Как рассчитать КПД котла – обзор факторов теплопотерь

Создать уютную и комфортную атмосферу в загородном доме достаточно просто – нужно лишь правильно обустроить систему отопления. Основным компонентом эффективной и надежной системы отопления является котел. В следующей статье мы поговорим о том, как рассчитать КПД котла, какие факторы на него влияют и как повысить КПД отопительного оборудования в конкретном доме.

Как подобрать котел

Конечно, чтобы определить, насколько эффективным будет тот или иной водогрейный котел, необходимо определить его КПД (КПД). Этот показатель представляет собой отношение между количеством тепла, используемого для обогрева помещений, и общим количеством вырабатываемой тепловой энергии.

Формула расчета эффективности выглядит так:

ɳ=(Q1÷Qri),

где Q1 — эффективно используемое тепло;

Qri – общее количество выделяемого тепла.

Какова зависимость между КПД котла и нагрузкой

На первый взгляд может показаться, что чем больше сжигается топлива, 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 увеличивается и уровень теплопотерь, так как в дымоход попадают сильно нагретые дымовые газы. Следовательно, топливо расходуется неэффективно.

Аналогично ситуация складывается и в случаях, когда котел отопления работает на пониженной мощности. Если вы не достигнете рекомендованных значений более чем на 15%, топливо не сгорит полностью и количество дымовых газов увеличится. В результате КПД котла сильно снизится. Поэтому стоит придерживаться рекомендованных уровней мощности котла: они рассчитаны на максимально эффективную работу оборудования.

Расчет КПД с учетом различных факторов

Вышеприведенная формула не совсем подходит для оценки КПД оборудования, так как точно рассчитать КПД котла, учитывая всего два показателя, очень сложно. На практике в процессе проектирования используется другая, более полная формула, так как не все вырабатываемое тепло идет на нагрев воды в контуре отопления. При работе котла теряется определенное количество тепла.

Более точный расчет КПД котла производится по следующей формуле:

ɳ=100-(q2+q3+q4+q5+q6), где

q2 — потери тепла с уходящими горючими газами;

q3 — потери тепла в результате неполного сгорания продуктов сгорания;

q4 — потери тепла за счет недожога топлива и выпадения золы;

q5 — потери, вызванные внешним охлаждением прибора;

q6 — потери тепла вместе с выводимым из печи шлаком.

Теплопотери при удалении горючих газов

Наиболее значительные потери тепла происходят в результате эвакуации горючих газов в сторону дымохода (q2). КПД котла во многом зависит от температуры горения топлива. Оптимальный перепад температур на холодном конце водонагревателя достигается при его нагреве до 70-110 ℃.

При снижении температуры дымовых газов на 12-15℃ КПД водогрейного котла увеличивается на 1%. Однако для снижения температуры уходящих продуктов сгорания необходимо увеличить размеры обогреваемых поверхностей, а значит и всей конструкции в целом. Кроме того, при охлаждении угарный газ увеличивает риск низкотемпературной коррозии.

Помимо прочего, температура угарного газа зависит еще и от качества и вида топлива, а также от нагрева воздуха, поступающего в топку. Температуры входящего воздуха и выходящих продуктов сгорания зависят от видов топлива.

Для расчета коэффициента теплопотерь с уходящим газом используется следующая формула:

Q2= (T1-T3) × (A2 ÷ (21-O2) + B), где

T1 – температура отводимых топливных газов в точке за пароперегревателем;

Т3 – температура воздуха, поступающего в печь;

21 — концентрация кислорода в воздухе;

О2 – количество кислорода в уходящих продуктах сгорания в контрольной точке;

А2 и В – коэффициенты из специальной таблицы, зависящие от вида топлива.

Химический недожог как источник теплопотерь

Показатель q3 используется при расчете КПД газового отопительного котла, например, или в тех случаях, когда используется мазут. Для газовых котлов значение q3 составляет 0,1-0,2%. При незначительном избытке воздуха при горении этот показатель составляет 0,15 %, а при значительном избытке воздуха вообще не учитывается. Однако при сжигании смеси газов разной температуры значение q3=0,4-0,5 %.

Если отопительное оборудование работает на твердом топливе, то учитывается q4. В частности, для антрацитового угля значение q4 = 4-6 %, для полуантрацита характерны теплопотери 3-4 %, но при сжигании угля образуется только 1,5-2 % теплопотерь. При удалении низкореакционноспособных обожженных угольных жидких шлаков значение q4 можно считать минимальным. Но при удалении шлака в твердом виде потери тепла возрастут до максимального предела.

Потери тепла в связи с внешним охлаждением

Такие тепловые потери q5 обычно не превышают 0,5 %, а по мере увеличения мощности отопительного оборудования они еще больше снижаются.

Этот показатель связан с расчетом паропроизводительности котельной установки:

• При условии паропроизводительности D в диапазоне 42-250 кг/с величина тепловых потерь q5=(60÷D)×0,5÷lgD;
• При значении паропроизводительности D более 250 кг/с коэффициент тепловых потерь принимается равным 0,2 %.

Количество теплопотерь от удаления шлака

Величина тепловых потерь q6 актуальна только для удаления жидкой золы. Но в случаях удаления твердотопливных шлаков из камеры сгорания тепловые потери q6 учитываются при расчете КПД отопительных котлов только в том случае, если они больше 2,5Q.

Как посчитать КПД твердотопливного котла

Даже при идеально продуманной компоновке и качественном топливе КПД отопительных котлов не может достигать 100%. Их работа обязательно связана с определенными потерями тепла, обусловленными как видом сжигаемого топлива, так и рядом внешних факторов и условий. Чтобы понять, как на практике выглядит расчет КПД твердотопливного котла, приведем пример.

Например, потери тепла от удаления шлака из топливной камеры составят:

q6=(Ashl×Zl×Ar)÷Qri,

где Ашл – отношение количества удаленного из топки шлака к объему загруженного топлива. При правильной эксплуатации котла доля остатков сгорания в виде золы составляет 5-20%, тогда эта величина может быть равна 80-95 %.

Зл: Термодинамический потенциал золы при температуре 600 ℃ в нормальных условиях составляет 133,8 ккал/кг.

Ap – зольность топлива, рассчитанная на общую массу топлива. В различных видах топлива зольность колеблется от 5% до 45 %.

Qri – минимальное количество тепловой энергии, которое вырабатывается в процессе сгорания топлива. В зависимости от вида топлива теплоемкость колеблется в пределах 2500-5400 ккал/кг.

В этом случае с учетом указанных значений потери тепла q6 составят 0,1-2,3 %.

Значение q5 будет зависеть от мощности и расчетной мощности котла отопления. Эксплуатация современных маломощных установок, которые часто используются для отопления частных домов, обычно связана с такими потерями тепла в пределах 2,5-3,5 %.

Потери тепла, связанные с механическим недожогом твердого топлива q4, во многом зависят от его вида, а также от конструктивных особенностей котла. Они варьируются от 3 до 11%. Это стоит учитывать, если вы ищете способ повысить эффективность работы вашего котла.

Химический недожог топлива в основном зависит от концентрации воздуха в топливной смеси. Такие потери тепла q3, как правило, равны 0,5-1 %.

Наибольший процент теплопотерь q2 связан с потерями тепла вместе с топливными газами. На этот показатель влияет качество и вид топлива, степень нагрева топливных газов, а также условия эксплуатации и конструкция отопительного котла. При оптимальном тепловом расчете 150 ℃ отработанные угарные газы следует нагревать до температуры 280 ℃. В этом случае эта величина тепловых потерь будет равна 9-22 %.

Суммируя все перечисленные значения потерь, получаем значение КПД ɳ=100-(9+0,5+3+2,5+0,1)=84,9 %.

Это означает, что современный котел может работать только на 85-90% своей мощности. Все остальное идет на обеспечение процесса горения.

Отметим, что добиться таких высоких значений непросто. Для этого нужно правильно подойти к подбору топлива и обеспечить оптимальные условия для техники. Производители обычно указывают, при какой нагрузке должен работать котел. При этом желательно, чтобы большую часть времени он был настроен на экономичный уровень нагрузок.

Для того чтобы эксплуатировать котел с максимальной эффективностью, его необходимо использовать в соответствии со следующими правилами:

• обязательна периодическая чистка котла;
• важно контролировать интенсивность горения и полноту сгорания топлива;
• необходимо рассчитывать тягу с учетом давления подаваемого воздуха;
• необходимо рассчитать долю золы.

На качество сжигания твердого топлива положительно влияет расчет оптимальной тяги с учетом давления воздуха, подаваемого в котел, и скорости эвакуации оксида углерода. Однако по мере увеличения давления воздуха в дымовую трубу вместе с продуктами сгорания поднимается больше тепла. Но слишком малое давление и ограничение доступа воздуха в топливную камеру приводит к снижению интенсивности горения и более сильному золообразованию.

Если у вас в доме установлен отопительный котел, обратите внимание на наши рекомендации по повышению его КПД. Вы сможете не только сэкономить топливо, но и добиться комфортного микроклимата в доме.