自然通風と煙突
ドラフトは、ボイラーシステム内の一点から別の点へ空気またはガスが流れる圧力差を指します。ボイラーシステムでは主に二つの理由でドラフトが必要です。
完全燃焼に十分な空気を供給するため。
燃焼と熱交換後にシステムから排ガスを取り除くため。
ボイラーシステムには二種類のドラフトがあります。
自然ドラフト
強制ドラフト
この記事では自然ドラフトについて詳しく説明します。自然ドラフトはランニングコストがかからないため好まれますが、初期コストが大きいです。自然ドラフトは、ボイラーシステムを通じて空気が自然に循環することを可能にします。自然ドラフトは主に煙突の高さに依存します。
ボイラーシステムに必要な自然ドラフトのために必要な煙突の高さを計算しようとします。そのためには、二つの基本的なガス圧方程式を理解する必要があります。方程式は以下の通りです
ここで、「P」は空気またはガスの圧力、「ρ」は空気またはガスの密度、「g」は重力定数、「h」は頭部の高さです。
ここで「V」は空気またはガスの体積、「m」はガスまたは空気の質量、「T」はケルビン単位で測定された温度、「R」はガス定数です。
方程式（2）は以下のように書き直すことができます
炉内での燃焼過程では、主に炭素が空気中の酸素（O2）と反応して二酸化炭素（CO2）を形成します。固体炭素の体積は反応に必要な空気の体積と比較すると無視できるほど小さいため、燃焼前後の温度が同じと仮定すれば、燃焼に必要な空気の体積は燃焼後に生成される排ガスの体積と厳密に等しいと考えることができます。しかし、これは実際のケースではありません。燃焼室に入ってきた空気は燃焼温度によって追加の体積を得ます。得られた空気の体積は燃焼後に生成される排ガスの体積と等価になります。
ここで、ρoは0oCまたは273Kにおける空気の密度であり、これをToとします。
ここでは、Pは0oCまたは273Kにおける空気の圧力であり、つまりToKにおける圧力です。
圧力Pを一定に保つと、空気またはガスの密度と温度の関係は以下のようになります。
ここで、ρaとρgはそれぞれ温度TaとTgKにおける空気の密度です。
方程式（1）と（5）から、煙突の外側の点「a」での圧力を以下のように書くことができます。
温度Tgにおける空気の体積は
1kgの炭素を燃やすためにm kgの空気が必要であると仮定すると、排ガスの密度は
方程式（1）と（8）から、煙突内の排ガスの圧力は
方程式（6）と（9）から、煙突の内外の圧力差は
ここで、「h」はドラフトΔPのために建設する煙突の最小高さです。この圧力差により、排ガスは煙突を上昇します。したがって、この圧力差を計算することで、煙突の高さを簡単に計算することができます。この圧力差は、自然ドラフトのための煙突の高さを計算するための公式として表現することができます。
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