Полезно используемая теплота и к. п. д. парового котла

Уравнение для можно составить, если рассмотреть схему котла, представленную на рис. 3.3. В котел поступает питатель­ная вода в количестве , кг/с, с энтальпией , МДж/кг. Эта вода вносит в котел в единицу времени теплоту , МВт. Вода в кот­ле нагревается, кипит и превращается в перегре­тый пар. Из котла выхо­дит перегретый пар , кг/с, с энтальпией , МДж/кг. Следовательно, с перегретым паром из котла уносится теплота в количестве , МВт.

Разница между тепло­той, уносимой из котла с перегретым паром, и теплотой, вносимой в не­го с питательной водой, является полезно использованной теплотой, то есть

.

(3.6)

В постоянном режиме работы уровень воды в котле не дол­жен изменяться. Для выполнения этого требования необходимо соблюдать условие . Тогда из выражения (3.6) полу­чим, МВт,

,

(3.7)

Рис. 3.3. К определению полезно исполь­зуемой теплоты

откуда

.

(3.8)

Отношение полезно используемой теплоты к располагаемой называется коэффициентом полезного действия парового котла, %,

.

(3.9)

Подставив в формулу (3.9) значение из (3.8), для по­лучим, %,

.

(3.10)

Для вспомогательного парового котла, выдающего потре­бителям не перегретый, а влажный пар, определяется по фор­муле, %,

,

(3.11)

где

–

соответственно расход и энтальпия влажного пара на выходе из пароводяного коллектора, кг/с и МДж/кг.

Метод расчета к. п. д. котла по формулам (3.10) и (3.11) на­зывают методом прямого теплового баланса. В настоящее время значения для главных судовых котлов составляют 93–95%, для вспомогательных 80–90%. Метод прямого теплового баланса устанавливает связь между к. п. д., расходом и энтальпией пара и питательной воды, расходом топлива и теплотой его сгорания.

Кроме метода прямого теплового баланса для определения к. п. д. котла существует метод обратного теплового баланса. Суть его заключается в следующем. Возьмем уравнение теплового ба­ланса в виде (3.5), разделим все члены этого уравнения на ве­личину и умножим на 100. Тогда получим, %,

,

(3.12)

где

–

относительные тепловые потери, %.

Из формулы (3.12) получим выражение для к. п. д. котла по обратному тепловому балансу, %,

.

(3.13)

Это выражение связывает к. п. д. котла с тепловыми потерями: к. п. д. котла тем выше, чем меньше тепловые потери.

Теперь подробнее рассмотрим вопрос о тепловых потерях.

Тепловые потери

Наибольшей среди тепловых потерь является потеря теп­лоты с уходящими газами, относительная величина которой со­ставляет, %,

.

Для мазутов может быть принята постоянной ( = 40,6 МДж/кг), поэтому зависит от абсолютной потери теп­лоты с уходящими газами , которая в соответствии с форму­лой (3.3) равна . Из этого выражения видно, что потеря теплоты с уходящими газами меньше энтальпии уходящих газов на величину . Так как по абсолютному значению много больше , то есть , то зависит в основном от . Величина будет тем меньше, чем меньше значение . Следовательно, для снижения потери необхо­димо уменьшать энтальпию уходящих газов .

Из диаграммы h – (см. рис. 2.3) видно, что энтальпия га­зов зависит от температуры h и коэффициента избытка воздуха . Таким образом, зависит от температуры уходящих газов h и коэффициента , а для снижения необходимо умень­шать h и .

Теперь рассмотрим, как определяется температура h при проектировании котла. Вначале определяют величину , %,

.

(3.14)

Значения можно принимать, например, по прото­типу, однако лучше пользоваться данными исследований. Затем определяют по формуле

;

(3.15)

находят энтальпию уходящих газов , МДж/кг,

.

(3.16)

Далее, пользуясь диаграммой – h, по значению и при­нятому коэффициенту избытка воздуха а находят температуру уходящих газов h .

При проектировании котла необходимо стремиться к умень­шению h . Снижение h , например, на 15–17°С приводит к уменьшению на 1%. Следовательно, к. п. д. котла увеличится тоже на 1%.

Снижение h достигается за счет более глубокого охлажде­ния газов в котле, то есть увеличением дополнительных поверхно­стей нагрева: водяных экономайзеров, газовых воздухоподогре­вателей. Однако уменьшению h препятствует опасное явление, возникающее при низких температурах, – низкотемпературная сернокислотная коррозия хвостовых поверхностей нагрева кот­лов. Это явление связано с образованием в продуктах сгора­ния паров серной кислоты H₂SO₄ , которые при низкой темпе­ратуре конденсируются на поверхностях нагрева, вызывая их коррозию.

У современных паровых котлов при работе на нормальной нагрузке h = 150 ÷ 160°С; к. п. д. достигает значений 94–93% при = 5 ÷ 6% и = 1,03 ÷ 1,05.

Рассмотрим потерю теплоты от химического недожога и . Относительная потеря теплоты от химического недожога равна, %,

,

(3.17)

где

–

абсолютная потеря теплоты от химического недожога, МДж/кг.

Потеря связана в основном с неполным горением угле­рода и образованием в продуктах сгорания горючего газа СО. При сжигании жидкого топлива величину можно принимать равной 0,5%. Тогда будет равна, МДж/кг,

.

(3.18)

Относительная потеря теплоты стенками котла в окружаю­щую среду равна, %,

,

(3.19)

где

–

абсолютная потеря теплоты стенками котла в окру­жающую среду, МДж/кг.

Величина зависит от температуры наружных стен котла. Современные судовые котлы имеют двойные стены, между кото­рыми движется подаваемый в котел воздух. Поэтому темпера­тура наружных стен котла невысокая и значение невелико.

Для главных паровых котлов принимают равной 0,5–0,7%; Для вспомогательных котлов значение выше и состав­ляет 1,5–2%. Приняв , можно определить величину , МДж/кг,

.

(3.20)

В окружающую среду теплоту отдает как сам котел, так и каждый его элемент: топка, пароперегреватель и др. Предпола­гается, что каждый элемент котла теряет количество теплоты, пропорциональное теплоте, передаваемой в элементе поверхно­стям нагрева. Это учитывается при введении в балансовое урав­нение для каждого элемента котла коэффициента сохранения теплоты, , который меньше единицы и равен

.

(3.21)