Как рассчитать коэффициент полезного действия котла

Содержание:

Создать уютную и комфортную атмосферу в загородном доме довольно просто – нужно только правильно оборудовать систему отопления. Главным компонентом эффективной и надежной отопительной системы является котел. В статье далее мы поговорим о том, как посчитать КПД котла, какие факторы на него влияют и как повысить эффективность отопительного оборудования в условиях конкретного дома.

Как подобрать котел

Безусловно, чтобы определить, насколько эффективным будет тот или иной водогрейный котел, необходимо определить его КПД (коэффициент полезного действия). Этот показатель представляет собой отношение использованного на обогрев помещения тепла к общему количеству сгенерированной тепловой энергии.

Формула расчета КПД выглядит так:

ɳ=(Q1÷Qri),

где Q1 – тепло, использованное эффективно;

Qri – общее количество выделенного тепла.

Какова зависимость между КПД котла и нагрузкой

На первый взгляд может показаться, что чем больше топлива сжигается, тем лучше работает котел. Однако это не совсем так. Зависимость КПД котла от нагрузки проявляется как раз наоборот. Чем больше топлива сжигается, тем больше выделяется тепловой энергии. При этом возрастает и уровень теплопотерь, поскольку в дымовую трубу уходят сильно разогретые дымовые газы. Следовательно, топливо расходуется неэффективно.

Похожим образом ситуация развивается и в тех случаях, когда отопительный котел работает на пониженной мощности. Если она не дотягивает до рекомендуемых значений более чем на 15 %, топливо не будет сгорать полностью, а количество дымовых газов возрастет. В результате, КПД котла довольно сильно упадет. Вот почему стоит придерживаться рекомендуемых уровней мощности работы котла – они рассчитаны для эксплуатации оборудования максимально эффективно.

Расчет КПД с учетом различных факторов

Приведенная выше формула не совсем подходит для оценки эффективности работы оборудования, так как рассчитать КПД котла точно с учетом только двух показателей очень сложно. На практике в процессе проектирования применяют другую, более полную формулу, поскольку не все вырабатываемое тепло используется для прогрева воды в отопительном контуре. Определенное количество тепла теряется в процессе работы котла.

Более точный расчет КПД котла производится по такой формуле:

ɳ=100-(q2+q3+q4+q5+q6), в которой

q2 – теплопотери с выходящими горючими газами;

q3 – потери тепла в результате неполного сгорания продуктов горения;

q4 – теплопотери из-за недожога топлива и выпадения золы;

q5 – потери, вызванные внешним охлаждением прибора;

q6 – теплопотери вместе с удаляемым из топки шлаком.

Теплопотери при удалении горючих газов

Наиболее существенные потери тепла происходят в результате эвакуации в дымоход горючих газов (q2). Эффективность котла во многом зависит от температуры горения топлива. Оптимальный температурный напор на холодном конце водонагревателя достигается при нагреве до 70-110 ℃.

Когда температура уходящих горючих газов падает на 12-15 ℃, КПД водогрейного котла возрастает на 1 %. Тем не менее, чтобы снизить температуру уходящих продуктов горения, необходимо увеличить размер прогреваемых поверхностей, а, значит, и всей конструкции в целом. Кроме того, при охлаждении угарных газов возрастает риск низкотемпературной коррозии.

Помимо прочего температура угарных газов зависит еще и от качества и типа топлива, а также нагрева поступающего в топку воздуха. Значения температур поступающего воздуха и выходящих продуктов горения зависят от видов топлива.

Для вычисления показателя теплопотерь с уходящими газами используют такую формулу:

Q2= (T1-T3) × (A2 ÷ (21-O2) + B), где

T1 – температура эвакуируемых горючих газов в точке за пароперегревателем;

T3 – температура поступающего в топку воздуха;

21 – концентрация кислорода в воздухе;

O2 – количество кислорода в уходящих продуктах горения в контрольной точке;

A2 и B – коэффициенты из специальной таблицы, которые зависят от типа топлива.

Химический недожог как источник теплопотерь

Показатель q3 используется при расчете КПД газового котла отопления, например, или в тех случаях, когда топливом служит мазут. Для газовых котлов значение q3 составляет 0,1-0,2 %. При незначительном избытке воздуха при горении этот показатель равен 0,15 %, а при существенном переизбытке воздуха его не принимают в расчет вовсе. Однако при сжигании смеси из газов различной температуры значение q3=0,4-0,5 %.

Если же отопительное оборудование работает на твердом топливе, в расчет принимают показатель q4. В частности, для угля антрацита значение q4=4-6 %, полуантрациту характерно 3-4 % теплопотерь, а вот при сгорании каменного угля образуется всего 1,5-2 % потерь тепла. При жидком шлакоудалении сжигаемого малореакционного угля значение q4 можно считать минимальным. А вот при удалении шлака в твердом виде теплопотери возрастут до максимальной границы.

Потери тепла в связи с внешним охлаждением

Такие потери тепла q5 обычно составляют не более 0,5 %, а по мере возрастания мощности отопительного оборудования они еще больше сокращаются.

Данный показатель связан с расчетом паропроизводительности котельной установки:

• При условии паропроизводительности D в пределах 42-250 кг/с, значение потерь тепла q5=(60÷D)×0,5÷lgD;
• Если значение паропроизводительности D превышает 250 кг/с, уровень теплопотери считают равным 0,2 %.

Количество теплопотерь от удаления шлака

Значение теплопотерь q6 имеет значение только при жидком шлакоудалении. А вот в тех случаях, когда из топочной камеры удаляют шлаки твердого топлива, теплопотери q6 учитывают при расчете КПД котлов отопления только в случаях, если они составляют более 2,5Q.

Как посчитать КПД твердотопливного котла

Даже при условии идеально проработанной конструкции и качественного топлива, КПД отопительных котлов не может достигать 100 %. Их работа обязательно сопряжена с определенными потерями тепла, вызванными как типом сжигаемого топлива, так и рядом внешних факторов и условий. Чтобы понять, как на практике выглядит расчет КПД твердотопливного котла, приведем пример.

Например, теплопотери от удаления шлаков из топливной камеры составят:

q6=(Ашл×Зл×Ар)÷Qri,

где Ашл – относительное значение шлака, удаляемого из топки к объему загружаемого топлива. При грамотном использовании котла доля отходов горения в виде золы составляет 5-20 %, то данное значение может быть равно 80-95 %.

Зл – термодинамический потенциал золы при температуре в 600 ℃ в обычных условиях равен 133,8 ккал/кг.

Ар – зольность топлива, которая рассчитывается на общую массу топлива. В различных видах горючего показатель зольности колеблется от 5 % до 45 %.

Qri – минимальный объем тепловой энергии, который генерируется в процессе сгорания топлива. В зависимости от разновидности топлива теплоемкость колеблется в рамках 2500-5400 ккал/кг.

В данном случае с учетом указанных значений теплопотери q6 будут составлять 0,1-2,3 %.

Значение q5 будет зависеть от мощности и проектной производительности отопительного котла. Работа современных установок с малой мощностью, которыми очень часто обогревают частные дома, обычно сопряжена с теплопотерями данного вида в пределах 2,5-3,5 %.

Теплопотери, связанные с механическим недожогом твердого топлива q4, во многом зависят от его типа, а также от конструкционных особенностей котла. Они колеблются в пределах 3-11 %. Это стоит учитывать, если вы ищете способ, как наладить котел на более эффективную работу.

Химический недожог горючего обычно зависит от концентрации воздуха в сгораемой смеси. Такие теплопотери q3, как правило, равны 0,5-1 %.

Наибольший процент теплопотерь q2 связан с уходом тепла вместе с горючими газами. На этот показатель влияет качество и вид топлива, степень разогрева горючих газов, а также условия эксплуатации и конструкция отопительного котла. При оптимальном тепловом расчете в 150 ℃ эвакуируемые угарные газы должны быть разогреты до температуры в 280 ℃. В таком случае данное значение теплопотерь будет равно 9-22 %.

Если все перечисленные значения потерь суммировать, получим значение эффективности ɳ=100-(9+0,5+3+2,5+0,1)=84,9 %.

Это значит, что современный котел может работать лишь на 85-90 % мощности. Все остальное уходит на обеспечение процесса горения.

Обратите внимание, что добиться таких высоких значений не так просто. Для этого нужно грамотно подойти к подбору топлива и обеспечить для оборудования оптимальные условия. Обычно производители указывают, с какой нагрузкой должен работать котел. При этом желательно, чтобы основную часть времени он был настроен на экономный уровень нагрузок.

Для работы котла с максимальным КПД, его нужно использовать с учетом таких правил:

• обязательна периодическая чистка котла;
• важно контролировать интенсивность горения и полноту сгорания топлива;
• нужно рассчитать тягу с учетом давления подаваемого воздуха;
• необходим расчет доли золы.

На качестве сгорания твердого топлива положительным образом отражается расчет оптимальной тяги с учетом давления воздуха, подаваемого в котел, и скорости эвакуации угарных газов. Тем не менее, при возрастании давления воздуха вместе с продуктами сгорания в дымоход удаляется больше тепла. А вот слишком малое давление и ограничение доступа воздуха в топливную камеру приводит к снижению интенсивности горения и более сильному золообразованию.

Если у вас дома установлен отопительный котел, обратите внимание на наши рекомендации по увеличению его КПД. Вы сможете не только сэкономить на топливе, но и добьетесь комфортного микроклимата в доме.

Как посчитать тепловую мощность

Формулу для расчёта тепловой мощности в гКал/час можно представить в виде:

Q = (T1 – T2) * 40(м3/час) / 1000, где T1 – Т2 – разность
температур в градусах Цельсия.

Таким образом, для того чтобы посчитать мощность, которую выдаёт котельная, необходимо расход воды умножить на
разность температур (перепад между «подачей» и «обраткой») и разделить на 1000. У Вас получится мощность в
гигакаллориях (ГКал).

Пример 1:

• Температура воды на «подаче» (из котельной в тепловую сеть) – 55 °С
• Температура воды на «обратке» (из тепловой сети в котельную) – 43 °С
• Расход сетевой воды – 120 м3/час (по насосам)
• (55 – 43) * 120 / 1000 = 1.44 ГКал. * 1.16 = 1.67 МВт

Пример 2:

• Температура воды на входе в котёл – 43 °С
• Температура на выходе из котла – 51 °С
• Расход воды в котле – 40 м3/час
• (51 – 43) * 40 / 1000 = 0.32 ГКал * 1.16 = 0.37 МВт

Как посчитать КПД котла.

Формулу для расчёта КПД котла можно представить в виде:

КПД = 100 – q2-q3-q4-q5-q6, где q2…q6 –
тепловые потери котла.

Для того чтобы посчитать КПД котла необходимо температуру уходящих газов котла (измеряется термометром на газоходе
котла) разделить на 15 ( с понижением температуры уходящих газов на 12-15С, потери теплоты уменьшаются на 1%),
прибавить 2 (потери с химическим недожогом в слоевой топке 0,5-3%), прибавить 3 (потери с механическим недожогом в
слоевой топке 1-5%), прибавить 2 (сумма остальных потерь). Полученное значение – ориентировочная величина потерь КПД
в процентах, вне зависимости от вида топлива и мощности котла.

Пример 3:

• Температура уходящих газов котла – 320 °C
• 320 / 15 + 2 + 3 + 2 = 29,3% – суммарные потери КПД (q2…q6)
• 100 – 29,3 = 70,1% – КПД котла

Из чего складываются потери КПД котла

Потери тепла с уходящими газами – q2 – составляют самую большую величину тепловых потерь котла. В
современном котле величина потерь – q2 – находится в пределах 10 – 12%, при работе котла на номинальной
нагрузке.

Потери тепла с химическим недожогом – q3 – возникает из-за неполного сгорания летучих компонентов топлива
в топке котла. Причинами появления химического недожога могут быть: плохое смесеобразование, общий недостаток
воздуха, низкая температура в топочном объёме котла, особенно в зоне догорания(верхняя часть топочного объёма). При
достаточном коэффициенте избытка воздуха и хорошем смесеобразовании, химический недожог – зависит от теплонапряжения
в топочном объёме (объём топки / мощность котла). В современном котле со слоевой топкой, при значениях
теплонапряжения – qv = 0.23 – 0.45 МВт/м3, химический недожог составляет 0.5 – 2%, при увеличении qv (с 0.45 до
0.7), химический недожог резко возрастает и достигает 5%.

Потери тепла с механическим недожогом – q4 – сумма потерь теплоты с уносом, шлаком и провалом. Для
слоевых топок величина потерь с уносом зависит от теплонапряжения(читай выдаваемая мощность) в топочном объёме (МВт)
отнесённого к площади зеркала горения (qv / площадь решётки = qr ). С увеличением qr (т.е. с форсировкой котла),
резко увеличивается доля несгоревшего топлива уносимого с продуктами сгорания (потери с уносом). Так, с увеличением
qr с 0.93 до 1.63 (в 1.7 раза) величина потерь с уносом возрастает с 3 до 21% (в 7 раз). Потери теплоты со шлаком,
возрастают, с увеличением зольности топлива и ростом теплонапряжения. Потери теплоты с провалом зависят от
спекаемости топлива, содержания в топлива мелочи и от конструкции колосниковой решётки. При использовании
охлаждаемой уголковой решётки потери теплоты с провалом не превышают 0.5%. В современном котле со слоевой топкой
потери тепла с механическим недожогом – q4 – составляют 1-5%.

Потери тепла от наружного охлаждения – q5 – наблюдаются в связи с тем, что температура наружной
поверхности котла всегда выше температуры окружающей среды. Котёл в лёгкой обмуровке имеет величину потерь –
q5 – в пределах 0.5%

Прочие потери тепла – q6 – сумма потерь с физической теплотой шлака, на охлаждение панелей и балок, не
включённых в циркуляционную систему котла – как правило, не превышают 0.5-2%

Как увеличить КПД котла

Очевидный способ увеличения КПД – снижение потерь с теплом уходящих газов (q2).

Пример 4:

Рассмотрим котёл №1 и котёл №2, номинальной мощностью 0.5 ГКал/час каждый, топливо уголь (5000кКал), имеющих разную
температуру уходящих газов:

• Температура уходящих газов котла №1 – 380 °С, котла №2 – 190 °С
• Расход сетевой воды на каждом из котле №1,2 – 20 м3/час.
• Перепад температур на входе / выходе воды из котла №1,2 – 25 °С.

Котёл №1 – Вычисляем:

• Мощность(ГКал/ч) 20 * 25 / 1000 = 0.5 ГКал/ч.
• Потери КПД (%) 380 / 15 + 2 + 3 + 2 = 32.3% (q2…q6)
• КПД котла(%) 100 – 32,3 = 67.7%
• Расход топлива (кг/ч) 0.5 / (5000*67.7) * 108 = 147,7

Котёл №2 – Вычисляем:

• Мощность(ГКал/ч) 20 * 25 / 1000 = 0.5 ГКал/ч.
• Потери КПД (%) 190 / 15 + 2 + 3 + 2 = 19.6% (q2…q6)
• КПД котла(%) 100 – 19,6 = 80.4%
• Расход топлива (кг/ч) 0.5 / (5000*80.4)* 108 = 120

Сравнивая КПД котлов и расход топлива, делаем вывод:

• Снижение температуры уходящих газов котла №1 с 380 до 190, приведёт к увеличению его КПД на 12.7%, и сокращению
  расхода угля на 18.7%.
• Один из вариантов снижения температуры уходящих газов – установка экономайзера.