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

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

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

Нумерация этих величин является общеупотребительной.

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

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

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

Полезно используемая теплота $Q_{1}$

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

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

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

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

Потери теплоты с химическим недожогом $Q_{3}$

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

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

Потери теплоты с механическим недожогом $Q_{4}$

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

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

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

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

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

Потери теплоты в окружающую среду $Q_{5}$

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

Потери теплоты со шлаком $Q_{6}$

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

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

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

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

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

Борьба с потерями

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