流體力學告訴你,工廠的煙囪為什么這么高

我出生在東北的一個小鎮,長在奶奶的院子里,小院里有葡萄、櫻桃和阿黃。逢年過節,迎來送往,常聚在那個火熱的小炕。我記得有時候燒炕燒得滿屋子的煙,姨夫當過兵,就會一個健步飛到房上,去修房頂的煙囪。

家鄉的電廠也有高高的煙囪,小時的我只當這些是個出氣口,并不懂它為什么要做那么高,高出房頂,甚至聳入云霄,以為是讓煙塵離人遠點兒。后來,學了熱能工程,對鍋爐,對煙囪有了更深刻的認識,了解了著名的“煙囪效應”。

流體力學告訴你,工廠的煙囪為什么這么高的圖1

煙囪底部接著燒火的爐子,下面的空氣被加熱后溫度升高,密度變小,向上飄,煙囪底部形成了一定的真空度,周圍新鮮的空氣被吸入,增加了燃燒所需要的氧氣,進而促進燃燒。煙囪進出口的壓力差,是用這個公式算的。煙囪越高,壓差就越大,吸力就越強,不僅能讓煙氣排出得更快,還能讓爐子里的火燒得更旺。

流體力學告訴你,工廠的煙囪為什么這么高的圖2

為了更直觀地看到煙氣在煙囪中流動的現象,用AICFD做了個仿真,建了直徑30厘米,高度分別為1米和2米的2個煙囪模型,底部給了相同熱源,計算后,1米高的煙囪出口的空氣流速是4.3m/s。高度增加到2米之后,流速也增大到了5.8m/s,更高的煙囪產生更強吸力的效果還是很明顯的。

流體力學告訴你,工廠的煙囪為什么這么高的圖3

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有了理論和仿真,手殘up的實驗也少不了,咱們就來真實體驗一下這個煙囪效應。驅車100公里,買來了兩節直徑26厘米的亞克力管子,一根0.8米,一根1.2米,來模擬煙囪。

熱源哪里來呢?記得上期的大彈弓嗎?邊角余料砍成了細柴,又有了發光發熱的機會。找了幾塊磚頭,搭個小爐子。在沒有煙囪的情況下,火平穩的燃燒。

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然后,加上0.8米的煙囪,大家看,火焰高度明顯增加,煙氣直沖管口。

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再然后,把另一根接上,煙囪加高到2米,這火焰又升高了好多,效果非常明顯。

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今天我這個手殘UP的實驗做得七七八八,也算努力讓大家看到了點效果,其實除了家鄉屋頂的煙囪和電廠的煙囪,在我們生活中的應用“煙囪效應”的場景還有很多。比如煙囪的近親,火電廠那些又胖又圓又高的冷卻塔,作用就是利用煙囪效應,讓里面的空氣流速增大,更好地給熱水降溫。

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另外,煙囪效應還有更高大上的應用:發電。澳大利亞有公司計劃建一個一公里長的煙囪,底部裝有跨度五千米的巨型集熱器,很像一個大棚。太陽輻射加熱后,大棚內熱空氣沿著煙囪上升,在煙囪內裝有渦輪,上升的氣流就推動渦輪做功發電了,發電功率可達200MW。類似的項目還有很多,西班牙以及中國的西安,都有人嘗試,但基本都在概念試驗階段。

煙囪效應,除了以上這些正向的應用,其實還有危險所在。在高樓里面,有垂直上下長長的空間就類似煙囪。比如電梯井、樓梯間。這種結構平常可以增強樓里的通風,但是在火災情況下,卻起到了助燃效果。低樓層起火時,火勢會在煙囪效應下快速蔓延,非常危險。

因此,高層建筑一般都會在電纜井、管道井這些地方,設置一些樓板作為隔檔,減弱煙囪效應的危害。

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本期關于煙囪效應就講到這里啦,大家如果還想了解生活中哪些關于傳熱、流體等自然現象,歡迎給我留言,希望與你們一起探索大自然更多的奧秘。我們下期見!拜拜

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