Как рассчитать КПД котла – обзор факторов теплопотерь. Определение кпд котла брутто и нетто Факторы, от которых зависит КПД котлов
Различные типы котлов имеют различный КПД диапазоном от 85 до 110 %. При выборе котельного оборудования многих покупателей интересует, как вообще КПД может превышать 100 % и как он рассчитывается.
В случае с электрическими котлами КПД действительно не может быть выше 100 %. Иметь больший коэффициент могут лишь котлы, работающие на горючем топливе.
Если вспомнить школьный курс химии, то получается, что при полном сгорании любого топлива остается СО 2 — углерод и Н 2 О — водяной пар, содержащий энергию. При конденсации энергия пара увеличивается, то есть вырабатывается дополнительная энергия. Исходя из этого, теплотворная способность топлива разделяется на два понятия: высшая и низшая удельная теплота сгорания .
Низшая — представляет собой тепло, получаемое при сгорании топлива, когда водяные пары, вместе с содержащейся в них энергией, попадают во внешнюю среду.
Высшая теплота сгорания — это теплота с учетом энергии, содержащейся в водяном паре.
Официально (в любых нормативных документах) КПД , как в России, так и в Европе, рассчитывается по низшей удельной теплоте сгорания . А если все-таки использовать тепло, содержащееся в водяном паре, а расчеты вести по низшей удельной теплоте сгорания, то в этом случае и появляются цифры, превышающие 100 %.
Котлы, которые используют теплоту конденсации водяных паров, называются конденсационными . И как раз они имеют КПД, превышающий 100 %.
Разница между низшей и высшей теплотой сгорания топлива составляет около 11 %. Эта величина — предел, по которому могут различаться КПД котлов.
Основные параметры
КПД можно рассчитывать по двум параметрам. В Европе КПД принято считать по температуре отходящих газов. Например, при сжигании килограмма топлива получается определенное количество килокалорий тепла при условии равенства температуры отходящих газов и температуры окружающей среды.
Замеряя разницу между температурой окружающей среды и действительной температурой отходящих газов, можно рассчитать по ней КПД котла .
Грубо говоря, отходящие газы, вылетевшие в трубу, вычитаются из 100 %, и получается действительная цифра.
Рассчитывать правильно
В СССР, а позже и в России, был принят принципиально другой метод расчета — так называемый «метод обратного баланса ». Он состоит в том, что расход тепла определяется по нижней теплоте сгорания. Затем, на трубу ставится калорифер, и рассчитывается величина тепловой энергии, ушедшей в нее, то есть величина потери энергии. Для расчета КПД, потери энергии высчитывают из общего количества тепла.
Такой подход при определении КПД дает более точные показатели . Он был принят в качестве методики расчета потому, что все корпуса российских котлов были очень плохо теплоизолированы, из-за чего через стенки котла наружу выходило до 40 % энергии. По требованиям нормативных документов, в России до сих пор принято считать КПД по методу обратного баланса. Сегодня этот метод можно успешно применить к котлам мощностью несколько мегаватт, работающим на ТЭЦ, у которых никогда не выключаются горелки.
Преимущества современных котлов
А вот к современным котлам данная методика совершенно не применима, поскольку они имеют принципиально другую схему работы. Так как горелки у современных котлов функционируют в автоматическом режиме: 15 минут работают, а затем на 15 минут останавливаются, пока не будет использовано выработанное тепло. Чем температура на улице выше, тем дольше горелка будет «стоять» и меньше работать. Естественно, в этом случае речь об обратном балансе идти не может.
Еще одно отличие современных котлов — в наличии теплоизоляции. Крупные производители выпускают наиболее качественные агрегаты, с лучшей теплоизоляцией. Потери тепла через стенки у такого котла составляют не более 1,5-2 %. Об этом часто забывают покупатели, полагая, что котел будет также обогревать помещение за счет выделения тепла при работе. Приобретая современный котел, стоит помнить, что он не предназначен для обогрева котельной, и, если это необходимо, — позаботиться об установке радиаторов отопления .
Современные технологии сохранения тепла
У хорошего стального котла КПД всегда выше. Это обусловлено тем, что у чугунных котлов, в отличие от стальных, всегда больше технологических ограничений.
Кроме того, благодаря изоляции, современные котлы прекрасно сохраняют тепло. Даже спустя двое суток после его выключения, температура корпуса котла падает всего на 20-25 градусов.
Лучшие образцы импортного отопительного оборудования представляют собой котельные агрегаты, в которых грамотно учтены все требования. Поэтому не стоит пытаться «изобрести велосипед» и собирать котел из подручных средств. Ведь перед вами уже есть широкий выбор самых современных, разнообразных и продуманных до мелочей вариантов котлов, которые будут работать долго и исправно, с лихвой оправдывая все возложенные на них ожидания и, что особенно приятно, экономя ваши расходы!
Наши специалисты помогут подобрать котельное и сопутствующее оборудование, проконсультируют по техническим вопросам!
Обращайтесь в коммерческий отдел по телефонам:
Коэффициентом полезного действия отопительного котла называют отношение полезной теплоты, израсходованной на выработку пара (или горячей воды), к располагаемой теплоте отопительного котла. Не вся полезная теплота, выработанная котельным агрегатом, направляется потребителям, часть теплоты расходуется на собственные нужды. С учетом этого различают КПД отопительного котла по выработанной теплоте (КПД-брутто) и по отпущенной теплоте (КПД-нетто).
По разности выработанной и отпущенной теплот определяется расход на собственные нужды. На собственные нужды расходуется не только теплота, но и электрическая энергия (например, на привод дымососа, вентилятора, питательных насосов, механизмов топливоподачи), т.е. расход на собственные нужды включает в себя расход всех видов энергии, затраченных на производство пара или горячей воды.
В итоге КПД-брутто отопительного котла характеризует степень его технического совершенства, а КПД-нетто — коммерческую экономичность. Для котельного агрегата КПД-брутто, %:
по уравнению прямого баланса:
η бр = 100 Q пол / Q р р
где Q пол — количество полезно используемой теплоты, МДж/кг; Q р р — располагаемая теплота, МДж/кг;
по уравнению обратного баланса:
η бр = 100 - (q у.г + q х.н + q н.о)
где q у.г, q х.н, q н.о — относительные потери теплоты с уходящими газами, от химической неполноты сгорания топлива, от наружного охлаждения.
Тогда КПД-нетто отопительного котла по уравнению обратного баланса:
η нетто = η бр - q с.н
где q с.н — расход энергии на собственные нужды, %.
Определение КПД по уравнению прямого баланса проводят преимущественно при отчетности за отдельный период (декада, месяц), а по уравнению обратного баланса — при испытании отопительного котла. Вычисление КПД отопительного котла по обратному балансу значительно точнее, так как погрешности при измерении потерь теплоты меньше, чем при определении расхода топлива.
Зависимость КПД котла η к от его нагрузки (D/D ном) 100
q у.г, q х.н, q н.о — потери теплоты с уходящими газами, от химической и механической неполноты сгорания, от наружного охлаждения и суммарные потер.
Таким образом, для повышения эффективности отопительного котла недостаточно стремиться к снижению тепловых потерь; необходимо также всемерно сокращать расходы тепловой и электрической энергии на собственные нужды, которые составляют в среднем 3...5% теплоты, располагаемой котельным агрегатом.
Изменение КПД отопительного котла зависит от его нагрузки. Для построения этой зависимости (рис.) нужно от 100% вычесть последовательно все потери котельного агрегата, которые зависят от нагрузки, т.е. q у.г, q х.н, q н.о. Как видно из рисунка, КПД отопительного котла при определенной нагрузке имеет максимальное значение. Работа котла на этой нагрузке наиболее экономична.
Коэффициент полезного действия котельного агрегата или КПД котельного агрегата представляет собой отношение величины использования тепла в котельном агрегате К величине затраченного тепла топлива. Часть пара, произведенного в котельном агрегате, непосредственно расходуется на его собственные нужды, например на питательные насосы, дутьевые вентиляторы, дымососы, обдувку поверхностей нагрева. Учитывая эти расходы, вводят понятие КПД котельного агрегата нетто .
Тепло, использованное в котельном агрегате на получение пара или горячей воды,
где В - часовой расход топлива, кг/ч (м3/ч);
D - часовая производительность котельного агрегата, кг/час;
q к.а - количество тепла, переданное в котельном агрегате воде для превращения ее в пар или для получения горячей воды и отнесенное к 1 кг пара или воды, кДж/кг (ккал/кг);
ŋ к.а - кпд котельного агрегата.
Для котельного агрегата, в котором производится насыщенный пар
где i " - энтальпия насыщенного пара;
i п.в - энтальпия питательной воды;
q пр - количество тепла, удаляемого из котельного агрегата с продувочной водой, кДж/кг (ккал/кг); обычно q пр = (0,01- 0,02) · i ", где i " - теплосодержание воды при температуре t н.
Для водогрейного котельного агрегата, в котором получают горячую воду
где i 1 - энтальпия воды, поступающей в котел; i 2 - энтальпия воды, выходящей из котла.
Если известны количество полученного пара и его энтальпия, а также часовой расход топлива и теплота сгорания топлива, то можно определить КПД котельного агрегата, %:
Для современных котельных агрегатов величина q 1 в зависимости от паропроизводительности котельного агрегата, температуры уходящих газов, рода сжигаемого топлива и способа его сжигания может изменяться в очень широких пределах от 75 до 80% для котельных агрегатов небольшой производительности, в которых твердое топливо сжигается в слоевых топках, и до 91-95% для больших котельных агрегатов с факельным сжиганием топлива. Наиболее высокие КПД получаются для котельных агрегатов, работающих на жидком и газообразном топливе.
Для котельных агрегатов небольшой производительности потери тепла составляют от 20 до 25%, а для крупных от 5 до 9%. Основными потерями тепла являются потери с уходящими газами q 2
Пример.
Определить КПД котельного агрегата и оценить тепловые потери котельного агрегата паропроизводительностью Q = 10 тонн/час при параметрах пара: давление P = 1,4 МПа (14 кгс/см2) и температура t = 197,3°С. Часовой расход топлива 1500 кг, температура питательной воды 100°С, теплота сгорания топлива Q р н = 20647 кДж/кг (4916 ккал/кг). Оценку тепловых потерь котельного агрегата провести по средним значениям, данным в соответствующих разделах. Величину q п р ( количество тепла, удаляемого из котельного агрегата с продувочной водой ) принять равной 0.По таблице и заданным параметрам пара: давлению р и температуре t находим его энтальпию ~ 2790 кДж/кг (666 ккал/кг). При 100°С теплосодержание питательной воды составит примерно 419 кДж/кг (100 ккал/кг). Следовательно, тепло, полученное 1 кг пара согласно формуле, q к
. а = 2790 - 419 = 2371 кДж/кг ( q к . а = 666 - 100 = 566 ккал/кг).Коэффициент полезного действия котельного агрегата по формуле
Величина тепловых потерь
Σ q i = 100 - ŋ к.а = 100 - 76,8 = 23,2%. По средним значениям q 2 , q 3 , q 4 приведенным в § Тепловой баланс котельного агрегата, находим q 2 = 12,5%, q 3 = 1%, q 4 = 6,25%. Следовательно, величина потерь в окружающую среду q 5 = Σ q i - q 2 - q 3 - q 4 = 23,2 - 12,5 - 1 - 6,25 = 3,45%. ,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=(Q 1 ÷Q ri),
где Q 1 – тепло, использованное эффективно;
Q ri – 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-(q 2 +q 3 +q 4 +q 5 +q 6), в которой
q 2 – теплопотери с выходящими горючими газами;
q 3 – потери тепла в результате неполного сгорания продуктов горения;
q 4 – теплопотери из-за недожога топлива и выпадения золы;
q 5 – потери, вызванные внешним охлаждением прибора;
q 6 – теплопотери вместе с удаляемым из топки шлаком.
Теплопотери при удалении горючих газов
Наиболее существенные потери тепла происходят в результате эвакуации в дымоход горючих газов (q 2). 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:
Q 2 = (T 1 -T 3) × (A 2 ÷ (21-O 2) + B), где
T 1 – температура эвакуируемых горючих газов в точке за пароперегревателем;
T 3 – температура поступающего в топку воздуха;
21 – концентрация кислорода в воздухе;
O 2 – количество кислорода в уходящих продуктах горения в контрольной точке;
A 2 и B – коэффициенты из специальной таблицы, которые зависят от типа топлива.
Химический недожог как источник теплопотерь
Показатель q 3 используется при расчете КПД газового котла отопления, например, или в тех случаях, когда топливом служит мазут. Для газовых котлов значение q 3 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 q 3 =0,4-0,5 %.
Если же отопительное оборудование работает на твердом топливе, в расчет принимают показатель q 4 . В частности, для угля антрацита значение q 4 =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:
q 6 =(А шл ×З л ×А р)÷Q ri ,
где А шл – 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 %.
З л – термодинамический потенциал золы при температуре в 600 ℃ в обычных условиях равен 133,8 ккал/кг.
А р – зольность топлива, которая рассчитывается на общую массу топлива. В различных видах горючего показатель зольности колеблется от 5 % до 45 %.
Q ri – 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 q 6 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 q 4 , 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 q 3 , как правило, равны 0,5-1 %.
Наибольший процент теплопотерь q 2 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.
Оставьте свой номер и мы Вам перезвоним
Закрыть Оставить заявку
Всё про КПД котла
Что такое кпд котла
Коэффициентом полезного действия отопительного котла называют отношение полезной теплоты, израсходованной на выработку пара (или горячей воды), к располагаемой теплоте отопительного котла. Не вся полезная теплота, выработанная котельным агрегатом, направляется потребителям, часть теплоты расходуется на собственные нужды. С учетом этого различают КПД отопительного котла по выработанной теплоте (КПД-брутто) и по отпущенной теплоте (КПД-нетто).
По разности выработанной и отпущенной теплот определяется расход на собственные нужды. На собственные нужды расходуется не только теплота, но и электрическая энергия (например, на привод дымососа, вентилятора, питательных насосов, механизмов топливоподачи), т.е. расход на собственные нужды включает в себя расход всех видов энергии, затраченных на производство пара или горячей воды.
* Чтобы купить котел Уникал заходите в соответствующий раздел. А если нужны отопительные котлы оптом , то переходите сюда.
Как рассчитать кпд котла
В итоге КПД-брутто отопительного котла характеризует степень его технического совершенства, а КПД-нетто - коммерческую экономичность. Для котельного агрегата КПД-брутто, %:
по уравнению прямого баланса:
ηбр = 100 Qпол / Qрр
где Qпол - количество полезно используемой теплоты, МДж/кг; Qрр - располагаемая теплота, МДж/кг;
по уравнению обратного баланса:
ηбр = 100 – (q2 + q3 + q4 + q5 + q6) ,
где q - потери тепла в %:
- q2 - с уходящими газами;
- q3 - из-за химического недожога горючих газов (СО, Н2, СН4);
- q4 - с механическим недожогом;
- q5 - от наружного охлаждения;
- q6 - c физическим теплом шлаков.
Тогда КПД-нетто отопительного котла по уравнению обратного баланса
ηнетто = ηбр - qс.н
где qс.н - расход энергии на собственные нужды, %.
Определение КПД по уравнению прямого баланса проводят преимущественно при отчетности за отдельный период (декада, месяц), а по уравнению обратного баланса - при испытании отопительного котла. Вычисление КПД отопительного котла по обратному балансу значительно точнее, так как погрешности при измерении потерь теплоты меньше, чем при определении расхода топлива.
Как увеличить кпд газового котла своими руками
Создать правильные условия эксплуатации газового котла и тем самым повысить коэффициент полезного действия можно реально, не вызывая специалиста, то есть своими руками. Что для этого нужно сделать?
- Отрегулировать заслонку поддувала. Это можно сделать экспериментальным путем, найдя, при какой позиции температура теплоносителя будет выше всего. Контроль проводите по термометру, установленному в корпусе котла.
- Обязательно следить, чтобы трубы системы отопления не зарастали изнутри, чтобы на них не образовывалась накипь и грязевые отложения. С пластиковыми трубами сегодня стало проще, их качество известно. И все же специалисты рекомендуют периодически продувать систему отопления.
- Следить за качеством дымохода. Нельзя допускать его засорение и налипания на стенки сажи. Все это приводит к суживанию сечения отводящей трубы и уменьшению тяги котла.
- Обязательное условие – чистка камеры сгорания. Конечно, газ не сильно коптит, как дрова или уголь, но стоит хотя бы один раз в три года мыть топку, очищая ее от сажи.
- Специалисты рекомендуют снизить тягу дымохода в самое холодное время года. Для этого можно использовать специальное устройство – ограничитель тяги. Устанавливается он на самом верхнем краю дымохода и регулирует сечение самой трубы.
- Снизить химические тепловые потери. Здесь два варианта, чтобы добиться оптимального значения: установить ограничитель тяги (уже выше было об этом сказано) и сразу после установки газового котла провести грамотную настройку оборудования. Рекомендуем это поручить специалисту.
- Можно установить турбулизатор. Это специальные пластины, которые устанавливаются между топкой и теплообменником. Они увеличивают площадь отбора тепловой энергии.
