Кпд котла: формула эффективности водогрейного оборудования

Библиотека статей на профессиональную тему

КПД КОТЛОВ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ЛОКАЛЬНЫХ ОТОПИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ (ОПЫТ США)

Несомненно, КПД отопительных котлов является важным показателем эффективности их работы. Вместе с тем, эта величина не является определяющей при оценке эффективности работы отопительной системы в целом.
В данной статье приводится опыт США по определению энергоэффективности локальных отопительных систем и оптимизации затрат на отопительный сезон.

Российские нормативные документы, определяющие технические требования к котлам, (ГОСТ 20219-74, ГОСТ 11032-80, ГОСТ 10617-83) предписывают определять тепловую нагрузку газовых котлов по формуле:

В отличие от российских, стандартами США на газовые котлы (при расчете нагрузки) применяется высшая теплота сгорания ()в), которая в 1,11 раза превышает QH, для природного газа и на 6% — для легкого жидкого топлива.

В результате величина тепловой нагрузки, рассчитанная по высшей теплоте сгорания природного газа, на 11% больше, чем принятая по российским нормам. (Как известно, высшая и низшая теплота отличаются на величину скрытой теплоты парообразования, т.е. на количество теплоты, выделяющейся при полной конденсации водяных паров, образующихся при горении газа).

Так как величина КПД является функцией тепловой нагрузки (и, соответственно, теплоты сгорания газа), то величины КПД, рассчитанные в соответствии со стандартом США, на 11% ниже, чем рассчитанные по российским стандартам.

Очевидно, что величина КПД, рассчитанная по высшей теплоте для любых котлов, никогда не бывает более 100%, в то время как КПД котлов конденсационного типа, рассчитанный по низшей теплоте (применяющейся в России, странах СНГ и многих странах Европы), превышает 100%.

В США величине КПД котла не придают столь решающего значения, какое оно имеет в России и странах СНГ. Это связано с тем, что величина КПД является характеристикой котла только в режиме непрерывной работы (при номинальной производительности). Этот режим применяется на испытательных стендах при определении фактических параметров котлов либо в непрерывном производственном цикле с постоянной нагрузкой, но такой режим для отопительных систем невозможен. Это связано с переменной тепловой нагрузкой на котлы в течение годового цикла эксплуатации системы.

Именно поэтому, в соответствии с рекомендациями Министерства энергетики США и Национального Бюро по Стандартам США, в инженерных расчетах принято рассматривать не величину КПД котлов, а коэффициент эффективности системы.

Наименее энергоэффективный режим работы котлов (вне зависимости от теоретической величины его КПД) имеет место в переходные периоды отопительного сезона.

Учитывая изложенное выше, Министерство энергетики США ввело в действие стандарт для оценки сезонного энергопотребления отопительных устройств. Установленный этим стандартом показатель AFUE (Annual Fuel Utilization Efficiency — годовая эффективность использования топлива) в настоящее время применяется в США для оценки работы системы в целом.

Величина AFUE выражается, как и КПД, в процентах, но — в отличие от величины КПД — она учитывает влияние многочисленных переходных периодов на протяжении всего отопительного сезона (т.е. всех периодов времени, когда котел работает в режиме не-номиналъной нагрузки).

Таким образом, показатель AFUE используется для оценки реальных стоимостных затрат отопительного сезона.
Для этого Министерство энергетики США предлагает следующую формулу [ 1 ]. Для примера приводим данные о снижении эффективности работы системы при переходных нагрузках. (По замерам на системе отопления здания в г. Сиракузы, штат Нью-Йорк):

Производительность котла
Расчетная тепловая нагрузка системы

Концепция многокотловой двухконтурной системы, предложенная корпорацией «Лаарс Хитинг Системз» (США), является реальным инструментом повышения показателя AFUE системы отопления в целом.

Применение указанной системы позволяет:

  • достигнуть максимального соответствия тепловых нагрузок теплопотерям в целях повышения комфорта в зданиях;
  • повысить эффективность работы системы отопления;
  • избежать прохождения воды через неработающие котлы (что снижает эффективность работы системы);
  • быстро и просто выполнять работы по обслуживанию и ремонту элементов системы.

Ниже приводятся данные по повышению эффективности в случае применения многокотловой двухконтурной системы. Национальное Бюро по Стандартам США произвело независимое исследование эффективности многокотловой двухконтурной системы по сравнению с традиционными котловыми системами. Результат исследования выражен следующим графиком:

Где:
кривая 3 характеризует работу многокотловой двухконтурной системы;
кривые 1, 2, 4, 5 — характеристики традиционно применяемых котловых схем.

Примечание: Разрыв кривой и падение К.П.Д. системы при нагрузке приблизительно 25% от максимальной происходит, когда второй котел включается в работу системы и берет на себя часть возрастающей нагрузки. Подобное падение можно ожидать при достижении 50% и 75% расчетной максимальной нагрузки, когда третий и четвертый котлы включаются в работу, но испытания в этих режимах не предусматривались программой исследований.

Кривая 3 показывает наивысшее значение общей эффективности системы в переходные периоды отопительного сезона (т.е. когда тепловая нагрузка составляет от 5% до 65% номинальной производительности котельной установки).*
Резюмируя, можно отметить, что реальная сезонная эффективность работы котла в исключительной мере зависит от системы, в которой сам котел является лишь элементом, а также от того, насколько котельное оборудование соответствует тепловой нагрузке здания (преимущественно в переходные периоды отопительного сезона).

Учитывая резкое падение эффективности использования котла в переходные периоды, на первый план выходит требование по повышению К.П.Д. системы.

Читать еще:  Дымоход для твердотопливного котла своими руками (фото)

Очевидно, что даже котлы с весьма высоким КПД, установленные в системе некорректно, не смогут стать энергосберегающим фактором работы системы в целом.

Как показано выше, решающим фактором повышения энергоэффективности отопительных систем является правильный выбор конфигурации системы и подбор оборудования, в первую очередь, котельного, оптимального для каждой конкретной системы.

При этом в качестве исходных данных для правильного расчета системы необходимо определить затраты энергии на отопительный период. Расчет затрат энергии на отопление зданий в США базируется на методе определения градусо-суток, при котором исключается зависимость теплопотерь здания от климатических условий местности.

Количество градусо-суток за один 24-часовой день является разностью между +18°С (расчетной внутренней температуры помещений) и среднесуточной температурой для данного дня.

Суммируя градусо-сутки для всех дней отопительного периода, мы получаем величину, которая г’чшеняется для оценки затрат энергии на отопление здания.
Другими словами, градусо-сутки — это величина, характеризующая сумму отклонений среднесуточной температуры воздуха от ее определенного стандартного значения для всего количества суток отопительного периода.

Эту величину можно получить, умножив разницу между расчетной внутренней температурой помещений tBH и средней температурой наружного воздуха для отопительного периода tH ср на продолжительность отопительного периода для данной климатической местности n.

В России величина количества градусо-суток колеблется от 1044 (Сочи) до 12045 (Оймякон), составляя для средней полосы около 4900. Концепция определения энергозатрат на отопление через градусо-сутки была разработана в США на основе многолетних данных организаций-производителей и продавцов теплоносителей, а также местных метеорологических станций.

В основу расчета по данной методике заложена предпосылка, что здание нуждается в дополнительном теплоснабжении всякий раз, как только наружная температура опускается ниже 18°С, т.е. расчетом не учитываются тепловое сопротивление ограждений здания, тепло, выделяемое бытовыми приборами, тепловыделение людей, находящихся в здании и т.п. факторы.

Для того чтобы компенсировать в расчете значения указанных выше факторов, с 1989 года ASHRAE (Американское общество инженеров по отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха) рекомендует применять коэффициент Cd, который определяется по приведенному ниже графику в зависимости от значения градусо-суток для данной местности (DD).

Следующее уравнение может быть использовано для оценки годовых энергозатрат на отопление здания:

Кпд котла формула

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:

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.

Н.Д. Денисов-Винский, В.А. Афанасьев Журнал «Теплоэнергоэффективные технологии».

№1-2 (65 — 66) | Июнь, 2012 год | стр. 64 — 67 | УДК 643.82.621.182

Задачей энергетического обследования котельной является определение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) при осуществлении основного технологического процесса – выработки тепловой энергии посредством сжигания органического топлива (здесь и далее будет рассматриваться наиболее распространенное топливо для котельных в России – природный газ).
я проведения анализа и последующего определения эффективности использования ТЭР составляется энергетический баланс котельной для каждого вида энергетического ресурса.

Что такое тепловая мощность?

Тепловая мощность водогрейного котла, это количество теплоты которое передаётся теплоносителю (воде) в процессе сгорания топлива в котле. Тепловая мощность измеряется в гигакаллориях(ГКал/час) или мегаваттах (МВт/час). 1 ГКал/час — это 40 кубометров воды (40 м3/час), нагретые на 25 градусов Цельсия(25С) за один час. 1 ГКал = 1.16 МВт.

Что такое КПД котла?

Коэффициент полезного действия водогрейного котла(КПД), это разность между количеством теплоты которое содержится в топливе и количеством теплоты, которое передано теплоносителю(воде)

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.

Читать еще:  Виды полипропиленовых труб: свойства и области применения

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).

Температура воды на «подаче» (из котельной в тепловую сеть) – 55С

Температура воды на «обратке» (из тепловой сети в котельную) – 43С

Расход сетевой воды – 120 м3/час (по насосам)

(55 — 43) * 120 / 1000 = 1.44 ГКал. * 1.16 = 1.67 МВт

Температура воды на входе в котёл – 43С

Температура на выходе из котла – 51С

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.

Температура уходящих газов котла – 320С

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%

7.4. Технологическая схема котельной установки

1. Пароперегреватель обозначен на рисунке цифрой 2.

2. Водяной экономайзер обозначен на рисунке цифрой 3.

3. Водоподготовка включает следующие процессы осветление, умягчение и деаэрацию.

4. Центробежный скруббер предназначен для очистки дымовых газов.

5. Назначение дымовой трубы уменьшение средней концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе.

6. К снижению выбросов оксидов азота с дымовыми газами приводит снижение температуры в ядре факела.

7. Высота дымовых труб современных тепловых электростанций достигает 300 м.

8. Необходимость очистки дымовых газов от золы связана с защитой атмосферы и предотвращением абразивного износа оборудования.

9. В результате повышения термического сопротивления стенок экранных труб из-за отложений накипи металл труб может потерять прочность.

10. Из-за отложений накипи на внутренних стенках экранных труб охлаждение стенок труб движущимися внутри них водой или паром ухудшается.

11. Средством уменьшения уноса солей с паром является промывка пара питательной водой в барабане котла.

12. Если паропроизводительность котла D=14 т/ч, продувка составляет Dпр=0,35 т/ч, то расход питательной воды в т/ч равен

Подсчёт КПД газового котла отопления

Метод расчёта производительности осуществляется путём сравнения потраченной теплоэнергии на нагрев жидкости и фактического объёма всей теплоты, что была выделена в момент сжигания топлива. Вычисляется по такой формуле:

Читать еще:  Бойлер не греет воду: рекомендации

η = (Q/ Qобщ.)*100% η — читается как “эта”;
Q1 — тепло, которое удалось аккумулировать и использовать для нагрева помещения;
Qобщ. — общее количество тепловой энергии, которое выделяется при сжигании топлива.

Однако эта формула не берёт в учёт многие нюансы, например, возможные тепловые потери, отклонения в рабочих параметрах системы и прочее. Расчёты дают возможность узнать только средний КПД самого котла от газа. Многие изготавливающие компании указывают именно это значение.

Тут же оценивают погрешности определения тепловой эффективности. Используют такую формулу:

η=100 — (q2 + q3 + q4 + q5 + q6)

Расчёты помогают проанализировать в соответствии с особенностями определённой отопительной системы.

Настоящий коэффициент полезного действия рассчитывают только на месте, в зависимости от правильно выполненной системы удаления дыма и качественного монтажа.

Больше всего на тепловую эффективность влияет температура отходящих газов, которая отмечена в формуле сокращением q2. Если интенсивность нагрева газов на 10-15 °С, то производительность повышается на 1-2 %. Поэтому наивысший КПД в конденсационных котлах, что относятся к низкотемпературной технике отопления.

Экономичный газовый котёл с высоким КПД

Как показывает практика, а также доказывает техдокументация, котлы зарубежных производителей имеют более высокий коэффициент полезного действия. Европейские организации акцентируют усилия на совершенствовании энергосберегающих технологий. Зарубежные котлы от газа характеризуются высокой производительностью, потому что их устройство подразумевает:

  1. Модуляционную горелку. Котлы популярных компаний отличаются двухступенчатыми либо модулируемыми горелками, которые могут похвастаться автоматической приспособляемостью к фактическим рабочим параметрам отопительной системы. Остатков на выходе минимальное количество.
  2. Нагрев жидкости. Хороший котёл – это оборудование, которое разогревает теплоноситель максимум до 70 °С, в то время как отходящие газы нагреваются не более 110 °С, это и даёт наилучшую тепловую отдачу. Однако при низкотемпературном нагреве жидкости присутствуют некоторые недостатки, такие как малая тяга и активное образование конденсата. Теплообменники в агрегатах от газа с высокой производительностью выполняются из качественной нержавейки и имеют особый конденсаторный блок, который необходим для отбора энергии от конденсата.
  3. Нагрев подводящего газа и воздуха, что поступает в горелочное устройство. Подключение агрегатов закрытого типа происходит коаксиальному дымоходу. Воздух циркулирует в камеру сжигания через наружную полость трубы с двумя полостями, до этого подогреваясь, что способствует снижению нужных тепловых затрат на пару процентов. Горелочные устройства с предварительным изготовлением газовоздушной смеси тоже осуществляют подогрев газа перед подачей его на горелку.
  4. Монтаж системы повторной циркуляции отходящих газов. В таком случае дым поступает не сразу в камеру сжигания, а циркулирует через дымоход, смешивается с чистым воздухом и оказывается опять в горелке.

Наивысший коэффициент полезного действия наблюдается при нагреве образования конденсата либо «точки росы». Агрегаты, функционирующие при низкотемпературном нагреве, называют конденсационными. Их отличие в небольшом количестве потребляемого газа и высокая тепловая эффективность, что очень видно при подсоединении к оборудованиям от баллонов с газом и газгольдеру.

Известно множество брендов конденсационных агрегатов, самыми популярными из них являются только некоторые. Газовые котлы с высоким КПД для дома вы можете выбрать из следующих марок:

Как увеличить КПД газового котла своими руками?

Повысить коэффициент полезного действия самостоятельно, без помощи специалиста, возможно. Для этого необходимо соблюдать следующие пункты:

  1. Настроить заслонку поддувала. Выполнить это можно путём эксперимента, установив, при какой позиции температура жидкости будет выше всего. Контроль осуществляется по термометру, который установлен в корпусе котла.
  2. Проследить, чтобы трубопровод не зарастал изнутри, не появлялась накипь и скапливалась грязь. С трубами из пластика в этом плане в настоящее время проще, качество их известно. И всё же мастера советуют время от времени продувать отопительную систему.
  3. Следить за качеством дымовой трубы. Смотреть, чтобы трубы не засорялись, а сажа не налипала на стенках. Любые образования способствуют сужению сечения трубы отвода и ослабеванию тяги котла.
  4. Обязательно своевременно чистить камеру сгорания. Понятно, что газ коптит не так, как уголь либо поленья, однако нужно минимум раз в несколько лет мыть топочную камеру и удалять сажу.
  5. Для повышения КПД газовых котлов стоит снижать тягу дымоходной трубы в сильные мороза. С этой целью можно применять ограничитель тяги, устанавливаемый на самом верхнем краю дымохода. Его функция – регулировать сечения самой трубы.
  6. Сделать ниже химические теплопотери. Тут варианта два для достижения лучшего значения: установка ограничителя тяги (говорилось об этом выше) и проведения сразу после монтажа котла от газа качественной настройки техники. Это рекомендуется доверить специализированному работнику.
  7. Ещё одним ответом, на вопрос, как повысить КПД газового котла, может служить следующее – установка турбулизатора. Это особые пластины, устанавливаемые между топочной камерой и теплообменником. Они делают площадь отбора теплоэнергии больше.

Это основной список, следуя ему, вы можете рассчитывать на повышение коэффициента полезного действия своего котельного оборудования. Безусловно, подобных возможностей не мало, но эти являются основными.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector