Гаврилов С.В. Судовые котельные и паропроизводящие установки

Подождите немного. Документ загружается.

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 сго-

рания. Уравнение материального баланса в данном случае имеет вид

1,293V

вл

+ 1

−

+ G

пс

, (5.10)

где

— плотность продуктов сгорания при НУ, кг/м

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 Р

принимается равным 0,101—0,103 МПа.

Таблица 5.1

Параметр,

обозначение

Размер-

ность

Формула,

расчет

Рез.

Коэффициент пересчета k — k = 1 – A

– W

Содержание элементов в ра-

бочей массе топлива:

•

углерод С

— С

•

водород H

— H

•

сера S

—

•

кислород O

— O

•

азот N

— N

Приведенный углерод К

— С

+ 0,368S

Низшая рабочая теплота

сгорания топлива Q

кДж/кг Формула (5.1)

Теоретически необходимый

объем сухого воздуха V

/кг Формула (5.2)

Действительный объем

влажного воздуха V

вл

/кг Формула (5.9)

Продолжение табл. 5.1

Параметр,

обозначение

Размер-

ность

Формула,

Расчет

Рез.

Объем трехатомных газов

VRO

/кг Формула (5.7)

Объем свободного кисло-

рода V

/кг Формула (5.6)

Объем азота VN

/кг Формула (5.5)

Объем водяного пара VH

O м

/кг Формула (5.8)

Объем сухих газов V

сг

/кг VRO

+ VO

+ VN

Полный объем продуктов

сгорания V

пс

/кг Формула (5.4)

Объемная доля трехатом-

ных газов r

— VRO

пс

Объемная доля водяного

пара r

— VH

O/V

пс

Суммарная объемная доля

газов и пара r

— r

+ rH

Парциальное давление

трехатомных газов Р

МПа P

rRO

Парциальное давление

водяного пара P

МПа Р

Суммарное давление Р

МПа РRO

+ PН

Плотность дымовых газов

при НУ

кг/м

−

[1,293 + 0,001293d]+

+ G

)/V

пс

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 (А

, W

) на

величину объемов газообразных продуктов сгорания.

5. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

Исходные данные для расчетов приведены в табл. 5.2. Вариант соот-

ветствует 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 коэф-

фициента 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 по-

ступающего 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 воз-

духа? Чем можно объяснить эту зависимость?

8. Как ведут управление качеством процесса сгорания по внешним признакам

и показаниям контрольно-измерительных приборов? Укажите признаки нормаль-

ного сгорания.

9. Поясните понятия «полное» и «неполное» сгорание топлива.

10. Охарактеризуйте основные нарушения нормального режима горения топ-

ливовоздушной смеси. Какими причинами вызваны эти нарушения?

Таблица 5.2

Вари- Состав топлива

ант С

S W A

г/кг кг/кг

0,853 0,124 0,002 0,001 0,020 0,01- 0,001 1,10 10 0,03

0,865 0,122 0,003 0,002 0,008 0,015 0,002 1,15 8 0,02

0,879 0,109 0,004 0,003 0,005 0,010 0,0015 1,20 9 0,03

0,865 0,108 0,005 0,002 0,020 0,020 0,0013 1,05 10 0

0,851 0,107 0,004 0,003 0,015 0,0015 0,0015 1,10 12 0,01

0,865 0,126 0,003 0,002 0,004 0,010 0,0005 1,10 8 0

0,863 0,133 0,001 0 0,003 0 0,0001 1,25 10 0

0,870 0,124 0,003 0,002 0,001 0,005 0,0009 1,15 11 0,04

0,860 0,120 0,004 0,002 0,014 0,005 0,0012 1,20 9 0,02

0,870 0,110 0,005 0,005 0,010 0 0,005 1,13 8 0,02

0,865 0,126 0,003 0,001 0,005 0,005 0,007 1,07 10 0

0,860 0,110 0,005 0,003 0,022 0,003 0,003 1,30 12 0,04

0,865 0,115 0,003 0,002 0,015 0 0,001 1,05 11 0

0,860 0,115 0,005 0,003 0,017 0,005 0,0008 1,20 9 0

0,855 0,105 0,004 0,004 0,032 0,008 0,002 1,15 10 0,02

0,853 0,123 0,003 0,001 0,001 0,020 0,010 1,13 12 0

0,865 0,122 0,003 0,002 0,008 0,010 0,0015 1,30 9 0,02

0,877 0,111 0,004 0,003 0,005 0,010 0,0015 1,22 9 0

0,836 0,111 0,005 0,002 0,020 0,020 0,0013 1,05 11 0,03

0,850 0,108 0,004 0,003 0,035 0,015 0,0018 1,15 12 0,03

0,865 0,126 0,003 0,002 0,004 0,012 0,0015 1,13 8 0

0,861 0,135 0,001 0 0,003 0 0 1,05 10 0,01

0,866 0,124 0,004 0,002 0,004 0,005 0,0007 1,12 9 0

Продолжение табл. 5.2

Вари- Состав топлива

ант С

S W A

г/кг кг/кг

0,860 0,120 0,004 0,001 0,015 0,007 0,0012 1,20 9 0

0,870 0,110 0,005 0,005 0,010 0 0,005 1,13 10 0,04

0,870 0,124 0,003 0,001 0,002 0,005 0,009 1,05 10 0

0,860 0,110 0,005 0,003 0,022 0,004 0,0035 1,22 12 0,03

0,865 0,115 0,003 0,015 0,002 0 0,001 1,05 11 0,03

0,862 0,130 0,005 0,003 0,017 0,006 0,0009 1,20 9 0,02

0,855 0,105 0,004 0,003 0,033 0,009 0,0028 1,14 8 0

0,850 0,110 0,004 0,004 0,032 0,008 0,002 1,18 10 0,025

0,853 0,123 0,003 0,001 0,001 0,022 0,015 1,15 11 0,01

0,865 0,122 0,004 0,001 0,008 0,010 0,0015 1,30 9 0,02

0,877 0,111 0,003 0,004 0,005 0,015 0,002 1,28 10 0,025

0,837 0,110 0,005 0,002 0,020 0,010 0,0013 1,05 11 0,03

0,860 0,110 0,004 0,004 0,022 0,008 0,002 1,28 12 0,025

0,850 0,126 0,003 0,001 0,001 0,022 0,015 1,15 10 0,01

0,865 0,122 0,004 0,001 0,008 0,010 0,002 1,35 9 0

0,875 0,113 0,003 0,004 0,005 0,015 0,002 1,28 8 0,025

0,836 0,111 0,005 0,002 0,020 0,010 0,0013 1,05 10 0,03

0,860 0,110 0,004 0,004 0,022 0,008 0,002 1,28 12 0,025

0,850 0,126 0,003 0,001 0,001 0,022 0,015 1,15 10 0,01

0,860 0,122 0,009 0,001 0,008 0,010 0,002 1,30 9 0

0,875 0,113 0,004 0,003 0,005 0,015 0,002 1,28 8 0,015

0,837 0,110 0,005 0,002 0,020 0,010 0,0013 1,05 12 0,03

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 6

ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ «ЭНТАЛЬПИЯ —

ТЕМПЕРАТУРА» ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

Цель занятия: изучить методику построения диаграммы «энталь-

пия — температура (I—t)» продуктов сгорания 1 кг топлива и ее исполь-

зования 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 сго-

рания 1 кг топлива.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

После определения объема продуктов сгорания приступают к по-

строению диаграммы I—t, основы для теплового расчета котла.

Энтальпия — количество теплоты, затраченное на нагревание объема

газов от 0 до t

С. Величину энтальпии относят к объему газов, получен-

ных в результате полного сгорания 1 кг топлива. Ее выражают в размер-

ности [кДж/кг].

Энтальпия продуктов сгорания, представляющих собой смесь различ-

ных газов, определяется как сумма произведений теплоемкостей отдель-

ных составляющих на их объемы и температуру смеси. Таким образом,

энтальпия действительного объема продуктов сгорания одного кило-

грамма топлива, сгорающего с коэффициентом избытка воздуха

> 1,

равна, кДж/кг

I = (

VRO

CRO

+ VN

+ VH

OCH

+ VO

)t, (6.1)

где C RO

, CN

O,CO

— средние объемные изобарные теплоемкости соответст-

вующих газов, кДж/(м

°С).

Энтальпия продуктов сгорания топлива одного и того же состава за-

висит от значения коэффициента избытка воздуха

. С его ростом увели-

чивается 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

Как видно из рис. 6.1, с ростом величины

при одной и той же тем-

пературе t энтальпия газа возрастает. Это объясняется тем, что для нагре-

вания до той же температуры возросшего объема газов требуется боль-

шее количество тепла, а значит, — при этом продукты сгорания облада-

ют более высокой внутренней энергией, то есть энтальпией.

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

С с шагом

t, равным 100—200

С.

Величины средних объемных изобарных теплоемкостей газов, состав-

ляющих продукты сгорания, кДж/(м

°С), для различных температур ука-

заны в табл. 6.1.

Исходные данные:

— объем трехатомных газов V

, м

/кг;

— объем азота V

, м

/кг;

— объем свободного кислорода V

, м

/кг ;

— объем водяного пара V

O, м

/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).

Таблица 6.1

t, °C

100

200

300

400

500

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

1 800

2 000

2 200

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

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

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

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

°C

СRO

кДж/кг

OCH

Ot,

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 t

при помощи диаграммы

(рис. 6.2) найдем значение энтальпии газа на входе в котел I

. Аналогич-

но по t

ух

определим величину энтальпии уходящих из котла газов I

ух

Тепловая мощность утилизационного котла (количество тепла, пере-

данное через поверхность нагрева) Q

кВт:

= В

– I

ух

), (6.2)

где

— коэффициент сохранения тепла, учитывающий тепловые потери через

обшивку котла в окружающую среду, 0,95—0,98; B — расход топлива через дви-

гатель, кг/с.

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 М

пс

, 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 тепло-

вого расчета котла.

5. Поясните, какие факторы определяют массу продуктов сгорания, получен-

ных в результате горения 1 кг топлива?

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 7

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО КОТЛА

Цель занятия: изучить и практически освоить методику составления прямо-

го 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 ра-

бочих сред (воздуха, воды, топлива, газов).

2. Найти расход топлива и температуру уходящих из котла газов.

3. Построить в масштабе круговую или ленточную диаграмму распре-

деления составляющих теплового баланса (по типу рис. 7.1).

4. Найти, насколько изменится суточный расход топлива при увели-

чении КПД котла на 1 % по сравнению с заданным. Определить эконо-

мический эффект, считая стоимость 1 т топлива равной 220—250 услов-

ным единицам.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Тепловой баланс котла является частным случаем всеобщего закона

сохранения материи и энергии. На установившемся режиме работы сум-

ма тепловых потоков, поступающих в топку, равна сумме тепла уходя-

щего 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 величи-

ну КПД. В результате составления обратного баланса по результатам

теплотехнических испытаний, можно оценить величину КПД котла, ра-

ботающего 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 Q

, кДж/кг,

то есть к теплу, вносимому в топку котла

= Q

+ Q

, (7.1)

где Q

— низшая теплота сгорания, кДж/кг; Q

— тепло, внесенное с подогре-

тым топливом, кДж/кг; Q

— тепло, распыливающего паром, кДж/кг.

Рассмотрим составляющие выражения (7.1):

— тепло, внесенное с топливом:

= C

= (1,738 + 0,00251t

, (7.2)

где t

— температура подогрева топлива, 60—120 °С; C

— теплоемкость топли-

ва, кДж/(кг·°С).

— тепло, внесенное с паром: