Как повысить кпд котла, способы повышения кпд котла, экономайзер, дополнительный теплообменник на трубу, расчет теплообменника, расчет экономайзера, кпд, химнедожег, мехнедожег

04.08.2018

Для начала предлагаю разобраться с таким понятием как КПД и факторами от которых он зависит. Итак КПД – коэффициент полезного действия, который выражается в процентах и является отношением полезного тепла, идущего в систему отопления, к затраченному теплу. Тому теплу, которое мы могли бы получить или получили в топке, сжигая топливо.
На КПД влияют в сторону уменьшения такие факторы как:

1. Потеря тепла с уходящими газами.

Замечу одна из самых больших потерь. Согласитесь. Выбрасывать в трубу неотобранное от газов тепло – высшая степень расточительства. И поэтому при проектировании котлов первоочередной задачей является отобрать это тепло по максимуму.

2. Потеря с химическим недожогом.

Мало сжечь в котле топливо, его нужно сжечь еще и правильно. В силу физики и химии процессов горения в топке котла получаются соединения, которые еще могли бы сгореть и отдать полезное тепло, однако для этого нужно определенные условия, которых в большинстве обычных тт котлов достичь не удается. Вот и вылетают эти горючие вещества в виде плотного дыма или сажи в дымоход. В некоторых случаях потери от химического недожога могут составлять 40-50 процентов. Как уменьшить эти потери мы рассмотрим уже в другой статье, а пока двинемся дальше.

3. Потеря с механическим недожогом.

Данный вид потерь связан с особенностью топлива. Если дрова уложенные на колосники сгорают без проблем, а просыпавшиеся в зольник тлеющие угли в конце концов сгорают или дотлевают там без особых сложностей, то с улем или торфом дело обстоит немного похуже. Уголь например, имея мелкую фракцию, так и не сгорев, может сразу просыпаться в зольник и в итоге оказаться в золоотвале. Торф, имея высокую зольность, может засыпать золой мелкие кусочки топлива которые в итоге тоже будут удалены из котла и выброшены. Но самое главное то, что при горении некоторых углей с высокой температурой зола начинает плавиться и как бы растекаться по кусочку угля и перекрывать доступ воздуха для горения. В итоге кусок угля покрывается коркой шлака и больше не горит. Случаи такие конечно редкие, но все же встречаются. Величина потерь с механическим недожогом невелика и как я уже писал присутствует не во всех котлах.

4. Потеря от излучения в окружающую среду.

В силу того, что в котле все-же идет реакция горения и в нем нагревается теплоноситель, корпус котла, дверки, патрубки и другие элементы будут иметь температуру выше, чем окружающий воздух. Соответственно котел будет отдавать тепло в котельную. Если котельная находится отдельно, то это конечно будет потеря, но в силу незначительности этой потери мы на ней подробно останавливаться не будем.

5. Потеря с теплом удаляемого шлака или золы.

Данная потеря актуальна для угольных энергетических котлов и для бытовых совсем неактуальна, поэтому рассматривать ее мы не будем, так как это уже будет «ловля блох».

Итак, как же повысить эффективность котла?
Конечно же установить дополнительный теплообменник (экономайзер) для снятия тепла с уходящих газов. Для этого нам понадобится узнать температуру этих самых газов на выходе из котла. Простейший способ – купить или отдолжить китайский мультиметр с встроенной термопарой и поместить ее кончик в середину дымовой трубы сразу на выходе из котла. Измерять температуру на поверхности будет совсем некорректно, так как из-за специфики гидравлики потока она может отличаться на пару сотен градусов.
После того, как мы определили температуру газов мы должны определить какую мощность нам удастся с них снять. Дело это не совсем простое ибо сложно определить состав газов и избыток воздуха в них, а тем более и массовый расход.
Поэтому поступим мы следующим образом.
1. Взвешиваем топливо.Например дрова.
2. Засекаем время, за которое наше топливо прогорелo.
3. Зная, что для сгорания 1 кг дров требуется порядка 4,7 кг воздуха принимаем, что со сгоревшим килограммом на выходе будет 5.7 кило газов.
4. Теплоемкость газов принимаем С=1,1 кдж/кг. То есть если охладить 1 кило газов на 1 градус, то можно получить 1,1 килоджоуля энергии.
Рассмотрим все эти расчеты на конкретном примере:
При сгорании 14,2 кило дров в течении 3, 5 часов на выходе из котла температура газов была 460 градусов. В час сгорало

14,2/3,5=4,05 кило дров.

При этом образовывалось:

G=4,05*5,7=23,08 кг дымовых газов.

Если мы хотим охладить газы с 460 до 140 градусов то за час мы снимем с них

Q=23,08*1,1*(460-140)=8124 килоджоуля тепла.

Дополнительная мощность получится

q=8124/3600=2,256 квт или 2256 Ватт.

Для того, чтоб посчитать необходимую площадь теплообменника и сварить все это нам необходимо вычислить температурный напор. Вычисляется он с помощью логарифмов. Для этого рисуется простейший график. Для упрощения расчетов просто примем, что вода в теплообменнике имеет температуру 75 градусов по всей длине. Тогда наибольшая разница температур между газами и водой будет

dTb=460-75=385 градусов

а наименьшая

dTb=140-75=65 градусов

Формула расчета температурного напора выглядит так:

dT=(dTb-dTm)/(Ln(dTb/dTm))

где Ln – натуральный логарифм.

Подставляем значения

dT=(385-65)/(Ln(385/65))=179,9 градусов

коэффициент теплопередачи от газов к воде обычно находится в пределах от 20 до 30 ватт/метр*градус. Мы примем этот коэффициент средним со значением k=25 ватт/метр*градус. Тогда площадь нашего экономайзера составит

F=Q/(K*dT)=2256/(25*179,9)=0,501 квадратных метров или 5010 квадратных сантиметров.

Для того, что бы не заузить дымоход и не нарушить тягу желательно сечение труб теплообменника делать суммарным сечением равным или большим чем сечением дымохода. Если например мы будем делать экономайзер из труб внутренним диаметром 50 мм, а дымоход имеет диаметр 160 мм то нам понадобится

(160*160)/(50*50)=10,24 труб или штук.

Нетрудно вычислить и длину труб.

L=5000/(3,14*11*5)=28,95 сантиметров или 290 миллиметров.

Как видим путем несложных расчетов нам удалось получить основные данные для изготовления экономайзера и существенного улучшения экономичности вашего котла. Если у вас появилось желание прекратить топить улицу и наконец повысить экономичность вашего котла, но вы испытываете затруднения с расчетами и изготовлением – пишите нам через форму обратной связи расположенной ниже и наша команда откликнется и поможет.

Если Вы задумали строительство загородного дома в том месте, где нет возможности подключиться к централизованному отоплению, перед Вами обязательно встанет вопрос выбора автономной отопительной системы. Довольно часто в таких случаях приходится довольствоваться установкой твёрдотопливного котла, использующего в своей работе энергию дров или угля. Современный рынок предлагает множество решений, производители обещают высокую теплоотдачу и КПД, а так же низкий расход топлива. Но стоит ли доверять обещаниям производителей? Данная статья поможет Вам разобраться в вопросе подбора мощности твердотопливных котлов и их КПД. Поможет выяснить нюансы работы твёрдотопливного котла и на сколько он эффективен.

Мощность твердотопливного котла системы отопления, а значит способность обогревать помещение – это конечно важный параметр, но не настолько, чтобы ставить его во главу угла. Нужно обратить внимание ещё и на то, сколько он потребляет топлива для этого. Соотношение данных затрат к количеству полезного тепла, выделенного котлом для обогрева дома называется коэффициентом полезного действия, или сокращённо КПД.

От чего зависит КПД твёрдотопливного котла (а соответственно и мощность)? В первую очередь от потерь полезного тепла, которое может происходить из-за недожога выделяемых при горении газов (благодаря чему кстати образуется сажа), качественных характеристик топлива и степени выброса в трубу энергии тепла. Об этих и других факторах, снижающих показатель КПД, будет рассказано далее.

Почему не стоит доверять рекламе

При просмотре рекламных объявлений, относящихся к мощности твёрдотопливных котлов, часто можно увидеть предложения, обещающие от 90% КПД и выше. Однако если Вы запросите какой-нибудь официальный протокол или акт, подтверждающий этот показатель – Вам его не смогут предоставить, и вот почему.

Чтобы составить подобный документ, необходимо провести испытания, используя для этого соответствующим образом стандартизованное топливо. В отношении угля или дров получить такое топливо нельзя – потому что они по своим характеристикам и составу являются самыми нестабильными в мире. Как можно получить постоянный показатель, используя непостоянные составляющие?

Нестабильность твёрдого топлива

Рассмотрим, в чём же заключается нестабильность угля или дерева в качестве топлива. Начнём с угля.

Различных марок угля, предлагаемого на рынке, бесчисленное множество. Каждая марка отличается по структуре, химическому составу и влажностью. Может состоять как из крупных кусков, так и из мельчайших частиц, и все они могут быть смешаны в разных пропорциях. Соответственно теплотворность угля каждый раз будет разная. Соответственно КПД и мощность твердотопливного угля также будет разной.

Если говорить о дровах – то здесь ситуация точно такая же. Поленья обладают разными размерами, хранятся при различной влажности воздуха, а значит способность выделять тепло у них будет различная. Так, например, если при влажности дров, равной 15%, их теплотворность будет равна примерно 4.3 кВт*ч на килограмм, то при 20% она уже будет меньше 4 кВт*ч на килограмм. При большей влажности этот показатель будет ещё ниже.

Естественно, что при таких разбросах гарантировать точные КПД и мощность твёрдотопливного котла, равный 90% — мягко говоря вводить в заблуждение.

Рассмотрим другие факторы, влияющие на показатель коэффициента полезного действия.

Неправильная подача воздуха

От того, сколько кислорода поступает в топку, сильно зависит работа пламени. Чтобы топливо нормально горело и отдавало максимальное количество тепла, ему необходимо строго определённое количество воздуха – не больше, не меньше. Если воздуха будет мало – углеводороды, выделяемые при горении, будут плохо окисляться, а значит будет меньше выделяться тепла. Если же воздуха поступает много, а он, как правило, поступает охлаждённый, снижается температура выделяемых газов и они не успевают сгореть (оседая опять же сажей на трубах) и выделить тем самым полезное тепло. Стоит заметить, что в воздухе содержится влага, на испарение которой так же тратится тепло (вместо того, чтобы обогревать дом).

Большинство твёрдотопливных котлов, предлагаемых на рынке, работают по следующему принципу. В них установлен термостат, который регулирует температуру воды, циркулирующую по отопительной системе дома для его обогрева. Если вода становится слишком горячей – термостат уменьшает подачу воздуха в котёл (так регулируется мощность твердотопливного котла). Получается, что в тот момент, когда топливо разгорелось и КПД с мощность твердотопливного котла стало максимальным, а значит пламя стало нуждаться в большем количестве кислорода – термостат искусственно снижает КПД, ограничивая подачу воздуха.

После того, как температура снизилась, термостат опять начинает подавать воздух. Но к тому моменту топливо уже догорает и ему не нужно столько кислорода. Эффективность обогрева опять снижается за счёт охлаждения выделяемых газов, о чём было сказано ранее.

Получается, что принцип действия большинства твёрдотопливных котлов абсолютно противоречит понятию высокого КПД.

Холодные стенки котла

Обычно вокруг твёрдотопливного котла смонтирована ёмкость с водой, которая, нагреваясь, циркулирует по дому. Наличие воды способствует охлаждению стенок котла. Это опять же приводит к тому, что топливо не может нормально гореть. Его остатки вылетают в трубу и оседают на ней в виде сажи, не принеся никакой пользы. Ситуация усугубляется довольно тесным пространством в топке, что так же снижает количество кислорода, и без того низкое.

Круглосуточная потеря тепловой энергии

Для поддержания нужной температуры в доме твёрдотопливный котёл должен работать 24 часа в сутки. Теперь представьте, сколько за это время полезного тепла вылетает в трубу в виде сажи и несгоревших газов? КПД при такой работе никак не может быть 90%.

Здесь стоит упомянуть ещё такой тип котла, как пиролизный. В добавок к вышеуказанным недостаткам в его случае добавляется ещё два:

Круглосуточно работающий вентилятор потребляет электроэнергию.
Благодаря тому же вентилятору в котёл поступает избыточный кислород – снижается температура газов, они не успевают сгорать и улетают в трубу.

Ускоренное движение газов по трубе становится причиной снижения ещё одного параметра – КПД теплообмена. Из за особой конструкции котла пламя в нём не успевает догореть и поднимается в теплообменник, где и затухает, оставляя попутно сажу и выбрасывая в трубу не сгоревшие газы.

Необходимость постоянно следить за работой котла

В заключение стоит сказать о том, что мощность твёрдотопливного котла необходимо контролировать круглосуточно 7 дней в неделю. Вы не сможете нормально отлучиться, куда-нибудь уехать и оставить котёл без присмотра. Фактически Вы становитесь его заложником на все месяцы отопительного сезона.

Стоит ли устанавливать такой котёл – решать конечно Вам. Но всё-таки есть смысл поискать вариант более эффективный, экономичный и не имеющий таких требований к эксплуатации.

Как увеличить КПД котла (коэффициент полезного действия)? Не важно какого: пеллетного котла, дизельного котла или газового... Не секрет, что все, кто купил в свое хозяйство отопительный котел, как правило свято верят в КПД котла, который указан в Руководстве по его эксплуатации, или в Инструкции к котлу. А там, как правило, стоит - 85%, 90%, 92% и даже 95%. Но мало кто знает, что в момент работы котла он крайне редко достигает КПД, указанного в документах производителя. Почему? Давайте разбираться.

КПД котла зависит от многих параметров:

соответствует ли вид топки топливу, которое в нем сжигается,
от технического состояния котла,
от нагрузкив которой котел эксплуатируется,
от организации процесса сжигания топлива в котле,
от качеста топлива,
и т.д. и т.п.

Надо знать, что баланс тепла, вырабатываемого отопительным котлом, складывается из следующих величин:

q1 + q2 + q3 + q4 + q5 = 100%, где

q1 - тепло, переданное теплоносителю (как правило, вода),
q2 - потери тепла с отходящими газами,
q3 - потери тепла от химической неполноты сгорания топлива (химический недожег),
q4 - потери тепла от механической неполноты сгорания (механический недожег),
q5 - потери в окружающую среду из-за рассеивания тепла.

А теперь самое интересное:

Потери тепла с отходящими газами (q2) тем больше, чем больше проходит через топку котла избыточного воздуха (воздуха, который не принимает участия в самом процессе сжигания топлива), а так же чем выше температура отходящих газов. Потери тепла с отходящими газами может достигать... 15-25%. Такие потери характерны в зимние месяцы, когда котел работает на максимуме. Как уменьшить эти потери- читайте в следующей статье.

Потери тепла от химического недожега (q3) тем больше, чем больше окиси углерода (угарного газа), имеющего высокую теплотворную способность, покидает котел через дымовую трубу, не сгорая в котле. Самое интересное то, что химический недожег это следствие недостаточного количества воздуха в камере сгорания котла. При неполном сгорании углерода, часть его образует окись углерода: 2С + О2= 2СО. При этом и происходит значительная (как я уже написал)потеря тепла. Потери КПД котла от химического недожега могут достигать 5-7%.

Потери тепла от механического недожега (q4) характерны главным образом для твердотопливных котлов. Они образуютс в следствии появления шлака в топке, который плавится и обволакивает несгоревшее топливо. Чем выше зольность топлива и чем меньше летучих веществ в своем составе оно имеет- тем больше его механический недожег. Вообще q4 может достигать 1-3%.

Потери тепла в окружающую среду из-за рассеивания тепла (q5) - это потери, которе происходят через стенки котла, через его внешнюю облицовку. Они могут достигать 1-2%.

Так каков же реальный КПД котла ?

Таким образом, если в Паспорте вашего котла указан КПД 90%. То нужно понимать, что это КПД, которого можно добиться, если котел работает в номинальном режиме, и в нем сжигается неплохое топливо с низкой зольностью. Если же учесть другие факторы, с которыми сталкивается владелец котла при его эксплуатации, то реальный КПД котла может снижаться до 65- 70% (!!!)

Как максимально приблизиться к номинальному КПД?

Есть небольшие хитрости, которые нужно знать и про которые будем говорить в следующей статье, которая не заставит себя долго ждать.

Теплопотери- как правильно выбрать мощность котла
Fuzzy logic и лямбда-зонд пеллетного котла Kostrzewa
Особенность эксплуатации пеллетного котла Kostrzewa

Максимально исключить механический недожег топлива, а для этого:

Покупайте топливо с низкой зольностью. Если Вы топитесь пеллетами, то зольность должна быть не выше 0,7%. Если углем - как можно менее зольной уголь. Пусть оно будет дороже. Пусть оно будет дороже в 2 раза, чем топливо с высокой зольностью. Не ведитесь на цену! Сэкономив на топливе- Вы переплатите на ремонтах и низком КПД котла .

Вот такие простые и одновременно сложные для выполнения советы, выполнив которые Вы существенно увеличите КПД своего котла. Сделайте хоть какие из них (а лучше все) и Вы удивитесь на сколько меньше денег Вы будете тратить как на ремонт своего котла, так и на отопление своего дома.