Судовые котельные и паропроизводящие установки. Тепловой расчет парового котла

Черноморское высшее военно-морское училище имени П.С. Нахимова 

В. В.  А Ж И М О В 
В. Г.  С Е М Е Н О В

СУДОВЫЕ КОТЕЛЬНЫЕ 
И ПАРОПРОИЗВОДЯЩИЕ 

УСТАНОВКИ

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПАРОВОГО КОТЛА

Учебное пособие

Рекомендовано экспертным советом

ЧВВМУ имени П.С. Нахимова в качестве учебного пособия по дисциплине
«Судовые котельные и паропроизводящие установки», «Вспомогательные

механизмы и системы». Рекомендуется для студентов специальности

25.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок»

Москва

ИНФРА-М

2019

УДК
621.181(075.8) 

ББК
39.455.11я73
А34

Рецензент :

В.В. Кузнецов, кандидат технических наук, доцент

Ажимов В.В.

А34
Судовые котельные и паропроизводящие установки. Тепловой расчет 

парового котла : учебное пособие / В.В. Ажимов, В.Г. Семенов. — Москва : 
ИНФРА-М, 2019. — 48 с.

ISBN 978-5-16-108225-6 (online)

Учебное пособие содержит методику и справочные материалы для выполнения 

расчетов судовых паровых котлов. Методика базируется на нормативном методе и 
использовании 
обобщенных 
зависимостей 
на 
основе 
приведенных 
тепловых 

характеристик.

Представлены общие методические указания и рекомендации, последователь
ность расчета, порядок выбора и оценки отдельных величин, построение графиков.

Разработано в соответствии с требованиями «Международной Конвенции о 

подготовке и дипломировании моряков и несении вахты» 1978 года с учетом 
Манильских поправок 2010 года.

Рекомендуется для студентов и курсантов при изучении дисциплин «Вспомога
тельные механизмы и системы», «Судовые котельные и паропроизводящие 
установки».

УДК
621.181(075.8) 

ББК
39.455.11я73

ISBN 978-5-16-108225-6 (online)
© Черноморское высшее военно
морское училище имени 
П.С. Нахимова, 2019

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ВВЕДЕНИЕ 
Подготовка квалифицированных кадров инженеров-судомехаников в высших 
учебных заведениях невозможна без овладения методами теплового расчета паровых 
котлов.  
Учебная работа студентов над курсовым проектом связана с необходимостью 
использовать в процессе проектирования не только нормативные данные, но и рекомендации по выбору исходных значений, последовательности выполнения тепловых 
расчетов, пояснения к ним. В этом заключается принципиальное отличие учебного пособия для студентов при проектировании паровых котлов от Нормативного метода теплового расчета котельных агрегатов [1]. Пособие содержит в сжатом виде строгую последовательность расчета и необходимые расчетные формулы. 
Учебное пособие составлено на основе третьего издания Нормативного метода 
теплового расчета котельных агрегатов, изданного в 1998 г. и разработанного коллективом авторов ведущих научно-исследовательских институтов (ВТИ и НПО ЦКТИ). 
При выполнении расчета парового котла его паропроизводительность, параметры пара и питательной воды являются заданными. Поэтому цель расчета состоит в 
определении температур и тепловосприятий рабочего тела и газовой среды в поверхностях нагрева заданного котла. Таким образом, необходимо выполнить комплекс расчетно-графических работ по тепловому расчету топки, конвективного парообразующего пучка, пароперегревателя, экономайзера и сведение теплового баланса котла.  
Учебное пособие предназначено для закрепления студентами теоретических 
знаний, полученных при изучении соответствующих тем курса, а также для приобретения навыков в выполнении тепловых расчетов, необходимых для выполнения дипломного проекта, а также в будущей деятельности в качестве судового механика. 
Исходные данные сведены в таблицу 1. Конструктивные характеристики парового котла представлены на рисунках 1 и 2.  
 
1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА 
Таблица 1 
 

Вид топлива и его элементарный состав 

Расход топлива, кг/ч

Температура топлива, ºС

Температура воздуха,  ºС

Температура воды,  ºС

Коэффициент избытка воздуха,  

Содержание трехатомных газов в  
продуктах сгорания, % 

Давление в паровом коллекторе,  кг/см2 

Отбор перегретого пара,  т/ч 

 

углерод 

водород 

сера 

кислород 

азот 

зольные элементы 

влага 

Вид
CP 
HP 
SP 
OP 
NP 
AP 
WP 
В tТ tВ tПВ α RO2max РПК DПП 

Этапы расчета построены по принципу последовательности, то есть результаты 
предыдущего расчета являются исходными данными для следующего. 

3 

2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПАРОВОГО КОТЛА 
 

Топка
Экран однорядный

Объем, м
VT
2,24
Диаметр труб, мм
d
29

Длина, м
LT
1,63
Толщина стенок труб, мм
2,5

Площадь лучевоспринимающей поверхности, м2 
FЛ
7,20
Поперечный шаг труб, мм
S1
30,75

Количество труб в ряду
n
53

Площадь стенок, м2
FСТ
9,7
Площадь лучевоспринимающей поверхности, м2 
FЭЛ
3,86

Степень экранирования 
топки

ψ
0,74
3

Конвективный пучок коридорный
Экономайзер коридорный

Диаметр труб, мм
d
29
Диаметр труб, мм
d
29

Толщина стенок труб, мм
2,5
Толщина стенок труб, мм
2,5

Поперечный шаг труб, мм
S1
38
Поперечный шаг труб, мм
S1
48

Продольный шаг труб, мм
S2
55
Продольный шаг труб, мм
S2
48

Количество рядов труб 
z
11
Количество рядов труб 
z
8

Количество труб в ряду
n
43
Количество труб в ряду
n
15

Ширина газохода котла, м
BКГАЗ
1,63
Длина газохода, м
LГАЗ
1,63

Площадь лучевоспринимающей поверхности, м2 
FКЛ
3,34
Ширина газохода экономайзера, м

BЭГАЗ
0,75

 
 

 
 
 
 
 
Рисунок 1 – Паровой котел с экономайзером 
 

№ ряда
Длина 
труб, 
мм

Высота 
труб, 
мм

Экран

1
2512
1500

Конвективный пучок

1
2212
1560

2
2197
1580

3
2189
1590

4
2207
1600

5
2242
1660

6
2294
1720

7
2344
1780

8
2500
1840

9
2654
1900

10
2752
1960

11
2900
2060

Опуск

1
2600
1840

 
4 

КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПАРОВОГО КОТЛА 
 

Топка
Экран однорядный

Объем, м
VT
3,14
Диаметр труб, мм
d
29

Длина, м
LT
2,13
Толщина стенок труб, мм
2,5

Площадь лучевоспринимающей поверхности, м2 
FЛ
9,55
Поперечный шаг труб, мм
S1
30,75

Количество труб в ряду
n
69

Площадь стенок, м2
FСТ
12,87
Площадь лучевосприниFЭЛ
5,00

Степень экранирования 
топки

ψ
0,74
мающей поверхности, м2

Конвективный пучок коридорный
Пароперегреватель коридорный

Диаметр труб, мм
d
29
Диаметр труб, мм
d
29

Толщина стенок труб, мм
2,5
Толщина стенок труб, мм
2,5

Поперечный шаг труб, мм
S1
38
Поперечный шаг труб, мм
S1
42

Продольный шаг труб, мм
S2
55
Продольный шаг труб, мм
S2
42

Количество рядов труб
z
11
Количество рядов труб
z
12

Количество труб в ряду
n
56
Количество труб в ряду
n
22

Ширина газохода пучка, м
BКГАЗ
2,13
Длина газохода, м
LГАЗ
1,96

Площадь лучевоспринимающей поверхности, м2 
FКЛ
4,55
Ширина газохода пароперегревателя, м

BПГАЗ
1,01

 
 

 
 
 
 
 
Рисунок 2 – Паровой котел с пароперегревателем 

№ 
ряда 

Длина 
труб, 
мм

Высота 
труб, 
мм

Экран

1
2562
1660

Конвективный пучок

1
2352
1580

2
2337
1600

3
2329
1620

4
2347
1640

5
2382
1680

6
2424
1720

7
2484
1780

8
2640
1820

9
2794
1900

10
2892
1980

11
2940
2080

Опуск

1
2650
1900

5 

3. РАСЧЕТ РАСХОДА ВОЗДУХА И ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ МАЗУТА 
 
Задание 
Используя исходные данные, вычислить: 
– действительную объемную часть трехатомных газов (RO2) в продуктах сгорания; 
– теоретически необходимый и действительный объемы воздуха для сжигания 1 кг 
топлива; 
– объемы компонентов продуктов сгорания 1 кг топлива; 
– энтальпию продуктов сгорания в интервале температур от 200 до 2000°С; 
– построить I–t-диаграмму. 
 
Таблица 2 

№ 
пп. 

Наименование 
рассчитываемой  
величины 

Обозначение 
Размерность 
Расчет 

Результат

1
Максимальная объемная часть трехатомных 
газов в сухих продуктах сгорания 

RO2max 
% 
Из таблицы 1 
 

2
Коэффициент избытка 
воздуха 
α 
– 
Из таблицы 1 
 

3
Объемная часть трехатомных газов в сухих 
продуктах сгорания 

RO2 
% 
 
 

4  

Приведенный углерод

Кр 
% 

Ср + 0,375⋅Sp , 

где Ср,  Sp − элементарный состав 

топлива из таблицы 1

5
Теоретическая масса 
воздуха для сжигания  
1 кг топлива 
G0В 
кг/кг 

0,115∙Кр + 0,342∙Нр – 0,0431∙Ор,
где Нр,  Оp − элементарный состав 

топлива из таблицы 1

6
Плотность воздуха при 
нормальных условиях 
ρв 
кг/м3 
Справочные данные. 
Таблица П1 
 

7
Теоретический объем 
воздуха для сжигания 
1 кг топлива 
V0В 
м3/кг 
G0В / ρВ 
 

8
Действительная масса 
воздуха для сжигания  
1 кг топлива 
GВ 
кг/кг 
α·G0В 
 

9
Действительный объем 
воздуха для сжигания 
1 кг топлива 
VВ 
м3/кг 
α·V0В 
 

10
Объем трехатомных газов (RO2) в продуктах 
сгорания 1 кг топлива

V0RO2 
м3/кг 
 
 

006
,0

max
2
−
α
RO

100
866
,1

Р
К

 
6 

Окончание таблицы 2 

 
 
 

№ 
пп. 

Наименование 
рассчитываемой  
величины 

Обозначение 
Размерность 
Расчет 

Результат

11 

Теоретический объем 
азота в продуктах  
сгорания 1 кг топлива 

V0N2
м3/кг
0,79⋅��������

0 +  0,8⋅ ��������

100 ,

где Np − элементарный состав 
топлива  из  таблицы 1 
 

12
Теоретический объем 
водяного пара в продуктах сгорания 1 кг  
топлива 

V0H2O
м3/кг
0,111∙НР + 0,0124∙WP + 0,0161∙V0B 
где Нр, Wp − элементарный состав 
топлива из таблицы 1 
 

13
Действительный объем 
водяного пара в продуктах сгорания 1 кг  
топлива 

VH2O
м3/кг
V0H2O + 0,0161∙(α – 1)∙V0B 

14
Объем продуктов 
сгорания 1 кг топлива 

VГ
м3/кг
V0RO2 + V0N2 + V0H2O +

+(α – 1)∙V0B 
 

15
Объемная часть трехатомных газов (RO2)  
в продуктах сгорания 

–
V0RO2 / VГ

16
Объемная часть 
водяного пара в продуктах сгорания 

–
V0H2O / VГ

17
Объемная часть 
греющих газов  
в продуктах сгорания 

–

18
Масса продуктов сгорания 1 кг топлива 

GГ
кг/кг
1 + 1,01∙G0В

19
Расход топлива
В*
кг/с
В/3600

В – из таблицы 1 
 

20
Расход воздуха в котле
G*

В 
кг/с
В*·GВ 

21
Массовый расход 
продуктов сгорания 

G*

Г 
кг/с
В*·GГ 

22
Объемный расход 
продуктов сгорания

V*

Г 
м3/с
В*·VГ 

2
ROγ

O
H 2
γ

O
H 2
γ
2
ROγ

Гγ

7 

Расчет энтальпии. Построение I–����-диаграммы 
Расчетная формула 

I = (V0RO2·CCO2 + V0N2·CN2 + VH2O·CH2O)·���� + (α–1)·V0B·CB·���� , кДж/кг, 

где  V0RO2, V0N2, VH2O, V0B – объемы 3-атомных газов, азота, водяного пара; 
CCO2, CN2, CH2о , CB – теплоемкости углекислого газа, азота, пара, воздуха; 
����Г  – температура продуктов сгорания.  
Таблица 3 

Температура газа, 

����Г (тета), ºС 

Теплоемкость газов, 

СР, кДж/м3∙ºС

Результат расчета  
энтальпии, I (иота),  
МДж/кг 
1000 кДж/кг = 1 МДж/кг 
CСО2 
CN2 
CH2O 
 CB 

200
1,7873
1,2996
1,5223
1,3318

400
1,9297
1,3168
1,5664
1,3544

600
2,0411
1,3402
1,6148
1,3829

800
2,1311
1,3671
1,6681
1,4114

1000
2,2035
1,3917
1,7229
1,4373

1200
2,2638
1,4143
1,7769
1,4612

1400
2,3136
1,4348
1,8281
1,4831

1600
2,3555
1,4528
1,8761
1,5018

1800
2,3915
1,4687
1,9213
1,5177

2000
2,4221
1,4825
1,9628
1,5328

Построение I–����-диаграммы выполняется на листе миллиметровки формата А4 в масштабе: 
–  по оси ординат 1 мм соответствует 
0,1 МДж/кг; 
– по оси абсцисс 1 мм соответствует 10°С. 
Диаграмма строится в виде двух веток, как 
показано на рисунке 3, разбив интервал температур пополам. Левая ветка для интервала температур от 200 до 1000°С, а правая для интервала 
температур от 1000 до 2000°С.  
ВНИМАНИЕ: параметры последней точки левой ветки должны соответствовать первой 
точке правой ветки.  
Линии веток диаграммы проводятся по 
расчетным точкам тонко заточенным карандашом. Они должны представлять собой плавно 
изогнутые кривые с постоянно увеличивающимся наклоном. Такое изменение наклона кривых 
объясняется ростом теплоемкости продуктов 
сгорания  с увеличением температуры.  
Диаграмма вклеивается в отчет расчетнографической работы. 

Рисунок 3 – Построение

I–����-диаграммы 

 
8 

4. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТОПКИ 
 
Задание 
Используя исходные данные и результаты предыдущего расчета выполнить тепловой расчет топки и определить: 
– тепловое восприятие в топке QТ; 
– энтальпию и температуру продуктов сгорания на выходе из топки; 
– тепловое напряжение топочного объема qТ; 
– коэффициент прямой отдачи σ. 
 
Таблица 4 

№ 
пп. 

Наименование  
рассчитываемой  
величины 

Обозначение 
Размерность 
Расчет 

Результат 

1  

Действительная масса 
воздуха для сжигания 
1 кг топлива

GB
кг/кг
Из расчета расхода воздуха и 

продуктов сгорания, п.8 

2  

Температура воздуха
tВ
ºС
Из таблицы 1

3  

Теплоемкость воздуха 
при заданной температуре 

СВ
кДж/кг∙ºС
Определить по таблице П1. 

Справочные данные 

4  

Теплота, вносимая 
в топку с воздухом 

QBОЗД
кДж/кг
GB∙СВ·tВ

5  

Температура топлива
tТ
ºС
Из таблицы 1

6  

Теплоемкость топлива при заданной температуре 

СТ
кДж/кг∙ºС
1,89 + 0,0053∙tТ 

7  

Теплота, вносимая 
в топку с топливом 

QТОПЛ
кДж/кг
СТ · tТ

8  

Объемная часть 
кислорода в продуктах сгорания 

О2
%
, 
где RO2 – объемная часть трехатомных газов в сухих продуктах 
сгорания – из расчета продуктов 
сгорания; 

β – характеристика топлива из 
справочных данных, таблица П2

9  

Объемная часть окиси 
углерода в продуктах 
сгорания 

СО
%

)
1(
21
2
2
β
+
⋅
−
=
RO
О

605
,0
)
(
)
21
(
2
2
2
+
+
−
−
=
β
β
O
RO
RO
CO

9 

Окончание таблицы 4 

№ 
пп. 

Наименование  
рассчитываемой  
величины 

Обозначение 
Размерность 
Расчет 

Результат 

10 

Потери теплоты 
вследствие химической 
неполноты сгорания 
топлива 

Q3
кДж/кг

11 

Адиабатная энтальпия 
продуктов сгорания 

Iа
кДж/кг
QРН + QBОЗД + QTОПЛ  − Q3, 

где QРН  – низшая теплота сгорания рабочей массы топлива. 
Можно принять: 
– для Ф-5   41215 кДж/кг 
– для Ф-12  41565 кДж/кг

12 

Температура продуктов 
сгорания 

����а
ºС
Определить по I–����-диаграмме 
из расчета продуктов сгорания 

Та
К
tа + 273

13 
Коэффициент сохранения теплоты 

φ
–
Принять согласно справочным

данным (Табл. П2) 

14 

Коэффициент загрязнения поверхности  
нагрева

ξ
–
Принять согласно справочным

данным (Табл. П2) 

15 

Средний коэффициент 
тепловой эффективности топки 

ψЭ
–
ξ∙ψ ,

где ψ – степень экранирования 
топки 

из Таблицы конструктивных 
элементов котла (рис. 1 или 2 

варианта задания)

 
Дальнейший расчет выполняется согласно Нормативному методу, в основе которого лежат полуэмпирические зависимости.  
Основное из них – критериальное уравнение, которое связывает температуру продуктов сгорания на выходе из топки с критерием Больцмана топки: 
 
θ"T  =  

                                                                                                                                    
. 
 

 
Так как обусловленная температура входит в правую и в левую часть уравнения, 
то для ее вычисления воспользуемся методом последовательных приближений.  
То есть, задавшись тремя значениями температуры продуктов сгорания на выходе 
из топки, расчет выполнить одновременно для трех значений температуры ����'Т  в колонках 6, 7, 8. Затем, построив интерполяционный график, определить искомую температуру. Пример построения интерполяционного графика показан на рисунке 4. 
В первом приближении температуру продуктов сгорания на выходе из топки ����'Т 
можно выбрать в интервале от 800 до 1300°С. Два других значения температуры должны отличаться от среднего на  ±100ºС. 

СО
RО

СО
К
Р
−
⋅

2
237

 
10