Русская Википедия: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>q_i=Q_i/Q_p^p</math>):
- <math>Q_p^p = Q_1+Q_2+Q_3+Q_4+Q_5+Q_6</math>
- <math>100\% = q_1+q_2+q_3+q_4+q_5+q_6</math>
Нумерация этих величин является общеупотребительной.
- Располагаемая теплота топлива <math>Q_p^p</math>
- Количество теплоты, поступающей в котёл на учётную единицу (массы или объёма) топлива;
- <math>Q_p^p=Q^r+Q_{ao}+i_{fu}+Q_{so}-Q_C</math>,где <math>Q^r</math> — теплота сгорания топлива в рабочем состоянии (обычно используют низшую теплоту сгорания <math>Q^r_i</math>); <math>Q_{ao}</math> — теплота вносимого в топку с воздухом, нагретым вне котла; <math>i_{fu}</math> — энтальпия (физическая теплота) топлива; <math>Q_{so}</math> — теплота пара, подаваемого на форсунки при паровом распылении жидкого топлива; <math>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>Q_p=Q_p^p B</math>, где <math>B</math> — расход топлива.
- Полезно используемая теплота <math>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>Q_u = D(i - i_f) + D_{is}(i_is-i_is') +D_b(i_b-i_f)</math>,где <math>i</math>, <math>i_f</math>, <math>i_b</math>, <math>i_is</math>, <math>i_is^\prime</math> — энтальпии свежего пара, питательной воды, продувочной воды и пара до и после промперегрева; <math>D</math>, <math>D_{is}</math>, <math>D_b</math> — расходы свежего пара, пара промперегрева и продувки соответственно. <math>Q_1 = \frac{Q_u}{B}</math>
- Потери теплоты с уходящими газами <math>Q_2</math>Равны разности энтальпий состояния газов на выходе и воздуха, входящего в котёл.<math>Q_1 = (I_{xg}-\alpha_{xg}I_{ca}^O)(1-q_4)</math>,
- где <math>I_{xg}, I_{ca}^O</math> — энтальпии уходящих газов на выходе из котла и теоретически необходимого на горение количества воздуха ненагретого, <math>\alpha_{xg}</math> — избыток воздуха в уходящих газах, <math>q_4</math> в долях (на несгоревшее топливо воздуха не нужно).
- Потери теплоты с химическим недожогом <math>Q_3</math>
- Учитывают выход из котла горючих газообразных элементов (H2, CH4) или продуктов неполного сгорания (CO). При теплоте сгорания <math>j</math>-го такого компонента <math>Q_j</math> и выходе на единицу топлива <math>V_j</math>
- <math>Q_3 = \sum V_j Q_j</math>.
- Потери теплоты с механическим недожогом <math>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>\Gamma_\text{ун}</math> и шлаке <math>\Gamma_\text{шл}</math> сильно отличается):
- <math>Q_4 = Q_4^\text{шл}+Q_4^\text{ун}</math>,
- <math>Q_4^\text{шл}=Q_\Gamma A^r a_\text{шл}{\Gamma_\text{шл} \over 1-\Gamma_\text{шл}}</math>,
- <math>Q_4^\text{ун}=Q_\Gamma A^r a_\text{шл}{\Gamma_\text{ун} \over 1-\Gamma_\text{ун}}</math>,
- где <math>Q_\Gamma</math> — теплота сгорания горючих (для углерода примерно 32,6 МДж/кг), <math>a_\text{шл, ун}</math> — доли удаления золы со шлаком и уносом, <math>A^r</math> — зольность рабочей массы топлива.
- Потери теплоты в окружающую среду <math>Q_5</math>
- Потери от охлаждения внешних поверхностей котла. Для данного котла абсолютная потеря на наружное охлаждение — почти постоянная величина (соответственно, <math>Q_5\sim1/B</math>), она меньше для котлов большей мощности (с меньшей удельной поверхностью).
- Потери теплоты со шлаком <math>Q_6</math>
- Потери с физической теплотой шлака, удаляемого из топки. Принимается, что
- <math>Q_6 = a_s A^r(ct)_s</math>,
- где <math>a_s</math> — доля золы, улавливаемой в топке, <math>A^r</math> — зольность рабочей массы топлива, <math>(ct)_s</math> — произведение теплоёмкости золы на её температуру (принимается 600 °C при твёрдом шлакоудалении или Шаблон:Comment+100 °C при жидком).
Сведение теплового баланса позволяет получить коэффициент полезного действия котла брутто
- <math>\eta_{br}=100\%-q_2-q_3-q_4-q_5-q_6</math>.
При определении КПД котла нетто из величины <math>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>q_2</math>, имеющую наибольшее значение, можно снижать, прежде всего снижая избыток воздуха в топке (огранично условиями полного сгорания топлива во избежание роста <math>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>q_5</math> борются, покрывая котёл теплоизоляцией (это необходимо и по условиям пребывания людей в котельной).
