15. 烟道阻力损失及烟囱计算
烟囱是工业炉自然排烟的设施，在烟囱根部造成的负压——抽力是能够吸引并排烟的动力。在上一讲中讲到的喷射器是靠喷射气体的喷射来造成抽力的，而烟囱是靠烟气在大气中的浮力造成抽力的，其抽力的大小主要与烟气温度和烟囱的高度有关。
为了顺利排出烟气，烟囱的抽力必须是足够克服烟气在烟道内流动过程中产生的阻力损失，因此在烟囱计算时首先要确定烟气总的阻力损失的大小。
15. 1 烟气的阻力损失
烟气在烟道内的流动过程中造成的阻力损失有以下几个方面：摩擦阻力损失、局部阻力损失，此外，还有烟气由上向下流动时需要克服的烟气本身的浮力――几何压头，流动速度由小变大时所消耗的速度头——动压头等。
15. 1. 1 摩擦阻力损失
摩擦阻力损失包括烟气与烟道壁及烟气本身的粘性产生的阻力损失，计算公式如下：
h m =λ
L
h t (mmH2O) d
2w 0
h 4=γ0(1+βt ) (mmH2O)
2g
式中：λ—摩擦系数，砌砖烟道λ=0.05 L —计算段长度，（m ） d —水力学直径
d =
4F
(m ) u
其中 F—通道断面积（㎡）；
u —通道断面周长（m ）；
h t —烟气温度t 时的速度头（即动压头）(mmH2O) ；
w 0—标准状态下烟气的平均流速（Nm/s）；
γ0—标准状态下烟气的重度（㎏/NM）；
3
β—体积膨胀系数，等于
15. 1. 2 局部阻力损失
1
； 273
t —烟气的实际温度（℃）
局部阻力损失是由于通道断面有显著变化或改变方向，使气流脱离通道壁形成涡流而引
起的能量损失，计算公式如下：
2w 0
h =Kh t =K γ0(1+βt ) (㎜H 2O)
2g
式中 K—局部阻力系数，可查表。 15. 1. 3 几何压头的变化
烟气经过竖烟道时就会产生几何压头的变化，下降烟道增加烟气的流动阻力，烟气要克服几何压头，此时几何压头的变化取正值，上升烟道与此相反，几何压头的变化取负值。几何压头的计算公式如下：
h j =H (γk -γy ) （㎜H 2O ）
式中 H—烟气上升或下降的垂直距离（m ） γk —大气（即空气）的实际重度 (kg/m)
3
γy —烟气的实际重度(kg/m3)
图15.1 为大气中每米竖烟道的几何压头，曲线是按热空气算出的，烟气重度与空气重度差别不大时，可由图15.1查取几何压头值。
图15.1 每米高度引起几何压头变化的数值
15. 2 烟道计算 15. 2. 1 烟气量
烟气在进入烟道时过剩空气量较燃烧时略大，而且在烟道内流动过程中由于不断地吸入空气而烟气量在不断地变化，尤其在换热器、烟道闸板和人孔等处严密性较差，空气过剩量都有所提高，在烟囱根处空气过剩量变得最大。因此，在计算烟道时，在正常烟气量的基础上根据烟道严密性的好坏应做适当的调整，以使计算烟气量符合实际烟气量。空气吸入量大约可以按炉内烟气量的10～30％计算，炉子附近取下限，烟囱附近取上限。
15. 2. 2 烟气温度
烟气温度指烟气出炉时的实际温度，而不是炉尾热电偶的测定值，应是用抽气热电偶测出的烟气本身的温度。烟气温度与炉型及炉底强度有关。连续加热炉的烟气温度比较稳定，均热炉和其他热处理炉等周期性的间歇式工作的炉子不单烟气量随着加热工艺变化，而且烟气温度也有较大的变化，因此，烟道计算时应采用典型工艺段的烟气出炉温度。
烟气在烟道内的流动过程中由于空气的吸入和散热、吸热现象的发生，使烟气温度不断发生变化，因此烟道计算中采用每算阶段的实际温度，一般采用计算算段的平均烟气温度。
一般情况下，烟道内烟气温降可参照图15.2 选用。
图15.2 每米烟道烟气温降
1-地下烟道，无冷风吸入口 2-地上烟道，带绝热层，无冷风吸入口 3-地上烟道，不带绝热层，无冷风吸入口 4-用于四台井式炉、四台台车式热处理炉的地下烟道，烟道全长约40米，分布有三个不太严密的检查口，烟囱底部带有喷射排烟装置时的实测烟气温降。
15. 2. 3 烟气流速与烟道断面
烟道内烟气流速可参考下列数据采用：
烟道烟气流速
表15.1
烟道为砌砖烟道时，根据采用的烟气流速计算烟道断面积，然后按砌砖尺寸选取相近的标准烟道断面，再以此断面为基础计算出该计算段的烟气流速。
15. 2. 4 烟道计算
【例题】混合煤气发热量Q=2000Kcal/Nm, 煤气消耗量B=7200Nm/h。当α=1.1时，查
3
3
燃料燃烧图表得烟气量为2.87Nm / Nm煤气，烟气重度=1.28 Kg/ Nm。排烟系统如图15.3
图15.3 排烟系统图
当α=1.1时，出炉烟气量为V=7200×2.87=20660 Nm/h=5.75 Nm/S.计算分四个计算
3
3
333
段进行。
第Ⅰ计算段：炉尾下降烟道，烟道长2.5m ，竖烟道入口烟气温度为900℃。采用烟气流
'=2. 5m /s 时，速w 1烟道断面f '1=
此
时
烟
气
速
度
5. 752
=0. 77m 2，选用1044×696断面，f 1=0. 727m ，
3⨯2. 5
5. 75w 1==2. 64m /s ；当量直径
3⨯0. 727
d 1=
4F 4⨯0. 727
==0. 835m ； u 2(1. 04+0. 696)
时 , 第Ⅰ计算段内烟气平均温度
烟道温降∆t 1=5℃/m
t 1=900-0. 5(5⨯2. 5) =894℃，末端温度t ''1=900-5⨯2. 5=888℃；
w 12t 12. 642894度头h t 1=γ0(1+) =⨯1. 28(1+) =1. 94mmH 2O
2g 27319. 6273
（1）动压头增量∆h t ： 炉尾烟气温度为
900℃，流速为
1.2m/s
时，动压头
1. 22⎛900⎫
h t =⨯1. 28 1+⎪⎪=0. 40mmH 2O
19. 6273⎝⎭
动压头增量∆h t =h t 1-h t =1. 94-0. 40=1. 54mmH 2O
（2）几何压头h ji :
h ji =H (γk -γy )
γy =γ0⨯
11
=1. 28=0. 3kg /m 3
8941+βt 1+273
h ji =2. 5(1. 293-0. 3) =2. 48㎜H 2O
也可以查图15.1计算 （3）局部阻力损失h ji ：
由炉尾进入三个下降烟道，查表得局部阻力系数K=2.3,
h j =k ∙h t 1=2. 3⨯1. 94=4. 46mmH 2O
(4)摩擦阻力损失h m 1：
h m 1=λ
L 12. 5
∙h t 1=0. 05⨯⨯1. 94=0. 29mmH 2O d 10. 835
第Ⅰ计算段阻力损失为：
h I =1. 54+2. 48+4. 46+0. 29=8. 77mmH 2O
第Ⅱ计算段：换热器前的水平烟道，烟道长9m 。
烟道断面为1392×1716，其面积F 2=2.18㎡，当量直径查表得d 2=1.55m 温降∆t 2=4℃/m
时平均温度t 2=888-0. 5(4⨯9) =870℃末端温度
2. 642870
h t 2=⨯1. 28(1+) =1. 91mmH 2O ；此计算段动压头t ''2=852℃。
19. 6273
（1）动压头增量∆h t :
∆h t 2=h t 2-h t 1=1. 91-1. 94=-0. 03mmH 2O （2）局部阻力损失h
j 2:
K 1=1.5, K2=1.1, K=K1+K2=1.5+1.1=2.6
h j 2=K ⋅h t 2=2. 6⨯1. 91=4. 97mmH 2O （3）摩擦阻力损失h m 2:
h m 2=λ⋅
L 9
⋅h t 2=0. 05⨯⨯1. 91=0. 61mmH 2O d 1. 4
第Ⅱ计算段阻力损失为：
h ∏=-0. 03+4. 97+0. 61=5. 55mmH 2O
第Ⅲ计算段：换热器部分
在上一讲换热器的计算中己表述过换热器部分烟气的阻力损失计算，另外还用图15.4的方法进行计算。要注意的是，由于换热器安装时烟道封闭不严，吸入部分冷空气，因此，计算此段烟气量时，应考虑增加的过剩空气量。
在本例题计算中设定换热器内烟气阻力损失h Ⅲ=8㎜H 2O 。
图15.4 烟气通过管群的阻力计算图表
第Ⅳ计算段：换热器出口至烟囱入口，烟道长11m, 设有烟道闸板。
烟道断面为1392×1716，面积F 3=2.18m, 当量直径d 4=1.55m,温降∆t=2.5℃/m；烟气经换
热器后温度降为500℃，考虑换热器与闸板处吸风，α由1.1增为1.4，
即烟气量增加至24700Nm /h(6.85Nm/s),此时烟气温度可由下式计算：t =
3
3
2
V 1t 1c 1+V 2t 2c 2
V 1c 1+V 2c 2
式中V 1\t 1\c 1――计算段开始烟气量、温度和比热；
V 2\t 2\c 2――吸入空气量、温度和比热
还可以从煤气燃烧计算图查取烟气温度。500℃的烟气由α=1. 1增至α
=1. 4后其温度
降为440℃，因此，此计算段烟气平均温度t 4=440-0. 5(2. 5⨯11) =426℃，末端温度
''=413℃, 烟气流速w 4=t 4
0. 85
=3. 14m /s ，此计算段烟气速度头2. 18
3. 142426h t 4=⨯1. 28(1+) =1. 65mmH 2O
19. 6273
(1)动压头增量∆h t 4：
∆h t 4=1. 65-1. 91=-0. 26mmH 2O
(2)局部阻力损失h j 4:
K =K 1+K 2=1. 1+1. 45=2. 55
h j 4=K ∙h t 4=2. 55⨯1. 65=4. 21mmH 2O
(3)摩擦阻力损失h m 4：
第IV 计算段阻力损失为：
h m 4=λ⋅
L 11
⋅h t 4=0. 05⨯⨯1. 65=0. 58mmH 2O d 1. 55
h IV =-0. 26+4. 21+0. 58=4. 53mmH 2O
烟道总阻力系数为：
∑h =h I +hⅡ+hⅢ+hⅣ=8.77+5.55+8.00+4.53=26.85㎜H 2O
总阻力损失是计算烟囱的主要依据，因此，要采取合理的措施，尽量减小烟道阻力损失。
15. 3 烟囱计算 15. 3. 1计算公式 H=
K ⋅∑h +(h 1-h 2) 烟囱有效抽力+烟囱内速度头增量=
B 每米高几何压头-烟囱每米摩擦损失
h ji -h 760d
式中H —烟囱高度（m ）
K—抽力系数，计算烟囱高度时必须考虑富余抽力，对于计算高度低于40米的烟囱，按计算阻力增大20～30％，估计高度大于40米的烟囱按计算阻力增大15～20％；
∑h —烟道总阻力损失（㎜H 2O ）
h 1、h 2—分别为烟囱顶部和底部烟气速度头（㎜H 2O ）, 烟囱出口速度一般取2.5～4.0Nm/s；
h —烟囱内烟气平均速度头，按平均速度和平均温度求得（㎜H 2O ）； ； h ji ---烟囱每米高度的几何压头（㎜H 2O ）
h m --烟囱每米高度的摩擦损失，h m =
λ
d
h (mmH 2O ) ；
λ--烟囱摩擦系数， 可取0.05；
d —烟囱平均直径 d=0.5（d 1+d2）(m)
d 1、d 2分别为烟囱顶部和底部直径 15. 3. 1. 2 计算例题
在烟道计算例题中烟道总阻力损失∑h=26.85㎜H 2O, 烟囱底部温度t=413℃/m,烟囱底
33333
部α=1.6，此时烟气量为3.84Nm /m×7200m =27500N/m=7.62Nm/s，烟囱温降∆t =1℃/m，
, 烟气重度v 0=1. 28kg /Nm 3. 夏季平均温度t 0=30℃，当地大气压B =760mmhg
假设烟囱高度为45m 时烟囱顶部温度t 1=t 2-(45⨯1) =368℃，烟囱内烟气平均温度
t =0. 5(t 1+t 2) =391℃；
采
用
烟
囱
出
口
速
度
w 1=3Nm /s
时烟囱顶部直径
d 0=1. V 7. 62
=1. =1. 8m ，底部直径d 2=1. 5d 1=1. 5⨯1. 8=2. 7m ，烟囱平均直w 13
1. 27V 1. 27⨯7. 62
==1. 33Nm /s ，22
d 22. 7
径d =0. 5(1. 8+2. 7) =2. 25m ，烟囱底部烟气速度w 2=
烟气平均速度w =0. 5(w 1+w 2) =0. 5(3+1. 33) =2. 17Nm /s ；
w 129368
烟囱顶部烟气速度头h 1=γ0(1+βt 1) =⨯1. 28⨯(1+) =1. 37mmH 2O ，烟
2g 19. 6273
2
w 21. 332413
囱底部烟气速度头h 2=γ0(1+βt 2) =⨯1. 28(1+) =0. 29mmH 2O ，烟囱内速
2g 19. 6273
H ，烟气平均速度头度头增量∆h =h 1-h 2=1. 37-0. 29=1. 08m m 2O
w 22. 172391h =γ0(1+βt ) =⨯1. 28⨯(1+) =0. 75mmH 2O ；
2g 19. 6273
抽力系数采用K=1.15时, 有效抽力h y =K ⋅∑h =1. 15⨯26. 85=30. 87mmH 2O ； 烟囱每米摩擦损失h m =
λ
d
h =
0. 05
⨯0. 75=0. 017mmH 2O ； 2. 25
烟囱每米几何压头查图15.1得 h ji =0. 63mmH 2O 计算烟囱高度
H =
h y +(h 1-h 2) h ji
760d
-
=
h
30. 87+1. 08
=52. 12m , 取H =52m
7600. 050. 63-⨯0. 75
7602. 25
烟囱计算
表15.2
15. 3. 2. 1 烟囱高度计算图表
用图表查取烟囱高度免取了烟囱计算的烦琐，较为简便，图15.5就是其中一例。 确定烟囱的有效抽力后，根据烟囱底部的温度就可查取烟囱高度。利用图15.5查取烟囱高度时计算数据应符合计算图的条件，若与计算图的条件不相符，则对查取的高度进行修正，计算图的计算条件如下：
1. 烟囱出口速度w 1=4Nm /s ； 2. 大气温度t 0=30℃； 3. 大气压B=750mmHg ；
4. 烟气重度V 0=1. 32kg /Nm 3 。
当烟囱出口速度或大气压与计算图的条件不相符合时查表15.2及表15.3进行补正。
速度修正系数η1
气压修正系数η2
表15.4
15. 3. 2. 2计算举例
烟囱出口速度w 1=3. 5Nm /s ，有效抽力h y =11. 38mmH 2O ，烟囱底部烟气温度
t 2=380℃，当地大气压B =700mmHg ，求烟囱高度。
查图15.5，H=26.5m，
烟囱出口速度得w 1=3. 5Nm /s 时，查表15.3得η1=0.95；
大气压B=700mmHg时，查表15.4得：η2=1.1 则H=26.5×0.925×1.1=27m,取H=30m。
11