МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»
филиал в г. Северодвинске Архангельской области
ТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ
(фамилия, имя, отчество студента)
Технический колледж _____3_____ курс ________М-311o_______ группа
180405_Монтаж и техническое обслуживание судовых машин и механизмов____________
(код и наименование специальности)
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
По дисциплине_Монтаж,_ремонт_и_техническое_обслуживание судовых машин и механизмов_________________________________________________________________
На тему_Тепловой расчет судового высоконапорного котла КВГ3, работающего на мазуте М40 ________
(наименование темы)
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Признать, что проект
выполнен и защищен с оценкой ___________________________________________
Руководитель проекта преподаватель _________________
(должность) (подпись) (инициалы, фамилия)
Северодвинск 2014
ВВЕДЕНИЕ
Применение водяного пара для различных целей и устройств, облегчающих труд человека, осуществлялось очень давно, раньше, чем была изобретена паровая машина. К таким устройствам можно отнести, например, шар Герона Александрийского (около 120 г. до н. э.) и паровую пушку Леонардо да Винчи (XVв.). Агрегаты, генерирующие пар для использования с целью получения механической работы, созданы несколько столетий спустя. Впервые паровой котел как генератор, производитель пара, был отделен от исполнительного механизма в 1600 г. в установке Джамбатиста дела Порта для подъема воды. Однако отсутствие в то время универсального парового двигателя тормозило развитие паровых котлов. Практическое применение различных тепловых двигателей стало возможным в результате развития учения о тепловой энергии. Особые заслуги в этой области принадлежат гениальному русскому ученому М. В. Ломоносову, который разработал атомномолекулярную концепцию. Он впервые объяснил, что тепловые явления обусловлены механическим движением материальных частиц. История развития теплотехники неразрывно связана с разработкой и совершенствованием теплового двигателя, первым из которых являлась паровая поршневая машина. В 1763 г. талантливый русский теплотехник И. И. Ползунов разработал первый проект универсального парового двигателя, а в 1766 г. по его второму проекту была построена вся установка, которая состояла из поршневой машины и парового котла. В последнем был применен предварительный подогрев питательной воды, а также автоматический регулятор питания, что по существу является прообразом регулирования современного котла. По проекту И. И. Ползунова 3 ноября 1815 г. первый русский пассажирский пароход «Елизавета» совершил рейс от Санкт-Петербурга до Кронштадта. На пароходе была установлена паровая машина небольшой мощности, судно имело скорость 5 уз. Избыточное давление пара в котле составляло 0,2 — 0,3 кгс/см2. К 1820 г. в России было построено несколько таких пароходов. Семь лет спустя в мировом флоте насчитывалось около тысячи судов с паровыми машинами. В первой половине XIX в. в России на нескольких заводах были построены паровые котлы в основном коробчатого типа. В это время большую роль в развитии огнетрубных котлов сыграли отец и сын Черепановы, создавшие в 1833— 1835 гг. первый в России паровоз, что предшествовало появлению огнетрубных котлов на судах. Русский теплотехник С. В. Литвинов предложил применить перегрев пара в котле оригинальной конструкции. Необходимость в котлах с большой паропроизводительностью, способных работать при повышенных давлениях пара и в то же время имеющих малые размеры и массу, привела к созданию в 70-х годах XIX в. огнетрубных котлов, в которых большая часть поверхности нагрева образована трубками небольшого диаметра; снаружи трубки омываются водой, а внутри них проходят уходящие из топки котла дымовые газы. К этому периоду относится применение в котлах устройств для получения перегретого пара, а несколько позже в котлах стали использовать для горения топлива воздух, подогретый теплом уходящих газов. Применение цилиндрических огнетрубных котлов позволило поднять давление пара до 16 кгс/см2. По мере дальнейшего развития паровых турбин огнетрубные котлы не могли удовлетворить потребности в паре высоких параметров, поэтому в конце XIX в. начали создаваться водотрубные котлы, получивший свое название вследствие того, что водогрейные трубки вставлялись в передние и задние камеры, образуя отдельные секции. В России такие котлы начали строить с 1891 г. на Петербургском металлическом заводе: использовались они как в судовых, так и стационарных установках. Однако секционные котлы были сложными в изготовлении и недостаточно надежными в работе из-за слишком большого количества лючков в камерах, поэтому в конце прошлого века на судах начали применять барабанные водотрубные котлы. Барабанные котлы проще по устройству и легче секционных, они надежнее в эксплуатации и превосходят секционные котлы по технико-экономическим показателям. Барабанные водотрубные котлы применяются в настоящее время на судах как морского, так и речного флота. К началу XX в. были разработаны и нашли широкое применение более прогрессивные водотрубные котлы с угольным отоплением. Для военных кораблей использовались два типа таких котлов – горизонтального и вертикального исполнения. Впервые такие котлы были установлены в 1890 г. на эскадренном миноносце “Роченсальм”. Рабочее давление пара в котлах этого корабля было 13 кгс/см2. Развитие паровых поршневых машин шло по пути увеличения степени расширения пара, что привело к созданию двухцилиндровых двойного расширения компаунд-машин, а затем и трехцилиндровых машин тройного расширения. Возможности увеличения мощности паровых машин были ограничены диаметром цилиндра низкого давления, который не мог превышать 2-2,5 м по конструктивным и технологическим причинам. Предельная мощность судовой паровой машины составляла не более 20 000 л.с В конце XIX в. создали новый тип двигателя паровую турбину. Идея использования паровой (а также газовой) турбины в качестве главного судового двигателя принадлежит талантливому русскому изобретателю П. Д. Кузьминскому.
На смену паровым поршневым машинам пришли паровые турбины, которые имели более высокий КПД и меньшие массогабаритные характеристики. Впервые паровые прямодействующие турбины реактивного типа были установлены на линейных кораблях типа “Севастополь”, работу которых обеспечивали 25 водотрубных котлов треугольного типа со смешанным угольно-нефтяным отоплением. Давление пара в котлах составляло 17 кгс/см2. В энергетической установке этих кораблей был осуществлен замкнутый цикл «пар-конденсат» с генерацией тепла отработавшего пара в водоподогревателях. Смешанное отопление паровых котлов ограничивало возможность увеличения их паропроизводительности , т.к. при сжигании угля и нефти в топке одновременно требовались различные способы подачи воздуха в топку. Этот недостаток был устранен в 1910 г. внедрением нефтяного отопления котлов на эскадренных миноносцах типа “Новик”. Очередной этап развития отечественных котлотурбинных установок начался в середине 20-х годов. Было принято целесообразным создавать котлотурбинные энергетические установки с паровыми котлами с нефтяным отоплением и рабочим давлением пара 20 кгс/см2, температурой 313°С, а также с вы- сокооборотными турбинами с зубчатой передачей. Котлы Долголенко были установлены на многих боевых кораблях русского флота, в том числе на крейсере “Аврора”.
Для кораблей постройки 70-80-х годов были созданы высоконапорные котлы КВГ-З и КВГ-4, а для резервной котельной установки корабля “Адмирал Нахимов” проекта 1144 - котел КВГ-2. Таким образом, в результате большого объема выполненных НИР и ОКР в послевоенный период была создана унифицированная автоматизированная котлотурбинная энергетическая установка с высоконапорными котлами, которая является самой мощной среди установок на органическом топливе и широ- ко применяется на современных крупных надводных кораблях.
1 НАЗНАЧЕНИЕ КОТЛОВ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
1.1 Котёл газотрубный
Котёл газотрубный — паровой или водогрейный котёл, у которого поверхность нагрева состоит из трубок небольшого диаметра, внутри которых движутся горячие продукты сгорания топлива. Теплообмен происходит посредством нагрева теплоносителя (как правило, это вода или масло), который находится снаружи трубок.
Рисунок 3 – Котельная установка ГТК
По конструкции является противоположностью водотрубному котлу. Наиболее распространенная конструкция жаротрубных котлов — цилиндрический корпус, расположенный горизонтально. Внутри корпуса у водогрейных котлов находится горячая вода, у паровых водяной и паровые объемы. Самый распространённый в быту газотрубный котёл — самовар.
1.2 Огнетрубный котел
Огнетрубные котел - это парогенераторы, в которых основной объем воды и парообразующей поверхности - един. Горячие же топочные газы проходят в процессе теплоотдачи через специальные устройства - жаровые трубы.
Огнетрубные бывают с одной, двумя, тремя и даже четырьмя топками. В зависимости от этого они называются одно топочными, двух топочными и т.д.
1 - корпус котла; 2 - дымогарные трубки; 3 - топка (камера сгорания); 4 - дымовая коробка; 5 - воздухонаправляющее устройство; 6 - топливная форсунка; 7 - съемные щитки; 8 - огневая камера; 9 - жаровая труба, ПВ - подача питательной воды; Т - подача топлива;
В - подача воздуха; П - отбор насыщенного пара; ДГ - выброс дымовых газов; ЗИ - зеркало испарения,
Рисунок 4 – Огнетрубный котел.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОРАБЕЛЬНЫХ ВЫСОКОНАПОРНЫХ КОТЛАХ
2.1 Классификация корабельных паровых котлов.
Паровым котлом называется теплообменный аппарат, предназначенный для превращения воды в пар заданных параметров за счет тепловой энергии, выделяющейся при сгорании органического топлива. Корабельные паровые котлы подразделяются по следующим признакам:
По назначению – на главные и вспомогательные. Главные котлы служат для обеспечения паром всех потребителей корабля на ходу, вспомогательные – на стоянках, когда не работают главные котлы;
По принципу организации движения воды и пароводяной смеси – на котлы с естественной циркуляцией и котлы с принудительной циркуляцией. В котлах с естественной циркуляцией такое движение возникает из-за разности плотностей поступающей в котел воды и пароводяной смеси, образующейся за счет теплообмена с газами. В котлах с принудительным движением рабочего вещества движение воды, пароводяной смеси и перегретого пара происходит за счет напора питательного насоса. Если такое движение в котле однократно, т.е. массовый расход воды на входе трубы равен расходу пара на выходе из них, то такой котел называют прямоточным. Если же в трубах парообразующего участка с помощью специального циркуляционного насоса организованно неоднократное принуди- тельное движение пароводяной смеси, то паровые котлы такого типа называют котлами с принудительной кратной циркуляцией. Во многих котлах с естественной циркуляцией имеются отдельные прямоточные элементы – экономайзеры и пароперегреватели. В экономайзерах движение воды перед подачей ее в парообразующий участок происходит за счет напора питательного насоса; в пароперегревателях пар движется за счет отбора его из котла через запорное устройство. Эти котлы также называются котлами с естественной циркуляцией;
По способу организации движения воздуха и газов в воздушногазовом тракте на котлы с вентиляторным дутьем и котлы с компрессорным наддувом. Котлы как с вентиляторным дутьем, так и высоконапорные могут иметь любой из названных выше принципов организации движения воды и пароводяной смеси и могут быть главными и вспомогательными. Дутьё в котлах делится на открытое и закрытое. При открытом дутье (ПК устаревших типов) воздух нагнетается вентилятором в МКО, а оттуда в котел. При закрытом дутье воздух нагнетается из атмосферы непосредственно в котел;
По рабочему давлению пара – на котлы малого давления с рабочим давлением пара до 17 кг/см2, среднего давления с рабочим давлением пара до 30 кг/см2, высокого давления – свыше 30 кг/см2. В настоящее время изготавливаются в основном котлы высокого давления;
По роду производимого пара – на котлы, вырабатывающие насыщенный пар, в основном вспомогательные, и вырабатывающие перегретый, а также водогрейные, производящие горячую воду (бойлеры);
По конструкции – на котлы с односторонним ходом газов и двусторонним ходом газов, а также котлы, имеющие экранный пучок труб и без них, котлы с обогреваемым опуском и необогреваемым опуском, котлы с экономайзером и без него;
По характеру отопления, т.е. по роду источника теплоты, используемой для генерации пара, ПК делятся на котлы с автономным отоплением и утилизационные. Котлы с автономным отоплением имеют топку, в которой происходит сжигание топлива. Утилизационные котлы производят пар за счет использования теплоты выхлопных газов дизельных или газотурбинных двигателей корабля;
По характеру омывания газами теплопередающих поверхностей ПК делятся на водотрубные и газотрубные. В водотрубных котлах вода, пароводяная смесь и перегретый пар движутся внутри труб, из которых образована поверхность нагрева. Газы омывают эту поверхность снаружи труб. В газотрубных ПК продукты горения движутся внутри труб поверхностей нагрева, а пароводяная смесь омывает их снаружи.
2.2 Основные характеристики котлов.
Характеристиками называют те технические параметры корабельных паровых котлов, значение которых позволяет произвести количественную оценку их технических и конструктивных показателей в период проектирования и эксплуатации ЭУ корабля. К основным техническим характеристикам паровых котлов относятся:
Поверхность нагрева котла f (м2) – площадь поверхности металлических частей котла, одна сторона которых омывается водой, а другая сторона обогревается пламенем горящего топлива и дымовыми газами;
Паропроизводительность, D (т/час или кг/с) – весовое количество пара, вырабатываемое котлом в единицу времени;
Температура перегретого пара, tП.П. (°С) – температура пара за пароперегревателем, т.е. перед его запорным устройством, или температура, до которой дополнительно нагревается насыщенный пар, и которая выше температуры парообразования при данном давлении;
Температура питательной воды, tп.в. (°С) – температура на входе в экономайзер или, при отсутствии экономайзера, в пароводяной коллектор;
Расход топлива, B (кг/с или кг/ч) – масса топлива, подаваемого при работе котла в топку в единицу времени;
Коэффициент полезного действия (КПД) котла, ηK (%) – отношение той части теплоты, которая использована в котле полезно, т.е. пошла на генерацию пара заданных параметров, ко всей теплоте, выделившейся при сжигании топлива в топке;
Напряжение поверхности нагрева, I (кг/м2⋅час) – количество пара, получаемого с одного квадратного метра поверхности нагрева за один час
Влажность пара (%) – доля массы воды в одном килограмме пара, выраженная в долях единицы (процентах) и называемая степенью влажности пара;
Масса котла, GK (кг). Различают массу сухого котла (включающую массу металлических элементов и изоляции) и массу котла, заполненного водой;
Рабочее давление пара, PK (кг/см2 ) – избыточное давление пара в паровом коллекторе котла с естественной циркуляцией, или за стопорным клапаном прямоточного парового котла, выпускающим пар из перегревателя. В котлах с принудительной циркуляцией рабочим давлением считается давление в специальном коллекторе – сепараторе, в котором собирается и сепарируется циркулирующая в контуре пароводяная смесь;
2.3 Принцип действия и особенности конструкции высоконапорного котла типа КВГ-3
Котел КВГ-3 (рис. 1) – высоконапорный вертикально-водотрубный с есте- ственной циркуляцией, предназначен для обеспечения паром главной энергети- ческой установки. Рабочее давление в паровом коллекторе – 35/59 кгс/см2. Суммарная паропроизводительность – 100 т/ч. Котёл имеет вертикальный двухколлекторный пароперегреватель 6, водя- ной экономайзер 15, газоочистное устройство 5 и турбонаддувочный агрегат типа ТНА-4 – 1, 3, 16.
– турбокомпрессор;
– вход воздуха;
– паровая добавительная турбина;
– воздушная заслонка системы защиты;
– газоочистное устройство;
– пароперегреватель;
– конвективный пучок;
– нижний коллектор пароперегревателя;
– водяной коллектор;
– паромеханические форсунки;
– опускной пучок;
– трубы экрана;
– паровой коллектор;
– верхний коллектор пароперегревателя;
– водяной экономайзер;
– газовая турбина;
– газ на газоохладитель.
Рис.1 - Схема компоновки котла с турбонаддувочным агрегатом
В высоконапорном котле сжигание топлива осуществляется при повышен- ном давлении воздуха. Воздух для горения подается компрессором 1, который приводится в дей- ствие газовой турбиной 16, использующей энергию дымовых газов. Сжатие воздуха в компрессоре приводит к подогреву его до 150 0С. С изменением нагрузки котла мощность, развиваемая турбиной и необходимая компрессору для сжатия воздуха, изменяется по различным зависимостям, вследствие чего на малых нагрузках имеет место недостаток мощности. Нехватка мощности газовой турбины на малых нагрузках компенсируется паровой добавительной турбиной 3, избыток мощности на нагрузках, близких к полным, гасится путем перепуска части воздуха, подаваемого компрессором через воздушную регулирующую заслонку. Подача топлива к форсункам 10 осуществляется топливными насосами с турбо- и электроприводами. В топку котла топливо подается и распыляется шестью паромеханическими форсунками. Для качественного распыла топлива к форсункам подается пар давлением около 2 кг/см2. Воздух после компрессора 1 проходит через межобшивочное пространство двухслойного кожуха и через ВНУ поступает в топку котла, где смешивается с распыленным форсунками топливом, обеспечивая качественное его сжигание. Продукт сгорания топлива, отдав часть своего тепла поверхностям нагрева – испарительной 7, 12, пароперегревательной 6 и экономайзерной 15, поступает в газовую турбину 16, предварительно очищаясь от твердых частиц в газоочистном устройстве 5. Отработавшие в газовой турбине газы через газоохладитель выходят в дымовую трубу. Питательная вода подаётся питательным насосом ПКБТ через экономайзер 15 в паровой коллектор котла 13 Генерация пара осуществляется за счет тепла, воспринятого через поверхности нагрева циркулирующей в котле водой. Котел имеет один контур циркуляции, образующий испарительную часть котла, состоящий из труб опускного пучка 11, экрана 12 и конвективного пучка 7, замкнутых на паровой 13 и водяной 9 коллекторы. Циркуляция воды осуществляется за счет разности удельных весов пароводяной смеси в обогреваемых трубах и воды в опускных. Для обеспечения надежной циркуляции воды питательная вода, подогретая в экономайзере, подается в паровой коллектор непосредственно к опускным трубкам в специальную выгородку. Опускные трубы по сравнению с трубами экрана и конвективного пучка имеют больший диаметр. Насыщенный пар из парового коллектора по специальной выгородке входит в трубы трехходового пароперегревателя, состоящего из верхнего 14 и нижнего 8 коллекторов и труб 6, образующих пароперегревательную часть котла, и поступает к потребителю. Помимо этого отбор насыщенного пара к потребителю производится через ВСК.
Пароперегреватель и экономайзер являются прямоточными элементами котла. В экономайзере движение воды происходит за счёт напора питательного насоса, а в пароперегревателе пар движется за счёт отбора его из котла через запорное устройство. Котел автоматизирован. Автоматизированное управление работой котла осуществляется системами регулирования питания и горения. Котёл может вырабатывать пар переменного давления в зависимости от нагрузки. При этом для каждого давления установлена максимально допусти- мая нагрузка. Изменение нагрузки осуществляется как изменением количества включённых форсунок, так и изменением давления топлива перед форсунками. Нижний предел рабочего давления пара в паровом коллекторе 35 кгс/см2. Верхний предел – 59 кгс/см2.
2.1. Корпус котла и опорная рама
2.1.1. Корпус котла Корпус котла имеет испарительную и пароперегревательную части (рис.2). Испарительная часть котла состоит из водогрейных труб конвективного пучка 2, экрана 7 и необогреваемых опускных труб 6, замкнутых на паровой и водяной коллекторы.
– верхний коллектор пароперегревателя;
– конвективный пучок;
– пучок труб пароперегревателя;
– нижний коллектор пароперегревателя;
– затвор лазовый;
– пучок опускных труб;
– экран;
– паровой коллектор
– водяной коллектор.
Конвективный пучок состоит из девяти рядов труб: один ряд выполнен из
труб 38х3, а остальные восемь рядов – из труб 30х3; два первых ряда труб 30х3
имеют шахматное строение. Последующие шесть рядов имеют коридорное
строение, каждый ряд в районе присоединения к коллектору разведен на два
ряда.
Экран выполнен однорядным из труб 30х3, образующих сплошную стенку,
защищающую от обогрева опускные трубы.
Пучок опускных труб состоит из четырех рядов труб 57х3,5 шахматного
строения.
Паровой коллектор 8 диаметром 1100 мм сварной, имеет обечайку и при-
варенные встык штампованные днища.
Обечайка состоит из обертки толщиной 50 мм и трубной доски толщиной
75 мм. Переднее днище имеет лаз 300х400.
Водяной коллектор 9 диаметром 450 мм выполнен из бесшовной трубы и
двух приваренных встык штампованных днищ с лазами 280х380.
Пароперегревательную часть образует пучок труб пароперегревателя.
2.1.6. Опорная рама
Корпус котла, образованный испарительной частью – пароперегревателем,
коллекторами, смонтирован на опорной раме (рис. 6), которая является частью
наружного кожуха котла. В опорной раме 1 имеются обработанные поверхно-
сти, на которые установлен коллектор и нижний коллектор пароперегревателя,
и опорные плиты для крепления котла к переходным стульям фундамента 2.
Под каждый коллектор имеется по две опоры. В опорных плитах высверлены
отверстия для болтов крепления котла к фундаменту.
Рис. 6. Крепление котла к переходным стульям фундамента:
– опорная рама;
– переходные стулья фундамента
Опорная плита переднего фронта нижнего коллектора пароперегревателя
закреплена на фундаменте жестко. Остальные опорные плиты имеют овальные
отверстия, что обеспечивает перемещение при тепловом расширении котла в
сторону заднего фронта до 12 мм. В этих плитах болты вставлены в дистанци-
онные втулки, обеспечивающие зазор между гайкой и опорной плитой 0,3-0,5
мм, скольжение опорных плит по поверхности фундамента обеспечивает ла-
тунная прокладка.
2.6. Арматура котла
Для контроля за действием котла и управления им, а также обеспечения
безопасности работы служат размещенные на котле и трубопроводах устройст-
ва, называемые арматурой котла ( рис. 16). В состав арматуры котла входят
приборы и устройства контроля за уровнем воды в котле, питания и продувания
котла, выпуска воздуха, стопорные, предохранительные и разобщительные
клапаны.
На котле установлена следующая арматура.
На паровом коллекторе:
- вспомогательный стопорный клапан насыщенного пара 23;
- предохранительный клапан главный 14;
- предохранительный клапан контрольный 31;
- разобщительный клапан (питательный) 38;
- два водоуказателя – левый 10 и правый 15;
- клапан верхнего продувания 12;
- четыре клапана сообщительных к конденсационному сосуду 36, к водяной и
паровой полостям коллектора;
- два импульсных клапана 8;
- клапан к регулятору питания 9;
- два клапана продувания сообщительных труб 5;
- два клапана к манометру 13;
- клапан отбора проб 11;
- . два клапана выпуска воздуха на конденсационных сосудах 21;
- клапан выпуска воздуха 20 на вспомогательном стопорном клапане.
На водяном коллекторе:
- два клапана нижнего продувания 3.
На нижнем коллекторе пароперегревателя:
- главный стопорный клапан 24;
- два дренажных клапана 28;
- клапан импульсный к БЗУ 26;
- клапан импульсный 1 к ГРДП;
- клапан 25 продувания главного стопорного клапана.
На верхнем коллекторе пароперегревателя:
- импульсный клапан к регулятору питания 35;
- клапан для выпуска воздуха 33.
На экономайзере и сообщительной трубе:
- клапан дренажный экономайзера 34;
- клапан кислотной промывки 32;
Рис. 16. Общий вид котла:
1 – клапан импульсный к ГРДП; 2, 29 – водяной и паровой коллекторы; 3, 12 – клапаны нижнего и верхнего продувания; 4 – топочное устройство; 5 – клапан дренажа сообщительной трубы; 6, 22 – смотровое устройство; 7 – наружный кожух котла; 8, 9, 35 – импульсные клапаны; 10, 15 – левый и правый водоуказатели; 11 – клапан отбора проб; 13 – клапан к манометру; 14 – главный предо-
хранительный клапан; 16, 27 – верхний и нижний коллекторы пароперегревателя; 17, 18, 19 – штуцеры; 20, 21, 33 – клапаны вы-
пуска воздуха; 23 – стопорный клапан насыщенного пара; 24 – главный стопорный клапан; 25 – клапан продувания ГСК; 26 – клапан импульсный к БЗУ; 28 – клапан дренажа пароперегревателя; 30 – клапан выпуска воздуха на пароперепускной трубе; 31 – контрольный предохранительный клапан; 32 – клапан кислотной промывки; 34 – клапан дренажа экономайзера; 36 – клапан к конденсационному сосуду; 37 – труба сообщительная; 38 – клапан разобщительный; 39 – пробка; 40 – оправа для термометра; 41 – трубасообщительная; 42 – конденсационный сосуд
2 ТЕПОЛОВОЙ РАСЧЕТ СУДОВОГО ВЫСОКОНАПОРНОГО КОТЛА
КВГ3, РАБОТАЮШЕГО НА МАЗУТЕ М40
2.1 Перерасчет элементарного состава топлива с горючей массы на рабочую
2.1.1 Исходные данные
C^г=87.5% - горючая масса углерода,
N^г=0.3% – горючая масса азота,
H^г=11.2% - горючая масса водорода,
O^г=0.4% - горючая масса кислорода,
W^р=3.0% - рабочая масса влаги,
S_л^г=0.6% - горючая масса серы,
A^р=0.2% - рабочая масса золы,
ɳ_п=90%.
2.1.2 Производим перерасчет
2.1.2.1 Рабочая масса углерода, C^р, %
C^р=C×(100-(А^р+W^р))/100,
C^р=87.5×(100-(0.2+3))/100=87,5%.
2.1.2.2 Рабочая масса водорода, H^р, %
H^р=H^г×(100-(А^р+W^р))/100,
H^р=11.2×(100-3,2)/100=10.84%.
2.1.2.3 Рабочая масса серы, S_л^р, %
S_л^р=S_л^г×(100-(А^р+W^р))/100,
S_л^р=0.6×(100-3,2)/100=0.58%.
2.1.2.4 Рабочая масса азота, N^р, %
N^р=N^г×(100-(А^р+W^р))/100,
N^р=0.3×(100-3,2)/100=0.29 .
2.1.2.5 Рабочая масса кислорода, O^р, %
O^р=O^г×(100-(А^р+W^р))/100,
O^р=0.4×(100-3,2)/100=0.39%.
C^р+H^р+S_л^р+N^р+O^р+A^р+W^р=100%,
84.7+10.84+0.58+0.29+0.39+0.2+3.0=100%.
2.2 Определение объема и парциальных давлений продуктов сгорания
2.2.1 Теоретическое количество воздуха на 1 кг топлива, м^3⁄кг
а)сухого, V_0^сух
V_0^сух=0.089×C^р+0.265×H^р+0.033×(S_л^р-O^р),
V_0^сух=0.089×84.7+0.265×10.84+0.033×(0.58-0.39)=10.41м^3⁄кг.
б) влажного, V_0^вл
V_0^вл=V_0^сух×(1+0.0016×d),
где d – влагосодержание воздуха, г⁄кг. Выбираем d 10г⁄кг;
V_0^вл=10.41×(1+0.0016×10)=10.57м^3⁄кг.
2.2.2 Действительное количество воздуха на 1 кг топлива, V_д, м^3⁄кг
V_д=α×V_0^вл,
где α - коэффициент избытка воздуха. Выбираем α=1.15;
V_д=1.15×10.57=12.15м^3⁄кг.
2.2.3 Объем, м^3⁄кг
а) трехатомных газов, V_(RO_2 )
V_(RO_2 )=0.0186×(C^р+0.368〖×S〗_л^р),
V_(RO_2 )=0.0186×(84.7+0.368×0.58)=1.58м^3⁄кг.
б) двухатомных газов, V_(R_2 )
V_(R_2 )=0.21×(α-1)×V_0^сух+0.79×α×V_0^сух+N^р/(1.25×100),
V_(R_2 )=0.21×(1.15-1)×10.41+0.79×1.15×10.41+0.29/(1.25×100)= =9.78м^3⁄кг.
в) водяных паров, V_(H_2 O)
V_(H_2 O)=1/0.804×(9×H^р+W^р)/100+0.0016×α×V_0^сух,
V_(H_2 O)=1/0.804×(9×10.84+3)/100+0.0016×1.15×10×10.41=1.20м^3⁄кг.
г) продуктов сгорания (суммарный), V_г
V_г=V_(RO_2 )+V_(R_2 )+V_(H_2 O),
V_г=1.58+9.78+1.20=12.56м^3⁄кг.
д) углекислого газа, V_(〖CO〗_2 )
V_(〖CO〗_2 )=1.86×C^р/100,
V_(〖CO〗_2 )=1.86×84.7/100=1.58м^3⁄кг.
2.2.4 Парциальное давление трехатомных газов, МН⁄м^2
а) углекислого газа, ρ_(〖CO〗_2 )
ρ_(〖CO〗_2 )=0.1×V_(〖CO〗_2 )/V_г ,
ρ_(〖CO〗_2 )=0.1×1.58/12.56=0.0125МН⁄м^2 .
б) водяных паров, ρ_(H_2 O)
ρ_(H_2 O)=0.1×V_(H_2 O)/V_г ,
ρ_(H_2 O)=0.1×1.44/12.56=0.0114МН⁄м^2 .
в) суммарное, ρ_п
ρ_п=ρ_(〖CO〗_2 )+ρ_(H_2 O),
ρ_п=0.0125+0.0114=0.0239МН⁄м^2 .
2.3 Определение энтальпии продуктов сгорания
2.3.1 Энтальпия, i, Дж⁄кг, вычисляется по формуле
i=∑▒〖V×ct〗,
где ∑▒〖V×ct〗 - средняя теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива,
Дж⁄кг℃
t – температура продуктов сгорания,
2.3.2 Величина равна сумме произведений объемов отдельных газов на
их средние теплоемкости про постоянном давлении,
,
Следовательно,
.
Таблица 1 - Определение энтальпии дымовых газов.
T, С Трехатомные газы Двухатомные газы Водные пары ,
Дж/кг
, Дж /кг , Дж/кг
, Дж/кг
, Дж/кг
100 170 1,70 273 130 1,30 1350 150,5 1,50 244 1867
200 357 1,78 574 261 1,30 2712 304 1,52 493 3779
300 559 1,86 899 393 1,31 4084 463 1,54 751 5734
400 772 1,92 1242 528 1,32 5486 626 1,56 1015 7743
500 994 1,98 1599 665 1,33 6910 795 1,50 1290 9799
600 1225 2,04 1971 807 1,34 8386 969 1,61 1572 11929
700 1462 2,08 2352 951 1,35 9882 1149 1,64 1864 14105
800 1705 2,13 2743 1097 1,36 11400 1334 1,66 2165 16308
900 1952 2,16 3140 1246 1,37 12948 1526 1,69 2476 18564
1000 2204 2,20 3546 1397 1,38 14517 1723 1,72 2796 20859
1100 2458 2,23 3954 1550 1,39 16107 1925 1,75 3124 23185
1200 2717 2,26 4371 1704 1,40 17707 2132 1,77 3460 25538
1300 2977 2,28 4789 1860 1,41 19391 2344 1,80 3804 27984
1400 3239 2,31 5211 2017 1,42 20960 2559 1,82 4153 30324
1500 3503 2,33 5636 2175 1,43 22602 2769 1,85 4494 32732
1600 3769 2,35 6064 2339 1,44 24306 3002 1,87 4872 35242
1700 4036 2,37 6493 2494 1,45 25917 3223 1,89 5230 37640
1800 4305 2,39 6926 2654 1,46 27580 3458 1,92 5612 40118
1900 4573 2,40 7357 2816 1,47 29263 3690 1,94 5988 42608
2000 4844 2,42 7793 2978 1,48 30947 3926 1,96 6371 45111
2100 5116 2,43 8231 3142 1,49 32651 4162 1,98 6754 47636
2200 5386 2,44 8666 3304 1,50 34335 4402 2,00 7144 50145
2.4 Построение диаграммы i-t для топлива (графика зависимости энтальпии дымовых газов от температуры)
По данным таблицы 1 строим диаграмму i – t, выражающую зависимость энтальпии газов от их температуры. По оси абсцисс откладываем значения температур (через каждые 100 ), а по оси ординат – энтальпию, соответствующую выбранным значениям температур. По точкам пересечения проводим кривую, которая называется диаграммой i – t.
Рисунок 1 – Диаграмма i – t для мазута М40
2.5 Расчёт предварительного теплового баланса
2.5.1 Низшая теплота сгорания топлива, ,
,
.
2.5.2 Потери теплоты, %
От химической неполноты сгорания % - выбираем,
Во внешнюю среду % - выбираем,
С уходящими газами,
,
%.
2.5.3 Температура воздуха,
Холодного - выбираем,
Горячего - выбираем.
2.5.4 Теплоемкость воздуха,
Холодного - определяем по таблице 2 [2],
Горячего - определяем по таблице 2 [2].
2.5.5 Количество теплоты, вносимой воздухом,
а) холодным в воздухоподогреватель,
,
.
б) горячим в топку,
,
.
2.5.6 Температура топлива , - задана.
2.5.7 Теплоемкость топлива - определяем по температуре [2].
2.5.8 Теплота, вносимая в топку топливом,
,
.
2.5.9 Тепловые потери с уходящими газами, ,
,
.
2.5.10 Энтальпия уходящих газов, ,
,
.
2.5.11 Температура уходящих газов
Найдём t уходящих газов, , по диаграмме i – t (рисунок 2).
Рисунок 2 – Диаграмма i – t для нахождения температуры уходящих газов
По диаграмме .
2.6 Определение начальной энтальпии газов и секундного расхода топлива
2.6.1 Энтальпия пара,
а) перегретого,
Из таблицы водяного пара по МПа и определяем .
.
б) охлажденного,
Из таблицы водяного пара по , МПа и , определяем .
.
2.6.2 Энтальпия питательной воды, ,
Из таблицы водяного пара по МПа и определяем .
.
2.6.3 Расход топлива, B, определяем по формуле
,
.
Определяем расчетный расход топлива, ,
,
, .
2.6.4 Полезное тепловыделение в топке, ,
,
.
2.7 Определение основных конструктивных элементов топки котла
2.7.1 Тепловая нагрузка топочного объема , 2.7.2 Объем топки, ,
,
.
2.7.3 Длина топки, , м
,
м.
2.7.4 Площадь стен топочного фронта, ,
,
.
2.7.5 Производительность одной форсунки .
2.7.6 Число форсунок на фронте,
,
.
2.7.7 Площадь сечения фурмы, ,
,
где – температура воздуха, , - выбираем [2];
где -температурная поправка, учитывающая объемное расширение воздуха, ;
где - температура наружного воздуха, , ;
,
.
2.7.8 Диаметр отверстия фурмы, , мм
,
мм.
2.7.9 Наименьшее расстояние
а) от оси форсунки до оси труб первого ряда конвнктивного пучка, , мм
,
мм.
б) до оси труб экрана, , мм
,
мм.
2.7.10 Средняя длина труб, освещенных излучением, м
первого пучка =335.6м – по эскизу котла,
экрана =305.1м – по эскизу котла.
2.7.11 Лучевоспринимающая поверхность нагрева, ,
,
.
2.7.12 Полная площадь стен, ,
,
.
2.7.13 Степень экранирования топки,
,
.
2.7.14 Эффективная толщина излучающего слоя пламени, , м
,
м.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Вукалович М.П., Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблица теплофизических свойств воды и водяного пара – Издательство стандартов,1969
Грузберг Я.Ю. Судовые парогенераторы – Л.: Судостроение, 1974
Троицкий Б.Л., Сударева Е.А. Основы проектирования судовых энергетических установок- Л.: Судостроение,1981
Енин В.И. Судовые паровые котлы – М.: Транспорт,1984
Монтаж, ремонт и техническое обслуживание судовых машин и механизмов
Курсовая работа по предмету «Транспорт»