نحوه محاسبه راندمان حرارتی واقعی بویلر

جهت محاسبه راندمان حرارتی واقعی بویلر و دیگ بخار، تعیین پارامترهای ذیل ضروری می باشد.

- تلفات حرارتی محسوس گازهای خروجی از دودکش

- تلفات حرارتی ناشی از هیدروژن و رطوبت

- تلفات ناشی از احتراق ناقص

- تلفات ناشی از مواد قابل احتراق موجود در دوده

- تلفات حرارتی تابشی و کنوکسیونی از بدنه و اجزاء بویلر

جهت محاسبه راندمان حرارتی واقعی بویلر، تعیین پارامترهای ذیل ضروری می باشد.

همانطور که پیش از این نیز اشاره شد، دمای دودکش همان دمای گازهای حاصل از احتراق  (خشک و بخار آب) می باشد که از بویلر خارج می شود. طراحی بویلر باید به گونه ای صورت گیرد که بیشترین استفاده از حرارت ناشی از گازهای حاصل از احتراق امکان پذیر گردد. استاندارد بریتانیا BS 845 جهت تعیین میزان تلفات حرارتی دودکش روش محاسبه را در دو قسمت به شرح ذیل ارائه نموده است.

الف- تلفات حرارتی محسوس گازهای خروجی از دودکش

ب- تلفات حرارتی ناشی از هیدروژن و رطوبت که در اثر سوختن هیدروژن در پروسه احتراق ، بخار آب تولید می شود. این بخار آب دربرگیرنده گرمای نهان تبخیر است که آب در   پروسه تغییر فاز به بخار این مقدار انرژی گرمایی را دریافت نموده است .

لازم به توضیح است که ارزش حرارتی سوخت می تواند به دو صورت ارائه گردد.

- ارزش حرارتی ناخالص که نمایانگر کل حرارتی است که دراثر احتراق سوخت آزاد می شود.

(Gross Calorific Value)

(GCV)

- ارزش حرارتی خالص که برابر ارزش حرارتی ناخالص منهای گرمای تبخیر است.   

(Net Calorific Value)

(NCV)   

لذا محاسبات راندمان بویلر بر مبنای ارزش حرارتی خالص منجربه ارائه راندمان بالا می گردد.  از اینرو هنگامیکه راندمان عملکرد بویلر از سوی فروشندگان بویلر ذکر می شود ، خریدار می باید بر این موضوع وقوف کامل داشته باشد که فروشندگان بعلت تمایل به ارائه راندمان بالا، مبنای محاسبات را بر پایه ارزش حرارتی خالص قرار می دهند که این نوع محاسبه گمراه کننده است و به کرات نیز توسط فروشندگان استفاده می شود، در صورتیکه راندمان واقعی بویلر می باید بر پایه ارزش حرارتی ناخالص محاسبه گردد.

الف- تلفات حرارتی محسوس گازهای خروجی از دودکش

بمنظور فائق آمدن بر پیچیدگی های محاسباتی پایه که وزن گازهای خروجی که از دودکش عبور می کنند تقسیم بر نسبت هیدروژن به کربن سوخت را مد نظر قرار می دهد . استاندارد بریتانیایی BS 845 استفاده از ضرایب را برای سوخت های متداول در صنایع مجاز شمرده است.

تلفات حرارتی محسوس ناشی از هوای اضافی و ارتباط آن با نسبت دی اکسید کربن در  گازهای خروجی می باید مشخص گردد. میزان تلفات حرارتی محسوس توسط فرمول Siegert که در استاندارد BS 845 نیز بدان اشاره شده است تعیین می گردد. این فرمول بر پایه ارزش حرارتی خالص که به دمای گاز و نسبت دی اکسیدکربن مرتبط است، بنا شده است.

درصد تلفات محسوس حرارتی در گاز خروجی  =  gf

ضریب وابسته به نوع سوخت = K1

سوخت مایع  56/0 = K1

گاز طبیعی  38/0 = K1

دمای هوای محیط ورودی به بویلر = ta

دمای گازهای خروجی از بویلر = tg

درصد نسبت CO2 در گازهای خروجی= CO2 %

در فرمول فوق تلفات محسوس حرارتی qf به صورت درصدی از انرژی حرارتی خالص محاسبه می گردد.

برای ارائه تلفات نسبت به ارزش حرارتی ناخالص، میزان qf محاسبه شده در فرمول فوق می باید در ضریب نسبت ارزش حرارتی خالص به ارزش حرارتی ناخالص ضرب شود.

نسبت گاز دی اکسید کربن با نوع سوخت متغیر است. میزان واقعی دی اکسید کربن در گازهای خروجی می باید توسط روش های آنالیز گاز اندازه گیری گردد. یکی از روش های قابل اطمینان که برای آنالیز گازهای خروجی دودکش کاربرد دارد استفاده از دستگاه اکسیژن آنالایزر می باشد، دو نوع از این تجهیزات در حال حاضر کاربرد دارد:

1- دستگاهی که میزان اکسیژن را در دودکش اندازه گیری می کند و نمونه گاز، مرطوب و دارای بخار آب می باشد.

2- دستگاهی که میزان اکسیژن را در نمونه های برداشت شده از دودکش اندازه گیری می کند و نمونه ها گاز خشک بوده و آب نمونه نیز متراکم شده است.

بیشتر ارزیابی هایی که از راندمان احتراق صورت گرفته بر پایه نمونه های گاز خشک ارائه شده است. اگر بجای درصد دی اکسید کربن ارائه شده در فرمول Siegert ، درصد اکسیژن جایگزین شود ضریب تصحیح نسبت ارزش حرارتی خالص به ارزش حرارتی ناخالص می باید مورد استفاده قرارگیرد. مقادیر ثابت جدید از نسبت های ارزش های حرارتی فوق الذکر بدست می آید.

ارتباط بین درصد دی اکسید کربن و درصد اکسیژن به صورت ذیل بیان می شود.

ماکزیمم درصد  co2 در حالتی است که هیچگونه هوای اضافی وجود نداشته باشد. این مقدار برای سوخت مایع 6/15% و برای گاز طبیعی 9/11% می باشد. این فرمول برای سوخت های مختلف می تواند به صورت های ذیل ارائه شود.

سوخت مایع  (20/9-%O2) 74/0 = CO2 %

گاز طبیعی  (20/9-%O2) 57/0 = CO2 %

از ادغام ضرایب واستفاده از ارزشهای o2 ، تلفات محسوس حرارتی بر پایه ارزش حرارتی ناخالص سوخت با استفاده از مقادیر k1 طبق محاسبات ذیل انجام پذیر است.

سوخت مایع  711/0 = K1

گاز طبیعی  615/0 = K1

دمای هوای محیط ورودی به بویلر = ta

دمای گازهای خروجی از بویلر = tg

%LOSS=K1(tg-ta) ( 9/20 - %O2)

ب- تلفات حرارتی ناشی از هیدروژن و رطوبت

تلفات حرارتی  در دیگ بخار دیگری که می باید به تلفات حرارتی محسوس اضافه گردد تلفات ناشی از هیدروژن سوخت می باشد که در پروسه تغییر فاز آب به بخار ایجاد می شود. استاندارد بریتانیایی BS 845 ، محاسبات این مقادیر را بشرح ذیل ارائه نموده است.

تلفات ناشی از هیدروژن و رطوبت در سوخت بر پایه ارزش حرارتی ناخالص سوخت برابر است با :

(H2O ) درصد وزنی آب موجود در سوخت = a

(H2)درصد وزنی هیدروژن موجود در سوخت = b

دمای محیط (ºc) = ta

دمای گاز خروجی (ºc) = tg

                                      ارزش حرارتی ناخالص سوخت (Kj / Kg ) = GCV

فرمول فوق می تواند به صورت مختصر و ساده تری بیان شود.

k2 = 0.0051 سوخت مایع

k2 = 0.0083 گاز طبیعی

دمای گاز خروجی ºC = tg

دمای محیط ºC = ta

درصد تلفات ناشی از هیدروژن و رطوبت=k2=[1121/4 + (tg-ta)]

از ادغام فرمول های مربوط به دو نوع تلفات حرارتی اشاره شده ، فرمول ذیل قابل دستیابی است.

درصد تلفات حرارتی ناشی از هیدروژن و رطوبت + درصد تلفات محسوس حرارتی = درصد تلفات دودکش

=   + k2=[1121/4 + (tg-ta)]

دمای گازهای خروجی ºc = tg

دمای محیط ºc = ta

ضریب ثابت تلفات محسوس حرارتی = k1

ضریب ثابت تلفات حرارتی ناشی از هیدروژن و رطوبت = k2