Что такое КПД бытовых отопительных котлов, как он рассчитывается и от чего зависит

КПД (коэффициент полезного действия) отопительного котла – это соотношение объема потребляемого топлива к объему выделяемого тепла. КПД даже наиболее эффективных современных моделей водогрейных котлов не может быть 100% в виду теплопотерь внутри котла, недостаточной теплопроводности металлов или несовершенства принципа работы. Кроме того, эффективность одной и той же модели газового котла зависит и от нагрузки: указанный в паспорте КПД является реальным не во всем диапазоне теплопроизводительности.

В статье мы разберем как правильно считать КПД, от чего он зависит и как увеличить эффективность уже приобретенного котла своими силами.

КПД-брутто и КПД-нетто

Не всё выработанное при сгорании топлива тепло направляется на нагрев теплоносителя, определенная часть расходуется на собственные нужды котлоагрегата: турбина, вентилятор или дымосос, циркуляционный насос, работа автоматики и электронного дисплея, работа электропривода (как вы уже поняли, в расчете используются все виды получаемой энергии, в том числе и электроэнергия, если котел энергозависимый).

С учетом этого принято разделять эффективность котла по выработанной теплоте (КПД-брутто) и отпущенной теплоте (КПД-нетто).

Такая классификация позволяет выделить степень технического совершенства котла – КПД-брутто или экономичность расхода топлива и электроэнергии – КПД-нетто.

По какой формуле определяется коэффициент полезного действия котла агрегата

Коэффициент полезного действия (КПД) котельного агрегата определяют как отношение полезной теплоты, пошедшей на выработку пара (или горячей воды), к располагаемой теплоте (теплоте, поступившей в котельный агрегат). На практике не вся полезная теплота, выработанная котлоагрегатом, направляется потребителям. Часть теплоты расходуется на собственные нужды. В зависимости от этого различают КПД агрегата по выработанной теплоте (КПД брутто) и КПД агрегата по теплоте, отпущенной потребителю (КПД нетто).
Разность выработанной и отпущенной теплот представляет собой расход на собственные нужды котельной. На собственные нужды расходуется не только теплота, но и электрическая энергия (например, на привод дымососа, вентилятора, питательных насосов, механизмов топливоподачи и пылеприготовления и т.д.), поэтому расход на собственные нужды включает в себя расход всех видов энергии, затраченных на производство пара или горячей воды.

КПД брутто котельного агрегата характеризует степень его технического совершенства, а КПД нетто — коммерческую экономичность.

или по уравнению обратного баланса

Рисунок 4.4 — Зависимость КПД котла η к от его нагрузки (D/D HOM )100

КПД нетто по уравнению обратного баланса определяется как разность

где q с.н — относительный расход энергии на собственные нужды, %.

КПД по уравнению прямого баланса применяется преимущественно при составлении отчетности за отдельный период (декада, месяц), а КПД по уравнению обратного баланса — при испытании котельных агрегатов. Определение КПД по обратному балансу значительно точнее, так как погрешности при измерении потерь теплоты меньше, чем при определении расхода топлива, особенно при сжигании твердого топлива.

Таким образом, для повышения эффективности котельных агрегатов недостаточно стремиться к снижению тепловых потерь; необходимо также всемерно сокращать расходы тепловой и электрической энергии на собственные нужды. Поэтому сравнение экономичности работы различных котельных агрегатов в конечном счете следует проводить по их КПД нетто.

В целом КПД котельного агрегата изменяется в зависимости от его нагрузки. Для построения этой зависимости (рис. 4.4) нужно от 100% вычесть последовательно все потери котельного агрегата ∑q пот = q y.г + q x.н +q м.н +q но ‘ которые зависят от нагрузки.

Как видно из рис. 4.4, КПД котельного агрегата при определенной нагрузке имеет максимальное значение, т.е. работа котла на этой нагрузке наиболее экономична.

Источник

Как рассчитать КПД котла отопления

Рассчитать значения можно несколькими способами. В европейских странах расчет КПД котла отопления принято производить по температуре отходящих газов (метод прямого баланса), то есть зная разницу между температурой окружающей среды и реальной температурой отходящих через дымоход газов. Формула довольно проста:

ηбр = (Q1/Qir) 100%, где

• ηбр (читается «эта») – КПД котла «брутто»;
• Q1 (МДж/кг) – к-во тепла, которое удалось аккумулировать, т.е. использовать в целях обогрева дома.
• Qir(МДж/кг) – общее количество тепла, выделяемое при сжигании топлива;

Например, если Q1 = 19 МДж/кг, Qir = 22 МДж/кг, то КПД «брутто» = (19/22)*100 = 86,3%. Все замеры проводятся при уже установившемся, стандартном режиме работы котла.

Метод прямого баланса не учитывает теплопотери самого котлоагрегата, недожог топлива, отклонения в работе и прочие особенности, поэтому был придуман принципиально другой, более точный способ расчета – «метод обратного баланса». Используется уравнение:

ηбр = 100 – (q2 + q3 + q4 + q5 + q6), где

• q2 – потери тепла с уходящими газами;
• q3 – потери тепла вследствие химического недожога горючих газов (применимо к газовым котлам);
• q4 – потери тепловой энергии с механическим недожогом;
• q5 – теплопотери от наружного охлаждения (через тепплообменник и корпус);
• q6 – потери тепла с физическим теплом шлаков, удаляемых из топки.

КПД «нетто» котла отопления согласно методу обратного баланса:

ηнетто = ηбр — Qс.н, где

• Qс.н – общий расход тепловой и электрической энергии на собственные нужды в % выражении.

Реальный КПД практически всегда будет отличаться от заявленного производителем, поскольку зависит от правильности монтажа котла и отопительной системы, системы дымоудаления, качества электроснабжения и т.д. Измеряется он, соответственно, уже на месте.

Что приведет к успеху?

В первую очередь, это скилл

. Только личный опыт поможет в дальнейшем одерживать победу.

На втором месте стоит топовая техника . Опытные геймеры не рекомендуют использовать стоковые машины, поскольку медленные танки, не оказывающие результативные поддержку огнем слишком скучны

Именно поэтому важно при помощи свободного опыта совершенствовать танки до топа

Немаловажным фактором является . Обучение и переобучение лучше всего производить за счет голда.

В каждом бою при вас должны присутствовать голдовые снаряды, которые эффективнее пробивают соперников. Чем чаще это происходит, тем лучше результат команды.

От чего зависит тепловая эффективность котлоагрегатов

Принцип действия классического напольного газового атмосферника.
Коэффициент полезного действия отопительных котлов равен не при любой мощности, существует пропорциональная зависимость от нагрузки: увеличение тепловой нагрузки (к-ва сжигаемого топлива) увеличивает и теплопотери через корпус или дымоход. Так же точно эксплуатация на минимальной мощности не всегда обеспечивает полноценное сгорание топлива, что приводит к снижению КПД.

Например, в сервисной инструкции к газовым котлам Protherm Волк KSO мощностью 12,5 кВт и 16,0 кВт указано, что при работе на максимальной мощности (12,8 кВт и 16,3 кВт соответственно) КПД равен 92,5 %, в то время как при работе с минимальной нагрузкой (4,5 кВт и 5,8 кВт) – снизится и составит всего 78,4 %.

Это одна из основных причин, почему стоит осознанно подходить к выбору мощности котлоагрегата. Наиболее оптимальная работа в большинстве моделей достигается при нагрузке в диапазоне 60-90% от максимальной мощности.

В остальном коэффициент полезного действия зависит исключительно от технологического совершенства модели, направленного на снижение вышеописанных q2-6 (снижение температуры отходящих газов, эффективное сжигание топлива, модулируемые горелки, теплоизоляция и т.д.), а также от качества обслуживания и эксплуатации котлоагрегата. Чистота теплоносителя, регулярная чистка и промывка – все это со временем серьезно влияет на КПД.

Как выбрать комнатный термостат и экономить до 30% в месяц на отоплении

Выводы

Несмотря на обилие моделей современной отопительной техники, твердотопливные котлы продолжают оставаться одним из эффективных и доступных видом нагревательного оборудования. В сравнении с электрическими котлами, которые имеют КПД до 90%, агрегаты на твердом топливе обладают высоким экономическим эффектом. Увеличение коэффициента полезного действия на новых моделях, позволило этому виду котельного оборудования вплотную приблизиться к электрическим и газовым котлам.

Современные аппараты на твердом топливе способны не только работать длительное время, используя доступное по цене природные топливные ресурсы, но и обладают высокими эксплуатационными характеристиками.

Значения современных котлов в зависимости от вида топлива

*С точки зрения физики КПД не может превышать 100%: больше тепловой энергии, чем выделяется при сжигании топлива получить невозможно. Однако все зависит от того, как считать. Есть два определения:

• низшая теплота сгорания – тепло, полученное при сгорании топлива, когда продукты сгорания просто удаляются через дымоход;
• высшая теплота сгорания – теплота с учетом в том числе и энергии, содержащиеся в водяном паре – одном из продуктов сгорания горючих газов.

Газовые конденсационные котлы дополнительно аккумулируют и тепловую энергию конденсата, образующегося из продуктов сгорания газа и оседающего на дополнительном теплообменнике. Таким образом, существенная часть тепла не «вылетает в трубу», а температура отходящих газов практически равна атмосферной.

Устройство простого конденсационного одноконтурного газового котла.

Согласно действующим нормам, как в России, так и в Европе, КПД отопительных котлов рассчитывается по низшей удельной теплоте сгорания, поэтому учет дополнительного тепла, извлекаемого из конденсата, приводит к значениям более 100%. При расчете по высшей теплоте сгорания КПД конденсационных газовых котлов равен 96-98% в зависимости от модели и типа монтажа: у настенных котлов КПД обычно выше, чем у напольных (это относится ко всем газовым котлоагрегатам).

Также из таблицы можно заметить, что средний КПД твердотопливных котлов также отличается в зависимости от используемого топлива, связанно это со степень сжигания топлива, его теплоотдачей, температурой горения и теплопотерями с физическим теплом шлаков, удаляемых из топочной камеры. Даже один и тот же твердотопливный котел может выдавать разный КПД при работе на разных видах топлива.

Правила эксплуатации котельных устройств, соблюдение которых оказывает влияние на величину КПД

Любой вид отопительного агрегата имеет свои параметры оптимальной нагрузки, которая должна быть максимально полезной, с технологической и экономической точки зрения. Процесс эксплуатации твердотопливных котлов построен таким образом, что большую часть времени техника работает в оптимальном режиме. Обеспечить такую работу позволяет соблюдение правил эксплуатации отопительного оборудования, работающего на твердом топливе. В данном случае необходимо придерживаться и следовать следующим пунктам:

• необходимо соблюдать приемлемые режимы дутья и работы вытяжки;
• постоянный контроль над интенсивностью горения и полноты сгорания топлива;
• контролировать величину уноса и провала;
• оценка состояния нагреваемых в процессе горения топлива поверхностей;
• регулярная чистка котла.

Перечисленные пункты являются тем необходимым минимумом, которого нужно придерживаться во время эксплуатации котельного оборудования в отопительный сезон. Соблюдение простых и понятных правил позволит получить заявленный в характеристиках КПД автономного котла, улучшить работу твердотопливного котла.

Можно сказать о том, что каждая мелочь, каждый элемент конструкции нагревательного прибора сказывается на величине коэффициента полезного действия. Правильно сконструированный дымоход, система вентиляции обеспечивают оптимальный приток воздуха в топочную камеру, что существенно отражается на качестве горения топливного продукта. Работа вентиляции оценивается величиной коэффициента избытка воздуха. Чрезмерное увеличение объема поступающего воздуха приводит к перерасходу топлива. Тепло интенсивнее уходит через трубу вместе с продуктами горения. При уменьшении коэффициента работа котлов существенно ухудшается, высока вероятность возникновения в топке зон, ограниченных кислородом. При такой ситуации в топке начинает образовываться и скапливаться в больших количествах сажа.

Интенсивность и качество горения в твердотопливных котлах требуют постоянного контроля. Загрузка топочной камеры должна выполняться равномерно, не допуская очаговых возгораний.

На заметку: уголь или дрова равномерно распределяются по колосникам или по решетке. Горение должно проходить по всей поверхности слоя. Равномерно распределенное топливо быстро подсыхает и горит по всей поверхности, гарантируя полное выгорание твердых компонентов топливной массы до летучих продуктов горения. Если вы правильно заложили топливо в топку, пламя пи работе котлов будет ярко желтого, соломенного цвета.

Во время горения важно не допускать провалов топливного ресурса, иначе придется столкнуться с существенным механическими потерями (недожог) топлива. Если не контролировать положения топлива в топке, упавшие в зольный ящик крупные фрагменты угля или дров могут привести к несанкционированному возгоранию остатков продуктов топливной массы.

Сажа и смола, скопившаяся на поверхности теплообменника, уменьшают степень нагрева теплообменника. В результате всех перечисленных нарушений условий эксплуатации уменьшается полезный объем тепловой энергии, необходимой для нормальной работы системы отопления. Как следствие, можно говорить о резком снижении КПД отопительных котлов.

Как увеличить КПД газового котла

Повысить эффективность сжигания топлива вмешательством в техническое устройство котла практически невозможно, тот же слой теплоизоляции установить не получится в виду банальной непредусмотренности производителем места под него. Кроме того, делать это своими руками запрещено. Тем не менее есть способы увеличить КПД газового котла, особенно, если это несовершенная модель старого образца:

1. Готовый экономайзер для дымохода – заменяет определенный отрезок дымохода и предназначен для аккумуляции тепла отходящих через дымоход газов (некая имитация конденсационных котлов). Однако нужно точно посчитать параметры экономайзера и требования к дымоходу, чтобы сохранить необходимую тягу и предотвратить обратную тягу, например, при сильном ветре. Цена вопроса – 1 700-2 500 руб.

   
   Сэндвич-сетка экономайзер для трубы дымохода.

2. Самодельный экономайзер – практически идентичный с вышеописанными готовыми изделиями. Как сделать эффективный экономайзер мы уже описывали в одной из предыдущих статей.
3. Чистка котла и промывка теплообменника – это регулярные меры обслуживания, бессмысленные для новых котлоагрегатов, но крайне эффективные для эксплуатируемых хотя бы несколько сезонов. Дело в том, что во время эксплуатации внутри теплообменника образуются накипь и прочие солевые отложения, забиваются внешние ребра теплообменника, горелки и запальник. Все это приводит к увеличению расхода газа, снижению теплопроизводительности, соответственно, снижению КПД (часто до 20-30%). Как и насколько часто необходимо чистить газовый котел мы также уже разбирали ранее.
4. Газовый фильтр – устанавливается он перед запорной арматурой газовой магистрали и предназначен для очистки газа от мусора и примесей, иногда встречающихся в составе. Это не только способствует снижению сажеобразования, но и, повышая качество топлива, незначительно снижает теплопотери при недожоге.

Остальные же методы заключаются в правильных пуско-наладочных работах, которые проводятся единожды, при первом запуске котла, исключительно специалистами. При правильной изначальной настройке обеспечивается КПД, гарантируемый производителем. Важно понимать, что повысить этот показатель вмешательством в техническое устройство самого котла невозможно, и уж тем более – не безопасно.

ИнструкцииКотлыЭнергосберегающие технологии

Чугунные и стальные конструкции – в чем отличия

Из какого бы материала ни был изготовлен котел, очень важно, чтобы он соответствовал основным эксплуатационным характеристикам. Разберемся в них более подробно

В первую очередь стоит обратить внимание на материал теплообменника – чугун или сталь. Если вы хотите воспользоваться готовой схемой твердотопливного котла – своими руками чугунный теплообменник сделать вряд ли получится

Такая работа требует как специального оборудования, так и особых знаний и умений. Поэтому можно приобрести готовые секционные конструкции, которые перед транспортировкой разбирают, а на месте снова собирают.

Чугунным теплообменникам свойственно покрываться сухой ржавчиной – особой пленкой, защищающей стенки агрегата от разрушения. Кроме того, влажная ржавчина также образуется намного медленнее, чем обусловлен длительный срок эксплуатации чугунных изделий – от 10 до 25 лет. Среди прочих преимуществ чугунных теплообменников можно назвать отсутствие необходимости в частом и сложном обслуживании. Чистка таких устройств требуется нечасто, да и нагар практически не снижает КПД котла. В случае необходимости ремонта или усиления мощности агрегата нужно лишь заменить дефектные секции или увеличить их число.

Недостатки чугунных изделий таковы:

• большая масса котла предполагает наличие отдельного фундамента;
• затруднения в процессе сборки и высокие затраты на транспортировку;
• чувствительность к термическим ударам – чугун не любит перепадов температур, поэтому контакт горячей поверхности с холодными дровами или холодной водой может быть губительным для него;
• большая тепловая инерционность – на разогрев котла требуется длительное время, но и его последующее остывание происходит медленно.

Что касается стальных изделий, то они менее чувствительны к перепадам температур и не боятся контакта с холодными объектами. Это свойство позволяет при сборке котлов отопления на твердом топливе по чертежам оборудовать их чувствительными автоматическими элементами. А благодаря небольшой инерционности такие агрегаты быстро прогреваются и остывают – это позволяет регулировать температуру воздуха в доме. При этом, можно сделать чертеж твердотопливного котла длительного горения своими руками, что позволит учесть все нюансы.

По внешнему виду котлы из стали – это сплошные сварные агрегаты, которые довольно сложно перевозить, хотя и чувствительность к механическим повреждениям у них намного ниже аналогов из чугуна.

Возможность ремонта стальных котлов с точки зрения некоторых специалистов весьма сомнительна. Отремонтировать, равно, как и сварить котел своими руками по чертежу в домашних условиях довольно непросто, со временем на швах в нем могут образовываться течи. Справедливости ради, отметим, что все зависит от навыков работника в работе со сварочным аппаратом. Но выполнить ремонт чугунного теплообменника все же проще – требуется только замена секций.

Как правило, котлы с чугунными теплообменниками являются энергонезависимыми, стоят недорого, поэтому они могут стать достойной альтернативой уже установленному отопительному оборудованию в случае отключения электричества. Циркуляция теплоносителя в таких агрегатах происходит естественным путем, без применения насоса. Однако монтаж батарей нужно выполнять так, чтобы вода по трубам при нагревании свободно перемещалась по трубам под воздействием давления в котле.

Теплопотери при удалении горючих газов

Наиболее существенные потери тепла происходят в результате эвакуации в дымоход горючих газов (q2). Эффективность котла во многом зависит от температуры горения топлива. Оптимальный температурный напор на холодном конце водонагревателя достигается при нагреве до 70-110 ℃.

Когда температура уходящих горючих газов падает на 12-15 ℃, КПД водогрейного котла возрастает на 1 %. Тем не менее, чтобы снизить температуру уходящих продуктов горения, необходимо увеличить размер прогреваемых поверхностей, а, значит, и всей конструкции в целом. Кроме того, при охлаждении угарных газов возрастает риск низкотемпературной коррозии.

Помимо прочего температура угарных газов зависит еще и от качества и типа топлива, а также нагрева поступающего в топку воздуха. Значения температур поступающего воздуха и выходящих продуктов горения зависят от видов топлива.

Для вычисления показателя теплопотерь с уходящими газами используют такую формулу:

Q2= (T1-T3) × (A2 ÷ (21-O2) + B), где

T1 – температура эвакуируемых горючих газов в точке за пароперегревателем;

T3 – температура поступающего в топку воздуха;

21 – концентрация кислорода в воздухе;

O2 – количество кислорода в уходящих продуктах горения в контрольной точке;

A2 и B – коэффициенты из специальной таблицы, которые зависят от типа топлива.