza minima del camino da costruire per la spinta ΔP. Il gas di scarico fluisce verso l'alto attraverso il camino a causa di questa differenza di pressione. Quindi, calcolando questa differenza di pressione, si può facilmente calcolare l'altezza approssimativa del camino da costruire. La differenza di pressione può essere rappresentata come una formula per calcolare l'altezza del camino per una spinta naturale.
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