Kominy stalowe to budowle przemysłowe służące do odprowadzania do wyższych warstw atmosfery spalin lub innych szkodliwych gazów powstałych w procesach produkcyjnych. Projektowanie kominów jest przedmiotem normy [1] i jest wyczerpująco przedstawione w wielu pracach, np: [2] i [3] .

Wprowadzenie

Na rys.1. przedstawiono najczęściej występujące typy kominów wolnostojących: b) jednopowłokowy, c) dwupowłokowy, a) wieloprzewodowy. Głównymi częściami komina są: trzon 13, podstawa 5 oraz głowica. Na rys tym pokazano główne elementy  komina z wyjątkiem wyposażenia (drabin, galerii, urządzeń pomiarowych, itd)

Rys.1. Definicje dotyczące kominów: a) komin wieloprzewodowy, b) jednopowłokowy, c) dwupowłokowy [1]

Rodzaje kominów

Kominy można pogrupować zależnie od następujących parametrów :

• Konstrukcja  (wolnostojący, z odciągami, w wieży),
• Odprowadzane substancje (spalinowe, wentylacyjne, gazy produkcyjne),
• Temperatura odprowadzanych gazów (zimne, cieple , gorące),
• Wysokość (niskie, wysokie),
• Sposób odprowadzania gazów (ciąg naturalny, wymuszony),
• Doprowadzenie gazów (z jednego, z kilku  źródeł),
• Przekrój poprzeczny (kołowy, owalny, prostokątny),
• Kształt komina (cylindryczny, zbieżny, schodkowy),
• Rodzaj zastosowanego metalu (stal zwykłą, stopowa, trudnordzewiejąca, aluminium),
• Ochrona termiczna (bez wykładziny, z wykładziną),
• Ochrona przeciw korozji chemicznej (bez izolacji, z izolacją: wewnątrz, zewnątrz, instalacja skroplin),
• Sposób łączenia segmentów (spawane, śrubowane),
  Uwaga kominy z segmentami łączonym i na śruby też traktuje się jako spawane: Re=0,012,
• Zainstalowane urządzenia (ze stożkiem górnym, z galeriami,reklamami, urządzeniami zapobiegającymi nadmiernym drganiom)

Konstrukcja i typy kominów kominów

Na rys.2 pokazano najważniejsze konstrukcje kominów.

Rys.2 Schematy podstawowych typów kominów stalowych: A1 -wolnostojący, A2 – wolnostojący na budynku, A3 – wolnostojący wieloprzewodowy , A3- wolnostojący wieloprzewodowy ze skratowaniem, A4- wolnostojący wieloprzewodowy (przewody w górnej partii połączone), B2- z odciągami na jednym poziomie , B2- z odciągami w dwóch poziomach, B3-wiloprzewodowy z odciągami, C2- z dodatkowym podparciem słupami ukośnymi, C3- z dodatkowym przymocowaniem do budynku, D1- w oddzielnej konstrukcji kratowej wsporczej, D2- wieloprzewodowy w kratowej konstrukcji wsporczej, D3- wieloprzewodowy w kratowej konstrukcji wsporczej zdodatkowym podparciem. [[4]

Efekt kominowy i ciąg technologiczny instalacji kominowej

Rys.3. Efekt kominowy

Grawitacyjny efekt kominowy (ciąg, cug) jest podstawowym zjawiskiem fizycznym, umożliwiającym działanie komina. Efekt kominowy polega na powstawania spontanicznego przepływu cieplejszego gazu (np.powietrza) z dołu do góry . Efekt kominowy występuje też w szybach wentylacyjnych, szybach wind, szybach kopalnianych i wielu innych miejscach o pionowym układzie.
Siłą napędową efektu kominowego są różnice gęstości wynikające np. z różnicy temperatury pomiędzy powietrzem (lub ściślej: gazem) zewnętrznym, a wewnętrznym (w przewodzie komina). Słup wewnętrznego, ogrzanego powietrza jest lżejszy niż zimnego – zewnętrznego. Wynika z tego, że u podstawy komina w jego wnętrzu ciśnienie jest mniejsze niż na zewnątrz na tej samej wysokości. Ta różnica ciśnień wywołuje przepływ powietrza. Efekt jest tym większy im wyższy komin i większa różnica temperatur. Z tego powodu kominy bywają ocieplane. W przemysłowych kominach o wysokości 100 m, efekt kominowy jest na tyle silny, że u jego szczytu, w ładną, bezwietrzną pogodę, prędkość przepływu powietrza dochodzi do 50-60 km/h[potrzebne źródło]. Energia kinetyczna rozpędzonego w kominie powietrza może zostać wykorzystana do produkcji energii elektrycznej. Kominy zbudowane specjalnie w tym celu są nazywane wieżami słonecznymi. Umieszczone w nich turbiny napędzają prądnice wytwarzające prąd.

Efekt kominowy zilustrowano na rys.3 , gdzie wskazania manometrów pokazują wartości ciśnień na zewnątrz i wewnątrz komina [5] .

W kominach, szybach wentylacyjnych o słabo ocieplonych ściankach może dochodzić do skraplania pary wodnej zawartej w powietrzu, co wywołuje zawilgocenie komina i ściany, oraz spływanie i kapanie wody z instalacji wentylacyjnej. W przypadku gazów z zawartością siarki (np podczas spalania zasiarczonego węgla) może dochodzić do powstawania kwasu siarkowego i w konsekwencji do szybkiej korozji blachy płaszcza. Aby temu zapobiec, kominy z tendencją do wykraplania spalin – są ocieplane.

Jeśli ciąg komina jest za mały wówczas ciąg wymuszamy przez zainstalowany wentylator). Na rys. 4 pokazano ciąg technologiczny komina z włączonym w ciąg wentylatorem i/lub urządzeniem oczyszczającym „cyklonem” 3.

Rys.4 Schemat przykładowego ciagu technologicznego komina: 1- kocio, 2- wymiennik ciepła, 3- wentylator i/lub „cyklon”, 4- czopuch, 5-komin, 6 – wyczystka  [[4]

Rys.5 Schemat komina wg normy branżowej (1976)  [6]

Do standardowego wyposażenia komina należą:

• drabina wejściowa (1 – rys.5),
• pomosty (2 -rys.5),
• urządzenia odgromowe (3– rys.5),
• znaki ostrzegawcze lotnicze,
• urządzenia zapobiegające drganiom (22 – rys.1)
• urządzenia pomiarowo-kontrolne.

Wykonanie kominów

Warunki wykonania kominów podano w załączniku E  [7] .

Kominy powinny być wykonywane zgodnie z  [8] oraz [9] .

Szczeliny pomiędzy kołnierzami podczas scalania nie powinny przekraczać 1,5 mm. Tolerancje płaskości dla kołnierzy wynoszą 0, 5 mm na 100 mm szerokości i 1 mm na obwodzie.

W przypadku kominów z blachami podstawy i kotwami stosuje się niekurczliwą podlew pomiędzy podstawą a fundamentem.

Dopuszczalne poziome odchylenie Δ powłoki od pionu na dowolnym poziomie h [m] ponad podstawą komina wolnostojącego wynosi [7],E.1 :

$$\begin{equation} \Delta = \cfrac {h}{1000} \sqrt {1+ \cfrac {50}{h}}\label{1} \end {equation}$$

Obciążenia kominów

Klasy niezawodności kominów i współczynniki obciążenia

Klasa niezawodności komina zależy od jego przeznaczenia (tab.1)

Tab.1  Zróżnicowane klasy niezawodności kominów [1]

W zależności od klas niezawodności można stosować współczynniki obciążeń wg tab.2

Tab.2  Współczynniki obciążenia kominów [1]

Obciążenie wiatrem

Kominy stalowe to budowle podatne na dynamiczne działanie wiatru i sił sejsmicznych.

Zjawiska wprawiające trzon komina w nadmierne drgania to [7] :

• wzbudzenie wirowe,
• drgania owalizujące,
• drgania kominów w cieniu aerodynamicznym.

Zjawisko drgań parametrycznych (wirowych) oraz zabezpieczenia przeciwwirowe kominów omówiono w artykule Drgania parametryczne kominów.

Standardowe obciążenia komina

Standardowymi obciążeniami kominów są: ciężar własny, obciążenie użytkowe (galerie, drabiny), obciążenie termiczne, obciążenie śniegiem (głównie galerii oraz lin odciągów), a także w szczególnych sytuacjach obciążenia od odkształceń podłoża (szkody górnicze)oraz obciążenie oblodzeniem , jeśli komin jest narażony na oblodzenie. Obciążenie użytkowe pomostów wynosi 2, 0 kN/m²  , a obciążenie poziome barier 0,5 kN/m [1] . Ciężar własny uwzględnia się bez naddatków korozyjnych. Należy brać pod uwagę ryzyko wystąpienia pożaru wewnątrz komina.

Kombinacje obciążeń kominów należy dobierać zgodnie z  [10] oraz  [1] .

Projektowanie w kominów

Kominy należy projektować zgodnie z normą [1] .

Trwałość

Zalecany okres użytkowania kominów wynosi T= 30 lat.

Obliczenia na trwałość są prowadzone poprzez sprawdzenie wytrzymałości zmęczeniowej oraz uwzględnienie efektów korozyjnych.

Naddatek korozyjny jest sumą naddatku zewnętrznego c_ext i wewnętrznego c_int, liczonego na każde 10 lat eksploatacji. Sumaryczny dodatek korozyjny dodaje się do potrzebnej grubości blach ze względu na stateczność i wytrzymałość. Sprawdzenia zmęczeniowe prowadzi się dla stali skorodowanej, chyba że w warunkach nominlanych uzyskuje się bardziej niekorzystne wyniki.

Zewnętrzny dodatek korozyjny stosuje się tylko na górnym odcinku komina do długości 5b, gdzie b jest średnicą komina, o wartościach podanych w tab.2.

Tab.2 Zewnętrzny naddatek na korozję c_ext – tab.4.1. [1]

Wewnętrzny naddatek na korozję c_int przyjmuje się zgodnie z normą [9] .

Sprawdzenie wytrzymałości i stateczności komina

Podczas wymiarowania kominów stalowych należy sprawdzić:

1. naprężenia w przekrojach trzonu w tym osłabionych otworami, oraz stateczność powłoki oraz całego komina
2. połączenia elementów trzonu (segmentów)
3. elementy drabin galerii

Ze względu na spodziewane duże przemieszczenia wierzchołka komina obliczenia statyczne należy prowadzić z uwzględnieniem wpływu przemieszczeń na siły przekrojowe (wg teorii II rzędu). Należy przeprowadzić obliczenia dynamiczne po zamianie obciążeń ((sił) na masy rozłożone lub skupione. Każdy komin należy sprawdzić ze względu na podatność na odrywanie się wirów zgodnie z artykułem Kominy stalowe . Drgania parametryczne. W przypadku wystąpienia możliwości drgań rezonansowych, należy przeprowadzić obliczenia zmęczeniowe.

Należy przy tym uwzględnić wpływy termiczne oraz osłabienie na skutek wystąpienia korozji.

 Literatura

1. PN-EN 1993-3-2+Ap1:2008, Eurokod 3 – Projektowanie konstrukcji stalowych, Część 3-2: Wieże, maszty i kominy. Kominy
2. Fenkanin O., Meller, M. (1994), Kominy stalowe. Wydawnictwo Wyższej Szkoły Inżynierskiej, Koszalin
3. Rykaluk K. (2005). Konstrukcje stalowe: kominy, wieże, maszty. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej), Wrocław
4. Bogucki W. (red.), (1982), Poradnik projektanta konstrukcji metalowych (Wydanie 1., Tom 2), Arkady
5. Wikipedia. (2015), Efekt kominowy, [ https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Efekt_kominowy&oldid=44342090 ]
6. BN-76/2378-01:1976, Instalacje odpylające. Kominy stalowe wolno stojące
7. PN-EN 1991-1-4:2008, Eurokod 1. Oddziaływania na konstrukcje, Część 1-4: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania wiatru
8. PN-EN 1090-2+A1:2012, Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych – Część 2: Wymagania techniczne dotyczące konstrukcji stalowych
9. PN-EN 13084-7+AC:2013, Kominy wolno stojące – Część 7: Wymagania dotyczące cylindrycznych wyrobów stalowych przeznaczonych na jednopowłokowe kominy stalowe oraz stalowe wykładziny
10. PN-EN 1990:2004, Eurokod: Podstawy projektowania konstrukcji

________________________________