Sprawność cieplna kotła

Sprawność cieplna kotła

Sprawność cieplna kotła
Małej mocy kotły zasilane paliwem stałym renomowanych producentów osiągają sprawności 80%- 90%. Podczas procesu wymiany energii chemicznej która znajduje się w paliwie na ciepło przekazane wodzie powstają straty:
Strata niecałkowitego spalania – strata ciepła w wyniku niedopalenia stałych substancji palnych w popiele.
Strata niezupełnego spalania – strata ciepła w wyniku niedopalenia gazowych składników palnych w spalinach.
Strata przez promieniowanie, konwekcję i przewodzenie, wynikająca z przyjętych rozwiązań w zakresie izolacji cieplnej kotła.

W tabeli poniżej przedstawiono przykładowe wyniki nominalnej sprawności cieplnej kotła i wielkości poszczególnych rodzajów strat wraz z charakterystycznymi parametrami technologicznymi (wyniki pochodzą z archiwum Laboratorium Spalania Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu).

Parametr

Jedn.

1

2

3

Sprawność cieplna kotła (nominalna)

%

86,9

83,5

83,4

Strata kominowa

%

11,1

13,5

13,0

Temperatura spalin wylotowych

oC

187

172

195

Zawartość tlenu w spalinach

%

9,0

12,1

10,2

Współczynnik nadmiaru powietrza

1,7

2,3

1,9

Strata niecałkowitego spalania

%

0,9

1,5

2,0

Zawartość części palnych w popiele

%

13,5

13,9

20,2

Strata niezupełnego spalania

%

0,1

0,3

0,4

Zawartość tlenku węgla w spalinach

mg/m3

247

535

707

Zawartość substancji organicznych w spalinach

mg/m3

54

24

59

Strata przez promieniowanie, konwekcję i przewodzenie

%

1,0

1,2

1,2

Strata kominkowa przynosi zdecydowanie najwięcej strat w zakresie 10-14%, zależy ona od temperatury spalin oraz współczynnika nadmiaru powietrza. Podczas złęj eksploatacji kotła ( np. wytwarzania nadmiernej ilości spalin wylotowych w wyniku nadmiernej ilości powietrza lub zbyt wysokiej temperatury spalin wylotowych w wyniku nadmiernej wydajności paleniska w stosunku do wydajności cieplnej wymiennika ciepłą). Strata kominkowa może przekraczać nawet 20%

Parametr

Jedn.

1

2

3

Strata kominowa

%

16,9

20,1

20,6

Temperatura spalin wylotowych

oC

247

269

179

Zawartość tlenu w spalinach

%

10,1

10,8

15,6

Współczynnik nadmiaru powietrza

1,9

2,0

3,8


Strata niecałkowitego spalania przyjmuje najczęściej wartości w zakresie 1-3%, w zależności od zawartości części palnych w popiele i zawartości popiołu w paliwie. W przypadkach nieprawidłowej eksploatacji kotła (niewłaściwe proporcje powietrza do paliwa) może jednak kilkakrotnie przekraczać te wartości (patrz: przykłady poniżej).
Parametr

Parametr

Jedn.

1

2

3

Strata niecałkowitego spalania

%

5,9

6,6

8,5

Zawartość części palnych w popiele

%

37,8

39,5

68,4


Strata niezupełnego spalania w przypadku kotłów najwyższej jakości jest niewielka – nie przekracza 0,5%. Może wzrosnąć do kilku procent przypadkach nieprawidłowej eksploatacji kotła (patrz: przykłady poniżej).
Parametr

Parametr

Jedn.

1

2

3

Strata niezupełnego spalania

%

1,0

1,4

2,6

Zawartość tlenku węgla w spalinach

mg/m3

1374

2837

4963

Zawartość substancji organicznych w spalinach

mg/m3

58

69

155

Strata przez promieniowanie, konwekcję i przewodzenie przyjmuje najczęściej wartości w zakresie 1-1,5%, w zależności od jakości izolacji cieplnej kotła.

W kotle wodnym powstaje proces wymiany energii zawartej w paliwie na ciepło przekazane wodzie ( czynnikowi pośredniczącemu przesyłającemu ciepło do ogrzewanych budynków). Ten proces przynosi straty ciepła.
Do procesu jakim jest spalanie niezbędny jest tlen którego jest 21% w powietrzu a pozostałe 79% nie bierze udziału w procesie spalania i jest zarazem pierwszym źródłem strat ciepła wytwarzane go w kotle. Do całkowitego spalenia węgla potrzebne jest powietrze w nadmiarze w stosunku do ilość stechiometrycznej wynikającego z równania reakcji chemicznej spalania C+O2=CO2..
Współczynnik nadmiaru powietrza dla kotłów o malej mocy wynosi λ=2, czyli do spalenia paliwa potrzebujemy dwa razy więcej powietrza niż jest to ustalone teoretycznie. Sam proces spalania to kolejny powód straty energii, czego powodem są pozostawione niestrawione resztki w postaci popiołu i spalin wylotowych z kotła. Straty to również pewna ilość niespalonych gzowych części palnych które pozostają w spalinach wylotowych z kotła, czego nie ma możliwości powstrzymać.

Taka wyprodukowana energia jest przekazana wodzie przenoszącej ją do grzejników. Wymiennik ciepła biorący udział w tym procesie jest powodem kolejnych strat. Stan powierzchni wymiennika który koroduje czy też zrasta się z produktami spalania ( pyły, sadza, wykroplone substancje smołowe) jest najbardziej istotny w procesie efektywności spalania węgla. Te wszystkir procesy owstają niezależnie od użytkownika kotła. Istnieje wiele innych czynników powodujących pogarszanie się stanu wymiennika ciepła są nimi między innymi nieprawidłowe spalanie paliwa, zbyt niskie temperatury spalania, niedokładne i nieregularne czyszczenie powierzchni urządzenia. W ten sposób powstaje kamień kotłowy i narosty pyłowo-smołowe znacznie zmniejszające sprawność kotła w trakcie eksploatacji.
Niestety podkreślenia należy fakt że sprawność kotła podawana przez producenta jest sprawnością czysto teoretyczną (sprawność uzyskana w badaniach atestacyjnych nowego kotła, wykonane w specjalnym stanowisku badawczym w środowisku trwałej pracy kotła z mocą nominalną ) , ponieważ nie są one weryfikowane badaniami w laboratoriach spalania. Podczas takich testów kocioł jest regulowany i prowadzony przez ekspertów badawczych z wykorzystaniem specjalnej aparatury kontrolno-pomiarowej. Sprawność efektywna kotła natomiast jest określana w warunkach rzeczywistych czyli eksploatacyjnych. Skuteczność pracy kotła jest przedstawiona w instrukcji Obsługi lub Dokumentacji Techniczno-Ruchowej ( zwanej DTR-ką) – jest to sprawność teoretyczna. Efektywność pracy pieca powinna być weryfikowana poprzez badania eksploatacyjne w kompetentnych laboratoriach spalania, które powinny być udostępnione klientom. 
Podczas wyboru kotła warto poznać wyniki takich badań . 
Poniżej podane są przykładowe wyniki badań atestacyjnych kotła retortowego nowej generacji OGNIWO EKO PLUS o mocy nominalnej 16kW oraz wyniki badań eksploatacyjnych tego samego kotła po okresie jednego miesiąca eksploatacji. W trakcie badań eksploatacyjnych kocioł był sterowany ręcznie przez badacza oraz sterownikiem automatycznym eCoal.pl.

Badania atestacyjne kotła nowego:
moc 16,5kW; temp.spalin 152°C; sprawność 90,2%; tlen w spalinach 9,0%
Badania po okresie miesiąca eksploatacji (sterowany przez badacza):
moc 24,0kW; temp.spalin 236°C; sprawność 80,0%; tlen w spalinach 6,7%
moc 17,3kW; temp.spalin 178°C; sprawność 80,3%; tlen w spalinach 9,2%
moc 9,0kW; temp.spalin 156°C; sprawność 74,0%; tlen w spalinach 11,1%
Badania po okresie miesiąca eksploatacji (sterowany przez eCoal.pl):
moc 20,5kW; temp.spalin 206°C; sprawność 76,1%; tlen w spalinach 7,3%
moc 16,3kW; temp.spalin 177°C; sprawność 80,1%; tlen w spalinach 10,5%
moc 13,3kW; temp.spalin 167°C; sprawność 75,3%; tlen w spalinach 12,4%
moc 8,7kW; temp.spalin 154°C; sprawność 66,4%; tlen w spalinach 14,3%
moc 7,5kW; temp.spalin 137°C; sprawność 66,0%; tlen w spalinach 14,9%