Общее уравнение теплового баланса

уравнение сохранения энергии Qприх —Q —Qпот = 0(2.2)

где Dприх, Qприх — количества поступившего вещества (например, воды) и энергии (теплоты); D, Q— количества полезно преобразованного вещества (полученного пара) и энергии (теплоты пара); Dпот, Qпот — потери вещества и энергии.

При нестационарных режимах равенство между притоками и стоками (вещества и энергии) нарушается с изменением внутренней энергии.

Тепловой баланс котла, как и любого другого теплотехнологического агрегата, характеризует равенство между приходом и расходом теплоты: Qприх⁼Qpacx(2.3)

Составляющие теплового баланса для теплотехнологических установок в общем случае могут быть выражены отношением количества затраченной теплоты на единицу полученного продукта, например в МЖд на кг технологического продукта, или количеством теплоты в единицу времени — в МДж в секунду (мегаваттах), или количеством теплоты на единицу топлива — в МДж на килограмм для твердого и жидкого топлива или МДж на м3 для газообразного топлива. Для котельных установок тепловой баланс составляют на 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газа при 273 К и 0, 1013 МПа.

Приходная часть теплового баланса (располагаемая теплота , МДж/кг или МДж/м³) в общем случае записывается в виде

(2.4)

где внесенная химическая теплота

а внесенная физическая теплота

Рассмотрим составляющие приходной части теплового баланса. — низшая рабочая теплота сгорания единицы топлива, МДж/кг или МДж/м³ — для твердого и жидкого или газа, не учитывающая, как известно, теплоту образования водяных паров. Это согласуется с тем, что температура продуктов сгорания, покидающих котел, обычно не ниже 110—120 °С, при такой температуре содержащийся в них водяной пар не конденсируется. При охлаждении же продуктов сгорания до температуры, при которой на поверхности нагрева возможна конденсация водяных паров, расчеты следует выполнять с учетом высшей теплоты сгорания топлива баланса. .

Член учитывают при использовании теплоты экзотермических реакций, возможных при осуществлении некоторых технологических процессов. В качестве примера можно указать на экзотермический процесс обжига колчедана в кипящем слое с установкой в последнем теплоиспользующих элементов для получения пара. Процесс обжига проходит без дополнительного использования топлива, поэтому в этом случае в выражении для определения теплота сгорания топлива отсутствует.

Член учитывает затраты теплоты на возможные эндотермические реакции. Например, при сжигании сланцев, когда часть выделяющейся теплоты затрачивается на разложение карбонатов,

Входящий в выражение для определения член , МДж/кг (или МДж/м³), учитывает физическую теплоту (энтальпию) топлива: (2.6)

где с_т — теплоемкость рабочего топлива, МДж/(кг-К) или МДж/ (м³ • К); — температура топлива, °С.

При поступлении в котел твердое топливо имеет обычно малую температуру, приближающуюся к нулю, а теплоемкость сухой массы топлива находится в пределах с^с_т =(0, 92-1, 3)*10-3 МДж/(кг-К). В связи с этим невелико по значению. Энтальпию твердого топлива учитывают в случае предварительного его подогрева вне котла посторонним источником теплоты. При этом температуру и влажность топлива принимают по состоянию его перед топкой.

Жидкое топливо (мазут) для снижения вязкости и улучшения распыла поступает в топку подогретым до 80—120°С.

Учет целесообразен при сжигании газообразного топлива с низкой теплотой сгорания (например, доменного газа) при условии специального нагрева его до относительно высокой температуры (200—300 °С).

При сжигании газообразного топлива с высокой теплотой сгорания (например, природного газа) имеет место повышенное соотношение массы воздуха и газа (примерно 10к1) В этом случае топливо — газ обычно не подогревают.

Член учитывает энтальпию воздуха, как поступив­шего в котел через воздушный подогреватель, так и присосанного через газоходы котла.

Энтальпию горячего воздуха учитывают лишь при подогреве его вне агрегата, до воздушного подогревателя котла за счет постороннего источника теплоты (подогрев в паровом калорифере отборным или отработанным паром, подогрев в автономном подогревателе при сжигании до­полнительного топлива).

Член , МДж/кг, учитывает теплоту, вносимую в аг­регат паром при паровом распыливании мазута или при подаче под решетку пара для улучшения ее работы при слоевом сжигании антрацита.

Для котла, использующего в качестве источника теплоты энтальпию отходящих газовтеплотехнологического устройства (котел-утилизатор), при отсутствии в газах продуктов неполного горения

При наличии в отходящих газах и горючих составляющих (газообразных или твердых) при условии сжигания их под котлом в приходной части баланса учитывают и их химическую теплоту.

Член включают в уравнения баланса при выработке пара с использованием в качестве источника теплоты электроэнергии. В этом случае для электрокотла

Таким образом, в общем выражении приходной части теплового баланса котла (2.4) для конкретных случаев ряд членов может отсутствовать.

При составлении теплового баланса для котла, рабо­тающего на органическом топливе, при отсутствии выра­ботки пара за счет теплоты экзотермических технологических реакций () и с учетом замечаний о значениях других составляющих приходную часть баланса в расчете на1 кг (м³) топлива можно принять:

(2.11)

Расходная часть теплового баланса в расчете на 1 кг (м³) топлива в общем случае может содержать теплоту, затраченную на выработку пара (или горячей воды) и раз­личные потери:

(2 12)

В простейшем случае (без учета продувки, возможной дополнительной выработки насыщенного пара и др.) теплота, полезно затраченная на выработку перегретого пара, МДж/кг (или МДж/м³), составит (2.13)

гдеD — выход пара, кг/с; В — расход топлива, кг/с (или м³/с); hпп, hпв—энтальпии перегретого пара и питательной воды, МДж/кг.

Остальные слагаемые в (2.12) представляют собой следующие тепловые потери, подробно рассматриваемые далее:

Ну.г — энтальпия уходящих из котла газов, МДж/кг (или МДж/м³);

, — потери теплоты от химической и механиче­ской неполноты сгорания топлива, МДж/кг (или МДж/м³);

— потери теплоты от наружного охлаждения внешних ограждений котла, МДж/кг (или МДж/м³);

— потеря с физической теплотой шлаков, МДж/кг;

— потеря теплоты с охлаждаемыми балками, па­нелями топки, не включенными в циркуляционную систему агрегата;

— расход (знак «+») или приход теплоты «знак «—»), связанный с неустановившимся тепловым режимом работы котла, МДж/кг (или МДж/м³). При установившемся тепловом состоянии .

Если принять за 100%, получим

100=qпол+qуг+qхн+qмн+qно+qфш+qохл±qакк(2.20)

Где qпол= *100% и тд. (2.21).

Завершая рассмотрение общего уравнения теплового баланса, следует отметить, что в литературных источниках составляющие теплового баланса котла обо­значают обычно цифрами: qпол=q1, qуг = q2, qхн=q3, qмн =q4, qно=q5, qохл=q6.