Производство пара в паровом котле, как любой другой процесс трансформации энергии, сопровождается неизбежными потерями тепла. Эффективность использования тепловой энергии топлива, сгораемого в топке, характеризуется коэффициентом полезного действия котла – КПД.
Для определения КПД котла обычно составляются уравнения теплового баланса, представляющие собой соотношения между приходом и расходом теплоты в котле. Тепловой баланс принято составлять относительно 1 кг сжигаемого топлива для установившегося режима работы котла.
Согласно закону сохранения энергии, между приходом и расходом теплоты в котле должно существовать равенство. Рассмотрим уравнение теплового баланса для котла с вентиляторным дутьем с пароперегревателем и экономайзером (без воздухоподогревателя).
В топку котла (рис. 29) с 1 кг топлива вносится следующее количество теплоты, [кДж/кг]:
Суммарная теплота, вносимая с различными средами в паровой котел, называется располагаемой теплотой:
Полезно использованной теплотой – Q1 , считается теплота, отобранная из котла с паром. Для котлов с одновременным отбором насыщенного и перегретого пара она состоит из суммы полезной теплоты, отобранной из котла с насыщенным паром – QНАС , и полезной теплоты, отобранной из котла с перегретым паром – QПЕ :
где:
DПЕ и DНАС – количество перегретого и насыщенного (со степенью сухости – х ) пара, отбираемого из котла, [кг/час];
i ПЕ ,i x и i ПВ – энтальпии перегретого, насыщенного со степенью сухости – х пара и питательной воды, [кДж/кг];
B – расход топлива, [кг/час].
Остальная часть располагаемого тепла уходит из котла в виде потерь:
- I ух = V г С рг tг - энтальпия уходящих газов, [кДж/кг];
- Q3 – потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива;
- Q4 – потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива;
- Q5 – теплота, рассеиваемая в окружающее пространство через обшивку и изоляцию котла, [кДж/кг];
где:
V г, С рг и t г – объем [м3], теплоемкость [кДж/кг•°С] и температура [°C] газов, уходящих из котла.
Таким образом, приходно-расходное выражение теплового баланса парового котла имеет вид:
Выражение, находящееся в скобках, называется потерей теплоты с уходящими газами – Q2 :
С учетом этого, уравнение теплового баланса парового котла примет вид:
Потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива – Q4 характерны для котлов с угольным отоплением и практически отсутствуют в котлах, работающих на жидких сортах топлива – мазутах, что свидетельствует о высоком совершенстве организации топочных процессов в судовых и корабельных паровых котлах. Поэтому этим членом уравнения теплового баланса часто пренебрегают.
КПД котла можно определить, как отношение полезно использованной теплоты к теплоте сгорания топлива:
а выразив полезно использованную теплоту через паропроизводительность котла, получим выражение для КПД:
Уравнение теплового баланса и распределение потоков теплоты в котле можно изобразить графически (рис. 30).
Полезно использованная теплота в котле Q1 складывается из теплоты, ушедшей на испарение воды в лучевоспринимающих – QЛ , и конвективных – QИСП поверхностях нагрева; теплоты, ушедшей на перегрев пара в пароперегревателе – QПЕ , и на подогрев воды в экономайзере – QЭК . Таким образом значение полезной теплоты можно выразить, как:
В каждой части котла имеются свои потери теплоты в окружающую среду. Общая потеря теплоты на охлаждение котла – Q5 является суммой частных потерь: в топке, испарительной части котла, пароперегревателе и экономайзере:
Таким образом, для каждой части котла (топки, испарительной, перегревательной и экономайзерной) можно составить частные уравнения теплового баланса. С учетом частных уравнений теплового баланса, КПД котла можно выразить следующей формулой:
где:
I0 – теоретическая энтальпия продуктов сгорания топлива (без потерь на механический и химический недожог):
η – коэффициент удержания тепла в котле, учитывающий охлаждение обшивки котла (теплообмен с внешней средой) в районах топки, испарительных поверхностей нагрева, пароперегревателя и экономайзера.
Потери теплоты с уходящими газами – Q2 являются максимальными из всех потерь теплоты в котле и составляют:
В связи с этим потеря теплоты с уходящими газами главным образом определяет экономичность работы котла и его КПД. Потери теплоты Q2растут с ростом объема продуктов сгорания – VГ, получающихся при сжигании 1 кг топлива (т. е. с ростом коэффициента избытка воздуха – α ), и с ростом температуры уходящих газов – t УХ.
Физический смысл роста потери Q2 с ростом VГ и tУХ заключается в том, что избыточный воздух, введенный в топку, или попавший через неплотности, выбрасывается в атмосферу с температурой t УХ , унося с собой то количество тепла, которое израсходовано на его нагрев до этой температуры.
Температура уходящих газов в работающем котле зависит от нагрузки котла и от чистоты поверхностей нагрева. Чем больше сажистых и накипных отложений на поверхностях нагрева котла, тем хуже условия теплопередачи, тем с более высокой температурой газы покидают котел, увеличивая значение потери Q2 .
Потери теплоты от химической неполноты горения топлива – Q3 имеют место в том случае, если в процессе сжигания топлива наряду с продуктами полного горения: CO2 , SO2 и H2O , образуются газообразные продукты неполного горения: CO , CH4 и др.
Обычно эти потери составляют величину 0,5 ÷ 1,0 % от 
в
зависимости от типа используемых топочных устройств и нагрузки котла.
Потеря Q3 может увеличиться по сравнению с расчетной:
- при слишком малом коэффициенте избытка воздуха;
- при большом содержании влаги в топливе и его низкой температуре;
- при большом содержании в топливе золы и механических примесей;
- при плохом распыле топлива и недостаточном его перемешивании с воздухом;
- при слишком большой производительности отдельных форсунок (износ распылителей);
- при неправильной центровке и установке форсунок по отношению к фурмам;
- при малом объеме топочного пространства, недостаточном для завершения процесса горения топлива.
Потери теплоты в окружающую среду – Q5 определяются количеством тепла, которое передается в окружающую среду лучеиспусканием и конвекцией наружными нагретыми поверхностями котла, газоходов, арматуры, коллекторов.
Для уменьшения этих потерь наружная обшивка котла и все его нагретые части покрываются изоляцией. Роль изоляции также выполняет воздушный зазор между наружным и внутренним кожухами котла.
Потери теплоты в окружающую среду минимальны на полных нагрузках котла и увеличиваются при снижении нагрузки до минимальной. Потеря Q5 максимальна для котла, находящегося в горячем резерве.
Литература
Судовые энергетические установки. Котлотурбинные энергетические установки. Болдырев О.Н. [2004]
