межкожуховом пространстве и его температура, оС:

tв = tо + (30÷50).

Средняя удельная объемная изобарная теплоемкость воздуха с влажностью d, равной 10 г/кг, и водяного пара приведены в табл. 7.1.

* При другом влагосодержании воздуха его теплоемкость находится по выра-

жению Св′ = Cв + 0,0161(d − 10)СН2О.

Промежуточные значения Св находят линейной интерполяцией.

Предварительно, перед выполнением расчетов, составляется тепловая схема котла с указанием направлений движения и параметров (температур, энтальпий, расходов) всех рабочих сред.

По результатам определения составляющих теплового баланса в масштабе строится диаграмма распределения тепловых потерь и анализируются 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 параметров на технико-экономические показатели работы котла:

—коэффициента избытка воздуха α;

—рабочего давления пара в котле Рк;

—температуры питательной воды tпв;

—влажности пара у;

—температуры перегрева пара tпп.

По результатам исследования выполняют графики.

Определение ηкmax целесообразно производить для котлов, оборудованных развитыми дополнительными поверхностями нагрева. Это позволит определить

45

предел эффективности котла при отсутствии сернокислотной коррозии его поверхности нагрева.

4. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

Варианты заданий представлены в табл. 7.3. Типы котлов, подлежащие расчету, приведены на рисунке 9. В последней колонке таблицы 7.3 указан порядковый номер схемы (1, 2 и т.д.).

Таблица 7.3

Продолжение табл. 7.3

46

Рис. 7.2. Конструктивные схемы котлов к составлению предварительного теплового баланса КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

47

1.Поясните, из каких составляющих складывается тепловой баланс вспомогательного 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 вспомогательного котла, поясните входящие в них величины.

4.Поясните, как изменяются величины тепловых потерь при изменении нагрузки 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 качество ведения топочного процесса, подготовки топлива, состояние тепловой изоляции?

9.Объясните физический смысл понятия «испарительная способность топлива». Как ее значение связано с величиной топливного КПД?

10.Назовите область применения уравнений прямого и обратного теплового балансов вспомогательного котла.

48

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 циркуляцией, оценка эффективности использования тепла уходящих газов судовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Задание. 1. В зависимости от варианта задания определить паропроизводительность утилизационного котла по насыщенному пару или температуру уходящих из него газов;

2.Рассчитать величины составляющих теплового баланса утилизационного котла, вычислить величину его относительного КПД;

3.Найти величину приращения эффективного КПД дизельной СЭУ за счет утилизации тепла уходящих газов. Рассчитать экономический эффект 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 оС. С ними в окружающую среду теряется 17—35 % тепла сгоревшего в цилиндрах топлива. Использование части этого тепла в утилизационных котлах позволяет значительно 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 оС, то есть температуры точки росы паров раствора серной кислоты, образовавшихся при горении сернистого топлива. Это позволит предотвратить интенсивные коррозионные разрушения поверхности 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 увеличению его габаритов, массы и стоимости;

— аэродинамическое сопротивление утилизационного котла не должно быть более 3 000 Па для двухтактного и 5 000 Па для четырехтактного дизеля. Его увеличение выше указанных пределов из-за за-

45

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 котлом может быть принята равной, °С:

где tр — температура точки росы паров серной кислоты, °С, tр = 130(100Sр)0,2.

Эффективность использования тепла в утилизационном котле может быть оценена при помощи коэффициента использования тепла:

где tг — температура газов на входе в утилизационный котел, °С; tух — температура газов на выходе из котла, оС; tо — температура окружающей среды, °С.

Величина ψ достигает значений 0,6—0,65 для установок с четырехтактными дизелями и 0,45—0,55 — с двухтактными.

Полное количество тепла, которое можно использовать в утилизационном котле (тепловая мощность) Q1, кВт, составляет:

где q2 — потеря тепла с уходящими газами ДВС, составляющая для разных типов 0,17—0,36; ge — средний удельный эффективный расход топлива на данном режиме, кг/(кВт ч); Ne — эффективная мощность ДВС, кВт; ϕ — коэффициент сохранения тепла, равный:

Потеря тепла в окружающую среду через обшивку котла q5 определяется по известной эмпирической зависимости (см. занятие 7) или принимается равной 2—5 %.

Полезная тепловая мощность утилизационного котла Q1, кВт, может быть определена с помощью уравнения теплового баланса по газовой стороне:

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

Паропроизводительность утилизационного котла по насыщенному пару Dн, кг/с, составляет

где ix — энтальпия влажного насыщенного пара, кДж/кг; iпв — энтальпия питательной воды, кДж/кг.

Эффективный КПД ДВС ηе, %, определяется по выражению

46

где Qнр — низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг, равная 39 000—40 400 для мазутов, 40 900—41 500 для моторных топлив, 42 000—42 800 для дизельных топлив.

Оценку эффективности использования теплоты в системе дизель — утилизационный котел производят при помощи коэффициента использования тепла Θ. Он представляет собой отношение тепла, полезно использованного в утилизационном котле, к количеству тепла, выделившемуся в цилиндрах дизеля при сгорании топлива, %:

Величина Θ представляет собой приращение полезно использованного в СЭУ тепла с учетом утилизации части тепла выхлопных газов дизеля. КПД дизельной СЭУ, %, с учетом утилизации тепла:

ηдэу = ηе + Θ.

2.ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА КОТЛА

СПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ

Применительно к утилизационному котлу уравнение теплового баланса может быть записано в виде:

где С — коэффициент, учитывающий протечки или перепуск газа через байпас, равный 0,95—1,0; Q5 — величина потери тепла через обшивку котла, кДж/кг.

Выразив составляющие уравнения (8.10) в процентах, получим:

где Q1 — полезная тепловая мощность утилизационного котла, найденная по уравнению баланса тепла с пароводяной стороны, и, в общем случае, равная, кВт:

Энтальпия газов на выходе из котлa Iух, кДж/кг, определяется по выражению:

Уменьшение площади поверхности нагрева котла может быть достигнуто применением экономайзера. Его установка позволяет увеличить температурный напор и сделать котел более компактным. Экономайзер располагается последним по ходу газов. При снижении температуры газа

47

следует предусмотреть меры по предотвращению сернистой коррозии его поверхности нагрева. Для этого необходимо обеспечить условия, при которых температура металла труб будет выше температуры точки росы паров раствора серной кислоты на 15—20 °С. Температура стенки трубы может быть принята равной, °C:

tст = tср+ 25,

где tср — температура обогреваемой среды (воды или пароводяной смеси), °C.

Энтальпия циркуляционной воды на входе в экономайзер iц, кДж/кг,

где k — коэффициент кратности циркуляции.

Коэффициент кратности циркуляции равен отношению массового расхода циркулирующей воды к количеству образовавшегося за тот же промежуток времени пара. Его величина, в среднем, составляет 4—8. Значение k определяет массовую долю пара в пароводяной смеси. С ростом k содержание пара снижается.

Уменьшение коэффициента кратности циркуляции k до 2—3 вызывает снижение iц и приводит к увеличению температурного напора в котле. Высокая доля пара в пароводяной смеси способствует интенсификации накипеобразования на внутренних поверхностях труб.

3. МЕТОДИКА СОСТАВЛЕНИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА УТИЛИЗАЦИОННОГО КОТЛА

При составлении теплового баланса утилизационного котла необходимо учитывать падение температуры выхлопных газов на пути от дизеля до котла, которое в изолированном газоходе составляет примерно 1,0—1,5 °С на один метр его длины.

При постоянной температуре и расходе газа паропроизводительность котла Dк зависит от температуры уходящих газов tух.

В общем случае, при расчете утилизационного котла может потребоваться решение двух задач:

—определение паропроизводительности котла на данном режиме Dк при известной температуре tух;

—определение температуры газов за котлом tух при известной паропроизводительности Dк.

Первая (прямая) задача достигается путем совместного решения уравнений баланса тепла по газовой и пароводяной (8.13) сторонам поверхности нагрева утилизационного котла (8.5) и (8.13):

Q1 = ϕВ(Iг – Iух);

48

Q1 = Dк(iх – iпв).

Искомая паропроизводительность котла составит, кг/с:

Dк = Q1/(iх – iпв).

Вторая (обратная) задача решается аналогично, с использованием уравнения (8.14):

Q1 = Dк(iх – iпв),

Iух = Iг – Q1/ϕВ,

затем при помощи диаграммы I—t находится искомая tух.

Для уменьшения объема расчетов при составлении предварительного теплового баланса утилизационного котла используйте готовую диаграмму I—t (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Диаграмма I—t для составления теплового баланса утилизационного котла

В качестве исходных данных для составления предварительного теплового баланса необходимо принять следующие параметры:

—давление в сепараторе пара Рк , МПа;

—паропроизводительность, в том числе:

•по насыщенному пару Dк, кг/с;

•по перегретому пару Dпп, кг/с;

—температура газов на выходе из котла tух,°С;

49

—норма продувки Р, %;

—температура насыщения ts, °С;

—температура перегретого пара tпп, °С;

—температура питательной воды tпв, °С;

—энтальпия кипящей воды i', кДж/кг;

—энтальпия перегретого пара iпп, кДж/кг;

—энтальпия питательной воды iпв, кДж/кг;

—энтальпия сухого насыщенного пара i", кДж/кг;

—влажность пара у, %;

—эффективная мощность дизеля Nе, кВт;

—средний удельный эффективный расход топлива ge, кг/(кВт ч);

—низшая рабочая теплота сгорания топлива Qнр, кДж/кг;

—температура уходящих газов дизеля tд, °С;

—длина газохода L, (принять равной 7—15 м);

—кратность циркуляции k.

Таблица 8.1

После составления предварительного теплового баланса необходимо провести исследование влияния на его параметры одного из перечисленных ниже факторов:

—режима работы ДВС (изменения Nе, gе и tд);

—кратности циркуляции k;

—температуры питательной воды tпв;

51

—рабочего давления в сепараторе пара Рк;

—влажности производимого насыщенного пара у;

—температуры газов на выходе из котла tух;

—температуры перегрева пара tпп.

Результаты исследования представить в виде графиков.

Расчет суточного экономического эффекта Э, руб./сутки, от использования системы утилизации производится по выражению:

где Ст — стоимость одной тонны топлива, руб.

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

Исходные данные для расчетов приведены в табл. 8.2, схемы утилизационных котлов представлены на рис. 8.2.

52

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Охарактеризуйте величины, входящие в приходную и расходную части теплового баланса утилизационного котла.

2.Поясните, в чем заключается экономическая целесообразность утилизации тепла уходящих газов судовых дизелей?

3.Поясните, чем отличаются уравнения теплового балансов утилизационного и вспомогательного котлов?

4.Назовите и охарактеризуйте различные способы регулирования паропроизводительности утилизационных котлов.

5.Укажите показатели, которыми оценивается качество использования тепла

всистеме утилизации тепла СЭУ?

53

6.Как изменяются составляющие теплового баланса утилизационного котла при изменении режима работы дизеля?

7.Как влияет величина коэффициента кратности циркуляции на процесс теплообмена в котлах?

8.Какая поверхность нагрева устанавливается в утилизационном котле по ходу газов последней и почему?

9.Укажите источники бросового тепла на судне. Какими факторами ограничена степень утилизации тепла уходящих газов дизелей?

10.Назовите конструктивные и эксплуатационные способы увеличения глубины утилизации тепла.

Рис. 8.2. Принципиальные схемы утилизационных котельных установок с принудительной циркуляцией

54