Основные характеристики

Тепловой баланс и тепловой расчет котла

Энергетический (тепловой) баланс кот­ла. Тепловой баланс работающего котла составляется на основе результа­тов тепловых испытаний с целью ана­лиза эффективности работы котла и определения его КПД. При тепловом расчете проектируемого котла тепловой баланс составляется на 1 кг твердого (жидкого) топлива или на 1 м³ газо­образного (при 273 К и 0,1 МПа) на основе нормативных данных для опреде­ления расхода топлива.

Уравнение теплового баланса (в кДж/кг) имеет вид

,

где - располагаемая (внесенная в топ­ку) теплота; - теплота, использо­ванная для выработки пара; - потери теплоты соответст­венно с уходящими газами, от химиче­ской и механической неполноты сгора­ния, от наружного охлаждения, с фи­зическим теплом шлаков.

Отношение полезно использованной в котле теплоты к располагаемой пред­ставляет КПД котла брутто

или в %

.

КПД котельной установки, учитыва­ющий расходы котла на собственные нужды (привод насосов, вентиляторов, дымососов и т. п.), составляющие около 4 %, называется КПД нетто. Располагае­мая теплота

,

где - количество теплоты, внесенное соответственно с подогретым вне котла воздухом и топливом (физи­ческая теплота).

В большинстве случаев физическая теплота слишком мала, поэтому распо­лагаемая теплота определяется только теплотой сгорания топлива так, что . Полезно используемая теплота

,

где D - расход пара, кг/с; i_пe и i_пв -энтальпии соответственно перегретого пара и питательной воды, кДж/кг; В - расход топлива, кг/с.

Потери теплоты с уходящими газами

,

где i_уг и i_в - энтальпия соответственно уходящих газов и холодного воздуха.

Потери с уходящими газами (6 - 15%) зависят от избытка воздуха в топке и температуры газов. При проектировании котлов температуру уходящих газов принимают равной 390 - 450 К, потери от химической и механической непол­ноты сгорания топлива и во внешнюю среду задают в соответствии с нормами теплового расчета.

При эксплуатации котлов потери от химической неполноты сгорания (0 - 2 %) находят по содержанию в дымовых га­зах продуктов неполного сгорания (СО, Н₂, СН₄, C_mH_n), определяемому на осно­ве химического анализа дымовых газов. Потери от механической неполноты сго­рания (1 -12 %) оценивают по содер­жанию горючих веществ в шлаке и золе. Потери от наружного охлаждения (0,5 - 3%) зависят от производительности котла, при эксплуатации их определяют на основе теории теплообмена по дан­ным измерения температуры наружных стен котла и окружающего воздуха. Потери с физическим теплом шлаков зависят от количества удаляемых из котла шлаков, их теплоемкости и темпе­ратуры. В большинстве случаев они незначительны, но при жидком шлакоудалении они увеличиваются до 1 - 5%.

Тепловой баланс и элементы расчета печей

При проектировании печи тепловой ба­ланс составляется для определения рас­хода топлива в топливных печах или мощности в электропечах. Обычно теп­ловой баланс составляют на единицу времени, а для печей периодического действия - на период обработки. Рас­смотрим поступление теплоты (Вт) в печи.

Теплота сжигания топлива или прев­ращения электрической энергии в теп­ловую

или ,

где В - расход топлива, кг/с; N - элект­рическая мощность.

Физическая теплота, вносимая по­догретым воздухом,

,

где V_в - расход воздуха на 1 кг топлива, м3/кг; с_в - средняя объемная теплоем­кость воздуха, Дж/(м³×К); t_в - темпе­ратура подогрева воздуха, °С (для элект­рических печей ).

Физическая теплота, вносимая подо­гретым топливом,

,

где с_т - теплоемкость топлива, Дж/(кг×К); t_т - температура топлива.

Кроме того, в печь поступает теплота Q_э экзотермических химических реакций, протекающих в печи.

Расход теплоты (в Вт), поступившей в печь, определяется полезной теплотой и потерями. Полезная теплота, расходу­емая на нагрев материалов,

,

где G - производительность печи, кг/с; с_м - средняя теплоемкость материала, Дж/(кг×К); t_мк и t_мн - соответственно конечная и начальная температура ма­териала, °С.

Для плавильных печей необходимо учитывать также скрытую теплоту плав­ления.

Теплота, уносимая уходящими газами (для электрических печей Q_yг = 0),

,

где V_yг - количество продуктов сгорания на 1 кг топлива, м³/кг; с_уг - средняя теплоемкость газов, Дж/(м³×К); t_yг - температура уходящих газов, ^оС.

Потери теплоты от химической и ме­ханической неполноты сгорания топлива (для электропечей Q_н = 0)

.

Потери теплоты в результате передачи ее через кладку

,

где А_кл - площадь наружной поверхнос­ти кладки, м²; t_кл - температура внут­ренней поверхности кладки, °С; t_в - температура окружающего воздуха, °С;

d - толщина кладки, м; l - коэффициент теплопроводности кладки, Вт/(м×К); a - коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху, Вт/(м²×К), a=10¸12 Вт/(м²×К).

Теплота, затраченная на нагревание транспортирующих устройств,

,

где G_тр - масса транспортирующих уст­ройств, проходящих через печь в единицу времени, кг/с; с_тр - средняя теплоем­кость устройств, Дж/(кг×К); t_{тр к} и t_{тр н} - соответственно конечная и начальная температуры транспортирующих уст­ройств.

Следует отметить, что возможные другие неучтенные потери теплоты Q_нп на излучение через открытые окна печи, на нагрев охлаждающей воды, на ак­кумуляцию кладки в печах периодиче­ского действия и т.п. принимают обычно равными 10-15% суммы всех потерь теплоты. Суммируя поступления и расходы теплоты, получим уравнение теплового баланса в виде

.

Из этого уравнения можно найти рас­ход топлива для топливных печей или мощность, потребляемую в электропе­чах. Тепловая производительность (в Вт) топливной печи

;

удельный расход теплоты (в Дж/кг) на 1 кг продукции

;

КПД

.