Гаврилов С.В. Судовые котельные и паропроизводящие установки

Подождите немного. Документ загружается.

= G

– 2514), (7.3)

где i

— энтальпия распыливающего пара, кДж/кг, определяемая по таблицам

воды и водяного пара. Давление распыливающего пара Р

при этом принимается

равным 0,15—0,3 МПа, температура пара t

≈

+ (15÷40) °C.

Количество тепла, выделившееся в топке котла на установившемся

режиме работы, равно сумме количеств полезно использованного тепла

(полезной тепловой мощности) Q

и всех тепловых потерь

пот

, то есть:

= Q

пот

Уравнения прямого теплового баланса котлов с газовым воздухоподогревате-

лем и без него одинаковы и имеют вид:

+ Q

= Q

+ Q

+ I

ух

, (7.4)

где Q

— полезно использованное тепло, кДж/кг; Q

— потеря от неполноты сго-

рания топлива, кДж/кг; Q

— потеря тепла в окружающую среду, кДж/кг; I

ух

—

энтальпия уходящих газов, кДж/кг; Q

— тепло, вносимое в топку с воздухом,

кДж/кг.

Уравнение (7.4) можно представить в виде:

= Q

+ Q

, (7.5)

где Q

— потеря тепла с уходящими газами, кДж/кг, Q

= I

ух

– Q

Потеря тепла с уходящими газами Q

обусловлена тем, что они

имеют температуру выше, чем окружающая среда.

Разделив обе части уравнения (7.5) на Q

и выразив его составляющие

в процентах, получим уравнение прямого теплового баланса в относи-

тельных единицах (%):

100 =

+ q

∑

пот

. (7.5.1)

Уравнение обратного теплового баланса имеет вид

= 100 – (q

+ q

), (7.5.2)

где

— КПД котла, %; q

, q

— относительные потери тепла, %.

2. РАСХОД ТЕПЛА. ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ

Расходная часть теплового баланса складывается из полезно исполь-

зованного тепла Q

и суммы тепловых потерь. В общем случае, когда

котел производит насыщенный, перегретый и охлажденный пар, его по-

лезная тепловая мощность равна, кВт:

= D

пп

– i

пв

) + D

– i

пв

) + D

ох

– i

пв

) + D

пр

′

– i

пв

), (7.6)

где i

пп

, i

ох

′

, i

пв

— энтальпии перегретого, влажного насыщенного, охлажден-

ного пара, кипящей и питательной воды соответственно, кДж/кг; D

пр

— количе-

ство продуваемой из котла воды, кг/с.

Коэффициент полезного действия котла

, %, представляет собой от-

ношение полезно использованного тепла к располагаемому, выраженное

в процентах:

= 100Q

/(BQ

). (7.7)

Тепловые потери в котле складываются из потери от неполноты сгорания, по-

тери тепла с уходящими газами и потери тепла в окружающую среду через об-

шивку котла.

Относительная потеря тепла от неполноты сгорания q

обусловле-

на наличием в уходящих газах продуктов неполного окисления горючих

компонентов топлива. Ее величина в расчетах принимается равной 0,5%.

Относительная потеря тепла в окружающую среду q

обратно про-

порциональна производительности котла. Ее величину принимают рав-

ной 1,0—2,5 % или находят по эмпирической зависимости:

= 2,6/D

0,448

, (7.8)

где D

— паропроизводительность котла, кг/с.

В процессе выполнения теплового расчета котла q

учитывают при

помощи коэффициента сохранения тепла:

= 1 – q

/(q

) (7.9)

Потеря тепла с уходящими газами q

является наибольшей и равна

5—25 % в зависимости от типа котла. Ее величина определяется по фор-

муле:

= 100

−

(

+ q

). (7.10)

Зная величину потери тепла с уходящими газами, можно определить

энтальпию продуктов сгорания I

ух

, кДж/кг, покидающих котел

ух

= (q

)/100 + Q

(7.11)

а затем по диаграмме I—t найти температуру уходящих газов t

ух

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 Р

, МПа;

— паропроизводительность котла D

, кг/с, в том числе:

• по перегретому пару D

пп

;

• по охлажденному пару D

ох

;

— температура насыщения t

,°С (таблицы воды и пара по Р

);

— температура перегретого пара t

пп

, °С;

— температура охлажденного пара t

ох

(задана или принимается рав-

ной t

+ (15÷40 °С);

— температура питательной воды t

пв

, °С;

— температура подогрева топлива t

, °С;

— энтальпия воды в состоянии насыщения i', кДж/кг (принимается по

таблицам воды и пара по Р

);

— энтальпия сухого насыщенного пара i

″

, кДж/кг (там же);

— энтальпия питательной воды i

пв

, кДж/кг (там же или i

пв

= 4,19t

пв

);

— энтальпия перегретого пара i

пп

, кДж/кг (там же по Р

и t

пп

);

— энтальпия распыливающего пара i

, кДж/кг (там же по Р

и t

);

— 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 насы-

щенному пару, кг/с:

= D

– D

пп

– D

ох

Если котел имеет однослойный кожух и не оборудован воздухоподог-

ревателем, температура воздуха, поступающего в топку, принимается

немного выше температуры окружающей среды, то есть t

= t

(5÷10)

С. В том случае, если котел имеет двухслойный кожух, то вели-

чина температуры воздуха на входе в топку t

зависит от наличия или

отсутствия у него воздухоподогревателя:

— при его наличии t

достигает 130—250

С;

— при отсутствии воздухоподогревателя воздух подогревается в

межкожуховом пространстве и его температура,

С:

= t

+ (30÷50).

Средняя удельная объемная изобарная теплоемкость воздуха с влаж-

ностью d, равной 10 г/кг, и водяного пара приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1

t, °С

, кДж/(м

3о

С) СН

О, кДж/(м

3о

С)

0 1,3188 1,4943

100 1,3243 1,5052

200 1,3318 1,5223

300 1,5224 1,5423

При другом влагосодержании воздуха его теплоемкость находится по выра-

жению С

′ = C

+ 0,0161(d

−

10)СН

О.

Промежуточные значения С

находят линейной интерполяцией.

Предварительно, перед выполнением расчетов, составляется тепловая

схема котла с указанием направлений движения и параметров (темпера-

тур, энтальпий, расходов) всех рабочих сред.

По результатам определения составляющих теплового баланса в мас-

штабе строится диаграмма распределения тепловых потерь и анализиру-

ются 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 пара-

метров на технико-экономические показатели работы котла:

— коэффициента избытка воздуха

;

— рабочего давления пара в котле Р

;

— температуры питательной воды t

пв

;

— влажности пара у;

— температуры перегрева пара t

пп

По результатам исследования выполняют графики.

Таблица 7.2

Па

амет

р,

обозначение Разм.

Форм

ла, расчет

Рез.

Потеря тепла в окружающую

среду q

% Формула (7.8)

Потеря тепла от неполного

сгорания q

% Принимается 0,5 %

КПД котла

% Задан

Продолжение табл. 7.2

Параметр, обозначение Разм.

Форм

ла, расчет

Рез.

Потеря тепла с уходящими

газами q

% Формула (7.10)

Тепло, внесенное в топку с

воздухом Q

кДж/кг V

вл

в,

Физическое тепло топлива Q

кДж/кг Формула (7.2)

Тепло распыливающего пара,

подающегося в форсунку Q

кДж/кг Формула (7.3)

Располагаемое тепло Q

кДж/кг Формула (7.1)

Полезное тепловыделение в

топке Q

вт

кДж/кг

пвт

100

QQQ

Q +++

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

Энтальпия уходящих газов I

ух

кДж/кг Формула (7.11)

Температура уходящих из

котла газов t

°С Диаграмма I—t

Коэффициент сохранения

тепла

— Формула (7.9)

Количество продуваемой из

котла воды D

пр

кг/с D

P/100

Энтальпия влажного насы-

щенного пара i

кДж/кг

i''

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

100100

100

Полезная тепловая мощность

кВт Формула (7.6)

Расход топлива В кг/с

100Q

)

Испарительная способность

топлива u

кг/кг

Температура точки росы ухо-

дящих газов t

°C 130(100S

)

0,2

Минимально допустимая

темпе

атура уходящих газов

min

°С

+ (15÷20)

Минимальная энтальпия ухо-

дящих газов I

min

кДж/кг Диаграмма I—t

Минимальная потеря тепла с

уходящими газами q

2min

% 100(I

min

– Q

)/Q

Максимально достижимый

КПД котла

кmax

100 – (q

2 min

+ q

)

Определение

кmax

целесообразно производить для котлов, оборудованных

развитыми дополнительными поверхностями нагрева. Это позволит определить

предел эффективности котла при отсутствии сернокислотной коррозии его по-

верхности нагрева.

4. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

Варианты заданий представлены в табл. 7.3. Типы котлов, подлежа-

щие расчету, приведены на рисунке 9. В последней колонке таблицы 7.3

указан порядковый номер схемы (1, 2 и т.д.).

Таблица 7.3

Вар.

МПа

кг/с

пп

кг/с

ох

кг/с

пп

°C

ох

°С

у,

°С

пв

°C

Схема

1,0 3,0 0 0 — — 0,5 — 55 84 1

1,5 1,2 1,0 0 330 — 2,50 — 60 85 2

2,0 1,7 1,5 0,2 340 280 1,50 155 50 92 3

0,5 1,3 1,3 0 210 — 3,50 — 60 83 4

1,5 3,7 3,0 0,7 310 260 1,50 160 65 88 5

1,0 2,0 1,8 0,2 300 225 0,75 — 55 85 6

0,5 0,9 0 0 — — 2,50 — 60 85 1

0,8 1,0 0,9 0,1 260 200 3,50 — 60 86 2

1,2 1,7 1,5 0,2 330 260 5,0 — 65 90 4

2,5 4,5 4,5 0 360 — 5,0 150 60 93 3

2,0 3,8 3,3 0,5 330 — 2,5 140 70 93 5

0,7 0,8 0,7 0,1 210 — 2,2 — 55 87 6

1,2 1,1 0 0 — — 2,5 — 65 88 1

2,0 4,5 4,0 0,5 330 280 2,5 180 60 92 3

0,5 1,1 0,9 0,2 220 190 3,5 — 55 86 2

1,0 3,2 3,0 0,2 250 — 4,0 125 50 85 3

1,5 1,4 1,2 0,2 350 — 3,0 — 55 85 2

2,5 1,7 0 0 — — 3,5 — 65 93 1

1,0 1,3 1,3 0 250 — 1,5 — 65 85 4

1,5 4,7 4,1 0,6 300 250 1,0 155 55 88 5

1,0 2,3 2,3 0 280 — 0,5 — 58 87 6

0,5 0,9 0 0 — — 0,75 — 50 85 1

1,5 1,4 1,1 0,3 270 200 2,5 — 55 86 2

1,0 1,7 1,4 0,3 260 2,25 — 63 92 4

2,5 4,5 3,8 0,7 330 260 0,9 160 65 93 3

2,5 3,8 3,8 0 340 — 2,0 150 58 87 5

0,5 0,8 0 0 — — 0,8 — 60 84,5 1

1,2 1,7 1,3 0,4 300 250 0,65 135 63 88,2 5

Продолжение табл. 7.3

Вар.

МПа

кг/с

пп

кг/с

ох

кг/с

пп

°C

ох

°С

у,

°С

пв

°C

Схема

2,0 5,5 5,0 0,5 325 — 2,0 — 65 91,5 4

0,5 1,1 0,8 0,3 220 190 3,5 — 54 85 6

0,5 1,1 0,9 0,2 220 190 3,5 — 57 86 2

1,5 3,2 3,0 0,2 250 — 4,0 125 40 85 3

1,5 1,4 1,2 0,2 340 — 3,0 — 55 84 2

2,5 1,7 0 0 — — 3,5 — 60 92 1

1,0 1,3 1,3 0 260 — 1,5 — 65 85 4

2,0 4,7 4,1 0,6 300 240 1,0 160 58 87,5 5

1,5 2,4 2,4 0 260 — 1,5 — 58 89 6

1,5 1,0 0 0 — — 2,0 — 56 84,5 1

1,5 1,4 1,1 0,3 250 210 2,0 — 59 86 2

1,0 1,8 1,4 0,4 260 2,0 — 62 91 4

2,5 4,5 3,8 0,7 330 260 0,9 150 65 93 3

2,5 3,8 3,8 0 340 — 2,0 150 58 87 5

1,5 0,9 0 0 — — 0,8 — 62 84,5 1

1,5 1,7 1,3 0,4 300 250 0,65 135 63 88 5

2,5 5,5 5,0 0,5 325 — 1,0 — 60 92 4

Рис. 7.2. Конструктивные схемы котлов к составлению

предварительного теплового баланса

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Поясните, из каких составляющих складывается тепловой баланс вспомо-

гательного 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 вспомо-

гательного котла, поясните входящие в них величины.

4. Поясните, как изменяются величины тепловых потерь при изменении на-

грузки 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 ка-

чество ведения топочного процесса, подготовки топлива, состояние тепловой

изоляции?

9. Объясните физический смысл понятия «испарительная способность топ-

лива». Как ее значение связано с величиной топливного КПД?

10. Назовите область применения уравнений прямого и обратного теплового

балансов вспомогательного котла.

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 циркуляци-

ей, оценка эффективности использования тепла уходящих газов судовых

двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Задание. 1. В зависимости от варианта задания определить паропро-

изводительность утилизационного котла по насыщенному пару или тем-

пературу уходящих из него газов;

2. Рассчитать величины составляющих теплового баланса утилизаци-

онного котла, вычислить величину его относительного КПД;

3. Найти величину приращения эффективного КПД дизельной СЭУ за

счет утилизации тепла уходящих газов. Рассчитать экономический эф-

фект 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

С. С ними в окружающую

среду теряется 17—35 % тепла сгоревшего в цилиндрах топлива. Исполь-

зование части этого тепла в утилизационных котлах позволяет значи-

тельно 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

С, то есть температуры точки росы паров раствора

серной кислоты, образовавшихся при горении сернистого топлива. Это

позволит предотвратить интенсивные коррозионные разрушения поверх-

ности 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 увели-

чению его габаритов, массы и стоимости;

— аэродинамическое сопротивление утилизационного котла

не должно быть более 3 000 Па для двухтактного и 5 000 Па для четы-

рехтактного дизеля. Его увеличение выше указанных пределов из-за за-

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 кот-

лом может быть принята равной, °С:

min

= t

+ (15÷20), (8.1)

где t

— температура точки росы паров серной кислоты, °С, t

= 130(100S

)

0,2

Эффективность использования тепла в утилизационном котле может

быть оценена при помощи коэффициента использования тепла:

= (t

– t

ух

)/(t

– t

), (8.2)

где t

— температура газов на входе в утилизационный котел, °С; t

ух

— темпера-

тура газов на выходе из котла,

С; t

— температура окружающей среды, °С.

Величина

достигает значений 0,6—0,65 для установок с четырех-

тактными дизелями и 0,45—0,55 — с двухтактными.

Полное количество тепла, которое можно использовать в утилизаци-

онном котле (тепловая мощность) Q

, кВт, составляет:

= (

)/3 600, (8.3)

где q

— потеря тепла с уходящими газами ДВС, составляющая для разных типов

0,17—0,36; g

— средний удельный эффективный расход топлива на данном ре-

жиме, кг/(кВт⋅ч); N

— эффективная мощность ДВС, кВт;

— коэффициент со-

хранения тепла, равный:

= (100 – q

)/100. (8.4)

Потеря тепла в окружающую среду через обшивку котла q

определя-

ется по известной эмпирической зависимости (см. занятие 7) или прини-

мается равной 2—5 %.

Полезная тепловая мощность утилизационного котла Q

кВт

может

быть определена с помощью уравнения теплового баланса по газовой

стороне:

B(I

– I

ух

), (8.5)

где В — секундный расход топлива через ДВС, кг/с:

В = g

/3 600. (8.6)

Паропроизводительность утилизационного котла по насыщенному

пару D

, кг/с, составляет

= Q

/(i

– i

пв

), (8.7)

где i

— энтальпия влажного насыщенного пара, кДж/кг; i

пв

— энтальпия пита-

тельной воды, кДж/кг.

Эффективный КПД ДВС

, %, определяется по выражению