ОСНОВИ ЗГОРАННЯ ТА ВТРАТИ ТЕПЛА

ПРОЦЕСИ СГОРАННЯ, основні виробники енергії нашої цивілізації в минулому, є такими і сьогодні і завжди будуть у найближчому майбутньому. З огляду на те, що викопне паливо спалюється з постійно зростаючою швидкістю, важливо правильно керувати цими процесами, щоб зберегти довкілля та забезпечити життєздатність нашої цивілізації.

Ті самі принципи горіння застосовуються до котлів, обігрівачів та інших форм промислового згоряння, таких як каміни та камери згоряння. В цьому контексті, термін "котел", як цитується в цьому документі, є взаємозамінним з терміном "нагрівач" (якщо не вказано інше).

Традиційні види палива в основному складаються з двох елементів: вуглецю та водню. Під час згоряння вони поєднуються з киснем, виробляючи тепло, і теплотворна здатність походить від вмісту вуглецю та водню. Невикопне паливо, як біомаса та спирт, також містять кисень у своїх молекулярних структурах.

В ідеалі згоряння руйнує молекулярну структуру палива: вуглець окислюється до вуглекислого газу (CO2), а водень - до водяної пари (H2O). Однак незавершений процес створює небажані та небезпечні продукти. Для забезпечення повного згоряння навіть сучасне обладнання з багатьма функціями повинно працювати з надлишком повітря. Іншими словами, для досягнення повного згоряння через пальник необхідно пропустити більше повітря (що має близько 21 відсотка об’ємного кисню), ніж це хімічно необхідно. Цей надлишок повітря прискорює повітряно-паливну суміш.

З одного боку, під час цього процесу певно, що майже все паливо отримує кисень, необхідний для спалення, перш ніж воно охолоне до температур нижче рівня згоряння внаслідок контакту з поверхнями. Це також запобігає вибуху залишків горіння всередині котла.

З іншого боку, надлишкове повітря витрачає енергію, поширюючи тепло через димохід. Існує тонка різниця між енергоефективністю та безпекою, коли йдеться про подачу якомога менше повітря до пальника. Таким чином, власники котлів та оператори хочуть знати, чи вигідна їх діяльність. Завданням є підвищення енергоефективності котлів, корисно було б вивчити причини теплових втрат при роботі котла.

ВТЕРТА ТЕПЛА котла добре описані Американським товариством інженерів-механіків (ASME) у своєму суворому коді випробування потужності PTC4.1 (1973). Цей код застосовується до будь-якої категорії використовуваного палива, але більшість систем опалення в Канаді працюють на природному газі або нафті, і багато втрат, перелічених у кодексі, не застосовуються. Інші системи досить малі, щоб їх втрати підпадали під категорію "не врахована", для якої можна лише прийняти вартість. За допомогою цього рівняння застосовується спрощений метод кількісної оцінки ефективності роботи котла:

% ККД (E) = (вихід ÷ вхід) X 100, де: вихід = вхід - втрати

% ефективності (E) = 100 - втрати, де втрати можуть бути розраховані відповідно до коду випробування потужності ASME

Оскільки цей код використовує імперські вимірювання, необхідно перевести температуру в градуси Фаренгейта (ºF), а теплові одиниці - в Btu за фунт. Це перетворення можна здійснити за наступною формулою перетворення:

ºF = (1,8 3 ºC) + 32
Btu/lb = 0,4299 3 кДж/кг

Наступні чотири основні категорії тепловтрат стосуються систем опалення, що працюють на природному газі або мазуті.

Втрата димових газів (PGC)

Тепло втрачається в «сухих» продуктах згоряння, які лише поширюють відчутне тепло, оскільки не відбулося зміни стану. Ці продукти - вуглекислий газ (CO2), оксид вуглецю (CO), кисень (O2), азот (N2) та діоксид сірки (SO2). Загалом SO2 і CO містяться лише в концентраціях, що відповідають частинам на мільйон, що не може бути враховано з точки зору теплових втрат. Розрахуйте втрати димових газів (PGC) за такою формулою:

PGC = [24 X GS X (TGC - TAC)] ÷ ПК, де:

GS (сухий газ) (фунт/фунт комб.) = (11 CO2 + 8 O2 + 7 N2)
X (C + 0,375 S) ÷ 3 CO2
TGC = температура димових газів, ºF
TAC = Температура повітря для горіння, ºF
PCS = Вища теплотворна здатність, Btu/lb
CO2 і O2 = об'ємний відсоток димових газів
N2 = 100 - CO2 - O2
C і S = частка маси при аналізі палива

Мінімізація надлишку повітря зменшує втрати димових газів.

Втрата вологи при згорянні водню (PH)

Водень, що міститься в паливі, залишає котел у вигляді водяної пари, захоплюючи ентальпію або загальне тепло, що відповідає його температурі та умовам тиску. Тиск пари дуже низький, але температура його димоходу висока, і більша частина його ентальпії знаходиться в спеці випаровування. Значимість втрат становить близько 11%. 100, у випадку природного газу, і 7%. 100, у випадку мазуту. Розрахуйте збиток (РН) наступним чином:

PH (%) = [900 x H2 x (hg - hf)] ÷ PCS, де:

H2 = частка ваги водню в аналізі палива
hg = 1055 + (0,467 x TGC), Btu/фунт
hf = TAC - 32, Btu/фунт

Де hg - ентальпія водяної пари при 1 фунт/кв. Дюйм (манометричний тиск у фунтах на квадратний дюйм) при температурі димових газів, а де hf - ентальпія води при температурі повітря окислювач.

Тільки конденсаційний теплообмінник значно зменшить ці втрати.

Втрати тепла випромінюванням або конвекцією (PR)

Ці втрати походять від зовнішніх поверхонь працюючого котла. Втрати постійні для будь-якого котла, що використовується при робочій температурі. Виражаючись у відсотках від теплової ефективності котла, втрати зростають із зменшенням ефективності. Таким чином, робота котла при повному навантаженні зменшує відсоток втрат. Оскільки площа котла пов'язана з його масою, відносні втрати великого котла менше, ніж втрати меншого котла.

Замість того, щоб робити складні розрахунки, визначайте радіаційні та конвекційні втрати, використовуючи стандартну таблицю, надану Американською асоціацією виробників котлів (ABMA).

Невизнані збитки (PNC)

З вищезазначених причин використовуйте припустиме значення збитків 0,1 відсотка. 100 для котлів, що працюють на природному газі, і 0,2%. 100 для мазутних котлів.

Потім розрахуйте ефективність наступним чином:

Ефективність (E)% = 100 - PGC - PH - PR - PNC, де:

PGC = Втрата димових газів
PH = Втрати, спричинені вологою від згоряння водню
PR = Втрати тепла випромінюванням або конвекцією
PNC = невизнані збитки

Почніть будь-яку програму енергоменеджменту для системи опалення, оцінивши її поточний рівень ефективності. Потім періодично спостерігайте за його ефективністю, щоб оцінити ефект від вжитих заходів для економії енергії та встановити цілі вдосконалення.

Найпростіший спосіб розрахувати ефективність паливо-пари - це метод прямого розрахунку (див. таблицю 1), використовуючи дані про вироблення пари та споживання палива з робочих журналів. Однак цей метод може бути не таким точним, як непрямий, через помилки у вимірюванні витрати палива та витрати пари.

Таблиця 1. Прямий метод розрахунку ККД системи опалення

1. Виміряйте витрату пари на кг (або фунт) протягом певного періоду часу, наприклад, однієї години. Якщо можливо, використовуйте показання парового інтегратора та відкоригуйте тиск на виході або використовуйте інтегратор живильної води, який у більшості випадків не потребує корекції тиску.
   
2. Виміряйте витрату палива протягом того самого періоду. Використовуйте інтегратор газу або мазуту або визначте масу використаного твердого палива.
   
3. Перетворіть потік пари, живильної води та палива в однакові енергетичні одиниці, наприклад Btu/lb або kJ/kg.
   
4. Обчисліть ефективність, використовуючи таке рівняння: ККД = 100 х (енергія пари 2 енергія живильної води) ÷ 4 енергія палива

---