자연배기와 굴뚝

드래프트는 보일러 시스템 내에서 한 지점에서 다른 지점으로 공기 또는 가스의 흐름을 일으키는 압력 차이입니다. 드래프트는 보일러 시스템에서 주로 두 가지 이유로 필요합니다.

1. 연소를 완료하기 위한 충분한 공기를 공급하기 위해.

2. 연소 후 및 열 교환 후 시스템에서 연기를 제거하기 위해.

보일러 시스템에 적용되는 드래프트는 두 가지 유형이 있습니다.

1. 자연 드래프트

2. 강제 드래프트

이 글에서는 자연 드래프트에 대해 논의하겠습니다. 자연 드래프트는 초기 비용이 크지만 운영 비용이 필요하지 않기 때문에 항상 선호됩니다. 자연 드래프트는 보일러 시스템을 통해 공기의 자연 순환을 허용합니다. 자연 드래프트는 주로 굴뚝의 높이에 크게 의존합니다.

우리는 보일러 시스템에 필요한 자연 드래프트를 위해 필요한 굴뚝의 높이를 계산하려고 합니다. 이를 위해서는 기체 압력의 두 기본 방정식을 살펴봐야 합니다. 방정식은 다음과 같습니다.

여기서 "P"는 공기 또는 가스의 압력, "ρ"는 공기 또는 가스의 밀도, "g"는 중력 상수, "h"는 고도입니다.

여기서 "V"는 공기 또는 가스의 부피, "m"은 가스 또는 공기의 질량, "T"는 켈빈 척도로 측정된 온도, "R"은 기체 상수입니다.
방정식 (2)는 다음과 같이 다시 작성할 수 있습니다.

화로에서의 연소 과정에서 주로 탄소가 공기의 산소(O2)와 반응하여 이산화탄소(CO2)를 형성합니다. 반응에 필요한 공기에 비해 고체 탄소의 부피는 무시할 만큼 작습니다. 따라서 우리는 연소 전후의 온도가 동일하다고 가정하면, 연소에 필요한 공기의 부피는 연소 후 생성되는 배기 가스의 부피와 정확히 같다고 간주할 수 있습니다. 그러나 이것이 실제 사례는 아닙니다. 연소 실로 들어오는 공기는 연소 온도로 인해 연소 후 추가 부피를 얻게 됩니다. 공기가 얻은 부피는 연소 후 생성되는 배기 가스의 부피와 동등할 것입니다.

가정해봅시다, ρo는 0oC 또는 273 K에서의 공기의 밀도이며, To라고 하겠습니다.
여기서 P는 0oC 또는 273 K, 즉 To K에서의 공기의 압력입니다.
압력 P를 일정하게 유지하면, 공기 또는 기체의 밀도와 온도 사이의 관계는 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

여기서, ρa와 ρg는 각각 Ta와 Tg K에서의 공기의 밀도입니다.

방정식 (1)과 (5)로부터, 굴뚝 외부의 점 "a"에서의 압력은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

온도 Tg에서의 공기의 부피는 다음과 같습니다.

1 kg의 탄소를 연소시키는데 m kg의 공기가 필요하다고 가정하면, 배기 가스의 밀도는 다음과 같습니다.

굴뚝 내부의 배기 가스의 압력은 방정식 (1)과 (8)로부터 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

굴뚝 내외부의 압력 차이는 방정식 (6)과 (9)로부터 다음과 같습니다.

여기서, "h"는 드래프트 ΔP를 위해 건설해야 하는 최소 굴뚝 높이입니다. 배기 가스는 이 압력 차이로 인해 굴뚝을 통해 위로 흐르게 됩니다. 따라서 이 압력 차이를 계산함으로써 굴뚝의 대략적인 높이를 쉽게 계산할 수 있습니다. 압력 차이는 자연 드래프트를 위한 굴뚝 높이를 계산하는 공식으로 표현할 수 있습니다.

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