ТОПКОВЕ ОБЛАДНАННЯ. Тепловий (енергетичний) баланс діючого котла складають за результатами балансових випробувань з метою аналізу ефективності роботи котла і визначення його ККД

Тепловий (енергетичний) баланс діючого котла складають за результатами балансових випробувань з метою аналізу ефективності роботи котла і визначення його ККД. При тепловому розрахунку проектованого котла тепловий баланс складають на основі нормативних даних з метою визначення витрати палива і ККД проектованого агрегату. У котельній техніці тепловий баланс приводять стосовно до 1 кг твердого і рідкого палива або 1 м³ газоподібного палива (при Т=273К і р=0,1013 МПа).

Тепловий баланс виражає рівність між прибутковою тепловою енергією, що називається наявною теплотою, і витратною.

Наявна теплота Q^p_р включає нижчу теплоту згоряння палива у розрахунку на робочу масу палива , фізичну теплоту, повітря, що надходить у повітропідігрівник Q_п, і фізичну теплоту пари яка подається на розпил рідкого палива (якщо котел працює на рідкому паливі, розпилювання здійснюється парою) Q_пар:

Q^p_р=Q^p_н+Q_т+Q_п+Q_пар. (3.1)

В умовах сільськогосподарського виробництва Q^p_н>>Q_т, Q_п, Q_пар. Тому без особливої похибки можна прийняти Q^p_р =Q^p_н .У цьому випадку рівняння теплового балансу має такий вигляд:

Q^p_н=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆ (3.2)

де Q₁— корисно використана теплота;Q₂,Q₃,Q₄,Q₅,Q₆—втрати теплоти відповідно із відхідними газами, від хімічної неповноти згоряння палива, від механічної неповноти згоряння палива, у навколишнє середовище та із шлаками, що видаляються з топки.

Поділивши обидві частини рівняння на Q^p_н і помноживши його на 100, одержимо вираз теплового балансу у процентах до наявної теплоти:

100 = q₁+q₂+q₃+q₄+q₅+q₆ (3.3)

де

Теплоту, кДж/кг, що корисно використана у паровому котлоагрегаті, визначають за формулою:

Q₁= (3.4.)

де D—витрата пари, кг/с; В—витрата палива, кг/с; h_п.п.;h_п.в.; h_к.в.— відповідно ентальпія пари, живильної та котлової води, кДж/кг; Р — величина безперервної продувки, %.

Теплота, кДж/кг, що корисно використана у водогрійних котлах:

Q₁= (3.5.)

де h₁ і h₂— відповідно ентальпія води, що надходить у котел і виходить з нього, кДж/кг; М_в — витрата води, кг/с;

Втрати теплоти із відхідними газами:

Q₂=(Н_ух-α_ухН^о_х.п.)(100-q₄)/100, (3.6)

де Н_ух і Н^о_х.п— відповідно ентальпії продуктів згоряння і холодною повітря, кДж/кг; α_ух—коефіцієнт надлишку повітря за котлоагрегатом; 100-q₄—поправка на механічний недопал палива.

Втрати із підхідними газами становлять 6...15 %, залежать від температури відхідних газів та їх обсягу. На об'єм відхідних газів суттєво впливає режим роботи топки (у першу чергу, коефіцієнт надлишку повітря у топці) і наявність підсосів повітря через нещільності в обмурівці котла, що призводить до збільшення значення α_ух. При проектуванні котлів температуру відхідних газів приймають рівною 400...450 К.

Втрати теплоти від хімічної неповноти згоряння палива Q₂ спричинені тим, що у процесі горіння не всі елементи окислюються до кінцевих продуктів. Ці втрати становлять до 3 %. Вони визначаються за вмістом у димових газах продуктів неповного згоряння палива (в основному оксиду вуглецю, а також Н₂, СН₄, С_mН_n).

Втрати від механічного недопалу визначаються за вмістом у золі та шлаці горючих речовин. Залежно від способу спалювання і властивостей палива значення q₄ коливається у межах 1...12 %. При шаровому методі спалювання палива втрата q₄ більша, ніж при факельному.

Втрата теплоти в оточуюче середовище (0,5...З %) залежить від температури і площі зовнішніх поверхонь котельного агрегату. У котельній техніці цю втрату визначають залежно від продуктивності котлоагрегату.

Втрати з фізичним теплом шлаків залежать від кількості шлаків, що видаляють із котла, їх теплоємкості та температури. Звичайно значення q₆ невелике і тільки при рідкому шлаковидаленні може досягти 1...5 %. В агропромисловому комплексі котли із рідким шлаковидаленням не застосовують і тому у цьому випадку можна прийняти q₆=0.

Відношення корисно використаної у котлі теплоти до наявної теплоти визначають ККД котла брутто:

η^бр_к.а.= (3.6.)

або

η^бр_к.а.=100-Σq_і.

Залежно від потужності котлів та розвинутості конвективних поверхонь нагріву вона становить 70...92 %.

Враховуючи втрати енергії на власні потреби котельні (привод насосів та вентиляторів, допоміжного обладнання), що складають З...4 %, одержимо ККД котла нетто:

η^нт_к.а.=η^бр_к.а-q_с.н, (3.7.)

Витрата натурального палива В, кг/год або м³/год:

у паровому котлі —

В= (3.8.)

у водогрійному котлі —

В= (3.9.)

Витрата умовного палива, кг/год:

В_умов= (3.10.)

Ексергетичний баланс котла. Тепловий баланс котла дає кількісну картину розподілу наявної теплоти, в тому числі й розподіл теплових втрат, без урахування якості теплоти у складових балансу. Для оцінки ефективності роботи котла з позиції якості одержуваного теплоносія— пари чи гарячої води — складають ексергетичний баланс, який включає: енергію палива та повітря, енергію одержуваного теплоносія, енергії складових втрат теплоти.

Крім цих втрат, у ексергетичний баланс котла входять втрати енергії через необоротність процесу горіння, необоротність теплообміну і змішування потоків.

Ексергетичний ККД котла визначається виразом:

η_е= (3.11.)

де Е₁, Е_н—ексергія відповідно корисно використана і наявна, Дж/кг палива (або Дж/м³ палива); ΣΔЕ_і— сумарні втрати ексергії через необоротність процесів у котлі: горіння, теплообміну, змішування потоків, підсмоктування повітря через нещільності тощо.

Наявна ексергія у котлі Е_н складається з ексергії палива Е_пал і повітря Е_п, що подаються у топку:

Е_н = Е_п + Е_пал. (3.12.)

Втрати ексергії при горінні:

ΔЕ_г= Е_н—Е_а, (3.13)

де Е_а — ексергія продуктів згоряння при адіабатній температурі.

Втрати ексергії при теплообміні:

ΔЕ_т=ΔЕ₁—ΔЕ₂, (3.14.)

де ΔЕ₁— зменшення ексергії гріючого тіла (продуктів згоряння при передачі теплоти у котельній установці); ΔЕ₂,—збільшення ексергії гріючого тіла (води та пари).

Втрати ексергії Е_зм під змішування потоків при різних їх температурах Т_а і Т_в місце у результаті підсмоктування повітря по тракту котла:

Е_зм=Е_а+Е_в-Е_зм, (3.15)

де Е_а і Е_в - ексергії змішуваних потоків із температурами Т_а і Т_в, Дж/(кг палива); Е_зм—ексергія потоку після змішування Дж/(кг палива).

Ексергетичний ККД котла дорівнює 45...47 %. При цьому основними втратами є втрати від нерівномірності процесу горіння (25...35%) та теплообміну (20...25 %), тоді як втрати ексергії із відхідними газами становлять лише ≈1 %. Збільшенню ексергетичного ККД сприяє оптимізація параметрів пари та підігріву повітря.

ТОПКОВЕ ОБЛАДНАННЯ.

ПАРОВІ ТА ВОДОГРІЙНІ КОТЛИ

План заняття.

1. Топкове обладнання. Загальні відомості.

2. Характеристики топкового обладнання.

3. Парові та водогрійні котли.