5.1.4. Алгоритм ефективного використання котла

З попереднього випливає, що аналіз завдання вибору необхідної потужності котла слід починати саме зі споживача пари чи тепла, а також з системи розподілу тепла, оскільки саме ці елементи визначають потребу у теплі, а значить, і навантаження котла.

Якщо котел вибраний і змонтований, то наступає етап налагодження його ефективної роботи. На ефективність роботи котла впливають:

- режим роботи пальника котла (надлишкове повітря, якість і спосіб змішування палива і повітря, температура палива і повітря і т.д.);

- температура топкових газів;

- температура і якість живильної води;

- швидкість спалювання і нерівномірність навантаження;

- режими продувки.

Орієнтовний алгоритм регулювання оптимального режиму роботи котла показано на рис. 5.

5.1.5. Рекуперація тепла

Основні втрати тепла палива у котлі зв’язані з топковими газами. Рекуперація тепла топкових газів може суттєво підвищити ефективність роботи котла. Основні пристрої для рекуперації тепла такі:

Економайзери – це теплообмінники поверхневого типу для підігріву живильної води топковими газами. Вони встановлюються після живильного насоса безпосередньо перед вводом води у котел. Це дає, крім економії палива, такі переваги:

• вода попадає в економайзер під тиском котла, що усуває її закипання;

• вода попадає у котел підігрітою, що запобігає охолодженню топкових газів нижче температури роси, що важливо при спалюванні сірчистих палив.

Пароперегрівники – в них пара додатково нагрівається, що збільшує ККД циклу Ренкіна при генерації електроенергії і підвищує сухість пари.

Регенеративні повітропідігрівачі – тепло топкових газів передається об’ємному трубному пучку, через який подається повітря до пальника. Таким чином підвищується тепловіддача палива. Часто використовуються обертові теплообмінники.

Рекуперативні повітропідігрівачі – теплообмінники для підігріву повітря для опалення чи інших технологічних потреб. При їх використанні необхідні тягові вентилятори.

Системи рекуперації тепла води продувки – переважно реалізуються способом подачі продувної води у резервуар з низьким тиском, де вода закипає, а конденсат пари подається у систему живлення котла. Тепло залишкової води продувки утилізується для технологічних чи побутових потреб.

5.2. Енергозберігаючі матеріали

Матеріали, що забезпечують енергозбереження умовно можна поділити на два класи :

• конструктивні матеріали, що використовуються при створенні енергозберігаючих технологій та техніки;

• матеріали і конструкції, що призначені для теплоізоляції житлових та промислових будинків чи технологічних систем.

Вимоги до матеріалів першої групи визначаються сферою їх застосування. Наприклад, якщо це матеріали для теплоенергетики, то залежно від функціонального призначення елементів конструкцій від матеріалів можуть вимагати:

- міцності на розтяг чи стиск, пружності, пластичності, жаро- та корозійної стійкості, високої чи, навпаки, низької теплопровідності, малої чи великої густини і т.п.

Якщо матеріали використовують як теплоносії, то важливими є:

- їх теплоємність, теплота і температура фазового переходу; для елементів фотоелектричних батарей важливий їх високий коефіцієнт трансформації світлової енергії в електричну.

Практично неможливо перерахувати та передбачити всі суттєві властивості конструкційних матеріалів. В цьому вам повинні допомогти розуміння технологічного процесу чи принципів роботи пристроїв і відповідні довідники фізико-хімічних властивостей матеріалів. Інколи слід залучати для прискорення роботи спеціалістів (експертів) у галузі матеріалознавства.

Щодо застосування матеріалів як теплоізоляторів, то тут виникають такі завдання:

• вибрати, відповідно до ситуації, найбільш економічно і технічно доцільний варіант теплоізоляції (матеріал, спосіб кріплення, товщину шару);

• забезпечити санітарно-гігієнічні вимоги до нього та умов його експлуатації;

• забезпечити толерантність до навколишнього середовища (екологічну безпечність).

Найкращий теплоізоляційний матеріал – це вакуум або повітря, які захоплені шарами, комірками чи волокнами матеріалу каркасу теплоізолятора, тобто теплоізолятор – це пориста матриця з якогось матеріалу, бажано з малою теплопровідністю, пори якої заповнені повітрям або знаходяться під вакуумом. Часом теплоізоляторами використовують дрібнопористі (губчасті) метали. Теплоізоляційні матеріали характеризують тепловим опором. Поняття теплового опору випливає із закону Фур’є – для теплопровідності див. рис.6:

; (5.4)

dq – кількість тепла, що переноситься через площадку ds вздовж осі ОХ за одиницю часу; – градієнт температури вздовж ОХ; λ – коефіцієнт теплопровідності.

Він залежить від виду матеріалу та температури, але для реальних температурних проміжків (∆Т ≈ 100 – 400 К) його можна замінити середнім значенням для проміжку. Інтегруючи (4), отримуємо (ds = 1м²)

; (5.5)

Вираз (5) можна записати і так

; (5.5а)

R – тепловий опір проміжку L.

Якщо маємо шарувату систему, то загальний опір такої системи

; (5.6)

L_i, λ_i – товщина і коефіцієнт теплопровідності k-го шару. Розмірності λ і R в СІ такі:

[λ]_CI = Вт/К·м; [R]_СІ = К/Вт.

Опір шаруватої циліндричної структури висотою 1м дається виразом

; (5.7)

У випадку конвективної теплопередачі тепловий потік

, [α]_СІ = Вт/м²К; (5.8)

α – середній коефіцієнт конвективної теплопередачі; t_m – температури середовища з конвекцією, t_s – нерухомої поверхні.

Для теплообміну випромінюванням

, (5.9)

q – тепловий потік (Вт/м²), δ – стала Стефана - Больцмана, δ = 5,67 · 10^-8 Вт/м²К⁴; ε – коефіцієнт сірості поверхні; Т_s – температура випромінюючої поверхні у Кельвінах; Т₀ – середня температура оточення.

Якість теплоізоляційних матеріалів визначається їх коефіцієнтом теплопровідності та фізико-механічними властивостями, див. табл. 2. Звичайно, їх коефіцієнт теплопровідності повинен бути якомога нижчим і не змінюватися суттєво у широкому діапазоні температур. Проте існує і ряд інших вимог:

• Стійкість до тривалих впливів. Це означає, що матеріал повинен зберігати свої фізико-механічні властивості сталими протягом тривалого часу в умовах екстремальних температур, впливу вологи, сонячного випромінювання, хімічної дії та інших умов.

• Фізична міцність. Теплоізоляційні матеріали повинні виносити значні механічні навантаження, в т.ч. тривале зберігання, вантажні операції, бути міцними на стиск.

• Механічна стійкість щодо циклів стиску-розширення та вібрації.

• Бути пожежо- та вибухобезпечними.

• Повинні бути стійкими до дії вологи (гідрофобними).

• Володіти корозійною стійкістю та хімічною інертністю до водних розчинів солей.

• Бажано, щоб густина теплоізоляційних матеріалів була малою, щоб обходитися без додаткових опор чи кріплень.

• Матеріали повинні бути екологічно безпечними і не шкодити здоров’ю людей (відповідати санітарно-гігієнічним вимогам).

Теплоізоляцію слід передбачати на етапі проектування споруд. Переважно, у теплотехнічних пристроях, необхідно ізолювати всі поверхні, що мають температуру вищу ніж 50˚С. Також необхідно теплоізолювати трубопроводи подачі холодної води з метою запобігання конденсації на них пари та притоку до них тепла.

При використанні теплоізоляції слід забезпечити такі умови:

• зовнішній захист теплоізоляції від механічної дії, вологи та хімічних реагентів;

• не залишати технологічних ділянок без ізоляції; якщо такі ділянки необхідні, то вони повинні бути закриті спеціальними теплоізолюючими кожухами;

• слід подбати про ізоляцію підримуючих пристроїв (усунути теплопровідні містки);

• постійно забезпечувати контроль цілості ізоляції, часто через дію вологи чи високої температури вона втрачає свої властивості.

Вибір оптимального типу теплоізоляції передбачає знання як властивостей самих ізоляційних матеріалів, так і розуміння структури і роботи системи, яку ви збираєтесь ізолювати. Кожен раз ви повинні знаходити компроміс між бажанням зменшити втрати тепла та вартістю ізоляції, включно з затратами на її монтаж і обслуговування. Властивості ізоляційних матеріалів представлені у табл. 2, див. нижче.

Таблиця 2.

Властивості теплоізоляційних матеріалів.

Ізоляція	Межі температури (˚С)		Коефіцієнт теплопрвідн.	Межі товщини (мм)
	Мінім.	Максим.	(Вт/м.К)*	Мінім.	Макс.
Силікат кальцію	-20	800	0.0006	25	100
Піноскло	-260	430	0.0050	40	130
Пориста гума	-40	116	0.0036	6	100
Пористий полістирол	-100	80	0.0033	12	32
Пористий пінополістирол	-180	75	0.0027
Гнучкі пінополіуретани	20	105	0.0048	19	100
Мінеральна вата	-160	230	0.0040	19	100
Магнезія	-20	315	0.0060	25	88
Піномеламін	20	220	0.0040	6	250
Мікропориста ізоляція на основі діоксиду кремнію	-20	1050	0.0025	3	75
Пінофенопласт	-185	120	0.0020	15	-
Пінополіуретан	-20	100	0.0037	9	38
PIR	-185	140	0.0023	15	-
PUR	-185	110	0.0023	15	-

Приклад оптимізаційного техніко - економічного розрахунку товщини теплової ізоляції циліндричного трубопроводу подано у Додатку 1. Підхід, використаний там, може бути корисним і у інших близьких за змістом задачах.