Создать уютную и комфортную атмосферу в загородном доме довольно просто – нужно только правильно оборудовать систему отопления. Главным компонентом эффективной и надежной отопительной системы является котел. В статье далее мы поговорим о том, как посчитать КПД котла, какие факторы на него влияют и как повысить эффективность отопительного оборудования в условиях конкретного дома.
Как подобрать котел
Безусловно, чтобы определить, насколько эффективным будет тот или иной водогрейный котел, необходимо определить его КПД (коэффициент полезного действия). Этот показатель представляет собой отношение использованного на обогрев помещения тепла к общему количеству сгенерированной тепловой энергии.
Формула расчета КПД выглядит так:
ɳ=(Q 1 ÷Q ri),
где Q 1 – тепло, использованное эффективно;
Q ri – общее количество выделенного тепла.
Какова зависимость между КПД котла и нагрузкой
На первый взгляд может показаться, что чем больше топлива сжигается, тем лучше работает котел. Однако это не совсем так. Зависимость КПД котла от нагрузки проявляется как раз наоборот. Чем больше топлива сжигается, тем больше выделяется тепловой энергии. При этом возрастает и уровень теплопотерь, поскольку в дымовую трубу уходят сильно разогретые дымовые газы. Следовательно, топливо расходуется неэффективно.
Похожим образом ситуация развивается и в тех случаях, когда отопительный котел работает на пониженной мощности. Если она не дотягивает до рекомендуемых значений более чем на 15 %, топливо не будет сгорать полностью, а количество дымовых газов возрастет. В результате, КПД котла довольно сильно упадет. Вот почему стоит придерживаться рекомендуемых уровней мощности работы котла – они рассчитаны для эксплуатации оборудования максимально эффективно.
Расчет КПД с учетом различных факторов
Приведенная выше формула не совсем подходит для оценки эффективности работы оборудования, так как рассчитать КПД котла точно с учетом только двух показателей очень сложно. На практике в процессе проектирования применяют другую, более полную формулу, поскольку не все вырабатываемое тепло используется для прогрева воды в отопительном контуре. Определенное количество тепла теряется в процессе работы котла.
Более точный расчет КПД котла производится по такой формуле:
ɳ=100-(q 2 +q 3 +q 4 +q 5 +q 6), в которой
q 2 – теплопотери с выходящими горючими газами;
q 3 – потери тепла в результате неполного сгорания продуктов горения;
q 4 – теплопотери из-за недожога топлива и выпадения золы;
q 5 – потери, вызванные внешним охлаждением прибора;
q 6 – теплопотери вместе с удаляемым из топки шлаком.
Теплопотери при удалении горючих газов
Наиболее существенные потери тепла происходят в результате эвакуации в дымоход горючих газов (q 2). Эффективность котла во многом зависит от температуры горения топлива. Оптимальный температурный напор на холодном конце водонагревателя достигается при нагреве до 70-110 ℃.
Когда температура уходящих горючих газов падает на 12-15 ℃, КПД водогрейного котла возрастает на 1 %. Тем не менее, чтобы снизить температуру уходящих продуктов горения, необходимо увеличить размер прогреваемых поверхностей, а, значит, и всей конструкции в целом. Кроме того, при охлаждении угарных газов возрастает риск низкотемпературной коррозии.
Помимо прочего температура угарных газов зависит еще и от качества и типа топлива, а также нагрева поступающего в топку воздуха. Значения температур поступающего воздуха и выходящих продуктов горения зависят от видов топлива.
Для вычисления показателя теплопотерь с уходящими газами используют такую формулу:
Q 2 = (T 1 -T 3) × (A 2 ÷ (21-O 2) + B), где
T 1 – температура эвакуируемых горючих газов в точке за пароперегревателем;
T 3 – температура поступающего в топку воздуха;
21 – концентрация кислорода в воздухе;
O 2 – количество кислорода в уходящих продуктах горения в контрольной точке;
A 2 и B – коэффициенты из специальной таблицы, которые зависят от типа топлива.
Химический недожог как источник теплопотерь
Показатель q 3 используется при расчете КПД газового котла отопления, например, или в тех случаях, когда топливом служит мазут. Для газовых котлов значение q 3 составляет 0,1-0,2 %. При незначительном избытке воздуха при горении этот показатель равен 0,15 %, а при существенном переизбытке воздуха его не принимают в расчет вовсе. Однако при сжигании смеси из газов различной температуры значение q 3 =0,4-0,5 %.
Если же отопительное оборудование работает на твердом топливе, в расчет принимают показатель q 4 . В частности, для угля антрацита значение q 4 =4-6 %, полуантрациту характерно 3-4 % теплопотерь, а вот при сгорании каменного угля образуется всего 1,5-2 % потерь тепла. При жидком шлакоудалении сжигаемого малореакционного угля значение q4 можно считать минимальным. А вот при удалении шлака в твердом виде теплопотери возрастут до максимальной границы.
Потери тепла в связи с внешним охлаждением
Такие потери тепла q5 обычно составляют не более 0,5 %, а по мере возрастания мощности отопительного оборудования они еще больше сокращаются.
Данный показатель связан с расчетом паропроизводительности котельной установки:
- При условии паропроизводительности D в пределах 42-250 кг/с, значение потерь тепла q5=(60÷D)×0,5÷lgD;
- Если значение паропроизводительности D превышает 250 кг/с, уровень теплопотери считают равным 0,2 %.
Количество теплопотерь от удаления шлака
Значение теплопотерь q6 имеет значение только при жидком шлакоудалении. А вот в тех случаях, когда из топочной камеры удаляют шлаки твердого топлива, теплопотери q6 учитывают при расчете КПД котлов отопления только в случаях, если они составляют более 2,5Q.
Как посчитать КПД твердотопливного котла
Даже при условии идеально проработанной конструкции и качественного топлива, КПД отопительных котлов не может достигать 100 %. Их работа обязательно сопряжена с определенными потерями тепла, вызванными как типом сжигаемого топлива, так и рядом внешних факторов и условий. Чтобы понять, как на практике выглядит расчет КПД твердотопливного котла, приведем пример.
Например, теплопотери от удаления шлаков из топливной камеры составят:
q 6 =(А шл ×З л ×А р)÷Q ri ,
где А шл – относительное значение шлака, удаляемого из топки к объему загружаемого топлива. При грамотном использовании котла доля отходов горения в виде золы составляет 5-20 %, то данное значение может быть равно 80-95 %.
З л – термодинамический потенциал золы при температуре в 600 ℃ в обычных условиях равен 133,8 ккал/кг.
А р – зольность топлива, которая рассчитывается на общую массу топлива. В различных видах горючего показатель зольности колеблется от 5 % до 45 %.
Q ri – минимальный объем тепловой энергии, который генерируется в процессе сгорания топлива. В зависимости от разновидности топлива теплоемкость колеблется в рамках 2500-5400 ккал/кг.
В данном случае с учетом указанных значений теплопотери q 6 будут составлять 0,1-2,3 %.
Значение q5 будет зависеть от мощности и проектной производительности отопительного котла. Работа современных установок с малой мощностью, которыми очень часто обогревают частные дома, обычно сопряжена с теплопотерями данного вида в пределах 2,5-3,5 %.
Теплопотери, связанные с механическим недожогом твердого топлива q 4 , во многом зависят от его типа, а также от конструкционных особенностей котла. Они колеблются в пределах 3-11 %. Это стоит учитывать, если вы ищете способ, как наладить котел на более эффективную работу.
Химический недожог горючего обычно зависит от концентрации воздуха в сгораемой смеси. Такие теплопотери q 3 , как правило, равны 0,5-1 %.
Наибольший процент теплопотерь q 2 связан с уходом тепла вместе с горючими газами. На этот показатель влияет качество и вид топлива, степень разогрева горючих газов, а также условия эксплуатации и конструкция отопительного котла. При оптимальном тепловом расчете в 150 ℃ эвакуируемые угарные газы должны быть разогреты до температуры в 280 ℃. В таком случае данное значение теплопотерь будет равно 9-22 %.
Если все перечисленные значения потерь суммировать, получим значение эффективности ɳ=100-(9+0,5+3+2,5+0,1)=84,9 %.
Это значит, что современный котел может работать лишь на 85-90 % мощности. Все остальное уходит на обеспечение процесса горения.
Обратите внимание, что добиться таких высоких значений не так просто. Для этого нужно грамотно подойти к подбору топлива и обеспечить для оборудования оптимальные условия. Обычно производители указывают, с какой нагрузкой должен работать котел. При этом желательно, чтобы основную часть времени он был настроен на экономный уровень нагрузок.
Для работы котла с максимальным КПД, его нужно использовать с учетом таких правил:
- обязательна периодическая чистка котла;
- важно контролировать интенсивность горения и полноту сгорания топлива;
- нужно рассчитать тягу с учетом давления подаваемого воздуха;
- необходим расчет доли золы.
На качестве сгорания твердого топлива положительным образом отражается расчет оптимальной тяги с учетом давления воздуха, подаваемого в котел, и скорости эвакуации угарных газов. Тем не менее, при возрастании давления воздуха вместе с продуктами сгорания в дымоход удаляется больше тепла. А вот слишком малое давление и ограничение доступа воздуха в топливную камеру приводит к снижению интенсивности горения и более сильному золообразованию.
Если у вас дома установлен отопительный котел, обратите внимание на наши рекомендации по увеличению его КПД. Вы сможете не только сэкономить на топливе, но и добьетесь комфортного микроклимата в доме.
Коэффициентом полезного действия отопительного котла называют отношение полезной теплоты, израсходованной на выработку пара (или горячей воды), к располагаемой теплоте отопительного котла. Не вся полезная теплота, выработанная котельным агрегатом, направляется потребителям, часть теплоты расходуется на собственные нужды. С учетом этого различают КПД отопительного котла по выработанной теплоте (КПД-брутто) и по отпущенной теплоте (КПД-нетто).
По разности выработанной и отпущенной теплот определяется расход на собственные нужды. На собственные нужды расходуется не только теплота, но и электрическая энергия (например, на привод дымососа, вентилятора, питательных насосов, механизмов топливоподачи), т.е. расход на собственные нужды включает в себя расход всех видов энергии, затраченных на производство пара или горячей воды.
В итоге КПД-брутто отопительного котла характеризует степень его технического совершенства, а КПД-нетто — коммерческую экономичность. Для котельного агрегата КПД-брутто, %:
по уравнению прямого баланса:
η бр = 100 Q пол / Q р р
где Q пол — количество полезно используемой теплоты, МДж/кг; Q р р — располагаемая теплота, МДж/кг;
по уравнению обратного баланса:
η бр = 100 - (q у.г + q х.н + q н.о)
где q у.г, q х.н, q н.о — относительные потери теплоты с уходящими газами, от химической неполноты сгорания топлива, от наружного охлаждения.
Тогда КПД-нетто отопительного котла по уравнению обратного баланса:
η нетто = η бр - q с.н
где q с.н — расход энергии на собственные нужды, %.
Определение КПД по уравнению прямого баланса проводят преимущественно при отчетности за отдельный период (декада, месяц), а по уравнению обратного баланса — при испытании отопительного котла. Вычисление КПД отопительного котла по обратному балансу значительно точнее, так как погрешности при измерении потерь теплоты меньше, чем при определении расхода топлива.
Зависимость КПД котла η к от его нагрузки (D/D ном) 100
q у.г, q х.н, q н.о — потери теплоты с уходящими газами, от химической и механической неполноты сгорания, от наружного охлаждения и суммарные потер.
Таким образом, для повышения эффективности отопительного котла недостаточно стремиться к снижению тепловых потерь; необходимо также всемерно сокращать расходы тепловой и электрической энергии на собственные нужды, которые составляют в среднем 3...5% теплоты, располагаемой котельным агрегатом.
Изменение КПД отопительного котла зависит от его нагрузки. Для построения этой зависимости (рис.) нужно от 100% вычесть последовательно все потери котельного агрегата, которые зависят от нагрузки, т.е. q у.г, q х.н, q н.о. Как видно из рисунка, КПД отопительного котла при определенной нагрузке имеет максимальное значение. Работа котла на этой нагрузке наиболее экономична.
Для современной котельной на жидком топливе КПД будет часто достигать 80% при том условии, что котельная чистая, без сажи. Однако, реальный КПД в среднем (у тех котельных, которые измерялись) примерно 65%. Чаще всего котельная не настолько чистая, чтобы она могла принять тепло от пламени и передать максимальное количество тепла воде.
Намного сложнее складывается ситуация, когда производители котельных начинают говоить о КПД, достигающем 95%. Непонятно, какие условия были при определении КПД, и какой КПД имеется в виду.
В технической/экономической области используется не менее 6 определений для КПД котельной. Поскольку многим людям неизвестны условия определения КПД котельной, поставщики, не боясь быть обвиненными во лжи, дают высокий КПД. Однако, эти высокие цифры не имеют ничего общего с действительностью плательщика за тепло.
1. КПД ГОРЕНИЯ
КПД горения - количество энергии топлива, которое ОСВОБОЖДАЕТСЯ при сжигании.
Освобождение энергии топлива и ее переход в тепло в очаге (печке) котельной не говорит о высоком КПД котельной. КПД горения предоставляется некоторыми производителями котельных как КПД котельной, поскольку 1) цифра высокая (примерно 93-95%) 2) легко измерить КПД горения - нужно установить инструмент в дымовые трубы.
Освобождение тепла из топлива происходит в большинстве котельных с высоким КПД горения.
Следовательно: Освобождение энергии топлива плюс ее переход в тепло в очаге (печке) это не то тепло, которое принимается котлом!! Мы же заинтересованы в том тепле, которое принимается котлом!!
2. КПД КОТЕЛЬНОЙ
КПД котельной - количество энергии топлива, которое полезно используется, т.е. преобразовывается в другую энергонесущую среду.
Под другой энергнесущей средой подразумевается, например, теплая воды, которая обогревает дом.
КПД котельной - это наиболее используемое определение КПД во всех типах установок по сжиганию.
КПД котельной измерить сложнее, чем КПД горения, поэтому многие довольствуются только измерением КПД горения. На самом деле, КПД котельной на 10-15% ниже, чем КПД горения.
3. КПД ТОПОЧНОЙ ТЕХНИКИ
КПД ТОПОЧНОЙ ТЕХНИКИ ПОКАЗЫВАЕТ, КАК ЭФФЕКТИВНО происходит ГОРЕНИЕ И ПРИЕМ ТЕПЛА В КОТЕЛНЬОЙ. Даже эти расчеты часто представляются в результате анализа дымогарных газов.
Часто КПД топочной техники используется в качестве примерного аналога КПД котельной, так как техника измерения в данном случае легче. С помощью этой техники можно получить примерную цифру для КПД котельной: необходимо постоянно проводить анализ состава кислорода или СО2 в дымогарных газах. Отнимаются потери, так как, например, в золе/шлаках присутствует часть тепла (особенно это касается шлакообразующих видов топлива). Что касается жидкого топлива, то КПД топочной техники и КПД котельной примерно одинаков, так как жидкое топливо не содержит золы/шлаков. Но если использовать это понятие для угля или биотопливо, то погрешности (ошибки) значительно выше.
4. КПД УСТАНОВКИ
При вычислении КПД установки определяется отношение между общим объемом полезной энергии и общим количеством энергии. В общее количество энергии входит также "вспомогательная энергия", например, электрическая энергия необходимая для работы насосов котельной, вентиляции, дымоходов и т.д. Для установки на жидком топливе "вспомогательная энергия" соответствует примерно 1% от общей энергии топлива, для установок на твердом топливе "вспомогательная энергия" равняется 5% от энергии топлива.
КПД установки, таким образом, будет ниже, чем КПД котельной.
5. КПД СИСТЕМЫ
Определение КПД системы расширяет границы системы до:
Производства тепла с потерями
- распределения тепла с потерями в теплотрассах и т.д.
- использования тепла
Согласно UNICHAL (Международный союз поставщиков тепла) следующие типичные потери в трубах при распространении горячей воды в квартиры имеют место:
Швеция - 8%
потерь в трубах, т.е. тепло отдается земле и окружению труб ЦТ
Дания - 20%
Финляндия - 9%
Бельгия - 13%
Швейцария - 13%
Западная Германия - 11%
6. КПД годовой
КПД в год в принципе соответствует КПД котельной, но тогда рассчитывается среднее КПД котельной в течение всего года. В КПД в год входят также периоды с плохим уровнем горением, например, при запуске котельной и т.д.
КПД в год зависит от размера установки, срока эксплуатации и т.д.
Изложенное выше, показывает, что используются различные определения для КПД, поэтому существуют большая вероятность того, что будет дана ошибочная цифра, если понятие и определение КПД не уточнено. Таким образом, не стоит бояться быть нетактичным, поскольку на самом деле, многие производители, обладая или не обладая знаниями, предоставляют ошибочные цифры.
Важны те цифры, которые отражают реальную экономическую сторону того топлива, которое потребитель покупает. Если потерять доверие потребителя из-за предоставления слишком высокого КПД, то появление больших проблем на рынке неизбежно.
Как сказано, "все поставщики" (по крайней мере много) дают КПД горения, когда они предлагают информацию о КПД котельной.
Нельзя использовать КПД горения при расчете экономики установки!!!
Потребитель ПОКУПАЕТ НЕ ТОПЛИВО, А СРЕДСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛА. Не топливо должно быть дешевым, а тепло, которые потребители получают во время зимних вьюг.
Коэффициент полезного действия (КПД) котельного агрегата определяют как отношение полезной теплоты, пошедшей на выработку пара (или горячей воды), к располагаемой теплоте (теплоте, поступившей в котельный агрегат). На практике не вся полезная теплота, выбранная котлоагрегатом, направляется потребителям. Часть теплоты расходуется на собственные нужды. В зависимости от этого различают КПД агрегата по теплоте, отпущенной потребителю (КПД нетто).
Разность выработанной и отпущенной теплоты представляет собой расход на собственные нужды котельной. На собственные нужды расходуется не только теплота, но и электрическая энергия (например, на привод дымососа, вентилятора, питательных насосов, механизмов топливоподачи и пылеприготовления и т.д.), поэтому расход на собственные нужды включает в себя расход всех видов энергии, затраченных на производство пара или горячей воды.
КПД брутто котельного агрегата характеризует степень его технического совершенства, а КПД нетто - коммерческую экономичность.
КПД брутто котельного агрегата ŋ бр , %, можно определить по уравнению прямого баланса
ŋ бр = 100(Q пол /Q р р)
или по уравнению обратного баланса
ŋ бр = 100-(q у.г +q х.н +q м.н +q н.о +q ф.ш) ,
где Q пол полезно используемая теплота, затраченная на выработку пара (или горячей воды); Q р р - располагаемая котельным агрегатом теплота; q у.г +q х.н +q м.н +q н.о +q ф.ш - относительные потери теплоты по статьям расхода теплоты.
КПД нетто по уравнению обратного баланса определяется как разность
ŋ нетто = ŋ бр -q с.н,
где q с.н - относительный расход энергии на собственные нужды, %.
КПД по уравнению прямого баланса применяется преимущественно при составлении отчетности за отдельный период (декада, месяц), а КПД по уравнению обратного баланса - при испытании котельных агрегатов. Определение КПД по обратному балансу значительно точнее, так как погрешности при измерении потерь теплоты меньше, чем при определении расхода топлива, особенно при сжигании твердого топлива.
Таким образом, для повышения эффективности котельных агрегатов недостаточно стремиться к снижению тепловых потерь; необходимо также всемерно сокращать расходы тепловой и электрической энергии на собственные нужды. Поэтому сравнение экономичности работы различных котельных агрегатов в конечном счете следует проводить по их КПД нетто.
В целом КПД котельного агрегата изменяется в зависимости от его нагрузки. Для построения этой зависимости нужно от 100% вычесть последовательно все потери котельного агрегата S q пот = q у.г +q х.н +q м.н +q н.о , которые зависят от нагрузки.
Как видно из рисунка 1.14, КПД котельного агрегата при определенной нагрузке имеет максимальное значение, т. е. работа котла на этой нагрузке наиболее экономична.
Рисунок 1.14 - Зависимость КПД котла от его нагрузки: q у.г, q х.н , q м.н, q н.о, S q пот - потери теплоты с уходящими газами, от химической неполноты сгорания, от механической неполноты сгорания, от наружного охлаждения и суммарные потери
Общее уравнение теплового баланса котельного агрегата
Соотношение, связывающее приход и расход теплоты в теплогенераторе, составляет его тепловой баланс. Целями составления теплового баланса котельного агрегата является определение всех приходных и расходных статей баланса; расчёт КПД котельного агрегата, анализ расходных статей баланса с целью установления причин ухудшения работы котельного агрегата.
В котельном агрегате при сжигании топлива происходит преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания. Выделившаяся теплота топлива расходуется на выработку полезной теплоты, содержащейся в паре или горячей воде, и на покрытие тепловых потерь.
В соответствии с законом сохранения энергии между приходом и расходом теплоты в котельном агрегате должно существовать равенство, т. е.
Для котельных установок тепловой баланс составляют на 1кг твёрдого или жидкого топлива или 1м 3 газа, находящегося при нормальных условиях (
). Статьи прихода и расхода в уравнении теплового баланса имеют размерность МДж/м 3 для газообразного и МДж/кг для твёрдого и жидкого топлива.
Поступившая в котельный агрегат теплота от сжигания топлива называется также располагаемой теплотой, её обозначают .В общем случае приходная часть теплового баланса записывается в виде:
где низшая теплота сгорания твёрдого или жидкого топлива на рабочую массу, МДж/кг;
Низшая теплота сгорания газообразного топлива на сухую массу, МДж/м 3 ;
Физическая теплота топлива;
Физическая теплота воздуха;
Теплота, вносимая в топку котла с паром.
Рассмотрим составляющие приходной части теплового баланса. В расчётах принимается низшая рабочая теплота сгорания в том случае, если температура продуктов сгорания, покидающих котёл, выше температуры конденсации водяного пара (обычно t г = 110…120 0 С). При охлаждении же продуктов сгорания до температуры, при которой на поверхности нагрева возможна конденсация водяных паров, расчёты следует выполнять с учётом высшей теплоты сгорания топлива
Физическая теплота топлива равна:
где с
т – удельная теплоёмкость топлива, 
для мазута и 
для газа;
t т – температура топлива, 0 С.
При поступлении в котёл твёрдое топливо имеет обычно малую температуру, приближающуюся к нулю, поэтому Q ф.т. невелика по значению, и ей можно пренебречь.
Мазут (жидкое топливо) для снижения вязкости и улучшения распыления поступает в топку подогретым до температуры 80…120 0 С, поэтому его физическая теплота учитывается при выполнении расчётов. При этом теплоёмкость мазута может быть определена по формуле:
Учёт Q ф.т. проводится только при сжигании газообразного топлива с низкой теплотой сгорания (например, доменного газа) при условии его подогрева (до 200…300 0 С). При сжигании газообразного топлива с высокой теплотой сгорания (например, природного газа) имеет место, повышенное соотношение массы воздуха и газа (примерно 10 1). В этом случае топливо – газ обычно не подогревают.
Физическая теплота воздуха Q ф.в. учитывается лишь при подогреве его вне котла за счёт постороннего источника (например, в паровом калорифере или в автономном подогревателе при сжигании в нём дополнительного топлива). В этом случае теплота, внесённая воздухом равна:
где отношение количества воздуха на входе в котёл (воздухоподогреватель) к теоретически необходимому;
Энтальпия теоретически необходимого подогретого перед воздушным подогревателем воздуха, 
:
,
здесь температура подогретого воздуха перед воздухоподогревателем котельного агрегата, 0 С;
Энтальпия теоретически необходимого холодного воздуха, :
Теплота, вносимая в топку котла с паром при паровом распылении мазута учитывается в виде формулы:
где G п – расход пара, кг на 1 кг топлива (при паровом распыливании мазута G п = 0,3…0,35 кг/кг);
h п – энтальпия пара, МДж/кг;
2,51 –примерное значение энтальпии водяного пара в продуктах сгорания, покидающих котельный агрегат, МДж/кг.
При отсутствии подогрева топлива и воздуха от посторонних источников располагаемая теплота будет равна:
Расходная часть теплового баланса включает в себя полезно используемую теплоту Q пол в котельном агрегате, т.е. теплоту, затраченную на выработку пара (или горячей воды), и разные тепловые потери , т.е.
где Q у.г. – потери теплоты с уходящими газами;
Q х.н. , Q м.н. – потери теплоты от химической и механической неполноты сгорания топлива;
Q н.о. – потери теплоты от наружного охлаждения внешних ограждений котла;
Q ф.ш. – потеря с физической теплотой шлаков;
Q акк. – расход (знак «+») и приход (знак «-») теплоты, связанный с неустановившимся тепловым режимом работы котла. При установившемся тепловом состоянии Q акк. = 0.
Итак общее уравнение теплового баланса котельного агрегата при установившемся тепловом режиме можно записать в виде:
Если обе части представленного уравнения разделить на и умножить на 100%, то получим:
где 
слагаемые расходной части теплового баланса, %.
3.1 Потери теплоты с уходящими газами
Потеря теплоты с уходящими газами возникает из-за того, что физическая теплота (энтальпия) газов покидающих котёл при температуре t у.г. , превышает физическую теплоту поступающих в котёл воздуха α у.г. и топлива с т t т. Разница между энтальпией уходящих газов и теплотой, поступившей в котёл с воздухом из окружающей среды α у.г. , представляет собой потерю теплоты с уходящими газами, МДж/кг или (МДж/м 3):
.
Потеря теплоты с уходящими газами занимает обычно основное место среди тепловых потерь котла, составляя 5…12% располагаемой теплоты топлива. Эти потери теплоты зависят от температуры, объёма и состава продуктов сгорания, которые, в свою очередь, зависит от балластных составляющих топлива:
Отношение , характеризующее качество топлива, показывает относительный выход газообразных продуктов сгорания (при α = 1) на единицу теплоты сгорания топлива и зависит от содержания в нём балластных составляющих (влаги W р и золы А р для твердого и жидкого топлива, азота N 2 , диоксида углерода СО 2 и кислорода О 2 для газообразного топлива). С увеличением содержания в топливе балластных составляющих, и, следовательно, , потеря теплоты с уходящими газами соответственно возрастает.
Одним из возможных направлений снижения потери теплоты с уходящими газами является уменьшение коэффициента избытка воздуха в уходящих газах α у.г, который зависит от коэффициента расхода воздуха в топке и балластного воздуха, присосанного в газоходы котла, находящиеся обычно под разряжением:
Возможность уменьшения α , зависит от вида топлива, способа его сжигания, типа горелок и толочного устройства. При благоприятных условиях смешения топлива и воздуха избыток воздуха , необходимый для горения, может быть уменьшен. При сжигании газообразного топлива коэффициент избытка воздуха принимают 1,1, при сжигании мазута =1,1…1,15.
Присосы воздуха по газовому тракту котла в пределе могут быть сведены нулю. Однако полное уплотнение мест прохода труб через обмуровку, уплотнение лючков и гляделок затруднено и практически =0,15..0,3.
Балластный воздух в продуктах сгорания помимо увеличения потери теплоты Q у.г. приводит также к дополнительным затратам электроэнергии на дымосос.
Другим важнейшим фактором, влияющим на величину Q у.г., является температура уходящих газов t у.г. . Её снижение достигается установкой в хвостовой части котла теплоиспользующих элементов (экономайзера, воздушного подогревателя). Чем ниже температура уходящих газов и, соответственно, меньше разность температур между газами и нагреваемым рабочим телом (например, воздухом), тем большая площадь поверхности нагрева требуется для охлаждения продуктов сгорания.
Повышение же температуры уходящих газов приводит к увеличению потери с Q у.г. и, следовательно, к дополнительным затратам топлива на выработку одного и того же количества пара или горячей воды. В связи с этим оптимальная температура t у.г. определяется на основе технико-экономических расчётов при сопоставлении готовых капитальных затрат на сооружение поверхности нагрева и затрат на топливо (рис.3.).
Кроме того, при работе котла поверхности нагрева могут загрязняться сажей и золой топлива. Это приводит к ухудшению теплообмена продуктов сгорания с поверхностью нагрева. При этом для сохранения заданной паропроизводительности приходится идти на увеличение расхода топлива. Занос поверхностей нагрева приводит также к увеличению сопротивления газового тракта котла. В связи с этим для обеспечения нормальной эксплуатации агрегата требуется систематическая очистка его поверхностей нагрева.
3.2Потери теплоты от химической неполноты сгорания
Потеря теплоты от химической неполноты сгорания (химический недожог) возникает при неполном сгорании топлива в пределах топочной камеры и появления в продуктах сгорания горючих газообразных составляющих – СО, H 2 , СH 4 , C m H n и др. догорание же этих горючих газов за пределами топки практически невозможно из-за относительно низкой их температуры.
Причинами появления химической неполноты сгорания могут быть:
· общий недостаток количества воздуха;
· плохое смесеобразование, особенно на начальных стадиях горения топлива;
· низкая температура в топочной камере, особенно в зоне догорания топлива;
· недостаточное время пребывания топлива в пределах топочной камеры, в течении которого химическая реакция горения не может завершиться полностью.
При достаточном для полного сгорания топлива количестве воздуха и хорошем смесеобразовании потери зависят от объёмной плотности тепловыделения в топке, МВт/м 3:
Где В – расход топлива, кг/с;
V т – объём топки, м 3 .
Рис. 14.9 Зависимость потери теплоты от химической неполноты сгорания q х.н
, %, от объемной плотности тепловыделения в топке q v
, МВт/м 3 .
| Характер зависимости представлен на рис.4. . В области низких значений (левая часть кривой), т.е. при малых расходах топлива В, потери увеличиваются в связи со снижением температурного уровня в топочной камере. Увеличение объёмной плотности тепловыделения (с увеличением расхода топлива) приводит к повышению температурного уровня в топке и снижению |
Однако по достижении определённого уровня при дальнейшем увеличении расхода топлива (правая часть кривой) потери вновь начинают возрастать, что связано с уменьшением времени пребывания газов в объёме топки и невозможностью в связи с этим завершения реакции горения.
Оптимальное значение , при котором потери минимальны, зависит от вида топлива, способа его сжигания и конструкции топки. Для современных топочных устройств потеря теплоты от химической неполноты сгорания составляет 0…2% при 
.при сжигании твёрдого и жидкого топлива:
при сжигании газообразного топлива:
При разработке мероприятий по снижению величины следует иметь в виду, что при наличии условий для появления продуктов неполного сгорания в первую очередь образуется CO как наиболее трудносжигаемый компонент, а затем Н 2 и другие газы. Из этого следует, что если в продуктах горения отсутствует СО, то в них нет и Н 2 .
Коэффициент полезного действия котельного агрегата
Коэффициентом полезного действия котельного агрегата называют отношение полезной теплоты, израсходованной на выработку пара (или горячей воды), к располагаемой теплоте котельного агрегата. Однако не вся полезная теплота, выработанная котельным агрегатом, направляется потребителям, часть теплоты расходуется на собственные нужды. С учётом этого различают КПД котельного агрегата по выработанной теплоте (КПД – брутто) и по отпущенной теплоте (КПД – нетто).
По разности выработанной и отпущенной теплот определяется расход на собственные нужды. На собственные нужды расходуется не только теплота, но и электрическая энергия (например, на привод дымососа, вентилятора, питательных насосов, механизмов топливоподачи), т.е. расход на собственные нужды включает в себя расход всех видов энергии, затраченных на производство пара или горячей воды.
Итак, КПД – брутто котельного агрегата характеризует степень его технического совершенства, а КПД – нетто – коммерческую экономичность.
КПД – брутто котельного агрегата можно определить или по уравнению прямого баланса или по уравнению обратного баланса.
По уравнению прямого баланса:
Например, при производстве водяного пара полезно используемая теплота равна (см. 2 вопрос ) :
Тогда 
Из представленного выражения можно получить формулу для определения необходимого расхода топлива, кг/с (м 3 /с):
По уравнению обратного баланса:
Определение КПД – брутто по уравнению прямого баланса проводят преимущественно при отчётности за отдельный период (декада, месяц), а по уравнению обратного баланса – при испытании котельных агрегатов. Вычисление КПД по обратному балансу значительно точнее, так как погрешности при измерении потерь теплоты меньше, чем при определении расхода топлива.
КПД – нетто определяется по выражению:
где расход энергии на собственные нужды, % .
Таким образом, для повышения эффективности котельных агрегатов недостаточно стремиться к снижению тепловых потерь; необходимо также всемерно сокращать расходы тепловой и электрической энергии на собственные нужды, которые составляют в среднем 3…5% теплоты, располагаемой котельным агрегатом.КПД котельного агрегата зависит от его нагрузки. Для построенияй зависимости нужно от 100% вычесть последовательно все потери котельного агрегата, которые зависят от нагрузки, т.е. 
