Тепловой баланс котла

Тепловой баланс котла — 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, $q_i=Q_i/Q_p^p$):

$Q_p^p=Q_1+Q_2+Q_3+Q_4+Q_5+Q_6$

$100\mathrm{\%}=q_1+q_2+q_3+q_4+q_5+q_6$

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

$Q_u=D(i-i_f)+D_{is}(i_i{s}^{″}-i_i{s}^{\prime })+D_b(i_b-i_f)$,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 ${\mathrm{\Gamma }}_{\text{ун}}$ и шлаке ${\mathrm{\Gamma }}_{\text{шл}}$ сильно отличается):

$Q_4=Q_4^{\text{шл}}+Q_4^{\text{ун}}$,

$Q_4^{\text{шл}}=Q_{\mathrm{\Gamma }}{A}^r{a}_{\text{шл}}\frac{{\mathrm{\Gamma }}_{\text{шл}}}{1-{\mathrm{\Gamma }}_{\text{шл}}}$,

$Q_4^{\text{ун}}=Q_{\mathrm{\Gamma }}{A}^r{a}_{\text{шл}}\frac{{\mathrm{\Gamma }}_{\text{ун}}}{1-{\mathrm{\Gamma }}_{\text{ун}}}$,

где $Q_{\mathrm{\Gamma }}$ — 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 Шаблон:Comment+100 °C при жидком).

Сведение теплового баланса позволяет получить коэффициент полезного действия котла брутто

${\eta }_{br}=100\mathrm{\%}-q_2-q_3-q_4-q_5-q_6$.

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).