Расчет теплового баланса котла. Тепловой баланс котла


Глава 4. Тепловой баланс котла

4.1. УРАВНЕНИЯ ПРЯМОГО И ОБРАТНОГО ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА

Наиболее полное представление об экономических показателях работы судового котла дает тепловой баланс, который показывает, сколько теплоты поступает в котел, какая часть ее используется полезно (на производство пара), а какая теряется.

Тепловой баланс - это приложение закона сохранения энергии к анализу рабочего процесса котла. При анализе рабочего процесса котла на стационарном (или установившемся) режиме его работы тепловой баланс составляется на основании результатов теплотехнических испытаний. В

общем виде уравнение теплового баланса имеет вид

 

i=n

 

QПОД= Q1 + ∑QПОТ,i

(4,1)

i=2

 

где QПОД – количество теплоты, подведенной к паровому котлу, кДж/кг; Q1 – полезно использованная теплота, кДж/кг;

QПОТ – тепловые потери, кДж/кг

В нормативном методе расчета, разработанном для стационарных котлоагрегатов, рекомендуется учитывать всю теплоту, подводимую в топку с 1 кг топлива (рис. 4.1), т. е.

Q

ПОД

= Q

P

= QP +Q +Q

B

+Q

ПР

(4,2)

 

 

H T

 

где QHP - низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, кДж/кг;

QT, QB, QПР – количество теплоты, вносимое соответственно с топливом, воздухом и паром, который подводится для распыления топлива, кЛж/кг.

Последние три величины определяют следующим образом. Физическая теплота топлива

где сТ – теплоемкость топлива при температуре его подогрева tT, кДж/(кг·К)

Величина QВ учитывает лишь ту теплоту, которая получена воздухом вне котла, например в паровом воздухоподогревателе. При обычной компоновке котла с газовым подогревом воздуха она равна количеству теплоты, вносимой в топку с холодным воздухом, т. е.

QB= QXB=αV ocXBtXB=αI ХВ0

(4,4)

где α – коэффициент избытка воздуха;

 

сХВ – теплоемкость холодного воздуха при температуре tXB;

 

I XB0 - энтальпия теоретического количества воздуха V0, кДж/кг

 

Количество теплоты, подводимой в топку с паром для распыления мазутов,

 

QПР=

GПР

(iПР −i")

(4,5)

 

 

BK

 

где GПР – расход пара на распыление ВК топлива, кг/ч;

iПР, i” – энтальпия пара на распыление топлива и сухого насыщенного пара в уходящих газах, кДж/кг.

Величина i” в уравнении (4.5) может приниматься равной 2500 кДж/кг, что соответствует парциальному давлению паров воды в уходящих газах ph3O 0,01МПа.

Для судовых котлов определяющей величиной в уравнении (4.2) является QHP , так как сумма остальных слагаемых не превышает 1 % от QP. В связи с этим при составлении теплового баланса судовых котлов обычно принимают при подогреве воздуха дымовыми газамиQПОД = QHP , а при

подогреве паром QПОД = QHP +QB . При этом основным является первое уравнение, так как паровой

подогрев воздуха в судовых котлах применяется исключительно редко.

Обычно тепловой баланс выражают в относительных единицах (долях единицы или в %), разделив правую часть уравнения (4.1) на QHP с учетом того, чтоQПОД = QHP , т.е.

 

 

 

 

 

i=n

 

100 =ηК + ∑qi

(4,6)

 

 

 

 

 

i=2

 

Коэффициент полезного действия котла, %}

 

 

 

100Q1

 

ηK

=

(4.7)

 

QHP

 

 

 

 

 

 

тепловые потери, %

 

 

 

 

 

 

 

qi

=

100Qi

(4.8)

 

 

 

QHP

 

 

 

 

 

 

 

 

Тепловой баланс позволяет проверить правильность теплового расчета котла, определить по данным теплотехнических испытаний КПД и тепловые потери.

Существуют два основных метода теплотехнических испытаний. В первом случае по измеренным параметрам рабочего процесса определяют количество полезно использованной в

котле теплоты Q1, во втором - тепловые потери∑QПОТ В зависимости от того, что определяется Q1 или∑QПОТ , уравнение теплового баланса (4.1) называют соответственно уравнением прямого

или обратного теплового баланса.

Для составления уравнения прямого теплового баланса необходимо определить количество полезно использованной теплоты Q1, для чего применяют параметры процессов, протекающих в пароводяном тракте котла. Используя обозначения, приведенные на схеме (см. рис. 4.1), получим:

Q =

DПЕР

(i

ПЕР

−i

ПВ

) +

DCX

(i

−i

ПВ

)

(4.9)

 

 

1

B

 

 

B

CX

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учитывая, что DK = Dnep + DQx, уравнение (4.9) записывается так:

Q =

DK

(i

ПЕР

−i

ПВ

) −

DCX

(i

ПЕР

−i)

(4.10)

 

 

1

B

 

 

B

CX

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где: DПЕР, DCX - паропроизводительность по пару соответственно перегретому и охлажденному,

кг/с; В - расход топлива при нормальной нагрузке котла, кг/с;

iПЕР, iСХ iПВ — энтальпия соответственно перегретого и охлажденного пара и питательной воды, кДж/кг;

DK - полная паропроизводительность котла, кг/с.

Таким образом, КПД котла (по прямому балансу) определяют по формуле (4.7) с учетом (4.10):

η

K

= DK(iПЕР−iПВ) − DCX(iПЕР−iCX)

(4.11)

 

 

BQHP

 

 

 

 

 

Для вспомогательных котлов, генерирующих насыщенный пар, формула (4.11) упрощается и

принимает вид

DK(iX−iПВ)

 

ηK=

(4.12)

BQHP

 

 

где iХ — энтальпия влажного насыщенного пара, кДж/кг.

Метод определения КПД по прямому балансу требует создания сложной измерительной схемы для определения расходов и параметров потоков воды и пара, что возможно только на специальных испытательных стендах. В эксплуатационных условиях значительно проще определять потери теплоты qi- по результатам измерений параметров процессов, протекающих ввоздушно-газовомтракте котла. В этом случае КПД определяют по уравнению (4.6), т.е.методом обратного теплового баланса.

В судовых котлах обычно учитывают следующие тепловые потери: с уходящими дымовыми газами q2 от химической q3 и механической q4 неполноты сгорания топлива и в окружающую среду q5. Тогда КПД по обратному балансу

ηK =100 −(q2 +q3 +q4 +q5 )

(4.13)

4.2. ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ И ПУТИ ИХ СНИЖЕНИЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

Потеря теплоты с уходящими газами q2 обусловливается тем, что теплота, которая содержится в уходящих дымовых газах, не может быть полезно использована в котле. Потеря q2 определяется энтальпией IУХ, которую имеют газы, уходящие в атмосферу. Зависимость между ними устанавли-

вается формулой

Q

 

 

IУХ−QХВ−Qγ

 

q2=

2

100 =

(4.14)

QHP

QHP

 

 

 

При теплотехнических испытаниях котлов для определения величины qu используют эмпирическую формулу

 

t −t

ХВ

 

t

−tγ

(4.15)

q2 = 3,5α

УХ

+ 0,5

УХ

 

100

 

100

 

 

 

 

 

где: tУХ, tXB, tγ - температуры соответственно уходящих газов, холодного воздуха и топлива; α - коэффициент избытка воздуха.

Тепловые потери q2 снижают прежде всего благодаря применению экономайзера и воздухоподогревателя (называемых хвостовыми поверхностями нагрева). Кроме того, совершенствованием топочных устройств достигается уменьшение коэффициента избытка воздуха и,следова-тельно,потери q2. Однако снижение потери q2 ограничивается нижним пределом температуры уходящих газов.

Рис. 4.2. Зависимость тепловых потерь и КПД котла от нагрузки.

Если известна потеря q2 то по формуле (4.14) можно найти энтальпию уходящих газов

IУХ= Q2 + QХВ+ Qγ (4.16)

а по диаграмме I — t определить температуру уходящих газов tУХ Зависимость потери q2 от нагрузки котла определяется характером изменения величин tУХ и α при снижении нагрузки

температура уходящих газов понижается, а коэффициент избытка воздуха увеличивается. Но так как изменение tУХ влияет на q2 более сильно, чем α, то потеря q2 уменьшается при снижении нагрузки (рис. 4.2).

Нижний предел температуры уходящих газов устанавливается из соображений предотвращения низкотемпературной (сернистой) коррозии элементов поверхностей нагрева и газохода. Объясняется это тем, что при низкой температуре стенок труб (и других элементов) содержащиеся в дымовых газах пары могут конденсироваться и вызывать коррозию. Температура, при которой начинают конденсироваться содержащиеся в дымовых газах пары, называется температурой точки росы.

На температуру точки росы дымовых газов влияет наличие в их составе водяных паров, сернистого ангидрида SO2 и серного ангидрида SO3. Если бы в дымовых газах содержались только пары воды Н20, то температура точки росы определялась бы парциальным давлением водяных паров. Для обычного состава мазута и возможных значений коэффициента избытка воздуха парциальное давление паров воды таково, что температура их конденсации составляет примерно 50OС. Однако наличие в дымовых газах наряду с парами Н20 определенного качества SO2 и SO3 обусловливает достаточно интенсивное образование паров серной кислоты h3SO4. При этом даже в случае очень низкого парциального давления паров h3S04 температура конденсации смеси Н20 и h3S04 значительно выше температуры точки росы чистых водяных паров. Результаты специальных исследований показывают, что в реальных условиях при сжигании стандартных мазутов с α > 1,1 температура точки росы дымовых газов достигает 120 – 130ОС.

Таким образом, температура стенок труб хвостовых элементов котла должна быть выше температуры точки росы дымовых газов на всех режимах работы котла. Так как при α = 1,1 - 1,3 температура уходящих газов на минимальной нагрузке котла на 30 – 40 ОС ниже, чем на номинальной, то tУХ ном должна быть не ниже 155 – 160ОС. При таких температурах обеспечивается КПД котла ≈ 93 % на номинальной нагрузке. В современных главных котлах α = 1,03 - 1,05. При столь низких значениях резко снижается содержание SO3, а следовательно, и паров h3SO4 в дымовых газах. Это позволяет на номинальной нагрузке поддерживать значение tУХ = 125 – 130ОС, при котором КПД котла достигает 96 - 97 %. В настоящее время это предельно низкие достижимые температуры уходящих газов.

В высокоэкономичных котлах на низких нагрузках температура уходящих газов может снизиться настолько, что температура стенок труб воздухоподогревателей становится близкой к температуре точки росы дымовых газов. Для предотвращения коррозии в таких случаях предусматривают обвод (байпасирование) воздухоподогревателя по воздушной стороне или использование специальных присадок, понижающих температуру точки росы дымовых газов. Например, одной из таких присадок является порошкообразный доломит (смесь: 34 % СаО, 20,8 %MgO, 38,6 % CО2), который вводят либо в топливо, либо непосредственно в дымовые газы.

Отмеченные соображения о факторах, определяющих тепловую потерю с уходящими газами, позволяют заключить, что величина q2 является наибольшей из всех потерь котла. Абсолютное значение этой величины может изменяться для различных агрегатов в довольно значительных пределах. Для главных котлов q2 = 2 - 7 %, причем нижний предел относится к современным агрегатам высокоэкономичных паротурбинных установок. Вспомогательные котлы могут иметь тепловую потерю q2 значительно выше.

Потеря теплоты от химической неполноты горения q2 возможна при неполном окислении углерода и водорода топлива. Значение ее определяется суммарной теплотой сгорания продуктов неполного горения СО, h3, СН4 и других углеводородов, содержащихся в дымовых газах.

Величины h3 и СН4 как отмечалось в параграфе 2.3, ничтожно малы, поэтому количественную оценку потери теплоты от химической неполноты горения топлива в судовых котлах можно производить по содержанию окиси углерода СО в дымовых газах.

Основными факторами, определяющими потери теплоты от химической неполноты горения, являются сорт топлива, совершенство топочного устройства и качество его обслуживания. Потеря q3 возрастает при уменьшении коэффициента избытка воздуха (относительно наивыгоднейшего его значения) при низкой температуре и недостаточном объеме топки, т. е. q3 (α, t1,V1). При рациональной компоновке котла и правильном его обслуживании эта потеря может быть сведена к весьма малому значению, которое при мазутном отоплении редко превышает 0,5%.

Для определения потери q3 при испытаниях котла и в эксплуатационных условиях можно использовать формулы, элементом которых является основное вещество, характеризующее химический недожог топлива, а именно СО.

Для вывода расчетной формулы исходной является зависимость (4.8), отнесенная к q3. Количество теплоты, теряемое от химической неполноты горения 1 кг топлива,

 

 

Q3 = QCOVCO

(4.17)

где: Qco - теплота сгорания 1 мэ окиси углерода СО, кДж;

 

Vco - объем окиси углерода, образующийся при сгорании 1 кг топлива, м3

 

Учитывая, что

VCO100

= CO (см. п. 2.3), можно записать:

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

СГ

Q

= QCOVСГСО

 

 

 

(4.18)

 

 

3

 

100

 

 

 

 

 

 

После подстановки в зависимость (4.18) значения для VСГ из формулы (2.28) и учитывая уравнение (4.8), получим, %:

q3=

Q

 

Q

K P

CO

 

3

100 =

CO

1,866

 

(4.19)

QHP

 

RO2 +CO

 

 

QHP

 

 

Так как QСО = 12 800 кДж/м3, то зависимость (4.19) можно переписать ввиде

q3

=

23800

 

K P

CO

(4.20)

QHP

RO2 +CO

 

 

 

 

Во время эксплуатации оценить качество горения по величине q$ можно, используя простую эмпирическую зависимость

где М = 3,1 - 3,3 (меньшие значения коэффициента М соответствуют белее низким коэффициентам избытка воздуха α).

С понижением нагрузки котла потеря q3 незначительно увеличивается вследствие понижения температуры горения (см. рис. 4.2).

Потерю теплоты от механической неполноты горения q4 обычно учитывают для котлов с угольным отоплением. Для агрегатов с мазутным отоплением потеря q4 возможна при неправильном обслуживании, работе с чрезмерным избытком или недостатком воздуха и низком качестве распыления мазута. В этих случаях потеря q4 появляется вследствие сажеобразования и коксования мазута.

В нормальных условиях эксплуатации котлов с мазутным отоплением потеря теплоты q4 практически отсутствует при всех его нагрузках (q4 = 0).

Тепловые потери q3 и q4 связаны с совершенством процесса сжигания топлива, поэтому их относят к топочным потерям.

Потеря теплоты в окружающую среду через наружные поверхности q5 определяется в основном размерами котла, качеством изоляции, компоновкой воздушных каналов и обшивки. При достаточной теплоизоляции и хорошем ее состоянии потеря q5 зависит от режима работы. В случае нормальной нагрузки современного главного котла, в котором предусмотрено охлаждение стен воздухом, поступающим в топку, обычно q5 = 0,1 – 0,5 %. У агрегатов более ранней постройки потеря будет несколько выше, примерно 1 - 1,5 %. Вспомогательные котлы обычно характеризуются еще более высокими потерями: q5 = 1,5 - 2,5 % и более. Большие значения относятся к агрегатам с меньшей паропроизводительностью. При снижении нагрузки потеря q5 возрастает (см. рис. 4.2). Объясняется это тем, что количество теплоты, теряемое через наружные поверхности агрегата за единицу времени, остается практически постоянным при изменении в известных пределах (25 - 140 % от нормальной его нагрузки). Это позволяет записать: Q5B ≈ Q’5B’

studfiles.net

Тепловой баланс котла: составляющие, уравнение

Расчет теплового баланса котла

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.

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 балансаУравнение теплового баланса котла при сжигании газа можно выразить следующей формулой:

Оптимальная нагрузка отопительной системы.

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:

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:

Следует рассмотреть каждый вид тепла и уравнения подробнее.

Тепло, которое было использовано по назначению (q1)

Схема принципа работы стационарного теплогенератора.

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.

Потеря тепла из-за химического недожога.

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.

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)

Схема обвязки котла.

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.

1poteply.ru

Тепловой баланс котла | Блог инженера теплоэнергетика

      Здравствуйте, друзья! Уравнение теплового баланса котлоагрегата выражает соотношение между теплотой, получаемой при сжигании топлива, полезно используемой теплотой и тепловыми потерями в котлоагрегате. Тепловой баланс составляется на 1 кг твердого или жидкого топлива и на 1 нм3 газообразного топлива для стационарного режима, который устанавливается при длительной работе агрегата с постоянной нагрузкой.

     Уравнение теплового баланса котлоагрегата имеет вид

Формула 1

где Qp — располагаемая теплота; Q1 — полезно использованное количество теплоты; Q2 — потери теплоты с уходящими газами; Q3 — потери от химического недожога; Q4 — потери от механического недожога; Q5 — потери теплоты в окружающую среду.К.п.д. котельного агрегата брутто, не учитывающий затраты энергии на привод вентиляторов, дымососов, мельниц, насосов, определяется по формуле

Формула 2

где

Формула 3

К.п.д. брутто ηбр для котлоагрегатов малой производительности составляет 65—80%, а для мощных котлоагрегатов он достигает 90—94 %.Располагаемая теплота Qp равна

Формула 4

где Qрн — низшая теплота сгорания топлива; Qв — теплота, вносимая с воздухом; Qт — физическая теплота топлива; Qп — теплота, вносимая с паром для распыливания топлива. При отсутствии подогрева воздуха и топлива вне котлоагрегата и парового распыления жидкого топлива Qp = Qрн.

      Полезно используемая теплота представляет собой сумму теплоты, затраченной на производство пара, и теплоты, отводимой с продувочной водой, и находится из уравнения (1).Формула 5(1)

где D — паропроизводительность котлоагрегата; В — расход топлива; iп — энтальпия пара; i' — энтальпия продувочной воды при температуре кипения; iп.в — энтальпия питательной воды; р — расход продувочной воды, задаваемый в процентах от паро производительности D. Потери теплоты газами q2 определяются по формуле:

Формула 6где iух — энтальпия уходящих газов, кДж/кг или кДж/нм3; αух — коэффициент избытка воздуха за котельным агрегатом; q4 — потери от механического недожога.Потери теплоты с уходящими газами являются наибольшими в котлоагрегате и с ростом температуры уходящих газов и коэффициента избытка воздуха они увеличиваются. Снижение температуры уходящих газов уменьшает эти потери. В современных котельных агрегатах, имеющих экономайзеры и воздухоподогреватели, температура продуктов сгорания снижается до 120—200° С, и потери теплоты с уходящими газами при этом составляют 8—12%. Попадание воздуха через неплотности приводит к увеличению объема дымовых газов и потерь q2.

      Наличие в продуктах сгорания окиси углерода СО (иногда также Н2 и СН4) свидетельствует о химической неполноте сгорания топлива. Величину потерь от химического недожога q3 обычно находят по таблицам, в которых приводятся характеристики топочных устройств. При испытании котлоагрегата потери q3 определяют на основании химического анализа дымовых газов. В современных котлоагрегатах при оптимальном режиме работы потери от химической неполноты сгорания составляют 0,2—0,5%.

      Потери теплоты от механического недожога топлива q4 обусловлены наличием несгоревшего топлива в золе и шлаке. Эти потери при слоевом способе сжигания топлива зависят от конструктивных особенностей топки, зольности топлива и составляют 2—12%. В пылеугольных топках потери теплоты q4 составляют 2—5%, а при сжигании топлив с большим выходом летучих веществ они снижаются.

     Потери теплоты в окружающую среду q3 зависят от паропроизводительности и габаритов агрегата, а также от температуры его наружных поверхностей. В соответствии с правилами технической эксплуатации эта температура не должна превышать 70° С при температуре воздуха в котельной, равной 25° С. С увеличением производительности потери теплоты q5 в окружающую среду снижаются. Например, при производительности котлоагрегата 10 т/ч потери q5 составляют 1,8%, а при производительности 200 т/ч — 0,5%.

      Часовой расход топлива котельным агрегатом определяется из уравнения (1):

Формула 7

Значения энтальпии iп, iп.в и i' находятся по таблицам для водяного пара. Величина продувки р зависит от качества питательной воды, а также от допустимого солесодержания в барабане и изменяется от долей процента для мощных котлоагрегатов на электростанциях конденсационного типа до 2—5% на ТЭЦ и в промышленных и отопительных котельных. Исп. литература: 1) Теплотехника, под общей редакцией И.Н. Сушкина, Москва, «Металлургия», 1973. 2) Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,"Вышейшая школа", 1976.

teplosniks.ru

Расчет теплового баланса котла

Расчет теплового баланса котла

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.

Расчет теплового баланса котла

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 балансаУравнение теплового баланса котла при сжигании газа можно выразить следующей формулой:

Расчет теплового баланса котла

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:

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:

Следует рассмотреть каждый вид тепла и уравнения подробнее.

Тепло, которое было использовано по назначению (q1)

Расчет теплового баланса котла

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.

Расчет теплового баланса котла

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.

Расчет теплового баланса котла

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)

Расчет теплового баланса котла

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.

dekormyhome.ru

Глава 4. Тепловой баланс котла

4.1. УРАВНЕНИЯ ПРЯМОГО И ОБРАТНОГО ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА

Наиболее полное представление об экономических показателях работы судового котла дает тепловой баланс, который показывает, сколько теплоты поступает в котел, какая часть ее используется полезно (на производство пара), а какая теряется.

Тепловой баланс - это приложение закона сохранения энергии к анализу рабочего процесса котла. При анализе рабочего процесса котла на стационарном (или установившемся) режиме его работы тепловой баланс составляется на основании результатов теплотехнических испытаний. В

общем виде уравнение теплового баланса имеет вид

 

i=n

 

QПОД= Q1 + ∑QПОТ,i

(4,1)

i=2

 

где QПОД – количество теплоты, подведенной к паровому котлу, кДж/кг; Q1 – полезно использованная теплота, кДж/кг;

QПОТ – тепловые потери, кДж/кг

В нормативном методе расчета, разработанном для стационарных котлоагрегатов, рекомендуется учитывать всю теплоту, подводимую в топку с 1 кг топлива (рис. 4.1), т. е.

Q

ПОД

= Q

P

= QP +Q +Q

B

+Q

ПР

(4,2)

 

 

H T

 

где QHP - низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, кДж/кг;

QT, QB, QПР – количество теплоты, вносимое соответственно с топливом, воздухом и паром, который подводится для распыления топлива, кЛж/кг.

Последние три величины определяют следующим образом. Физическая теплота топлива

где сТ – теплоемкость топлива при температуре его подогрева tT, кДж/(кг·К)

Величина QВ учитывает лишь ту теплоту, которая получена воздухом вне котла, например в паровом воздухоподогревателе. При обычной компоновке котла с газовым подогревом воздуха она равна количеству теплоты, вносимой в топку с холодным воздухом, т. е.

QB= QXB=αV ocXBtXB=αI ХВ0

(4,4)

где α – коэффициент избытка воздуха;

 

сХВ – теплоемкость холодного воздуха при температуре tXB;

 

I XB0 - энтальпия теоретического количества воздуха V0, кДж/кг

 

Количество теплоты, подводимой в топку с паром для распыления мазутов,

 

QПР=

GПР

(iПР −i")

(4,5)

 

 

BK

 

где GПР – расход пара на распыление ВК топлива, кг/ч;

iПР, i” – энтальпия пара на распыление топлива и сухого насыщенного пара в уходящих газах, кДж/кг.

Величина i” в уравнении (4.5) может приниматься равной 2500 кДж/кг, что соответствует парциальному давлению паров воды в уходящих газах ph3O 0,01МПа.

Для судовых котлов определяющей величиной в уравнении (4.2) является QHP , так как сумма остальных слагаемых не превышает 1 % от QP. В связи с этим при составлении теплового баланса судовых котлов обычно принимают при подогреве воздуха дымовыми газамиQПОД = QHP , а при

подогреве паром QПОД = QHP +QB . При этом основным является первое уравнение, так как паровой

подогрев воздуха в судовых котлах применяется исключительно редко.

Обычно тепловой баланс выражают в относительных единицах (долях единицы или в %), разделив правую часть уравнения (4.1) на QHP с учетом того, чтоQПОД = QHP , т.е.

 

 

 

 

 

i=n

 

100 =ηК + ∑qi

(4,6)

 

 

 

 

 

i=2

 

Коэффициент полезного действия котла, %}

 

 

 

100Q1

 

ηK

=

(4.7)

 

QHP

 

 

 

 

 

 

тепловые потери, %

 

 

 

 

 

 

 

qi

=

100Qi

(4.8)

 

 

 

QHP

 

 

 

 

 

 

 

 

Тепловой баланс позволяет проверить правильность теплового расчета котла, определить по данным теплотехнических испытаний КПД и тепловые потери.

Существуют два основных метода теплотехнических испытаний. В первом случае по измеренным параметрам рабочего процесса определяют количество полезно использованной в

котле теплоты Q1, во втором - тепловые потери∑QПОТ В зависимости от того, что определяется Q1 или∑QПОТ , уравнение теплового баланса (4.1) называют соответственно уравнением прямого

или обратного теплового баланса.

Для составления уравнения прямого теплового баланса необходимо определить количество полезно использованной теплоты Q1, для чего применяют параметры процессов, протекающих в пароводяном тракте котла. Используя обозначения, приведенные на схеме (см. рис. 4.1), получим:

Q =

DПЕР

(i

ПЕР

−i

ПВ

) +

DCX

(i

−i

ПВ

)

(4.9)

 

 

1

B

 

 

B

CX

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учитывая, что DK = Dnep + DQx, уравнение (4.9) записывается так:

Q =

DK

(i

ПЕР

−i

ПВ

) −

DCX

(i

ПЕР

−i)

(4.10)

 

 

1

B

 

 

B

CX

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где: DПЕР, DCX - паропроизводительность по пару соответственно перегретому и охлажденному,

кг/с; В - расход топлива при нормальной нагрузке котла, кг/с;

iПЕР, iСХ iПВ — энтальпия соответственно перегретого и охлажденного пара и питательной воды, кДж/кг;

DK - полная паропроизводительность котла, кг/с.

Таким образом, КПД котла (по прямому балансу) определяют по формуле (4.7) с учетом (4.10):

η

K

= DK(iПЕР−iПВ) − DCX(iПЕР−iCX)

(4.11)

 

 

BQHP

 

 

 

 

 

Для вспомогательных котлов, генерирующих насыщенный пар, формула (4.11) упрощается и

принимает вид

DK(iX−iПВ)

 

ηK=

(4.12)

BQHP

 

 

где iХ — энтальпия влажного насыщенного пара, кДж/кг.

Метод определения КПД по прямому балансу требует создания сложной измерительной схемы для определения расходов и параметров потоков воды и пара, что возможно только на специальных испытательных стендах. В эксплуатационных условиях значительно проще определять потери теплоты qi- по результатам измерений параметров процессов, протекающих ввоздушно-газовомтракте котла. В этом случае КПД определяют по уравнению (4.6), т.е.методом обратного теплового баланса.

В судовых котлах обычно учитывают следующие тепловые потери: с уходящими дымовыми газами q2 от химической q3 и механической q4 неполноты сгорания топлива и в окружающую среду q5. Тогда КПД по обратному балансу

ηK =100 −(q2 +q3 +q4 +q5 )

(4.13)

4.2. ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ И ПУТИ ИХ СНИЖЕНИЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

Потеря теплоты с уходящими газами q2 обусловливается тем, что теплота, которая содержится в уходящих дымовых газах, не может быть полезно использована в котле. Потеря q2 определяется энтальпией IУХ, которую имеют газы, уходящие в атмосферу. Зависимость между ними устанавли-

вается формулой

Q

 

 

IУХ−QХВ−Qγ

 

q2=

2

100 =

(4.14)

QHP

QHP

 

 

 

При теплотехнических испытаниях котлов для определения величины qu используют эмпирическую формулу

 

t −t

ХВ

 

t

−tγ

(4.15)

q2 = 3,5α

УХ

+ 0,5

УХ

 

100

 

100

 

 

 

 

 

где: tУХ, tXB, tγ - температуры соответственно уходящих газов, холодного воздуха и топлива; α - коэффициент избытка воздуха.

Тепловые потери q2 снижают прежде всего благодаря применению экономайзера и воздухоподогревателя (называемых хвостовыми поверхностями нагрева). Кроме того, совершенствованием топочных устройств достигается уменьшение коэффициента избытка воздуха и,следова-тельно,потери q2. Однако снижение потери q2 ограничивается нижним пределом температуры уходящих газов.

Рис. 4.2. Зависимость тепловых потерь и КПД котла от нагрузки.

Если известна потеря q2 то по формуле (4.14) можно найти энтальпию уходящих газов

IУХ= Q2 + QХВ+ Qγ (4.16)

а по диаграмме I — t определить температуру уходящих газов tУХ Зависимость потери q2 от нагрузки котла определяется характером изменения величин tУХ и α при снижении нагрузки

температура уходящих газов понижается, а коэффициент избытка воздуха увеличивается. Но так как изменение tУХ влияет на q2 более сильно, чем α, то потеря q2 уменьшается при снижении нагрузки (рис. 4.2).

Нижний предел температуры уходящих газов устанавливается из соображений предотвращения низкотемпературной (сернистой) коррозии элементов поверхностей нагрева и газохода. Объясняется это тем, что при низкой температуре стенок труб (и других элементов) содержащиеся в дымовых газах пары могут конденсироваться и вызывать коррозию. Температура, при которой начинают конденсироваться содержащиеся в дымовых газах пары, называется температурой точки росы.

На температуру точки росы дымовых газов влияет наличие в их составе водяных паров, сернистого ангидрида SO2 и серного ангидрида SO3. Если бы в дымовых газах содержались только пары воды Н20, то температура точки росы определялась бы парциальным давлением водяных паров. Для обычного состава мазута и возможных значений коэффициента избытка воздуха парциальное давление паров воды таково, что температура их конденсации составляет примерно 50OС. Однако наличие в дымовых газах наряду с парами Н20 определенного качества SO2 и SO3 обусловливает достаточно интенсивное образование паров серной кислоты h3SO4. При этом даже в случае очень низкого парциального давления паров h3S04 температура конденсации смеси Н20 и h3S04 значительно выше температуры точки росы чистых водяных паров. Результаты специальных исследований показывают, что в реальных условиях при сжигании стандартных мазутов с α > 1,1 температура точки росы дымовых газов достигает 120 – 130ОС.

Таким образом, температура стенок труб хвостовых элементов котла должна быть выше температуры точки росы дымовых газов на всех режимах работы котла. Так как при α = 1,1 - 1,3 температура уходящих газов на минимальной нагрузке котла на 30 – 40 ОС ниже, чем на номинальной, то tУХ ном должна быть не ниже 155 – 160ОС. При таких температурах обеспечивается КПД котла ≈ 93 % на номинальной нагрузке. В современных главных котлах α = 1,03 - 1,05. При столь низких значениях резко снижается содержание SO3, а следовательно, и паров h3SO4 в дымовых газах. Это позволяет на номинальной нагрузке поддерживать значение tУХ = 125 – 130ОС, при котором КПД котла достигает 96 - 97 %. В настоящее время это предельно низкие достижимые температуры уходящих газов.

В высокоэкономичных котлах на низких нагрузках температура уходящих газов может снизиться настолько, что температура стенок труб воздухоподогревателей становится близкой к температуре точки росы дымовых газов. Для предотвращения коррозии в таких случаях предусматривают обвод (байпасирование) воздухоподогревателя по воздушной стороне или использование специальных присадок, понижающих температуру точки росы дымовых газов. Например, одной из таких присадок является порошкообразный доломит (смесь: 34 % СаО, 20,8 %MgO, 38,6 % CО2), который вводят либо в топливо, либо непосредственно в дымовые газы.

Отмеченные соображения о факторах, определяющих тепловую потерю с уходящими газами, позволяют заключить, что величина q2 является наибольшей из всех потерь котла. Абсолютное значение этой величины может изменяться для различных агрегатов в довольно значительных пределах. Для главных котлов q2 = 2 - 7 %, причем нижний предел относится к современным агрегатам высокоэкономичных паротурбинных установок. Вспомогательные котлы могут иметь тепловую потерю q2 значительно выше.

Потеря теплоты от химической неполноты горения q2 возможна при неполном окислении углерода и водорода топлива. Значение ее определяется суммарной теплотой сгорания продуктов неполного горения СО, h3, СН4 и других углеводородов, содержащихся в дымовых газах.

Величины h3 и СН4 как отмечалось в параграфе 2.3, ничтожно малы, поэтому количественную оценку потери теплоты от химической неполноты горения топлива в судовых котлах можно производить по содержанию окиси углерода СО в дымовых газах.

Основными факторами, определяющими потери теплоты от химической неполноты горения, являются сорт топлива, совершенство топочного устройства и качество его обслуживания. Потеря q3 возрастает при уменьшении коэффициента избытка воздуха (относительно наивыгоднейшего его значения) при низкой температуре и недостаточном объеме топки, т. е. q3 (α, t1,V1). При рациональной компоновке котла и правильном его обслуживании эта потеря может быть сведена к весьма малому значению, которое при мазутном отоплении редко превышает 0,5%.

Для определения потери q3 при испытаниях котла и в эксплуатационных условиях можно использовать формулы, элементом которых является основное вещество, характеризующее химический недожог топлива, а именно СО.

Для вывода расчетной формулы исходной является зависимость (4.8), отнесенная к q3. Количество теплоты, теряемое от химической неполноты горения 1 кг топлива,

 

 

Q3 = QCOVCO

(4.17)

где: Qco - теплота сгорания 1 мэ окиси углерода СО, кДж;

 

Vco - объем окиси углерода, образующийся при сгорании 1 кг топлива, м3

 

Учитывая, что

VCO100

= CO (см. п. 2.3), можно записать:

 

V

 

 

 

 

 

 

 

СГ

Q = QCOVСГСО

 

 

 

(4.18)

 

 

3

100

 

 

 

 

 

 

После подстановки в зависимость (4.18) значения для VСГ из формулы (2.28) и учитывая уравнение (4.8), получим, %:

q3=

Q

 

Q

K P

CO

 

3

100 =

CO

1,866

 

(4.19)

QHP

 

RO2 +CO

 

 

QHP

 

 

Так как QСО = 12 800 кДж/м3, то зависимость (4.19) можно переписать ввиде

q3

=

23800

 

K P

CO

(4.20)

QHP

 

RO2 +CO

 

 

 

 

 

Во время эксплуатации оценить качество горения по величине q$ можно, используя простую эмпирическую зависимость

где М = 3,1 - 3,3 (меньшие значения коэффициента М соответствуют белее низким коэффициентам избытка воздуха α).

С понижением нагрузки котла потеря q3 незначительно увеличивается вследствие понижения температуры горения (см. рис. 4.2).

Потерю теплоты от механической неполноты горения q4 обычно учитывают для котлов с угольным отоплением. Для агрегатов с мазутным отоплением потеря q4 возможна при неправильном обслуживании, работе с чрезмерным избытком или недостатком воздуха и низком качестве распыления мазута. В этих случаях потеря q4 появляется вследствие сажеобразования и коксования мазута.

В нормальных условиях эксплуатации котлов с мазутным отоплением потеря теплоты q4 практически отсутствует при всех его нагрузках (q4 = 0).

Тепловые потери q3 и q4 связаны с совершенством процесса сжигания топлива, поэтому их относят к топочным потерям.

Потеря теплоты в окружающую среду через наружные поверхности q5 определяется в основном размерами котла, качеством изоляции, компоновкой воздушных каналов и обшивки. При достаточной теплоизоляции и хорошем ее состоянии потеря q5 зависит от режима работы. В случае нормальной нагрузки современного главного котла, в котором предусмотрено охлаждение стен воздухом, поступающим в топку, обычно q5 = 0,1 – 0,5 %. У агрегатов более ранней постройки потеря будет несколько выше, примерно 1 - 1,5 %. Вспомогательные котлы обычно характеризуются еще более высокими потерями: q5 = 1,5 - 2,5 % и более. Большие значения относятся к агрегатам с меньшей паропроизводительностью. При снижении нагрузки потеря q5 возрастает (см. рис. 4.2). Объясняется это тем, что количество теплоты, теряемое через наружные поверхности агрегата за единицу времени, остается практически постоянным при изменении в известных пределах (25 - 140 % от нормальной его нагрузки). Это позволяет записать: Q5B ≈ Q’5B’

studfiles.net

Тепловой баланс котла: составляющие, уравнение

Расчет теплового баланса котла

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.

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 балансаУравнение теплового баланса котла при сжигании газа можно выразить следующей формулой:

Оптимальная нагрузка отопительной системы.

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:

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:

Следует рассмотреть каждый вид тепла и уравнения подробнее.

Тепло, которое было использовано по назначению (q1)

Схема принципа работы стационарного теплогенератора.

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.

Потеря тепла из-за химического недожога.

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.

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)

Схема обвязки котла.

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.

Самые популярные статьи блога за неделю

teplomonster.ru

4Тепловой баланс котла мой курсач (2)

4 Тепловой баланс котла

Расчет теплового баланса котельного агрегата выполняем по формулам в соответствии с источником [2,с.45].

При работе парового котла вся поступившая в него теплота расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре, и на покрытие различных потерь теплоты.

Определяем потерю теплоты с уходящими газами q2, %

(17)

где Hух – энтальпия уходящих газов, кДж/м3;

H0х.в – энтальпия теоретического объёма холодного воздуха, определяем при tв = 300С, кДж/м3;

aух – коэффициент избытка воздуха в уходящих газах в сечении газохода после последней поверхности нагрева;

q4 – потеря теплоты от механической неполноты горения, %; для природного газа q4 =0;

Qрр – располагаемая теплота топлива, кДж/м3.

Энтальпия теоретического объема холодного воздуха H0хв, кДж/м3, при температуре 300С

H0хв =39,8 V0 (18)

H0хв= 39,8 * 11,13= 442,9

Определяем располагаемую теплоту Qрр, кДж/м3, для газообразного топлива

Qрр = Qсн (19)

где Qсн – низшая теплота сгорания сухой массы газа, кДж/м3

Qрр=42402,8

Потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива q3, %, обусловлена появлением в уходящих газах горючих газов СО, Н2, СН4. По таблице 4.4 [2,с.49] q3=0,5.

Потеря теплоты от механической неполноты горения топлива q4, %, наблюдается только при сжигании твердого топлива и обусловлена наличием в очаговых остатках твердых горючих частиц. Для газа q4 = 0 %.

Потеря теплоты от наружного охлаждения q5, %, обусловлена передачей теплоты от обмуровки агрегата наружному воздуху, имеющему более низкую температуру и для парового котла принимаем по таблице 4.5 [2,с.50]

q5= 1,25 (20)

Определяем КПД брутто ηбр, %, парового котла из уравнения обратного теплового баланса

ηбр=100-(q2+q3+q4+q5+q6). (21)

При сжигании газообразного топлива уравнение примет вид

ηбр =100–(q2+ q3 +q5)

ηбр =100–(7,55+0,5+1,25)=90,6

Определяем полезную мощность Qпг, кВт, парового котла

Qпг =Dн.п (hн.п – hп.в )+ 0,01рDн.п (hкип – hп.в) (22)

где Dн.п – расход выработанного насыщенного пара 6,94, кг/с;

hн.п – энтальпия насыщенного пара определяется из ист.4, 2788,4 кДж/кг;

hп.в – энтальпия питательной воды 427,38 кДж/кг;

р – непрерывная продувка парового котла, 5 %;

hкип – энтальпия кипящей воды в барабане котла, 830, кДж/кг.

Qпг =6,9(2788,4 – 427,38) + 0,01*5*6,9 (830,1– 427,38)=16429,9764

Определяем расход топлива Впг, м3/с, подаваемого в топку парового котла из уравнения прямого теплового баланса

Впг = (Qпг / (Qрр * ηбр))100 (23)

Впг = (16429,9764/ (42402,8 * 90,6)) 100 =0,42

Определяем расчётный расход топлива Вр, м3/с

Вр =Впг= 0,42

Определяем коэффициент сохранения теплоты φ

(24)

φ = 1-(1,25/(92,64+1,25) = 0,98

Изм Лист № докум. Подп. Дата

БККП. 038505.000 ПЗ

Лист

studfiles.net


Смотрите также