Kominy i ich działanie

ZADANIA KOMINÓW
Powszechnie wiadomo, że kominy służą do odprowadzania gazów spalinowych z paleniska na zewnątrz. Obowiązujące przepisy w przedmiocie budowy kominów oraz ich konstrukcji zabezpieczają w zasadzie prawidłowe działanie kominów w zakresie odprowadzania gazów spalinowych przy uwzględnieniu warunków zabezpieczających budynki przed ewentualnymi pożarami. Dodatkowe. nic mniej ważne zadanie kominów, to doprowadzanie do palenisk odpowiedniej ilości powietrza (tlenu) za pomocą działającej we wnętrzach kominów tzw. siły ciśnienia, znanej ogólnie jako siły "ciągu komino-wego". Powyższe zadanie - aczkolwiek nie zawsze doceniane i nic w pełni uwzględnione \\ obowiązujących przepisach - ma zasadniczy wpływ na odbywający się proces spalania i występujące (nie zawsze uzasadnione) wysokie tzw. straty komina. Energią dla wytwarzania siły ciągu kominowego jest ciepło; wynosi ono w idealnych warunkach około 15° o ilości ciepła zawartego w paliwach. Wadliwa budowa kominów (np. większe załamania, nieproporcjonalny przekrój, nadmierne ochłodzenie z zewnątrz itp.) może tę proporcję znacznie zmienić w sposób niekorzystny, co oznacza poważne straty energii cieplnej.

CIĄG KOMINOWY
Ciąg kominowy powstaje wskutek ruchu ogrzanych gazów spalinowych, a uzasadnieniem tego ruchu jest różnica ciężarów ogrzanego (a przez to lżejszego) słupa powietrza w kominie oraz powietrza atmosferycznego (ciśnienie atmosferyczne). Ciąg kominowy nic działa ssąco (aczkolwiek takie określenie znajduje siew podręcznikach), lecz zimne powietrze znajdujące się poza kominem wypiera ku górze (ciśnienie do góry) przez ruszta paleniska lżejszy słup powietrza w kominie albo wywiem ciśnienie na znajdujące się tam gazy, aby doprowadzić do równowagi ciśnień. Im wyższa temperatura wewnętrznego słupa powietrza albo gazów w kominie, im niższa temperatura zewnętrzna, tym silniejszy jest pęd (ciśnienie) ku górze. Jeżeli temperatura wewnętrzna słupa powietrza jest niższa od temperatury zewnętrznej, wtedy wewnętrzny słup powietrza jest cięższy od odpowiedniego słupa zewnętrznego i naciska w dół. Wówczas nic ma ciśnienia (ciągu) w górę, lecz jedynie nacisk w dół. Stąd pochodzi zjawisko, że latem przy wysokiej temperaturze zewnętrznej, początkowe gazy spalinowe nic ulatniają się przez komin na zewnątrz. Dzieje się tak nie dlatego, że "słońce świeci na komin", jak mówi laik; gdyby tak było, to w wypadku np. nakrycia komina "parasolem", powstałoby natychmiast prawidłowe ciśnienie w górę (ciąg) lub to samo musiałoby się stać, gdyby na krótko słońce schowało się za chmury. Że tak nic jest, wic każdy fachowiec z doświadczenia. W takim wypadku można spowodować ciąg jedynie przez ogrzanie (ogień prowokacyjny bezpośrednio w kominie) wewnętrznego słupa powietrza.
W celu przezwyciężenia oporu chłodnego powietrza oraz w celu nadania gazom odpowiedniej szybkości potrzebna jest odpowiednia - w zależności od oporu - siła ciśnienia, czyli ciąg kominowy. Im bardziej surowe są ściany i dłuższa droga, którą muszą przebyć gazy w warunkach utrudnionych, a także im większa jest ilość gazów, tym większy jest opór. Opór powstaje m.in. przez zmiany kierunku, zmiany przckroju (prześwitu), zwężenia itp. Duża część siły ciągu zostaje zużyta, jeżeli na strumień gazów spalinowych uderza inny strumień gazów. Powstają przez to wiry. Aby pokonać szkodliwe wpływy i inne, działające wskutek oporu, niekorzystne zjawiska, prędkość przepływu gazów musi być odpowiednio duża; musi wynosić od 1,6-4,8m na sekundę przy kominach nieprzemysłowych (w gospodarstwach domowych). Jeżeli więc ciąg kominowy jest za słaby, to albo temperatura wewnętrzna komina jest za niska, albo też opór jest za duży. Straty ciepła w kominach są powodowane ponadto przez nieszczelności palenisk i przewodów kominowych oraz nadmierne oziębienie przewodów przebiegających w ścianie zewnętrznej budynku, ścianie świetlikowej lub ścianie klatki schodowej. Szkodliwe działanie prądów powietrza na wylot komina jest spowodowane przez wyżej położone ściany, przyległe do siebie domy różnej wysokości, stojące w pobliżu wieże lub wysokie drzewa, maszty. druty energetyczne, pagórki i góry, teren wznoszący się i opadający itp. Ciśnienie odwrotne może powstać również, gdy silny wiatr wieje na samotnie stojące budynki i tworzy ścianę. Przeciwległe w stosunku do wiatru rozrzedzone powietrze i gazy w kominie zostają wtedy wciągnięte w dół, czyli w kierunku przeciwnym. W takich, sporadycznie na ogół występujących wypadkach należałoby doraźnie spowodować przypływ powietrza dodatkowego z zewnątrz do pomieszczenia, w którym znajduje się palenisko. Można temu zapobiec przez zainstalowanie na kominie odpowiedniej, zapobiegającej takim zjawiskom-nasady kominowej. Niekorzystny ciąg kominowy obserwuje się często w kominach przebiegających przez kilka pięter, a użytkowanych wyłącznie przez piętra górne. Wówczas zimny (ciężki) słup powietrza-znaj dujący się poniżej wlotu łącznika paleniska do komina-może tak poważnie zmniejszyć ciąg, że gazy spalinowe (niezależnie od niekorzystnego procesu spalania) mogą zostać z powrotem wtłoczone do paleniska. Zachodzi to zwłaszcza latem przy wysokiej temperaturze zewnętrznej. Można temu zapobiec przez oddzielenie dolnego słupa powietrza, do najczęściej występujących przyczyn niedostatecznego ciągu kominowego i wadliwego funkcjonowania urządzeń grzewczo-kominowych zaliczamy:

niewystarczającą -w stosunku do obciążenia (podłączeń) - wysokość komina
nadmierne oziębienie komina (przewodu) przebiegającego w ścianie zewnętrznej budynku, ścianie świetlikowej lub ścianie klatki schodowej,
szkodliwe działania prądów powietrza (wiatrów) na wylot komina,
niewłaściwy przekrój komina - za mały w stosunku do ilości odprowadzanych gazów spalinowych lub nadmiernie (rażąco) odbiegający od najkorzystniejszego przekroju, jakim jest przekrój okrągły, a następnie kwadratowy,
nierówno wykonane i zbyt surowe wewnętrzne ściany kominowe,
wystające do wnętrza komina cegły, zwężenia, załamania itd.,
Zasysanie z zewnątrz zimnego powietrza przez komin, w tym przez uszkodzone drzwiczki wycierowe, pęknięcia, zbędne otwory (szczególnie otwory poniżej użytkowanego paleniska), podłączone nie użytkowane paleniska itp.,
uszkodzone ściany działowe przy przewodach zgrupowanych
nasada kominowa zwężająca przekrój wylotu komina,
zawilgocone ściany komina i kanałów dymowych,
nic odpowiadające przekrojom kominów i przekrojom kanałów paleniskowych łączniki dymowe (zbyt duże lub za małe przekroje) oraz zbyt długie poziome łączniki,
niedostateczny lub nadmierny dopływ powietrza do komory spalania paleniska (niedostosowane do danego paliwa ruszta),
uderzanie strumienia gazów spalinowych na inny strumień gazów,
wadliwe konstrukcje palenisk oraz paleniska uszkodzone,
nadmierny osad sadzy w kominie, kanałach połączeniowych lub paleniskowych,
używanie paliwa nic dostosowanego do konstrukcji danego paleniska.

PRĘŻNOŚĆ I CIĘŻAR ORAZ PRAWA GAZÓW
Dla lepszego zrozumienia procesu spalania, zasad działania kominów i obliczania siły ciągu kominowego niezbędne jest zapoznanie się z pewnymi podstawowymi pojęciami z zakresu ciężaru, prężności i praw gazów.
W fizyce wzajemny stosunek ciężarów został określony jako ciężar właściwy, przy czym ciężar wzorcowy przyjęto ciężar litra wody w temperaturze 4°C. Woda w tej temperaturze waży l kg, a zatem ma ciężar właściwy równy l. Ustalono, że ciężary właściwe innych ciał określa się liczbą, która wyraża, ile razy dane ciało jest lżejsze lub cięższe od wody. Wszystkie ciała (ciecze czy gazy) swoim ciężarem wywierają pewien nacisk, pewne ciśnienie na otoczenie. Również powietrze wywiera ciśnienie na kulę ziemską i wszystkie przedmioty na ziemi. Nazywamy JC ciśnieniem atmosferycznym, co oznacza, że otaczające nas powietrze wywiera ciśnienie na ziemię. Ciśnienie powietrza wynosi około l kg na l cm2 powierzchni.
Ciśnienie powietrza mierzymy barometrem i określamy wysokością równoważnego słupa rtęci, mierzonego w milimetrach (mm). Barometr zbudowany jest na zasadzie porównywania ciężarów powietrza i rtęci. Doświadczalnie wyznaczone ciśnienie powietrza wykazuje, że słup wody o przekroju l cm2 i wysokości 10,33 m ciśnie na dno z
siłą 1,033 kg. Jest to ciśnienie atmosferyczne równe 1 atmosferze. W przeliczeniu na 136 razy większy ciężar właściwy rtęci ciśnienie to równa się słupowi rtęci o wysokości 760 mm.
Wszelkie gazy mogą zarówno rozszerzać swoją objętość, jak i ją zmniejszać. Tę możność zmniejszania objętości nazywamy ściśliwością gazów.
Zjawisko to łatwo zaobserwować w pompce rowerowej, w której objętość zawartego powietrza można tłokiem zmniejszać lub zwiększać. Zmniejszając objętość gazu zwiększamy jego ciśnienie.
Tłumaczy się to tym, że cząsteczki powietrza, znajdujące się w ciągłym ruchu, zamiast przebiegać np. 100 razy całą długość pompki, przebiegają 200 razy połowę lub 1000 razy 1/10 długości pompki. Zjawisko uderzania cząsteczek o ściany pompki jest wówczas odpowiednio uwielokrotnione. Tłumaczy ono zwiększenie ciśnienia, zwanego często prężnością gazów. Prężność mierzy się w atmosferach, z tym że w technice przez prężność rozumie się tylko nadwyżkę ciśnienia ponad ciśnienie atmosferyczne. Tylko bowiem to ciśnienie można zużytkować do wytwarzania siły.
We wszystkich przemianach objętości i ciśnienia gazu przy stałej temperaturze iloczyn ciśnienia i objętości gazu ma wartość stałą, jeśli masa gazu nie ulega zmianie.
Przy ogrzewaniu dowolnego gazu pod stałym ciśnieniem ze wzrostem temperatury o 1° objętość gazu zwiększa się o 1/273 części tej objętości, jaką gaz miał w temperaturze 0°C. Natomiast przyogrzaniu dowolnego gazu w stałej objętości, ze wzrostem temperatury o l ° ciśnienie gazu zwiększa się o 1/273 części tego ciśnienia, jakie gaz miał w temperaturze 0°C.
Wszystkie wyżej wymienione prawa zakładają stałość jednej danej, to jest stałość temperatury, stałość ciśnienia lub stałość objętości. Prawa te są słuszne dla przeciętnych temperatur i ciśnień. Duże odstępstwa od nich obserwuje się przy bardzo niskich temperaturach i dużych ciśnieniach. Prawa te jednak dla celów praktycznych są zupełnie wystarczające. Nadmienić również należy, że w temperaturze °C. wskutek ustania ruchu cząsteczek, gaz nic wywiera żadnego ciśnienia. Temperatura najniższa jest teoretycznie osiągalna i nosi miano zera bezwzględnego. Temperatura w skali Kelvina (termodynamiczna skala temperatury, zaprojektowana w roku 1848 przez lorda Kclvina) została przyjęta za zero. Skalę tę stosuje się w nauce. Stopnic w skali Kelvina oznacza się literą K. Na podstawie porównania obu tych skal ustalono następujące zależności:

T-(t+273)°K
t=(T-273)°C

gdzie:
T-temperatura w skali Kclvina t - temperatura w skali Celsjusza Na skali Kelvina nie ma stopni ujemnych, a temperatura zamrażania wody według tej skali wynosi w przybliżeniu 273°K, co odpowiada temperaturze 0°C. Temperatura wrzenia wody według skali K wynosi w przybliżeniu 373°K - odpowiednik 100°C. Mówiąc o gazach warto jeszcze pamiętać o następujących stwierdzeniach:

przy stałym ciśnieniu objętość gazu jest wprost proporcjonalna do temperatury bezwzględnej
masa właściwa gazu jest wprost proporcjonalna do ciśnienia i odwrotnie proporcjonalna do temperatury bezwzględnej.

WYDAJNOŚĆ KOMINA
Z dotychczasowych rozważań wynika, że przekrój przewodu kominowego nic ma wpływu na ciąg. Przekrój kominowy ma jednak znaczenie dla jego wydajności, tj. zdolności przepustowej określonej objętością gazów spalinowych. Technika cieplna wymaga przekroju komina dostosowanego do wielkości i ilości palenisk do niego podłączonych. Stara zasada, wynikająca z doświadczeń i praktyki, mówi, że:

komin o wysokości:

do 16 m wysokości powinien mieć przekrój równy 1/3 całkowitej powierzchni rusztów = R/3
16-25 m wysokości powinien mieć przekrój równy 1/4 całkowitej powierzchni rusztów = R/4
25-36 m wysokości powinien mieć przekrój równy 1/5 całkowitej powierzchni rusztów = R/5
ponad 36 m wysokości powinien mieć przekrój równy 1/6 całkowitej powierzchni rusztów = R/6

Ponadto przyjmuje się, że przekrój komina powinien wynosić średnio:

1/4 całkowitej powierzchni rusztów przy węglu kamiennym
1/5 całkowitej powierzchni rusztów przy koksie
1/6 całkowitej powierzchni rusztów przy węglu brunatnym.

Przy obliczaniu przekroju komina należy brać pod uwagę fakt, że różne paliwa wydzielają różne ilości gazów spalinowych i że muszą zostać wyrzucone odpowiednio większe lub mniejsze ilości gazów spalinowych.
Im większa szybkość ciągu w kominie, tym większa ilość gazów spalinowych zostanie w ciągu godziny wyrzucona i tym mniejszy może być przekrój komina, czyli im słabszy ciąg, tym większy przekrój i przeciwnie: im silniejszy (szybszy) ciąg, tym mniejszy przekrój.
Przykład:
Dane, o których jeszcze mowa poniżej, pozwalają stwierdzić, że wymagany przekrój komina zależny jest od szybkości gazów z jaką zostają one wyrzucone. Jeżeli przykładowo l kg węgla kamiennego zostanie spalony przy użyciu 3-3 1/2-krotnie większej ilości powietrza (stanowi to około 35 m3 powietrza), co nie jest rzadkim zjawiskiem w paleniskach domowych, powstaje 36m3 gazów spalinowych. Przyjmując czas spalania l kg węgla w ciągu godziny, ilość gazów pozostających do wyrzucenia wyniesie 36m', a więc:
w l godzmic-36 m3 = 36 000 dcm3 = 36 000 000 cm3 w l minucie - 0,6 m3 = 600 dcm3 = 600 000 cm3 w l sekundzie - 0.01 m3 =10dcm3 = 10 000 cm3 (powyższe odpowiada rurze o śrcdnicy około 12 cm).
Przeznaczone do wyrzucenia l O 000 cm3 gazów spalinowych zajmuje w tej rurze wysokość 100 cm = Im. W tym wypadku szybkość gazów musiałaby wynosić l m na sekundę. Gdyby w tym wypadku przekrój był mniejszy, np. tylko 5X5 = 25 cm2, to szybkość gazów musiałaby być około 4 razy większa. aby w jednej sekundzie wyrzucić l O 000 cm3 gazów. Wynika więc z powyższego, że wymagany przekrój równa się ilości gazów spalinowych podzielonej przez szybkość (siłę) ciągu.

(wycinek tematyki szkoleniowo-egzaminacyjnej czeladników i mistrzów kominiarskich)
Źródło: Kominiarz Polski 1/96