Тепловий баланс та ккд котлоагрегату. визначення витрати пального
Загальне рівняння теплового балансу котельного агрегату
Співвідношення, що зв'язує прихід і витрати теплоти в теплогенераторі, становить його тепловий баланс. Цілями складання теплового балансу котельного агрегату є визначення всіх прибуткових та видаткових статей балансу; розрахунок ККД котельного агрегату, аналіз витратних статей балансу з метою встановлення причин погіршення роботи котельного агрегату.
У котельному агрегаті при спалюванні палива відбувається перетворення хімічної енергії палива на теплову енергію продуктів згоряння. Теплота палива, що виділилася, витрачається на вироблення корисної теплоти, що міститься в парі або гарячій воді, і на покриття теплових втрат.
Відповідно до закону збереження енергії між приходом і витратою теплоти в котельному агрегаті має бути рівність, тобто.
Для котелень тепловий баланс складають на 1кг твердого або рідкого палива або 1м 3 газу, що знаходиться за нормальних умов ( 
). Статті приходу та витрати у рівнянні теплового балансу мають розмірність МДж/м 3 для газоподібного та МДж/кг для твердого та рідкого палива.
Тепла, що надійшла в котельний агрегат, від спалювання палива називається також теплотою, що розташовується,її позначають. У загальному випадку прибуткова частинатеплового балансу записується у вигляді:
де нижча теплота згоряння твердого або рідкого палива на робочу масу, МДж/кг;
Найнижча теплота згоряння газоподібного палива на суху масу, МДж/м 3 ;
Фізична теплота палива;
Фізична теплота повітря;
Теплота, що вноситься в топку казана з парою.
Розглянемо складові прибуткової частини теплового балансу. У розрахунках приймається нижча робоча теплота згоряння у разі, якщо температура продуктів згоряння, котрі залишають котел, вище температури конденсації водяної пари (зазвичай t р = 110…120 0 З). При охолодженні продуктів згоряння до температури, при якій на поверхні нагріву можлива конденсація водяної пари, розрахунки слід виконувати з урахуванням вищої теплоти згоряння палива
Фізична теплота палива дорівнює:
де зт – питома теплоємність палива, 
для мазуту та 
для газу;
tт – температура палива, 0°С.
При надходженні в котел тверде паливо має зазвичай малу температуру, що наближається до нуля, тому Qф.т. невелика за значенням, і її можна знехтувати.
Мазут (рідке паливо) зниження в'язкості і поліпшення розпилення надходить у топку підігрітим до температури 80…120 0 З, тому його фізична теплота враховується і під час розрахунків. При цьому теплоємність мазуту може бути визначена за формулою:
Облік Qф.т. проводиться тільки при спалюванні газоподібного палива з низькою теплотою згоряння (наприклад, доменного газу) за умови його підігріву (до 200…300 0 С). При спалюванні газоподібного палива з високою теплотою згоряння (наприклад, природного газу) має місце підвищене співвідношення маси повітря і газу (приблизно 10 1). У цьому випадку паливо – газ зазвичай не підігрівають.
Фізична теплота повітря Qф.в. враховується лише при підігріві його поза казаном за рахунок стороннього джерела (наприклад, у паровому калорифері або в автономному підігрівачі при спалюванні в ньому додаткового палива). У цьому випадку теплота, внесена повітрям, дорівнює:
де відношення кількості повітря на вході в котел (повітропідігрівник) до теоретично необхідного;
Ентальпія теоретично необхідного підігрітого перед повітряним підігрівачем повітря, 
:
,
тут температура підігрітого повітря перед повітропідігрівачем котельного агрегату, 0 С;
Ентальпія теоретично необхідного холодного повітря, :
Теплота, що вноситься в топку котла з парою при паровому розпиленні мазуту, враховується у вигляді формули:
де Gп – витрата пари, кг на 1 кг палива (при паровому розпилюванні мазуту Gп = 0,3 ... 0,35 кг / кг);
hп – ентальпія пари, МДж/кг;
2,51 -приблизне значення ентальпії водяної пари в продуктах згоряння, що залишають котельний агрегат, МДж/кг.
За відсутності підігріву палива і повітря від сторонніх джерел наявна теплота дорівнюватиме:
Витратна частина теплового балансу включає корисно використовувану теплоту Qпідлогу в котельному агрегаті, тобто. теплоту, витрачену на вироблення пари (або гарячої води), та різні теплові втрати, тобто.
де Qу.р. - Втрати теплоти з газами, що йдуть;
Qх.н. , Qм.зв. – втрати теплоти від хімічної та механічної неповноти згоряння палива;
Qн. - Втрати теплоти від зовнішнього охолодження зовнішніх огорож котла;
Qф.ш. - Втрата з фізичною теплотою шлаків;
Qакк. – витрата (знак «+») і прихід (знак «-») теплоти, пов'язаний з тепловим режимом роботи котла, що не встановився. При встановленому тепловому стані Qакк. = 0.
Отже загальне рівняння теплового балансу котельного агрегату при тепловому режимі, що встановився, можна записати у вигляді:
Якщо обидві частини поданого рівняння розділити на та помножити на 100%, то отримаємо:
де 
складові витратної частини теплового балансу, %.
3.1 Втрати теплоти з газами, що йдуть
Втрата теплоти з газами, що йдуть, виникає через те, що фізична теплота (ентальпія) газів залишають котел при температурі tу.р. , перевищує фізичну теплоту повітря, що надходять у котел повітря α у.р. та палива зт tт. Різниця між ентальпією газів і теплотою, що надійшла в котел з повітрям з навколишнього середовища α у.р. , являє собою втрату теплоти з газами, що йдуть, МДж/кг або (МДж/м 3):
.
Втрата теплоти з газами займає зазвичай основне місце серед теплових втрат котла, складаючи 5 ... 12% теплоти палива, що розташовується. Ці втрати теплоти залежать від температури, обсягу та складу продуктів згоряння, які, у свою чергу, залежить від баластових складових палива:
Відношення, що характеризує якість палива, показує відносний вихід газоподібних продуктів згоряння (при α = 1) на одиницю теплоти згоряння палива та залежить від вмісту в ньому баластових складових (вологи Wр і золи Ар для твердого та рідкого палива, азоту N 2 , діоксиду вуглецю СО 2 та кисню Про 2 для газоподібного палива). Зі збільшенням вмісту в паливі баластових складових, і, отже, втрата теплоти з газами відповідно зростає.
Одним з можливих напрямів зниження втрати теплоти з газами, що йдуть, є зменшення коефіцієнта надлишку повітря в газах, що йдуть α у.г, який залежить від коефіцієнта витрати повітря в топці та баластного повітря, присмоктаного в газоходи котла, що зазвичай знаходяться під розрядженням:
Можливість зменшення α , залежить від виду палива, способу його спалювання, типу пальників та тлумачного пристрою. При сприятливих умовзмішування палива та повітря надлишок повітря, необхідний для горіння, може бути зменшений. При спалюванні газоподібного палива коефіцієнт надлишку повітря приймають 1,1, при спалюванні мазуту = 1,1 ... 1,15.
Присоси повітря газовим трактом котла межі можуть бути зведені нулю. Однак повне ущільнення місць проходу труб через обмуровку, ущільнення лючків і глядалок утруднено і практично = 0,15 ... 0,3.
Баластне повітря в продуктах згоряння, крім збільшення втрати теплоти. Qу.р. призводить до додаткових витрат електроенергії на димосос.
Іншим найважливішим фактором, що впливає на величину Qу.г., є температура газів, що йдуть tу.р. . Її зниження досягається установкою у хвостовій частині котла тепловикористовуючих елементів (економайзера, повітряного підігрівача). Чим нижче температура газів і, відповідно, менше різниця температур між газами і робочим тілом, що нагрівається (наприклад, повітрям), тим більша площа поверхні нагріву потрібна для охолодження продуктів згоряння.
Підвищення ж температури газів призводить до збільшення втрати з Qу.р. і, отже, до додаткових витрат палива вироблення однієї й тієї кількості пари чи гарячої води. У зв'язку з цим оптимальна температура tу.р. визначається з урахуванням техніко-економічних розрахунків при зіставленні готових капітальних витрат за спорудження поверхні нагрівання і витрат за паливо (рис.3.).
Крім того, під час роботи котла поверхні нагріву можуть забруднюватися сажею та золою палива. Це призводить до погіршення теплообміну продуктів згоряння із поверхнею нагрівання. При цьому для збереження заданої паропродуктивності доводиться йти збільшення витрати палива. Занесення поверхонь нагріву призводить також до збільшення опору газового тракту котла. У зв'язку з цим для забезпечення нормальної експлуатації агрегату потрібне систематичне очищення поверхонь його нагрівання.
3.2Втрати теплоти від хімічної неповноти згоряння
Втрата теплоти від хімічної неповноти згоряння (хімічний недопал) виникає при неповному згорянні палива в межах камери згоряння і появи в продуктах згоряння горючих газоподібних складових – СО, H 2 , СH 4 , C m H n та ін. догорання ж цих горючих газів за межами топки практично неможливо через відносно низьку температуру.
Причинами появи хімічної неповноти згоряння можуть бути:
· загальний недолік кількості повітря;
· погане сумішоутворення, особливо на початкових стадіяхгоріння палива;
· низька температурав камері топки, особливо в зоні догоряння палива;
· Недостатній час перебування палива в межах топкової камери, протягом якого хімічна реакціягоріння не може завершитись повністю.
При достатньому для повного згоряння палива кількості повітря та хорошому сумішоутворенні втрати залежать від об'ємної щільності тепловиділення в топці, МВт/м 3
Де У- Витрата палива, кг / с;
Vт - обсяг топки, м3.
 Мал. 14.9 Залежність втрати теплоти від хімічної неповноти згоряння q х.н, %, від об'ємної щільності тепловиділення в топці q v, МВт/м3. | Характер залежності представлений рис.4. . У сфері низьких значень (ліва частина кривої), тобто. при малих витратах палива, втрати збільшуються у зв'язку зі зниженням температурного рівня в камері топки. Збільшення об'ємної щільності тепловиділення (зі збільшенням витрати палива) призводить до підвищення температурного рівня в топці та зниження |
Однак після досягнення певного рівня при подальшому збільшенні витрати палива (права частина кривої) втрати знову починають зростати, що пов'язано зі зменшенням часу перебування газів в обсязі топки і неможливістю у зв'язку з цим завершення реакції горіння.
Оптимальне значення, при якому втрати мінімальні, залежить від виду палива, способу його спалювання та конструкції топки. Для сучасних топкових пристроїв втрата теплоти від хімічної неповноти згоряння становить 0…2% при 
.при спалюванні твердого та рідкого палива:
при спалюванні газоподібного палива:
При розробці заходів щодо зниження величини слід мати на увазі, що за наявності умов появи продуктів неповного згорянняв першу чергу утворюється CO як найбільш складний компонент, а потім Н 2 та інші гази. З цього випливає, що й у продуктах горіння відсутня СО, то них немає і Н 2 .
Коефіцієнт корисної дії котельного агрегату
Коефіцієнтом корисної діїкотельного агрегату називають відношення корисної теплоти, витраченої на вироблення пари (або гарячої води), до теплоти котельного агрегату, що розташовується. Однак не вся корисна теплота, вироблена котельним агрегатом, спрямовується споживачам, частина теплоти витрачається на власні потреби. З урахуванням цього розрізняють ККД котельного агрегату з виробленої теплоті (ККД – брутто) і відпущеної теплоті (ККД – нетто).
По різниці виробленої та відпущеної теплот визначається витрата на власні потреби. На власні потреби витрачається не лише теплота, а й електрична енергія(Наприклад, на привід димососа, вентилятора, поживних насосів, механізмів паливоподачі), тобто. витрата на власні потреби включає витрати всіх видів енергії, витрачених на виробництво пари або гарячої води.
Отже, ККД – брутто котельного агрегату характеризує ступінь його технічної досконалості, а ККД – нетто – комерційну економічність.
ККД - брутто котельного агрегату можна визначити або за рівнянням прямого балансу або за рівнянням зворотного балансу.
По рівнянню прямого балансу:
Наприклад, при виробництві водяної пари корисна теплота дорівнює ( див. 2 питання) :
Тоді 
З наведеного виразу можна отримати формулу для визначення необхідної витрати палива, кг/с (м 3 /с):
По рівнянню зворотного балансу:
Визначення ККД - брутто за рівнянням прямого балансу проводять переважно при звітності за окремий період (декада, місяць), а за рівнянням зворотного балансу - при випробуванні котельних агрегатів. Обчислення ККД за зворотним балансом значно точніше, оскільки похибки при вимірі втрат теплоти менше, ніж щодо витрати палива.
ККД – нетто визначається за виразом:
де витрата енергії за власні потреби, % .
Таким чином, для підвищення ефективності котельних агрегатів недостатньо прагнути зниження теплових втрат; необхідно також усіляко скорочувати витрати теплової та електричної енергії на власні потреби, які становлять в середньому 3 ... 5% теплоти, що розташовується котельним агрегатом. ККД котельного агрегату залежить від його навантаження. Для побудов залежності потрібно від 100% відняти послідовно всі втрати котельного агрегату, які залежать від навантаження, тобто. 
Для сучасної котельні на рідкому паливі ККД часто досягатиме 80% за умови, що котельня чиста, без сажі. Однак реальний ККД у середньому (у тих котелень, які вимірювалися) приблизно 65%. Найчастіше котельня не настільки чиста, щоб вона могла прийняти тепло від полум'я та передати максимальну кількість тепла воді.
Набагато складніше складається ситуація, коли виробники котелень починають говорити про ККД, що сягає 95%. Незрозуміло, які умови були щодо ККД, і який ККД мають на увазі.
У технічній/економічній області використовується щонайменше 6 визначень для ККД котельні. Оскільки багатьом людям невідомі умови визначення ККД котельні, постачальники, не боячись бути звинуваченими у брехні, дають високий ККД. Однак ці високі цифри не мають нічого спільного з дійсністю платника за тепло.
1. ККД ГОРІННЯ
ККД горіння - кількість енергії палива, що звільняється при спалюванні.
Звільнення енергії палива та її перехід у тепло в осередку (пічці) котельні не говорить про високий ККД котельні. ККД горіння надається деякими виробниками котелень як ККД котельні, оскільки 1) цифра висока (приблизно 93-95%) 2) легко виміряти ККД горіння - потрібно встановити інструмент у димові труби.
Звільнення тепла з палива відбувається у більшості котелень із високим ККД горіння.
Отже: Звільнення енергії палива плюс її перехід у тепло в осередку (пічці) це не те тепло, яке приймається котлом!! Ми ж зацікавлені в тому теплі, яке приймається казаном!!
2. ККД КОТЕЛЬНОЇ
ККД котельні - кількість енергії палива, яке корисно використовується, тобто. перетворюється на інше енергонесуче середовище.
Під іншим енергетичним середовищем мається на увазі, наприклад, тепла водияка обігріває будинок.
ККД котельні - це найбільш використовуване визначення ККДу всіх типах установок зі спалювання.
ККД котельні виміряти складніше, ніж ККД горіння, тому багато хто задовольняється лише вимірюванням ККД горіння. Насправді ККД котельні на 10-15% нижче, ніж ККД горіння.
3. ККД ТОПОЧНОЇ ТЕХНІКИ
ККД ТОПОЧНОЇ ТЕХНІКИ ПОКАЗУЄ, ЯК ЕФЕКТИВНО відбувається ГОРІННЯ І ПРИЙОМ ТЕПЛА В КОТЕЛЬНІЙ. Навіть ці розрахунки часто надаються в результаті аналізу димогарних газів.
Часто ККД топкової техніки використовується як приблизний аналог ККД котельні, так як техніка вимірювання в даному випадку легше. За допомогою цієї техніки можна отримати зразкову цифру для ККД котельні: необхідно постійно проводити аналіз складу кисню або СО2 у димарних газах. Забираються втрати, оскільки, наприклад, у золі/шлаках є частина тепла (особливо це стосується шлакообразующих видів палива). Що стосується рідкого палива, то ККД топкової техніки та ККД котельні приблизно однаковий, оскільки рідке паливо не містить золи/шлаків. Але якщо використовувати це поняття для вугілля чи біопаливо, то похибки (помилки) значно вищі.
4. ККД ВСТАНОВЛЕННЯ
При обчисленні ККД установки визначається відношення між загальним обсягом корисної енергії та загальною кількістю енергії. У загальну кількість енергії входить також допоміжна енергія, наприклад, електрична енергія необхідна для роботи насосів котельні, вентиляції, димоходів і т.д. Для установки на рідкому паливі "допоміжна енергія" відповідає приблизно 1% загальної енергії палива, для установок на твердому паливі "допоміжна енергія" дорівнює 5% енергії палива.
ККД установки, таким чином, буде нижчим, ніж ККД котельні.
5. ККД СИСТЕМИ
Визначення ККД системирозширює межі системи до:
Виробництва тепла із втратами
- розподілу тепла із втратами у теплотрасах тощо.
- Використання тепла
Згідно з UNICHAL (Міжнародний союз постачальників тепла) такі типові втрати в трубах при поширенні гарячої води в квартири мають місце:
Швеція – 8%втрат у трубах, тобто. тепло віддається землі та оточенню труб ЦТ
Данія – 20%
Фінляндія – 9%
Бельгія – 13%
Швейцарія – 13%
Західна Німеччина – 11%
6. ККД річний
ККД на рік у принципі відповідає ККД котельні, але тоді розраховується середнє ККД котельні протягом усього року. У ККД на рік входять також періоди з поганим рівнем горіння, наприклад, при запуску котельні і т.д.
ККД на рік залежить від розміру установки, терміну експлуатації тощо.
Викладене вище, показує, що використовуються різні визначення для ККД, тому є велика ймовірність того, що буде дано помилкову цифру, якщо поняття та визначення ККД не уточнено. Таким чином, не варто боятися бути нетактовним, оскільки насправді багато виробників, володіючи або не володіючи знаннями, надають помилкові цифри.
Важливими є ті цифри, які відображають реальну економічну сторону того палива, яке споживач купує. Якщо втратити довіру споживача через надання надто високого ККД, то поява великих проблемринку неминуче.
Як сказано, "всі постачальники" (принаймні багато) дають ККД горіння, коли вони пропонують інформацію про ККД котельні.
Не можна використовувати ККД горіння при розрахунку економіки установки!
Споживач КУПУЄ НЕ ПАЛИВО, А ЗАСІБ ДЛЯ ОТРИМАННЯ ТЕПЛА. Не паливо має бути дешевим, а тепло, яке споживачі отримують під час зимових завірюх.
Опалювальна техніка, що працює на твердому паливі, представлена сьогодні цілою групою апаратів. Кожен твердопаливний котел, що випускається сьогодні вітчизняними та зарубіжними компаніями-виробниками – це абсолютно нові високотехнологічні нагрівальні прилади. Завдяки впровадженню в конструкцію опалювальних приладів технічних нововведень та оснащенню пристроями автоматичного контролю вдалося значно підвищити ККД, оптимізувати роботу твердопаливних котлів.
У нагрівальних приладах цього виду використовується традиційний принцип дії, аналогічний добре знайомому нам варіанту пічного опалення. Основна дія обумовлена процесом генерації теплової енергії, що виділяється при згорянні в топці котла вугілля, коксу, дров та інших паливних ресурсів з подальшою передачею тепла теплоносія.
Як і інші пристрої, що забезпечують вироблення, передачу енергії, котельне обладнаннямає власний коефіцієнт корисної дії. Розглянемо більш детально, що є ККД агрегатів, що працюють на твердому паливі. Постараємося знайти відповіді питання, пов'язані з цими параметрами.
Що таке ККД опалювальних приладів
Для будь-якого нагрівального агрегату, до якого входить обігрів внутрішнього просторужитлових будівель та споруд різного призначенняважливим компонентом була, є і залишається ефективність роботи. Параметром, що визначає ефективність твердопаливних котлів, є коефіцієнт корисної дії. ККД показує відношення витраченої теплової енергії, що видається котлом у процесі горіння твердого палива до корисного тепла, яким постачається вся система опалення.
Виражається це співвідношення у відсотках. Чим краще працює котел, тим вищі відсотки. Серед сучасних твердопаливних котлів є моделі з високим ККД, високотехнологічні, ефективні та економічні агрегати.
Для довідки:як грубий приклад, слід оцінити тепловий ефект, що отримується при сидінні біля багаття. Дров, що виділяється при горінні. теплова енергіяздатна обігріти обмежений навколо багаття простір та предмети. Більшість тепла від вогнища, що горить (до 50-60%), йде в атмосферу, не даючи ніякої користі, крім естетичного змісту, в той час як сусідні предмети і повітря отримують обмежену кількість кілокалорій. Коефіцієнт корисної дії в багаття мінімальний.
Коефіцієнт корисної дії опалювальної техніки залежить від того, який вид палива використовується і які конструктивні особливості пристрою. 
Наприклад: при горінні вугілля, дров чи пелет виділяється різного кількість теплової енергії. Багато в чому ККД залежить від технології спалювання палива в камері згоряння та типу системи опалення. Іншими словами, кожен вид нагрівальних приладів (традиційні котли на твердому паливі, агрегати тривалого горіння, пелетні котли та апарати, що працюють за рахунок піролізу), має свої технологічні особливості конструкції, що впливають на параметри ККД.
Позначаються на ефективності котлів так само умови експлуатації та якість вентиляції. Слабка вентиляція стає причиною нестачі повітря, необхідного для високої інтенсивності процесу спалювання паливної маси. Від стану димаря залежить не тільки рівень комфорту в внутрішніх приміщеннях, а й ККД обігрівальної техніки, працездатність усієї системи опалення.
Супровідна документація на опалювальний котел повинна мати заявлений виробником ККД обладнання. Відповідність реальних показників заявленої інформації досягається за рахунок правильного монтажуапарату, обв'язкою та подальшою експлуатацією.
Правила експлуатації котелень, дотримання яких впливає на величину ККД
Будь-який вигляд опалювального агрегатумає свої параметри оптимального навантаження, яке має бути максимально корисним, з технологічної та економічної точки зору. Процес експлуатації твердопаливних котлів побудований таким чином, що більшість часу техніка працює в оптимальному режимі. Забезпечити таку роботу дозволяє дотримання правил експлуатації опалювального обладнання, що працює на твердому паливі. В даному випадку необхідно дотримуватися та дотримуватися наступних пунктів:
- необхідно дотримуватись прийнятних режимів дуття та роботи витяжки;
- постійний контроль над інтенсивністю горіння та повноти згоряння палива;
- контролювати величину винесення та провалу;
- оцінка стану поверхонь, що нагріваються в процесі горіння палива;
- регулярне чищення котла.
Перелічені пункти є тим необхідним мінімумом, якого потрібно дотримуватися під час експлуатації котельного обладнання опалювальний сезон. Дотримання простих і зрозумілих правил дозволить отримати заявлений у характеристиках ККД автономного казана.
Можна сказати про те, що кожна дрібниця кожен елемент конструкції нагрівального приладу позначається на величині коефіцієнта корисної дії. Правильно сконструйований димар, система вентиляції забезпечують оптимальний приплив повітря в камеру топки, що істотно відбивається на якості горіння паливного продукту. Робота вентиляції оцінюється величиною коефіцієнта надлишку повітря. Надмірне збільшення обсягу повітря, що надходить, призводить до перевитрати палива. Тепло інтенсивніше йде через трубу разом із продуктами горіння. При зменшенні коефіцієнта робота котлів суттєво погіршується, висока ймовірність виникнення у топці зон, обмежених киснем. За такої ситуації в топці починає утворюватися і накопичуватися у великих кількостях сажа.
Інтенсивність та якість горіння у твердопаливних котлах потребують постійного контролю. Завантаження камери згоряння повинно виконуватися рівномірно, не допускаючи вогнищевих спалахів.
На замітку:вугілля або дрова рівномірно розподіляються по колосниках або ґратах. Горіння повинне проходити по всій поверхні шару. Поступово розподілене паливо швидко підсихає і горить по всій поверхні, гарантуючи повне вигоряння твердих компонентів паливної маси до летючих продуктів горіння. Якщо ви правильно заклали паливо в топку, полум'я під час роботи котлів буде яскраво жовтого, солом'яного кольору.
Під час горіння важливо не допускати провалів паливного ресурсу, інакше доведеться зіткнутися із суттєвими механічними втратами (недопалом) палива. Якщо не контролювати положення палива в топці, великі фрагменти вугілля або дров, що впали в зольний ящик, можуть призвести до несанкціонованого займання залишків продуктів паливної маси.
Сажа і смола, що накопичилася на поверхні теплообмінника, зменшують ступінь нагрівання теплообмінника. Внаслідок всіх перерахованих порушень умов експлуатації зменшується корисний обсяг теплової енергії, необхідної для нормальної роботисистеми опалення. Як наслідок можна говорити про різке зниження ККД опалювальних котлів.
Чинники, від яких залежить ККД котлів
Котли з високим значенням ККД на сьогоднішній день представлені наступною опалювальною технікою:
- агрегати, що працюють на вугіллі та на іншому твердому викопному паливі;
- пелетні казани;
- апарати піролізного типу.
ККД нагрівальних приладів, у топку яких іде антрацит, кам'яне вугілля та торф'яні брикети, становить у середньому 70-80%. Значно більший коефіцієнт корисної дії пелетних пристроїв – до 85%. Завантажувані гранулами, нагрівальні котли цього типу відрізняються високою ефективністю, що видається під час горіння палива величезна кількість теплової енергії.
На замітку:одного завантаження цілком достатньо роботи апарату на оптимальних режимах до 12-14 годин.
Абсолютний лідер серед твердопаливного опалювального обладнання – піролізний котел. У цих приладах використовують дрова або відходи деревини. ККД такої техніки сьогодні становить 85% і більше. Агрегати також відносяться до високоефективним пристроямтривалого горіння, але при дотриманні необхідної умови- Вологість палива не повинна перевищувати 20%.
Важливим значення коефіцієнта корисної дії є тип матеріалу, з якого виготовлений опалювальний прилад. Сьогодні на ринку представлені моделі твердопаливних котлів, виконаних зі сталі та чавуну.
Для довідки:До перших відносяться сталеві вироби. Для зниження ринкової вартості агрегату компанії-виробники використовують основні елементи конструкції, виконані зі сталі. Наприклад, теплообмінник виготовляється з високоміцної жаростійкої чорної сталі завтовшки 2-5 мм. Так само виготовляються нагрівальні трубчасті елементи, використовувані нагріву основного контуру.
Чим товстіша сталь, яка використовується в конструкції, тим вище теплообмінні характеристики обладнання. Відповідно зростає коефіцієнт корисної дії.
В апаратах із сталі збільшення ККД досягається за рахунок встановлення спеціальних внутрішніх перегородок у вигляді труб – щаблів основного потоку та розсікачів диму. Заходи вимушені та часткові, що дозволяють трохи підвищити ефективність основного пристрою. Серед моделей сталевих твердопаливних котлів рідко можна зустріти прилади, що мають ККД понад 75%. Термін експлуатації таких виробів становлять 10-15 років.
Зарубіжні компанії з метою підвищення ККД сталевих опалювальних котлів використовують у своїх моделях процес нижнього спалювання, з двома або з трьома тяговими потоками. У конструкції виробів передбачена установка трубчастих нагрівальних елементівдля покращення теплообміну. Подібна техніка має ККД в межах 75-80%, і може прослужити довше, в 1,5 рази.
На відміну від сталевих агрегатів, більшу ефективність мають чавунні твердопаливні апарати.
У конструкції чавунних агрегатів використовуються теплообмінники, виготовлені з чавунного сплаву особливої марки, що має високу тепловіддачу. Такі котли найчастіше використовуються для відкритих опалювальних системопалення. Вироби додатково оснащуються колосниками, завдяки яким здійснюється інтенсивний відбір теплової енергії безпосередньо від палива, що горить, розміщеного на колосниках.
ККД у таких нагрівальних приладів становить 80%. Слід враховувати величезні терміни експлуатації чавунних котлів. Термін працездатності подібної техніки становить 30-40 років.
Як підвищить ефективність опалювальної техніки, що працює на твердому паливі
Сьогодні багато споживачів, маючи у своєму розпорядженні твердопаливний котел, намагаються знайти найбільш зручний і практичний спосібяк підвищити ККД опалювального обладнання Технологічні параметри нагрівальних приладів, закладені виробником, згодом втрачають свої номінальні значення, тому підвищення ефективності котельного техніки вишукуються різні способи і засоби.
Розглянемо один із найбільш ефектних варіантів, встановлення додаткового теплообмінника. У завдання нового оснащення входить зняття теплової енергії з летких продуктів горіння.
На відео можна побачити, як зробити самостійно економайзер (теплообмінник)
Для цього нам попередньо необхідно дізнатися, яка температура диму на виході. Змінити її можна за допомогою мультиметра, який розміщується безпосередньо в середині димоходу. Дані про те, скільки можна отримати додаткового тепла від продуктів горіння, що випаровуються, необхідні для розрахунку площі додаткового теплообмінника. Робимо такі дії:
- відправляємо в топку дрова певної кількості;
- засікаємо за скільки часу прогорить певну кількість дров.
Наприклад: дрова, у кількості 14.2 кг. горять 3,5 години. Температура диму на виході з казана становить 460 0 С.
За 1 годину ми згоріли: 14,2/3,5 = 4,05 кг. дров.
Для розрахунку кількості диму використовуємо загальноприйняте значення – 1 кг. дров = 5,7 кг. димових газів. Далі множимо кількість дров, що згоріли за одну годину на кількість диму, одержуване при згорянні 1 кг. дров. У результаті: 4,05 х 5,7 = 23,08 кг. летючі продукти горіння. Ця цифра стане відправною точкою для подальших розрахунків кількості теплової енергії, яку можна використовувати додатково для нагрівання другого теплообмінника.
Знаючи значення теплоємності летких гарячих газів, як 1,1 кДж/кг., робимо подальший розрахунок потужності теплового потокуякщо ми хочемо знизити температуру диму з 460 0 С до 160 градусів.
Q = 23,08 х 1,1 (460-160) = 8124 кДж теплової енергії.
В результаті отримуємо точне значення додаткової потужності, яку забезпечують леткі продукти горіння: q = 8124/3600 = 2,25 кВт, цифра велика, яка може істотно вплинути на підвищення ефективності опалювального обладнання. Знаючи про те, скільки енергії йде даремно, бажання оснастити котел додатковим теплообмінником цілком виправдане. За рахунок припливу додаткової теплової енергії для роботи з нагрівання теплоносія, підвищується не тільки ефективність усієї системи опалення, а й сам ККД опалювального агрегату зростає.
Висновки
Незважаючи на безліч моделей сучасної опалювальної техніки, твердопаливні котли продовжують залишатися одним з ефективних і доступних видом нагрівального обладнання. У порівнянні з електричними котлами, які мають ККД до 90%, агрегати на твердому паливі мають високий економічний ефект. Збільшення коефіцієнта корисної дії на нових моделях дозволило цьому виду котельного обладнання впритул наблизитися до електричних і газових котлів.
Сучасні апарати на твердому паливі здатні не лише працювати довгий час, використовуючи доступне за ціною природні паливні ресурси, але й мають високі експлуатаційні характеристики.
Коефіцієнт корисної дії котельного агрегату або ККД котельного агрегату є відношенням величини використання тепла в котельному агрегаті До величини витраченого тепла палива. Частина пари, виробленого в котельному агрегаті, безпосередньо витрачається на власні потреби, наприклад на поживні насоси, дутьові вентилятори, димососи, обдування поверхонь нагріву. З огляду на ці витрати вводять поняття ККД котельного агрегату нетто.
Тепло, використане в котельному агрегаті для отримання пари або гарячої води,
де В -годинна витрата палива, кг/год (м3/год);
D -годинна продуктивність котельного агрегату, кг/година;
qк.а - кількість тепла, передана в котельному агрегаті воді для перетворення її в пару або для одержання гарячої води та віднесена до 1 кг пари або води, кДж/кг (ккал/кг);
К.а - ккд котельного агрегату.
Для котельного агрегату, в якому виробляється насичена пара
де i- ентальпія насиченої пари;
i п.в – ентальпія поживної води;
q пр- кількість тепла, що видаляється з котельного агрегату з продувною водою, кДж/кг (ккал/кг); зазвичай q пр= (0,01-0,02) · i", де i- тепломісткість води при температурі t н.
Для водогрійного котельного агрегату, в якому одержують гарячу воду
де i 1 - ентальпія води, що надходить у котел; i 2 - ентальпія води, що виходить із котла.
Якщо відома кількість отриманої пари та її ентальпія, а також годинна витрата палива та теплота згоряння палива, то можна визначити ККД котельного агрегату, %:
Для сучасних котельних агрегатів q 1 залежно від паропродуктивності котельного агрегату, температури газів, що сходять, роду спалюваного палива і способу його спалювання може змінюватися в дуже широких межах від 75 до 80% для котельних агрегатів невеликої продуктивності, в яких тверде паливоспалюється в шарових топках, і до 91-95% для великих котелень з факельним спалюванням палива. Найбільш високі ККД виходять для котельних агрегатів, що працюють на рідкому та газоподібному паливі.
Для котелень невеликої продуктивності втрати тепла становлять від 20 до 25%, а для великих від 5 до 9%. Основними втратами тепла є втрати з газами, що йдуть. q 2
приклад.
Визначити ККД котельного агрегату та оцінити теплові втрати котельного агрегату паропродуктивністю Q = 10 тонн/годину при параметрах пари: тиск P= 1,4 МПа (14 кгс/см2) та температура t = 197,3°С. Годинна витрата палива 1500 кг, температура живильної води 100 ° С, теплота згоряння палива Q рн = 20647 кДж/кг (4916 ккал/кг). Оцінку теплових втрат котельного агрегату провести за середніми значеннями, даними у відповідних розділах. Величинуq пр ( кількість тепла, що видаляється з котельного агрегату з продувною водою) Прийняти рівною 0.За таблицею та заданими параметрами пари: тиску рта температурі tзнаходимо його ентальпію ~ 2790 кДж/кг (666 ккал/кг). При 100°С тепломісткість поживної води складе приблизно 419 кДж/кг (100 ккал/кг). Отже, тепло, отримане 1 кг пари згідно з формулою,qдо
. а= 2790 - 419 = 2371 кДж/кг ( qдо. а = 666 – 100 = 566 ккал/кг).Коефіцієнт корисної дії котельного агрегату за формулою
Величина теплових втрат
Σ q i = 100 - ŋ к.а = 100 – 76,8 = 23,2%. За середніми значеннями q 2 ,q 3 , q 4 наведеним у § Тепловий баланс котельного агрегату, знаходимо q 2 = 12,5%, q 3 = 1%, q 4 = 6,25%. Отже, величина втрат у навколишнє середовище q 5 = Σ q i- q 2 - q 3 - q 4 = 23,2 - 12,5 - 1 - 6,25 = 3,45%. ,
Теплоефективність котельного обладнання вказується в коефіцієнті корисної дії. ККД газового котла, обов'язково прописується у технічній документації. Згідно з запевненнями виробників, у деяких моделей котлів коефіцієнт досягає 108-109%, інші працюють на рівні 92-98%.
Як розрахувати ККД опалювального котла на газі
Методика розрахунку ефективності відбувається за допомогою порівняння витраченої теплової енергії для нагрівання теплоносія та фактичної кількості всієї теплоти, виділеної під час спалювання палива. У заводських умовах обчислення виконують за формулою:η = (Q1/Qri) 100%
У формулі розрахунків ККД водогрійного котла на газі зазначені значення означають:
- Qri - загальна кількість теплової енергії, що виділяється при спалюванні палива.
- Q1 – тепло, яке вдалося акумулювати та використовувати для нагрівання приміщення.
На місці проводиться оцінка похибки визначення теплоефективності. Для обчислень застосовують ще одну формулу:
η=100 - (q2 + q3 + q4 + q5 + q6)
Розрахунки допомагають провести аналіз відповідно до особливостей конкретної системи опалення. Скорочення у формулі позначають:
- q2 – тепловтрати у газах і продуктах згоряння.
- q3 – втрати, пов'язані з неправильними пропорціями газоповітряної суміші, через які виникає недопалювання газу.
- q4 – теплові втрати, пов'язані з появою на пальниках та теплообміннику сажі, а також механічний недопал.
- q5 – тепловтрати, залежно від зовнішньої температури.
- q6 – втрати тепла під час охолодження топки під час очищення її від шлаків. Останній коефіцієнт відноситься виключно до твердопаливних агрегатів і не враховується при розрахунках ККД обладнання, що працює на природному газі.
Найсильніше впливає на теплоефективність, температура газів, що відходять, зазначена у формулі маркером q2. При зменшенні інтенсивності нагріву градусів, що відходять на 10-15°С, підвищується ККД на 1-2%. У зв'язку з цим, найвищий ККД у конденсаційних котлах, що належать до класу низькотемпературного опалювального обладнання.
У якого газового котла найвищий ККД
Статистика та технічна документація ясно вказують, що котли імпортного виробництва мають найбільший ККД. Європейські виробники роблять особливий акцент на застосуванні енергозберігаючих технологій. Іноземний газовий котел, має високий ККД, тому що в його пристрої зроблено деякі модифікації:- Використовується модуляційний пальник – сучасні котлипровідних виробників, оснащені плавнодвоступінчастими або повністю модульованими пальниками. Перевага пальників – автоматична пристосованість до фактичних робочих параметрів системи опалення. Відсоток недопалу знижується до мінімуму.
- Нагрів теплоносія– оптимальний котел, це агрегат, що розігріває теплоносій до температури не більше 70°С, при цьому гази, що відходять, нагріваються не більше 110°С, що і забезпечує максимальну тепловіддачу. Але при низькотемпературному нагріванні теплоносія спостерігається кілька мінусів: недостатня сила тяги, посилене конденсатоутворення.
Теплообмінники в газових котлах з найвищим коефіцієнтом корисної дії, виготовляються з нержавіючої сталіі забезпечуються спеціальним блоком-конденсатором, призначеним для відбору тепла, що знаходиться в конденсаті. - Температура газу, що підводить, і повітря, що надходить на пальник. Котли закритого типу підключаються . Повітря надходить у камеру згоряння через зовнішню порожнину двопорожнинної труби, попередньо підігріваючись, що знижує необхідні тепловитрати на кілька відсотків.
Пальники з попереднім приготуванням газоповітряної суміші також підігрівають газ перед подачею його на пальник. - Ще один популярний варіант модифікації– установка системи рециркуляції газів, що відходять, коли дим не відразу надходить в камеру згоряння, а проходить через ламаний димохідний канал і надходить після підмішування свіжого повітря, назад на пальникове пристрій.
Максимальне ККД досягається при температурі конденсатоутворення або точки роси. Казани, що працюють в умовах низькотемпературного нагріву, називаються конденсаційними. Їх відрізняє мале споживання газу і висока теплоефективність, що особливо помітно при підключенні до і .
Конденсаційні котли пропонують кілька європейських виробників, серед яких:
- Viessmann.
- Buderus.
- Vaillant.
- Baxi.
- De Dietrich.
У технічній документації до конденсаційним котлам, зазначено, що ККД пристроїв при підключенні до низькотемпературних систем обігріву становить 108-109%.
Як збільшити ККД опалювального котла на газі
Існують всілякі хитрощі підвищення ККД. Ефективність способів залежить від початкової конструкції котла. Для початку використовують модифікації, що не вимагають змін у роботі котла:- Зміна принципу циркуляції теплоносія- Будівля прогрівається швидше і рівномірніше, при підключенні циркуляційного насоса.
- Установка кімнатних терморегуляторів– модернізація котлів для підвищення ККД за допомогою датчиків, що контролюють не нагрівання теплоносія, а температуру в приміщенні, ефективний методпідвищення теплоефективності.
- Підвищення коефіцієнта використання газу в побутовому котлі приблизно на 5 -7% відбувається при заміні пальникового пристрою. Установка модуляційного пальника сприяє поліпшенню пропорцій газоповітряної суміші і відповідно зменшує відсоток недогару. Тип встановленого пальника, знаходиться в прямій залежності, щодо зменшення втрат тепла.
- Замість повної модифікації котла може знадобитися часткове перетворення конструкції та регулювання витрати палива. Якщо змінити положення пальників та встановити їх ближче до водяного контуру, вдасться збільшити ККД ще на 1-2%. Тепловий баланс котельного агрегату збільшиться у велику сторону.
ККД зменшується при забрудненні теплообмінника, тому що накип, що складається з сольових відкладень металів, має погану теплопровідність. З цієї причини спостерігається постійне збільшення витрати газу і згодом котел повністю виходить з ладу.
Спостерігається невелике збільшення ККД при згорянні зрідженого газу, що досягається за рахунок зниження швидкості надходження палива на пальник, що призводить до зменшення недогару. Проте теплоефективність збільшується незначно. Тому, природний газпродовжує залишатися найбільш економічним із усіх використовуваних традиційних типів палива.