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, ${\displaystyle q_{i}=Q_{i}/Q_{p}^{p}}$):

${\displaystyle Q_{p}^{p}=Q_{1}+Q_{2}+Q_{3}+Q_{4}+Q_{5}+Q_{6}}$

${\displaystyle 100\%=q_{1}+q_{2}+q_{3}+q_{4}+q_{5}+q_{6}}$

Нумерация этих величин является общеупотребительной.

Располагаемая теплота топлива ${\displaystyle Q_{p}^{p}}$

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

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

Полезно используемая теплота ${\displaystyle Q_{1}}$

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

${\displaystyle Q_{u}=D(i-i_{f})+D_{is}(i_{i}s''-i_{i}s')+D_{b}(i_{b}-i_{f})}$,где ${\displaystyle i}$, ${\displaystyle i_{f}}$, ${\displaystyle i_{b}}$, ${\displaystyle i_{i}s''}$, ${\displaystyle i_{i}s^{\prime }}$ — энтальпии свежего пара, питательной воды, продувочной воды и пара до и после промперегрева; ${\displaystyle D}$, ${\displaystyle D_{is}}$, ${\displaystyle D_{b}}$ — расходы свежего пара, пара промперегрева и продувки соответственно. ${\displaystyle Q_{1}={\frac {Q_{u}}{B}}}$

Потери теплоты с уходящими газами ${\displaystyle Q_{2}}$Равны разности энтальпий состояния газов на выходе и воздуха, входящего в котёл.${\displaystyle Q_{1}=(I_{xg}-\alpha _{xg}I_{ca}^{O})(1-q_{4})}$,

где ${\displaystyle I_{xg},I_{ca}^{O}}$ — энтальпии уходящих газов на выходе из котла и теоретически необходимого на горение количества воздуха ненагретого, ${\displaystyle \alpha _{xg}}$ — избыток воздуха в уходящих газах, ${\displaystyle q_{4}}$ в долях (на несгоревшее топливо воздуха не нужно).

Потери теплоты с химическим недожогом ${\displaystyle Q_{3}}$

Учитывают выход из котла горючих газообразных элементов (H₂, CH₄) или продуктов неполного сгорания (CO). При теплоте сгорания ${\displaystyle j}$-го такого компонента ${\displaystyle Q_{j}}$ и выходе на единицу топлива ${\displaystyle V_{j}}$

${\displaystyle Q_{3}=\sum V_{j}Q_{j}}$.

Потери теплоты с механическим недожогом ${\displaystyle Q_{4}}$

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 ${\displaystyle \Gamma _{\text{ун}}}$ и шлаке ${\displaystyle \Gamma _{\text{шл}}}$ сильно отличается):

${\displaystyle Q_{4}=Q_{4}^{\text{шл}}+Q_{4}^{\text{ун}}}$,

${\displaystyle Q_{4}^{\text{шл}}=Q_{\Gamma }A^{r}a_{\text{шл}}{\Gamma _{\text{шл}} \over 1-\Gamma _{\text{шл}}}}$,

${\displaystyle Q_{4}^{\text{ун}}=Q_{\Gamma }A^{r}a_{\text{шл}}{\Gamma _{\text{ун}} \over 1-\Gamma _{\text{ун}}}}$,

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

Потери теплоты в окружающую среду ${\displaystyle Q_{5}}$

Потери от охлаждения внешних поверхностей котла. Для данного котла абсолютная потеря на наружное охлаждение — почти постоянная величина (соответственно, ${\displaystyle Q_{5}\sim 1/B}$), она меньше для котлов большей мощности (с меньшей удельной поверхностью).

Потери теплоты со шлаком ${\displaystyle Q_{6}}$

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

${\displaystyle Q_{6}=a_{s}A^{r}(ct)_{s}}$,

где ${\displaystyle a_{s}}$ — доля золы, улавливаемой в топке, ${\displaystyle A^{r}}$ — зольность рабочей массы топлива, ${\displaystyle (ct)_{s}}$ — 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

${\displaystyle \eta _{br}=100\%-q_{2}-q_{3}-q_{4}-q_{5}-q_{6}}$.

При определении КПД котла нетто из величины ${\displaystyle Q_{u}}$ 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.

Величину ${\displaystyle q_{2}}$, имеющую наибольшее значение, можно снижать, прежде всего снижая избыток воздуха в топке (огранично условиями полного сгорания топлива во избежание роста ${\displaystyle q_{3,4}}$ и экологических проблем, а также снижением скорости горения) и температуру уходящих газов (но последнее требует увеличение поверхностей нагрева). С потерями от наружного охлаждения ${\displaystyle q_{5}}$ борются, покрывая котёл теплоизоляцией (это необходимо и по условиям пребывания людей в котельной).