книги из ГПНТБ / Грузберг, Я. Ю. Судовые парогенераторы учебник

При движении воздуха и газов внутри парогенератора возникает сопротивление трения. Кроме того, в отдельных местах воздухогазопроводов появляются дополнительные сопротивления, вызванные из­ менением формы или направления канала. Эти сопротивления назы­ ваются местными. Сила тяги расходуется на преодоление всех сопро­ тивлений, встречающихся при движении, и на создание скорости воз­ духа и газов, обеспечивающей эффективное использование тепла.

Тяга может быть естественной, возникающей благодаря наличию дымовой трубы, и искусственной, создаваемой специальными тяго­

откуда можно определить необходимую высоту дымовой трубы:

Сечение дымовой трубы определяют по объему дымовых газов и их скорости. Скорость газов при естественной тяге рекомендуется при­ нимать равной 6— 10 м/с. Площадь поперечного сечения дымовой трубы

При естественной тяге высота трубы имеет важное значение, так как при малой самотяге в топку поступит меньше воздуха, чем тре-

148

буется для сжигания топлива при данной нагрузке, и не будет достиг­ нута необходимая паропроизводительность парогенератора. У глав­ ных парогенераторов морских судов высота дымовой трубы обычно не превышает 20—25 м и поэтому самотяга относительно невелика (0,10—

— 0,15 кН/м2).

Современные судовые парогенераторы имеют развитые хвостовые поверхности нагрева, газовое сопротивление в них составляет 0,3 —

Рис. 79. Общая компоновка вентилятора парогенератора

0,5 кН/м2, а полное сопротивление газовоздушного тракта пароге­ нератора достигает 1—2 кН/м2. При этих условиях самотяга оказы­ вается недостаточной и приходится устанавливать специальные тяго­ дутьевые устройства для создания искусственной движущей силы. Искусственную тягу можно создать при помощи дымососа или паро­ вых устройств (эжекторов, сифонов), а искусственное дутье — венти­ лятором.

Современные парогенераторы, работающие на мазуте и имеющие полностью герметический кожух, снабжаются только вентилятором, что позволяет создать более компактную и экономичную установку.

149

Воздух и тяга регулируются путем изменения производительности и напора вентиляторов и дымососов. В настоящее время применяют различные методы регулирования: 1) изменением частоты вращения вентилятора, а вместе с ним его производительности и напора; 2) на­ правляющими аппаратами; 3) дроссельными заслонками, изменяю­ щими проходные сечения в воздухо- и газопроводах.

Наиболее дешевым и в то же время экономичным является регу­ лирование направляющими аппаратами. По сравнению с регулирова­ нием простыми шиберами оно дает экономию расхода электроэнергии на тягу и дутье в пределах 10—20%. Направляющие аппараты состоят обычно из 12—18 заслонок секторной формы, расположенных ради­ ально по торцовому сечению всасывающего патрубка.

На рис. 79 показана общая компоновка вентилятора судового па­ рогенератора.

§ 44. Расчет сопротивлений

Сопротивления воздухопроводов и газоходов определяют с учетом сопротивления трения, а также местных сопротивлений.

Сопротивления трения. Для определения сопротивлений трения используют два основных типа расчетных формул, в зависимости от характера омывания (продольного или поперечного) парогенератор­ ных поверхностей воздухом и газами.

Сопротивление трения при продольном потоке и наличии тепло­ обмена вычисляют по формуле

где I — длина трубы или канала, м.

При отсутствии теплообмена (воздушные каналы) формула для

РсТ

Эквивалентный диаметр d3 определяется в соответствии с рекомен­ дациями § 33. Для воздушных каналов, имеющих прямоугольное се­ чение,

где s — полный периметр сечения канала, м; а, Ъ — поперечные размеры канала, м.

150

Сопротивление трения при поперечном потоке

в результате изменения сечения каналов и скорости движения воздуха и газов, определяют по формуле

где £м — коэффициент местного сопротивления, определяемый экспе­ риментальным путем для различных конфигураций воздушного и газового трактов по графикам ЦКТИ.

Аэродинамический расчет парогенератора производят после теп­ лового, данные которого необходимы для расчета сопротивлений. Из теплового расчета известны средние скорости газов и воздуха и тем­ пературы газов в различных участках газоходов, которые входят в формулы (184) — (189) для определения соответствующих сопротив­ лений. Предварительно составляют схему воздухопровода, трубной системы и газоходов парогенератора.

Расчет сопротивлений трения можно выполнить по номограммам, составленным на основе расчетных формул и приведенным в разра­ ботанных ЦКТИ «Нормах аэродинамического расчета котельных аг­ регатов».

Производительность вентилятора определяют по формуле

(190)

где К 1 — коэффициент запаса, принимаемый в пределах

К г= 1,2-ь 1,25.

При искусственной тяге только с применением искусственного дутья вентилятор должен создать напор, достаточный для преодоле­ ния сопротивлений всего газовоздушного тракта парогенератора:

Н в К г (fi-BC~Ь ^вп + А]. + + ^тр) > (191)

где Кг — коэффициент запаса по напору, принимаемый в пределах

Кг = Kl - 1,2;

/гтр — сопротивление дымовой трубы, Н/м2.

1 ЦКТИ, Аэродинамический расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. «Энергия», 1964.

151

При наличии вентилятора и дымососа сопротивление воздушного

где Ар т — разрежение в топке, создаваемое дымососом; при нормаль­ ной нагрузке Лр т = 50—70 Н/м2.

При значительном избыточном давлении в топке Лр т = Аг — йс;>0 предусматривается установка дымососа, который должен развивать напор, достаточный для преодоления сопротивлений газового тракта с учетом самотяги парогенератора, т. е.

где К з — коэффициент запаса по мощности, принимаемый в пределах

Кз = 1,1 - U 5 ;

Q — производительность вентилятора или дымососа, м3/с; Н — общий напор вентилятора или дымососа, Н/м2;

г; — коэффициент полезного действия вентилятора или дымососа.

Обычно принимают г)в = 0,7 — 0,75; т)д = 0,5 — 0,55.

§45. Основные понятия о циркуляции воды

впарогенераторе

Естественная циркуляция. Тепловая мощность, получаемая 1 м2 поверхности труб, очень велика, у экранов она достигает 350 000 Вт и более; 1 м2 поверхности нагрева современного парогенератора дает до 0,03 кг/с и более пара. Очевидно, что такое поглощение стенкой испарительных труб тепла и выделение в трубе пара не были бы воз­ можны, если бы вода в трубе не перемещалась, подводя к нагреваемым местам новую воду взамен испаряемой. Это непрерывное и направлен­ ное движение воды и пароводяной смеси в работающем парогенераторе называется циркуляцией.

На рис. 80 показана схема парогенератора с двумя самостоятель­ ными контурами циркуляции. Трубы 2, расположенные ближе к топке, омываются более горячими газами и получают значительно больше тепла, чем трубы 6, расположенные дальше от топки. Трубы 3 вовсе не обогреваются. Поэтому в передних рядах труб большее количество воды превращается в пар, а в последующих рядах паросодержание уменьшается. Получающаяся смесь воды и пара в обогреваемых тру­ бах 2 имеет меньшую плотность, чем вода в слабообогреваемых 6 и необогреваемых 3 трубах. Вследствие этого вода в трубах 6 и 3 опу­ скается, стремясь вытеснить вверх более легкий столб пароводяной

152

смеси в трубах 2. Движение воды и пароводяной смеси в трубах паро­ генераторов, вызванное разностью их плотностей, называется естест­ венной циркуляцией.

Если из верхнего пароводяного коллектора отводить выделяю­ щийся в нем пар, а взамен убыли воды подавать в коллектор питатель­ ную воду по трубе 5, то последняя, смешиваясь с парогенераторной водой, будет по трубам 6 опускаться в нижний коллектор 7 и посту­ пать из него в трубы 2. Здесь эта вода будет частично испаряться и, увлекаемая паром, а также благодаря давлению на нее более тяжелого столба воды в трубах 6, будет продолжать подъем, и так далее. Следо­ вательно, образуется замкнутый контур, состоящий из периферийных труб 6, нижнего коллектора 7, притопочных труб 2 и пароводяного

Рем — плотность пароводяной смеси в подъемных трубах, кг/м3. При установившемся движении воды и беспрерывном парообразо­ вании движущий напор циркуляции уравновешивается суммой сопро­ тивлений. Движение 'воды и пароводяной смеси становится возмож­ ным только в том случае, если величина Ар равна сумме всех сопро­ тивлений в циркуляционном контуре парогенератора или больше ее:

Ар > S Арсопр Н/м2.

Полная сумма сопротивлений равна сумме сопротивлений в опуск­ ных Дроп и подъемных Арпод трубах:

153

Разность Ар — Дрпод, представляющая избыток движущего на­ пора в подъемных трубах, называется полезным напором циркуляции воды парогенератора и обозначается через АрИзб (избыточный напор):

Кратность циркуляции. Поступающая в опускные трубы вода пол­ ностью за один раз не испаряется, а до полного испарения совершает многократное движение по циркуляционному контуру. Отсюда сле­ дует, что количество воды, проходящее в единицу времени через по­ перечное сечение труб циркуляционного контура, больше количества производимого в нем пара в эту единицу времени.

Отношение количества воды DB, проходящей через контур, к па­ ропроизводительности Dn этого же контура, взятых за равные проме­ жутки времени, называется кратностью циркуляции:

Кратность циркуляции является одной из характеристик надеж­ ности работы и обычно для парогенераторов с естественной циркуля­ цией составляет 30—60.

Методика расчета циркуляции разработана ЦКТИ и изложена в «Нормах расчета циркуляции воды в парогенераторах». Скорость циркуляции в трубах, по данным ЦКТИ, принимается равной: в кон­ вективном пучке 0,5 — 1,5 м/с — 1- и 2-й ряды; 0,4 — 0,9 м/с — 3-

и 4-й ряды; 0,3 — 0,8 м/с — 5- и т. д. ряды, в экранных трубах —

0,8 — 1,5 м/с.

Принудительная циркуляция. Циркуляция воды и пароводяной смеси под действием насоса называется принудительной. В парогене­ раторах с принудительной циркуляцией естественный движущий на­ пор незначителен и сопротивление трения преодолевается благодаря внешнему напору, создаваемому насосом.

В змеевиках парогенератора с принудительной циркуляцией в ре­ зультате неравномерного обогрева образуются различные количества пара и, следовательно, расходуются различные количества воды. Из­ менение гидродинамического сопротивления змеевика в зависимости от расхода воды, пароводяной смеси или пара характеризуется так называемой гидродинамической характеристикой змеевика. Устойчи­ вость гидродинамической характеристики достигается установкой на входе в змеевики дроссельных шайб. Расчет устойчивости принуди­ тельного циркуляционного контура сводится, таким образом, к рас­ чету диаметра шайб. По расчетному сопротивлению циркуляционного контура определяют необходимую мощность питательного или цирку­ ляционного насоса.

154

Глава XIII

РАСЧЕТ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ НА ПРОЧНОСТЬ

§ 46. Материалы для парогенераторостроения

При выборе материала для изготовления судовых парогенераторов учитывают следующие основные требования: надежность и долговеч­ ность работы, обеспечение необходимых массовых и габаритных по­ казателей и минимальную стоимость постройки.

Современный парогенератор работает в условиях высоких парамет­ ров пара, и поэтому решающее значение в выборе качества материала и его свойств имеют параметры пара, на которые рассчитывается па­ рогенератор.

В настоящее время отечественная промышленность выпускает стали, пригодные для изготовления всех ответственных элементов судового парогенератора и обеспечения его надежной эксплуатации в течение заданного срока службы. Все материалы для изготовления парогенераторов должны удовлетворять Правилам Регистра СССР, предъявляющим определенные требования к ним и устанавливающим виды их технологических испытаний.

Материал должен обладать большой прочностью, достаточным от­ носительным удлинением, высокой ударной вязкостью, достаточной стойкостью против термического и химического воздействия, а также должен допускать возможность применения всех видов станочной об­ работки и хорошо свариваться. При выборе материала необходимо учитывать рабочую температуру стенки рассчитываемого элемента парогенератора, так как с изменением температуры изменяются ме­ ханические характеристики материала. При температуре выше 425° С появляется ползучесть. Обыкновенные углеродистые стали обладают невысоким пределом ползучести и возникает необходимость в приме­ нении жаропрочных легированных сталей, а при температуре 450° С и выше происходит значительное окалинообразование сталей. Поэ­ тому в расчетах на прочность элементов современных парогенераторов основанием для выбора допускаемых напряжений служат, кроме пре­ дела прочности, предел текучести и ползучести.

Впарогенераторостроении наряду с качественными углеродистыми сталями применяют низко- и высоколегированные стали.

Всудовом парогенераторостроении чаще всего используют молиб­ деновые, хромомолибденовые и марганцовистые стали.

Для изготовления коллекторов парогенератора применяют средне­ марганцовистую сталь, которая отличается довольно низкой стои­ мостью и значительно более высокими химическими характеристи­ ками по сравнению с углеродистыми сталями.

Шпильки, болты, гайки и детали крепления пароперегревателей изготовляют в основном из жаропрочных сталей марок 35ХМ, 25Х2МФА (ЭИ-10) и других— для рабочих температур до 500 — 510° С и Х20Н14С2 (ЭИ-211) — для более высоких температур.

155

Основные марки сталей, применяемых в судовом парогенераторостроении, приведены в табл. 4.

Т а б л и ц а 4

§ 47. Расчет на прочность основных элементов парогенератора

Расчет на прочность основных элементов парогенераторов, рабо­ тающих с давлением пара 0,07 МН/м2 и более, производится по Пра­ вилам Регистра СССР, изложенным в «Правилах классификации и постройки морских судов» Регистра СССР, ч. X, «Транспорт», 1970 г.

Методы расчета парогенераторных элементов, приведенные в нор­ мах, применимы при современных способах изготовления, обычных конструкциях и нормальных условиях эксплуатации парогенерато­ ров. Расчет выполняют в следующем порядке:

1) определяют наибольшую рабочую температуру расчетного эле­ мента парогенератора;

2) по рабочей температуре выбирают соответствующую марку

стали (см. § 46); 3) производят расчет элемента парогенератора на прочность по

формулам Регистра СССР, исходя из коэффициентов запаса и допу­ скаемых напряжений, установленных Регистром СССР.

Расчет цилиндрического коллектора и труб парогенератора. Номи­ нальная толщина стенки цилиндрической части коллектора и водо­ грейных труб должна быть не менее чем толщина, определенная по формулам.

156

Для случая, когда номинальным является наружный диаметр D K,

Расчетное давление р, по которому производят расчеты на проч­ ность соответствующих элементов парогенератора, принимается рав­ ной рабочему давлению среды. Гидростатическое давление учитывают при определении расчетного давления в случае, когда его величина более 0,05 МН/м2 (п. 2.1.2 Правил Регистра СССР). Для водяных эко­ номайзеров расчетное давление принимают с учетом потери давления в экономайзере и на пути от экономайзера к пароводяному коллек­ тору.

Коэффициент прочности сварных соединений <р в зависимости от конструкции соединения и способа сварки принимают по табл. 2.1.6.1 Правил Регистра СССР.

Коэффициент прочности ср цилиндрических стенок, ослабленных отверстиями одинакового диаметра, должен приниматься равным наи­ меньшему из трех следующих значений:

при коридорном расположении в продольном направлении

при шахматном порядке с равномерным расположением отверстии

в косом направлении, мм; п — коэффициент, определяемый по Пра­ вилам Регистра СССР.

Для бесшовных цилиндрических стенок, не ослабленных сварными соединениями и рядом или полем отверстий, коэффициент прочности принимается равным единице.

Допускаемые напряжения адоп определяют в зависимости от вы­ бранной марки стали и расчетной температуры стенки tCT по формуле

157