Судовые паропроизводящие установки

Теплообмен в паровых котлах

Тепло, образующееся топке парового котла при сжигании топлива, передается воде и водяному пару в поверхностях нагрева. Таким образом, в процессе теплообмена участвуют две среды;

■ теплопередающая (нагревающая);

■ тепловоспринимающая (нагреваемая).

Основной теплопередающей средой (или теплоносителем) в паровых котлах являются продукты сгорания (дымовые газы), образующиеся в топке. В утилизационных котлах теплоносителем являются горячие газы, образовавшиеся в рабочем процессе дизельных или газотурбинных двигателей.

Тепловоспринимающей средой в паровых котлах может быть;

- вода и пароводяная смесь - в испарительных поверхностях нагрева;

- водяной пар - в пароперегревателях;

- вода - в экономайзере;

- воздух - в воздухоподогревателе.

В ходе рабочего процесса, происходящего в паровых котлах, имеют место все три вида теплообмена;

- лучистый (радиационный) теплообмен - происходит в основном в топках паровых котлов и частично в других поверхностях нагрева;

- конвективный теплообмен - происходит при омывании горячими газами конвективных поверхностей нагрева;

- теплопроводность - с помощью этого вида теплообмена тепло от теплоносителя передается через стенки труб нагреваемой среде.

Основными целями расчета теплообмена при проектировании паровых котлов являются;

- определение количества тепла, переданного от теплоносителя нагреваемой среде в каждой конкретной поверхности нагрева и в топке котла;

- определение температуры теплоносителя на выходе из каждой конкретной поверхности нагрева и из топки.

Исходными данными для расчета теплообмена в главных и вспомогательных паровых котлах являются;

- полная паропроизводительность котла - Вк, [кг/с]; (в том числе паропронзводительность по насыщенному (или охлажденному) пару Вош, ВШС, [кг/с] );

- параметры перегретого пара за главным стопорным клапаном - tПЕ [0С]; рпе [МПа];

- рабочее давление пара в котле - рк, [МПа];

- температура насыщенного (или охлажденного) пара - 1НАС (toxл), [0С];

- температура питательной воды - tпв, [0С];

- температура подаваемого в топку воздуха - tв, [0С];

- марка и теплота сгорания топлива - Q^, [МДж/кг].

Исходными данными для расчета теплообмена в утилизационных котлах являются;

- полная паропроизводительность котла - Бк, [кг/с]; (в том числе паропроизводительность по перегретому пару Опе, [кг/с] );

- параметры перегретого пара - tПЕ [0С]; рПЕ [МПа];

- рабочее давление пара в котле - рк, [МПа];

- температура питательной воды - tпв, [0С];

- температура газов перед котлом - t1 , [0С];

- средний коэффициент избытка воздуха для данного двигателя - а;

- мощность двигателя - Мг, [кВт];

- удельный расход топлива Ье [кг/кВт-ч] и его марка - QIH, [МДж/кг].

Теплообмен в топках паровых котлов

Целью расчета теплообмена в топке является определение количества теплоты, переданной излучением поверхностям нагрева - Qл, и температуры газов на выходе из топки - в3 Т, при известной площади лучевоспринимающей поверхности - Нл.

В некоторых случаях может стоять обратная задача определения площади лучевоспринимающей поверхности - Нл, достаточной для

Передачи заданного количества тепла Qл.

Искомой величиной при расчете теплообмена в топке является температура газов на выходе из топки;

Где; Во - критерий Больцмана для топки;

Во - ФВУг Сср

Ао¥э ^СТ^а

(р - коэффициент удержания тепла для топки;

В - расход топлива, [кг/с];

Уг - объем продуктов сгорания, получающийся при сгорании 1 кг топлива, [м3/кг];

Сср - средняя изобарная теплоемкость продуктов сгорания, [Дж/м3-К]; сг0 = 5,67 • 10 8 [Вт/м2-К4] - константа излучения абсолютно черного тела; у/э - коэффициент эффективности стен топки;

Гст - площадь поверхности топки, [м2];

Та - теоретическая (адиабатная) температура продуктов сгорания, [К]. (Хт - степень черноты топки;

М - коэффициент, учитывающий характер распределения температуры по высоте топки.

Существует несколько методов расчета топок, основным из которых является метод ЦКТИ (нормативный метод). Определение основных величин производится из графиков, эмпирических зависимостей и номограмм.

Теплообмен е конвективных поверхностях нагрева котлов

Целью расчета теплообмена в конвективных поверхностях нагрева является определение количества теплоты, переданной от теплоносителя нагреваемой среде, и температуры продуктов сгорания за каждой конвективной поверхностью нагрева.

Общая конвективная поверхность нагрева котла делится на испарительную, пароперегревательную и экономайзерную. В свою очередь каждая из них может состоять из одного или нескольких пучков труб, имеющих различные диаметры труб и разное строение пучков (шахматное или коридорное). В расчетном отношении каждый пучок труб представляет собой поверхность нагрева.

Основными уравнениями, решаемыми при расчетах теплообмена в конвективных пучках труб, являются;

■ уравнение теплопередачи; ^ = к • Н • А/СР, [кДж/ч];

■ уравнение теплового баланса; 0 = цВ(11") , [кДж/ч].

Где;

0 - количество теплоты, переданной через поверхность нагрева,

[кДж/с]; К - коэффициент теплопередачи, [кДж/м2-с-°С]; А^СР - средний температурный напор между продуктами сгорания и Нагреваемой средой, [сС]; Н - площадь расчетной поверхности нагрева, [м2]; Г] - коэффициент удержания тепла для каждой конкретной поверхности нагрева; В - расход топлива, [кг/с]; I' и I" - энтальпии продуктов сгорания перед поверхностью нагрева и после нее. Коэффициент теплопередачи для каждой конвективной поверхности нагрева в каждом конкретном случае (размещение пучка труб, строение пучка, шаг и диаметр труб и т. д.) вычисляется;

Где; ^1 - коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к наружной стенке трубы, [Вт/м - К]; 83; 8м; 8Н - толщина слоя золы, металла и накипи соответственно, [м]; Л3; Лм; Лн - коэффициенты теплопроводности золы, металла и накипи, [Вт/м2-К]; ^2 - коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки трубы к Нагреваемой среде, [Вт/м2-К]. 8 Отношение вида — называется термическим сопротивлением. Л Величины, входящие в формулу определения коэффициента теплопередачи и в расчетные уравнения определяются для каждого конкретного случая обтекания газами пучков труб по графикам, номограммам и эмпирическим зависимостям. Конечные расчетные данные каждого конкретного пучка труб являются исходными данными для расчета следующего за ним пучка труб.