В котлах, как и других отопительных установках, используется не все тепло, которое выделяется при сгорании топлива. Довольно большая часть тепла уходит вместе с продуктами горения в атмосферу, часть теряется через корпус котла и небольшая часть теряется из-за химического или механического недожога. Под механическим недожогом понимаются потери тепла из-за провала или уноса зольных элементов с несгоревшими частицами.
Тепловой баланс котла — это распределение тепла, которое выделяется при сжигании топлива, на полезное тепло, используемое по назначению, и на потери тепла, которые происходят при работе теплового оборудования.
Схема основных источников теплопотерь.
В качестве эталонной величины прихода тепла принимают ту величину, которая могла выделиться при низшей теплоте сгорания всего топлива.
Если в котле используется твердое или жидкое топливо, то тепловой баланс составляют в килоджоулях относительно каждого килограмма израсходованного топлива, а при использовании газа — относительно каждого кубического метра. И в том, и в другом случае тепловой баланс может быть выражен в процентном отношении.
Уравнение теплового баланса
Уравнение теплового баланса котла при сжигании газа можно выразить следующей формулой:
Параметры оптимальной нагрузки обеспечивают высокую производительность отопительной системы.
- QT=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6;
- где QT — общее количество термического тепла, которое поступило в топку котла;
- Q1 — полезное тепло, которое используется для нагрева теплоносителя или получения пара;
- Q2 — потери тепла, которое уходит вместе с продуктами горения в атмосферу;
- Q3 — потери тепла, связанные с неполным химическим сгоранием;
- Q4 — потери тепла из-за механического недожога;
- Q5 — потери тепла через стенки котла и труб;
- Q6 — потери тепла из-за удаления золы и шлака из топки.
Как видно из уравнения теплового баланса, при сжигании газообразного или жидкого топлива отсутствуют величины Q4 и Q6, которые характерны только для твердого топлива.
Если же тепловой баланс выразить в процентах от общей теплоты (QT=100%), то данное уравнение принимает вид:
- 100=q1+q2+q3+q4+q5+q6.
Если разделить каждый член уравнения теплового баланса из левой и правой части на QT и умножить его на 100, то получится тепловой баланс в процентах от общего поступившего количества тепла:
- q1=Q1*100/QT;
- q2=Q2*100/QT и так далее.
Если в котле использовано жидкое или газообразное топливо, то потери q4 и q6 отсутствуют, уравнение теплового баланса котла в процентах принимает вид:
- 100=q1+q2+q3+q5.
Следует рассмотреть каждый вид тепла и уравнения подробнее.
Тепло, которое было использовано по назначению (q1)
Схема принципа работы стационарного теплогенератора.
Теплом, которое используется для прямого назначения, считается то, которое тратится на нагрев теплоносителя, либо получение пара с заданным давлением и температурой, которая считается от температуры поступившей в экономайзер котла воды. Наличие экономайзера значительно увеличивает величину полезного тепла, так как позволяет в большей степени использовать тепло, которое содержится в продуктах горения.
При работе котла увеличивается упругость и давление пара внутри него. От этого процесса зависит и температура кипения воды. Если в обычных условиях температура кипения воды равна 100°С, то при повышении давления пара этот показатель увеличивается. При этом пар, который находится в одном котле вместе с кипящей водой, называют насыщенным, а температура кипения воды при данном давлении насыщенного пара называется температурой насыщения.
Если же в паре отсутствуют капельки воды, то он называется сухим насыщенным паром. Массовая доля сухого насыщенного пара во влажном паре составляет степень сухости пара, выраженную в процентах. В паровых котлах влажность пара колеблется от 0 до 0,1%. Если же влажность превышает данные показатели, котел работает не в оптимальном режиме.
Полезное тепло, которое расходуется на нагрев 1 л воды от нулевой температуры до температуры кипения при постоянном давлении, называется энтальпией жидкости. Тепло, расходуемое на перевод 1 л кипящей жидкости в парообразное состояние, называется скрытой теплотой парообразования. Сумма этих двух показателей составляет общее теплосодержание насыщенного пара.
Потери тепла с продуктами горения, уходящими в атмосферу (q2)
Данный тип потерь в процентном отношении показывает разность энтальпии уходящих газов и холодного воздуха, поступающего в котел. Формулы определения этих потерь отличаются при использовании разных типов топливных веществ.
Сжигание мазута приводит к потерям тепла из-за химического недожога.
При использовании твердого топлива потери q2 составляют:
- q2=(Iг-αг*Iв)(100-q4)/QT;
- где Iг — энтальпия уходящих в атмосферу газов (кДж/кг), αг — коэффициент избытка воздуха, Iв — энтальпия воздуха, необходимого для горения, при температуре его поступления в котел (кДж/кг).
Показатель q4 вводится в формулу потому, что должно учитываться тепло, выделяемое при физическом сжигании 1 кг топлива, а не для 1 кг топлива, поступившего в топку.
При использовании газообразного или жидкого топлива эта же формула имеет вид:
- q2=(( Iг-αг*Iв)/QT)*100%.
Потери тепла с уходящими газами зависят от состояния самого отопительного котла и режима работы. К примеру, при ручной загрузке топлива в топку потери тепла этого типа значительно увеличиваются из-за периодического притока свежего воздуха.
Потери тепловой энергии с уходящими в атмосферу дымовыми газами увеличиваются при увеличении их температуры и количества расходуемого воздуха. К примеру, температура уходящих в атмосферу газов при отсутствии экономайзера и воздухоподогревателя составляет 250-350°С, а при их присутствии — всего 120-160°С, что в несколько раз повышает величину полезно используемого тепла.
Схема обвязки котла.
С другой стороны, недостаточная температура уходящих продуктов горения может привести к образованию конденсата водяных паров на поверхностях нагрева, что также влияет на образование ледяных наростов на дымовых трубах в зимнее время.
Количество расходуемого воздуха зависит от типа горелки и режима работы. Если оно увеличено по сравнению с оптимальным значением, то это приводит к высокому содержанию воздуха в уходящих газах, который дополнительно уносит часть тепла. Это неизбежный процесс, который нельзя прекратить, но можно довести до минимальных значений. В современных реалиях коэффициент расхода воздуха не должен превышать 1,08 для горелок с полной инжекцией, 0,6 — для горелок с неполной инжекцией воздуха, 1,1 — для горелок с принудительной подачей и смешением воздуха и 1,15 — для диффузионных горелок с внешним смешением. К увеличению потерь тепла с уходящим воздухом приводит наличие дополнительных подсосов воздуха в топке и трубах котла. Поддержание расхода воздуха на оптимальном уровне позволяет снизить величину q2 до минимума.
Чтобы минимизировать значение q2, необходимо своевременно чистить внешнюю и внутреннюю поверхность котла, следить за отсутствием накипи, которая снижает передачу тепла от сжигаемого топлива к теплоносителю, соблюдать требования к воде, используемой в котле, следить за отсутствием повреждений в котле и соединениях труб, чтобы не допустить притока воздуха. Использование дополнительных электрических поверхностей нагрева в газовом тракте расходует электроэнергию. Однако экономия от оптимального расхода топлива будет гораздо выше стоимости потребляемой электроэнергии.
Потери тепла от химического недожога топлива (q3)
Данный вид схемы обеспечивает защиту системы отопления от перегрева.
Главным показателем неполного химического сгорания топлива является наличие в отработанных газах окиси углерода (при использовании твердого топлива) или окиси углерода и метана (при сжигании газообразного топлива). Потери тепла от химического недожога равны тому теплу, которое могло бы выделиться при сжигании этих остатков.
Неполное сгорание топлива зависит от недостатка воздуха, плохого смесеобразования топлива с воздухом, снижения температуры внутри котла или при соприкосновении пламени горящего топлива со стенками котла. Однако излишнее повышение количества поступающего кислорода не только не гарантирует полное сжигание топлива, но может нарушить работу котла.
Оптимальное содержание окиси углерода на выходе из топки при температуре 1400°С должно составлять не более 0,05% (в пересчете на сухие газы). При таких значения теплопотери от недожога составят от 3 до 7% в зависимости от топлива. Недостаток кислорода может довести это значение до 25%.
Но необходимо добиваться таких условий, чтобы химический недожог топлива отсутствовал. Необходимо обеспечивать оптимальное поступление воздуха в топку, поддерживать постоянную температуру внутри котла, добиться тщательного перемешивания топливной смеси с воздухом. Наиболее экономичная работа котла достигается при содержании углекислого газа в продуктах горения, уходящих в атмосферу, на уровне 13-15% в зависимости от вида топлива. При избытке поступления воздуха содержание двуокиси углерода в уходящем дыме может снизиться на 3-5%, однако потери тепла при этом увеличатся. При нормальной работе отопительного оборудования потери q3 равняются 0-0,5% для пылеугольных и 1% для слоевых топок.
Потери тепла от физического недожога (q4)
Данный вид потерь происходит из-за того, что несгоревшие частицы топлива проваливаются через колосники в зольник или уносятся вместе с продуктами горения через трубу в атмосферу. Потеря тепла от физического недожога напрямую зависит от конструкции котла, расположения и формы колосников, силы тяги, состояния топлива и его спекаемости.
Наиболее значительны потери от механического недожога при слоевом сжигании твердого топлива и излишне сильной тяге. В таком случае большое количество мелких несгоревших частиц уносится вместе с дымом. Особенно хорошо это проявляется при использовании неоднородного топлива, когда в нем чередуются мелкие и крупные куски топлива. Горение каждого слоя получается неоднородным, так как мелкие куски сгорают быстрее и уносятся с дымом. В образовавшиеся промежутки поступает воздух, который охлаждает большие куски топлива. Они при этом покрываются шлаковой коркой и не выгорают полностью.
Потери тепла при механическом недожоге составляют обычно около 1% для пылеугольных топок и до 7,5% для слоевых топок.
Потери тепла непосредственно через стенки котла (q5)
Данный вид потерь зависит от формы и конструкции котла, толщины и качества обмуровки как котла, так и дымоотводных труб, наличия теплоизолирующего экрана. Кроме того, большое влияние на потери оказывает конструкция самой топки, а также наличие дополнительных поверхностей нагрева и электрических нагревателей в дымовом тракте. Эти потери тепла увеличиваются при наличии сквозняков в помещении, где стоит отопительное оборудование, а также от количества и длительности открытия топки и лючков системы. Снижение количества потерь зависит от правильной обмуровки котла и наличия экономайзера. Благоприятно на снижении потерь тепла сказывается теплоизоляция труб, по которым отработанные газы выводятся в атмосферу.
Потери тепла из-за удаления золы и шлака (q6)
Данный тип потерь характерен только для твердого топлива в кусковом и пылевидном состоянии. При его недожоге частицы неостывшего топлива проваливаются в зольник, откуда удаляются, унося с собой часть тепла. Эти потери зависят от зольности топлива и системы шлакоудаления.
Тепловой баланс котла — это величина, которая показывает оптимальность и экономичность работы вашего котла. По величине теплового баланса можно определиться с мерами, которые помогут экономить сжигаемое топливо и увеличить эффективность отопительного оборудования.
