Одним из показателей экономичности является коэффициент полезного действия, который представляет собой отношение количества полезно использованной теплоты к количеству теплоты, подведенной к котлу. Это интегральный показатель, так как характеризует соотношение полезного эффекта и затрат на его получение с учетом всех тепловых потерь во время функционирования котла.
Наиболее полное представление об экономических показателях работы судового котла дает тепловой баланс, который показывает, сколько теплоты поступает в котел, какая часть ее используется полезно (на производство пара), а какая теряется. Тепловой баланс – это приложение закона сохранения энергии к анализу рабочего процесса котла. При анализе рабочего процесса котла на стационарном режиме его работы тепловой баланс составляется на основании результатов теплотехнических испытаний.
В общем виде уравнение теплового баланса имеет вид:
Qпод = Q1 + +Qпот, i (1),
где Qпод – количество теплоты, подведенной к паровому котлу, Кдж/кг; Q1 – полезно использованная теплота, кДж/кг; Qпот – тепловые потери, кДж/кг.
В нормативной методе расчета учитывается вся теплота, подводимая в топку с 1 кг топлива:
Qпод = Q р = Qрн + Qт + Qв + Qпр (2),
где Qпод – количество теплоты, подведенной к паровому котлу, Кдж/кг; Qрн — низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, кДж/кг; Qт, Qв, Qпр – количество теплоты, вносимое соответственно с топливом, воздухом и паром, который подводится для распыления топлива, кДж/кг.
Физическая теплота топлива определяется следующим образом:
Qт = ст tт (3),
где ст – теплоемкость топлива при температуре его подогрева tт, кДж/(кг*К).
Величина Qв учитывает лишь ту теплоту, которая получена воздухом вне котла, например, в паровом воздухоподогревателе. При обычной компоновке котла с газовым подогревом воздуха она равна количеству теплоты, вносимой в топку с холодным воздухом, т.е.:
Qв = Qхв =αV0cхвtхв = αIхв (4),
где α – коэффициент избытка воздуха; cхв – теплоемкость холодного воздуха при температуре tхв, Iхв – энтальпия теоретического количества воздуха V0, кДж/кг.
Количество теплоты, подводимой в топку с паром для распыления мазутов:
–i//) (5),
где — расход пара на распыление Вк топлива, кг/ч, , i// — энтальпия пара на распыление топлива и сухого насыщенного пара в уходящих газах, кДж/кг. Величина i// может приниматься равной 2500 кДж/кг, что соответствует парциальному давлению паров воды в уходящих газах РН2О ≈ 0,01МПа.
Для судовых котлов определяющей величиной в уравнении (2) является Qрн, так как сумма остальных слагаемых не превышает 1% от Q р. В связи с этим при составлении теплового баланса судовых котлов обычно принимают при подогреве дымовыми газами Qпод = Qрн, а при подогреве паром Qпод = Qрн + Q в.
Обычно тепловой баланс выражают в относительных единицах (долях единицы или в %), разделив правую часть уравнения (1) на Qрн, с учетом того, что Qпод = Qрн, т.е.:
100 = ηк + qi (6).
Коэффициент полезного действия котла, %:
ηк = (7).
Тепловые потери, %: qi = (8).
Существует два основных метода теплотехнических испытаний. В первом случае определяют количество использованной в котле теплоты Q1 (уравнение прямого теплового баланса), во втором – тепловые потери (уравнение обратного теплового баланса).
Для вспомогательных котлов, генерирующих насыщенный пар, формула расчета КПД имеет вид:
ηк = (9),
где — полная паропроизводительность котла, кг/с; – энтальпия влажного насыщенного пара, кДж/кг;- энтальпия питательной воды, кДж/кг; В – расход топлива при нормальной нагрузке котла, кг/с.
Метод определения КПД по прямому балансу требует создания сложной измерительной схемы. В эксплуатационных условиях проще определять потери теплоты qi по результатам измерений параметров процессов, протекающих в воздушно-газовом тракте котла. В этом случае КПД определяют по уравнению (6), т.е. методом обратного баланса.
В судовых котлах обычно учитывают тепловые потери с уходящими дымовыми газами q2, от химической q3 и механической q4 неполноты сгорания топлива и в окружающую среду q5. КПД по обратному балансу:
ηк= 100 – (q2 + q3 + q4 + q5 ) (10).
Тепловые потери q2 снижают благодаря применению экономайзера и воздухоподогревателя (хвостовые поверхности нагрева). Также совершенствованием топочных устройств достигается уменьшение коэффициента избытка воздуха. Однако снижение потери q2 ограничивается нижним пределом уходящих газов.
Основными факторами, определяющими потери теплоты от химической неполноты горения, являются сорт топлива, совершенство топочного устройства и качество его обслуживания. Потеря q3 возрастает при уменьшении коэффициента избытка воздуха при низкой температуре и недостаточном объеме топки. При рациональной компоновке котла и правильном его обслуживании эта потеря может быть сведена к весьма малому значению, которое при мазутном отоплении редко превышает 0,5%.
Потерю теплоты от механической неполноты горения q4 обычно учитывают для котлов с угольным отоплением. Для агрегатов с мазутным отоплением потеря q4 возможна при неправильном обслуживании, работе с чрезмерным избытком или недостатком воздуха и низком качестве распыления мазута. В этих случаях потеря q4 появляется вследствие сажеобразования и коксования мазута.
Потеря теплоты в окружающую среду через наружные поверхности q5 определяется размерами котла, качеством изоляции, компоновкой воздушных каналов и обшивки. При достаточной теплоизоляции и хорошем ее состоянии потеря q5 зависит от режима работы. Вспомогательные котлы обычно характеризуются большими потерями: q5 =1,5÷2,5% и более. При снижении нагрузки (расходу топлива) потеря q5 возрастает, т.к. количество теплоты, теряемое через наружные поверхности агрегата за единицу времени, остается практически постоянным при изменении в известных пределах (25-140 % от нормальной его нагрузки).
Тепловые потери в окружающую среду в условиях эксплуатации могут увеличиваться вследствие пропусков воды и пара арматурой. Увлажнение изоляции совершенно недопустимо, так как это вызывает ее разрушение и увеличивает тепловую потерю q5. 32