Судовые котельные и паропроизводящие установки: Методические указания к практическим занятиям

СУДОВЫЕ КОТЕЛЬНЫЕ И ПАРОПРОИЗВОДЯЩИЕ УСТАНОВКИ

Методические указания к практическим занятиям для курсантов специальности 240500 «Эксплуатация судовых энергетических установок»

ПЕТРОПАВЛОВСК

2005 КАМЧАТСКИЙ

Камчатский государственный технический университет Кафедра судовых энергетических установок

С.В. Гаврилов

СУДОВЫЕ КОТЕЛЬНЫЕ И ПАРОПРОИЗВОДЯЩИЕ УСТАНОВКИ Методические указания к практическим занятиям для курсантов специальности 240500 «Эксплуатация судовых энергетических установок»

Петропавловск-Камчатский 2005

УДК 621.181.27:629.12 ББК 39.455.1 Г12 Рецензент: В.А. Ткаченко, заведующий кафедрой судовых энергетических установок КамчатГТУ

Гаврилов С.В. Г12

Судовые котельные и паропроизводящие установки. Методические указания к практическим занятиям для курсантов специальности 240500 «Эксплуатация судовых энергетических установок». – Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2005. – 106 с. Методические указания к практическим занятиям составлены в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта и учебного плана специальности 240500 «Эксплуатация судовых энергетических установок», утвержденного Советом КамчатГТУ. Методические указания предназначены для использования в ходе обучения курсантов мореходного и студентов заочного факультетов. Рекомендовано к изданию решением учебно-методического совета КамчатГТУ (протокол № 3 от 23 декабря 2004 г.).

УДК 621.181.27:629.12 ББК 39.455.1

© КамчатГТУ, 2005 © Гаврилов С.В., 2005

ВВЕДЕНИЕ Настоящий сборник методических указаний состоит из двух разделов. Первый раздел включает в себя четыре практических занятия, связанные с изучением конструкций судовых вспомогательных и утилизационных паровых котлов и их элементов. Второй раздел представлен восемью расчетными занятиями, выполнение которых позволит закрепить знания, полученные в процессе изучения теоретического курса. Целью указаний является оказание курсанту методической помощи в изучении и критическом анализе конструкции наиболее распространенных на судах рыбопромыслового флота паровых котлов, выполнении расчетов протекающих в них процессов. Анализ полученных расчетным путем результатов должен быть направлен на определение путей и методов повышения технико-экономических показателей судовых котельных и паропроизводящих установок. В настоящее время особую актуальность приобретают вопросы рационального использования топливно-энергетических ресурсов. Экономия топлива в судовых энергетических установках может быть достигнута снижением его расхода во вспомогательных котлах и применением систем утилизации тепла отработавших газов судовых двигателей внутреннего сгорания. Особое место в процессе выполнения практических занятий должно уделяться изучению влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на экономичность котлов. Предлагаемые методические указания могут быть использованы в ходе дипломного и курсового проектирования. Расчеты с использованием персональных компьютеров позволяют сократить время на выполнение рутинных операций и высвободить его для проведения исследований влияний различных конструктивных и эксплуатационных факторов на технико-эксплуатационные показатели котлов. Методические указания имеют индивидуальную в пределах каждого практического занятия нумерацию таблиц и расчетных зависимостей. В конце каждого практического занятия приводятся контрольные вопросы, ответы на которые позволят более качественно закрепить изученный материал. Практические занятия оформляются в ученических тетрадях. Все изображения выполняются от руки, ксерокопирование и вырезание листов из учебников не допускаются! Защита занятий производится в часы учебных занятий и на консультациях. Она заключается в докладе о выполнении задания, содержании основных разделов занятия и ответе на вопросы. После защиты ведущий преподаватель подписывает работу, выставляет за нее оценку и возвращает тетрадь курсанту. В конце текущего семестра после сдачи итоговой аттестации тетрадь сдается преподавателю. 3

РАЗДЕЛ 1. КОНСТРУКЦИЯ СУДОВЫХ КОТЛОВ Настоящий раздел содержит четыре практических занятия, посвященных рассмотрению конструкции как котлов в целом, так и их отдельных элементов. В результате изучения данного раздела курсанты должны знать основную терминологии в области котельной техники, уметь изображать тепловые схемы котлов и котельных установок и их эскизы, понимать взаимосвязь между конструктивным исполнением отдельных элементов котлов и протекающими в них процессами. Изучение конструкции котлов проводится в тесной связи с рассмотрением общих принципов их технической эксплуатации. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 1 КОНСТРУКЦИЯ СУДОВЫХ КОТЛОВ. СОСТАВ И СХЕМЫ СУДОВЫХ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК Цель занятия: изучение принципа действия и конструкции основных типов вспомогательных и утилизационных котлов, использующихся на рыбопромысловых и транспортных судах. Общее знакомство с составом, назначением и взаимодействием элементов котельных установок. Задание. 1. Используя макеты, составить эскизы и тепловые схемы следующих типов судовых котлов: — газотрубного оборотного; — вертикального водотрубного. 2. Изучить конструкцию, изобразить конструктивные схемы, классифицировать, описать принцип действия, перечислить составные части и привести основные параметры следующих судовых котлов: — вспомогательного газотрубного горизонтального котлоагрегата типа КВА 0,4/3 (КГВ 0,4/0,3); — вспомогательного водотрубного котла с естественной циркуляцией типа КАВ (КВВА); — утилизационного водотрубного котла с принудительной циркуляцией типа КУП-40 (КУП-20, КУП-80). 3. Составить схемы судовых котельных установок, состоящих из вспомогательного и утилизационного котлов (с сепаратором пара и без, с утилизационным котлом с принудительной и естественной циркуляцией). Описать принцип их действия, указать характерные режимы работы этих установок. 4

1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ Настоящее практическое занятие выполняется в три этапа. Первый этап проводится в кабинете судовых котельных установок и заключается в изучении конструкции макетов судовых котлов и составлении их тепловых схем и эскизов в натуры. Второй этап посвящен знакомству с конструкцией вспомогательного газотрубного котлоагрегата типа КВА 0,4/3 (КГВ 0,4/0,3). Для осмотра внутренних частей пароводяного и газового пространств котлоагрегат разбирают. После составления эскизов и схем, иллюстрирующих его устройство, его вновь собирают. В ходе изучения конструкции необходимо обратить внимание на следующие особенности котлоагрегата: — на способ подвода в топку воздуха; — на путь газов в дымогарных трубах; — на способы крепления дымогарных труб к корпусу котла; — на установку связей, подкрепляющих днища корпуса; — на состав и назначение устройств, расположенных в пароводяном пространстве; — на расположение и назначение патрубков, предназначенных для установки арматуры и средств автоматизации; — виды теплоизоляции и способы ее установки. Третий этап заключается в самостоятельном изучении конструкции и принципа действия указанных в п. 2 задания типов судовых котлов. Он осуществляется как в лаборатории в часы аудиторных занятий, так и самостоятельно. При выполнении этого этапа должна использоваться литература, рекомендованная настоящими методическими указаниями, макеты и натурные образцы котлов и их элементов, плакаты и стенды. В результате выполнения настоящего практического занятия курсант должен самостоятельно изучить следующие вопросы: — принцип действия судовых газо- и водотрубных котлов. Комбинированные котлы. Основные понятия: газовое, паровое, водяное пространство, зеркало испарения, поверхность нагрева [10, с. 6—22], [11, с. 5—13], [3, с. 6—14], [8, с. 21—33]; — классификацию судовых котлов, требования к ним, их основные параметры. Схемы вспомогательных котельных установок, взаимодействие их элементов [8, с. 10—21], [10, c. 23—31], [11, с. 88—93], [12, с. 23— 38]; — конструкцию водотрубных котлов с естественной циркуляцией типов, КАВ (КВВА) [10, c. 151—161], [11, c. 75—76], [8, c. 29—30]; 5

— устройство вспомогательных газотрубных котлоагрегатов типа КВА (КГВ) [10, c. 171—174,] [11, c. 65—67], [12, c. 61—64]; — конструкцию утилизационных котлов с принудительной циркуляцией типа КУП-40, КУП-80 и сепараторов пара [10, c. 187], [3, c. 169], [11, c. 85—86].

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСТРОЙСТВЕ И РАБОТЕ СУДОВЫХ ПАРОВЫХ КОТЛОВ 2.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ Вспомогательным котлом называется устройство, производящее водяной пар с давлением выше атмосферного для использования его вне самого устройства. Пар в нем производится за счет тепла органического топлива, сгорающего в топочной камере. Утилизационным котлом называется устройство, в котором водяной пар получается за счет тепла отработавших газов дизелей. В любом паровом котле независимо от его конструкции принято различать следующие основные поверхности и пространства: — водяное пространство — часть внутреннего объема котла, заполненная водой; — паровое пространство — часть внутреннего объема котла, заполненная паром; — газовое пространство — часть внутреннего объема котла, используемая для движения воздуха и газов; — поверхность нагрева — поверхность, через которую происходит теплообмен между газом и водой; — зеркало испарения — граница раздела парового и водяного пространств, через которую пар отделяется от воды. В зависимости от принципа действия, принято различать водотрубные и газотрубные котлы. В водотрубных вода движется внутри труб, а газы омывают их снаружи, в газотрубных — горячие газы направляются внутри труб и камер, образующих поверхность нагрева, а вода омывает их снаружи. Некоторые конструкции котлов сочетают в своей конструкции оба принципа, их называют комбинированными. Водотрубный котел состоит из следующих элементов: водяного коллектора 1, водяного (экранного) коллектора 2, конвективного пучка труб 3, экранного пучка труб 4, топочного устройства 5, пароперегревателя 6,

6

экономайзера 7, воздухоподогревателя 8, футеровки и теплоизоляции 9, каркаса и кожуха 10 (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема действия водотрубного котла

Собственно котел (корпус) образован конвективным и экранным пучками труб, пароводяным и водяным коллекторами. Остальные поверхности нагрева (экономайзер, пароперегреватель, воздухоподогреватель) называются дополнительными или хвостовыми. В большинстве вспомогательных котлов малых габаритов и мощностей они отсутствуют, что приводит к значительному снижению их экономичности. Тепловая схема рассмотренного котла представлена на рис. 1.2. Топливо от расходной цистерны посредством насоса 1 под давлением поступает к форсунке 2, где мелко распыливается и смешивается с закрученным потоком воздуха, подаваемым котельным вентилятором 3.

7

Рис. 1.2. Тепловая схема котла

Воздух от вентилятора поступает в межкожуховое пространство котла, образованное стенками его внутреннего и наружного кожухов, подогревается и направляется в воздухоохладитель 4. Горячий воздух, выходящий из воздухоподогревателя, подходит к воздухонаправляющему устройству 5. Температура подогрева воздуха достигает 130—200 оС. Это позволяет увеличить температурный напор в топке, улучшить протекание процессов смесеобразования и сгорания и повысить экономичность котла. Горячие газы, образовавшиеся в результате горения топлива, омывают поверхности нагрева, отдавая им свое тепло. Отработавшие газы с температурой 170—400 оС отводятся в атмосферу. Питательная вода, поступающая в пароводяной коллектор и поддерживающая в нем постоянный уровень, предварительно подогревается в экономайзере 8. Температура воды на выходе из экономайзеров судовых котлов на 30—50 оС ниже температуры насыщения. В испарительной поверхности нагрева 6, образованной конвективным и экранным пучками, вода доводится до кипения. Отделение влажного насыщенного пара происходит в пароводяном коллекторе. Образовавшийся пар поступает в пароперегреватель 7, перегретый — к потребителям. Вспомогательные котлы, как правило, не имеют пароперегревателей и производят влажный насыщенный пар. Большинство водотрубных котлов имеют естественную циркуляцию. Она обеспечивается за счет разности плотностей не кипящей воды, находящейся в опускных трубах 11 и пароводяной смеси, заполняющей подъемные трубы испарительной поверхности нагрева. Опускные трубы расположены за экранными, которые защищают их от тепловосприятия из топки. По этим трубам вода из пароводяного коллектора опускается вниз в водяной коллектор, а затем поступает в подъемные трубы. Выходящая из них пароводяная смесь поступает в пароводяной коллектор, где происходит отделение пара от воды. Неиспарившаяся вода смешивается с 8

непрерывно поступающей питательной водой и вновь направляется в опускные трубы. Газотрубный котел, рис. 1.3, образован цилиндрическим корпусом, состоящим из обечайки 1, переднего 2 и заднего 3 днищ. Внутри корпуса расположены: жаровая труба 4, передняя и задняя огневые камеры 5 и 6, пучки дымогарных труб первого и второго ходов газа 7, 8. Продукты сгорания топлива последовательно проходят по жаровой трубе в заднюю огневую камеру, затем по дымогарным трубам первого хода газов — в переднюю огневую камеру и по трубам второго хода в дымовую коробку 9. Затем газы уходят в атмосферу. Образующийся влажный насыщенный пар отводится к потребителям из верхней части корпуса.

Рис. 1.3. Схема газотрубного котла

Корпус выполнен сваркой, его днища дополнительно подкреплены длинными связями 10. Газотрубные котлы, как правило, имеют паропроизводительность не выше 1,5 т/ч, при рабочем давлении не выше 1,0 МПа. Дополнительными поверхностями нагрева они обычно не оборудуются. Газотрубные котлы характеризуются неупорядоченной естественной циркуляцией, так как в них не выделяются подъемные и опускные элементы контура циркуляции. Утилизационные котлы используют тепло уходящих газов дизелей, температура которых достигает 350—450 оС. Использование части этого тепла позволяет заметно снизить расход топлива на нужды СЭУ. Наиболее распространенными являются котлы с принудительной циркуляцией, схема одного из них приведена на рис. 1.4.

9

Рис. 1.4. Принцип работы утилизационного котла с принудительной циркуляцией

Уходящие газы поступают в приемную камеру корпуса котла 1, последовательно омывают пароперегреватель 2, испаритель 3, экономайзер 4 и поступают в камеру глушения 5, откуда они отводятся в атмосферу. Питательная вода при помощи питательного насоса 6 подается в сепаратор пара 7 и смешивается с находящейся в нем водой. При помощи циркуляционного насоса 8 вода поступает в экономайзер котла 4, затем в испаритель 3. Выходящая из испарителя пароводяная смесь направляется в сепаратор пара, где происходит её разделение. Часть образовавшегося насыщенного пара отводится непосредственно к потребителям, остальная — направляется в пароперегреватель 2, затем перегретый пар поступает к потребителям. Паропроизводительность утилизационного котла определяется температурой и расходом газов, то есть зависит от режима работы дизеля. При пусках и остановках дизеля, а также при их работе на малых нагрузках, рекомендуется перепускать газы мимо котла во избежание загрязнения и развития сернистой коррозии поверхности нагрева. Регулируют паропроизводительность следующими способами: — изменением расхода газа через котел при помощи заслонок; — изменением площади работающей поверхности нагрева; — сбросом излишком пара в конденсатор; — изменением температуры и расхода циркуляционной воды; — изменением давления пара. 2.2. КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА КОТЛОВ 10

Классификация судовых котлов осуществляется по следующим основным признакам: — по назначению: главные, вспомогательные; — по рабочему давлению Рк: низкого давления (Рк < 2 МПа), среднего давления (Рк= 2—4 МПа), повышенного давления (Рк= 4—6 МПа), высокого давления (Рк > 6 МПа); — по принципу действия: газотрубные, водотрубные, комбинированные агрегаты; — по способу организации движения воды и пароводяной смеси: с естественной или принудительной циркуляцией, прямоточные; — по размещению топочных устройств: с фронтальным и потолочным расположением; — по виду теплоносителя: обычные паровые (производящие водяной пар), водогрейные (производящие горячую воду), двухконтурные, термомасляные. На судах транспортного и рыбопромыслового флота используются вспомогательные котлы типов КАВ, КВВА, КВ, КВА (КГВ) отечественного производства и котлы различных зарубежных фирм. Они выпускаются в виде мощностных рядов, то есть по единой компоновочной схеме, но с разными характеристиками, размерами поверхности нагрева и параметрами производимого пара. Так, мощностной ряд котлов типа КАВ представлен моделями КАВ 1,6/7, КАВ 2,5/7, КАВ 4/7, КАВ 6,3/7 и др. Примеры маркировки вспомогательных котлов: 1. КВА 0,63/5 — котлоагрегат вспомогательный автоматизированный паропроизводительностью 0,63 т/ч с рабочим давлением пара 5 кгс/см2 (5 бар или 0,5 МПа); 2. КГВ 0,4/0,3 — котлоагрегат газотрубный вспомогательный паропроизводительностью 0,4 т/ч с рабочим давлением пара 0,3 МПа); 3. КВВА 2,5/5 — котлоагрегат водотрубный вспомогательный автоматизированный паропроизводительностью 2,5 т/ч с рабочим давлением пара 5 кгс/см2 (0,5 МПа).

Утилизационные котлы с принудительной циркуляцией отечественного производства имеют индекс КУП, который расшифровывается как «котел утилизационный паровой», например: КУП 40/6СИ — котел утилизационный паровой с площадью поверхности нагрева 40 м2 (округленно), рабочее давление пара 6 кгс/см2 (0,6 МПа), стандартный с искрогасителем.

2.3. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КОТЛОВ

11

Производство котлом пара является следствием непрерывно протекающих в нем следующих процессов: — аэродинамического (движения воздуха и газов); — топочного (образования и горения топливовоздушной смеси); — циркуляции (движения воды и паровой смеси); — теплообмена. Для оценки качества их протекания, конструктивных и эксплуатационных особенностей котла, используются следующие параметры. — паропроизводительность Dк, т/ч, кг/ч, кг/с — количество пара, производимое агрегатом в единицу времени; — полезная тепловая мощность Q1, кВт — количество тепла, уносимое из котла с паром в течение 1 секунды. Для котла, производящего насыщенный пар, тепловая мощность равна: Q1 = Dк(iх – iпв), где iх, iпв — энтальпии влажного насыщенного пара и питательной воды, кДж/кг.

— рабочее давление Рк, МПа — максимально допустимое давление при нормальном протекании рабочего процесса в продолжительном режиме, за исключением допустимого кратковременного повышения давления во время действия предохранительных клапанов. — температура перегретого пара tпп, оС. — расход топлива В, кг/ч, кг/с. — коэффициент полезного действия ηк, % — отношение количества тепла, уносимого из котла с паром, к количеству тепла, внесенного в топку, выраженное в процентах, то есть:

ηк = 100Q1/(ВQр), где В — расход топлива, кг/с; Qр — тепло, внесенное в топку, кДж/кг.

— температура питательной воды tпв, оC. — температура уходящих газов tух, оС. — тепловая нагрузка топочного объема qv, кВт/м3 — количество тепла, выделяющееся в 1 м3 топочного пространства в течение одной секунды. Величина qv характеризует степень форсировки котла; — коэффициент избытка воздуха α — величина, показывающая, во сколько раз объем воздуха, подаваемый в топку, больше теоретически необходимого. — водосодержание ω, ч — отношение количества воды Vк, т, содержащейся в котле, к номинальной паропроизводительности Dк, т/ч:

ω = Vк/Dк. Водосодержание характеризует аккумулирующую способность котла. Его физический смысл заключается в том, что оно показывает, за какое 12

время вода, находящаяся в котле, работающем с номинальной паропроизводительностью, полностью испарится при отсутствии подпитки. Чем ниже водосодержание котла, тем заметнее колебания уровня воды и давления пара при изменении его нагрузки. 3. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА В отчете необходимо привести ответы на поставленные в задании вопросы. Ответы должны сопровождаются иллюстрациями, эскизами и схемами, выполненными от руки.

13

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Охарактеризуйте понятие «паровой котел» Поясните, какие процессы в нем протекают? Из каких элементов состоит собственно котел? Что такое «дополнительные поверхности нагрева»? 2. Поясните принцип действия и устройство водотрубного вертикального котла с естественной циркуляцией и хвостовыми поверхностями нагрева. 3. Назовите основные признаки, в соответствии с которыми осуществляется классификация судовых котлов. Перечислите основные параметры котлов, кратко охарактеризуйте их. 4. Проведите сравнительный анализ конструкций водотрубных и газотрубных котлов, поясните, в чем заключаются их различия? 5. Поясните, что означает выражение «маневренные качества котла»? Как они связаны с его конструкцией? 6. Какие материалы используются для изготовления элементов корпусов котлов? Как осуществляется крепление труб испарительной поверхности нагрева к коллекторам? 7. Поясните, как осуществляется естественная циркуляция воды в водотрубных котлах? 8. Назовите составные части и охарактеризуйте принцип действия газотрубного котла. Почему котлоагрегат типа КВА (КГВ) называется «трехходовым по газам»? 9. Назовите составные части и поясните принцип действия водотрубного котла типа КАВ. Перечислите основные параметры судовых котлов. 10. Назовите составные части и поясните принцип действия утилизационного котла с принудительной циркуляцией. Укажите способы регулирования их паропроизводительности. 11. Дайте определение следующим понятиям: «газовое пространство», «паровое пространство», «водяное пространство», «зеркало испарения», «поверхность нагрева». 12. Назовите признаки, по которым производится классификация судовых котлов. Расшифруйте маркировку и классифицируйте котлы следующих типов: КАВ 4/7, КВА 1/5, КУП-40СИ. 13. Назовите виды циркуляции воды, которые применяются в судовых паровых котлах. На примере котлов типов КАВ и КУП-40 поясните, каким образом организованы эти виды циркуляции. 14. Перечислите основные устройства, входящие в состав судовой котельной установки, поясните их назначение. Укажите системы, обслуживающие котельную установку.

13

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 2 ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА КОТЛОВ Цель занятия: изучение принципа действия и устройства различных типов форсунок. Знакомство с особенностями конструкции и эксплуатации элементов топочных устройств судовых котлов. Задание. 1. Рассмотреть принцип действия и конструкцию, выполнить эскизы и схемы следующих элементов топочных устройств: — воздухонаправляющих устройств с неподвижными лопатками; — механических нерегулируемой и регулируемой форсунок; — паромеханической форсунки; — ротационной форсунки. 2. Изучить устройство и работу автоматизированного топочного устройства типа «Монарх», составить его схему. 3. Рассмотреть и охарактеризовать различные способы регулирования производительности форсунок и расхода воздуха, подаваемого котельным вентилятором в топку. 4. Рассмотреть основные неисправности элементов топочных устройств и охарактеризовать их причины и способы устранения. 5. Изучить и записать правила Морского Регистра Судоходства в части, касающейся топочных устройств, их конструкции, блокировки и защиты. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТОПОЧНЫХ УСТРОЙСТВАХ Топочное устройство (ТУ) вспомогательного парового котла, иначе называемое горелкой, состоит из воздухонаправляющего устройства, форсунки и элементов управления и регулирования. Воздухонаправляющее устройство (ВНУ) предназначено для подачи в топку воздуха, образования топливовоздушной смеси, создания турбулентного потока горящей смеси топлива и топочных газов. Оно обеспечивает непрерывное зажигание горючей смеси, ее устойчивое горение, возможность изменения размеров и формы топливного факела. Основное применение во вспомогательных судовых котлах находят ВНУ устройства с неподвижными направляющими лопатками. Форсунка предназначена для подачи жидкого топлива в топку и его распыливания. В настоящее время на судах находят применение механические, паромеханические и ротационные форсунки. Элементы управления горением представлены датчиками наличия пламени в топке, уровня воды в котле, содержания кислорода в уходящих газах, давления пара, а также усилительными и исполнительными 14

устройствами. Они обеспечивают качественное горение топлива на всех нагрузках котла, осуществляют его защиту при отклонении параметров от нормальных значений. Элементы управления горением могут обеспечивать как пропорциональное управление, так и позиционное — по принципу «включено — выключено». 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ Настоящее практическое занятие выполняется аналогично предыдущему. На первом этапе курсанты должны ознакомиться с составом и принципом действия топочных устройств котлоагрегата типа КГВ 0,4/3 и водотрубного котла. Для этого необходимо указанные устройства разобрать, составить с натуры эскизы и схемы, поясняющие работу составляющих их элементов. В ходе работы рекомендуется использовать стенды, чертежи, макеты форсунок и натурные образцы, имеющиеся в кабинете котельных установок. Разборка и сборка элементов ТУ производится при помощи слесарного инструмента с соблюдением правил техники безопасности. На втором этапе, используя рекомендованную литературу, необходимо самостоятельно изучить и законспектировать, снабдив необходимыми иллюстрациями, следующие основные вопросы: — ВНУ котлов. Подвод воздуха к котлу. Регулирование подачи воздуха в топку. Управление сгоранием по внешним признакам [3, c. 39— 42], [6, c. 86—95], [11, c. 109—111], [10, c. 64—67]; — топочное устройство вспомогательного котла. Типы, устройство и принцип действия форсунок. Конструкция топочного устройства типа «Монарх». Топливный быстрозапорный клапан [3, c. 36—39, 42—43], [6, c. 80—86], [10, c. 66—71], [11, c. 102—109]; — характерные неисправности и эксплуатация ТУ. Топливная система СКУ и ее эксплуатация [11, c. 103], [12, c. 190]; — Правила Морского Регистра Судоходства в части, касающейся топочных устройств [4, c. 557, 676—677]. 3. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА В отчете необходимо привести краткие ответы на поставленные в задании вопросы. Ответы следует сопроводить эскизами и схемами. При их составлении нет необходимости копировать иллюстрации, приведенные в соответствующих разделах учебников. Показателем усвоения материала является умение курсанта самостоятельно изобразить устройство того или иного узла или детали, с упрощениями, не искажающими представлений об их действии и устройстве. 15

Ошибкой является широко распространенное переписывание отчетов курсантами друг у друга. Игра в такой «испорченный телефон» не дает тех твердых знаний, которые приобретаются в процессе самостоятельной работы с книгой и технической документацией. Кажущаяся «экономия» времени при этом оборачивается слабым знанием предмета и требует значительных затрат сил, нервов и времени при защите задания. В ходе подготовки к защите настоящего практического занятия рекомендуется самостоятельно дать ответы на приведенные ниже контрольные вопросы. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Укажите назначение, назовите состав и перечислите основные типы топочных устройств судовых котлов. 2. Охарактеризуйте устройство и работу ВНУ устройства с неподвижными лопатками. Поясните, как изменяют через него расход воздуха? 3. Опишите принцип действия механической центробежной форсунки. Поясните, что такое «глубина регулирования» форсунки. Какими способами осуществляется регулирование производительности форсунок? 4. Назовите характерные неисправности механической форсунки, их внешнее проявление и способы устранения. Как влияют дефекты форсунок на техническое состояние котла и его экономичность? 5. Поясните принцип действия и устройство паромеханической форсунки, укажите, чем она отличается от механической. Какие преимущества эта форсунка имеет перед механической центробежной? 6. Поясните принцип действия ротационной форсунки, сравните ее с механической центробежной и паромеханической. Укажите преимущества и недостатки этой форсунки. Назовите конструктивные и эксплуатационные особенности ротационных форсунок. 7. Как проверяют и регулируют форсунки в судовых условиях? 8. Поясните состав и работу топочного устройства типа «Монарх». Как с его помощью обеспечивается защита котла по достижению предельного нижнего уровня воды? 9. Сформулируйте правила Морского Регистра Судоходства, относящиеся к защите и блокировке топочных устройств. В чем заключается разница понятий «защита» и «блокировка»? В каких случаях они должны срабатывать?

16

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 3 АРМАТУРА И ВНУТРИКОЛЛЕКТОРНЫЕ УСТРОЙСТВА Цель занятия: изучение назначения, состава, расположения, принципа действия и особенностей конструкции арматуры судовых котлов и устройств, расположенных в пароводяном пространстве. Задание. 1. Составить схему расположения арматуры на вспомогательном водотрубном котле, обозначить ее элементы. Привести классификацию арматуры по назначению и расположению. 2. Изучить устройство и принцип действия следующих видов котельной арматуры: — предохранительного клапана прямого действия; — предохранительного клапана непрямого действия; — стопорного парового клапана; — комплекта питательных клапанов; — клапанов верхнего и нижнего продувания; — водоуказательных приборов. 3. Изучить и законспектировать правила Морского Регистра Судоходства в части, касающейся арматуры, перечисленной в п. 2. 4. Составить схемы размещения устройств, расположенных в пароводяном и водяном коллекторах водотрубных котлов. 5. Изучить принцип действия и особенности работы следующих внутриколлекторных устройств: — погружного и потолочного дырчатых щитов; — питательной трубы; — труб и воронок продувания; — различных видов сепараторов пара. 6. Рассмотреть особенности технической эксплуатации и обслуживания котельной арматуры и внутриколлекторных устройств. Охарактеризовать их основные неисправности, причины возникновения. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОТЕЛЬНОЙ АРМАТУРЕ Арматурой называются приборы и устройства, установленные на котле, и предназначенные для контроля протекающих в нем процессов, их регулирования и управления. В зависимости от назначения, различают следующие виды арматуры: — управляющая — служащая для изменения режима работы котла и расходов его рабочих сред. К ней относятся главный и вспомогательный стопорные клапаны, клапаны продувания, питательные клапаны, воздушные и дренажные клапаны; 17

— контрольная — предназначенная для контроля за процессами, протекающими в котле (водоуказательные приборы, термометры и манометры, тягонапоромеры, газоанализаторы, дистанционные указатели уровня); — предохранительная — служащая для защиты котла при отклонении его параметров от расчетных значений. Эту роль выполняют предохранительные и быстрозапорные клапаны; — для физико-химического контроля рабочих сред — клапаны для отбора проб котловой воды и ввода химических реагентов для внутрикотловой водообработки, устройства для взятия проб дымовых газов. Кроме этого, в зависимости от места размещения различают арматуру парового и водяного пространств. Конструкция арматуры, ее расположение и количество должны удовлетворять требованиям Морского Регистра Судоходства. Внутриколлекторные устройства обеспечивают подвод и распределение питательной воды, продувание котла, отсутствие значительных уносов воды с паром. Их наличие повышает надежность циркуляции и качество производимого котлом пара. 2. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА В процессе выполнения практического занятия курсант должен использовать имеющиеся макеты, образцы различных видов арматуры и контрольно-измерительных приборов, плакаты, стенды, техническую и нормативную документацию. Разборка и сборка арматуры и последующее составление эскизов и схем с натуры позволяет понять принцип ее действия, правильное взаимное расположение состaвныx частей и их взаимодействие. Отчет должен содержать краткие, исчерпывающие ответы на поставленные в задании вопросы. Он включает необходимые для пояснения принципа действия или устройства эскизы и схемы. Рекомендуемая литература: — схема расположения арматуры на котле [10, c. 178], [11, c. 160], [12, c. 115]; — конструкция различных видов арматуры [6, c. 324—338], [3, c. 175—182], [10, c. 179—186], [11, c. 124—134; 163—170], [12, c. 114—118]; — Правила Морского Регистра Судоходства в части касающейся котельной арматуры [4, c. 671—675], [11, c. 161—163]; — внутриколлекторные устройства котлов [12, c. 113], [10, c. 140], [11, c. 170—174]; 18

— особенности технической эксплуатации арматуры и внутриколлекторных устройств [11, c. 215—216, 241, 258]. В ходе подготовки к защите настоящего практического занятия рекомендуется самостоятельно дать ответы на приведенные ниже контрольные вопросы. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Классифицируйте котельную арматуру по месту ее размещения и выполняемым функциям. Укажите состав, назначение и размещение арматуры на водотрубном вспомогательном котле. 2. Поясните устройство водоуказательного прибора с плоским стеклом. Назовите способы и периодичность проверки исправности прибора. Охарактеризуйте признаки исправной работы прибора. 3. Укажите характерные отказы водоуказательного прибора, которые могут возникнуть в процессе работы котла 4. Назовите время, которое могут работать газо- и водотрубные котлы с одним действующим водоуказателем при выходе второго из строя? 5. Поясните работу предохранительного клапана прямого действия. Укажите способы и периодичность проверки исправности клапана. Назовите давление, при котором должен происходить автоматический подрыв клапана. 6. Чем по принципу действия и конструкции различаются предохранительные клапаны прямого и непрямого действия? Дайте их сравнительную характеристику. 7. Поясните методику проверки исправности и регулировки предохранительных клапанов? 8. Чем объясняется различие конструкций клапанов верхнего и нижнего продувания? Почему в качестве клапанов нижнего продувания предпочтительнее использование дисковых или пробковых кранов? 9. В каком случае стопорный клапан выполняется невозвратным? 10. Поясните работу и устройство различных сепараторов пара. Что общего в их принципе действия? 11. Перечислите требования Морского Регистра Судоходства к предохранительным и стопорным клапанам судовых котлов. 12. Перечислите требования Морского Регистра Судоходства к питательным клапанам и водоуказательным приборам судовых котлов. 13. Перечислите основные дефекты котельной арматуры. Назовите их причины, последствия, предпринимаемые для их ликвидации меры. 14. Объясните, как устроены и работают питательные клапаны? 15. Поясните принцип действия сепараторов пара. 16. Какие конструктивные меры для повышения надежности циркуляции воды предпринимаются в водотрубных котлах? 17. Поясните расположение и назначение внутриколлекторных устройств.

19

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 4 КАРКАС, КОЖУХ, ФУТЕРОВКА, ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ Цель занятия: изучение конструкции, особенностей работы и технической эксплуатации корпусов, каркасов, кожухов и теплоизоляции судовых котлов. Задание. 1. Изучить конструкцию, представить эскизы и схемы следующих элементов судовых вспомогательных паровых котлов: — коллекторов и трубной системы водотрубного; — корпуса газотрубного; — каркаса, наружного и внутреннего кожухов водотрубного; — подвижных и неподвижных опор. 2. Изобразить: — способы крепления труб к коллекторам и корпусу котла; — крепление патрубков для присоединения арматуры; — крепление лазов и горловин пароводяного пространства; — крепление лазов газоходов; — крепления элементов теплоизоляции к каркасу и коллекторам. 3. Составить схему расположения опор с указанием направления перемещения котла при его нагреве. 4. Перечислить различные теплоизоляционные материалы. Привести их основные характеристики, указать область их применения. 5. Изучить характерные дефекты теплоизоляции, возникающие при эксплуатации котлов и их причины. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Каркас котла представляет собой своеобразный «скелет», изготовленный сваркой из стальных полос, пластин и профилей. К нему крепятся обшивка, кирпичная кладка, коллекторы, дополнительные поверхности нагрева. Доступ во внутренние пространства котла обеспечивается при помощи съемных щитов и лазов. Обшивка (кожух) на многих котлах выполняется двойной и состоит из внутренней и наружной стенок. Пространство между ними используется для движения воздуха, подающегося в топку. Между наружной и внутренней обшивками устанавливаются распорные скобы, предохраняющие их стенки от деформации. Ширина межобшивочного пространства составляет 100—150 мм, в районе топочного устройства она увеличивается до 400 и более мм. Съемные щиты выполняются, как правило, в виде прямоугольников с соотношением сторон 1:1,5. Размер внутреннего съемного щита с каж20

дой стороны меньше, чем наружного на 20—30 мм. Внутренняя обшивка, в зависимости от ее температуры, теплоизолирована огнеупорным кирпичом или другими материалами. Кирпичи крепятся болтами или специальными креплениями. С судовым фундаментом котел соединяется при помощи подвижных и неподвижных опор. Подвижность опор позволяет обеспечить свободу тепловых расширений и уменьшает напряжения, нежелательные для нормальной работы котла. Котел закрепляют таким образом, чтобы обеспечить возможность его перемещения вдоль оси в направлении, противоположном месту присоединения паропровода. Гарнитура котла делится на топочную и котельную. Первая включает в себя форсунки, ВНУ с приводами и элементы крепления, вторая — устройства для обслуживания газовоздушного тракта. В состав котельной гарнитуры входят: смотровые устройства, сажеобдувочные аппараты, шиберы (заслонки), штуцера, лазы и воздуховоды. 2. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ Изучение конструкции элементов каркаса, кожуха, теплоизоляции и гарнитуры котлов производится с использованием макетов, натурных образцов, стендов, плакатов и чертежей. Оформление отчета производится в часы самостоятельной подготовки. При этом используется учебная литература и техническая документация. Отчет по работе должен содержать краткие, исчерпывающие ответы на поставленные в задании вопросы. При необходимости, ответы должны иллюстрироваться эскизами и схемами, поясняющими устройство и взаимодействие составных частей рассматриваемых элементов. При освещении основных вопросов практического занятия рекомендуется использовать следующую литературу: — каркас, устройство подвижных и неподвижных опор [11, с. 186], [3, с. 184], [6, с. 290—307]; — наружный и внутренний кожухи [11, с. 187], [6, с. 308—311]; — крепление съемных щитов, лазов, люков [6, с. 321—324]; — теплоизоляция котлов, ее виды и особенности [6, с. 314], [11, с. 190—192], [12, с. 200—201]; — крепление теплоизоляции [6, с. 311—314]; — состав, назначение и устройство гарнитуры [6, c. 314—324], [12, c. 111—112]; — дефекты кладки и теплоизоляции, особенности ее технического обслуживания и ремонта [12, с. 201—204], [11, с. 252—255].

21

3. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА В отчете приводятся краткие ответы на поставленные в пп. 1, 2 и 3 задания вопросы. Они сопровождаются необходимыми иллюстрациями и схемами. В ходе подготовки к защите рекомендуется самостоятельно дать ответы на приведенные ниже контрольные вопросы. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Из каких элементов состоит гарнитура котла, каково их назначение? 2. Как конструктивно обеспечивается тепловое расширение котла? 3. Перечислите материалы для изготовления теплоизоляции котлов, охарактеризуйте область их применения и условия работы. 4. Поясните, какими способами осуществляется крепление листовой и мастичной теплоизоляции к кожуху котла. 5. Назовите характерные повреждения кирпичной кладки, их причины и методы предотвращения и устранения. 6. Поясните, как конструктивно обеспечивается тепловое расширение элементов котлов? 7. Как осуществляется крепление огнеупорных кирпичей к стенкам кожуха? Какие условия при этом должны быть обеспечены? 8. Расшифруйте значение понятий «корпус», «каркас», «кожух», «футеровка», «гарнитура», «мертель». 9. Назовите основные причины выхода из строя кирпичной кладки и теплоизоляции котлов. 10. Назовите способы ремонта повреждений кладки и топочных фурм паровых котлов.

22

РАЗДЕЛ 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТОВ СУДОВЫХ КОТЛОВ Раздел включает восемь расчетных практических занятий. В них рассматривается методика выполнения наиболее часто встречающихся в ходе курсового и дипломного проектирования расчетов: материального и теплового балансов, лучистого и конвективного теплообмена, аэродинамического сопротивления газовоздушного тракта, прочности основных конструктивных элементов котлов. Занятия должны выполнятся в той последовательности, в которой они представлены в настоящих указаниях. Они построены таким образом, что результаты, полученные в предыдущих занятиях являются исходными данными для последующих. Такая последовательность позволяет курсантам глубже понять взаимосвязь и взаимовлияние различных процессов, протекающих в котлах. Расчетом называется документ, в котором производится определение (поверка) каких-либо параметров и величин. При выполнении практических занятий следует избегать формального выполнения расчетов. Необходимо помнить, что всякий расчет должен либо что-то подтверждать, либо что-то опровергать. Полученные результаты должны быть прокомментированы, а затем использованы в последующих расчетах. Таким способом можно установить логические связи между процессами, протекающими в котле. Расчеты выполняются в соответствии с ГОСТ 2.106-68 «ЕСКД. Текстовые документы». Они должны содержать: — задачу расчета с указанием того, что требуется определить; — исходные данные; — расчетную схему; — условия расчета; — собственно расчет; — заключение (вывод). ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 5 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ. ОБЪЕМЫ ВОЗДУХА И ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ Цель занятия: приобретение навыков расчетного определения составляющих материального баланса для процесса сгорания, протекающего в топке судового вспомогательного котла. 23

Задание. 1. Составить материальный баланс процесса сгорания 1 кг топлива, определить объем газообразных продуктов сгорания, найти теоретический и действительный объемы воздуха для горения. 2. Вычислить полный объем образовавшихся дымовых газов. Расчет оформить в виде табл. 5.1. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Топливо нефтяного происхождения состоит из следующих химических элементов (содержание приведено в долях от единицы): — углерод С — 0,84—0,87; — водород Н — 0,10—0,13; — горючая сера S — 0—0,04; — кислород О — 0,003—0,005; — азот N — 0,001—0,004. Кроме них в топливе имеется влага W и зола А, которые не участвуют в горении и образуют так называемый балласт. Химический состав топлива, поступающего в топку котла, характеризуется рабочей массой Сp + Нp +Оp + Sp + Np + Аp + Wp = 1. Кроме рабочей различают сухую и горючую массы. Сухая масса представляет собой обезвоженную рабочую Сc + Hc + Оc + Sc + Nc + Аc = 1. Горючая масса (без влаги и золы) равна Сг + Нг + Ог + Sг + Nг = 1. В сертификате топлива, составленном по данным лабораторного анализа, указывается состав горючей массы, содержание золы в сухой массе и значение влажности рабочей массы. Пересчет содержания компонентов с одной массы на другую производится при помощи коэффициента перевода k, равного 1 – Wр – Ар или 1 – Wр, например: г

Ср = Сc(1 – Wр) = С (1 – Wр – Aр). Важнейшей характеристикой топлива, используемой в тепловых расчетах, является его низшая рабочая теплота сгорания Qнр, кДж/кг, определяемая без учета тепла конденсации водяного пара, образующегося в процессе горения. Величину Qнр можно определить по формуле, предложенной Д. И. Менделеевым: Qнр = 100[339Cр +1256Hр + 109Sр – 109Ор) – 25,14(9Hр+Wр)]. (5.1)

24

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМОВ ВОЗДУХА И ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ Считая сгорание полным, рассмотрим реакции окисления основных химических компонентов топлива: 12

32

44

32

C + O2 = CO2

1 кмоль 22,4м3

32

64

S + O2 = SO2

1 кмоль 22,29м3

1 кмоль 22,4м3

1 кмоль 21,89м3

4

32

36

2H2 + O2 = 2H2O

2 кмоль 1 кмоль 2 кмоль 22,4м3 2⋅22,4м3

Как следует из них, для полного сгорания всего углерода, содержащегося в 1 кг топлива, потребуется (1/12)Ср кмоль или (22,4/12)Ср = 1,866Ср м3 кислорода и при этом образуется (22,29/12)Ср = 1,857Ср м3 углекислого газа СО2. Аналогично, для полного сгорания всей серы в 1 кг топлива потребуется (22,4/32)Sр=0,7Sр м3 кислорода, при этом образуется объем сернистого газа SO2, равный (21,89/32) или 0,683Sр м3. Для полного сгорания всего водорода топлива нужно затратить (22,4/4)Нр = 5,6Нр м3 кислорода, при этом образуется 11,2Нр м3 водяного пара. Таким образом, теоретически необходимый объем воздуха для полного сгорания 1 кг топлива с учетом того, что кислорода в атмосферном воздухе содержится 21 % по объему, а его плотность при нормальных условиях (НУ) ρо составляет 1,44 кг/м3, равен, м3/кг Vо = (1/0,21)(1,866Cр + 0,7Sр + 5,61Hр − 0,694Oр). Действительный объем воздуха, поступающий в топку, м3/кг: Vо = αVо,

(5.2) (5.3)

где α — коэффициент избытка воздуха, равный для вспомогательных котлов, работающих на номинальном режиме, 1,05—1,3.

Полный объем газообразных продуктов сгорания, покидающих котел, м3/кг: Vпс = VN2 + VH2O + VR2O + VO2, (5.4) где VN2 — объем азота; VH2O — объем водяного пара; VR2O — объем трехатомных газов; VO2 — объем двухатомных газов. Рассмотрим метод определения составляющих уравнения (5.4). Объем азота VN2, м3/кг, складывается из поступающего с воздухом, в котором его по объему содержится 79 %, и азота топлива. Суммарный объем азота равен: (5.5) VN2 = 0,79αVо + 0,8Nр; Объем кислорода VO2, м /кг, неиспользованного на окисление при горении с α > 1, составляет: 3

25

VO2 = 0,21(α − 1)Vо; (5.6) Объем трехатомных газов VRO2, м3/кг, в соответствии с уравнениями окисления компонентов топлива определится как: (5.7) VRO2 = 1,857Кр, где Кр = Ср + 0,386SP — приведенный углерод топлива.

Объем водяного пара VH2O, м3/кг, складывается из пара, внесенного с топливом, влажным воздухом и поданного через форсунку. Объем водяного пара, внесенный с топливом: Vт = (9Hр + Wр)/0,804, объем пара, поступающего с влажным воздухом: V = 0,001⋅1,293Vod/0,804, где 1,293 — плотность воздуха при нормальных условиях (НУ), кг/м3; d — влагосодержание воздуха, 8—10 г/кг; 0,804 — плотность водяного пара при НУ, кг/м3.

Объем влаги, вносимой с распыливающим паром: Vф = Gф/0,804, где Gр — расход пара на распыливание топлива, кг/кг.

С учетом рассмотренного, полный объем водяного пара в продуктах сгорания 1 кг топлива, м3/кг: (5.8) VH2O = (9Нр+Wр)/0,804 + (0,00161αVоd +1,244Gр). Действительный объем влажного воздуха, м3/кг, поступающего в топку котла, для обеспечения полного сгорания топлива, равен: Vвл = αVо(1 + 0,00161d).

(5.9)

3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА Расчет составляющих материального баланса процесса сгорания выполняют в форме табл. 5.1. Его ведут с точностью до третьей значащей цифры. Подстановка в расчетные выражения числовых значений обязательна. Выполнение расчетов можно производить при помощи компьютера. Для этого предназначен пакет KOT-PRA, разработанный автором. В процессе выполнения расчета необходимо исследовать, как влияет изменение одного из параметров (коэффициента избытка воздуха α, зольности рабочей массы Ар или ее влажности Wр) на составляющие материального баланса.

26

Перед выполнением расчета необходимо составить схему с указанием материальных потоков сред, входящих и выходящих из топочной камеры (рис. 5.1).

Рис. 5.1. К составлению материального баланса

Как следует из рис. 5.1, на любом установившемся режиме горения масса вносимых в топку сред равна массе образовавшихся продуктов сгорания. Уравнение материального баланса в данном случае имеет вид (5.10) 1,293Vвл + 1 − Ар + Gp = ρ гоVпс, где ρ го — плотность продуктов сгорания при НУ, кг/м3.

Исходные данные для расчета составляющих материального баланса приведены в табл. 5.2. Их выбор производится по номерам вариантов. Последний соответствует порядковому номеру курсанта в списке учебной группы. Давление газов в топке Рт принимается равным 0,101—0,103 МПа. Таблица 5.1

Параметр, Размеробозначение ность Коэффициент пересчета k — Содержание элементов в рабочей массе топлива: • — углерод Ср • р — водород H • р — сера S • р — кислород O • — азот Nр Приведенный углерод Кр — кДж/кг Низшая рабочая теплота сгорания топлива Qнр Теоретически необходимый м3/кг объем сухого воздуха Vo Действительный объем м3/кг влажного воздуха Vвл 27

Формула, расчет k = 1 – Aр – Wр Сгk Hгk г Sk Oгk Nгk р С + 0,368Sр Формула (5.1) Формула (5.2) Формула (5.9)

Рез.

Продолжение табл. 5.1

Параметр, Размеробозначение ность Объем трехатомных газов м3/кг

Формула, Расчет Формула (5.7)

Рез.

VRO2

Объем свободного кислорода VО2

м3/кг

Формула (5.6)

Объем азота VN2 Объем водяного пара VH2O Объем сухих газов Vсг Полный объем продуктов сгорания Vпс Объемная доля трехатомных газов rRO2 Объемная доля водяного пара rH2O Суммарная объемная доля газов и пара rп Парциальное давление трехатомных газов РRO2 Парциальное давление водяного пара PH2O Суммарное давление Рп Плотность дымовых газов при НУ ρ г°

м3/кг м3/кг м3/кг м3/кг

Формула (5.5) Формула (5.8) VRO2 + VO2 + VN2 Формула (5.4)

—

VRO2/Vпс

—

VH2O/Vпс

—

rRO2 + rH2O

МПа

Pт rRO2

МПа

Рт rH2O

МПа кг/м3

РRO2 + PН2O (1 − Aр + αVо[1,293 + 0,001293d]+ + Gр)/Vпс

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет должен содержать: — цель занятия, задание, исходные данные для расчета; — схему материального баланса с нанесенными на нее найденными величинами составляющих, расчет в виде табл. 5.1; — выводы о результатах влияния одного из параметров (Ар, Wр,α) на величину объемов газообразных продуктов сгорания. 5. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ 28

Исходные данные для расчетов приведены в табл. 5.2. Вариант соответствует номеру курсанта в списке учебной группы. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Назовите химические элементы, входящие в состав топлива. Какие из них взаимодействуют с кислородом, выделяя при этом тепло? 2. Укажите, как влияют на объем двух- и трехатомных газов величины коэффициента избытка воздуха и химический состав топлива? 3. Охарактеризуйте понятие «Низшая рабочая теплота сгорания топлива». Поясните, от каких факторов зависит ее величина. 4. Почему объем продуктов сгорания, покидающих котел, больше объема поступающего в топку воздуха? 5. Объясните, какие факторы способствуют росту содержания в топливе воды и механических примесей? 6. Назовите основные источники водяного пара в продуктах сгорания. 7. Как зависит экономичность котла от величины коэффициента избытка воздуха? Чем можно объяснить эту зависимость? 8. Как ведут управление качеством процесса сгорания по внешним признакам и показаниям контрольно-измерительных приборов? Укажите признаки нормального сгорания. 9. Поясните понятия «полное» и «неполное» сгорание топлива. 10. Охарактеризуйте основные нарушения нормального режима горения топливовоздушной смеси. Какими причинами вызваны эти нарушения?

29

Таблица 5.2 Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

г

С 0,853 0,865 0,879 0,865 0,851 0,865 0,863 0,870 0,860 0,870 0,865 0,860 0,865 0,860 0,855 0,853 0,865 0,877 0,836 0,850 0,865 0,861 0,866

г

Н 0,124 0,122 0,109 0,108 0,107 0,126 0,133 0,124 0,120 0,110 0,126 0,110 0,115 0,115 0,105 0,123 0,122 0,111 0,111 0,108 0,126 0,135 0,124

г

О 0,002 0,003 0,004 0,005 0,004 0,003 0,001 0,003 0,004 0,005 0,003 0,005 0,003 0,005 0,004 0,003 0,003 0,004 0,005 0,004 0,003 0,001 0,004

Состав топлива Nг Sг 0,001 0,020 0,002 0,008 0,003 0,005 0,002 0,020 0,003 0,015 0,002 0,004 0 0,003 0,002 0,001 0,002 0,014 0,005 0,010 0,001 0,005 0,003 0,022 0,002 0,015 0,003 0,017 0,004 0,032 0,001 0,001 0,002 0,008 0,003 0,005 0,002 0,020 0,003 0,035 0,002 0,004 0 0,003 0,002 0,004

р

W 0,010,015 0,010 0,020 0,0015 0,010 0 0,005 0,005 0 0,005 0,003 0 0,005 0,008 0,020 0,010 0,010 0,020 0,015 0,012 0 0,005

30

р

A 0,001 0,002 0,0015 0,0013 0,0015 0,0005 0,0001 0,0009 0,0012 0,005 0,007 0,003 0,001 0,0008 0,002 0,010 0,0015 0,0015 0,0013 0,0018 0,0015 0 0,0007

α 1,10 1,15 1,20 1,05 1,10 1,10 1,25 1,15 1,20 1,13 1,07 1,30 1,05 1,20 1,15 1,13 1,30 1,22 1,05 1,15 1,13 1,05 1,12

d, г/кг 10 8 9 10 12 8 10 11 9 8 10 12 11 9 10 12 9 9 11 12 8 10 9

Gp, кг/кг 0,03 0,02 0,03 0 0,01 0 0 0,04 0,02 0,02 0 0,04 0 0 0,02 0 0,02 0 0,03 0,03 0 0,01 0

Продолжение табл. 5.2 Вариант 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

г

С 0,860 0,870 0,870 0,860 0,865 0,862 0,855 0,850 0,853 0,865 0,877 0,837 0,860 0,850 0,865 0,875 0,836 0,860 0,850 0,860 0,875 0,837

г

Н 0,120 0,110 0,124 0,110 0,115 0,130 0,105 0,110 0,123 0,122 0,111 0,110 0,110 0,126 0,122 0,113 0,111 0,110 0,126 0,122 0,113 0,110

г

О 0,004 0,005 0,003 0,005 0,003 0,005 0,004 0,004 0,003 0,004 0,003 0,005 0,004 0,003 0,004 0,003 0,005 0,004 0,003 0,009 0,004 0,005

Состав топлива Nг Sг 0,001 0,015 0,005 0,010 0,001 0,002 0,003 0,022 0,015 0,002 0,003 0,017 0,003 0,033 0,004 0,032 0,001 0,001 0,001 0,008 0,004 0,005 0,002 0,020 0,004 0,022 0,001 0,001 0,001 0,008 0,004 0,005 0,002 0,020 0,004 0,022 0,001 0,001 0,001 0,008 0,003 0,005 0,002 0,020

р

W 0,007 0 0,005 0,004 0 0,006 0,009 0,008 0,022 0,010 0,015 0,010 0,008 0,022 0,010 0,015 0,010 0,008 0,022 0,010 0,015 0,010

31

р

A 0,0012 0,005 0,009 0,0035 0,001 0,0009 0,0028 0,002 0,015 0,0015 0,002 0,0013 0,002 0,015 0,002 0,002 0,0013 0,002 0,015 0,002 0,002 0,0013

α 1,20 1,13 1,05 1,22 1,05 1,20 1,14 1,18 1,15 1,30 1,28 1,05 1,28 1,15 1,35 1,28 1,05 1,28 1,15 1,30 1,28 1,05

d, г/кг 9 10 10 12 11 9 8 10 11 9 10 11 12 10 9 8 10 12 10 9 8 12

Gp, кг/кг 0 0,04 0 0,03 0,03 0,02 0 0,025 0,01 0,02 0,025 0,03 0,025 0,01 0 0,025 0,03 0,025 0,01 0 0,015 0,03

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 6 ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ «ЭНТАЛЬПИЯ — ТЕМПЕРАТУРА» ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ Цель занятия: изучить методику построения диаграммы «энтальпия — температура (I—t)» продуктов сгорания 1 кг топлива и ее использования в процессе выполнения теплового расчета котла. Задание. 1. Используя данные, полученные в практическом занятии 5, построить диаграмму I—t продуктов сгорания 1 кг топлива в интервале температур 0—2 200 °С. 2. Найти массу продуктов сгорания, образовавшихся в результате сгорания 1 кг топлива. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ После определения объема продуктов сгорания приступают к построению диаграммы I—t, основы для теплового расчета котла. Энтальпия — количество теплоты, затраченное на нагревание объема газов от 0 до t оС. Величину энтальпии относят к объему газов, полученных в результате полного сгорания 1 кг топлива. Ее выражают в размерности [кДж/кг]. Энтальпия продуктов сгорания, представляющих собой смесь различных газов, определяется как сумма произведений теплоемкостей отдельных составляющих на их объемы и температуру смеси. Таким образом, энтальпия действительного объема продуктов сгорания одного килограмма топлива, сгорающего с коэффициентом избытка воздуха α > 1, равна, кДж/кг (6.1) I = (VRO2CRO2 + VN2CN2 + VH2OCH2O + VO2CO2)t, где C RO2, CN2, CH2O,CO2 — средние объемные изобарные теплоемкости соответствующих газов, кДж/(м3°С).

Энтальпия продуктов сгорания топлива одного и того же состава зависит от значения коэффициента избытка воздуха α. С его ростом увеличивается объем газов, покидающих котел. Поэтому для топлива одного и того же состава можно построить семейство кривых I = f(t), каждая из которых будет соответствовать различным значениям α. Как видно из рис. 6.1, с ростом величины α при одной и той же температуре t энтальпия газа возрастает. Это объясняется тем, что для нагревания до той же температуры возросшего объема газов требуется большее количество тепла, а значит, — при этом продукты сгорания обладают более высокой внутренней энергией, то есть энтальпией. 36

Рис. 6.1. Влияние коэффициента избытка воздуха на форму кривой I—t

2. МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ ДИАГРАММЫ I—t Энтальпия продуктов сгорания рассчитывается по выражению (5.1) в интервале температур 0—2 200 оС с шагом Δt, равным 100—200 оС. Величины средних объемных изобарных теплоемкостей газов, составляющих продукты сгорания, кДж/(м3°С), для различных температур указаны в табл. 6.1. Исходные данные: — объем трехатомных газов VRO2, м3/кг; — объем азота VN2, м3/кг; — объем свободного кислорода VO2, м3/кг ; — объем водяного пара VH2O, м3/кг. Расчет энтальпии газов и построение диаграммы удобно производить в форме табл. 6.2. Здесь показан один из примеров ее заполнения. В первой колонке табл. 6.2 указано текущее значение температуры продуктов сгорания, в последующих — величины произведений объемов газов, составляющих продукты сгорания, на их теплоемкости и текущую температуру. В шестой колонке приведена их сумма, представляющая собой искомую энтальпию. Седьмая колонка таблицы содержит значение энтальпии в масштабе и введена с целью упрощения построения диаграммы. Масштаб диаграммы m принимается равным 250 кДж/(кг⋅мм). 37

Таблица 6.1 t, °C 0 100 200 300 400 500 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 000 2 200

CRO2 1,600 1,700 1,787 1,862 1,930 1,988 2,040 2,131 2,203 2,263 2,313 2,355 2,391 2,422 2,448

CN2 1,294 1,295 1,299 1,306 1,316 1,327 1,340 1,367 1,391 1,414 1,434 1,452 1,468 1,482 1,495

CO2 1,306 1,318 1,335 1,356 1,378 1,398 1,417 1,450 1,478 1,500 1,520 1,540 1,554 1,569 1,583

CH2O 1,494 1,505 1,522 1,542 1,566 1,589 1,614 1,668 1,722 1,766 1,828 1,876 1,921 1,962 2,000

Диаграмма строится на миллиметровой бумаге. Таблица 6.2 t, °C

VRO СRO t, кДж/кг 2

2

VN CN t, кДж/кг 2

2

VO CO t, кДж/кг 2

2

VH OCH Ot, кДж/кг 2

2

I, кДж/кг

мм

1

2

3

4

5

6

7

100 200 300 … 2 200

255,34 538,35 848,86 … 8527,59

1257,3 2552,5 3840,6 … 32414,1

44,62 90,07 136,87 … 1190,00

243,4 490,4 739,9 … 7168,9

1798 3671 5570 … 49300

7,2 14,7 22,3 … 197,0

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИАГРАММЫ I—t В ТЕПЛОВЫХ РАСЧЕТАХ Методику использования построенной диаграммы I—t рассмотрим на примере определения тепловой мощности утилизационного котла. По известной температуре газа перед котлом tг при помощи диаграммы (рис. 6.2) найдем значение энтальпии газа на входе в котел Iг. Аналогично по tух определим величину энтальпии уходящих из котла газов Iух. Тепловая мощность утилизационного котла (количество тепла, переданное через поверхность нагрева) Q1, кВт: Q1 = Вϕ(Iг – Iух),

(6.2)

где ϕ — коэффициент сохранения тепла, учитывающий тепловые потери через обшивку котла в окружающую среду, 0,95—0,98; B — расход топлива через двигатель, кг/с.

38

Рис. 6.2. Использование диаграммы I — t в расчетах

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет должен содержать: — исходные данные; — табл. 6.1 с расчетами; — диаграмму I — t, построенную на листе миллиметровой бумаги формата А4; — значение массы продуктов сгорания Мпс, кг, образовавшихся в результате горения 1 кг топлива. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Дайте определение понятиям «теплоемкость» и «энтальпия» газа. Укажите, как они зависит от его температуры. 2. Объясните, каким образом влияет величина коэффициента избытка воздуха на величину энтальпии продуктов сгорания? 3. Поясните, от чего зависит наклон кривой на диаграмме I —t? 4. Объясните, как строится и используется диаграмма I —t в процессе теплового расчета котла. 5. Поясните, какие факторы определяют массу продуктов сгорания, полученных в результате горения 1 кг топлива?

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 7 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО КОТЛА 39

Цель занятия: изучить и практически освоить методику составления прямого теплового баланса вспомогательного судового котла, определения величин тепловых потерь.

Задание. 1. В соответствии с принятым вариантом (табл. 7.3) и типом котла (рис. 7.2), составить тепловую схему котла по типу показанной рис. 1.2 с указанием направлений движения, параметров и расходов рабочих сред (воздуха, воды, топлива, газов). 2. Найти расход топлива и температуру уходящих из котла газов. 3. Построить в масштабе круговую или ленточную диаграмму распределения составляющих теплового баланса (по типу рис. 7.1). 4. Найти, насколько изменится суточный расход топлива при увеличении КПД котла на 1 % по сравнению с заданным. Определить экономический эффект, считая стоимость 1 т топлива равной 220—250 условным единицам. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Тепловой баланс котла является частным случаем всеобщего закона сохранения материи и энергии. На установившемся режиме работы сумма тепловых потоков, поступающих в топку, равна сумме тепла уходящего из котла пара и тепловых потерь, то есть приход тепла равен его расходу. Различают прямой и обратный тепловые балансы. Путем составления прямого теплового баланса по известному КПД котла определяют расход топлива и, наоборот, — по известному расходу топлива находят величину КПД. В результате составления обратного баланса по результатам теплотехнических испытаний, можно оценить величину КПД котла, работающего на данном режиме. Тепловой баланс вспомогательного котла составляется относительно 1 кг сгоревшего топлива, при этом его статьи выражаются в размерности [кДж/кг]. Его можно составить применительно к секундному расходу топлива В. Тогда его статьи имеют размерность [кВт]. Тепловой баланс принято сводить к располагаемому теплу Qp, кДж/кг, то есть к теплу, вносимому в топку котла (7.1) Qp = Q нр + Q т + Q п,

где Qнр — низшая теплота сгорания, кДж/кг; Qт — тепло, внесенное с подогретым топливом, кДж/кг; Qп — тепло, распыливающего паром, кДж/кг. Рассмотрим составляющие выражения (7.1):

— тепло, внесенное с топливом: Qт = Cт tт = (1,738 + 0,00251tт)tт ,

(7.2)

где tт — температура подогрева топлива, 60—120 °С; Cт — теплоемкость топлива, кДж/(кг·°С).

— тепло, внесенное с паром: 40

Qп = Gр(iр – 2514),

(7.3)

где ip — энтальпия распыливающего пара, кДж/кг, определяемая по таблицам воды и водяного пара. Давление распыливающего пара Рр при этом принимается равным 0,15—0,3 МПа, температура пара tр ≈ ts+ (15÷40) °C.

Количество тепла, выделившееся в топке котла на установившемся режиме работы, равно сумме количеств полезно использованного тепла (полезной тепловой мощности) Q1 и всех тепловых потерь ΣQпот, то есть: Qр = Q1 + ΣQпот. Уравнения прямого теплового баланса котлов с газовым воздухоподогревателем и без него одинаковы и имеют вид:

Qр + Qв= Q1 + Q3 + Q5 + Iух,

(7.4)

где Q1 — полезно использованное тепло, кДж/кг; Q3 — потеря от неполноты сгорания топлива, кДж/кг; Q5 — потеря тепла в окружающую среду, кДж/кг; Iух — энтальпия уходящих газов, кДж/кг; Qв — тепло, вносимое в топку с воздухом, кДж/кг. Уравнение (7.4) можно представить в виде:

Qр = Q1 + Q2 + Q3 + Q5,

(7.5)

где Q2 — потеря тепла с уходящими газами, кДж/кг, Q2 = Iух – Qв.

Потеря тепла с уходящими газами Q2 обусловлена тем, что они имеют температуру выше, чем окружающая среда. Разделив обе части уравнения (7.5) на Qр и выразив его составляющие в процентах, получим уравнение прямого теплового баланса в относительных единицах (%): 100 = ηк + q2 + q3 + q5 = ηк + ∑qпот. Уравнение обратного теплового баланса имеет вид

ηк = 100 – (q2 + q3 + q5),

(7.5.1) (7.5.2)

где ηк — КПД котла, %; q1, q2, q3 — относительные потери тепла, %.

2. РАСХОД ТЕПЛА. ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ Расходная часть теплового баланса складывается из полезно использованного тепла Q1 и суммы тепловых потерь. В общем случае, когда котел производит насыщенный, перегретый и охлажденный пар, его полезная тепловая мощность равна, кВт: (7.6) Q1 = Dпп(iпп – iпв) + Dн(iх – iпв) + Dох(iох – iпв) + Dпр(i′– iпв), где iпп, iх, iох, i′, iпв — энтальпии перегретого, влажного насыщенного, охлажденного пара, кипящей и питательной воды соответственно, кДж/кг; Dпр — количество продуваемой из котла воды, кг/с.

Коэффициент полезного действия котла ηк, %, представляет собой от41

ношение полезно использованного тепла к располагаемому, выраженное в процентах: ηк = 100Q1/(BQнр). (7.7) Тепловые потери в котле складываются из потери от неполноты сгорания, потери тепла с уходящими газами и потери тепла в окружающую среду через обшивку котла.

Относительная потеря тепла от неполноты сгорания q3 обусловлена наличием в уходящих газах продуктов неполного окисления горючих компонентов топлива. Ее величина в расчетах принимается равной 0,5%. Относительная потеря тепла в окружающую среду q5 обратно пропорциональна производительности котла. Ее величину принимают равной 1,0—2,5 % или находят по эмпирической зависимости: (7.8) q5 = 2,6/Dк0,448, где Dк — паропроизводительность котла, кг/с.

В процессе выполнения теплового расчета котла q5 учитывают при помощи коэффициента сохранения тепла: ϕ = 1 – q5/(q5 + ηк) (7.9) Потеря тепла с уходящими газами q2 является наибольшей и равна 5—25 % в зависимости от типа котла. Ее величина определяется по формуле: (7.10) q2 = 100 − (ηк + q3 + q5). Зная величину потери тепла с уходящими газами, можно определить энтальпию продуктов сгорания Iух, кДж/кг, покидающих котел (7.11) Iух = (q2Qp)/100 + Qв, а затем по диаграмме I—t найти температуру уходящих газов tух. Распределение составляющих теплового баланса вспомогательного котла представлено на рис. 7.1. 3. МЕТОДИКА СОСТАВЛЕНИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА Исходные данные для выполнения занятия приведены в табл. 7.3. Для расчетов потребуются: — рабочее давление пара в котле Рк, МПа; — паропроизводительность котла Dк, кг/с, в том числе: • по перегретому пару Dпп; • по охлажденному пару Dох; — температура насыщения ts,°С (таблицы воды и пара по Рк); — температура перегретого пара tпп, °С; 42

— температура охлажденного пара tох (задана или принимается равной ts + (15÷40 °С); — температура питательной воды tпв, °С; — температура подогрева топлива tт, °С; — энтальпия воды в состоянии насыщения i', кДж/кг (принимается по таблицам воды и пара по Рк); — энтальпия сухого насыщенного пара i″, кДж/кг (там же); — энтальпия питательной воды iпв, кДж/кг (там же или iпв = 4,19tпв); — энтальпия перегретого пара iпп, кДж/кг (там же по Рк и tпп); — энтальпия распыливающего пара iр, кДж/кг (там же по Рр и tр); — влажность пара у, %; — норма продувки Р, % (принимается не более 0,5—2).

Рис. 7.1. Графическое представление теплового баланса (ленточная диаграмма)

При выборе остальных параметров необходимо руководствоваться следующими рекомендациями. Паропроизводительность котла по насыщенному пару, кг/с: Dн = Dк – Dпп – Dох. Если котел имеет однослойный кожух и не оборудован воздухоподогревателем, температура воздуха, поступающего в топку, принимается немного выше температуры окружающей среды, то есть tв= tо + (5÷10) оС. В том случае, если котел имеет двухслойный кожух, то величина температуры воздуха на входе в топку tв зависит от наличия или отсутствия у него воздухоподогревателя: — при его наличии tв достигает 130—250 оС; — при отсутствии воздухоподогревателя воздух подогревается в 43

межкожуховом пространстве и его температура, оС: tв = tо + (30÷50). Средняя удельная объемная изобарная теплоемкость воздуха с влажностью d, равной 10 г/кг, и водяного пара приведены в табл. 7.1. Таблица 7.1 *

CВ , кДж/(м С)

СН2О, кДж/(м3оС)

0

1,3188

1,4943

100 200 300

1,3243 1,3318 1,5224

1,5052 1,5223 1,5423

t, °С

3о

*

При другом влагосодержании воздуха его теплоемкость находится по выражению Св′ = Cв + 0,0161(d − 10)СН2О.

Промежуточные значения Св находят линейной интерполяцией. Предварительно, перед выполнением расчетов, составляется тепловая схема котла с указанием направлений движения и параметров (температур, энтальпий, расходов) всех рабочих сред. По результатам определения составляющих теплового баланса в масштабе строится диаграмма распределения тепловых потерь и анализируются возможные способы их снижения. Результаты расчета оформляются в виде табл. 7.2. После составления предварительного теплового баланса проводится исследование влияния изменения одного из перечисленных ниже параметров на технико-экономические показатели работы котла: — коэффициента избытка воздуха α; — рабочего давления пара в котле Рк; — температуры питательной воды tпв; — влажности пара у; — температуры перегрева пара tпп. По результатам исследования выполняют графики. Таблица 7.2

Рез. Параметр, обозначение Разм. Формула, расчет Потеря тепла в окружающую % Формула (7.8) среду q5 Потеря тепла от неполного % Принимается 0,5 % сгорания q3 % Задан КПД котла ηк Продолжение табл. 7.2 Формула, расчет Рез. Параметр, обозначение Разм. 44

Потеря тепла с уходящими % газами q2 Тепло, внесенное в топку с кДж/кг воздухом Qв Физическое тепло топлива Qт кДж/кг

Формула (7.10)

Тепло распыливающего пара, кДж/кг подающегося в форсунку Qп Располагаемое тепло Qр кДж/кг Полезное тепловыделение в кДж/кг топке Qвт

Формула (7.3)

VвлСв,tв Формула (7.2)

Формула (7.1)

⎛100− q3 ⎞ QнP ⎜ ⎟ + Qт + Qв + Qп ⎝ 100 ⎠

Энтальпия уходящих газов Iух кДж/кг

Формула (7.11)

Температура уходящих из °С котла газов tух Коэффициент сохранения — тепла ϕ Количество продуваемой из кг/с котла воды Dпр Энтальпия влажного насы- кДж/кг щенного пара iх

Диаграмма I—t

Полезная тепловая мощность кВт Q1 Расход топлива В кг/с Испарительная способность кг/кг топлива u Температура точки росы ухо- °C дящих газов tр Минимально допустимая °С температура уходящих газов tmin Минимальная энтальпия ухо- кДж/кг дящих газов Imin Минимальная потеря тепла с % уходящими газами q2min % Максимально достижимый КПД котла ηкmax

Формула (7.9) DкP/100

⎛ y ⎞ ⎛ 100 − y ⎞ ⎟i' ⎟i'' + ⎜ ⎜ ⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ Формула (7.6) 100Q1/(ηкQр) Dк/B 130(100Sр)0,2 tp + (15÷20) Диаграмма I—t 100(Imin – Qв)/Qр 100 – (q2 min + q3 + q5)

Определение ηкmax целесообразно производить для котлов, оборудованных развитыми дополнительными поверхностями нагрева. Это позволит определить

45

предел эффективности котла при отсутствии сернокислотной коррозии его поверхности нагрева.

4. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ Варианты заданий представлены в табл. 7.3. Типы котлов, подлежащие расчету, приведены на рисунке 9. В последней колонке таблицы 7.3 указан порядковый номер схемы (1, 2 и т.д.). Таблица 7.3 Вар. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

η к,

Pк , МПа

Dк, кг/с

Dпп, кг/с

Dох, кг/с

tпп, °C

tох, °С

у, %

tв, °С

tпв, °C

1,0 1,5 2,0 0,5 1,5 1,0 0,5 0,8 1,2 2,5 2,0 0,7 1,2 2,0 0,5 1,0 1,5 2,5 1,0 1,5 1,0 0,5 1,5 1,0 2,5 2,5 0,5 1,2

3,0 1,2 1,7 1,3 3,7 2,0 0,9 1,0 1,7 4,5 3,8 0,8 1,1 4,5 1,1 3,2 1,4 1,7 1,3 4,7 2,3 0,9 1,4 1,7 4,5 3,8 0,8 1,7

0 1,0 1,5 1,3 3,0 1,8 0 0,9 1,5 4,5 3,3 0,7 0 4,0 0,9 3,0 1,2 0 1,3 4,1 2,3 0 1,1 1,4 3,8 3,8 0 1,3

0 0 0,2 0 0,7 0,2 0 0,1 0,2 0 0,5 0,1 0 0,5 0,2 0,2 0,2 0 0 0,6 0 0 0,3 0,3 0,7 0 0 0,4

— 330 340 210 310 300 — 260 330 360 330 210 — 330 220 250 350 — 250 300 280 — 270 260 330 340 — 300

— — 280 — 260 225 — 200 260 — — — — 280 190 — — — — 250 — — 200

0,5 2,50 1,50 3,50 1,50 0,75 2,50 3,50 5,0 5,0 2,5 2,2 2,5 2,5 3,5 4,0 3,0 3,5 1,5 1,0 0,5 0,75 2,5 2,25 0,9 2,0 0,8 0,65

— — 155 — 160 — — — — 150 140 — — 180 — 125 — — — 155 — — — — 160 150 — 135

55 84 60 85 50 92 60 83 65 88 55 85 60 85 60 86 65 90 60 93 70 93 55 87 65 88 60 92 55 86 50 85 55 85 65 93 65 85 55 88 58 87 50 85 55 86 63 92 65 93 58 87 60 84,5 63 88,2

260 — — 250

Схема

%

1 2 3 4 5 6 1 2 4 3 5 6 1 3 2 3 2 1 4 5 6 1 2 4 3 5 1 5

Продолжение табл. 7.3

46

Вар. 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

Pк , МПа

Dк, кг/с

Dпп, кг/с

Dох, кг/с

tпп, °C

tох, °С

у, %

tв, °С

tпв, °C

η к,

Схема

2,0 0,5 0,5 1,5 1,5 2,5 1,0 2,0 1,5 1,5 1,5 1,0 2,5 2,5 1,5 1,5 2,5

5,5 1,1 1,1 3,2 1,4 1,7 1,3 4,7 2,4 1,0 1,4 1,8 4,5 3,8 0,9 1,7 5,5

5,0 0,8 0,9 3,0 1,2 0 1,3 4,1 2,4 0 1,1 1,4 3,8 3,8 0 1,3 5,0

0,5 0,3 0,2 0,2 0,2 0 0 0,6 0 0 0,3 0,4 0,7 0 0 0,4 0,5

325 220 220 250 340 — 260 300 260 — 250 260 330 340 — 300 325

— 190 190 — — — — 240 — — 210

2,0 3,5 3,5 4,0 3,0 3,5 1,5 1,0 1,5 2,0 2,0 2,0 0,9 2,0 0,8 0,65 1,0

— — — 125 — — — 160 — — — — 150 150 — 135 —

65 54 57 40 55 60 65 58 58 56 59 62 65 58 62 63 60

91,5 85 86 85 84 92 85 87,5 89 84,5 86 91 93 87 84,5 88 92

4 6 2 3 2 1 4 5 6 1 2 4 3 5 1 5 4

260 — — 250 —

Рис. 7.2. Конструктивные схемы котлов к составлению предварительного теплового баланса КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

47

%

1. Поясните, из каких составляющих складывается тепловой баланс вспомогательного котла? 2. Назовите тепловые потери, наблюдающиеся при работе вспомогательного котла. Укажите конструктивные и эксплуатационные способы их уменьшения. 3. Запишите уравнения прямого и обратного тепловых балансов для вспомогательного котла, поясните входящие в них величины. 4. Поясните, как изменяются величины тепловых потерь при изменении нагрузки котла, коэффициента избытка воздуха?

5. Как изменится паропроизводительность котла в случае снижения температуры питательной воды, повышении рабочего давления пара? 6. Почему следует ограничивать температуру уходящих из котла газов? 7. Объясните, в чем заключаются различия между влажным насыщенным, сухим насыщенным, перегретым и охлажденным паром? 8. Дайте определение КПД котла, объясните, как влияют на его величину качество ведения топочного процесса, подготовки топлива, состояние тепловой изоляции? 9. Объясните физический смысл понятия «испарительная способность топлива». Как ее значение связано с величиной топливного КПД? 10. Назовите область применения уравнений прямого и обратного теплового балансов вспомогательного котла.

48

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 8 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС УТИЛИЗАЦИОННОГО КОТЛА. ОЦЕНКА ГЛУБИНЫ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ВЫПУСКНЫХ ГАЗОВ ДВС Цель занятия: приобретение навыков составления предварительного теплового баланса утилизационного котла с принудительной циркуляцией, оценка эффективности использования тепла уходящих газов судовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Задание. 1. В зависимости от варианта задания определить паропроизводительность утилизационного котла по насыщенному пару или температуру уходящих из него газов; 2. Рассчитать величины составляющих теплового баланса утилизационного котла, вычислить величину его относительного КПД; 3. Найти величину приращения эффективного КПД дизельной СЭУ за счет утилизации тепла уходящих газов. Рассчитать экономический эффект от действия утилизационной установки в течение одних суток. Среднюю стоимость топлива принять по практическому занятию 7. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Уходящие газы судовых ДВС, работающих на нагрузках, близких к номинальной, имеют температуру 350—450 оС. С ними в окружающую среду теряется 17—35 % тепла сгоревшего в цилиндрах топлива. Использование части этого тепла в утилизационных котлах позволяет значительно повысить экономичность судовой энергетической установки. Тепло уходящих газов ДВС не может быть полностью использовано в утилизационном котле по следующим причинам: — температура газов за утилизационным котлом должна быть не ниже 160—170 оС, то есть температуры точки росы паров раствора серной кислоты, образовавшихся при горении сернистого топлива. Это позволит предотвратить интенсивные коррозионные разрушения поверхности нагрева котла; —температура греющей среды (отработавших газов) должна быть выше температуры обогреваемой среды (воды, пара) не менее чем на 30—50 °С во избежание снижения интенсивности теплообмена; — чрезмерное развитие поверхности нагрева котла приведет к увеличению его габаритов, массы и стоимости; — аэродинамическое сопротивление утилизационного котла не должно быть более 3 000 Па для двухтактного и 5 000 Па для четырехтактного дизеля. Его увеличение выше указанных пределов из-за за45

грязнения поверхности нагрева проектами сгорания или чрезмерного увеличения повлечет за собой ухудшение процессов газообмена в дизеле и снизит его надежность и экономичность. Минимально допустимая температура газов за утилизационным котлом может быть принята равной, °С: tmin= tp + (15÷20),

(8.1)

где tр — температура точки росы паров серной кислоты, °С, tр = 130(100Sр)0,2.

Эффективность использования тепла в утилизационном котле может быть оценена при помощи коэффициента использования тепла:

ψ = (tг – tух)/(tг – tо),

(8.2)

где tг — температура газов на входе в утилизационный котел, °С; tух — температура газов на выходе из котла, оС; tо — температура окружающей среды, °С.

Величина ψ достигает значений 0,6—0,65 для установок с четырехтактными дизелями и 0,45—0,55 — с двухтактными. Полное количество тепла, которое можно использовать в утилизационном котле (тепловая мощность) Q1, кВт, составляет: Q1 = (ϕq2geNeQнр)/3 600,

(8.3)

где q2 — потеря тепла с уходящими газами ДВС, составляющая для разных типов 0,17—0,36; ge — средний удельный эффективный расход топлива на данном режиме, кг/(кВт⋅ч); Ne — эффективная мощность ДВС, кВт; ϕ — коэффициент сохранения тепла, равный:

ϕ = (100 – q5)/100. (8.4) Потеря тепла в окружающую среду через обшивку котла q5 определяется по известной эмпирической зависимости (см. занятие 7) или принимается равной 2—5 %. Полезная тепловая мощность утилизационного котла Q1, кВт, может быть определена с помощью уравнения теплового баланса по газовой стороне: (8.5) Q1 = ϕB(Iг – Iух), где В — секундный расход топлива через ДВС, кг/с:

В = geNе/3 600. (8.6) Паропроизводительность утилизационного котла по насыщенному пару Dн, кг/с, составляет Dн = Q1/(ix – iпв), (8.7) где ix — энтальпия влажного насыщенного пара, кДж/кг; iпв — энтальпия питательной воды, кДж/кг.

Эффективный КПД ДВС ηе, %, определяется по выражению

46

ηе =

3 600 100, g e Qнр

(8.8)

где Qнр — низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг, равная 39 000—40 400 для мазутов, 40 900—41 500 для моторных топлив, 42 000—42 800 для дизельных топлив.

Оценку эффективности использования теплоты в системе дизель — утилизационный котел производят при помощи коэффициента использования тепла Θ. Он представляет собой отношение тепла, полезно использованного в утилизационном котле, к количеству тепла, выделившемуся в цилиндрах дизеля при сгорании топлива, %:

Θ = 100Q1/(BQнр).

(8.9)

Величина Θ представляет собой приращение полезно использованного в СЭУ тепла с учетом утилизации части тепла выхлопных газов дизеля. КПД дизельной СЭУ, %, с учетом утилизации тепла:

ηдэу = ηе + Θ. 2. ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА КОТЛА С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ Применительно к утилизационному котлу уравнение теплового баланса может быть записано в виде: (8.10) ВIгC = Q1+ B(Q5 + Iух), где С — коэффициент, учитывающий протечки или перепуск газа через байпас, равный 0,95—1,0; Q5 — величина потери тепла через обшивку котла, кДж/кг.

Выразив составляющие уравнения (8.10) в процентах, получим: 100 = ηук + q2 + q5

(8.11)

где ηук — условный КПД утилизационного котла, %:

ηук = 100Q1/(IгBС),

(8.12)

где Q1 — полезная тепловая мощность утилизационного котла, найденная по уравнению баланса тепла с пароводяной стороны, и, в общем случае, равная, кВт:

Q1 = Dн(ix – iпв) + Dпп(iпп – iпв)+ Dпр(i′ − iпв), (8.13) Энтальпия газов на выходе из котлa Iух, кДж/кг, определяется по выражению: (8.14) Iух = Iг – Q1/(Bϕ) Уменьшение площади поверхности нагрева котла может быть достигнуто применением экономайзера. Его установка позволяет увеличить температурный напор и сделать котел более компактным. Экономайзер располагается последним по ходу газов. При снижении температуры газа 47

следует предусмотреть меры по предотвращению сернистой коррозии его поверхности нагрева. Для этого необходимо обеспечить условия, при которых температура металла труб будет выше температуры точки росы паров раствора серной кислоты на 15—20 °С. Температура стенки трубы может быть принята равной, °C: tст = tср+ 25, где tср — температура обогреваемой среды (воды или пароводяной смеси), °C.

Энтальпия циркуляционной воды на входе в экономайзер iц, кДж/кг, определяется из уравнения теплового баланса для сепаратора пара: (k − 1)i' + iпв , (8.15) iц = k где k — коэффициент кратности циркуляции.

Коэффициент кратности циркуляции равен отношению массового расхода циркулирующей воды к количеству образовавшегося за тот же промежуток времени пара. Его величина, в среднем, составляет 4—8. Значение k определяет массовую долю пара в пароводяной смеси. С ростом k содержание пара снижается. Уменьшение коэффициента кратности циркуляции k до 2—3 вызывает снижение iц и приводит к увеличению температурного напора в котле. Высокая доля пара в пароводяной смеси способствует интенсификации накипеобразования на внутренних поверхностях труб. 3. МЕТОДИКА СОСТАВЛЕНИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА УТИЛИЗАЦИОННОГО КОТЛА При составлении теплового баланса утилизационного котла необходимо учитывать падение температуры выхлопных газов на пути от дизеля до котла, которое в изолированном газоходе составляет примерно 1,0—1,5 °С на один метр его длины. При постоянной температуре и расходе газа паропроизводительность котла Dк зависит от температуры уходящих газов tух. В общем случае, при расчете утилизационного котла может потребоваться решение двух задач: — определение паропроизводительности котла на данном режиме Dк при известной температуре tух; — определение температуры газов за котлом tух при известной паропроизводительности Dк. Первая (прямая) задача достигается путем совместного решения уравнений баланса тепла по газовой и пароводяной (8.13) сторонам поверхности нагрева утилизационного котла (8.5) и (8.13): Q1 = ϕВ(Iг – Iух); 48

Q1 = Dк(iх – iпв). Искомая паропроизводительность котла составит, кг/с: Dк = Q1/(iх – iпв). Вторая (обратная) задача решается аналогично, с использованием уравнения (8.14): Q1 = Dк(iх – iпв), Iух = Iг – Q1/ϕВ, затем при помощи диаграммы I—t находится искомая tух. Для уменьшения объема расчетов при составлении предварительного теплового баланса утилизационного котла используйте готовую диаграмму I—t (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Диаграмма I—t для составления теплового баланса утилизационного котла

В качестве исходных данных для составления предварительного теплового баланса необходимо принять следующие параметры: — давление в сепараторе пара Рк , МПа; — паропроизводительность, в том числе: • по насыщенному пару Dк, кг/с; • по перегретому пару Dпп, кг/с; — температура газов на выходе из котла tух,°С; 49

— норма продувки Р, %; — температура насыщения ts, °С; — температура перегретого пара tпп, °С; — температура питательной воды tпв, °С; — энтальпия кипящей воды i', кДж/кг; — энтальпия перегретого пара iпп, кДж/кг; — энтальпия питательной воды iпв, кДж/кг; — энтальпия сухого насыщенного пара i", кДж/кг; — влажность пара у, %; — эффективная мощность дизеля Nе, кВт; — средний удельный эффективный расход топлива ge, кг/(кВт⋅ч); — низшая рабочая теплота сгорания топлива Qнр, кДж/кг; — температура уходящих газов дизеля tд, °С; — длина газохода L, (принять равной 7—15 м); — кратность циркуляции k. Таблица 8.1

Параметр, обозначение

Разм.

Формула, расчет

Секундный расход топлива через дизель В

кг/с

Формула (8.6)

Эффективный КПД дизеля ηe Потеря тепла в окружающую среду q5

% %

Формула (8.8) Принимается 2—5 % или

Коэффициент тепла ϕ

—

сохранения

q5 = 2,6 /Dк0 ,448

Температура газа перед кот- °С лом tг Энтальпия газа перед котлом кДж/кг Iг Энтальпия влажного насы- кДж/кг щенного пара iх Тепловая мощность паропере- кВт гревателя Qпп Энтальпия газов за паропере- кДж/кг гревателем Iзпп Температура газов за паропе- оС регревателем tзпп Энтальпия циркуляционной кДж/кг воды iц 50

Формула (8.4) tд− (1,0÷1,5)L Диаграмма I—t (рис. 8.1) ⎛ y ⎞ ⎛ 100 − y ⎞ i' ⎜ ⎟ + i'' ⎜ ⎟ ⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠

Dпп(iпп – iх) Iг – Qпп/(CBϕ) Диаграмма I—t Формула (8.15)

Рез.

Температура циркуляционной воды tц Температура воды на выходе из экономайзера tэв

°С °С

Таблицы воды и водяного пара по iц Принимаем, или ts − (15÷30) Продолжение табл. 8.1

Параметр, обозначение

Разм.

Формула, расчет

Энтальпия воды на выходе из экономайзера iэв Энтальпия пароводяной смеси на выходе из испарителя iсм Тепловая мощность испарительной поверхности Qи Энтальпия газов за испарителем Iзи Температура газов за испарителем tзи Количество продуваемой воды Dпр Тепловая мощность экономайзера Qэк Энтальпия газов за экономайзером Iух Температуря газов за котлом tух Коэффициент использования тепла ϕ Полезная тепловая мощность утилизационного котла Q1 Условный КПД котла ηук Приращение эффективного КПД дизельной СЭУ Θ КПД СЭУ с учётом утилизации тепла ηдэу

кДж/кг

кВт

Таблицы воды и водяного пара по tэв (k − 1)i' + iх k kDк(iсм – iц)

кДж/кг

Iзпп − Qи/(CBϕ)

°С

Диаграмма I—t по Iзпп

кг/с

PDк/100

кВт

Dкk(iэв – iц)

кДж/кг

Iзи – Qэк/(BCϕ)

°С

Диаграмма I—t по Iух

—

Формула (8.2)

кВт

Формула (8.13)

% %

Формула (8.10) Формула (8.9)

%

ηе + Θ

кДж/кг

Рез.

После составления предварительного теплового баланса необходимо провести исследование влияния на его параметры одного из перечисленных ниже факторов: — режима работы ДВС (изменения Nе, gе и tд); — кратности циркуляции k; — температуры питательной воды tпв; 51

— рабочего давления в сепараторе пара Рк; — влажности производимого насыщенного пара у; — температуры газов на выходе из котла tух; — температуры перегрева пара tпп. Результаты исследования представить в виде графиков. Расчет суточного экономического эффекта Э, руб./сутки, от использования системы утилизации производится по выражению: (8.16) Э = 0,024СтNegeΘ, где Ст — стоимость одной тонны топлива, руб.

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ Исходные данные для расчетов приведены в табл. 8.2, схемы утилизационных котлов представлены на рис. 8.2. Таблица 8.2 Вар.

Ne, кВт

1 2 3 4 5 6

1 100 2 350 4 850 7 900 1 000 3 200

0,21 0,188 0,205 0,193 0,220 0,196

7

10 500

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

2 950 5 300 6 920 936 2×1 450 4 300 3 350 8 900 1 200 3 800 5 800 6 410 1 550 3 000 10 600

ge, tг , кг/ °C /(кВт⋅ч)

PК , МПа

DК , кг/с

Dпп, кг/с

Tпп, °С

у, %

Схема установки

470 370 450 430 460 370

0,5 0,6 0,7 0,8 0,5 0,7

— — 0,6 1,0 — 0,4

— — 0,6 0,7 — —

— — 230 240 — —

0,8 2,0 2,4 3,0 3,0 1,3

Рис. 8.2.1 Рис. 8.2.1 Рис. 8.2.2 Рис. 8.2.2 Рис. 8.2.1 Рис. 8.2.1

0,185

430

0,8

1,1

0,9

240

2,5

Рис. 8.2.2

0,205 0,186 0,192 0,21 0,203 0,185 0,18 0,18 0,215 0,19 0,205 0,185 0,222 0,195 0,186

465 420 415 395 470 462 355 440 470 445 455 370 466 450 430

0,5 0,5 0,6 0,5 0,6 0,6 0,7 1,0 0,5 0,7 0,8 0,5 0,6 0,8 0,8

0,25 — 0,5 — — 0,55 — 1,1 — 0,7 0,6 0,85 — 0,4 1,2

— — 0,4 — — 0,42 — 1,1 — 0,6 0,6 0,72 — — 1,0

— — 220 — — 210 — 240 — 230 230 220 — — 250

2,0 2,5 3,5 4,0 5,0 3,0 5,0 3,5 2,5 0,5 1,5 3,0 0,5 2.5 3,5

Рис. 8.2.1 Рис. 8.2.1 Рис. 8.2.2 Рис. 8.2.1 Рис. 8.2.1 Рис. 8.2.2 Рис. 8.2.2 Рис. 8.2.2 Рис. 8.2.1 Рис. 8.2.2 Рис. 8.2.2 Рис. 8.2.2 Рис. 8.2.1 Рис. 8.2.1 Рис. 8.2.2

52

23 24 25 26 27

3 255 5 000 6 920 1 000 2×1 450

0,215 0,188 0,182 0,212 0,205

Вар.

Ne , кВт

28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41

3 200 3 350 11 100 3 800 5 500 6 200 1 550 3 600 1 205 2 000 4 550 7 800 1 100 3 200

0,195 0,185 0,182 0,19 0,200 0,188 0,22 0,198 0,22 0,198 0,210 0,197 0,225 0,206

42

10 000

43 44 45

3 000 5 500 6 900

445 375 430 450 460

0,5 0,6 0,7 0,5 0,5

0,35 — 0,5 — —

— — 0,5 — —

— — 250 — —

PК , МПа

DК , кг/с

Dпп, кг/с

tпп, °С

у, %

Схема установки

443 450 440 410 420 370 390 400 420 380 410 420 440 385

0,5 0,7 1,0 0,7 0,8 0,5 0,6 0,5 0,5 0,6 0,9 0,8 1,0 0,7

0,55 0,5 1,3 0,7 0,6 0,85 — 0,4 — — 0,45 1,0 — 0,4

0,42 0,5 1,0 0,6 0,6 0,72 — — — — 0,45 0,7 — —

210 200 240 230 250 220 — — — — 220 240 — —

1,5 2,5 2,0 1,5 0,5 2,0 0,5 2,0 1,0 2,0 2,4 2,0 2,0 1,5

Рис. 8.2.2 Рис. 8.2.2 Рис. 8.2.2 Рис. 8.2.2 Рис. 8.2.2 Рис. 8.2.2 Рис. 8.2.1 Рис. 8.2.1 Рис. 8.2.1 Рис. 8.2.1 Рис. 8.2.2 Рис. 8.2.2 Рис. 8.2.1 Рис. 8.2.1

0,195

420

0,8

1,1

0,9

250

2,0

Рис. 8.2.2

0,20 0,185 0,21

445 420 425

1,0 1,0 0,5

0,25 — 0,5

— — 0,4

— — 220

2,0 2,5 1,5

Рис. 8.2.1 Рис. 8.2.1 Рис. 8.2.2

ge , tг , кг/ °C /(кВт⋅ч)

4,5 Рис. 8.2.1 5,0 Рис. 8.2.1 3,0 Рис. 8.2.2 1,0 Рис. 8.2.1 1,0 Рис. 8.2.1 Продолжение табл. 8.2

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Охарактеризуйте величины, входящие в приходную и расходную части теплового баланса утилизационного котла. 2. Поясните, в чем заключается экономическая целесообразность утилизации тепла уходящих газов судовых дизелей? 3. Поясните, чем отличаются уравнения теплового балансов утилизационного и вспомогательного котлов? 4. Назовите и охарактеризуйте различные способы регулирования паропроизводительности утилизационных котлов. 5. Укажите показатели, которыми оценивается качество использования тепла в системе утилизации тепла СЭУ?

53

6. Как изменяются составляющие теплового баланса утилизационного котла при изменении режима работы дизеля? 7. Как влияет величина коэффициента кратности циркуляции на процесс теплообмена в котлах? 8. Какая поверхность нагрева устанавливается в утилизационном котле по ходу газов последней и почему? 9. Укажите источники бросового тепла на судне. Какими факторами ограничена степень утилизации тепла уходящих газов дизелей? 10. Назовите конструктивные и эксплуатационные способы увеличения глубины утилизации тепла.

Рис. 8.2. Принципиальные схемы утилизационных котельных установок с принудительной циркуляцией

54

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 9 РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКЕ Цель занятия: изучение особенностей лучистого теплообмена в топке вспомогательного котла и факторов, влияющих на его интенсивность. Приобретение практических навыков расчета топок. Задание. 1. Определить основные геометрические характеристику топки судового вспомогательного котла. 2. Выполнить расчет теплообмена в соответствии с исходными данными, приведенными в табл. 9.1, найти тепловую мощность топки и температуру уходящих из нее газов. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Теплообмен в топке происходит, в основном, излучением. Целью расчета теплообмена в топки является определение передаваемого в ней количества тепла (тепловой мощности) Qл и температуры газов на выходе tзт. Основными расчетными зависимостями являются выражения для определения величины безразмерной температуры за топкой:

tзт + 273 Bo0 ,6 , = 0,6 tа + 273 Mат + Bo0 ,6 и уравнение баланса тепла в топке со стороны хода газов: Qл = Вϕ(Iа − Iзт ), Θзт =

(9.1)

(9.2)

где Ia — теоретическая энтальпия газа в топке, кДж/кг; Iзт — энтальпия газа на выходе из топки, кДж/кг; ta — теоретическая температура горения, °С; М — параметр, характеризующий распределение температуры по высоте топки; ат — степень черноты топки; Во — критерий Больцмана.

Рассмотрим методику определения величин, входящих в расчетные выражения (9.1) и (9.2).

Теоретические энтальпия и температура горения. Теоретическая энтальпия газа Iа в топке равна полезному тепловыделению Qвт, кДж/кг, то есть: ⎛ 100 − q3 ⎞ I a = Qвт = Qнр ⎜ ⎟ + Qв + Qт , ⎝ 100 ⎠

(9.3)

Если бы в топке отсутствовал теплообмен между газами и ее стенками, то выделяющееся в ней тепло использовалось бы только для увеличения внутренней энергии газа. В этом случае в топке установилась бы максимально возможная температура, называемая теоретической или 55

адиабатной температурой горения ta. Ее величина может быть найдена при помощи диаграммы I—t по Ia = Qвт. Параметр М, характеризующий распределение температур по высоте топки: (9.4) М= 0,54 − 0,2хт где хт — относительная высота максимума температуры в топке, определяемая по выражениям хт = hф/Hт для одной форсунки, xт= (hф1В1 + hф1В2 + …+ hфiBi)/B для нескольких. Здесь hф, hфi — расстояние от нижней части топки (пода) до оси соответствующей форсунки, м; Hт — расстояние от пода топки до середины ее выходного сечения, м; Вi — расход топлива через соответствующую форсунку, кг/с; В — полный расход, кг/с.

Степень черноты топки ат характеризует ее способность поглощать выделяющееся тепло. Она является сложной функцией большого числа параметров лучистого теплообмена. Величина ат зависит от степени черноты факела аф и стенок, ограничивающих топку, аст. Степень черноты факела: (9.5) аф = maсф+ (1 – m)aг, где т — коэффициент усреднения, показывающий, какую часть топки занимает светящееся пламя.

Величина коэффициента усреднения m зависит от величины теплового напряжения топочного объема qv, кВт/м3: qv = ВQнр/Vт, где Vт — объем топки, м3.

Значение m = 0,55 если qv < 400 кВт/м3 и m = 1,0 если qv > 1 160 кВт/м3. Для промежуточных значений qv его величина определяется по формуле: (9.6) m = 0,55 + 0,00059(qv − 400). Степень черноты стенок топки аст определяется величиной и характером их наружных загрязнений. Влияние слоя загрязнений учитывается при помощи коэффициента загрязнeний лучевоспринимающей поверхности нагрева ξ, величина которого лежит в пределах 0,4—0,9. Коэффициент загрязнений характеризует способность слоя отложений, находящихся на экранных трубах, отражать падающее на него лучистое тепло. Для большинства топок ξ равен 0,55—0,7. Если известны величины ξ и аф, то степень черноты топки рассчитывается по выражению: aф , (9.7) aт = aф + (1 − aф )ξψ где ψ — степень экранирования топки.

56

Степень экранирования топки характеризует совершенство конструкции котла. Она представляет собой долю стенок топки, охлаждаемых водой, в общей площади стенок, ограничивающих топочную камеру: ψ = Нл/Fст, (9.8) где Нл — площадь лучевоспринимающей поверхности нагрева, м2; Fст — полная площадь стен, ограничивающих топку, м2.

Критерий Больцмана. Величина критерия Больцмана (топочного критерия) определяется по выражению: ϕBVпсCср (9.9) , Bo = σ о ξH лTa3 где VпсСср — средняя весовая теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива, кДж/(кг°·С); σо — коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67⋅10−11 Вт/(м2·К4); Та — абсолютная адиабатная температура, Та = tа + 273, К.

Величина произведения VпсСср определяется как средняя в интервале температур в топке между tа и tзт по выражению: VпсСср = (Qвт − Iзт)/(ta − tзт),

(9.10)

где tзт — температура газов на выходе из топки, °С.

Топливный факел состоит из двух частей: светящейся, образованной раскаленными частицами, и несветящейся, состоящей из трехатомных газов. Степени черноты обеих частей факела определяются по выражениям: — для светящегося пламени: (9.11) aсф = 1 − e − ( K г + K с )Pт S , — для несветящегося пламени:

aг = 1 − e − K г Pт S ,

(9.12)

где Кг — коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, 1/(МПа⋅м); Кс — коэффициент ослабления лучей частицами сажи 1/(МПа⋅м); Рт — давление в топке, МПа; S — эффективная толщина излучающего слоя, м.

Величины коэффициентов ослабления Кг и Кс определяются по эмпирическим зависимостям, рекомендованным работой «Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод»:

⎛ 2 ,47 + 5,06rH2 0 ⎞⎛ t + 237 ⎞ , − 1,02 ⎟⎜1 − 0 ,37 зт Kг = ⎜ ⎟rп ⎜ ⎟ 1000 ⎠ Pт rп S ⎝ ⎠⎝

(9.13)

где Рт — давление в топке, МПа; tзт — температура газов на выходе из топки, °С; rп — суммарная объемная доля трехатомных газов и водяных паров в продуктах сгорания; rH2O — объемная доля водяных паров в продуктах сгорания.

Kc = 0,3(2 – α)(0,0016(tзт + 273) – 0,5)Ср/Нр 57

(9.14)

где α — коэффициент избытка воздуха; Cр, Нр — содержание углерода и водорода в рабочей массе топлива.

Топливный факел излучает энергию по объему топки, имеющей сложную форму, при этом толщина излучающего слоя в произвольных направлениях различна. Для удобства выполнения расчетов ее приводят к полусфере с радиусом S, м, называемой эффективная толщина излучающего слоя: (9.15) S = 3,6Vт/Fст, где Vт — объем топки м3.

2. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКЕ Расчет теплообмена в топке ведут в следующем порядке. 2.1. В масштабе вычерчивают эскиз топки, (рис. 9.1), определяют с его помощью длину освещенных труб притопочного конвективного пучка l1, экранного пучка lэ, находят расстояния от пода топки до осей форсунок hф1 и до середины выходного сечения топки Нт. 2.2. По номограмме определяют угловые коэффициенты труб х1 и хэ, ограничивающих топочный объем. (Для данного практического занятия их величины заданы в табл. 9.2).

Рис. 9.1. Расчетная схема топки

58

2.3. Приняв (определив) величину теплового напряжения топочного объема qv, находят требуемый объем топки Vт, определяют ее топки Lт, площадь стен топочного фронта Fтф, величину лучевоспринимающей поверхности Нл, полную поверхность стен топки Fст и степень ее экранирования ψ. 2.4. Так как степень черноты топки и средняя суммарная весовая теплоемкость продуктов сгорания VпсСср зависят от неизвестной температуры за топкой tзт, то расчет теплообмена ведется методом последовательных приближений. Для этого: — принимают в первом приближении температуру газа за топкой tзт из интервала 1 150—1 300 °С, находят соответствующую ей энтальпию Iзт, рассчитывают величину VпсСср; — вычисляют величины коэффициентов ослабления Кг и Кс, эффективную толщину излучающего слоя S, степени черноты факела и топки аф и ат; — определяют в первом приближении критерий Больцмана Во, безразмерную температуру газа за топкой Θзт, действительную температуру газа tзт, °C, равную: tзт = Θзт(ta + 273) – 273. Если разность между принятой в первом приближении tзт и полученной tзт′ меньше ±50°C, расчет считают законченным. В противном случае необходимо сделать второе приближение с tзт″, равной tзт″ = (tзт′ + tзт)/2. 2.5. Тепловая мощность топки, кВт: Qл = ϕB(Ia – Iзт), не должна отличаться более чем на ±10 % от Qл′, соответствующей принятой в первом приближении температуры tзт′ Qл′ = ϕB(Ia – Iзт′). В противном случае необходимо уточнить значение температуры газа за топкой. 2.6. Эффективность работы топки, оценивается при помощи коэффициента прямой отдачи χ, %, и количеством пара, произведенном в экранных поверхностях нагрева Dэ, кг/с:

χ = 100Qл/(BQвт); Dп = Qл/(ix – iэв),

(9.16) (9.17)

где iэв — энтальпия воды на выходе из экономайзера, кДж/кг. При отсутствии экономайзера iэв принимается равной iпв.

3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКЕ 59

Основные исходные данные приведены в табл. 9.2. Часть их принимается из предыдущих расчетов: — тепловая нагрузка топочного объема qv, кВт/м3; — длина труб экранов l1, lэ, м; — угловые коэффициенты экранных труб х1, хэ (заданы); — параметр М (задан); — объемная доля водяных паров rH2O; — суммарная объемная доля rп; — давление в топке Рт, МПа; — коэффициент загрязнений лучевоспринимающей поверхности нагрева ξ; — полезное тепловыделение в топке Qвт (теоретическая энтальпия Ia), кДж/кг; — расход топлива В, кг/с; — коэффициент сохранения тепла ϕ; — содержание углерода и водорода в рабочей массе Ср, Нр; Таблица 9.1

Параметр, обозначение Объем топки Vт Длина топки Lт

Разм. 3

м м

Площадь стен топочного м2 фронта Fтф Лучевоспринимающая пом2 верхность нагрева Hл Площадь стен топки Fст м — Степень экранирования ψ Эффективная толщина изм лучающего слоя S Температура газа на выходе °С из топки tзт′ Энтальпия газов на выходе кДж/кг из топки Iзт′ Коэффициент ослабления 1/(МПа⋅м) лучей трехатомными газами Кг Коэффициент ослабления 1/(МПа⋅м) лучей сажистыми частицами Кс Степень черноты светяще— 60

Формула, источник BQвт/qv 3 V т Vт/Lт (l1x1 + lэxэ)Lт 2Fтф + Нл Нл/Fст Формула (9.15) Принимается 1 150— 1 300 Диаграмма I—t по tзт′ Формула (9.13) Формула (9.14)

гося пламени асф Степень черноты несветящегося пламени аг Коэффициент усреднения m Степень черноты факела аФ Степень черноты топки ат

—

Формула (9.11) Формула (9.12)

— — —

Формула (9.6) Формула (9.5) Формула (9.7) Продолжение табл. 9.1

Параметр, обозначение

Разм.

Формула, источник

Теоретическая температура горения ta Абсолютная теоретическая температура горения Та Средняя суммарная теплоемкость газов VпсСср Критерий Больцмана Во Безразмерная температура на выходе из топки Θзт Расчетная температура газа за топкой tзт Разность Δtзт Тепловые мощности топки Qл и Q л′ Разность ΔQл Количество пара, полученное в экранах Dэ Удельный паросъем d Коэффициент прямой отдачи

°С

Диаграмма I—t по Qвт

К

ta + 273

кДж/(кг⋅оС)

Формула (9.10)

— —

Формула (9.9) Формула (9.1)

°С

Qзт(ta + 273) − 273

°С кВт % кг/с

/tзт′ – tзт /< 50 Формула (9.2) для Iзт и Iзт′ 100(Qл′ – Qл)/Qл Формула (9.17)

кг/(м2⋅с) %

Dэ/Нл Формула (9.16)

χ

После расчета следует исследовать характер влияния на теплообмен одного из следующих параметров: — коэффициента избытка воздуха α; — коэффициента загрязнения лучевоспринимающей поверхности нагрева ξ. Исследование выполняется при помощи ЭВМ, его результаты представляются в виде графиков. 4. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ Варианты заданий приведены в табл. 9.2. Расчету подлежат котлы, схема которых приведены на рис. 7.2. 61

Таблица 9.2 Вар. 1 2 3 Вар. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

qv, кВт/м3 1200 790 2250

l1, м 3,2 2,2 1,98

qv, кВт/м3 850 1200 2000 1800 1400 1150 1000 1250 1950 1100 1720 920 1300 990 2250 1850 1550 1750 1800 1270 1380 1220 980 1550 1640 1520 1000 1000 1350 1200

l1, м 2,4 3,8 2,0 2,5 2,56 2,48 2,78 3,63 1,8 2,34 3,4 2,45 3,28 2,4 2,08 2,6 3,9 2,2 2,6 2,76 3,4 2,98 3,6 2,1 2,64 3,48 2,45 2,40 3,28 2,3

х1 0,96 0,95 0,96 х1 0,97 0,96 1,0 1,0 0,98 1,0 0,92 1,97 0,98 1,0 0,97 0,93 0,98 0,96 0,97 0,96 1,0 0,97 0,97 0,96 0,96 0,95 0,97 0,99 0,92 0,97 0,97 0,93 0,99 0,96

lэ, м 3,7 3,2 2,4 lэ, м 3,7 4,3 2,15 3,0 3,25 3,11 3,5 4,3 2,0 2,98 4,2 3,08 3,75 3,3 3,48 3,3 4,4 2,4 3,32 3,45 4,1 3,8 4,36 2,28 3,68 3,18 3,18 3,08 3,70 3,33

Хэ 1,0 1,0 0,95 Хэ 0,96 0,98 1,0 1,0 0,98 0,99 0,96 0,98 1,0 1,0 1,0 0,97 1,0 1,0 0,92 0,96 0,95 1,0 0,97 1,0 0,94 0,97 1,0 0,99 1,0 0,97 1,0 0,97 1,0 1,0

62

Параметр Прототип ξ М (рис. 7.2) 0,45 0,7 1 0,42 0,9 2 0,45 0,8 3 Продолжение табл. 9.2 Параметр М 0,43 0,4 0,5 0,445 0,48 0,51 0,5 0,38 0,443 0,45 0,4 0,465 0,45 0,44 0,47 0,435 0,48 0,42 0,4 0,48 0,51 0,52 0,395 0,405 0,45 0,39 0,475 0,465 0,455 0,445

ξ

Прототип

0,75 0,6 0,65 0,6 0,6 0,57 0,78 0,6 0,55 0,73 0,62 0,8 0,66 0,75 0,85 0,68 0,5 0,5 0,6 0,55 0,85 0,58 0,7 0,55 0,65 0,6 0,52 0,8 0,67 0,78

4 5 6 1 2 4 3 5 6 1 3 2 3 2 1 4 5 6 1 2 4 3 5 6 1 3 2 2 3 2

34 35 36 37 38

2200 1800 1320 1000 1550

2,1 2,6 2,9 3,4 2,0

0,97 0,98 0,97 0,97 0,98

3,48 3,31 3,6 4,3 2,2

0,95 0,96 0,97 1,0 0,98

Вар.

qv, кВт/м3 1600 1500 1000 1000 1500 1200 1800

l1, м 2,45 3,43 2,45 2,25 3,28 2,3 2,6

х1

lэ, м 3,65 3,22 3,18 3,0 3,70 3,33 3,31

Хэ

39 40 41 42 43 44 45

0,95 0,98 0,97 0,95 0,99 0,96 0,98

1,0 0,99 1,0 0,98 1,0 1,0 0,96

0,48 0,44 0,5 0,495 0,425

0,88 1 0,69 4 0,57 3 0,75 5 0,65 6 Продолжение табл. 9.2 Параметр Прототип ξ М 0,456 0,63 1 0,42 0,61 3 0,475 0,52 2 0,475 0,71 2 0,455 0,67 3 0,445 0,78 2 0,44 0,69 4

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Охарактеризуйте топку как систему серых тел. 2. Как влияет изменение значения коэффициента избытка воздуха на величину теоретической температуры горения к температуру газа за топкой? 3. Опишите характер изменения температуры газа по длине топки. 4. Какие эксплуатационные и конструктивные факторы влияют на характер протекания теплообмена в топке? 5. Поясните понятие «эффективная толщина излучающего слоя». 6. Поясните физический смысл понятия «степень черноты топки», охарактеризуйте факторы, влияющие на ее величину? 7. Укажите цели и последовательность расчета теплообмена в топке. 8. Какими параметрами характеризуется конструктивное совершенство топочной камеры? 9. В чем заключается физический смысл параметра «коэффициент прямой отдачи»? Как с его помощью оценивают эффективность работы топки? 10. Поясните, что характеризует критерий Больцмана и какие параметры в него входят?

63

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 10 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ИСПАРИТЕЛЬНОГО ПУЧКА ТРУБ Цель занятия: изучение особенностей протекания конвективного теплообмена в испарительной поверхности нагрева вспомогательного котла и факторов, на него влияющих. Приобретение навыков выполнения теплового расчета испарительной поверхности нагрева. Задание. 1. Определить тепловую мощность испарительной поверхности нагрева вспомогательного котла Qк, кВт, и температуру газов на выходе из нее t″, оС. 2. Найти число рядов труб конвективного пучка Z2 и площадь поверхности его нагрева Нк, м2. 3. Исследовать влияние одного из конструктивных или эксплуатационных факторов на конвективный теплообмен. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Конвективный теплообмен в судовых паровых котлах протекает в испарительных пучках труб, пароперегревателях, экономайзерах и воздухоподогревателях. В основу теплового расчета этих поверхностей нагрева положено совместное решение уравнений теплопередачи и теплового баланса со стороны хода газов: Qк = kHкΔt⋅10–3; Qк= ϕB(I ′– I″),

(10.1) (10.2)

где k — коэффициент теплопередачи от газов к воде, Вт/(м2⋅К); Δt — температурный напор (усредненная по поверхности разность температур греющей и обогреваемой сред), °С; Hк — площадь поверхности нагрева, м2; I′, I″ — энтальпия продуктов сгорания на входе в испарительную поверхность нагрева на и выходе из нее, кДж/кг.

Дополнительно к выражениям (10.1) и (10.2) может быть составлено уравнение теплового баланса со стороны пароводяного тракта, которое для испарительной поверхности нагрева имеет вид: (10.3) Qк = Dк(iх – iэв) – Qл, где Qл — тепловая мощность топки, кВт.

Испарительная поверхность нагрева водотрубных котлов выполняется из стальных цельнотянутых труб диаметром d равным 0,029, 0,032, 0,038, 0,0445 м, изготовленных из стали марок 10, 15, 20. Толщина стенки трубы — не менее 2,5 мм. Трубные пучки имеют коридорную или шахматную компоновку, крепление труб к коллекторам котлов осущест76

вляется вальцовкой или сваркой. Основными геометрическими характеристиками трубного пучка, рис. 10.1, являются: — d — наружный диаметр труб, м; — S1 — поперечный шаг труб, м; — S2 — продольный шаг труб, м; — S2′ — диагональный шаг труб шахматного пучка, м; — σ1 — относительный поперечный шаг труб, σ1 = S1/d; — σ2 — относительный продольный шаг труб, σ2 = S2/d; — σ2′ — средний относительный диагональный шаг труб, σ2′ = S2′/d.

Рис. 10.1. К расчету испарительной поверхности нагрева

2. КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ И EГО СОСТАВЛЯЮЩИЕ В гладкотрубных испарительных пучках коэффициент теплопередачи конвекцией от газов к обогреваемой среде k, Вт/(м2⋅оС), определяют по выражению

k=

1

(1 α1 ) + ε 77

,

(10.4)

где α1 — коэффициент теплоотдачи от газа к стенке трубы, Вт/(м2⋅оС); ε — коэффициент загрязнения поверхности, м2⋅оС/Вт.

Величина коэффициента загрязнения ε, м2⋅оС/Вт, может быть найдена по выражению, полученному Н. И. Пушкиным

ε = 0,032/ωг0,6, где ωг — скорость движения газа, м/с.

При температуре, превышающей 350 °С, теплоотдача сопровождается излучением трехатомных газов. Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке трубы в этом случае:

α1 = ωαк + αл,

(10.5)

где ω — коэффициент полноты омывания поверхности; αк, αл — коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением соответственно, Вт/(м2⋅оС).

Величина коэффициента полноты омывания находится как отношение полной средней длины труб пучка к длине их активно омываемой части, рис. 10.1, то есть ω = lакт/lср. Его величина для конвективных пучков равна 0,8—0,9. Длины труб lакт и lср определяются из эскиза трубной части котла. 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООТДАЧИ Форма выражения для определения коэффициентов теплоотдачи зависит от характера движения среды и строения пучка. При поперечном омывании гладкотрубного коридорного пучка газом или воздухом коэффициент αк, Вт/(м2⋅оС), теплоотдачи конвекцией определяется по выражению, рекомендованному работой [7]:

λ ⎛ω d ⎞ α K = CzCs 0,2 ⎜ г ⎟ d⎝ v ⎠

0 , 65

Pr 0,33 ,

(10.6)

где λ — коэффициент теплопроводности газов, Вт/(м⋅оС); d — наружный диаметр трубы, м; ωг — скорость газа, м/с; ν — коэффициент кинематической вязкости среды, м2/с; Рr — критерий физического подобия Прандтля; Cz, Cs — поправочные коэффициенты, учитывающие число рядов труб и компоновку пучка.

Физические параметры продуктов сгорания (ν, λ, Рr) в формуле (10.6) соответствуют средней температуре потока газов. Их значения для продуктов сгорания среднего состава (rH2O = 0,11, rRO2 = 0,13) приведены в табл. 10.1. Если состав газов отличается от среднего, величины этих параметров необходимо умножить на поправочные множители Мν, Мλ, МPr, значения которых принимаются по номограмме, приведенной на рис. 10.2. 78

Рис. 10.2. Номограмма для определения поправочных коэффициентов

Величина поправочного коэффициента Сz, учитывающего число рядов труб, находится по выражениям: Cz = 0,91 + 0,0125(Z2 – 2) при Z2 < 10; Cz = 1,0 при Z2 ≥ 10,

где Z2 — число труб в пучке.

Величина поправочного коэффициента на форму пучка Сs зависит от значений относительных шагов труб: Cs = [1 + (2σ1 – 3)(1 – 0,5σ2)3] –2 при 1,5< σ1 ≤ 3 и σ2< 2; Сs = 1 при σ2 ≥ 2 и σ1 ≤ 1,5. При поперечном омывании шахматного пучка для определения величины коэффициента теплоотдачи конвекцией рекомендуется следующее выражение: 0 ,6

λ⎛ω d ⎞ αк = CzCs ⎜ г ⎟ Рr 0 ,33 d⎝ v ⎠

(10.7)

где Cz = 3,12Z20,05− 2,5 при Z2< 10; Cz = 1,0 при Z2≥ 10; Cz = 0,34ϕs0,1 при 0,1 σ д D ; d < 0,65D; δд < 0,1D; Rв < D. Толщина стенки выпуклого днища δд, мм, определяется по выражению

δд = (DРy/4σдϕ) + С,

(12.6)

где у — фактор формы днища, зависящий от величины соотношения d/ Dδд , (где d — больший размер неукрепленного выреза в мм). Величина у определяется по табл. 12.5. Таблица 12.5 Коэффициент формы у Н/D Форма d / Dδ д укрепленглухие днища днища 0,5 1,0 2,0 3,0 4,0 ные днища Эллиптическое с Rв = D 0,2 2,9 2,9 2,9 3,7 4,6 5,5 2,4 Эллиптическое с Rв= 0,8D 0,25 2,0 2,0 2,3 3,2 4,1 5,0 1,8

Минимальная толщина днища во всех случаях должна быть принята не менее 5 мм. 2.5. Плоские днища и крышки. Толщина плоских днищ и крышек (лазов) δл, мм, не подкрепленных связями, должна быть не менее определенной по формуле

δл = KD1 P / σ д + С,

(12.7)

где D1 — расчетный диаметр, равный диаметру центра уплотнительного бурта (канавки) или расстоянию между центрами крепежных отверстий, мм (рис. 12.3). Для прямоугольных и овальных крышек он равен, мм:

101

(

)

D1 = b 2 / 1 + (a / b ) , 2

здесь а и b — наибольшая и наименьшая стороны лаза, мм; Р — расчетное давление, МПа; С — прибавка к расчетной толщине, равная 1 мм при δл ≤ 30 мм и 0 при δл > 30 мм; К — коэффициент, определяемый по табл. 12.6. Таблица 12.6 Тип днища и

Отношение

крышки

*

Коэффициент К

DL /D1

круглые

плоские

Плоские крышки, плотно прилегающие по периметру Крышки, крепящиеся болтами, расположенными по периметру и уплотнительным буртом

—

0,45

0,50

1,1 1,2 1,3 1,6

0,57 0,62 0,67 0,79

0,65 0,70 0,75 0,90

*

DL — диаметр окружности крепежных болтов, мм.

Рис. 12.3. К расчету плоской крышки

3. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ГАЗОТРУБНЫХ КОТЛОВ 3.1. Жаровые трубы. Толщина гладких цилиндрических стенок с жесткими элементами и без них, в том числе гладких жаровых труб, должна быть не менее определенной по формуле, мм:

δ=

)

(

50 B + B 2 + 0 ,04 AC + C1 , A

(12.8)

где A = 200 σ д ⎛⎜1 + Dт ⎞⎟⎛⎜1 + 5 Dт ⎞⎟ ; B = P⎛⎜1 + 5 Dт ⎞⎟ ; C = 0,04PDт; D — сред-

Dт ⎝

101 ⎠⎝

⎝

l ⎠

l ⎠

ний диаметр, мм; С1 — прибавка к расчетной толщине, мм; l — расчетная длина цилиндрической части между жесткими элементами, мм.

Толщина гладкой жаровой трубы должна быть не менее 7 и не более 20 мм. Жаровые трубы длиной до 1 400 мм, как правило, выполняются без колец жесткости. 3.2. Длинные и короткие связи. 102

Площадь поперечного сечения длинных и коротких связей и связных труб должна быть, мм2, не менее определенной по формуле: Pf s (12.9) , f = σ д cos α где fs — наибольшая площадь поверхности подкрепляемой стенки, приходящаяся на одну связь и ограничиваемая линиями, проходящими под прямым углом через середины линий, соединяющие центр связи с соседними укрепленными точками (связями), мм2; α — угол между связью и стенкой ее закрепления, град.

3.3. Стенки, подкрепленные связями. Толщина плоских стенок, подкрепленных связями или связными трубами, мм, должна быть не менее определенной по формуле:

δ = kDс

P + C, σд

(12.10)

где k — коэффициент, величина которого лежит в пределах 0,35—0,5. Для котлов типа КВА (КГВ) коэффициент k = 0,42; Dс — условный расчетный диаметр (диаметр наибольшей окружности, которую можно провести через центры трех связей или которая пройдет через центры связей и коснется окружности начала отбортовки днища), мм.

4. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА В процессе выполнения практического занятия необходимо определить толщину стенки: 1. испарительной трубки, 2. водяного коллектора, 3. пароводяного коллектора, 4. эллиптического днища с лазом, 5. крышки лаза. В отчете необходимо представить исходные данные и схемы к расчету, результаты расчетов. 5. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ Варианты заданий представлены в табл. 12.7. Таблица 12.7 Ва- Диаметр Диаметр Размер ри- парового водяного лаза, мм кол., м ант кол., м 1 1,25 0,5 300×400 2 1,5 0,6 300×400 3 1,3 0,47 280×380 4 1,5 0,6 300×400 5 1,4 0,55 280×380 6 1,5 0,7 300×400 7 1,3 0,6 300×400

Вариант 24 25 26 27 28 29 30

103

Диаметр Диаметр Размер лаза, мм парового водяного кол., м кол., м 1,35 0,5 300×400 1,5 0,43 280×380 1,2 0,5 300×400 1,28 0,47 280×380 1,35 0,5 300×400 1,4 0,7 280×380 1,25 0,55 280×380

8 9 10 11 12

1,25 1,2 1,1 1,2 1,25

0,6 0,5 0,5 0,55 0,6

300×400 300×400 280×380 300×400 300×400

31 32 33 34 35

Ва- Диаметр Диаметр Размер ри- парового водяного лаза, мм кол., м ант кол., м 13 1,2 0,5 300×400 14 1,1 0,5 280×380 15 1,1 0,5 280×380 16 1,2 0,55 300×400 17 1,25 0,6 300×400 18 1,2 0,5 300×400 19 1,1 0,5 280×380 20 1,25 0,6 300×400 21 1,2 0,5 300×400 22 1,1 0,5 280×380 23 1,0 0,5 300×400

Вариант 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

1,28 1,15 1,0 1,3 1,28

0,5 300×400 0,5 280×380 0,5 300×400 0,65 300×400 0,5 300×400 Продолжение таблицы 12.7

Диаметр Диаметр Размер лаза, мм парового водяного кол., м кол., м 1,15 0,5 280×380 1,0 0,5 300×400 1,0 0,5 300×400 1,3 0,65 300×400 1,28 0,5 300×400 1,15 0,5 280×380 1,0 0,5 300×400 1,28 0,5 300×400 1,15 0,5 280×380 1,0 0,5 300×400

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Назовите основные марки сталей, используемых в котлостроении, перечислите требования к ним. 2. Охарактеризуйте условия работы материалов, используемых для изготовления элементов котлов. Сформулируйте основные требования к стали для обеспечения надежной и длительной работы СКУ. 3. Перечислите основные прочностные характеристики сталей, укажите, в соответствии с какими критериями производится выбор материалов для различных элементов котлов? 4. Поясните методику выбора допускаемых напряжений и величин коэффициентов запаса прочности. 5. Поясните методику расчета прочности цилиндрических элементов. 6. Какие конструктивные и эксплуатационные факторы оказывают влияние на прочность элементов котлов?

104

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭВМ В РАСЧЕТАХ СУДОВЫХ КОТЛОВ Расчетные практические занятия могут выполняться при помощи пакета программ KOT-PRA, разработанного автором. Он включает в себя следующие файлы: — рrа-5.ехе — практическое занятие 5; — рrа-6.ехе — практическое занятие 6; — рrа-7.ехе — практическое занятие 7; — рrа-8.ехе — практическое занятие 8; — рrа-9.ехе — практическое занятие 9; — pra-10.exe — практическое занятие 10; — pra-11.exe — практическое занятие 11; — pra-13.exe — практическое занятие 12. Результаты расчетов и исследований хранятся в памяти машины в виде выходных файлов. Например, программа рrа-5.ехе создает два выходных файла:

— рrа-5.kot — результаты расчета составляющих материального ба105

ланса процесса сгорания; — pra-5gr.kot — результаты исследования влияния на величины составляющих материального баланса различных факторов. Аналогично организована связь пользователя компьютера с остальными программами. Результаты расчетов и исследований представляются как на мониторе, так и в виде распечаток. Указания по работе с программами содержаться в их оболочках. Распечатки выходных файлов практических занятий 5—12 приведены в приложении.

106

ПРИЛОЖЕНИЕ РАСПЕЧАТКИ ВЫХОДНЫХ ФАЙЛОВ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

97

98

99

100

101

102

103

104

ЛИТЕРАТУРА 1. Аэродинамический расчет котельных установок. Нормативный метод / Под ред. С. И. Мочана. — 3-е изд. — Л.: Энергия, 1977. — 256 с. 2. Енин В. И. Судовые паровые котлы. Учебник для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Транспорт, 1984. — 248 с. 3. Правила классификации и постройки морских судов. Морской Регистр Судоходства. — СПб.: Транспорт, 1995. — 460 с. 4. Проектирование судовых парогенераторов: учебник / К. С. Дементьев, В. А. Романов, Д. И. Волков. — Л.: Судостроение, 1986. — 336 с. 5. Судовые парогенераторы / Н. И. Пушкин, Д. И. Волков, К. С. Дементьев и др. — Л.: Судостроение, 1977. — 518 с. 6. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод / Под ред. В. В. Митора, Н. В. Кузнецова, Е. И. Дубовской, Э. С. Красиной. — 2-е изд. перераб. — Л.: Энергия, 1977. — 354 с. 7. Эксплуатация судовых котельных установок: учебник для высших инженерных морских училищ / В. М. Федоренко, В. М. Залётов, В. И. Руденко, И. Г. Беляев. — М.: Транспорт, 1991. — 272 с. 8. Эйтвид Л. В. Парогенераторы промысловых судов. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. — 270 с. 9. Хряпченков А. С. Судовые вспомогательные и утилизационные котлы: Учебное пособие. — Л.: Судостроение, 1988. — 296 с. 10. Фильченко В. П., Шабанов А. А. Судовые котельные установки флота рыбной промышленности. — М.: Пищевая промышленность, 1980. — 280 с. 11. Ильин А. К., Иконников-Ципулин Е. С. Паровые котлы промысловых судов. — М.: Пищевая промышленность, 1975. — 230 с. 12. Милтон Д. Х., Лич P.M. Судовые паровые котлы. Пер. с англ. — М.: Транспорт, 1985. — 295 с.

105

СОДЕРЖАНИЕ Введение

3

Раздел 1. Конструкция судовых котлов Практическое занятие 1. Конструкция судовых котлов. Состав и схемы судовых котельных установок 4 Практическое занятие 2. Топочные устройства котлов 14 Практическое занятие 3. Арматура и внутриколлекторные устройства Практическое занятие 4. Каркас, кожух, футеровка, теплоизоляция 20

17

Раздел 2. Основы теории и расчетов судовых котлов Практическое занятие 5. Материальный баланс процесса сгорания. Объемы воздуха и продуктов сгорания 23 Практическое занятие 6. Построение диаграммы «энтальпия — температура» продуктов сгорания 32 Практическое занятие 7. Предварительный тепловой баланс вспомогательного котла 36 Практическое занятие 8. Предварительный тепловой баланс утилизационного котла 45 Практическое занятие 9. Расчет теплообмена в топке 55 Практическое занятие 10. Тепловой расчет испарительного пучка труб Практическое занятие 11. Определение аэродинамического сопротивления вспомогательного котла 76 Практическое занятие 12. Расчеты прочности элементов котлов 87 Использование ЭВМ в расчетах судовых котлов 96 Приложения 97 Литература 105

32

64