Тепловой баланс и кпд парового котла

   потери теплоты в паровом котле

 

Производство пара в паровом котле, как любой другой процесс трансформации энергии, сопровождается неизбежными потерями тепла. Эффективность использования тепловой энергии топлива, сгораемого в топке, характеризуется коэффициентом полезного действия котла – КПД.

Для определения КПД котла обычно составляются уравнения теплового баланса, представляющие собой соотношения между приходом и расходом теплоты в котле. Тепловой баланс принято составлять относительно 1 кг сжигаемого топлива для установившегося режима работы котла.

Рис. 29. Приход и расход теплоты в паровом котле (к уравнению теплового баланса).

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 (рис. 29) с 1 кг топлива вносится следующее количество теплоты, [ кДж/кг ]:

 

-       – низшая теплота сгорания топлива;

- – теплота подогретого топлива;

- – теплота воздуха, подаваемого в топку для сжигания 1 кг топлива;

- – теплота пара, внесенного в топку в паромеханических форсунках для распыливания топлива.

 

где:  

– средние удельные теплоемкости топлива и воздуха, [ кДж/кг ×^оС ];

 и   – температуры топлива и воздуха, соответственно, [ ^оС ];

– коэффициент избытка воздуха;

– теоретически необходимый объем воздуха для сжигания 1 кг

топлива, [ м³ ];

– расход пара на распыливание топлива в паромеханической

форсунке, [ кг/кг ];

– энтальпия пара, подаваемого на распыливание топлива, [ кДж/кг ];

– энтальпия пара, содержащегося в уходящих из котла продуктах

         сгорания, [ кДж/кг ].

 

Суммарная теплота, вносимая с различными средами в паровой котел, называется располагаемой теплотой:

 

 

Полезно использованной теплотой –, считается теплота, отобранная из котла с паром. Для котлов с одновременным отбором насыщенного и перегретого пара она состоит из суммы полезной теплоты, отобранной из котла с насыщенным паром –, и полезной теплоты, отобранной из котла с перегретым паром –:

 

 

где:

 и – количество перегретого и насыщенного

       (со степенью сухости –) пара, отбираемого из котла, [ кг/час ];

, и  – энтальпии перегретого, насыщенного со степенью сухости –

  пара и питательной воды, [ кДж/кг ];

– расход топлива, [ кг/час ].

 

 

Остальная часть располагаемого тепла уходит из котла в виде потерь:

 

- – энтальпия уходящих газов, [ кДж/кг ];

- – потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива;

- – потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива;

- – теплота, рассеиваемая в окружающее пространство через обшивку и

 изоляцию котла, [ кДж/кг ];

 

где:

, и – объем [ м³ ], теплоемкость [ кДж/кг ×^оС ] и температура [ ^o C ] газов, уходящих из котла.

 

Таким образом, приходно-расходное выражение теплового баланса парового котла имеет вид:

 

располагаемая теплота

полезная теплота

потери теплоты

 

или, применительно к:

 

 

Выражение, находящееся в скобках, называется потерей теплоты с уходящими газами –:

 

 

С учетом этого, уравнение теплового баланса парового котла примет вид:

 

 

Потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива – характерны для котлов с угольным отоплением и практически отсутствуют в котлах, работающих на жидких сортах топлива – мазутах, что свидетельствует о высоком совершенстве организации топочных процессов в судовых и корабельных паровых котлах. Поэтому этим членом уравнения теплового баланса часто пренебрегают.

 

КПД котла можно определить, как отношение полезно использованной теплоты к теплоте сгорания топлива:

 

, [%]

а выразив полезно использованную теплоту через паропроизводительность котла, получим выражение для КПД:

 

, [%]

 

 

Рис. 30. Диаграмма теплового баланса для котла с вентиляторным дутьем          (без воздухоподогревателя).

Уравнение теплового баланса и распределение потоков теплоты в котле можно изобразить графически (рис. 30).

 

Полезно использованная теплота в котле складывается из теплоты, ушедшей на испарение воды в лучевоспринимающих –, и конвективных – поверхностях нагрева; теплоты, ушедшей на перегрев пара в пароперегревателе –, и на подогрев воды в экономайзере –. Таким образом значение полезной теплоты можно выразить, как:

 

[ кДж/кг ]

 

В каждой части котла имеются свои потери теплоты в окружающую среду. Общая потеря теплоты на охлаждение котла – является суммой частных потерь: в топке, испарительной части котла, пароперегревателе и экономайзере:

 

  [ кДж/кг ]

 

Таким образом, для каждой части котла (топки, испарительной, перегревательной и экономайзерной) можно составить частные уравнения теплового баланса. С учетом частных уравнений теплового баланса, КПД котла можно выразить следующей формулой:

 

 

где:

 – теоретическая энтальпия продуктов сгорания топлива (без потерь на механический и химический недожог):

 

[ кДж/кг ]

 – коэффициент удержания тепла в котле, учитывающий охлаждение обшивки котла (теплообмен с внешней средой) в районах топки, испарительных поверхностей нагрева, пароперегревателя и экономайзера.

 

Потери теплоты с уходящими газами – являются максимальными из всех потерь теплоты в котле и составляют:

- 4 ÷ 25 % от – для котлов с вентиляторным дутьем;

- 8 ÷ 16 % от – для высоконапорных котлов.

 

В связи с этим потеря теплоты с уходящими газами главным образом определяет экономичность работы котла и его КПД. Потери теплоты растут с ростом объема продуктов сгорания –, получающихся при сжигании 1 кг топлива (т. е. с ростом коэффициента избытка воздуха –), и с ростом температуры уходящих газов –.

Физический смысл роста потери с ростом и заключается в том, что избыточный воздух, введенный в топку, или попавший через неплотности, выбрасывается в атмосферу с температурой, унося с собой то количество тепла, которое израсходовано на его нагрев до этой температуры.

 

Температура уходящих газов в работающем котле зависит от нагрузки котла и от чистоты поверхностей нагрева. Чем больше сажистых и накипных отложений на поверхностях нагрева котла, тем хуже условия теплопередачи, тем с более высокой температурой газы покидают котел, увеличивая значение потери.

 

Потери теплоты от химической неполноты горения топлива – имеют место в том случае, если в процессе сжигания топлива наряду с продуктами полного горения:, и, образуются газообразные продукты неполного горения:, и др.

Обычно эти потери составляют величину 0,5 ÷ 1,0 % от, в зависимости от типа используемых топочных устройств и нагрузки котла.

 

Потеря  может увеличиться по сравнению с расчетной:

- при слишком малом коэффициенте избытка воздуха;

- при большом содержании влаги в топливе и его низкой температуре;

- при большом содержании в топливе золы и механических примесей;

- при плохом распыле топлива и недостаточном его перемешивании с воздухом;

- при слишком большой производительности отдельных форсунок (износ распылителей);

- при неправильной центровке и установке форсунок по отношению к фурмам;

- при малом объеме топочного пространства, недостаточном для завершения процесса горения топлива.

 

Потери теплоты в окружающую среду – определяются количеством тепла, которое передается в окружающую среду лучеиспусканием и конвекцией наружными нагретыми поверхностями котла, газоходов, арматуры, коллекторов.

Для уменьшения этих потерь наружная обшивка котла и все его нагретые части покрываются изоляцией. Роль изоляции также выполняет воздушный зазор между наружным и внутренним кожухами котла.

 

Потери теплоты в окружающую среду минимальны на полных нагрузках котла и увеличиваются при снижении нагрузки до минимальной. Потеря максимальна для котла, находящегося в горячем резерве.