Як розрахувати ККД котла – огляд факторів тепловтрат
Зміст:
Як підібрати котел
Яка залежність між ККД котла та навантаженням
Розрахунок ККД з урахуванням різних факторів
Тепловтрати при видаленні горючих газів
Хімічний недопал як джерело тепловтрат
Втрати тепла у зв'язку із зовнішнім охолодженням
Кількість тепловтрат від видалення шлаку
Як порахувати ККД твердопаливного котла
Створити затишну та комфортну атмосферу в заміському будинку досить просто – потрібно лише правильно обладнати систему опалення. Головним компонентом ефективної та надійної системи опалення є котел. У статті далі ми поговоримо про те, як порахувати ККД котла, які чинники на нього впливають і як підвищити ефективність опалювального обладнання в умовах конкретного будинку.
Як підібрати котел
Безумовно, щоб визначити, наскільки ефективним буде той чи інший водогрійний котел, необхідно визначити його ККД (коефіцієнт корисної дії). Цей показник являє собою відношення використаного на обігрів приміщення тепла до загальної кількості згенерованої теплової енергії.
Формула розрахунку ККД виглядає так:
ɳ=(Q1÷Qri),
де Q1 – тепло, використане ефективно;
Qri – загальна кількість виділеного тепла.
Яка залежність між ККД котла та навантаженням
На перший погляд, може здатися, що чим більше палива спалюється, тим краще працює котел. Однак це не зовсім так. Залежність ККД котла від навантаження проявляється як раз навпаки. Чим більше палива спалюється, тим більше виділяється теплової енергії. При цьому зростає і рівень тепловтрат, оскільки в димову трубу йдуть сильно розігріті димові гази. Отже, паливо витрачається неефективно.
Схожим чином ситуація розвивається і в тих випадках, коли опалювальний котел працює на зниженій потужності. Якщо вона не дотягує до рекомендованих значень більш ніж на 15 %, паливо не буде згоряти повністю, а кількість димових газів зросте. В результаті ККД котла досить сильно впаде. Ось чому варто дотримуватися рекомендованих рівнів потужності роботи котла – вони розраховані для експлуатації обладнання максимально ефективно.
Розрахунок ККД з урахуванням різних факторів
УВАГА!
Не робіть ПОМИЛОК у розрахунку!
Використовуйте будівельні калькулятори онлайн - розрахунок будівельних матеріалів та конструкцій для ремонту і будівництва швидко та точно.
Наведена вище формула не зовсім підходить для оцінки ефективності роботи обладнання, оскільки розрахувати ККД котла точно з урахуванням тільки двох показників дуже складно. На практиці в процесі проєктування застосовують іншу, більш детальну формулу, оскільки не все вироблене тепло використовується для прогрівання води в опалювальному контурі. Певну кількість тепла втрачається в процесі роботи котла.
Більш точний розрахунок ККД котла проводиться за такою формулою:
ɳ=100-(q2+q3+q4+q5+q6), в якій
q2 – втрати тепла, що виходить з горючими газами;
q3 – втрати тепла в результаті неповного згоряння продуктів горіння;
q4 – тепловтрати через недопал палива та випадання попелу;
q5 – втрати, викликані зовнішнім охолодженням приладу;
q6 – тепловтрати разом з видаленим із топки шлаком.
Тепловтрати при видаленні горючих газів
Найбільш істотні втрати тепла відбуваються в результаті евакуації в димохід горючих газів (q2). Ефективність котла залежить від температури горіння палива. Оптимальний температурний напір на холодному кінці водонагрівача досягається при нагріві до 70-110 ℃.
Коли температура вихідних горючих газів падає на 12-15 ℃, ККД водогрійного котла зростає на 1 %. Однак щоб знизити температуру відхідних продуктів горіння, необхідно збільшити розмір поверхонь, що прогріваються, а значить — і всієї конструкції в цілому. Крім того, при охолодженні чадних газів зростає ризик низькотемпературної корозії.
Крім іншого температура чадних газів залежить ще і від якості та типу палива, а також нагрівання повітря, що надходить у топку. Значення температур повітря, що надходить, і продуктів горіння, що виходять, залежать від видів палива.
Для обчислення показника тепловтрат з відхідними газами використовують таку формулу:
Q2= (T1-T3) × (A2 ÷ (21-O2) + B), де
T1 – температура евакуйованих горючих газів в точці за пароперегрівачем;
T3 – температура повітря, що надходить у топку;
21 – концентрація кисню в повітрі;
O2 – кількість кисню у вихідних продуктах горіння в контрольній точці;
A2 і B – коефіцієнти зі спеціальної таблиці, які залежать від типу палива.
Хімічний недопал як джерело тепловтрат
Показник q3 використовується при розрахунку ККД газового котла опалення, наприклад, або в тих випадках, коли паливом служить мазут. Для газових котлів значення q3 становить 0,1-0,2 %. При незначному надлишку повітря при горінні цей показник дорівнює 0,15 %, а при значному надлишку повітря його не беруть до уваги зовсім. Однак при спалюванні суміші з газів різної температури значення q3=0,4-0,5 %.
Якщо ж опалювальне обладнання працює на твердому паливі, у розрахунок приймають показник q4. Зокрема, для вугілля антрациту значення q4=4-6 %, для напівантрациту характерно 3-4 % тепловтрат, а ось при згорянні кам'яного вугілля утворюється всього 1,5-2 % втрат тепла. При рідкому видаленні шлаку спалюваного малореакційного вугілля значення q4 можна вважати мінімальним. А ось при видаленні шлаку у твердому вигляді тепловтрати зростуть до максимальної межі.
Втрати тепла у зв'язку із зовнішнім охолодженням
Такі втрати тепла q5 зазвичай становлять не більше 0,5 %, а в міру зростання потужності опалювального обладнання вони ще більше скорочуються.
Цей показник пов'язаний з розрахунком паропродуктивності котельного обладнання:
- За умови паропродуктивності D в межах 42-250 кг/з, значення втрат тепла q5=(60÷D)×0,5÷lgD;
- Якщо значення паропродуктивності D перевищує 250 кг/с, рівень тепловтрат вважають рівним 0,2 %.
Кількість тепловтрат від видалення шлаку
Значення тепловтрат q6 має значення тільки при рідкому видаленні шлаку. А от у тих випадках, коли з топкової камери видаляють шлаки твердого палива, тепловтрати q6 враховують при розрахунку ККД котлів опалення тільки у випадках, якщо вони становлять понад 2,5 Q.
Як порахувати ККД твердопаливного котла
Навіть за умови ідеально відпрацьованої конструкції та якісного палива, ККД опалювальних котлів не може досягати 100 %. Їх робота обов'язково пов'язана з певними втратами тепла, викликаними як типом спалюваного палива, так і низкою зовнішніх чинників і умов. Щоб зрозуміти, як на практиці виглядає розрахунок ККД твердопаливного котла, наведемо приклад.
Наприклад, тепловтрати від видалення шлаків з паливної камери складуть:
q6=(Ашл×Зл×Ар)÷Qri,
де Ашл – відносне значення шлаку, що видаляється з топки, до об'єму завантаження палива. При грамотному використанні котла частка відходів горіння у вигляді золи становить 5-20 %, то це значення може бути 80-95 %.
Зл – термодинамічний потенціал золи при температурі 600 °C, у звичайних умовах дорівнює 133,8 ккал/кг.
Ар – зольність палива, яка розраховується на загальну масу палива. У різних видах пального показник зольності коливається від 5 % до 45 %.
Qri – мінімальний об'єм теплової енергії, що генерується в процесі згоряння палива. Залежно від різновиду палива тепломісткість коливається в межах 2500-5400 ккал/кг.
В такому випадку з урахуванням зазначених значень тепловтрати q6 будуть складати 0,1-2,3 %.
Значення q5 буде залежати від потужності та проєктної продуктивності опалювального котла. Робота сучасних установок з малою потужністю, якими дуже часто обігрівають приватні будинки, зазвичай пов'язана з тепловтратами даного виду в межах 2,5-3,5 %.
Тепловтрати, пов'язані з механічним недопалом твердого палива q4, багато в чому залежать від його типу, а також від конструкційних особливостей котла. Вони коливаються в межах 3-11 %. Це варто враховувати, якщо ви шукаєте спосіб, як налаштувати котел на більш ефективну роботу.
Хімічний недопал пального зазвичай залежить від концентрації повітря в спаленій суміші. Такі тепловтрати q3, як правило, рівні 0,5-1 %.
Найбільший відсоток тепловтрат q2 пов'язаний з відходом тепла разом з горючими газами. На цей показник впливає якість і вид палива, ступінь розігріву горючих газів, а також умови експлуатації та конструкція опалювального котла. При оптимальному тепловому розрахунку 150 ℃ евакуйовані чадні гази повинні бути розігріті до температури 280 ℃. В такому випадку дане значення тепловтрат буде 9-22 %.
Якщо всі перераховані значення втрат підсумувати, отримаємо значення ефективності ɳ=100-(9+0,5+3+2,5+0,1)=84,9 %.
Це означає, що сучасний котел може працювати лише на 85-90 % потужності. Все інше йде на забезпечення процесу горіння.
Зверніть увагу, що досягти таких високих значень не так просто. Для цього потрібно грамотно підійти до підбору палива та забезпечити для обладнання оптимальні умови. Зазвичай виробники вказують, з яким навантаженням повинен працювати котел. При цьому бажано, щоб основну частину часу він був налаштований на економний рівень навантажень.
Для роботи котла з максимальним ККД його потрібно використовувати з урахуванням таких правил:
- обов'язкова періодична чистка котла;
- важливо контролювати інтенсивність горіння і повноту згоряння палива;
- потрібно розрахувати тягу з урахуванням тиску повітря, що подається;
- необхідний розрахунок частки золи.
На якості згоряння твердого палива позитивним чином відображається розрахунок оптимальної тяги з урахуванням тиску повітря, що подається в котел, і швидкості евакуації чадних газів. Однак при зростанні тиску повітря разом із продуктами згоряння в димохід видаляється більше тепла. А ось дуже малий тиск та обмеження доступу повітря в паливну камеру призводить до зниження інтенсивності горіння і сильнішого утворення золи.
Якщо у вас вдома встановлений опалювальний котел, зверніть увагу на наші рекомендації зі збільшення його ККД. Ви зможете не тільки заощадити на паливі, але й досягнете комфортного мікроклімату в будинку.