1
Wielkości opisujące kocioł (1)
• moc kotła (wydajność cieplna) – ilość ciepła oddawana
użytecznie czynnikowi grzewczemu w jednostce czasu
• moc znamionowa kotła – moc kotła podawana przez
wytwórcę, uzyskiwana trwale przy spalaniu paliwa w
warunkach ustalonych, określana jest dla projektowej
temperatury wody na wypływie z kotła (zasilanie) i
dopływie do kotła (powrót) oraz znamionowego strumienia
przepływającej wody
• kotły grzewcze niskotemperaturowe (orientacyjne moce
znamionowe):
– kotły żeliwne, w zakresie mocy 12 - 2000 kW,
– kotły stalowe płomienicowo-płomieniówkowe 15 – 20 000 kW
– kotły wiszące kompaktowe jedno- i dwufunkcyjne (potrzeby c.o. i
przygotowania c.w.u.), z wymiennikami z żeliwa, stali nierdzewnej i
stopów lekkich, w zakresie mocy do 100 kW
2
Wielkości opisujące kocioł (2)
• obciążenie kotła - stosunek uzyskiwanej mocy do mocy
znamionowej kotła podawany w procentach mocy
znamionowej
• obciążenie częściowe kotła - obciążenie kotła mniejsze od
100% mocy znamionowej.
• przeciążenie kotła - obciążenie kotła większe od 100%
mocy znamionowej
• obciążenie ekonomiczne – przy którym kocioł osiąga
najwyższą sprawność
3
Wielkości opisujące kocioł (3)
• powierzchnia ogrzewalna kotła - suma tych
powierzchni kotła, które z jednej strony stykają się z
czynnikiem grzewczym, a z drugiej strony z
ośrodkiem przekazującym ciepło (gazy spalinowe)
lub podlegają działaniu promieniowania cieplnego;
powierzchnię ogrzewalną liczy się po stronie
ośrodka przekazującego ciepło.
– obciążenie cieplne powierzchni ogrzewalnej kotła -
ilość ciepła przejmowanego przez jednostkę powierzchni
ogrzewalnej w jednostce czasu
– obciążenie cieplne komory spalania kotła - ilość ciepła
przejmowanego przez jednostkę objętości ogrzewalnej w
jednostce czasu
4
Wielkości opisujące kocioł (4)
• ciśnienie robocze (ciśnienie dopuszczone) - wynika z rozwiązań
konstrukcyjnych kotłów i zastosowanego materiału. Jest
parametrem decydującym o wykorzystaniu kotła w określonej
konfiguracji hydraulicznej instalacji grzewczej
– kotły żeliwne niskotemperaturowe ok. 400 - 600 kPa
– kotły stalowe niskotemperaturowe, płomienicowo-płomieniówkowe o mocy
60 - 2000 kW, ok. 0,5 - 0,6 MPa
– kotły stalowe niskotemperaturowe dużych mocy do 1,6 MPa
– kotły wysokotemperaturowe na temp. wody poniżej 230
o
C - do 3,0 MPa
• temperatura zasilania i temperatura powrotu
– kotły tradycyjne (stałotemperaturowe) pracują przy wyższych temp., np.
90/70
o
C
– kotły o obniżonych parametrach pracują przy temp. niższych, np. 70/50
o
C,
przy czym wysokość temp. wody w kotle zmienia się w zależności od potrzeb
– kotły kondensacyjne są przeznaczone do pracy wodą o temp. poniżej temp.
punktu rosy, np. 40/30
o
C, a temp. wody w kotle jest zmienna
5
Wielkości opisujące kocioł (5)
•
znamionowa sprawność brutto, w kotłach gazowych przy dobrym
wyregulowaniu palnika występują tylko dwie straty:
–
strata wylotowa (S
w)
związana z temperaturą spalin oraz strata ciepła do
otoczenia (przez izolację korpusu kotła)
– strata ciepła do otoczenia (S
ot)
zawiera się pomiędzy 0,2% (kotły o dużej
mocy cieplnej) a 1,5% (małe kotły). Sprawność kotła wodnego:
•
sprawność optymalna kotła - największa sprawność cieplna
uzyskiwana w obszarze technicznie i ekonomicznie uzasadnionej mocy
kotła
•
sprawność maksymalna kotła - największa sprawność cieplna
uzyskiwana w całym obszarze pracy kotła
ot
w
S
S
%
100
i
d
H
B
Q
η
%
100
i
u
H
B
Q
η
6
Wielkości opisujące kocioł (6)
• sprawność kotła netto określa się uwzględniając moc
konieczną do napędu wentylatora powietrza do spalania.
Sprawność kotła netto powinna być uwzględniana w analizie
ekonomicznej, podobnie jak sprawność średnioroczna
• średnioroczna sprawność użytkowa – decyduje o
ekonomii eksploatacji systemu grzewczego, odniesiona jest
do całego okresu eksploatacji systemu uwzględniająca stratę
postojową kotła oraz ilość godzin eksploatacji palnika w
sezonie (strata postojowa kotła jest związana z oddawaniem
ciepła w czasie wyłączenie palnika i nagrzewaniem kotła po
ponownym uruchomieniu palnika).
7
Sprawność energetyczna urządzeń kotłowych (1)
•
Do oceny jakości pracy kotła w warunkach eksploatacyjnych
wykorzystuje się równanie bilansu strumienia ciepła:
Q
o
= Q
u
+ S B·H
i
= m(h
z
– h
p
) + S
Q
o
– strumień ciepła doprowadzonego z paliwem
Q
u
– użyteczna moc cieplna kotła (strumień ciepła użytecznego)
B – strumień masy paliwa
H
i
– wartość opałowa paliwa
m – strumień masy nośnika ciepła wypływającego z kotła
h
z
– entalpia właściwa nośnika ciepła wypływającego z kotła
h
p
– entalpia właściwa nośnika zasilającego kocioł
S – suma strat mocy cieplej
8
Sprawność energetyczna urządzeń kotłowych (2)
•
Równanie bilansu strumienia ciepła w kotłach wodnych:
B·H
i
= mc
w
(t
z
– t
p
) + S
c
w
– średnie ciepło właściwe w przedziale temperatury t
z
i t
p
t
z
i t
p
– odpowiednio temperatura wody wypływającej i powracającej do
kotła
B – strumień masy paliwa
H
i
– wartość opałowa paliwa
m – strumień masy nośnika ciepła wypływającego z kotła
S – suma strat mocy cieplej
9
Sprawność energetyczna urządzeń kotłowych (3)
•
Miarą skuteczności działania urządzenia energetycznego jest
sprawność
•
Można ją wyznaczyć znając strumień energii doprowadzonej do kotła i
strumień ciepła użytecznego:
= Q
u
/Q
o
m(h
z
– h
p
)/B·H
i
mc
w
(t
z
– t
p
)/ B·H
i
•
Lub też znając strumień energii doprowadzonej do kotła i straty mocy
cieplnej
= (Q
o
- S) /Q
o
10
Sprawność energetyczna urządzeń kotłowych (4)
Podział strat w zależności od miejsca i sposobu powstawania
• Straty paleniska
– popielnikowa, przesypu, wskutek niezupełnego spalania, w żużlu,
w koksiku lotnym i sadzy, wskutek promieniowania i konwekcji
(straty rozproszenia)
• Straty w kanałach spalinowych
– wskutek promieniowania i konwekcji (straty rozproszenia)
– wskutek zasysania powietrza (tzw. fałszywego)
• Straty odlotowe
– kominowa
• Straty kotła właściwego
– odmulania
– odsalania (w kotłach parowych)
– na skutek nieszczelności obmurza kotła (zaliczana do kominowej)
11
Sprawność energetyczna urządzeń kotłowych (5)
•
W praktyce przy bilansowaniu kotła podział strat jest upraszczany.
Wynika to z warunków pomiarowych oraz z niemożności określenia
oddzielnie pewnych grup strat. Często do badań przyjmuje się podział
strat następujący:
– popielnikowa,
– przesypu,
– wskutek niezupełnego spalania,
– w żużlu,
– w koksiku lotnym i sadzy,
– kominowa,
– odsalania i odmulania,
– pozostałe (wskutek promieniowania i konwekcji, nieszczelności
rurociągów w obrębie kotłowni, dosysania powietrza
„fałszywego”)
12
Sprawność energetyczna urządzeń kotłowych (6)
• Strata popielnikowa
– powstaje wskutek usuwania poza obręb komory paleniskowej (do
popielnika) nie spalonych części paliwa
– przyczyny: nazbyt krótkie przebywanie paliwa na ruszcie lub też
odcięcie dopływu powietrza do cząstek palnych wskutek otoczenia
ich żużlem
• Strata przesypu
– występuje w paleniskach rusztowych wskutek wypadania cząstek
paliwa przez szczeliny rusztowe poza komorę paleniskową
• Niezupełnego spalania
– wskutek spalania węgla C do CO, a nie do CO
2
– przyczyny: niedobór powietrza do spalania, złe wymieszanie
paliwa z powietrzem
13
Sprawność energetyczna urządzeń kotłowych (7)
• Strata w żużlu
– jest wynikiem usuwania, poza obręb kotła, żużla o temperaturze
wyższej od temperatury otoczenia; o wielkości tej straty decyduje
pojemność cieplna masy żużla
• Strata w koksiku lotnym i sadzy
– jest wynikiem unoszenia przez spaliny nie spalonych cząstek
paliwa w postaci tzw. koksiku lotnego (odgazowane drobiny
węgla) oraz sadzy (produktów rozpadu i niewłaściwego spalania
węglowodorów)
• Kominowa
– powstaje wskutek uchodzenia do atmosfery gazów spalinowych,
cieplejszych od temperatury otoczenia
– ta strata jest konieczna, gdyż jest to najlepszy sposób usunięcia
spalin na zewnątrz
14
Sprawność energetyczna urządzeń kotłowych (8)
• Strata odsalania i odmulania
– strata odsalania występuje w kotłach parowych, gdzie odprowadza
się z kotła nadmiar zasolonej wody (w temperaturze wrzenia), by
utrzymać wymagane stężenie soli w wodzie kotłowej
– odmulanie kotłów (średnich i dużych mocy) odbywa się okresowo
i polega na usuwaniu osadów wytrąconych z wody kotłowej; osady
znajdują się zwykle w najniższej części kotła i używa się w tym
celu zaworów spustowych
• Pozostałe straty, czyli straty rozproszenia
– ze względu na trudności wykonania pomiaru nie są mierzone
bezpośrednio, stanowią uzupełnienie bilansu kotła
– wraz ze wzrostem mocy kotła rośnie ich wartość bezwzględna, ale
maleje ich udział w sumie strat
Straty: popielnikowa, przesypu oraz w koksiku lotnym i
sadzy stanowią tzw. stratę niecałkowitego spalania
15
Sprawność energetyczna urządzeń kotłowych (9)
Przykładowy bilans energetyczny kotła WR-25
Parametr kotła
Jedn.
Pomiar nr 1
Pomiar nr 2
Moc użytkowa kotła
kW
27 060,8
20 267,1
Strata kominowa kotła
kW/%
3 691,9
11,0
3 682,1
14,5
Strata do otoczenia
kW/%
671,2
2,0
509,1
2,0
Strata niecałkowitego spalania
kW/%
2 062,6
6,1
991,7
3,9
Strata niezupełnego spalania
kW/%
74,2
0,2
4,8
0,0
Sprawność kotła
%
80,6
79,6
Współczynnik lambda
-
1,47
1,82
16
Wymagania stawiane kotłom (1)
Minimalna temperatura wody powracającej do kotła
• związana jest z wykraplaniem się pary wodnej ze spalin (tzw.
roszeniem kotła),
• zapewnienie t
p min
dotyczy kotłów tradycyjnych i kotłów o
obniżonych parametrach, które nie mają budowy
zabezpieczającej przed wykraplaniem się pary wodnej,
• wartość t
p min
powinna być podana przez producenta urządzenia,
• dotrzymanie warunku może być realizowana poprzez:
– domieszanie strumienia gorącej wody z kotła do przewodu
powrotnego (za pomocą pompy mieszającej, trójdrogowego lub
czterodrogowego zaworu mieszającego),
– wykorzystanie sprzęgieł hydraulicznych.
17
Wymagania stawiane kotłom (2)
Minimalna temperatury wody w kotle
• również związane jest z zabezpieczeniem kotła przed
wykraplaniem się pary wodnej ze spalin,
• konieczność dotrzymania tego warunku zachodzi zwykle w
momencie rozruchu kotła, gdy instalacja c.o. jest schłodzona
(np. po przerwie nocnej lub weekendowej),
• realizowane jest to poprzez ograniczenie przepływu przez
kocioł, wody powracającej z instalacji, co powoduje szybsze
nagrzewanie powierzchni wymiany ciepła w kotle,
• stosuje się:
– przelotowe zawory regulacyjne, zmniejszające strumień wody
kotłowej,
– pompy kotłowe o kilku stopniach regulacji,
– wyłączanie poszczególnych obiegów grzewczych (zatrzymanie
pomp lub odcięcie za pomocą trójdrogowych zaworów
mieszających).
18
Wymagania stawiane kotłom (3)
Maksymalny strumień wody płynącej przez kocioł
• za duży strumień wody:
– powoduje znaczny wzrost oporów przepływu przez kocioł, co
pociąga za sobą gorsze chłodzenie powierzchni ogrzewalnych
kotła,
– zwiększa hałas przy przepływie wody,
– powoduje erozję przewodów hydraulicznych wewnątrz kotła i w
armaturze.
• przy braku wymagań w danych technicznych kotła, można
wyznaczyć z następującej zależności:
Δt
ρ
c
Q
3600
V
p
k
max
[m
3
/h]
19
Wymagania stawiane kotłom (4)
Minimalny strumień wody płynącej przez kocioł
• za mały strumień powoduje, że:
– w bardzo krótkim czasie osiągana jest wymagana temperatura wody
w kotle i czujnik temperatury wyłącza kocioł (palnik) przed
osiągnięciem przez kocioł wymaganej mocy cieplnej,
– w kotle mogą powstawać miejscowe przegrzania i korki parowe, a
czujnik temperatury wody w kotle oraz ogranicznik temperatury
mogą tego nie zarejestrować.
• nie powinien być mniejszy niż 2530% strumienia nominalnego:
• Warunek zapewnienia minimalnego i maksymalnego
strumienia wody płynącej przez kocioł dotyczy zwykle
kotłów o małej pojemności wodnej.
/h]
[m
Δt
ρ
c
Q
3600
0,3)
(0,25
V
3
nom
p
k
min