Гаврилов С.В. Судовые котельные и паропроизводящие установки

Подождите немного. Документ загружается.

Степень экранирования топки характеризует совершенство конструк-

ции котла. Она представляет собой долю стенок топки, охлаждаемых

водой, в общей площади стенок, ограничивающих топочную камеру:

= Н

ст

, (9.8)

где Н

— площадь лучевоспринимающей поверхности нагрева, м

; F

ст

— полная

площадь стен, ограничивающих топку, м

Критерий Больцмана. Величина критерия Больцмана (топочного кри-

терия) определяется по выражению:

aло

српс

TξHσ

CBV

(9.9)

где V

пс

ср

— средняя весовая теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива,

кДж/(кг°·С);

— коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный

5,67⋅10

−11

Вт/(м

·К

); Т

— абсолютная адиабатная температура, Т

= t

+ 273, К.

Величина произведения V

пс

ср

определяется как средняя в интервале

температур в топке между t

и t

зт

по выражению:

пс

ср

= (Q

вт

−

зт

)/(t

− t

зт

), (9.10)

где t

зт

— 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 выражени-

ям:

— для светящегося пламени:

(

)

SPKK

тсг

сф

+−

−=

SPK

тг

−

−=

, (9.11)

— для несветящегося пламени:

, (9.12)

где К

— коэффициент ослабления лучей трехатомными газами, 1/(МПа⋅м); К

—

коэффициент ослабления лучей частицами сажи 1/(МПа⋅м); Р

— давление в топ-

ке, МПа; S — эффективная толщина излучающего слоя, м.

Величины коэффициентов ослабления К

и К

определяются по эмпи-

рическим зависимостям, рекомендованным работой «Тепловой расчет

котельных агрегатов. Нормативный метод»:

зт

1000

237

3701 r

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

пт

021

065472

SrP

r,,

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

, (9.13)

где Р

— давление в топке, МПа; t

зт

— температура газов на выходе из топки, °С;

— суммарная объемная доля трехатомных газов и водяных паров в продуктах

сгорания; r

H2O

— объемная доля водяных паров в продуктах сгорания.

= 0,3(2 –

)(0,0016(t

зт

+ 273) – 0,5)С

/Н

(9.14)

где

— коэффициент избытка воздуха; C

, Н

— содержание углерода и водоро-

да 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 излу-

чающего слоя:

S = 3,6V

ст

, (9.15)

где V

— объем топки м

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 пуч-

ка l

, экранного пучка l

, находят расстояния от пода топки до осей фор-

сунок h

ф1

и до середины выходного сечения топки Н

2.2. По номограмме определяют угловые коэффициенты труб х

ограничивающих топочный объем. (Для данного практического занятия

их величины заданы в табл. 9.2).

Рис. 9.1. Расчетная схема топки

2.3. Приняв (определив) величину теплового напряжения топочного

объема q

, находят требуемый объем топки V

, определяют ее топки L

площадь стен топочного фронта F

тф

, величину лучевоспринимающей

поверхности Н

, полную поверхность стен топки F

ст

и степень ее экрани-

рования

2.4. Так как степень черноты топки и средняя суммарная весовая теп-

лоемкость продуктов сгорания V

пс

ср

зависят от неизвестной температу-

ры за топкой t

зт

, то расчет теплообмена ведется методом последователь-

ных приближений. Для этого:

— принимают в первом приближении температуру газа за топкой t

зт

из интервала 1 150—1 300 °С, находят соответствующую ей энтальпию

зт

, рассчитывают величину V

пс

ср

;

— вычисляют величины коэффициентов ослабления К

и К

, эффек-

тивную толщину излучающего слоя S, степени черноты факела и топки

и а

;

— определяют в первом приближении критерий Больцмана Во, без-

размерную температуру газа за топкой

зт

, действительную температуру

газа t

зт

, °C, равную:

зт

+ 273) – 273.

Если разность между принятой в первом приближении t

зт

и получен-

ной t

зт

′

меньше ±50°C, расчет считают законченным. В противном случае

необходимо сделать второе приближение с t

зт

″

, равной

зт

″

= (t

зт

′

+ t

зт

)/2.

2.5. Тепловая мощность топки, кВт:

B(I

– I

зт

не должна отличаться более чем на ±10 % от Q

′, соответствующей при-

нятой в первом приближении температуры t

зт

′

′ =

B(I

– I

зт

′).

В противном случае необходимо уточнить значение температуры газа

за топкой.

2.6. Эффективность работы топки, оценивается при помощи коэффи-

циента прямой отдачи

, %, и количеством пара, произведенном в экран-

ных поверхностях нагрева D

, кг/с:

= 100Q

/(BQ

вт

); (9.16)

= Q

/(i

– i

эв

), (9.17)

где i

эв

— энтальпия воды на выходе из экономайзера, кДж/кг. При отсутствии

экономайзера i

эв

принимается равной i

пв

3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКЕ

Основные исходные данные приведены в табл. 9.2. Часть их принима-

ется из предыдущих расчетов:

— тепловая нагрузка топочного объема q

, кВт/м

;

— длина труб экранов l

, l

, м;

— угловые коэффициенты экранных труб х

, х

(заданы);

— параметр М (задан);

— объемная доля водяных паров r

;

— суммарная объемная доля r

;

— давление в топке Р

, МПа;

— коэффициент загрязнений лучевоспринимающей поверхности на-

грева

;

— полезное тепловыделение в топке Q

вт

(теоретическая энтальпия I

кДж/кг;

— расход топлива В, кг/с;

— коэффициент сохранения тепла

;

— содержание углерода и водорода в рабочей массе С

, Н

;

Таблица 9.1

Параметр, обозначение Разм. Формула, источник

Объем топки V

вт

Длина топки L

Площадь стен топочного

фронта F

Лучевоспринимающая по-

верхность нагрева H

+ l

Площадь стен топки F

ст

м 2F

+ Н

Степень экранирования

— Н

ст

Эффективная толщина из-

лучающего слоя S

м Формула (9.15)

Температура газа на выходе

из топки t

зт

′

°С

Принимается 1 150—

1 300

Энтальпия газов на выходе

из топки I

зт

′

кДж/кг

Диаграмма I—t по t

зт

′

Коэффициент ослабления

лучей трехатомными газами

1/(МПа⋅м)

Формула (9.13)

Коэффициент ослабления

лучей сажистыми частицами

1/(МПа⋅м)

Формула (9.14)

Степень черноты светяще-—

гося пламени а

Формула (9.11)

Степень черноты несветя-

щегося пламени а

— Формула (9.12)

Коэффициент усреднения m — Формула (9.6)

Степень черноты факела а

— Формула (9.5)

Степень черноты топки а

— Формула (9.7)

Продолжение табл. 9.1

Параметр, обозначение Разм. Формула, источник

Теоретическая температура

горения t

°С

Диаграмма I—t по Q

вт

Абсолютная теоретическая

температура горения Т

К t

+ 273

Средняя суммарная тепло-

емкость газов V

пс

кДж/(кг⋅

С)

Формула (9.10)

Критерий Больцмана Во — Формула (9.9)

Безразмерная температура

на выходе из топки

зт

— Формула (9.1)

Расчетная температура газа за

топкой t

зт

°С

зт

+ 273) − 273

Разность

зт

°С

зт

′ – t

зт

/< 50

Тепловые мощности топки Q

и Q

′

кВт Формула (9.2) для I

зт

и I

зт

′

Разность

100(Q

′ – Q

)/Q

Количество пара, полученное

в экранах D

кг/с Формула (9.17)

Удельный паросъем d

кг/(м

⋅с)

/Н

Коэффициент прямой отдачи

% Формула (9.16)

После расчета следует исследовать характер влияния на теплообмен

одного из следующих параметров:

— коэффициента избытка воздуха

;

— коэффициента загрязнения лучевоспринимающей поверхности на-

грева

Исследование выполняется при помощи ЭВМ, его результаты пред-

ставляются в виде графиков.

4. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

Варианты заданий приведены в табл. 9.2. Расчету подлежат котлы,

схема которых приведены на рис. 7.2.

Таблица 9.2

Вар. q

кВт/м

Параметр

Прототип

(рис. 7.2)

1 1200 3,2 0,96 3,7 1,0 0,45 0,7 1

2 790 2,2 0,95 3,2 1,0 0,42 0,9 2

3 2250 1,98 0,96 2,4 0,95 0,45 0,8 3

Продолжение табл. 9.2

Вар. q

кВт/м

Параметр

Прототип

4 850 2,4 0,97 3,7 0,96 0,43 0,75 4

5 1200 3,8 0,96 4,3 0,98 0,4 0,6 5

6 2000 2,0 1,0 2,15 1,0 0,5 0,65 6

7 1800 2,5 1,0 3,0 1,0 0,445 0,6 1

8 1400 2,56 0,98 3,25 0,98 0,48 0,6 2

9 1150 2,48 1,0 3,11 0,99 0,51 0,57 4

10 1000 2,78 0,92 3,5 0,96 0,5 0,78 3

11 1250 3,63 1,97 4,3 0,98 0,38 0,6 5

12 1950 1,8 0,98 2,0 1,0 0,443 0,55 6

13 1100 2,34 1,0 2,98 1,0 0,45 0,73 1

14 1720 3,4 0,97 4,2 1,0 0,4 0,62 3

15 920 2,45 0,93 3,08 0,97 0,465 0,8 2

16 1300 3,28 0,98 3,75 1,0 0,45 0,66 3

17 990 2,4 0,96 3,3 1,0 0,44 0,75 2

18 2250 2,08 0,97 3,48 0,92 0,47 0,85 1

19 1850 2,6 0,96 3,3 0,96 0,435 0,68 4

20 1550 3,9 1,0 4,4 0,95 0,48 0,5 5

21 1750 2,2 0,97 2,4 1,0 0,42 0,5 6

22 1800 2,6 0,97 3,32 0,97 0,4 0,6 1

23 1270 2,76 0,96 3,45 1,0 0,48 0,55 2

24 1380 3,4 0,96 4,1 0,94 0,51 0,85 4

25 1220 2,98 0,95 3,8 0,97 0,52 0,58 3

26 980 3,6 0,97 4,36 1,0 0,395 0,7 5

27 1550 2,1 0,99 2,28 0,99 0,405 0,55 6

28 1640 2,64 0,92 3,68 1,0 0,45 0,65 1

29 1520 3,48 0,97 3,18 0,97 0,39 0,6 3

30 1000 2,45 0,97 3,18 1,0 0,475 0,52 2

31 1000 2,40 0,93 3,08 0,97 0,465 0,8 2

32 1350 3,28 0,99 3,70 1,0 0,455 0,67 3

33 1200 2,3 0,96 3,33 1,0 0,445 0,78 2

34 2200 2,1 0,97 3,48 0,95 0,48 0,88 1

35 1800 2,6 0,98 3,31 0,96 0,44 0,69 4

36 1320 2,9 0,97 3,6 0,97 0,5 0,57 3

37 1000 3,4 0,97 4,3 1,0 0,495 0,75 5

38 1550 2,0 0,98 2,2 0,98 0,425 0,65 6

Продолжение табл. 9.2

Вар. q

кВт/м

Параметр

Прототип

39 1600 2,45 0,95 3,65 1,0 0,456 0,63 1

40 1500 3,43 0,98 3,22 0,99 0,42 0,61 3

41 1000 2,45 0,97 3,18 1,0 0,475 0,52 2

42 1000 2,25 0,95 3,0 0,98 0,475 0,71 2

43 1500 3,28 0,99 3,70 1,0 0,455 0,67 3

44 1200 2,3 0,96 3,33 1,0 0,445 0,78 2

45 1800 2,6 0,98 3,31 0,96 0,44 0,69 4

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Охарактеризуйте топку как систему серых тел.

2. Как влияет изменение значения коэффициента избытка воздуха на вели-

чину 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», охаракте-

ризуйте факторы, влияющие на ее величину?

7. Укажите цели и последовательность расчета теплообмена в топке.

8. Какими параметрами характеризуется конструктивное совершенство то-

почной 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 не-

го входят?

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 10

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ИСПАРИТЕЛЬНОГО ПУЧКА ТРУБ

Цель занятия: изучение особенностей протекания конвективного те-

плообмена в испарительной поверхности нагрева вспомогательного кот-

ла и факторов, на него влияющих. Приобретение навыков выполнения

теплового расчета испарительной поверхности нагрева.

Задание. 1. Определить тепловую мощность испарительной поверх-

ности нагрева вспомогательного котла Q

, кВт, и температуру газов на

выходе из нее t″,

С.

2. Найти число рядов труб конвективного пучка Z

и площадь поверх-

ности его нагрева Н

, м

3. Исследовать влияние одного из конструктивных или эксплуатаци-

онных факторов на конвективный теплообмен.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Конвективный теплообмен в судовых паровых котлах протекает в ис-

парительных пучках труб, пароперегревателях, экономайзерах и возду-

хоподогревателях. В основу теплового расчета этих поверхностей нагре-

ва положено совместное решение уравнений теплопередачи и теплового

баланса со стороны хода газов:

= kH

t⋅10

–3

; (10.1)

B(I ′– I″), (10.2)

где k — коэффициент теплопередачи от газов к воде, Вт/(м

⋅К);

t — темпера-

турный напор (усредненная по поверхности разность температур греющей и

обогреваемой сред), °С; H

— площадь поверхности нагрева, м

; I

′

, I

″

— энталь-

пия продуктов сгорания на входе в испарительную поверхность нагрева на и вы-

ходе 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:

= D

– i

эв

) – Q

, (10.3)

где Q

— тепловая мощность топки, кВт.

Испарительная поверхность нагрева водотрубных котлов выполняет-

ся из стальных цельнотянутых труб диаметром d равным 0,029, 0,032,

0,038, 0,0445 м, изготовленных из стали марок 10, 15, 20. Толщина стен-

ки трубы — не менее 2,5 мм. Трубные пучки имеют коридорную или

шахматную компоновку, крепление труб к коллекторам котлов осущест-

вляется вальцовкой или сваркой. Основными геометрическими характе-

ристиками трубного пучка, рис. 10.1, являются:

— d — наружный диаметр труб, м;

— S

— поперечный шаг труб, м;

— S

— продольный шаг труб, м;

— S

′ — диагональный шаг труб шахматного пучка, м;

—

— относительный поперечный шаг труб,

= S

/d;

—

— относительный продольный шаг труб,

= S

/d;

—

′ — средний относительный диагональный шаг труб,

′ = S

′/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/(м

⋅

С), определяют по

выражению

()

εα

, (10.4)

где

— коэффициент теплоотдачи от газа к стенке трубы, Вт/(м

⋅

С);

— коэф-

фициент загрязнения поверхности, м

⋅

С/Вт.

Величина коэффициента загрязнения

, м

⋅

С/Вт, может быть найдена

по выражению, полученному Н. И. Пушкиным

= 0,032/

0,6

где

— 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:

ωα

, (10.5)

где

— коэффициент полноты омывания поверхности;

— коэффициенты

теплоотдачи конвекцией и излучением соответственно, Вт/(м

⋅

С).

Величина коэффициента полноты омывания находится как отношение

полной средней длины труб пучка к длине их активно омываемой части,

рис. 10.1, то есть

= l

акт

ср

Его величина для конвективных пучков равна 0,8—0,9. Длины труб

акт

ср

определяются из эскиза трубной части котла.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООТДАЧИ

Форма выражения для определения коэффициентов теплоотдачи за-

висит от характера движения среды и строения пучка.

При поперечном омывании гладкотрубного коридорного пучка газом

или воздухом коэффициент

, Вт/(м

⋅

С), теплоотдачи конвекцией опре-

деляется по выражению, рекомендованному работой [7]:

33,0

65,0

Pr2,0

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ωλ

, (10.6)

где λ — коэффициент теплопроводности газов, Вт/(м⋅

С); d — наружный диаметр

трубы, м;

— скорость газа, м/с; ν — коэффициент кинематической вязкости

среды, м

/с; Рr — критерий физического подобия Прандтля; C

, C

— поправоч-

ные коэффициенты, учитывающие число рядов труб и компоновку пучка.

Физические параметры продуктов сгорания (

, Рr) в формуле (10.6)

соответствуют средней температуре потока газов. Их значения для про-

дуктов сгорания среднего состава (r

O = 0,11, rRO

= 0,13) приведены

в табл. 10.1. Если состав газов отличается от среднего, величины этих

параметров необходимо умножить на поправочные множители М

, М

, значения которых принимаются по номограмме, приведенной на

рис. 10.2.