Полезно используемая теплота в паровом котле
Отношение количества полезно используемого тепла 1 кг сжигаемого топлива к теплотворной способности рабочего топлива будет выражать собой к. п. д. установки ηу, т. е.
Q1/Qрн*100=q1=ηу*100. (92)
Иногда ηу выражают в процентах, тогда q1=ηу %.
В дальнейшем принимаются следующие обозначения:
D — количество пара, вырабатываемое в час установкой, в кг
B — количество топлива, сжигаемого в час, в кг;
Δi — тепло, сообщенное в установке 1 кг теплоносителя — пару или воде (при водогрейных котлах), в ккал.
В таблицах водяного пара (табл. 22, 23, 24) дается теплосодержание пара, считая от 0°. Для питания же котельной установки берется вода с температурой, превышающей 0°. В отопительных котельных по большей части удается использовать значительную часть обратного конденсата, получаемого во всех нагревательных приборах отопления, теплообменниках, сушилках и пр. — везде, где нагревание производится при помощи поверхностных подогревателей. Только в случаях расходования острого пара, например, в красильных барках, бучильниках и тому подобной производственной аппаратуре, конденсат пара пропадает и его убыль приходится пополнять водой из городского водопровода, реки или артезианской скважины. Таким образом, в питательном сборном баке котельной устанавливается некоторая температура, зачастую повышающаяся до 80-100°.
Сообщенное теплоносителю теплосодержание будет выражаться так:
Δ i = i — t’э ккал/кг, (93)
где i — теплосодержание насыщенного или перегретого пара в ккал/кг;
t’э -температура питательной воды, входящей в установку, в град.
В данном случае вместо теплосодержания воды подставляется ее температура, так как теплоемкость воды близка к единице.
Пользуясь зависимостями (92) и (93) и обозначая через D расход пара, а через В — расход топлива в час, можно написать
DΔ i=QtB = Q1В = Qрн ηу В ккал/час, (94)
следовательно, зная часовые расходы пара и топлива, а также сообщаемое воде теплосодержание и теплотворную способность топлива, можно определить к. п. д. установки,т. е. полезно используемое тепло. При водогрейных котлах под D должно подразумеваться часовое количество прошедшей через установку воды и Δ i= t’’к — t’к ккал/кг.
Отношение D/В кг на 1 кг топлива для паровых котлов называется видимой испарительностью топлива и выражается формулой
Значение теплосодержания пара и температуры воды в разных установках различное.
С целью получения сравнимых между собой цифр, позволяющих характеризовать работу установки, пользуются испарительностью по нормальному пару, т. е. Δ i — 640 ккал/кг; тогда
Теплосодержание как насыщенного, так и перегретого пара можно найти по табл. 22 и 23, однако следует отметить, что при значительных форсировках в котлах, особенно с малым зеркалом испарения, паровыделение происходит настолько бурно, что пар не получается сухим насыщенным, и к нему добавляется некоторое количество котловой воды в виде капель или пены. В целях борьбы с сильным повышением влажности пара его часто пропускают через особые сепарирующие устройства — паросушители.
Сообщаемое питательной воде теплосодержание в раскрытом виде можно представить так:
Ниже приводятся характеристики еще не встречавшихся обозначений;
q — теплосодержание 1 кг воды в ккал, нагретой от 0° до температуры, соответствующей кипению при заданном абсолютном давлении;
г — скрытая теплота парообразования в ккал/кг берется также из таблиц для водяного пара;
х — паросодержание — весовое, количество пара в 1 кг смеси пара и воды;
спе — средняя теплоемкость перегретого пара в ккал/кг град; находится по табл. 24.
Уравнение (97) наглядно характеризует функции отдельных элементов котельной установки. Путь движения воды и пара по котлоагрегату указан на рис. 9.
В экономайзере вода нагревается до t»э, далее в котле она догревается до температуры кипения и затем испаряется. Некоторая часть воды (1 — х) увлекается паром и при наличии перегревателя эта вода попадает в него. Таким образом, в котлах, дающих пар с большой влажностью, много воды может заноситься в перегреватель, заставляя последний частично выполнять функции испаряющей поверхности нагрева, что крайне нежелательно, так как в змеевиках перегревателя образуется накипь, которую трудно удалять.
Если установка не имеет перегревателя, то его функции не будут выполнены и Δi примет вид
Вода в паровых котлах испаряется, а растворенные в ней соли, образующие накипь, почти целиком остаются в воде, поэтому в котловой воде с течением времени все больше и больше остается солей жесткости; пересыщая раствор котловой воды, они выпадают в виде накипи. Чтобы в известной степени ослабить накипеобразование, паровые котлы снабжаются продувкой, т. е. часть котловой воды D удаляется из котла и выбрасывается, а взамен усиливается питание котла, вода которого имеет незначительное количество солей жесткости. В отопительных котлах продувка по большей части производится не непрерывно, а периодически. На непрерывную продувку расходуется тепло qпр, и в таком случае полезно используемое тепло может быть определено следующее выражение:
Источник
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 10 декабря 2016;
проверки требует 1 правка.
Тепловой баланс котла — это следующее из закона сохранения энергии равенство количества располагаемой теплоты топлива, поступающего в котёл, сумме полезно используемой в нём теплоты и тепловых потерь (см. Определения). Сведение такого баланса позволяет оценить КПД котла и проверить тепловые расчёты. Выражается в величинах энергии, отнесённых к единице массы твёрдого или жидкого топлива или объёма газообразного топлива (обозначаются заглавными буквами Q) или в относительном виде, в процентах от располагаемой теплоты (обозначаются строчными буквами q, ):
Нумерация этих величин является общеупотребительной.
Располагаемая теплота топлива
Количество теплоты, поступающей в котёл на учётную единицу (массы или объёма) топлива;
,где — теплота сгорания топлива в рабочем состоянии (обычно используют низшую теплоту сгорания ); — теплота вносимого в топку с воздухом, нагретым вне котла; — энтальпия (физическая теплота) топлива; — теплота пара, подаваемого на форсунки при паровом распылении жидкого топлива; — теплота, затрачиваемая на разложение при горении топлива содержащихся в нём бикарбонатов. Всего в топку за единицу времени вносится энергия в количестве , где — расход топлива.Полезно используемая теплота
Тепловая энергия, сообщаемая рабочему телу (питательной воде, нагреваемой в водогрейном котле или преобразуемой в пар в паровом, пару промперегрева). В абсолютных величинах для парового котла она равна
,где , , , , — энтальпии свежего пара, питательной воды, продувочной воды и пара до и после промперегрева; , , — расходы свежего пара, пара промперегрева и продувки соответственно.
Потери теплоты с уходящими газами Равны разности энтальпий состояния газов на выходе и воздуха, входящего в котёл.,
где — энтальпии уходящих газов на выходе из котла и теоретически необходимого на горение количества воздуха ненагретого, — избыток воздуха в уходящих газах, в долях (на несгоревшее топливо воздуха не нужно).
Потери теплоты с химическим недожогом
Учитывают выход из котла горючих газообразных элементов (H2, CH4) или продуктов неполного сгорания (CO). При теплоте сгорания -го такого компонента и выходе на единицу топлива
.Потери теплоты с механическим недожогом
Потери с твёрдым непрореагировавшим топливом, переходящим в состав золы (обычно это кокс, удельная теплота сгорания которого значительна). Состоит из потерь со шлаком (выпадающим в топке) и уносом (выносом топлива в систему золоулавливания и дымовую трубу), обычно учитываемых раздельно (поскольку содержание горючих в золе уноса и шлаке сильно отличается):
,
,
,
где — теплота сгорания горючих (для углерода примерно 32,6 МДж/кг), — доли удаления золы со шлаком и уносом, — зольность рабочей массы топлива.
Потери теплоты в окружающую среду
Потери от охлаждения внешних поверхностей котла. Для данного котла абсолютная потеря на наружное охлаждение — почти постоянная величина (соответственно, ), она меньше для котлов большей мощности (с меньшей удельной поверхностью).
Потери теплоты со шлаком
Потери с физической теплотой шлака, удаляемого из топки. Принимается, что
,
где — доля золы, улавливаемой в топке, — зольность рабочей массы топлива, — произведение теплоёмкости золы на её температуру (принимается 600 °C при твёрдом шлакоудалении или tC+100 °C при жидком).
Сведение теплового баланса позволяет получить коэффициент полезного действия котла брутто
.
При определении КПД котла нетто из величины дополнительно вычитают при расчётах затраты энергии на собственные нужды котла (работу дымососов, насосов, вентиляторов, мельниц и т. п.). Также уравнение теплового баланса позволяет узнать неизвестную величину, зная известные.
Борьба с потерями[править | править код]
Величину , имеющую наибольшее значение, можно снижать, прежде всего снижая избыток воздуха в топке (огранично условиями полного сгорания топлива во избежание роста и экологических проблем, а также снижением скорости горения) и температуру уходящих газов (но последнее требует увеличение поверхностей нагрева). С потерями от наружного охлаждения борются, покрывая котёл теплоизоляцией (это необходимо и по условиям пребывания людей в котельной).
Источник
Уравнение
для
можно
составить, если рассмотреть схему котла,
представленную на рис. 3.3. В котел
поступает питательная вода в количестве
,
кг/с,
с энтальпией
,
МДж/кг. Эта вода вносит
в
котел в единицу времени теплоту
,
МВт. Вода в котле нагревается, кипит
и превращается в перегретый пар. Из
котла выходит перегретый пар
,
кг/с, с энтальпией
,
МДж/кг. Следовательно, с перегретым
паром из котла уносится теплота в
количестве
,
МВт.
Разница
между теплотой, уносимой из котла с
перегретым паром, и теплотой, вносимой
в него с питательной водой, является
полезно использованной теплотой, то
есть
| (3.6) |
. В
постоянном режиме работы уровень воды
в котле не должен изменяться. Для
выполнения этого требования необходимо
соблюдать условие
.
Тогда из выражения (3.6) получим, МВт,
| (3.7) |
, Рис. |
откуда
| (3.8) |
. Отношение
полезно используемой теплоты к
располагаемой называется коэффициентом
полезного действия парового котла, %,
| (3.9) |
. Подставив
в формулу (3.9) значение
из
(3.8), для
получим,
%,
| (3.10) |
. Для
вспомогательного парового котла,
выдающего потребителям не перегретый,
а влажный пар,
определяется
по формуле, %,
| (3.11) |
,где |
| – | соответственно |
Метод
расчета к. п. д. котла по формулам (3.10) и
(3.11) называют методом
прямого теплового баланса.
В
настоящее время значения
для
главных судовых котлов составляют
93–95%, для вспомогательных 80–90%. Метод
прямого теплового баланса устанавливает
связь между к. п. д., расходом и энтальпией
пара и питательной воды, расходом топлива
и теплотой его сгорания.
Кроме
метода прямого теплового баланса для
определения к. п. д. котла существует
метод
обратного теплового баланса.
Суть
его заключается в следующем. Возьмем
уравнение теплового баланса в виде
(3.5), разделим все члены этого уравнения
на величину
и
умножим на 100. Тогда получим, %,
| (3.12) |
,где |
| – | относительные |
Из
формулы (3.12) получим выражение для к. п.
д. котла по обратному тепловому балансу,
%,
| (3.13) |
. Это
выражение связывает к. п. д. котла с
тепловыми потерями: к. п. д. котла тем
выше, чем меньше тепловые потери.
Теперь
подробнее рассмотрим вопрос о тепловых
потерях.
3.3. Тепловые потери
Наибольшей
среди тепловых потерь является потеря
теплоты с уходящими газами, относительная
величина которой составляет, %,
|
. Для
мазутов
может быть принята постоянной (
=
40,6 МДж/кг), поэтому
зависит
от абсолютной потери теплоты с
уходящими газами
,
которая в соответствии с формулой
(3.3) равна
.
Из этого выражения видно, что потеря
теплоты с уходящими газами
меньше энтальпии уходящих газов на
величину
.
Так как по абсолютному значению
много больше
,
то есть
,
то
зависит в основном от
.
Величина
будет тем меньше, чем меньше значение
.
Следовательно, для снижения потери
необходимо уменьшать энтальпию
уходящих газов
.
Из
диаграммы
– (см. рис. 2.3) видно, что энтальпия газов
зависит от температуры
и коэффициента избытка воздуха
.
Таким
образом,
зависит от температуры уходящих газов
и коэффициента
,
а
для снижения
необходимо уменьшать 
и
.
Теперь
рассмотрим, как определяется температура
при проектировании котла. Вначале
определяют величину
,
%,
| (3.14) |
.Значения
можно
принимать, например, по прототипу,
однако лучше пользоваться данными
исследований. Затем определяют
по формуле
| (3.15) |
; находят
энтальпию уходящих газов
,
МДж/кг,
| (3.16) |
. Далее,
пользуясь диаграммой 
–
,
по значению 
и принятому коэффициенту избытка
воздуха а
находят
температуру уходящих газов 
.
При
проектировании котла необходимо
стремиться к уменьшению 
.
Снижение 
,
например, на 15–17°С приводит к уменьшению
на
1%. Следовательно, к. п. д. котла увеличится
тоже на 1%.
Снижение
достигается за счет более глубокого
охлаждения газов в котле, то есть
увеличением дополнительных поверхностей
нагрева: водяных экономайзеров, газовых
воздухоподогревателей. Однако
уменьшению 
препятствует опасное явление, возникающее
при низких температурах, – низкотемпературная
сернокислотная коррозия хвостовых
поверхностей нагрева котлов. Это
явление связано с образованием в
продуктах сгорания паров серной
кислоты H2SO4
, которые при низкой температуре
конденсируются на поверхностях нагрева,
вызывая их коррозию.
У
современных паровых котлов при работе
на нормальной нагрузке 
=
150 ÷
160°С; к. п. д. достигает значений 94–93% при
= 5
÷
6% и
= 1,03÷
1,05.
Рассмотрим
потерю теплоты от химического недожога
и
.
Относительная
потеря теплоты от химического недожога
равна, %,
| (3.17) |
,где |
| – | абсолютная |
Потеря
связана в основном с неполным горением
углерода и образованием в продуктах
сгорания горючего газа СО. При сжигании
жидкого топлива величину
можно
принимать равной 0,5%. Тогда
будет равна, МДж/кг,
| (3.18) |
. Относительная
потеря теплоты стенками котла в
окружающую среду
равна,
%,
| (3.19) |
,где |
| – | абсолютная |
Величина
зависит от температуры наружных стен
котла. Современные судовые котлы имеют
двойные стены, между которыми движется
подаваемый в котел воздух. Поэтому
температура наружных стен котла
невысокая и значение
невелико.
Для
главных паровых котлов
принимают
равной 0,5–0,7%; Для вспомогательных котлов
значение
выше
и составляет 1,5–2%. Приняв
,
можно
определить величину
,
МДж/кг,
| (3.20) |
. В
окружающую среду теплоту отдает как
сам котел, так и каждый его элемент:
топка, пароперегреватель и др.
Предполагается, что каждый элемент
котла теряет количество теплоты,
пропорциональное теплоте, передаваемой
в элементе поверхностям нагрева. Это
учитывается при введении в балансовое
уравнение для каждого элемента котла
коэффициента
сохранения теплоты,
,
который меньше единицы и равен
| (3.21) |
.Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Источник
Уравнение для можно составить, если рассмотреть схему котла, представленную на рис. 3.3. В котел поступает питательная вода в количестве , кг/с, с энтальпией , МДж/кг. Эта вода вносит в котел в единицу времени теплоту , МВт. Вода в котле нагревается, кипит и превращается в перегретый пар. Из котла выходит перегретый пар , кг/с, с энтальпией , МДж/кг. Следовательно, с перегретым паром из котла уносится теплота в количестве , МВт.
Разница между теплотой, уносимой из котла с перегретым паром, и теплотой, вносимой в него с питательной водой, является полезно использованной теплотой, то есть
| . | (3.6) |
В постоянном режиме работы уровень воды в котле не должен изменяться. Для выполнения этого требования необходимо соблюдать условие . Тогда из выражения (3.6) получим, МВт,
| , | (3.7) |
Рис. 3.3. К определению полезно используемой теплоты
откуда
| . | (3.8) |
Отношение полезно используемой теплоты к располагаемой называется коэффициентом полезного действия парового котла, %,
| . | (3.9) |
Подставив в формулу (3.9) значение из (3.8), для получим, %,
| . | (3.10) |
Для вспомогательного парового котла, выдающего потребителям не перегретый, а влажный пар, определяется по формуле, %,
| , | (3.11) |
| где | – | соответственно расход и энтальпия влажного пара на выходе из пароводяного коллектора, кг/с и МДж/кг. |
Метод расчета к. п. д. котла по формулам (3.10) и (3.11) называют методом прямого теплового баланса. В настоящее время значения для главных судовых котлов составляют 93–95%, для вспомогательных 80–90%. Метод прямого теплового баланса устанавливает связь между к. п. д., расходом и энтальпией пара и питательной воды, расходом топлива и теплотой его сгорания.
Кроме метода прямого теплового баланса для определения к. п. д. котла существует метод обратного теплового баланса. Суть его заключается в следующем. Возьмем уравнение теплового баланса в виде (3.5), разделим все члены этого уравнения на величину и умножим на 100. Тогда получим, %,
| , | (3.12) |
| где | – | относительные тепловые потери, %. |
Из формулы (3.12) получим выражение для к. п. д. котла по обратному тепловому балансу, %,
| . | (3.13) |
Это выражение связывает к. п. д. котла с тепловыми потерями: к. п. д. котла тем выше, чем меньше тепловые потери.
Теперь подробнее рассмотрим вопрос о тепловых потерях.
Тепловые потери
Наибольшей среди тепловых потерь является потеря теплоты с уходящими газами, относительная величина которой составляет, %,
.
Для мазутов может быть принята постоянной ( = 40,6 МДж/кг), поэтому зависит от абсолютной потери теплоты с уходящими газами , которая в соответствии с формулой (3.3) равна . Из этого выражения видно, что потеря теплоты с уходящими газами меньше энтальпии уходящих газов на величину . Так как по абсолютному значению много больше , то есть , то зависит в основном от . Величина будет тем меньше, чем меньше значение . Следовательно, для снижения потери необходимо уменьшать энтальпию уходящих газов .
Из диаграммы h – (см. рис. 2.3) видно, что энтальпия газов зависит от температуры h и коэффициента избытка воздуха . Таким образом, зависит от температуры уходящих газов h и коэффициента , а для снижения необходимо уменьшать h и .
Теперь рассмотрим, как определяется температура h при проектировании котла. Вначале определяют величину , %,
| . | (3.14) |
Значения можно принимать, например, по прототипу, однако лучше пользоваться данными исследований. Затем определяют по формуле
| ; | (3.15) |
находят энтальпию уходящих газов , МДж/кг,
| . | (3.16) |
Далее, пользуясь диаграммой – h, по значению и принятому коэффициенту избытка воздуха а находят температуру уходящих газов h .
При проектировании котла необходимо стремиться к уменьшению h . Снижение h , например, на 15–17°С приводит к уменьшению на 1%. Следовательно, к. п. д. котла увеличится тоже на 1%.
Снижение h достигается за счет более глубокого охлаждения газов в котле, то есть увеличением дополнительных поверхностей нагрева: водяных экономайзеров, газовых воздухоподогревателей. Однако уменьшению h препятствует опасное явление, возникающее при низких температурах, – низкотемпературная сернокислотная коррозия хвостовых поверхностей нагрева котлов. Это явление связано с образованием в продуктах сгорания паров серной кислоты H2SO4 , которые при низкой температуре конденсируются на поверхностях нагрева, вызывая их коррозию.
У современных паровых котлов при работе на нормальной нагрузке h = 150 ÷ 160°С; к. п. д. достигает значений 94–93% при = 5 ÷ 6% и = 1,03 ÷ 1,05.
Рассмотрим потерю теплоты от химического недожога и . Относительная потеря теплоты от химического недожога равна, %,
| , | (3.17) |
| где | – | абсолютная потеря теплоты от химического недожога, МДж/кг. |
Потеря связана в основном с неполным горением углерода и образованием в продуктах сгорания горючего газа СО. При сжигании жидкого топлива величину можно принимать равной 0,5%. Тогда будет равна, МДж/кг,
| . | (3.18) |
Относительная потеря теплоты стенками котла в окружающую среду равна, %,
| , | (3.19) |
| где | – | абсолютная потеря теплоты стенками котла в окружающую среду, МДж/кг. |
Величина зависит от температуры наружных стен котла. Современные судовые котлы имеют двойные стены, между которыми движется подаваемый в котел воздух. Поэтому температура наружных стен котла невысокая и значение невелико.
Для главных паровых котлов принимают равной 0,5–0,7%; Для вспомогательных котлов значение выше и составляет 1,5–2%. Приняв , можно определить величину , МДж/кг,
| . | (3.20) |
В окружающую среду теплоту отдает как сам котел, так и каждый его элемент: топка, пароперегреватель и др. Предполагается, что каждый элемент котла теряет количество теплоты, пропорциональное теплоте, передаваемой в элементе поверхностям нагрева. Это учитывается при введении в балансовое уравнение для каждого элемента котла коэффициента сохранения теплоты, , который меньше единицы и равен
| . | (3.21) |
Источник