ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНДЕНСАЦИОННОГО КОТЛА

DETERMINATION OF CONDENSATION BOILER EFFICIENCY

Diana Mochalova

master, Department of Heat and Gas supply and Ventilation  Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering

Russia, St. Petersburg

АННОТАЦИЯ

Проанализированы конденсационные котлы, применяемые в автономных системах теплоснабжения. Представлена методика определения КПД конденсационного котла с детализацией составляющих по обратному тепловому балансу.

ABSTRACT

Condensation boilers used in autonomous heat supply systems are analyzed. The methodology for determining the efficiency of a condensing boiler with the details of the components according to the inverse heat balance is presented.

Ключевые слова: котел, конденсационный котел, теплоснабжение, КПД.

Keywords: boiler, condensation boiler, heat supply, efficiency.

В настоящее время нет нормативных методик определения КПД по высшей теплоте сгорания, определение КПД котельного агрегата осуществляется только по низшей теплоте сгорания. Это приводит к тому, что в ряде публикаций и документации производителей значение КПД конденсационного котла более 100%, что некорректно.

Коэффициент полезного действия (КПД) конденсационного котла можно определить по уравнению прямого и обратного теплового баланса, используя высшую теплоту сгорания  природного газа.

При определении КПД (брутто) по прямому тепловому балансу, эффективность котлоагрегата определяется по полученной тепловой мощности по формуле:

,                                                                              (1)

– полезная мощность, кВт;

B – расход топлива, кг/с, м3/с;

 - располагаемая теплота сгорания топлива, равна высшей теплоте сгорания топлива , кДж/кг, кДж/м³;

Составляющие тепловых потерь по прямому балансу ТГУ определяются как сумма всех тепловых потерь, без детального представления составляющих, поскольку на практике в большинстве случаев в этом нет необходимости.

Детально проанализировать теплотехническую эффективность работы и КПД установки можно используя методологию обратного теплового баланса путем расчета составляющих тепловых потерь и после суммирования их значений и последующего определения полезной теплоты (мощности):

= ),                                                  (2)

где  – потери теплоты с уходящими газами, кВт;

 – потери теплоты от химической неполноты горения, кВт;

 – потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива, кВт;

 – потери теплоты в окружающую среду, кВт;

 – потери теплоты с физической теплотой шлаков, кВт;

При работе ТГУ на газообразном топливе потери  и  отсутствуют. Уравнение определения КПД преобразуется к виду:

+) ,                                             (3)

где  – потери теплоты с уходящими газами, (в долях единицы), отнесенные к единице объема газообразного топлива;

 – потери теплоты от химической неполноты горения (в долях);

 – потери теплоты в окружающую среду (в долях);

За располагаемую теплоту принята высшая теплота сгорания природного газа, с учетом теплоты, выделяющейся в процессе конденсации водяных паров , выделяющихся при горении газа [1]:

 =  + ,                                                                           (4)

Теплота конденсации водяных паров из объема продуктов сгорания, составляет:

 = r·(8,94 + ),                                                               (5)

r – скрытая теплота парообразования, (24,62 кДж/кг);

 – содержание водорода в топливе, %;

 – содержание водяных паров в топливе, %;

Величину  необходимо сопоставить с потерями теплоты с уходящими газами

При определении потерь теплоты конденсационного котла, наиболее сложным является определение теплопотерь с уходящими газами. В то же время они составляют наибольшую часть от общих потерь.

Состояние дымовых газов можно определить экспериментально. Для этого должен быть известен расход конденсата из котла за время опыта:

B·τ· = B·τ· -  ,                                                             (6)

где B - расход газа, м³/с;

τ – время опыта, с;

 – расход конденсата, кг;

 – содержание водяных паров в дымовых газах и исходных продуктах сгорания, соответственно, кг/м³;

«Основная трудность заключается в достоверной оценке для продуктов сгорания остаточного парциального давления водяных паров или их количества (что эквивалентно значению влагосодержания уходящих дымовых газов  , г/кг с.г.) даже при известной температуре уходящих газов, так как в настоящее время отсутствуют контрольно-измерительные приборы для нахождения этих параметров, при условиях, и в частности температур, характерных для дымовых газов» [4].

Потери теплоты от химической неполноты горения на выходе из конденсационного котла определяются по данным анализа состава продуктов сгорания [2,3]:

= ),                                         (7)

где   – объем дымовых газов, м³/м³;

CO,  – содержание оксида углерода, водорода, метана в   составе дымовых газов,%;

В конденсационных котлах применяется встроенная наддувная горелка полного предварительного смешивания. Содержание продуктов неполного сгорания регламентируется жесткими требованиями.

 = ,                                                                        (8)

Потери тепла от наружного охлаждения котла определяются по результатам замеров температуры обшивки котла контактным электронным термометром.

Коэффициент теплоотдачи от обшивки к окружающему воздуху определяется по формуле:

= 8,43 +0,06·( - ), ккал/(м²·ч·°С)                                                 (9)

где  температура n-го фрагмента обшивки, °С;

 – температура воздуха в помещении котельной, °С;

Величина   вычисляется для каждого элемента обшивки котла. Общая величина потерь тепла через наружные ограждения котла определяется как сумма абсолютных потерь всех фрагментов:

= Σ,  ккал/ч;

 = ··( - ), ккал/ч;                                                              (10)

где  – потеря теплоты через поверхность n-ого фрагмента обшивки котла;

 – площадь поверхности n-ого фрагмента обшивки котла, м²;

Относительная величина потерь тепла от наружного ограждения при номинальной нагрузке определяется по формуле:

 =                                                                              (11)

Относительная величина потерь тепла от наружного ограждения при частичной нагрузке определяется по формуле:

 =                                                                   (12)

где  – потери теплоты от наружного ограждения при номинальной теплопроизводительности;

 – номинальная теплопроизводительность котла, Гкал/ч;

 –любая промежуточная нагрузка, Гкал/ч;

Данная методика позволяет конкретизировать составляющие теплового баланса для конденсационного котла, определить КПД конденсационного котла на базе экспериментальных данных.

Список литературы:

1. Делягин Г.Н., Лебедев В.И., Пермяков Б.А., Хаванов П.А. Теплогенерирующие установки: учебник для вузов. 2-е изд., переработанное и дополненное – Москва ООО ИД «Бастет», 2010. – 624 с.: ил.
2. Равич М.Б. Упрощенная методика теплотехнических расчетов. Издание пятое. Наука, 1966 г.
3. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен: учебник для вузов. Москва. Издательский дом МЭИ, 2011 г.
4. Чуленёв А.С. Разработка рациональных систем автономного теплоснабжения с использованием конденсационной техники. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 2016.