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, [math]\displaystyle{ q_i=Q_i/Q_p^p }[/math]):

[math]\displaystyle{ Q_p^p = Q_1+Q_2+Q_3+Q_4+Q_5+Q_6 }[/math]

[math]\displaystyle{ 100\% = q_1+q_2+q_3+q_4+q_5+q_6 }[/math]

Нумерация этих величин является общеупотребительной.

Располагаемая теплота топлива [math]\displaystyle{ Q_p^p }[/math]

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

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

Полезно используемая теплота [math]\displaystyle{ Q_1 }[/math]

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

[math]\displaystyle{ Q_u = D(i - i_f) + D_{is}(i_is''-i_is') +D_b(i_b-i_f) }[/math],где [math]\displaystyle{ i }[/math], [math]\displaystyle{ i_f }[/math], [math]\displaystyle{ i_b }[/math], [math]\displaystyle{ i_is'' }[/math], [math]\displaystyle{ i_is^\prime }[/math] — энтальпии свежего пара, питательной воды, продувочной воды и пара до и после промперегрева; [math]\displaystyle{ D }[/math], [math]\displaystyle{ D_{is} }[/math], [math]\displaystyle{ D_b }[/math] — расходы свежего пара, пара промперегрева и продувки соответственно. [math]\displaystyle{ Q_1 = \frac{Q_u}{B} }[/math]

Потери теплоты с уходящими газами [math]\displaystyle{ Q_2 }[/math]Равны разности энтальпий состояния газов на выходе и воздуха, входящего в котёл.[math]\displaystyle{ Q_1 = (I_{xg}-\alpha_{xg}I_{ca}^O)(1-q_4) }[/math],

где [math]\displaystyle{ I_{xg}, I_{ca}^O }[/math] — энтальпии уходящих газов на выходе из котла и теоретически необходимого на горение количества воздуха ненагретого, [math]\displaystyle{ \alpha_{xg} }[/math] — избыток воздуха в уходящих газах, [math]\displaystyle{ q_4 }[/math] в долях (на несгоревшее топливо воздуха не нужно).

Потери теплоты с химическим недожогом [math]\displaystyle{ Q_3 }[/math]

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

[math]\displaystyle{ Q_3 = \sum V_j Q_j }[/math].

Потери теплоты с механическим недожогом [math]\displaystyle{ Q_4 }[/math]

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 [math]\displaystyle{ \Gamma_\text{ун} }[/math] и шлаке [math]\displaystyle{ \Gamma_\text{шл} }[/math] сильно отличается):

[math]\displaystyle{ Q_4 = Q_4^\text{шл}+Q_4^\text{ун} }[/math],

[math]\displaystyle{ Q_4^\text{шл}=Q_\Gamma A^r a_\text{шл}{\Gamma_\text{шл} \over 1-\Gamma_\text{шл}} }[/math],

[math]\displaystyle{ Q_4^\text{ун}=Q_\Gamma A^r a_\text{шл}{\Gamma_\text{ун} \over 1-\Gamma_\text{ун}} }[/math],

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

Потери теплоты в окружающую среду [math]\displaystyle{ Q_5 }[/math]

Потери от охлаждения внешних поверхностей котла. Для данного котла абсолютная потеря на наружное охлаждение — почти постоянная величина (соответственно, [math]\displaystyle{ Q_5\sim1/B }[/math]), она меньше для котлов большей мощности (с меньшей удельной поверхностью).

Потери теплоты со шлаком [math]\displaystyle{ Q_6 }[/math]

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

[math]\displaystyle{ Q_6 = a_s A^r(ct)_s }[/math],

где [math]\displaystyle{ a_s }[/math] — доля золы, улавливаемой в топке, [math]\displaystyle{ A^r }[/math] — зольность рабочей массы топлива, [math]\displaystyle{ (ct)_s }[/math] — 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

[math]\displaystyle{ \eta_{br}=100\%-q_2-q_3-q_4-q_5-q_6 }[/math].

При определении КПД котла нетто из величины [math]\displaystyle{ Q_u }[/math] 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 потерями

Величину [math]\displaystyle{ q_2 }[/math], имеющую наибольшее значение, можно снижать, прежде всего снижая избыток воздуха в топке (огранично условиями полного сгорания топлива во избежание роста [math]\displaystyle{ q_{3, 4} }[/math] и экологических проблем, а также снижением скорости горения) и температуру уходящих газов (но последнее требует увеличение поверхностей нагрева). С потерями от наружного охлаждения [math]\displaystyle{ q_5 }[/math] борются, покрывая котёл теплоизоляцией (это необходимо и по условиям пребывания людей в котельной).