Методика теплового расчета вертикального водотрубного парового котла


            МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА И СВВЯЗИ РФ


            МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА



Акладная Г.С.
Романов Р.Н.





                «Методика теплового расчета вертикального водотрубного парового котла»





Учебное пособие по дисциплине: «Судовые котельные установки» для студентов III уровня обучения специальностей 180103,180403.



Издательство «Альтаир»
Москва - 2005

                                                                                                      Содержание

УДК 621.187.00252


АвюрьЕ Г.С. АклацНоя, гл. гимайив. «МеЮдйка ГОнлС) Ю io раСмсга вертикального водотрубного парового котла». Учебное пособие по дисциплине:« Судовые котел ьныеу стано вки».
М.:Издательство «Альтаир» МГАВТ, 2005-62 с.,ил. 17.

    Учебное пособие «Методика теплою го расчета вертикального водотрубного парового котла». Пособие к выполнению теплового расчета вертикального водотрубного парового котла имеет целью оказание методической помощи студентам, изучающим дисциплину «Садовые котельные установки», при выполнении ими курсовой работы — теплового расчета вертикального водотрубного парового котла, предусмотренной учебным планом.
    Основные задачи учебного пособия: применение и закрепление теоретических знаний, полученных студентами при изучении дисциплины «Судовые котельные установки», освоение методики теплового расчета вертикального водотрубного парового котла, приобретение первичных навыков проектирования котельных установок.

    Рецензент: доктор технических наук, профессор Толшин Валерий Инно кентьевич.

    Издается по решению Учебно - методического совета МГАВТ.


    Ответственность за оформление и содержание передаваемых в печать материалов несут авторы и кафедры академии, выпускающие учсбпомете дич ески е матер и ал ы.

1.  Принцип действия и состав судового парового котла.................................                  2
2.   Анализ рабочего процесса парового котла................................................            2
3.   Основы проектирования вспомогательных паровых котлов.............................................. 5
   3.1.   Общие положения.............................................................................. 5
    3.2.  Расчеты по горению, составлению предварительного теплового баланса............................................................................................. 5

   3.3.  Энтальпия дымовых газов. Диаграмма Jz - О............................................
   ? Л            I ft ТГЛ                П/'П/Ч/О/'Г КИЛИ7Л1/ 1Л/ЛУ1П


        нагрева водотрубных паровых котлов с естественной циркуляцией.......................................................................................... 10
   3.5.  Определение коэффициента теплопередачи К........................................................... 16
   3.6.   Определение температурного напора At................................................               25
   3.7.   Компоновка и методика теплового расчета пароперегревателя......................................... 28
   3.8.   Компоновка и методика теплового расчета экономайзера.............................................. 30
   3.9.   Компоновка и методика теплового расчета воздухоподогревателя.......................... 33
   3.10.   Водотрубные вертикальные паровые котлы с естественной циркуляцией.......................................................................................... 36
   3.11.   Тепловой расчет вертикального парового котла с естественной циркуляцией.......................................................................................... 39
Примечания.................................................................................................. 58
Список использованной литературы............................................................................ 59

                                   ©МГАВТ, 2005
                                   © Акладная Г.С., Романов Р.Н. 2005

з

            1. Принцип действия и состав судового парового котла.

2. Анализ рабочего процесса парового котла.

     Основным составным элементом любой котельной установки является котел, тип и конструктивные особенности которого определяют состав и характеристики вспомогательного оборудования и обслуживающих его систем.
     Принцип действия парового котла определяется сущностью его рабочего процесса, который состоит в том, чтобы путем подвода определенных количеств теплоты и воды генерировать заданное количество пара требуемого качества.
     Существует два источника получения теплоты в котле: непосредственное сжигание органического топлива в топках котла; использование тепловой энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания или газотурбинной установки.
     Паровой котел в агрегатированном исполнении может состоять из топки, парообразующих элементов, пароперегревателя. Во вспомогательных котлах в зависимости от назначения из трех последних элементов могут использоваться либо любые их комбинации, либо не использоваться никакие.
     В топке котла сжигается органическое топливо. Выделившаяся теплота передается нагреваемым теплоносителям, в результате чего в котельных элементах происходит парообразование, а в пароперегревателе превращение влажного насыщенного пара в перегретый до заданной температуры. Экономайзер служит для подогрева воды, поступающей в котел, а воздухоподогреватель - для подогрева воздуха, поступающего в топку. Нагревающей средой в парообразующих элементах, пароперегревателе и экономайзере являются дымовые газы, а в воздухоподогревателях могут использоваться как дымовые газы, так и водяной пар.
     Паровой котел на жидком топливе обслуживают следующие системы: питательная, топливная, подачи воздуха и отвода дымовых газов, автоматического регулирования и сигнализации, продувки котла и ввода химических реагентов.
     В утилизационном котле отсутствуют топливная и воздушная системы, а конструктивные особенности остальных систем, обслуживающих утилизационный котел, определяются типом и назначением котла.

    Рабочий процесс парового котла можно рассматривать как состоящий из нескольких отдельных процессов превращения энергии, которые происходят в воздушно-газовом и пароводяном трактах. Носителями энергии являются материальные потоки (воды, топлива, воздуха, пара), взаимодействие которых в элементах котла образует три подпроцесса, неразрывно связанных между собой и составляющих рабочий процесс.






Дынобы* газы'

со,.о.,со

Питательная №

         процессы сгорания тыми&з ®) — теплоеfrено

ТоППибО.





Рис. 2.1 Схема материальных потоков во вспомогательном водотрубном котле

    Основным из них является сгорание топлива в топке, для реализации которого необходимы непрерывный подвод топлива и воздуха, распыление топлива и образование смеси топливо-воздух, собственно горение и отвод продуктов сгорания (дымовых газов). Процессы сгорания и отвода дымовых газов сопровождаются процессами теплообмена, т.е. передачей теплоты

4

5

(излучением в токе и конвекцией в газоходе) от продуктов сгорания к нагреваемой среде (воде, пару, воздуху). Одновременно с процессами сгорания и теплопередачи протекают процессы генерации пара в парообразующих элементам, перегрева пара в пароперегревателе и нагрева воды и воздуха в экономайзере и воздухоподогревателе, т.е. те процессы, которые формируют полезный эффект котла - требуемое количество пара с заданными параметр ами.
    Для любого материального потока, участвующего в рабочем процессе котла, основными параметрами являются давление Р и температура t (однозначно определяющие энтальпию), а также расход вещества G дополнительными -физические характеристики среды (плотность, теплоемкость, концентрация и т.п.).
    Рабочий процесс котла формируют три внешних (входных) материальных потока - топлива, воздуха, питательной воды, в результате взаимодействия которых образуются два потока (пара и продуктов сгорания) на выходе. В соответствии с этим различают входные и выходные параметры рабочего процесса. В совокупность выходных параметров включают и параметры, характеризующие процессы взаимодействия входных потоков (скорости движения, коэффициенты теплообмена, геометрические характеристики каналов и т.п.). Эти параметры обычно выделяют в отдельную подгруппу и называют собственными или внутренними.
    Из всех параметров рабочего процесс выделяют технико-экономические, характеризующие полезный эффект, под которым подразумевается количество создаваемого в единицу времени продукта (паропроизводителъностъ) определенного качества (давление и температура пара). Именно эти показатели дают наиболее полное представление о степени соответствия котла его функциональному назначению.

6

       3. Основы проектирования вспомогательных паровых котлов,

3.1 . Общие положения.

   Любой вид проектирования выполняется в соответствии с техническим заданием.
   При проектировании вспомогательной котельной установки предъявляется ряд требований к размещению котлов на судне, их массогабаритным показателям, к надежности и автоматическому управлению, к защите и др.
   Курсовое и дипломное проектирование по объему выполняемой расчетной и графической работы, количеству вопросов, подлежащих проработке значительно проще реального. Оно включает следующие задачи: закрепление и углубление лекционного материала, приобретение практических навыков по компоновке и расчету паровых котлов.
   Одним из основных этапов проектирования парового котла является тепловой расчет, включающий в себя следующие разделы:
-  расчеты, относящиеся к топливу и продуктам сгорания, составление предварительного теплового баланса;
-  построение компоновочного эскиза парового котла;
-  расчет теплообмена в топке и конвективных поверхностях нагрева.
   Тепловой расчет может быть двух видов: конструктивный и поверочный. Методика конструктивного и поверочного тепловых расчетов является в основном общей, базирующейся на одних и тех же расчетных уравнениях. Их различие заключается в задачах расчета и исходных величинах. При конструктивном расчете определяют необходимую поверхность нагрева, обеспечивающую получение заданной паропроизводителъности и параметров при исходных данных, которые оговорены заданием на проектирование:
   В случае поверочного расчета решается обратная задача: имеется поверхность нагрева, известны параметры греющей и нагреваемой сред при входе в поверхность нагрева; требуется определить температуру газов за поверхностью нагрева и ее тепповосприятие.
   Поверочный тепловой расчет обычно выполняют при проектировании, определении характеристик парового котла на долевых нагрузках, переходе на другой вид топлива и других случаях.


3.2 Расчеты по горению, составлению предварительного теплового баланса.

   В зависимости от марки сжигаемого топлива и типа топочного устройства принимают коэффициент избытка воздуха, объемы и энтальпии продуктов сгорания (по формулам и рекомендациям, изложенным в главе 3.3. Все расчеты ведут на I кг топлива и заканчивают построением диаграммы J? -и. Далее оценивают температуру подогрева воздуха и топлива, тепловые потери от химической неполноты сгорания и в окружающую среду. При

л

отсутствии воздухоподогревателя и сжигании дизельного топлива температуру воздуха и топлива принимают равными соответственно 30 и 20°С.
   При заданной температуре уходящих газов определяют тепловую потерю Q2 и q₂u с учетом остальных потерь - КПД. Далее определяют расход топлива В. Если задан КПД, то по его величине и тепловым потерям q$ и q§ находят потерю q₂ и далее энтальпию и температуру уходящих газов.


3.3 . Энтальпия дымовых газов. Диаграмма - и.

     Составление материального баланса процесса сгорания жидкого топлива и определение коэффициента избытка воздуха необходимы для расчета энтальпии дымовых газов Jz - количество теплоты, которое получают продукты сгорания 1 кг топлива при нагревании при постоянном давлении от нуля до данной температуры и, °C. Аналогичным образом определяется энтальпия воздуха в расчете на 1 кг топлива.
     Значение J₂ определяется по формуле:
J₂ = J₂° + (а-1) -J° (3.1)
     Энтальпия продуктов полного сгорания 1 кг топлива при ОС =1 и температуре U, °C.
J° = (Vro₂ - Cro₂ + Vn? • Cn₂ + V°н/)- Ch/)) • V (3.2)
    Энтачьпия теоретически необходимого воздуха при той же температуре и:
J° = V°-Cₑ-V (3.3)
      где Cro₂, Cn₂, Сн/), Св - средние в интервале температур от О до и изобарные объемные теплоемкости соответствующих газов и влажного воздуха, кДж/(м³ ■ К).

    Определение энтальпии продуктов сгорания по температуре и наоборот удобнее всего производить с помощью диаграммы J₂ - V, которая представляет собой графическую зависимость Jz =f (V) при а = const. При построении такой зависимое ни, близкой к прямой линии, энтальпии рассчитывают через каждые 100 - 200, °C для температур в диапазоне от 0 до 2200, °C. Масштаб диаграммы: 100 °C — 20 мм, 1 МДж/кг —10 мм. Для уменьшения размера диаграммы её разбивают на две части: от 0 до 1000 °C и от 1000 до 2200 °C. Диаграмму выполняют на миллиметровой бумаге. Обе кривые Jz - f (и) строят на одном / исте.
    Вычисления при этом удобнее производить в виде табл. 3.6. Значения теплоемкостей приведены в таблице 3.5.

Давление р, МПа, температура °C, удельный объем у, м³/кг, энтальпия i, кДж/кг, коэффициенты теплопроводности Л, Вт/(мК) и кинематической вязкости ц м²/с, критерий физических свойств Рг для воды и перегретого пара.

Таблица 3.1

                      Вода                            Пар                 
 р     t   vMO'3   h’           V    Рг     v”     h”     X     V    Pr  
                         ю2    ю-6                       IO2   w6        
0.1  99.6  1.043 417.5  67.86 0.298 1.75   1.695  2675.7 2.51 21.00 0.995
0.2  120.2 1.061 504.7  68.31 0.246 1.44   0.886  2706.9 2.75 11.54 1.00 
0.3  133.5 1.074 561.4  68.32 0.223 1.33   0.606  2725.5 2.92 8.30  1.013
0.4  143.6 1.084 604.7  68.25 0.207 1.20   0.462  2738.5 3.06 6.50  1.023
0.5  151.9 1.093 640.1  68.15 0.197 1.14   0.375  2748.5 3.19 5.38  1.031
0.55 155.5 1.097 655.8  68.06 0.192 1.10   0.343  2752.7 3.23 4.95  1.035
0.6  158.5 1.101 670.4  68.00 0.189 1.09  0.316  ,2756.4 3.28 4.65  1.039
0.65 162.0 1.105 684.2  67.93 0.186 1.07  0.293   2759.9 3.34 4.32  1.042
0.7  164.9 1.108 697.1  67.80 0.184 1.06  0.273   2762.9 3.38 4.05  1.05 
0.75 167.8 1.112 709.3  67.73 0.180 1.04  0.255   2765.8 3.43 3.84  1.054
0.8  170.4 1.115 720.9  67.68 0.177 1.03  0.240   2768.4 3.47 3.62  1.060
0.85 173.0 1.118 732.0  67.59 0.175 1.02  0.227   2770.8 3.51 3.34  1.064
0.9  175.4 1.121 742.6  67.48 0.173 1.005 0.215   2773.0 3.57 3.19  1.070
0.95 177.7 1.124 752.8  67.42 0.170 0.985 0.204   2775.1 3.61 3.08  1.074
1.0  179.9 1.127 762.6  67.34 0.168 0.97  0.194   2777.0 3.63 2.99  1.079
1.5  198.3 1.154 844.7  66.97 0.162 0.92  0.132   2790.4 3.99 2.12  1.127
2.0  212.4 1.177 908.6  65.13 0.148 0.875 0.0995  2797.4 4.25 1.64  1.18 
2.5  223.9 1.197 962.0  64.65 0.143 0.855 0.0799  2800.8 4.49 1.38  1.23 
3.0  233.8 1.216 1008.4 63.81 0.139 0.840 0.0666  2801.9 4.71 1.15  1.26 

Давление р, Мпа, температура t, °C, удельный объем и, м³/кг, энтальпия i, кДж/кг, коэффициенты теплопроводности Л Вт/(мК) и кинематической вязкости ц м²/с, критерий физических свойств Рг для воды и перегретого пара.
Таблица 3.2

 P   t  v-10'3   h    X-IO'2 v- 10 *  Pr 
    20  1,002   84,3  59,87  1,0050  6,99
    60  1,017  251,5  65,46  0,4749  2,98
    100 1,044  419,4  67,90  0,2946  1,75
0,5 160 383,6  2767,4  3,22  5,5277  1,06
    200 425,0  2855,4  3,49  6,8298  0,99
    240 464,6  2939,9  3,82  8,2374  0,97
    280 503,4  3022,8  4,20  9,7710  0,95
    320 541,6  3105,5  4,61  11,4169 0,94
    190 1,141  807,6  66,93  0,1610  0,94
    220 140,6  2849,2  4,05  2,3438  1,08
1,5 240 148,3  2899,3  4,14  2,6027  1,04
    280 162,7  2993,0 4,42   3,1369  1,00
    320 176,5  3082,1 4,77   3,7083  0,97
    360 189,9  3169,3  5,18  4,3136  0,95
    200 1,156  852,8  66,41  0,1530  0,91
    240  84,0  2851,0  4,51  1,4600  1,15
2,5 280  94,0  2959,8 4,65   1,8100  1,05
    320 103,0  3057,1 4,94   2,1600  0,99
    360 112,0  3149,6 5,30   2,5400  0,97
    400 120,0  3239,9 5,78   2,9300  0,96

9

Продолжение таблицы 3.2

р  t  v 103   h    X ю2  v 10'6  Рг 
  20  1,001  84,8  59,9  1,0033 6,99
  60  1,017 251,9  65,48 0,4748 2,98
  100 1,043 419,7  67,93 0,2946 1,75
1 140 1,080 589,5  68,34 0,2119 1,23
  200 205,9 2827,5 3,72  3,2800 1,04
  240 227,5 2920,5 3,97  4,0131 1,00
  280 248,0 3008,3 4,31  4,7963 0,97
  320 267,8 3094,0 4,69  5,6345 0,95
  200 1,156 852,6  66,37 0,1530 0,91
  240 108,0 2876,3 4,31  1,8860 1,08
2 280 120,0 2976,9 4,53  2,3060 1,02
  320 130,8 3069,8 4,85  2,7430 0,98
  360 141,0 3159,5 5,24  3,1990 0,96
  400 151,2 3248,1 5,66  3,6748 0,95
  220 1,189 943,9  65,05 0,1440 0,86
  240 68,0  2823,0 4,71  1,1750 1,22
3 280 77,0  2941,8 4,78  1,4710 1,08
  320 85,0  3044,0 5,03  1,7760 1,01
  360 92,0  3139,3 5,37  2,0840 0,98
  400 99,0  3231,6 2,79  2,4040 0,96

       Примечание: Цифры расположенные выше жирной линии, относятся к воде, а ниже жирной лин ш~к перегретому пару.



Расчетные характеристики жидктх топлив.

                                             Таблица 3.3

              Элементарный состав, %        Низшая теплота
Топливо      Сг   нг  (Nr+Or)* S/    Ар Wp  сгорания, QHP,
                                                МДж/кг    
Мазут 40:                                                  
Малосернис- 87,9 10,9 0,7      0,5 0,15 2        39,8     
тый                                                       
Сернистый   86,5 10,8   0,7    2,0 0,15 2        39,4     
Высокосер-  85,1 10,7 0,7      3,5 0,15 2        39,2     
нистый                                                    
Мазут                                                      
флотский:                                                  
Ф12         86,5 12,2 0,5      0,8 0,15 1        40,9     
Ф5          85,3 12,4 0,3      2,0  0,1 1        40,9     
Топливо:                                                   
моторное    86,5 12,6 0,5      0,4 0,05 1,5      41,4     
дизельное   86,3 13,3   0,1    0,3 0,01 0        42,7     

*- Для расчетов принимать как кислород.

Переводные коэффициенты для пересчета заданной массы топлива на искомую.
Таблица 3.4

Заданная масса       Искомая масса         
               рабочая  сухая    горючая  
                         100       100    
   Рабочая        1    100 -Wp 100 - Ар-Wp
               100-                100    
    Сухая        100      1      100-Л'   
               100     100-Лс             
   Горючая       100   100          1     

Средние изобарные объемные теплоемкости воздуха и газа

Таблица 3.5

                      cD, кДж/(м5 °C)                     
                                                 влажный 
        со2     ль     О2   H1O    сухой воздух  воздух  
v(t)°C                                          (d= 0,01)
  0    1,5998 1,2946 1,3059 1,4943    1,2971     1,3188  
100    1,7003 1,2958 1,3176 1,5052    1,3004     1,3243  
200    1,7873 1,2996 1,3352 1,5223    1,3071     1,3318  
 300   1,8627 1,3067 1,3561 1,5224    1,3172     1,3423  
400    1,9297 1,3168 1,3775 1,5664    1,3289     1,3544  
500    1,9887 1,3276 1,3980 1,5897    1,3427    1,3682   
600    2,0411 1,3402 1,4168 1,6148    1,3565    1,3829   
700    2,0884 1,3536 1,4344 1,6412    1,3708    1,3976   
800    2,1311 1,3670 1,4499 1,6680    1,3842     1,4114  
 900   2,1692 1,3796 1,4645 1,6957    1,3976     1,4248  
1000   2,2035 1,3917 1,4775 1,7229    1,4097     1,4373  
1100   2,2349 1,4034 1,4892 1,7501    1,4214     1,4499  
1200   2,2638 1,4143 1,5005 1,7769    1,4327    1,4612   
1300   2,2898 1,4252 1,5106 1,8028    1,4432    1,4725   
1400   2,3136 1,4348 1,5202 1,8280    1,4528     1,4830  
1500   2,3354 1,4440 1,5294 1,8527    1,4620    1,4926   
1600   2,3555 1,4528 1,5378 1,8761    1,4708    1,5018   
1700   2,3743 1,4612 1,5462 1,8996    1,4788    1,5102   
1800   2,3915 1,4687 1,5541 1,9213    1,4867    1,5177   
1900   2,4074 1,4758 1,5617 1,9423    1,4939    1,5257   
2000   2,4221 1,4825 1,5692 1,9628    1,5010    1,5328   
2100   2,4359 1,4892 1,5759 1,9825    1,5072    1,5399   
2200   2,4484 1,4951 1,5830 2,0009    1,5135    1,5462   

10

it

                1г, МДж/кг

                                                  V, 'С
Рис 3.1. Диаграмма Jz- и

3.4 Построение компоновочного эскиза топки, парообразующих поверхностей нагрева водотрубных паровых котлов с естественной циркуляцией.

   Методика теплового расчета.

   Построение компоновочного эскиза начинается с определения размеров топки и ег конфигурации. Для этого необходимо в соответствии с заданным типом парового котла оценить величину тепловой напряженности топочного объема qᵥ (по прототипу) и по формуле определить объем топки Vₘ. далее намечается длина топки т.е. расстояние между фронтальными стенками или осевыми линиями крайних труб ряда (Lₘ=b). Этот линейный размер, определяющий длину парового котла, сохраняется неизменным во всех газоходах.
   Вспомогательные паровые котлы обычно строят с односторонним расположением форсунок.
   Величину Lₘ ориентировочно можно оценить по формуле:
                                       (3.4)
где Л- коэффициент, принимаемый согласно следующим данным:

 КУ6.    1   2   3   4 
МВт/м3                 
Л______ 0,9 1,0 1,1 1,2

    Площадь поперечного сечения топки (площадь фронта), наиболее рациональной формой которого является фигура, близкая к кругу, будет:
FT=^ (3.5)
LT

   Далее проверяют возможность размещения форсунок, определяют диаметр фурменного отверстия йф, величина которого округляется до ближайшего нормированого значения. Скорость воздуха в фурме принимается в пределах 20 + 50 м/с.
   Расстояние от центра фурмы до ближайших труб притопочного пучка или бокового экрана должно быть не менее 0,5с1ф +(0,3 + 0,4) м.
   Внутренний диаметр пароводяного коллектора определяют по формуле:
(3.6)

где нагрузка зеркала испарения R₃U, кг/(м²с), принимается по прототипу.
   Обычно величина dₙK для вспомогательных котлов без пароперегревателя находится в пределах 600- 1000 мм, ее значение окончательно уточняют после размещения труб. Внутренний диаметр водяных коллекторов dₑK берут меньших rwwnna (ri — 450     600 млО и выбирают из соображений возможности
вальцовки труб изнутри. Величина dₑK должна быть достаточной, чтобы разместить трубы на 3/4 длины верхней полуокружности коллектора.
   Зная Fm, dₙK, dₑK, приступают к вычерчиванию контуров топки и построению притопочного пучка, бокового экрана и опускных труб. Для этого необходимо выбрать диаметры и шаги труб.
   Для парообразующих труб рекомендуется диаметр 29x2.5, а для опускных труб- 29x2.5, 38x3, 44.5x3 мм.
   Иногда первые ряды притопочного пучка и экран изготавливают из труб большего диаметра (38x3 или 44.5x3 мм). Это повышает надежность циркуляции, так как с увеличением диаметра уменьшается тепловая нагрузка на единицу Площади ПипёрёчнОги иёчёниЯ трубы и ииниврёмённи умёньш.иётсЯ гидравл нческое сопротивление движению пароводяной смеси.
   Значение поперечного Si и продольного S2 шагов в трубной доске не должны быть менее d + (13 + 14) мм, т.к. при меньших перемычках металла между соседними отверстиями в трубной доске трудно обеспечить высокую надежность вальцовочных соединений.
   При разработке компоновочного эскиза необходимо иметь ввиду следующее. Все трубы должны входить в коллекторы в направлении радиуса коллектора и иметь прямые участки, выступающие наружу из коллектора не менее чем на 30 мм. В противном случае невозможно будет развальцевать трубу. Не должно быть горизонтальных участков труб, иначе это приведет к снижению надежности циркуляции и затруднениям при удалении влаги из труб для сухого хранения котла: минимальный угол наклона труб к горизонтали составляет 15 + 20°. Вертикальные трубы всегда предпочтительны.

12

13

Рис. 3.2. К определению лучевоспринимающей поверхности нагрева топки, b — среднее расстояние между осевыми линиями крайних труб в ряду.

     Тепловая эффективность, массовые характеристики и эксплуатационная надежность парообразующих и всех других труб зависит от того, насколько близки к оптимальным условиям выбранные тип пучка, диаметр и шаги труб. Шахматное строение пучка в сравнении с коридорным при одинаковых диаметрах труб, скоростях и температурах потока дает более высокие коэффициенты теплоотдачи, однако это справедливо только при умеренных и малых скоростях продуктов сгорания. С увеличением скорости более 15+20 м/с это различие уменьшается и становится малозаметным.
     Аэродинамическое сопротивление коридорного пучка ниже. Однако при прочих равных условиях загрязнение его валовыми и сажистыми отложениями происходит интенсивнее, в то же время коридорный пучок более удобен для очитки труб от этих отложений.
   Когда выбраны тип парообразующего пучка и его конструктивные параметры, приступают к определению количества рядов. Для решения этой задачи необходимо выполнить тепловой расчет.
   Вначале необходимо выполнить расчет теплообмена в топке в соответствии с методикой, изложенной в таблице 3.9. В результате этого расчета определяется температура газов на выходе из топки от и тепловосприятие лучевоспринимающей поверхности нагрева Qji- Далее из уравнения теплового баланса для притопочного парообразующего пучка находим количестве теплоты, которое нужно передать трубам этого пучка.
                                          (3.7)

   Далее из уравнения теплопередачи

Qₙ=KAt -Нп (3.8)

находится поверхность нагрева притопочного пучка Нп.

   Определяем поверхность нагрева одного ряда:

Hₚ=lₙ-d-Zᵣ7t (3.9)

где: 1п- средняя длина трубы в пучке;
   Zᵣ число труб в ряду, определяемое по формулам на рис. 3.3 (в данном случае b = L„) в зависимости от построения пучка.

   Затем вычисляем число рядов труб Z₂:

Z₂=^      (3.10)


Рис. 3.3. Поперечные сечения газоходов с различной компоновкой трубных пучков: а- трубы расположены непосредственно у стенки, строение пучка коридорное, b=(Zrl)8i+d; б- трубы расположены непосредственно у стенки, строение пучка шахматное, b=(Zj-0.5) Sj+d; в- трубы расположены на расстоянии 0.5 8j от стенки, строение трубного пучка коридорное, b—ZjSj; г-трубы расположены на расстоянии 0.5 8/ от стенки, строение трубного пучка шахматное, b=(Zi+0.5) 8].


    Полученное по формуле 3.10 значение Z₂ может быть равно целому значению или отличаться от него. В первом случае расчет можно считать законченным и никаких дальнейших уточнений не требуется; полученная

14

15

поверхность обеспечит получение заданной паропроизводительности и экономичности. Во втором случае число рядов округляют до ближайшего целого числа. При округлении паропроизводительностъ и КПД будут отличаться от заданных. Поэтому необходимо определить тепловосприятие пучка и температуру газов за ним. Данную задачу решают на основе поверочного теплового расчета, методика которого заключается в следующем:
    Обозначим поверхность пучка, соответствующую принятому числу рядов, н„
    Задаемся новым значением температуры уходящих газов, и ух; при округлении числа Z₂ в меньшую сторону, значение иух надо взять более высоким, чем принятое в начале расчета иух и наоборот. Из уравнения теплового баланса по газовой стороне:

                             Q п ~ (Р'В Jₘ J ух)

находим те пловосприятие пучка и сравниваем его со значением, полученным по уравнению теплообмена:
Qₙ = KAt-Hₙ

если в него подставить Н п и новые значения К и At, соответствующие и ух. Коэффициент К не пересчитывается, если и ух отличается от ЦуХ не более чем на 50°С. Расхождение между тепловосприятиями, полученными по этим формулам не должно превышать 2%, в противном случае расчет надо повторить, задавшись иным значением температуры газов за пучком.
    Этот метод последовательных математических приближений может сильно усложнить расчет, поэтому рекомендуется выполнять проверочный расчет путем графического решения уравнений:

Qₙ₆ = g>-B(Jₘ-fyₓ) uQₙₘ = K At-Н\.

    Задаются тремя значениями температуры газов за пучком с интервалом 40+50, °C, т.е. тремя значениями температуры уходящих газов (иух, и ух, и"ух). Для каждого значения иух определяются соответствующие им JyX} К, At, Qₙ₍; (по уравнению 3.7)

Qno ~ Ф'В'( Зт — 3 ух)
м Qnm по yi равнению 3.8
Qnm = К • Л/ • Н\
     Искомые значения температуры и ух и тепловосприятие пучка Q*ₙ найдутся из пересечения графиков Qₙₘu Qₙb(puc. 3.4).


Рис. 3.4. К графическому решению уравнений теплообмена (3.8) и теплового баланса (3.7).

     В заключении расчета определяется невязка теплового баланса по формуле

&Q=Q' п'
D
     * *
где Т] - уточненное, соответствующее и ух, значение КПД.

  При правильно выполненном расчете величина AQ не должна превышать 0,005 QPP


16

3.5. Определение коэффициента теплопередачи К.


    Если пренебречь кривизной стенки трубы и считать ее плоской, что вполне допустимо в судовом котлостроении труб, то коэффициент теплопередачи будет равен:

ан)


    Где: aₜ — коэффициент пгеплоотдачг1 от газов к стенке, Вт/м²К;
        а₂ - коэффициент теплоотдачи от стенки к обогреваемой среде (воде, пару, воздуху), Вт/м²К;
        д₃, Л, - толщина, м, и коэффициент теплопроводности слоя загрязнения со стороны газов, Вт/мК;
        дм, Лм - толщина, м, и коэффициент теплопроводности металлической стенки, Вт/мК;
        би, Ан — толщина, м, и коэффициент теплопроводности слоя накипи, Вт/мК.


    При с эвременных способах обработки питательной и котловой воды и правильно организованном водном режиме накипь в трубах практически &
отсутствует и величину —можно принимать равной нулю. Вследствие





малости пренебрегают и термическим сопротивлением металла стенки





^ = о .
.А/ J

    Термическое сопротивление стенки Е-— называется коэффициентом Л₃
загрязнения. Даже при наличии специальных обдувочных устройств не удается добиться полной очистки труб от загрязнений сажей и золой. Значение коэффициента Е зависит от многих факторов: рода топлива, способа и полноты его сгорания, скорости газов, строения пучка (шахматного или коридорного), эффективности действия сажеобдувочных устройств. В процессе работы котла трубки загрязняются неодинаково, и это различие можно объяснить неравномерностью смывания их газами. Установить влияние всех перечисленных выше факторов можно только экспериментально, путем проведения специальных сравнительных испытаний в натурных условиях. Поскольку такие эксплуатационные факторы, как качество топлива, его полнота сгорания, эффективность действия обдувочных устройств могут меняться в процессе работы, то говорить можно только о какой-то средней

эксплуатационной степени загрязнения труб. Опытных данных о величине коэффициента Е пока еще совершенно недостаточно.



Рис. 3.5. Зависимость коэффициента загрязнения Е от скорости газов со при поперечном смывании шахматных пучков труб.
1 - парообразующие пучки труб; 2 - гладкотрубные экономайзеры;
3 -пароперегреватели.

   Газы при омывании конвективных пучков частично отдают теплоту излучением, и поэтому коэффициент а, определяется как сумма коэффициентов теплоотдачи конвекцией и излучением а^. Если учесть также неполноту смывания труб газами, то коэффициент теплоотдачи а₂ можно представить в виде:
ОС, = СО СХк -+- (3.12)
   Для парообразующих поверхностей и экономайзеров величина а₂ на один- два порядка больше коэффициента aₜ. Поэтому для указанных поверхностей термическим сопротивлением —можно пренебречь. С учетом всего сказанного
исходное уравнение (3.11) преобразуется следующим образом:
   для парообразующих и экономайзерных поверхностей нагрева
* =------*----- (3.13)
                            ----₊ £ оак +ал
   для пароперегревателей
« =--------------г (3.14)
--------+ £ + — о-ак+ал а₂
    Коэффициент смывания со определяется как отношение поверхности, активно омываемой, ко всей поверхности.

18

19

b

      Рис. 3.6. Схема ВПК для определения коэффициента полноты смывания со и площади живого сечения пригоночного пучка труб.

   Для парообразующих пригоночных пучков водотрубных вертикальных котлов, имеющих топку цилиндрической формы, со = 0.7 + 0.85. Для змеевиковых экономайзеров можно принимагъ со= I.
   При определении скоросги газов в пучке необходимо знать площадь живого сечения для прохода газов в пучке F. Эта площадь всегда расчитывается по принципу минимального проходного сечения как разность между полной площадью газохода в свету и частью этой площади, занятой трубами.
  Оценивая метод расчета теплопередачи по’формулам (3.13 и 3 14), следует подчеркнуть, что резулъгагы расчета зависят от выбранных значений Е, сои F Проверить правильность выбора каждой из этих величин затруднительно Гораздо легче опытным путем определить действительное значение коэффициента теплопередачи К в каждом конвективном пучке и сравнить их с расчетными величинами К для чистой равномерно омываемой поверхности. На основе этих сравнений можно выявить совместное влияние загрязнения труб и неравномерности их смывания, снижающих тепловосприятие поверхности, учитываемых общим коэффициентом тепловой эффективности у/. Тогда расчетные формулы для определения коэффициента теплопередачи К выглядят следующим образом:
  - для парообразующих и экономайзерных поверхностей нагрева

К = у/(ак+ал) (315)

  - для пароперегревателей и воздухоподогревателей
К -      +ал)'а1
ак +ал+аг
    В воздухоподогревателе принимают = 0 из-за относительно низкой температуры газов.

Значения коэффициентов тепловой эффективности тепловых поверхностей нагрева вспомогательных и утилизационных котлов.
Таблица 3.7

Поверхность нагрева             Тип котла            Коэффициент   
                                                      тепловой     
                                                  эффективности у/.
Парообразующая          Вспомогательный    водо-                   
                        трубный вертикальный (см.     0,49-0,56    
Пароперегревательная:                  ________________             
вертикального типа                Тоже                0,68-0,72    
змеевикового типа                 Тоже               0,80- 0,88    
Экономайзерная                    Тоже                0,55-0,70    
Воздухоподогревательная           Тоже            0,75-0,85 ____   
Парообразующая               Вспомогательный          0,60-0,65    
>>                      Утилизационный газотруб-      0,70-0,75    
Любая из указанных выше Утилизационный вод отруб-    0,60- 0,65    

Примечание: приведенные величины получены расчетным путем по формуле



(3.17)

    где: коэффициент загрязнения Е и коэффициент смывания со хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными значениями.
    Однако еще не накоплен достаточный опытный материал, чтобы дать исчерпывающие рекомендации по выбору у/. Приведенные в таблице 3.7. данные требуют уточнения с учетом скорости газов, марки топлива, конструктивных особенностей пучка, эффективности действия саже обдувочных устройств. Большие значения у/ соответствуют меньшим скоростям газов. При наличии эффективных саже обдувочных устройств и сжигании высококачественных малосернистых топлив величины у/следует принимать большими.
    Для определения коэффициента теплоотдачи рекомендуются расчетные формулы в зависимости от характера смывания и строения пучка. По этим формула можно рассчитать теплоотдачу как от газов к стенке (с%), так от стенки к пару или воздуху (cxj.


20

21