3.3 Втрати теплоти

Втрати теплоти з відхідними газами q2.

Такі втрати обумовлені тим, що димові гази викидаються з котла з температурою, вищою ніж температура палива і повітря на вході в котел, тобто вищою ніж температура навколишнього середовища.

Якщо знехтувати теплотою палива та золи і врахувати зменшення об’єму газів через втрати q4 , то втрати теплоти з відхідними газами

{q_2} = {{{I_{вг}} - {\alpha _{вг}} \cdot І_{хп}^0} \over {{Q_н}}} \cdot {{100 - {q_4}} \over {100}}.   (3.18)
Ці втрати складають 4…12%. Величина втрат q2 залежить від характеристик палива, коефіцієнту надлишку повітря та температури відхідних газів. Основною характеристикою палива в даному випадку є кількість баластних речовин, які збільшують об’єм газів без збільшення теплоти згорання.

Зниження втрат теплоти з відхідними газами можливе за рахунок зменшення коефіцієнта надлишку повітря у відхідних газах αвг. За (2.11) це може бути досягнуто зменшенням присмоктувань в газоходах, тобто герметизацією газоходів, або зменшення надлишку повітря в топці αт.

Рисунок 3.2 – Вплив коефіцієнта надлишку повітря на втрати теплоти

Але зміна αт впливає на інші втрати – від хімічної неповноти згорання q3 (див. рис. 3.2). Оптимальним значенням є αт при якому сумарні втрати q2 + q3 наближаються до мінімуму.

Оптимальне значення αт залежить від виду палива та умов змішування палива з повітрям.

Для спалювання природного газу приймають αт<1,1, для мазуту – αт=1,05…1,15, для вугілля αт=1,2…1,7.

Надлишкове повітря окрім збільшення втрат q2 призводить до перевитрати електроенергії на привід димососу.

Температура відхідних газів є одним з найважливіших факторів. Досягти її зменшення можливо за рахунок збільшення хвостових поверхонь котла, тобто його металоємності і вартості.






Рисунок 3.3 – Оптимізація температури відхідних газів

Але висока tвг призводить до зменшення ККД і збільшення витрат на паливо.

Крім того для не конденсаційних котлів температура tвг обмежена температурою точки роси tт.р димових газів, коли можлива низькотемпературна корозія поверхонь. Техніко-економічні розрахунки дозволяють визначити оптимальну tвг (рис. 3.3).

Втрати теплоти з хімічною неповнотою згорання q3.

Такі втрати пов’язані із вмістом у димових газах продуктів неповного згорання палива СО2, СН4, СmHn тощо.

Причинами неповного згорання палива можуть бути:


– недостатня кількість окислювача;
– погане сумішоутворення;
– невеликі розміри топки і малий час знаходження палива в топці;
– низька температура в зоні горіння. Таким чином втрати q3 в значній мірі визначаються об’ємною густиною тепловиділення в об’ємі топки Vт (рис. 3.4)
{q_v} = {{{B_p} \cdot Q_н^p} \over {{V_т}}}.   (3.19)
Рисунок 3.4 – Вплив навантаження об’єму топки qv на втрати q3

Оптимальні значення об’ємного тепловиділення для топок з футерівкою складають qv = 0,1…0,3 МВт/м3, для сталевих котлів до 1 МВт/м3, а в циклонних топках 3…10 МВт/м3.

Під час випробувань котлів втрати Q3 визначають за процентним вмістом продуктів неповного згорання у відхідних газах і їх теплотою згорання

{Q_3} = {V_{co}} \cdot {Q_{co}} + {V_{cн{_4}}} \cdot {Q_{cн{_4}}} + {V_{н{_2}}} \cdot {Q_{н{_2}}} + ... .   (3.20)

Засобами зменшення є попередній підігрів повітря і палива, якісніше подрібнення палива, покращення сумішоутворення. На етапі проектування котла витрати теплоти q3 вибирають за довідковими даними в залежності від палива і конструкції топкового пристрою.

Втрати теплоти з механічною неповнотою згорання q4.

Ці втрати пов’язані із недопалом твердого палива в топковій камері. Недогорілі частинки палива можуть виходити з котла з шлаком, провалом та виноситись з газами

{Q_4} = Q_4^{шл} + Q_4^{пр} + Q_4^{вин}.   (3.21)

Ці складові визначаються за кількістю шлаку, провалу і виносу та їхньою теплотою згорання

Q_4^{шл} = {{{G_{шл}} \cdot {Q_{шл}}} \over {{B_p}}}, Q_4^{пp} = {{{G_{пp}} \cdot {Q_{пp}}} \over {{B_p}}}, Q_4^{вин} = {{{G_{вин}} \cdot {Q_{вин}}} \over {{B_p}}}.   (3.22)

Втрати q4 можуть складати до 12%. При шаровому спалюванні основна складова – шлак та провал, а при камерному – винос. Втрати з провалом в сучасних котлах складають до 1%, оскільки решітки виконують "безпровальними". В шарових топках кількість шлаку залежить від конструкції решітки та метода шлаковидалення, в камерних топках – від якості розмелення палива.

Величина виносу в камерних топках складає 90…95% і залежить від швидкості потоку та якості палива, а в шарових топках – від їх потужності.

Для визначення складових q4 в умовах експлуатації складають золовий баланс котла, а для визначення втрат q4 на етапі проектування котла користуються довідковими даними.

Втрати теплоти через огородження котла q5.

Ці втрати пов’язані з тим, що в газоходах температура значно вище температури навколишнього середовища і відбуваються тепловтрати через огородження котла.

Величина тепловтрат визначається якістю теплоізоляції огороджень котла та умовами теплообміну на поверхні огородження. Проведення точних розрахунків або вимірювань достатньо складне, тому користуються довідковими даними, наведеними на рис. 3.5.

Ці втрати складають до 3%, а для сучасних сталевих котлів малої потужності вони складають до 1%. В умовах експлуатації при неномінальних навантаженнях втрати через огородження визначаються

{q_5} = q_5^{ном} \cdot {{{D_{ном}}} \over D}.   (3.23)

Під час налагоджувальних випробувань втрати q5 визначають за залишковим принципом.

Втрати з фізичною теплотою шлаку q6.

Ці втрати пов’язані з тим, що шлак виводиться з котла з температурою набагато вищою, ніж температура навколишнього середовища.

{q_6} = {{{a_{шл}} \cdot {A^p} \cdot {{\left( {ct} \right)}_{зл}}} \over {{Q_н}}},   (3.23)
де ашл – частка шлаку в загальній зольності палива, ашл = 1 – авин.

В топках з твердим шлаковидаленням та камерних топках ці втрати враховуються тільки для високозольних палив з Ар>15…20% і температура шлаку приймається 6000С. В топках з рідким шлаковидаленням ці втрати складають лише 1…2%.

Контрольні запитання

  1. Наведіть рівняння теплового балансу котла, його призначення та зміст складових.
  2. Поясніть як визначається ККД котла за прямим та зворотним балансом.
  3. Поясніть різницю між ККД брутто і ККД нетто котла.
  4. Як визначається ККД котла і витрата палива на котел?
  5. Поясніть поняття "наявна теплота", її складових і залежності для їх визначення.
  6. Поясніть від чого залежать втрати теплоти з відхідними газами, від хімічної і механічної теплоти згорання.
  7. В яких випадках і яким чином визначаються втрати теплоти через огородження котла і зі шлаком?

Приклад 3.1. Визначити втрати теплоти від хімічної неповноти згорання, якщо корисна теплота 31,5 МДж/м3, втрата теплоти через огородження складає 700 кДж/м3, втрати від механічної неповноти згорання немає, з відхідними газами 7%. Наявна теплота складає 35МДж/м3.

Розв’язання

Маючи корисну і наявну теплоту за (3.3) визначимо ККД котла


Втрати теплоти через огородження, %

За розмірністю величини наявної теплоти можна зрозуміти, що це газове паливо, для якого втрати теплоти з шлаком відсутні. Тоді з рівняння (3.4) визначимо втрати q3, %

Приклад 3.2. Визначити ККД брутто котельного агрегату за такими вихідними даними: паровидатність 16 т/год; витрата палива 0,34 кг/с; температура перегрітої пари 370oС; тиск перегрітої пари 2,4 МПа; температура живильної води 104oС; величина безперервної продувки 3%; температура підігріву повітря в калориферах 100oС; теоретичний об’єм повітря 10,2 м3/кг; коефіцієнт β= 1,1. Температура холодного повітря 20oС; температура мазуту 100oС. Котел має парове розпилення. Витрата насиченої пари тиском 5 бар на розпилення мазуту 0,3 кг/кг. Паливо – мазут з Qрн = 38,8 МДж/кг.

Розв’язання

Визначимо теплоємність мазуту при температурі 100oС, кДж/(кг·К)

{c_{пал}} = 1,738 + 0,0025 \cdot {t_{пал}} = 1,738 + 0,0025 \cdot 100 = 1,988.

Фізична теплота палива, кДж/кг

{Q_{пал}} = {c_{пал}} \cdot {t_{пал}} = 1,988 \cdot 100 = 198,8

Питомі ентальпії повітря при температурах 20oС і 100oС складають 26 і 132 кДж/м3 відповідно, тоді теплота підігрітого ззовні повітря, кДж/кг

{Q_{пов.зов}} = \beta \cdot {V^0} \cdot \left( {c{t_{г.п}} - c{t_{х.п}}} \right) = 1,1 \cdot 10,2 \cdot \left( {132 - 26} \right) = 1189

Ентальпія насиченої пари при тиску 5 бар складає 2749 кДж/кг, тоді теплота, що вноситься парою при паровому розпиленні, кДж/кг

{Q_{форс}} = {G_п} \cdot \left( {{h_п} - 2510} \right) = 0,3 \cdot \left( {2749 - 2510} \right) = 71,7

Наявна теплота за (3.5), кДж/кг

{Q_н} = Q_н^p + {Q_{пал}} + {Q_{пов.зов}} + {Q_{форс}} = 38800 + 198,8 + 1189 + 71,7 = 40259,5

За тиском 2,4 МПа і температурою 370oС визначаємо ентальпію перегрітої пари hпп= 3174 кДж/кг, за температурою 104oС – ентальпію живильної води 436 кДж/кг. Приймемо, що тиск в барабані 2,5 МПа, тоді ентальпія котлової води hкв= 962 кДж/кг. Паровидатність 16 т/год або 4,44 кг/с.

ККД брутто котла за (3.15)

{\eta _к} = {{D \cdot \left( {{h_{пп}} - {h_{жв}}} \right) + {G_{пр}} \cdot \left( {{h_{кв}} - {h_{хв}}} \right)} \over {{Q_н} \cdot {B_p}}} = {{4,44 \cdot \left( {3174 - 436} \right) + 4,44 \cdot 0,03 \cdot \left( {962 - 436} \right)} \over {40259,5 \cdot 0,34}} = 0,893

Приклад 3.3.Визначити ККД брутто котельного агрегату, що працює на природному газі з Qнр= 33,7 МДж/м3. Температура відхідних газів 150oС, об’єми повітря і продуктів згорання Vo= 9,3 м3/ м3, VRO2= 1 м3/ м3, VоN2= 7,2 м3/ м3, VоН2О= 1,9 м3/ м3. Втрати теплоти від хімічної неповноти згорання 0,5%, через огородження 1,7%, від механічної неповноти згорання 0%. Коефіцієнт надлишку повітря у відхідних газах 1,3.

Розв’язання

Оскільки немає даних про підігрів повітря, то наявна теплота, кДж/м3

{Q_н} = Q_н^p = 33700

Для температури відхідних газів 150oС за табл. 2.1 визначаємо питомі ентальпії, кДж/м3

{\left( {ct} \right)_{пов}}=199;   {\left( {ct} \right)_{R{O_2}}}=263;   {\left( {ct} \right)_{{H_2}O}}=228

Ентальпія відхідних газів за (2.26), кДж/м3

{I_г} = 1 \cdot 263 + 7,2 \cdot 195 + 1,9 \cdot 228 + \left( {1,3 - 1} \right) \cdot 9,3 \cdot 199 = 2655

Температуру холодного повітря приймаємо 20oС, а питому ентальпію 26 кДж/м3, тоді втрати теплоти з відхідними газами за (3.18)

{q_2} = {{2655 - 1,3 \cdot 9,3 \cdot 26} \over {33700}} \cdot {{100 - 0} \over {100}} = 0,695  або  6,95%

Оскільки спалюється газове паливо, то втрат з шлаком немає q6 = 0.


Тоді ККД брутто котла за зворотним балансом (3.4), %
{\eta _к} = 100 - \left( {6,95 + 0,5 + 0 + 1,7 + 0} \right) = 90,85

Задачі для самостійної роботи

Приклад 3.4. Визначити витрату палива для котельного агрегату за такими вихідними даними: паровидатність D, температура перегрітої пари 370oС; тиск перегрітої пари Р; температура живильної води 90oС; величина безперервної продувки р = 3%; теоретичний об’єм повітря і продуктів згорання Vo = 10,2 м3/м3, VoN2 = 8,06 м3/м3, VRO2 = 1,57 м3/м3, VoH2O = 1,34 м3/м3, температура та надлишок повітря у відхідних газах 200oС і 1,3 відповідно. Паливо – природний газ з Qрн=33,8 МДж/м3. Втрати теплоти через огородження котла 1,2 %, втрати з механічною та хімічною неповнотою згорання 0 і 0,5 % відповідно.

Передостання цифра шифру 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
D,  т/год 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Остання цифра шифру 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Р , МПа 0,9 1,4 1,6 1,8 2,0 2,4 2,8 3,2 4,0 4,4

Приклад 3.5. Визначити, як зміниться витрата палива на котлоагрегат паровидатністю 20 т/год з тиском 14 бар і температурою 250oС при зниженні коефіцієнта надлишку повітря у відхідних газах з 1,5 до 1,2 та зниженні температури відхідних газів з t1 до t2. Паливо – мазут високосірчистий з Qрн = 39064 кДж/кг; теоретичні об’єми Vo = 10,2 м3/кг, VoN2 = 8,06 м3/кг, VRO2 = 1,57 м3/кг, VoH2O =1,34 м3/кг, температура мазуту 130oС, втрати теплоти через огородження котла 1,2 %, втрати з механічною та хімічною неповнотою згорання 0 і 0,5 % відповідно. Температура живильної води 100oС.

Передостання цифра шифру 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
t1, oC 250 240 230 220 210 200 190 180 170 160
Остання цифра шифру 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
t2, oC 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155

Приклад 3.6. Визначити ентальпію відхідних газів та ККД парогенератора БМ–35, що спалює мазут. Теоретичні кількості повітря та газів Vo = 10,8 м3/кг, VoN2 = 8,26 м3/кг, VRO2 = 1,17 м3/кг, VoH2O =1,74 м3/кг. Коефіцієнт надлишку повітря у відхідних газах αвг, температура відхідних газів tвг , втрати теплоти через огородження котла 1,5 %, з механічною та хімічною неповнотою згорання 0 і 0,5 % відповідно. Температура мазуту 120oС. Qрн = 41 МДж/кг.

Передостання цифра шифру 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
tвг, oC 120 130 140 150 160 170 180 190 200 220
Остання цифра шифру 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
αвг, oC 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1