Расчет дымовой трубы

Для обогрева частных домов в холодное время года, чаще всего применяются, либо обычные кирпичные печи и камины, либо бытовые отопительные котлы на твердом, жидком или газообразном топливе. Непременным условием для нормальной работы таких отопительных приборов, является свободное поступление достаточного количества свежего воздуха в зону горения пламени, и быстрый отвод в атмосферу отработанных продуктов сгорания топлива. Чтобы обеспечить соблюдение этих условий, перед монтажом печного дымохода, очень важно выполнить грамотный расчет дымовой трубы при естественной тяге, поскольку от этого будет зависеть не только эффективность работы отопительных приборов, но и безопасность жильцов частного дома.
Большинство отопительно-варочных печей и котлов автономного отопления не оборудованы системой принудительного поддува свежего воздуха и удаления отработанных дымовых газов, поэтому процесс сгорания топлива в них, напрямую зависит от наличия естественной тяги в трубе дымохода.
Теоретически, методика расчета дымовой трубы довольно проста. Чтобы читателю стало понятно, откуда берется естественная тяга, далее я постараюсь вкратце объяснить физику тепловых и газодинамических процессов, которые происходят в печи во время горения топлива.
Печной дымоход всегда устанавливается вертикально (за исключением отдельных горизонтальных или наклонных участков). Его канал начинается в верхней части свода топки, и заканчивается на улице, на некотором возвышении над крышей дома;
Раскаленные дымовые газы в зоне горения топлива имеют очень высокую температуру (до 1000° C), поэтому, согласно законам физики, быстро устремляются вверх;
Подымаясь вверх по дымоходной трубе со скоростью около двух метров в секунду, дымовые газы создают в печи область пониженного давления;
За счет естественного разрежения в топке, обеспечивается приток свежего воздуха через поддувало и колосниковую решетку в зону горения пламени;

Таким образом, несложно понять, что для образования хорошей естественной тяги необходимо соблюдение сразу несколько условий:
Дымовая труба должна быть расположена строго вертикально. Кроме того, ода должна иметь достаточную высоту и максимально прямолинейную конфигурацию, без лишних изгибов и поворотов под углом более 45°.
Внутреннее сечение дымового канала должно быть рассчитано таким образом, чтобы он позволял беспрепятственно пропускать в атмосферу весь объем дымовых газов, которые образуются в процессе сгорания топлива;
Чтобы не создавать значительное аэродинамическое сопротивление движению дыма, внутренние стенки трубы должны иметь максимально ровную и гладкую поверхность с минимальным количеством переходов и стыков;
По мере продвижения по трубе, дымовые газы постепенно остывают, что приводит к увеличению их плотности, и склонности к образованию конденсата. Чтобы этого не происходило, труба дымохода должна иметь хорошую теплоизоляцию.
Обратите внимание!

Существенное положительное влияние на силу естественной тяги оказывает ветер на улице. Это объясняется тем, что непрерывный поток воздуха, направленный перпендикулярно оси дымохода, создает в нем пониженное давление. Поэтому в ветреную погоду всегда наблюдается хорошая тяга в печи.

Момент 1. Выбор материала и конструкции дымохода

В нормативно-технической строительной документации не оговариваются какие-либо жесткие требования по обустройству печных дымоходов, поэтому каждый владелец жилья изготавливает дымовую трубу на свое усмотрение. В то же время, я должен сказать, что все виды дымоходов отличаются между собой не только по конструктивным и внешним признакам, но также и по теплотехническим, весовым и газодинамическим характеристикам.
Дымовая труба из кирпичной кладки характеризуется высокой прочностью и долговечностью, хорошо выдерживает длительное воздействие высоких температур, однако плохо противостоит воздействию агрессивного дымового конденсата. Благодаря массивным кирпичным стенкам, она отличается высокой теплоемкостью и удовлетворительными теплоизоляционными свойствами. Что касается вопроса конденсации водяных паров и газодинамики кирпичного дымохода, то здесь не все так хорошо.
Массивная кирпичная труба имеет значительный вес, поэтому для ее установки необходим собственный фундамент, который в свою очередь, также требует отдельных расчетов;

Прямоугольная или квадратная форма поперечного сечения дымовых каналов, в сочетании с неровными и шероховатыми внутренними стенками, создают значительное сопротивление движению дымовых газов, поэтому сечение таких дымоходов следует подбирать с небольшим запасом;
Отсутствие дополнительной теплоизоляции может привести к образованию конденсата внутри дымохода, поэтому ее стенки должны иметь достаточную толщину для того, чтобы температура дымовых газов внутри не опускалась ниже точки выпадения росы.

Асбоцементные и керамические трубы продаются в готовом виде, и легко монтируются своими руками, поэтому их нередко применяют в строительстве частных домов для подключения газовых или твердотопливных котлов. Многих хозяев жилья привлекает их не очень невысокая цена, однако я хочу напомнить, что при монтаже дымохода из асбоцементных труб, нужно принимать во внимание следующие моменты:
Асбоцементные трубы обладают высокой теплопроводностью и плохо сохраняют тепло дымовых газов, за счет чего внутри может образовываться конденсат, который быстро приведет к разрушению стенок;
Чтобы этого не произошло, при монтаже асбоцементного дымохода важно правильно подобрать теплоизоляционный материал, и рассчитать его толщину таким образом, чтобы температура дымовых газов на выходе не опускалась ниже 110° C;
При температурах выше 350° C, асбоцемент может растрескиваться и разрушаться, поэтому между входным патрубком дымохода и выходным патрубком котла, я советую установить дистанционную проставку из утепленной металлической трубы;
Ее длину следует рассчитать таким образом, чтобы температура дымовых газов на входе в асбоцементную трубу не превышала 300-350° C;
Асбоцементная труба, сама по себе обладает достаточной жесткостью. Несмотря на это, для лучшей теплоизоляции и защиты от механических повреждений, я рекомендую устанавливать такой дымоход внутри защитной рубашки из кирпичной кладки толщиной в полкирпича.

Металлические сэндвич трубы из нержавеющей стали, на мой взгляд, являются наиболее удачным вариантом домашнего дымохода, который одинаково хорошо подходит, как для массивной кирпичной плиты, так и для современного компактного отопительного котла. Они набираются из отдельных секций, поэтому позволяют своими руками изготовить наружный или внутренний дымоход практически любой конфигурации.
Внутренняя гильза из жаростойкой нержавеющей стали имеет идеально гладкую поверхность и круглую форму поперечного сечения, поэтому создает минимальное аэродинамическое сопротивление потоку дымовых газов. По этой причине, внутренний диаметр дымового канала должен соответствовать минимальному значению расчетных характеристик;

Утепленная металлическая сэндвич труба обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, и не нуждается в дополнительном утеплении, поэтому теплотехнические расчеты, в данном случае, проводить не обязательно;
При установке и сборке дымохода, каждую секцию нужно монтировать с таким расчетом, чтобы она крепилась к внутренней стене или фасаду здания как минимум в двух точках. При этом расстояние между монтажными кронштейнами должно составлять не более 1200 мм.
Сборные утепленные керамические дымоходы обладают похожими характеристиками, и также могут использоваться практически без ограничений, в сочетании с любыми типами печей, каминов или бытовых отопительных котлов.
Они проектируются и производятся в заводских условиях, с соблюдением всех необходимых теплотехнических расчетов и требований правил противопожарной безопасности;
Это дает возможность монтировать их в том виде, в котором они есть, не задумываясь о собственных дополнительных расчетах;
Несмотря на это я хочу напомнить, что такой бутерброд из керамзитобетонных блоков, минераловатного утеплителя и вставки из керамической трубы, в сборе может иметь большой вес, поэтому для него также необходимо рассчитывать и изготавливать отдельный фундамент.

С недавнего времени на рынке строительных материалов начал появляться относительно новый вид полимерных дымоходов, более известный под торговым названием «Furan Flex». Он представляет собой гибкий армированный рукав, который устанавливается в существующий дымовой канал, а затем заполняется горячим паром под высоким давлением. Под действием давления и высокой температуры рукав распрямляется и полимеризуется, в результате чего полностью заполняет просвет дымового канала, и укрепляет изнутри стенки трубы.
Монтаж такой полимерной вставки требует использования специального оборудования и строгого соблюдения технологических режимов, поэтому может быть выполнен исключительно квалифицированными специалистами;
Исходя из этого, в данном случае я не рекомендую забивать себе голову сложными формулами, и доверить выполнение всех расчетов инженерам подрядной организации, которая будет выполнять монтаж.

Асбоцементная труба имеет шероховатую внутреннюю поверхность, которая способствует быстрому налипанию сажи и копоти. Со временем, нарастающий слой сажи уменьшает площадь внутреннего сечения и увеличивает аэродинамическое сопротивление дымового канала, поэтому я не рекомендую использовать такие трубы для печей и котлов на твердом и жидком топливе.

Момент 2. Расчет внутреннего диаметра дымовой трубы для твердотопливных печей и каминов

Чтобы выполнить правильный расчет тяги дымовой трубы, нужно, прежде всего, определить необходимую площадь внутреннего поперечного сечения. В данном разделе я расскажу, как это делается, на примере расчета сечения дымохода для отопительных печей и каминов на твердом топливе.

Прежде всего, нужно определить, какой объем дымовых газов будет вырабатываться при сжигании определенного вида топлива в печи за один час. Такой расчет выполняется по следующей формуле:
V газ = В * V топл * (1 + Т / 273) / 3600, где

V газ – объем дымового газа, который будет проходить по трубе за один час (м?/час);
B – максимальная масса топлива, которая сгорает в течении одного часа в топке (кг);
V топл – коэффициент объема дымовых газов, которые выделяются при сгорании определенного вида топлива (м?/кг).
Эта величина определяется по специальным таблицам, и ее значение составляет: для сухих дров и кускового торфа – 10 м?/кг, для брикетированного бурого угля – 12 м?/кг, а для каменного угля и антрацита – 17 м?/кг;
Т – температура дымовых газов на выходе из трубы (°C). При нормально утепленном дымоходе ее значение может составлять от 110 до 160°C.
Различные способы регулирования температуры газодымовой смеси.
Различные способы регулирования температуры газодымовой смеси.

Имея полученное значение суммарного объема газа, проходящего по трубе за единицу времени, несложно будет рассчитать необходимую площадь поперечного сечения канала дымохода. Она определяется как отношение полученного объема к скорости движения дымовых газов, и рассчитывается по следующей формуле:
S дым = V газ / W, где

S дым – площадь поперечного сечения дымового канала (м2);
V газ – объем дымовых газов за единицу времени, который мы получили в предыдущей формуле (м3/час);
W – приведенная скорость восходящего движения газодымового потока внутри трубы (м/с). Здесь я должен сказать, что это величина условно-постоянная, и ее значение составляет 2 м/с.
Для того чтобы понимать, какой диаметр трубы нам понадобится для изготовления дымохода, исходя их полученного значения площади круга, нужно определить его диаметр. Для этого применяется следующая формула:
D = v 4 * S дым / ?, где

D – внутренний диаметр круглой дымоходной трубы (м);
S дым – площадь внутреннего сечения дымохода, полученная в предыдущих расчетах (м?)

Чтобы читателю было понятно, я предлагаю рассмотреть простой пример расчета дымовой трубы для банной печи-каменки, если известно, что во время протапливания, в ней за час сгорает 8 кг сухих дров, а температура дымовых газов на выходе составляет 140 °C.

По первой приведенной формуле определяем максимальный объем дыма, который может выделиться за один час горения 8 кг сухих дров: V газ = 8 * 10 * (1 + 140 / 273) / 3600 = 0,033 м?/час;
По второй формуле нужно вычислить необходимую площадь сечения дымового канала: S дым = 0,034 / 2 = 0,017 м?;
Последняя формула позволяет определить нужный диаметр трубы, исходя из известной площади ее поперечного сечения: D = v 4 * 0,017 / 3,14 = 0,147 м;
Таким образом, мы определили, что для данной печи в баню понадобится дымовая труба с внутренним диаметром не менее 150 мм.
Если во время расчетов у вас получается не целое число, то я советую округлять его до целого значения в большую сторону, однако такие округления допускается проводить в разумных пределах, потому что в данном случае, очень большой диаметр — это не значит очень хорошо.

Момент 3. Расчет трубы дымохода для бытовых котлов

Зная паспортную тепловую мощность вашего газового котла, диаметр дымохода несложно подобрать, в соответствии с заранее рассчитанными параметрами.
Для небольших отопительных котлов с максимальной тепловой мощностью не более 3,5 кВт, достаточно будет трубы с внутренним диаметром 140-150 мм;
Для бытового котельного оборудование средней мощности (от 3,5 до 5 кВт), потребуются дымовые трубы диаметром от 140 до 200 мм;
Если мощность отопительного котла составляет от 5 до 10 кВт, то для него нужно будет использовать трубы диаметром от 200 до 300 мм.
Если газовый котел оборудован встроенной турбиной для создания принудительной тяги, то диаметр выхлопной трубы может быть намного меньше приведенных выше значений. В таком случае, рекомендуемый размер трубы должен быть указан в техническом паспорте изделия.

Момент 4. Определение высоты трубы и места расположения на крыше

Сила естественной тяги во многом зависит от перепада высот между уровнем колосниковой решетки топливника в нижней части печи, и ветрозащитным дефлектором или устьем дымового канала в верхней части печной трубы.
Для того чтобы разогретые дымовые газы максимально эффективно расходовали свою энергию на создание естественной тяги, очень важно выполнить правильный расчет высоты дымовой трубы относительно колосниковой решетки, и относительно конька кровли.
На жилых домах с эксплуатируемой плоской кровлей, устье дымовой трубы должно быть расположено, не менее чем на 500 мм выше, чем максимальная высота бокового парапета или ограждения крыши;
На домах с двухскатной или вальмовой наклонной крышей, устье дымохода должно быть расположено не ниже чем 500 мм от уровня конька кровли;
Если на наклонной крыше дымоход расположен на одном из скатов, на расстоянии не дальше чем 1500 мм от конька кровли, то он также должен возвышаться на 500 мм над уровнем конька;
В том случае, если это расстояние составляет от 1500 до 3000 мм, ветрозащитный дефлектор дымаря может быть расположен на уровне конька кровли;
На пологих наклонных крышах с маленьким углом наклона скатов, дымоход может располагаться на расстоянии более 3000 мм от конька. В таком случае, его оптимальная высота рассчитывается в соответствии с представленной схемой на рисунке ниже.
Неправильный выбор высоты трубы или расположения ее относительно конька крыши, при неблагоприятном направлении ветра может служить причиной образования обратной тяги. Такое явление очень опасно, поскольку оно может привести к выбросу горящих угольков и ядовитого угарного газа из поддувала или топливника в жилое помещение.

Заключение
Подводя итог, я хочу отметить, что при выборе материалов, размеров и конфигурации дымоходной трубы, прежде всего, следует исходить из максимальной тепловой мощности отопительного прибора. При этом также нужно учитывать свои финансовые возможности, и то, на какие виды топлива рассчитана ваша печь или отопительный котел.
Более подробно обо всех описанных видах дымоходов можно узнать из приложенного видео в этой статье, а если у вас возникнут какие либо вопросы или замечания, я предлагаю их обс