Уравнение теплового баланса.

Под тепловым балансом котельного агрегата понимают равенство количества теплоты, вносимой в тепловой агрегат, и теплоты, затраченной на производство пара (или нагрева воды), с учетом неизбежных потерь, связанных с процессом сжигания и теплообмена – уравнение теплового баланса.

При проектировании установки на основании теплового баланса вычисляется необходимый расход топлива; а при тепловом испытании котла выявляется экономичность его работы и тепловые характеристики отдельных его элементов. Составляется тепловой баланс в килоджоулях на 1 кг твердых и жидких топлив и на 1 м³ сухого газообразного топлива для установившегося теплового состояния агрегата.

Уравнение можно представить в виде:

- располагаемая удельная или объемная теплота, кДж/кг или кДж/м³; - полезно используемая удельная или объемная теплота, кДж/кг или кДж/м³ - сумма всех удельных или объемных тепловых потерь, кДж/кг или кДж/м³.

Величина включает в себя следующие потери: с уходящими газами q₂, от химической неполноты сгорания q₃, от механической неполноты сгорания q₄, от наружного охлаждения агрегата q₅ и с с физической теплотой шлаков q₆ (их теплота обычно не утилизируется). При сжигании жидкого и газообразного топлива потери q₄ и q₆ отсутствуют.

при сжигании твердого топлива имеем:

в процентах:

при сжигании жидкого и газообразного топлива:

и т.д.

Располагаемая теплота на 1 кг твердого или жидкого топлива, или на 1 м³ газообразного топлива, определяется соответственно по формулам:

где и - низшая удельная теплота сгорания рабочей массы твердого и жидкого топлива и низшая объемная теплота сгорания сухой массы газообразного топлива.

- удельная или объемная теплоемкость топлива, температура топлива; - физическая теплота воздуха; q_ф – удельная теплота, вносимая в агрегат паровым дутьем, если такое есть. q_ф = М_ф(i_ф – 2513), где М_ф – масса пара на дутье, i_ф – удельная энтальпия дутьевого пара кДж/кг, 2513 – удельная энтальпия водяного пара в продуктах сгорания, покидающих агрегат.

Величину можно исключить, если она мала в сравнении с теплотой сгорания топлива. q_ф – часто отсутствует.

Теплоту, полезно использованную в котле, определяют из следующего уравнения при работе котла в 1 с:

Вq₁ = Dq_К

В – расход топлива, кг/с или м³/с; D - q_ф паро производительность котла, кг/с; q_К – удельное количество теплоты, полученной в котле питательной водой при ее превращении в пар или горячую воду, вырабатываемые в котле, кДж/кг.

Величину q_К определяют следующим образом:

1. для котлов, в которых получают перегретый пар:

i_П.П., i_П.В. , i^' – удельные энтальпии соответственно перегретого пара, питательной воды и котловой воды, кДж/кг.  - доля непрерывной продувки, обычно составляет 2 –5 % от D.

Если в котле производится насыщенный пар, то i_П.П. заменяют удельной энтальпией насыщенного пара i".

2. для котлов, в которых получают горячую воду:

q_K = i₂ – i₁

где i₂ и i₁ – соответственно удельные энтальпии воды поступающей в коте и выходящей из него, кДж/кг.

Полезно использованная в котле теплота в процентах от располагаемой теплоты определяется:

представляет собой коэффициент полезного действия котла брутто:

= 90 – 94 % для мощных агрегатов и 70 – 80 % - для агрегатов малой мощности.

Выражение для определения расхода топлива:

Потеря теплоты с уходящими газами объясняется тем, что покидающие котел дымовые газы имеют еще достаточно высокую температуру и уносят с собой значительное количество теплоты, которая рассеивается в окружающей атмосфере. Эта потеря определяется как разность энтальпий продуктов сгорания и холодного воздуха, поступающего в котел.

i_УХ – удельная или объемная энтальпии уходящих газов при соответствующих коэффициентах избытка воздуха _УХ и температуре t_УХ, i^|_ХB - удельная или объемная энтальпия воздуха , теоретически необходимого для горения при температуре, с которой он поступает в котел. Энтальпии i_УХ и i^|_ХB определяются для 1 кг действительно сожженного топлива.

Множитель (100 – q1) учитывает уменьшение объема продуктов сгорания вследствие механического недожога топлива.

При сжигании жидкого и газообразного топлива:

Энтальпия уходящих газов пропорциональна V_УХ и t_УХ. С увеличением коэффициента избытка воздуха возрастает объем и энтальпия уходящих газов, а, следовательно, возрастает и потеря с уходящими газами. Коэффициент избытка воздуха за агрегатом _УХ = _Т + . (_Т – коэффициент избытка воздуха в топке,  - присосы воздуха через неплотности обмуровки и газоходы, находящиеся под небольшим разряжением).

Потеря от химической неполноты сгорания q^|₃ возникает при недостатке воздуха, поступающего для горения, при неудовлетворительном перемешивании воздуха с топливом, низком температурном уровне топки и др.

Величина q^|₃ определяется как сумма теплот горения горючих компонентов, содержащихся в уходящих газах. При проектировании задаются q^|₃ = 0 – 2 %. Оценка потери q^|₃ в работающем котле производится по данным анализа уходящих газов.

Потеря от механической неполноты сгорания сопутствует сжиганию твердых топлив. Обычно не вся масса топлива, поступающего в топку, участвует в горении. Некоторая его часть попадает в очаговые остатки (шлак, провал), другая же в виде мелочи уносится газами из топки и через дымовую трубу выбрасывается в атмосферу. Суммарная потеря от механической неполноты сгорания определяется:

- потери теплоты соответственно со шлаком, провалом и уносом.

Потеря зависит от свойств топлива, способа его сжигания, конструкции топки, температуры дутьевого воздуха, тепловой нагрузки зеркала горения и топочной камеры. Значение при проектировании принимают равным 1 – 12%.

Потеря теплоты от наружного охлаждения котла вызывается тем, что нагретые до некоторой температуры наружные поверхности обмуровки, изоляция трубопроводов и металлические части агрегата отдают теплоту в окружающую среду, имеющую меньшую температуру. При тепловых испытаниях определяют как остаточный член теплового баланса, т.е.

При тепловом расчете котельных агрегатов оценивается по специальным графикам. Относительная потеря тем меньше, чем больше единичная производительность котла. Для крупных котлов составляет несколько долей процента, для мелких – 3 – 5 %.