Производство пара в паровом котле, как и при другом процессе трансформации энергии, сопровождается неизбежными потерями тепла. Эффективность использования тепловой энергии топлива, сгораемого в топке котла, и величину потерь тепла можно определить через коэффициент полезного действия котла — КПД.
Для определения КПД котла составляются уравнения теплового баланса.
Тепловой баланс котла представляет собой соотношения между приходом и расходом тепла в котле. Тепловой баланс принято составлять относительно 1 кг топлива для установившегося режима работы котла.
Согласно закону сохранения энергии, между приходом и расходом теплоты в котле должно существовать равенство. Рассмотрим уравнение теплового баланса для котла с вентиляторным дутьем с пароперегревателем и экономайзером (без воздухоподогревателя).
В топку котла с 1 кг топлива вносится теплота;
■ Он — низшая теплота сгорания топлива;
■ От = сТ^ — теплота подогретого топлива;
■ Ов = ссУ°вС^в — теплота воздуха, подаваемого в топку для
Сжигания 1 кг топлива;
■ Оф = Ж (гП — 2514) — теплота пара, внесенного в топку в паромеханических форсунках для распыливания топлива, [кДж/кг];
Где;
Ст, срв — средние удельные теплоемкости топлива и воздуха, [кДж/кг-0С];
И ^ — температуры топлива и воздуха, [°С]; а — коэффициент избытка воздуха;
— теоретически необходимый объем воздуха для сжигания
1 кг топлива;
Жф — расход пара на распыливание топлива в паромеханической форсунке, [кг/кг];
Гп — энтальпия пара, идущего на распыливание топлива, [кДж/кг];
2514 — энтальпия пара, содержащегося в уходЯщиХ из котла продуктах сгорания, [кДж/кг],
Сумма теплот, вносимых с различными средами в паровой котел называется располагаемой теплотой;
|
Ф |
Тепло, ушедшее на производство пара ^ — называется полезно использованной теплотой.
Для котлов с отбором насыщенного и перегретого пара она состоит из суммы полезной теплоты по насыщенному пару Онас и полезной теплоты по перегретому пару Опе;
О1 = ОНАС + °ПЕР = Н^С (гХ ~ гПВ ) + “(гПЕ ~ гПВ )
В в
Где;
Опе и Онас — количество перегретого и насыщенного (со степенью сухости — х) пара, отбираемого из котла, [кг/час]; гпЕ, и гпв — энтальпии перегретого, насыщенного со степенью сухости х пара и питательной воды, [кДж/кг];
В — расход топлива, [кг/час].
Остальная часть располагаемого тепла уходит из котла в виде потерь;
• 1ух — потери теплоты с уходящими газами, [кДж/кг];
• О3 — потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива;
• О4 — потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива;
• О5 — тепло, рассеиваемое в окружающее пространство через
Обшивку и изоляцию котла, [кДж/кг];
Таким образом, приходно-расходное выражение теплового баланса котла будет выглядеть;
0Н + 0Т + О-Б + 0Ф = 01 + 03 + 04 + 05 + !ух
Или;
0н — 0 +{!ух ~ 0Т ~ 0Б ~ 0Ф )+ 03 + 04 + 05
^ V »
Выражение в скобках; потеря теплоты с уходящими газами;
02 _ ^УХ ~ 0Т ~ 0 ~ 0Ф
Тогда уравнение теплового баланса примет вид;
0Н = 01 + 02 + 0 + 04 + 05
Потери 04 от неполноты сгорания топлива актуальны для котлов с угольным отоплением и практически отсутствуют в судовых и корабельных котлах с мазутным отоплением, что говорит о совершенстве топочных процессов. Поэтому этим членом уравнения теплового баланса часто пренебрегают.
Учитывая, что для получения пара полезно используется только теплота 01, КПД котла можно определить, как отношение полезно использованной теплоты к теплоте сгорания топлива;
|
100 |
А выразив полезно использованную теплоту 01 через паропроизво- дительность, получим;
^ _ °1 .100 = ^ПЕ (^ПЕ ~ 1’ПВ ) + ^НАС Ох ~ ^ПВ ) _ 100
Но в реальных условиях котлы в процессе эксплуатации подвергаются периодическим продуваниям. С продуваемой водой теряется следующее количество теплоты;
0 ПР ~ ^ПР 0 _ ^пв )
Где;
ЙПР — количество продуваемой из котла воды, [кг/ч];
I — энтальпия продуваемой воды, [кДж/кг].
При составлении тепловых балансов котлов принято потерю тепла с продуваемой водой не учитывать.
При проектировании паровых котлов, когда задан их КПД, можно определить расход топлива для заданных паропроизводительности и параметров пара:
В _ ВПЕ (_ПЕ ~ _ПВ ) + ВНАС (_Х ~ _ПВ ) [кг/ч]
1. К ■ вн
Схематично уравнение теплового баланса и распределение тепла в котле с вентиляторным дутьем без воздухоподогревателя можно изобразить так;
|
|
Полезно использованное тепло складывается из тепла, ушедшего на нагревание воды в экономайзере Оэк, ее испарение в трубах лучевоспринимающих Ол и конвективных поверхностей нагрева Оисп и на перегрев пара в пароперегревателе Опе. Таким образом полезная теплота, [кДж/кг]\
О1 = (ОЭК + О + О ‘ИСП + ОПЕ )
В каждой части котла имеются потери теплоты в окружающую среду. Общая потеря тепла на охлаждение котла О5 является суммой частных потерь в топке, испарителе, перегревателе и экономайзере, [кДж/кг];
О5=0+оГ"+от+о? )
Таким образом для каждой части котла (топки, конвективной испарительной, перегревательной и экономайзера) можно составить частные уравнения теплового баланса.
С учетом частных уравнений теплового баланса, КПД котла можно выразить; , .
10 — теоретическая энтальпия продуктов сгорания топлива (без учета потерь на механический и химический недожог), [кДж/кг];
10 — °Н + 0Т + 0В + 0Ф ~ 03 ~ 04
1) — коэффициент удержания тепла в котле, учитывающий охлаждение обшивки котла (теплообмен с внешней средой в топке, в районе конвективных поверхностей, пароперегревателя и экономайзера).