Тепловой баланс котла

Тепловой баланс котла — это следующее из закона сохранения энергии равенство количества располагаемой теплоты топлива, поступающего в котёл, сумме полезно используемой в нём теплоты и тепловых потерь (см. Определения). Сведение такого баланса позволяет оценить КПД котла и проверить тепловые расчёты. Выражается в величинах энергии, отнесённых к единице массы твёрдого или жидкого топлива или объёма газообразного топлива (обозначаются заглавными буквами Q) или в относительном виде, в процентах от располагаемой теплоты (обозначаются строчными буквами q, $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $q_{i}=Q_{i}/Q_{p}^{p}$ $q_{i}=Q_{i}/Q_{p}^{p}$ ):

$\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{p}^{p}=Q_{1}+Q_{2}+Q_{3}+Q_{4}+Q_{5}+Q_{6}$ $Q_{p}^{p}=Q_{1}+Q_{2}+Q_{3}+Q_{4}+Q_{5}+Q_{6}$

$\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $100\%=q_{1}+q_{2}+q_{3}+q_{4}+q_{5}+q_{6}$ $100\%=q_{1}+q_{2}+q_{3}+q_{4}+q_{5}+q_{6}$

Нумерация этих величин является общеупотребительной.

Располагаемая теплота топлива $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{p}^{p}$ $Q_{p}^{p}$

Количество теплоты, поступающей в котёл на учётную единицу (массы или объёма) топлива;

$\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{p}^{p}=Q^{r}+Q_{ao}+i_{fu}+Q_{so}-Q_{C}$ $Q_{p}^{p}=Q^{r}+Q_{ao}+i_{fu}+Q_{so}-Q_{C}$ ,где $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q^{r}$ $Q^{r}$ — теплота сгорания топлива в рабочем состоянии (обычно используют низшую теплоту сгорания $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{i}^{r}$ $Q_{i}^{r}$ ); $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{ao}$ $Q_{ao}$ — теплота вносимого в топку с воздухом, нагретым вне котла; $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $i_{fu}$ $i_{fu}$ — энтальпия (физическая теплота) топлива; $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{so}$ $Q_{so}$ — теплота пара, подаваемого на форсунки при паровом распылении жидкого топлива; $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{C}$ $Q_{C}$ — теплота, затрачиваемая на разложение при горении топлива содержащихся в нём бикарбонатов. Всего в топку за единицу времени вносится энергия в количестве $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{p}=Q_{p}^{p}B$ $Q_{p}=Q_{p}^{p}B$ , где $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $B$ $B$ — расход топлива.

Полезно используемая теплота $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{1}$ $Q_1$

Тепловая энергия, сообщаемая рабочему телу (питательной воде, нагреваемой в водогрейном котле или преобразуемой в пар в паровом, пару промперегрева). В абсолютных величинах для парового котла она равна

$\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{u}=D(i-i_{f})+D_{is}(i_{i}s''-i_{i}s')+D_{b}(i_{b}-i_{f})$ $Q_{u}=D(i-i_{f})+D_{is}(i_{i}s''-i_{i}s')+D_{b}(i_{b}-i_{f})$ ,где $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $i$ $i$ , $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $i_{f}$ $i_{f}$ , $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $i_{b}$ $i_{b}$ , $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $i_{i}s''$ $i_{i}s''$ , $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $i_{i}s^{\prime }$ $i_{i}s^{\prime }$ — энтальпии свежего пара, питательной воды, продувочной воды и пара до и после промперегрева; $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $D$ $D$ , $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $D_{is}$ $D_{is}$ , $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $D_{b}$ $D_{b}$ — расходы свежего пара, пара промперегрева и продувки соответственно. $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{1}={\frac {Q_{u}}{B}}$ $Q_{1}={\frac {Q_{u}}{B}}$

Потери теплоты с уходящими газами $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{2}$ $Q_{2}$ Равны разности энтальпий состояния газов на выходе и воздуха, входящего в котёл. $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{1}=(I_{xg}-\alpha _{xg}I_{ca}^{O})(1-q_{4})$ $Q_{1}=(I_{xg}-\alpha _{xg}I_{ca}^{O})(1-q_{4})$ ,

где $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $I_{xg},I_{ca}^{O}$ $I_{xg},I_{ca}^{O}$ — энтальпии уходящих газов на выходе из котла и теоретически необходимого на горение количества воздуха ненагретого, $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $\alpha _{xg}$ $\alpha _{xg}$ — избыток воздуха в уходящих газах, $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $q_{4}$ $q_{4}$ в долях (на несгоревшее топливо воздуха не нужно).

Потери теплоты с химическим недожогом $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{3}$ $Q_{3}$

Учитывают выход из котла горючих газообразных элементов (H₂, CH₄) или продуктов неполного сгорания (CO). При теплоте сгорания $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $j$ $j$ -го такого компонента $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{j}$ $Q_{j}$ и выходе на единицу топлива $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $V_{j}$ $V_{j}$

$\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{3}=\sum V_{j}Q_{j}$ $Q_{3}=\sum V_{j}Q_{j}$ .

Потери теплоты с механическим недожогом $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{4}$ $Q_{4}$

Потери с твёрдым непрореагировавшим топливом, переходящим в состав золы (обычно это кокс, удельная теплота сгорания которого значительна). Состоит из потерь со шлаком (выпадающим в топке) и уносом (выносом топлива в систему золоулавливания и дымовую трубу), обычно учитываемых раздельно (поскольку содержание горючих в золе уноса $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $\Gamma _{\text{ун}}$ $\Gamma _{\text{ун}}$ и шлаке $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $\Gamma _{\text{шл}}$ $\Gamma _{\text{шл}}$ сильно отличается):

$\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{4}=Q_{4}^{\text{шл}}+Q_{4}^{\text{ун}}$ $Q_{4}=Q_{4}^{\text{шл}}+Q_{4}^{\text{ун}}$ ,

$\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{4}^{\text{шл}}=Q_{\Gamma }A^{r}a_{\text{шл}}{\Gamma _{\text{шл}} \over 1-\Gamma _{\text{шл}}}$ $Q_{4}^{\text{шл}}=Q_{\Gamma }A^{r}a_{\text{шл}}{\Gamma _{\text{шл}} \over 1-\Gamma _{\text{шл}}}$ ,

$\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{4}^{\text{ун}}=Q_{\Gamma }A^{r}a_{\text{шл}}{\Gamma _{\text{ун}} \over 1-\Gamma _{\text{ун}}}$ $Q_{4}^{\text{ун}}=Q_{\Gamma }A^{r}a_{\text{шл}}{\Gamma _{\text{ун}} \over 1-\Gamma _{\text{ун}}}$ ,

где $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{\Gamma }$ $Q_{\Gamma }$ — теплота сгорания горючих (для углерода примерно 32,6 МДж/кг), $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $a_{\text{шл, ун}}$ $a_{\text{шл, ун}}$ — доли удаления золы со шлаком и уносом, $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $A^{r}$ $A^{r}$ — зольность рабочей массы топлива.

Потери теплоты в окружающую среду $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{5}$ $Q_{5}$

Потери от охлаждения внешних поверхностей котла. Для данного котла абсолютная потеря на наружное охлаждение — почти постоянная величина (соответственно, $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{5}\sim 1/B$ $Q_{5}\sim 1/B$ ), она меньше для котлов большей мощности (с меньшей удельной поверхностью).

Потери теплоты со шлаком $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{6}$ $Q_{6}$

Потери с физической теплотой шлака, удаляемого из топки. Принимается, что

$\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{6}=a_{s}A^{r}(ct)_{s}$ $Q_{6}=a_{s}A^{r}(ct)_{s}$ ,

где $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $a_{s}$ $a_{s}$ — доля золы, улавливаемой в топке, $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $A^{r}$ $A^{r}$ — зольность рабочей массы топлива, $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $(ct)_{s}$ $(ct)_{s}$ — произведение теплоёмкости золы на её температуру (принимается 600 °C при твёрдом шлакоудалении или t_C+100 °C при жидком).

Сведение теплового баланса позволяет получить коэффициент полезного действия котла брутто

$\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $\eta _{br}=100\%-q_{2}-q_{3}-q_{4}-q_{5}-q_{6}$ $\eta _{br}=100\%-q_{2}-q_{3}-q_{4}-q_{5}-q_{6}$ .

При определении КПД котла нетто из величины $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $Q_{u}$ $Q_{u}$ дополнительно вычитают при расчётах затраты энергии на собственные нужды котла (работу дымососов, насосов, вентиляторов, мельниц и т. п.). Также уравнение теплового баланса позволяет узнать неизвестную величину, зная известные.

Борьба с потерямиПравить

Величину $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $q_{2}$ , имеющую наибольшее значение, можно снижать, прежде всего снижая избыток воздуха в топке (огранично условиями полного сгорания топлива во избежание роста $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $q_{3,4}$ и экологических проблем, а также снижением скорости горения) и температуру уходящих газов (но последнее требует увеличение поверхностей нагрева). С потерями от наружного охлаждения $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $q_{5}$ борются, покрывая котёл теплоизоляцией (это необходимо и по условиям пребывания людей в котельной).