Гаврилов С.В. Судовые котельные и паропроизводящие установки

Подождите немного. Документ загружается.

(8.8)

100

6003

нe

η =

где Q

— 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 использо-

вания тепла

. Он представляет собой отношение тепла, полезно исполь-

зованного в утилизационном котле, к количеству тепла, выделившемуся

в цилиндрах дизеля при сгорании топлива, %:

= 100Q

/(BQ

). (8.9)

Величина

представляет собой приращение полезно использованно-

го в СЭУ тепла с учетом утилизации части тепла выхлопных газов дизе-

ля. КПД дизельной СЭУ, %, с учетом утилизации тепла:

дэу

2. ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА КОТЛА

С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ

Применительно к утилизационному котлу уравнение теплового ба-

ланса может быть записано в виде:

ВI

C = Q

+ B(Q

+ I

ух

), (8.10)

где С — коэффициент, учитывающий протечки или перепуск газа через байпас,

равный 0,95—1,0; Q

— величина потери тепла через обшивку котла, кДж/кг.

Выразив составляющие уравнения (8.10) в процентах, получим:

100 =

ук

+ q

(8.11)

где

ук

— условный КПД утилизационного котла, %:

ук

= 100Q

/(I

BС), (8.12)

где Q

— полезная тепловая мощность утилизационного котла, найденная по

уравнению баланса тепла с пароводяной стороны, и, в общем случае, равная, кВт:

= D

– i

пв

) + D

пп

– i

пв

)+ D

пр

′

−

пв

), (8.13)

Энтальпия газов на выходе из котлa I

ух

, кДж/кг, определяется по вы-

ражению:

ух

= I

– Q

/(B

) (8.14)

Уменьшение площади поверхности нагрева котла может быть достиг-

нуто применением экономайзера. Его установка позволяет увеличить

температурный напор и сделать котел более компактным. Экономайзер

располагается последним по ходу газов. При снижении температуры газа

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:

ст

= t

ср

+ 25,

где t

ср

— температура обогреваемой среды (воды или пароводяной смеси), °C.

Энтальпия циркуляционной воды на входе в экономайзер i

, кДж/кг,

определяется из уравнения теплового баланса для сепаратора пара:

(

)

пв

ii'k

−

(8.15)

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 рос-

том k содержание пара снижается.

Уменьшение коэффициента кратности циркуляции k до 2—3 вызыва-

ет снижение i

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 необхо-

димо учитывать падение температуры выхлопных газов на пути от дизе-

ля 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 D

зависит от температуры уходящих газов t

ух

В общем случае, при расчете утилизационного котла может потребо-

ваться решение двух задач:

— определение паропроизводительности котла на данном режиме D

при известной температуре t

ух

;

— определение температуры газов за котлом t

ух

при известной паро-

производительности D

Первая (прямая) задача достигается путем совместного решения

уравнений баланса тепла по газовой и пароводяной (8.13) сторонам по-

верхности нагрева утилизационного котла (8.5) и (8.13):

В(I

– I

ух

);

= D

– i

пв

Искомая паропроизводительность котла составит, кг/с:

= Q

/(i

– i

пв

Вторая (обратная) задача решается аналогично, с использованием

уравнения (8.14):

= D

– i

пв

ух

= I

– Q

В,

затем при помощи диаграммы I—t находится искомая t

ух

Для уменьшения объема расчетов при составлении предварительного

теплового баланса утилизационного котла используйте готовую диа-

грамму I—t (рис. 8.1).

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

утилизационного котла

В качестве исходных данных для составления предварительного теп-

лового баланса необходимо принять следующие параметры:

— давление в сепараторе пара Р

, МПа;

— паропроизводительность, в том числе:

• по насыщенному пару D

, кг/с;

• по перегретому пару D

пп

, кг/с;

— температура газов на выходе из котла t

ух

,°С;

— норма продувки Р, %;

— температура насыщения t

, °С;

— температура перегретого пара t

пп

, °С;

— температура питательной воды t

пв

, °С;

— энтальпия кипящей воды i', кДж/кг;

— энтальпия перегретого пара i

пп

, кДж/кг;

— энтальпия питательной воды i

пв

, кДж/кг;

— энтальпия сухого насыщенного пара i", кДж/кг;

— влажность пара у, %;

— эффективная мощность дизеля N

, кВт;

— средний удельный эффективный расход топлива g

, кг/(кВт⋅ч);

— низшая рабочая теплота сгорания топлива Q

, кДж/кг;

— температура уходящих газов дизеля t

, °С;

— длина газохода L, (принять равной 7—15 м);

— кратность циркуляции k.

Таблица 8.1

Параметр, обозначение Разм. Формула, расчет Рез.

Секундный расход топлива

через дизель В

кг/с Формула (8.6)

Эффективный КПД дизеля

% Формула (8.8)

Потеря тепла в окружающую

среду q

% Принимается 2—5 % или

4480

к5

/D,q =

Коэффициент сохранения

тепла

— Формула (8.4)

Температура газа перед кот-

лом t

°С

−

(1,0÷1,5)L

Энтальпия газа перед котлом

кДж/кг Диаграмма I—t (рис. 8.1)

Энтальпия влажного насы-

щенного пара i

кДж/кг

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

100

i''

Тепловая мощность паропере-

гревателя Q

пп

кВт D

пп

– i

)

Энтальпия газов за паропере-

гревателем I

зпп

кДж/кг

– Q

пп

/(CB

)

Температура газов за паропе-

регревателем t

зпп

С Диаграмма I—t

Энтальпия циркуляционной

воды i

кДж/кг Формула (8.15)

Температура циркуляционной

воды t

°С Таблицы воды и водяного

пара по i

Температура воды на выходе

из экономайзера t

эв

°С Принимаем, или

−

(15÷30)

Продолжение табл. 8.1

Параметр, обозначение Разм. Формула, расчет Рез.

Энтальпия воды на выходе из

экономайзера i

эв

кДж/кг Таблицы воды и водяного

пара по t

эв

Энтальпия пароводяной сме-

си на выходе из испарителя i

см

кДж/кг

(

)

ii'k

−

Тепловая мощность испари-

тельной поверхности Q

кВт kD

см

– i

)

Энтальпия газов за испарите-

лем I

зи

кДж/кг

зпп

−

/(CB

)

Температура газов за испари-

телем t

зи

°С Диаграмма I—t по I

зпп

Количество продуваемой во-

ды D

кг/с PD

/100

Тепловая мощность эконо-

майзера Q

эк

кВт D

k(i

эв

– i

)

Энтальпия газов за экономай-

зе

ом

ух

кДж/кг

зи

– Q

эк

/(BC

)

Температуря газов за котлом

°С Диаграмма I—t по I

ух

Коэффициент использования

тепла

— Формула (8.2)

Полезная тепловая мощность

утилизационного котла Q

кВт Формула (8.13)

Условный КПД котла

ук

% Формула (8.10)

Приращение эффективного

КПД дизельной СЭУ

% Формула (8.9)

КПД СЭУ с учётом утилиза-

ции тепла

После составления предварительного теплового баланса необходимо

провести исследование влияния на его параметры одного из перечислен-

ных ниже факторов:

— режима работы ДВС (изменения N

, g

и t

);

— кратности циркуляции k;

— температуры питательной воды t

пв

;

— рабочего давления в сепараторе пара Р

;

— влажности производимого насыщенного пара у;

— температуры газов на выходе из котла t

ух

;

— температуры перегрева пара t

пп

Результаты исследования представить в виде графиков.

Расчет суточного экономического эффекта Э, руб./сутки, от использо-

вания системы утилизации производится по выражению:

Э = 0,024С

, (8.16)

где С

— стоимость одной тонны топлива, руб.

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

Исходные данные для расчетов приведены в табл. 8.2, схемы утилиза-

ционных котлов представлены на рис. 8.2.

Таблица 8.2

Вар. N

кВт

кг/

/(кВт⋅ч)

°C

МПа

кг/с

пп

кг/с

пп

°С

у,

Схема

установки

1 1 100 0,21 470 0,5 — — — 0,8 Рис. 8.2.1

2 2 350 0,188 370 0,6 — — — 2,0 Рис. 8.2.1

3 4 850 0,205 450 0,7 0,6 0,6 230 2,4 Рис. 8.2.2

4 7 900 0,193 430 0,8 1,0 0,7 240 3,0 Рис. 8.2.2

5 1 000 0,220 460 0,5 — — — 3,0 Рис. 8.2.1

6 3 200 0,196 370 0,7 0,4 — — 1,3 Рис. 8.2.1

7 10 500 0,185 430 0,8 1,1 0,9 240 2,5 Рис. 8.2.2

8 2 950 0,205 465 0,5 0,25 — — 2,0 Рис. 8.2.1

9 5 300 0,186 420 0,5 — — — 2,5 Рис. 8.2.1

10 6 920 0,192 415 0,6 0,5 0,4 220 3,5 Рис. 8.2.2

11 936 0,21 395 0,5 — — — 4,0 Рис. 8.2.1

2×1 450

0,203 470 0,6 — — — 5,0 Рис. 8.2.1

13 4 300 0,185 462 0,6 0,55 0,42 210 3,0 Рис. 8.2.2

14 3 350 0,18 355 0,7 — — — 5,0 Рис. 8.2.2

15 8 900 0,18 440 1,0 1,1 1,1 240 3,5 Рис. 8.2.2

16 1 200 0,215 470 0,5 — — — 2,5 Рис. 8.2.1

17 3 800 0,19 445 0,7 0,7 0,6 230 0,5 Рис. 8.2.2

18 5 800 0,205 455 0,8 0,6 0,6 230 1,5 Рис. 8.2.2

19 6 410 0,185 370 0,5 0,85 0,72 220 3,0 Рис. 8.2.2

20 1 550 0,222 466 0,6 — — — 0,5 Рис. 8.2.1

21 3 000 0,195 450 0,8 0,4 — — 2.5 Рис. 8.2.1

22 10 600 0,186 430 0,8 1,2 1,0 250 3,5 Рис. 8.2.2

23 3 255 0,215 445 0,5 0,35 — — 4,5 Рис. 8.2.1

24 5 000 0,188 375 0,6 — — — 5,0 Рис. 8.2.1

25 6 920 0,182 430 0,7 0,5 0,5 250 3,0 Рис. 8.2.2

26 1 000 0,212 450 0,5 — — — 1,0 Рис. 8.2.1

2×1 450

0,205 460 0,5 — — — 1,0 Рис. 8.2.1

Продолжение табл. 8.2

Вар. N

кВт

кг/

/(кВт⋅ч)

°C

МПа

кг/с

пп

кг/с

пп

°С

у,

Схема

установки

28 3 200 0,195 443 0,5 0,55 0,42 210 1,5 Рис. 8.2.2

29 3 350 0,185 450 0,7 0,5 0,5 200 2,5 Рис. 8.2.2

30 11 100 0,182 440 1,0 1,3 1,0 240 2,0 Рис. 8.2.2

31 3 800 0,19 410 0,7 0,7 0,6 230 1,5 Рис. 8.2.2

32 5 500 0,200 420 0,8 0,6 0,6 250 0,5 Рис. 8.2.2

33 6 200 0,188 370 0,5 0,85 0,72 220 2,0 Рис. 8.2.2

34 1 550 0,22 390 0,6 — — — 0,5 Рис. 8.2.1

35 3 600 0,198 400 0,5 0,4 — — 2,0 Рис. 8.2.1

36 1 205 0,22 420 0,5 — — — 1,0 Рис. 8.2.1

37 2 000 0,198 380 0,6 — — — 2,0 Рис. 8.2.1

38 4 550 0,210 410 0,9 0,45 0,45 220 2,4 Рис. 8.2.2

39 7 800 0,197 420 0,8 1,0 0,7 240 2,0 Рис. 8.2.2

40 1 100 0,225 440 1,0 — — — 2,0 Рис. 8.2.1

41 3 200 0,206 385 0,7 0,4 — — 1,5 Рис. 8.2.1

42 10 000 0,195 420 0,8 1,1 0,9 250 2,0 Рис. 8.2.2

43 3 000 0,20 445 1,0 0,25 — — 2,0 Рис. 8.2.1

44 5 500 0,185 420 1,0 — — — 2,5 Рис. 8.2.1

45 6 900 0,21 425 0,5 0,5 0,4 220 1,5 Рис. 8.2.2

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 утили-

зационного и вспомогательного котлов?

4. Назовите и охарактеризуйте различные способы регулирования паропро-

изводительности утилизационных котлов.

5. Укажите показатели, которыми оценивается качество использования тепла

в системе утилизации тепла СЭУ?

6. Как изменяются составляющие теплового баланса утилизационного котла

при изменении режима работы дизеля?

7. Как влияет величина коэффициента кратности циркуляции на процесс те-

плообмена 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 ограни-

чена степень утилизации тепла уходящих газов дизелей?

10. Назовите конструктивные и эксплуатационные способы увеличения глу-

бины утилизации тепла.

Рис. 8.2. Принципиальные схемы утилизационных котельных установок

с принудительной циркуляцией

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 9

РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКЕ

Цель занятия: изучение особенностей лучистого теплообмена в топ-

ке 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 теплооб-

мена 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 рас-

чета теплообмена в топки является определение передаваемого в ней ко-

личества тепла (тепловой мощности) Q

и температуры газов на выходе

зт

. Основными расчетными зависимостями являются выражения для оп-

ределения величины безразмерной температуры за топкой:

(9.1)

BoMа

600,6

зт

273

и уравнение баланса тепла в топке со стороны хода газов:

= В

− I

зт

), (9.2)

где I

— теоретическая энтальпия газа в топке, кДж/кг; I

зт

— энтальпия газа на

выходе из топки, кДж/кг; t

— теоретическая температура горения, °С; М — па-

раметр, характеризующий распределение температуры по высоте топки; а

—

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 I

в топке равна по-

лезному тепловыделению Q

вт

, кДж/кг, то есть:

100

тв

⎟

⎠

⎞

−

нвтa

QQI

⎜

⎝

⎛

(9.3)

Если бы в топке отсутствовал теплообмен между газами и ее стенка-

ми, то выделяющееся в ней тепло использовалось бы только для увели-

чения внутренней энергии газа. В этом случае в топке установилась бы

максимально возможная температура, называемая теоретической или

адиабатной температурой горения t

. Ее величина может быть найдена

при помощи диаграммы I—t по I

= Q

вт

Параметр М, характеризующий распределение температур по высоте

топки:

М= 0,54

−

0,2х

(9.4)

где х

— относительная высота максимума температуры в топке, определяемая по

выражениям х

= h

для одной форсунки, x

= (h

ф1

+ h

ф1

+ …+ h

фi

)/B для

нескольких. Здесь h

, h

фi

— расстояние от нижней части топки (пода) до оси соот-

ветствующей форсунки, м; H

— расстояние от пода топки до середины ее вы-

ходного сечения, м; В

— расход топлива через соответствующую форсунку, кг/с;

В — полный расход, кг/с.

Степень черноты топки а

характеризует ее способность поглощать

выделяющееся тепло. Она является сложной функцией большого числа

параметров лучистого теплообмена. Величина а

зависит от степени чер-

ноты факела а

и стенок, ограничивающих топку, а

ст

Степень черноты факела:

= ma

сф

+ (1 – m)a

, (9.5)

где т — коэффициент усреднения, показывающий, какую часть топки занимает

светящееся пламя.

Величина коэффициента усреднения m зависит от величины теплово-

го напряжения топочного объема q

, кВт/м

= ВQ

где V

— объем топки, м

Значение m = 0,55 если q

< 400 кВт/м

и m = 1,0 если q

> 1 160

кВт/м

. Для промежуточных значений q

его величина определяется по

формуле:

m = 0,55 + 0,00059(q

−

400). (9.6)

Степень черноты стенок топки а

ст

определяется величиной и характе-

ром их наружных загрязнений. Влияние слоя загрязнений учитывается

при помощи коэффициента загрязнeний лучевоспринимающей поверхно-

сти нагрева

, величина которого лежит в пределах 0,4—0,9. Коэффици-

ент загрязнений характеризует способность слоя отложений, находящих-

ся на экранных трубах, отражать падающее на него лучистое тепло. Для

большинства топок

равен 0,55—0,7.

Если известны величины

и а

, то степень черноты топки рассчиты-

вается по выражению:

()

ξψ

фф

1 aa

−+

, (9.7)

где

— степень экранирования топки.