У котлах, як і інших опалювальних установках, використовується не все тепло, яке виділяється при згорянні палива. Досить велика частина тепла йде разом з продуктами горіння в атмосферу, частина втрачається через корпус котла і невелика частина втрачається через хімічного або механічного недожога. Під механічним недожогом розуміються втрати тепла через провал або виносу зольних елементів з незгорілі частки.
Тепловий баланс котла - це розподіл тепла, яке виділяється при спалюванні палива, на корисне тепло, яке використовується за призначенням, і на втрати тепла, які відбуваються при роботі теплового обладнання.
Схема основних джерел тепловтрат.
В якості еталонної величини приходу тепла приймають ту величину, яка могла виділитися при нижчій теплоті згоряння всього палива.
Якщо в котлі використовується тверде або рідке паливо, то тепловий баланс складають в килоджоулях щодо кожного кілограма витраченого палива, а при використанні газу - щодо кожного кубічного метра. І в тому, і в іншому випадку тепловий баланс може бути виражений в процентному відношенні.
Рівняння теплового балансу
Рівняння теплового балансу котла при спалюванні газу можна виразити наступною формулою:
Параметри оптимального навантаження забезпечують високу продуктивність опалювальної системи.
- QT = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6;
- де QT - загальна кількість термічного тепла, яке надійшло в топку котла;
- Q1 - корисне тепло, яке використовується для нагріву теплоносія або отримання пара;
- Q2 - втрати тепла, яке йде разом з продуктами горіння в атмосферу;
- Q3 - втрати тепла, пов'язані з неповним хімічним згорянням;
- Q4 - втрати тепла через механічного недожога;
- Q5 - втрати тепла через стінки котла та труб;
- Q6 - втрати тепла через вилучення золи та шлаку з топки.
Як видно з рівняння теплового балансу, при спалюванні газоподібного або рідкого палива відсутні величини Q4 і Q6, які характерні тільки для твердого палива.
Якщо ж тепловий баланс висловити у відсотках від загальної теплоти (QT = 100%), то дане рівняння набуває вигляду:
- 100 = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6.
Якщо розділити кожен член рівняння теплового балансу з лівої і правої частини на QT і помножити його на 100, то вийде тепловий баланс у відсотках від загального надійшов кількості тепла:
- q1 = Q1 * 100 / QT;
- q2 = Q2 * 100 / QT і так далі.
Якщо в котлі використано рідке або газоподібне паливо, то втрати q4 і q6 відсутні, рівняння теплового балансу котла в процентах набирає вигляду:
- 100 = q1 + q2 + q3 + q5.
Слід розглянути кожен вид тепла і рівняння докладніше.
Тепло, яке було використано за призначенням (q1)
Схема принципу роботи стаціонарного теплогенератора.
Теплом, яке використовується для прямого призначення, вважається те, яке витрачається на нагрів теплоносія, або отримання пара з заданим тиском і температурою, яка вважається від температури надійшла в економайзер котла води. Наявність економайзера значно збільшує величину корисного тепла, так як дозволяє більшою мірою використовувати тепло, яке міститься в продуктах горіння.
Стаття по темі: Планування 1-поверхового будинку з трьома спальнями - вибираємо проект за смаком
При роботі котла збільшується пружність і тиск пари всередині нього. Від цього процесу залежить і температура кипіння води. Якщо в звичайних умовах температура кипіння води дорівнює 100 ° С, то при підвищенні тиску пари цей показник збільшується. При цьому пар, який знаходиться в одному котлі разом з киплячою водою, називають насиченим, а температура кипіння води при даному тиску насиченої пари називається температурою насичення.
Якщо ж в парі відсутні крапельки води, то він називається сухим насиченим паром. Масова частка сухого насиченої пари у вологому парі становить ступінь сухості пара, виражену у відсотках. У парових котлах вологість пара коливається від 0 до 0,1%. Якщо ж вологість перевищує дані показники, котел працює не в оптимальному режимі.
Корисне тепло, яке витрачається на нагрів 1 л води від нульової температури до температури кипіння при постійному тиску, називається ентальпії рідини. Тепло, що витрачається на переклад 1 л киплячої рідини в пароподібний стан, називається прихованою теплотою паротворення. Сума цих двох показників становить загальне теплосодержание насиченої пари.
Втрати тепла з продуктами горіння, що йдуть в атмосферу (q2)
Даний тип втрат в процентному відношенні показує різницю ентальпії відхідних газів і холодного повітря, що надходить в котел. Формули визначення цих втрат відрізняються при використанні різних типів паливних речовин.
Спалювання мазуту призводить до втрат тепла через хімічне недожога.
При використанні твердого палива втрати q2 складають:
- q2 = (Іг-αг * Iв) (100-q4) / QT;
- де Іг - ентальпія йдуть в атмосферу газів (кДж / кг), αг - коефіцієнт надлишку повітря, Iв - ентальпія повітря, необхідного для горіння, при температурі його надходження в котел (кДж / кг).
Показник q4 вводиться в формулу тому, що повинно враховуватися тепло, що виділяється при фізичному спалюванні 1 кг палива, а не для 1 кг палива, що надійшло в топку.
При використанні газоподібного або рідкого палива ця ж формула має вигляд:
- q2 = ((Іг-αг * Iв) / QT) * 100%.
Втрати тепла з димовими газами залежать від стану самого опалювального котла і режиму роботи. Наприклад, при ручному завантаженні палива в топку втрати тепла цього типу значно збільшуються через періодичне припливу свіжого повітря.
Втрати теплової енергії з йдуть в атмосферу димовими газами збільшуються при збільшенні їх температури і кількості витрачається повітря. Наприклад, температура що йдуть в атмосферу газів при відсутності економайзера і воздухоподогревателя становить 250-350 ° С, а при їх присутності - всього 120-160 ° С, що в кілька разів підвищує величину корисно використовуваного тепла.
Схема обв'язки котла.
З іншого боку, недостатня температура що йдуть продуктів горіння може призвести до утворення конденсату водяної пари на поверхнях нагріву, що також впливає на утворення крижаних наростів на димових трубах в зимовий час.
Стаття по темі: Чи можна зробити балкон, якщо його немає: все «за» і «проти»
Кількість витрачається повітря залежить від типу пальника і режиму роботи. Якщо воно збільшено в порівнянні з оптимальним значенням, то це призводить до високого вмісту повітря у вихідних газах, який додатково забирає частину тепла. Це неминучий процес, який не можна припинити, але можна довести до мінімальних значень. У сучасних реаліях коефіцієнт витрати повітря не повинен перевищувати 1,08 для пальників з повною инжекцией, 0,6 - для пальників з неповною инжекцией повітря, 1,1 - для пальників з примусовою подачею і змішанням повітря і 1,15 - для дифузійних пальників з зовнішнім змішуванням. До збільшення втрат тепла з йдуть повітрям призводить наявність додаткових підсосів повітря в топці і трубах котла. Підтримка витрати повітря на оптимальному рівні дозволяє знизити величину q2 до мінімуму.
Щоб мінімізувати значення q2, необхідно своєчасно чистити зовнішню і внутрішню поверхню котла, стежити за відсутністю накипу, яка знижує передачу тепла від палива, що спалюється до теплоносія, дотримуватись вимог до води, використовуваної в котлі, стежити за відсутністю пошкоджень в котлі і з'єднаннях труб, щоб не допустити припливу повітря. Використання додаткових електричних поверхонь нагріву в газовому тракті витрачає електроенергію. Однак економія від оптимальної витрати палива буде набагато вище вартості споживаної електроенергії.
Втрати тепла від хімічного недожога палива (q3)
Даний вид схеми забезпечує захист системи опалення від перегріву.
Головним показником неповного хімічного згоряння палива є наявність в відпрацьованих газах окису вуглецю (при використанні твердого палива) або окису вуглецю і метану (при спалюванні газоподібного палива). Втрати тепла від хімічного недожога рівні того тепла, яке могло б виділитися при спалюванні цих залишків.
Неповне згоряння палива залежить від нестачі повітря, поганого сумішоутворення палива з повітрям, зниження температури всередині котла або при зіткненні полум'я палаючого палива зі стінками котла. Проте зайве підвищення кількості кисню, не тільки не гарантує повне спалювання палива, але може порушити роботу котла.
Оптимальний вміст окису вуглецю на виході з топки при температурі 1400 ° С має становити не більше 0,05% (в перерахунку на сухі гази). При таких значення тепловтрати від недожога складуть від 3 до 7% в залежності від палива. Нестача кисню може довести це значення до 25%.
Але необхідно домагатися таких умов, щоб хімічний недожог палива був відсутній. Необхідно забезпечувати оптимальне надходження повітря в топку, підтримувати постійну температуру всередині котла, домогтися ретельного перемішування паливної суміші з повітрям. Найбільш економічна робота котла досягається при вмісті вуглекислого газу в продуктах горіння, що йдуть в атмосферу, на рівні 13-15% в залежності від виду палива. При надлишку надходження повітря вміст двоокису вуглецю в році, що минає димі може знизитися на 3-5%, проте втрати тепла при цьому збільшаться. При нормальній роботі опалювального обладнання втрати q3 дорівнюють 0-0,5% для пиловугільних і 1% для шарових топок.
Стаття по темі: Квадроцикл своїми руками
Втрати тепла від фізичного недожога (q4)
Даний вид втрат відбувається через те, що незгорілі частки палива провалюються через колосники в зольник або несуться разом з продуктами горіння через трубу в атмосферу. Втрата тепла від фізичного недожога безпосередньо залежить від конструкції котла, розташування і форми колосників, сили тяги, стану палива і його спікливості.
Найбільш значні втрати від механічного недожога при слоевом спалюванні твердого палива і надмірно сильній тязі. У такому випадку велика кількість дрібних незгорілих частинок несеться разом з димом. Особливо добре це проявляється при використанні неоднорідного палива, коли в ньому чергуються дрібні і великі шматки палива. Горіння кожного шару виходить неоднорідним, так як дрібні шматки згоряють швидше і несуться з димом. У утворилися проміжки надходить повітря, який охолоджує великі шматки палива. Вони при цьому покриваються шлаковой кіркою і не вигоряють повністю.
Втрати тепла при механічному недожогом становлять зазвичай близько 1% для пиловугільних топок і до 7,5% для шарових топок.
Втрати тепла безпосередньо через стінки котла (q5)
Даний вид втрат залежить від форми і конструкції котла, товщини і якості обмурівки як котла, так і димовідвідних труб, наявності теплоізолюючого екрану. Крім того, великий вплив на втрати надає конструкція самої топки, а також наявність додаткових поверхонь нагріву і електричних нагрівачів в димовому тракті. Ці втрати тепла збільшуються при наявності протягів в приміщенні, де стоїть опалювальне обладнання, а також від кількості і тривалості відкриття топки і лючков системи. Зниження кількості втрат залежить від правильної обмурівки котла і наявності економайзера. Сприятливо на зниженні втрат тепла позначається теплоізоляція труб, по яких відпрацьовані гази виводяться в атмосферу.
Втрати тепла через вилучення золи та шлаку (q6)
Даний тип втрат характерний тільки для твердого палива в кусковому і пилоподібному стані. При його недожогом частки неостиглого палива провалюються в зольник, звідки їдуть, несучи з собою частину тепла. Ці втрати залежать від зольності палива і системи шлаковидалення.
Тепловий баланс котла - це величина, яка показує оптимальність і економічність роботи вашого котла. За величиною теплового балансу можна визначитися з заходами, які допоможуть економити спалюється паливо і збільшити ефективність опалювального обладнання.