книги из ГПНТБ / Соловьев Е.М. Судовые энергетические установки, вспомогательные и промысловые механизмы учеб. пособие

меньше. Происходящее таким путем понижение давления пара или газа называется д р о с с е л и р о в а н и е м , или м я т и ем.

Вентили, употребляемые для регулирования мощности паро­ вых машин и турбин, а также дроссельные заслонки для двигате­ лей внутреннего сгорания вызывают дросселирование. Падение давления пара при дросселировании объясняется тем, что часть потенциальной энергии пара затрачивается на увеличение скорости его прохода через сужение. После сужения скорость движения потока уменьшается и становится равной скорости потока до суже­ ния. Однако часть кинетической энергии потока, приобретенной им при истечении через сужение, затрачивается на образование вихрей. Освобождающаяся при этом теплота потока нагревает его, вследствие чего энтальпия пара после дросселирования ока­ зывается равной первоначальной энтальпии, которую пар имел до сужения.

Таким образом, при дросселировании уменьшается только дав­ ление и незначительно понижается температура, скорость же и энтальпия остаются без изменения.

Дросселирование рабочего пара в паровых двигателях — явле­ ние нежелательное, так как при этом снижается экономичность па­ росиловых установок. На судах иногда возникает необходимость в получении путем дросселирования небольших количеств пара низкого давления из котлов высокого давления (например, для па­ рового отопления, подогрева топлива). Для этой цели на ответвле­ ние паровой магистрали для прохода пара устанавливают специ­

Кроме того, дросселирование находит применение в рабочих процессах холодильных установок.

Методические указания к гл. 1 и II

Приступая к изучению предмета «Судовые силовые установки и вспомо­ гательные механизмы», необходимо помнить, что эффективность работы про­ мыслового и транспортного флота зависит от состояния энергетических уста­ новок, вспомогательных и промысловых механизмов. Глубокое же понимание принципа действия этих механизмов и установок может дать изучение первого раздела настоящего пособия «Теоретические основы теплотехники».

В § 1 первого раздела следует обратить внимание на основные параметры состояния рабочих тел и единицы их измерения; уяснить физический смысл га­ зовой постоянной. Изучая закон Авогадро, обратить особое внимание на очевид­ ные и выведенные из этого закона следствия, а также на практический смысл величины объема 1 кмоля при так называемых «нормальных условиях».

При изучении § 2 необходимо понять определение теплоемкости и уяснить единицы, которыми она измеряется. Отчетливо представить себе факторы, от которых зависит значение теплоемкости; запомнить понятия, обозначения и еди­ ницы теплоемкостей, знать связь между ними и их соотношения.

Рассматривая первый закон термодинамики, необходимо понять, что он является формулировкой всеобщего закона природы — закона Ломоносова, отно­ сящегося ко всем видам энергии. Частная формулировка распространяется только на два вида энергии (тепловую и механическую) и утверждает их опре­

40

Р А З Д Е Л ВТОРОЙ

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

ГЛАВА III

СУДОВЫЕ ПАРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

§ 8. Общие сведения о паровых котлах

Судовая котельная установка. Для привода в действие главных машин или турбин, для отопления, бытовых нужд и технологиче­ ских целей на теплоходах используется пар, вырабатываемый судо­ вой котельной установкой.

Принципиальная схема котельной установки изображена на рис. 25. Установка состоит из парового котла 8 и вспомогательных механизмов и агрегатов, которые подают в котел питательную воду, топливо и воздух. Питательная вода в водяное пространство котла нагнетается насосом 11 через подогреватель 10. Жидкое топливо (мазут) насосом 1 через подогреватель 2 и топливный фильтр 3 по­ дается к форсунке 9.

Воздух засасывается вентилятором 5 и через подогреватель 4, установленный в дымовой трубе, нагнетается в топку. В топке котла распыленный форсункой мазут, смешиваясь с воздухом, сгорает и образующаяся при этом теплота идет на нагрев воды, из которой получается пар. При открытом клапане 6 пар отводится к потреби­ телям по трубопроводу 7.

Подогрев питательной воды и топлива в подогревателях 2 я 10 теплотой отработавшего пара и подогрев воздуха в подогревателе 4 теплотой отводимых газов повышает экономичность работы котель­ ной установки, так как на подогрев топлива и воздуха перед сгора­ нием в топке и на получение пара из предварительно подогретой воды расходуется меньше теплоты, а следовательно, и топлива.

Схема устройства и принцип действия парового котла. Паровой котел — это теплообменный аппарат, в котором происходит превра­ щение воды в пар с давлением выше атмосферного за счет теплоты сгорающего топлива. Рассмотрим принцип действия его на примере водотрубного котла (рис. 26). Он представляет собой два цилин­ дрических барабана (коллектора) 1, заполненных водой, которые пучками водогрейных труб 2 соединены с верхним пароводяным коллектором 5. Пространство котла, занимаемое водой (нижние коллекторы, трубки и часть верхнего коллектора), называется во-

42

дяным пространством, а занимаемое паром (другая часть верхнего коллектора)— паровым пространством. Поверхность, разделяющая водяное и паровое пространства, называется зеркалом испарения.

Рис. 25. Схема котельной установки.

Горячие газы образуются при сгорании мазута в топке 6 и, дви­ гаясь к газоходам 4, служащим для направления потока газов, пе­ ресекают пучки водогрейных трубок. Первые ряды трубок, располо­

и пароводяной смеси, на­ правленное вверх в трубках первых рядов котла и вниз в трубках

последних рядов. Это движение воды внутри котла, вызываемое

43

Трубки котла, по которым вода и пароводяная смесь подни­ маются вверх, называются п о д ъ е м н ы м и , а трубки, по которым вода опускается,— о п у с к н ым и . Пар из подъемных трубок попа­ дает в пароводяной коллектор, проходит толщу воды, всплывает на поверхность зеркала испарения и собирается над поверхностью воды в паровом пространстве. Так образуется н а с ы щ е н н ы й

обходимого для привода паровых машин и турбин, насыщенный

характеризуют следующие основные данные: поверхность нагрева, паропроизводительность, удельный паросъем, параметры пара, коэффициент полезного действия.

П о в е р х н о с т ь н а г р е в а — это поверхность всех металличе­ ских стенок котла, которая с одной стороны обогревается пламенем горящего топлива и дымовыми газами, а с другой стороны омы­ вается водой. Поверхность нагрева позволяет судить о размерах котла. Она обозначается буквой Н и измеряется в квадратных метрах (м2) со стороны, омываемой газами. Поверхность нагрева современных главных судовых котлов составляет примерно

500—1000 м2, вспомогательных— 10—100 м2.

П а р о п р о и з в о д и т е л ь н о с т ь к о т л а — это количество пара, производимое котлом в единицу времени при заданных пара­ метрах пара; обозначается она буквой D и измеряется в т/ч или кг/с. Паропроизводительность главных судовых котлов составляет 5.0— 60 т/ч, вспомогательных 0,5—12 т/ч.

Удельный паросъем характеризует интенсивность работы котла. На современных судах с каждого квадратного метра поверхности нагрева котла снимается до 60 кг пара в час.

К параметрам пара относятся р а б о ч е е д а в л е н и е р (МПа, кгс/см2) и температура t (°С). Состояние перегретого пара опреде­ ляют два параметра—давление и температура, а насыщенного— давление и степень сухости или влажности.

В установках с паровыми машинами применяется пар с избы­

44

К о э ф ф и ц и е н т п о л е з н о г о д е й с т в и я (к. п. д.) паро­ вого котла является основной качественной характеристикой, отра­ жающей экономичность работы котла. Он представляет собой от­ ношение теплоты, использованной в котле для получения пара, ко всему количеству теплоты, выделившейся при сгорании топлива в топке. Для судовых котлов к. п. д. составляет 0,75—0,93. Это зна­ чит, что 75—93% теплоты идет на создание пара в котле, а 25—7% теряется с уходящими газами и излучается в окружающую среду.

Классификация паровых котлов. Судовые паровые котлы можно классифицировать по ряду признаков:

по н а з н а ч е н и ю — главные паровые котлы, вырабатываю­ щие пар, используемый в главных машинах или турбинах; вспомо­ гательные, устанавливаемые на судне для вспомогательных и тех­ нологических целей (отопление судна, душевых, обогрев судовых систем, обработка рыбы в рыбомучных и жиромучных установ­ ках и т. д.);

по к о н с т р у к ц и и — водотрубные, огнетрубные, комбиниро­ ванные. В водотрубных котлах (см. рис. 26) горячие газы омывают наружные поверхности труб, вода же находится в трубах; в огне­ трубных котлах горячие газы проходят внутри труб, а вода омывает их снаружи. Комбинированные котлы соединяют в себе отдельные элементы водотрубных и огнетрубных котлов;

В настоящее время главные судовые котлы в основном работают на мазуте; вспомогательные котлы работают либо на мазуте, либо используют отходящие газы двигателей внутреннего сгорания (ути­ лизационные котлы);

по т и п у ц и р к у л я ц и и в о д ы и п а р о в о д я н о й с м е с и — котлы с естественной циркуляцией (см. рис. 26) и котлы с прину­ дительной циркуляцией, у которых движение воды по трубкам соз­ дается насосом;

по в и д у т я г и — котлы с искусственной тягой, у которых непрерывная подача воздуха в топку котла и удаление продуктов сгорания осуществляется с помощью котельного вентилятора, и котлы с естественной тягой, у которых тяга осуществляется с по­ мощью дымовой трубы.

§ 9. Конструкции судовых паровых котлов

Водотрубные котлы. В водотрубных котлах вода циркулирует внутри водогрейных труб, омываемых горячими газами. Водотруб­ ные котлы подразделяются на вертикально-водотрубные (барабан­ ные), у которых водогрейные трубки наклонены под углом более 30°, и горизонтально-водотрубные (секционные) с наклоном трубок менее 30°.

Рассмотренный ранее (см. рис. 25) вертикально-водотрубный трехбарабанный двупроточный котел имеет серьезный недостаток: в нем нельзя получить высокие параметры пара [давление свыше

45

теплоты.

На современных морских судах получили распространение б а ­ р а б а н н ы е о д н о п р о т о ч н ы е экранированные котлы с разви­ той хвостовой частью. Они могут быть построены для работы при высоких давлениях пара — до 10—12 МПа (100—120 кгс/см2).

Рис. 27. Однопроточный водотрубный котел.

Принципиальная схема и внешний вид корпуса такого котла представлены на рис. 27. Котел состоит из пароводяного барабана 1 и водяных барабанов 6 и 9. Барабаны соединены пучками водо­ грейных труб 10, 7 и 2. Трубки пучка 10 обогреваются за счет теп­ лопередачи конвекцией (соприкосновения с горячими движущимися газами); притопочный пучок трубок 7 воспринимает теплоту и кон­ векцией и излучением, а пучок 2 — только излучением. Этот ряд тру­ бок 2, проходящий вдоль пола и боковой стенки котла, называется э к р а н о м . Экран предохраняет стенки котла от разрушения пла­ менем топки и создает дополнительную поверхность нагрева. Во всех пучках трубок происходит подъем пароводяной смеси. Спуск воды в водяные барабаны осуществляется по необогреваемым тру­ бам 4, расположенным за пределами обшивки котла.

Между конвективным пучком 10 и притопочным 7 размещен па­ роперегреватель 8, состоящий из барабана и петлевого пучка труб.

46

Питательная вода, прежде чем попасть в пароводяной барабан, подогревается горячими газами в змеевиковом экономайзере 11. На переднем фронте топки 5 котла имеются фурмы для шести форсу­ нок 3. Необходимый для горения воздух, нагнетаемый вентилято­ ром, проходит через воздухоподогреватель 12, откуда поступает на передний фронт котла, а затем к воздухонаправляющим устрой­ ствам форсунок.

Управление горением топлива, питанием котла и регулирование температуры перегретого пара в современных котельных установках осуществляются автоматически.

Наличие одного газохода, обеспечивающего высокую скорость газов, развитая хвостовая часть (экономайзер, воздухоподогрева­

Вода для питания котла подается в верхний пароводяной бара­ бан 7 и по соединительным патрубкам 8 опускается к передним ка­ мерам 9, а затем по водогрейным трубам 1 движется к задним ка­ мерам 2, испаряясь в пути. Образовавшаяся в трубах пароводяная смесь по задним камерам поднимается вверх и по горизонтальным соединительным трубам 3 идет в барабан 7. Из барабана пар по трубопроводу 5 поступает в пароперегреватель 4, откуда направ­ ляется в паровую машину или турбину. Для лучшей циркуляции воды и облегчения выхода образующихся пузырьков пара секции сделаны наклонными. Для увеличения скорости протекания газов, что усиливает интенсивность теплоотдачи, ставят перегородки 6. Стенки топки 10 котла выкладывают изнутри огнеупорным кир­ пичом И.

Секционные котлы изготовляют на давление пара до 4,5—5 МПа (45—50 кгс/см2). На рыбопромысловом флоте такие котлы установ­ лены в качестве главных на сельдебазах типа «Северодвинск» и других паровых судах старой постройки.

47

Недостатком секционных котлов по сравнению с другими водо­ трубными является большая масса вследствие наличия массивных камер.

Огнетрубные котлы. На паровых траулерах и других судах флота рыбной промышленности старой постройки до сих пор встре­ чается значительное количество огнетрубных котлов. Такие котлы отличаются большим сроком службы (до 30—40 лет). Поэтому несмотря на то, что в последнее время их перестали устанавливать на судах в качестве главных, они будут встречаться на флоте еще ряд лет. Огнетрубные котлы могут быть пролетными и оборотными.

Рис. 29. Схема огнетрубного котла.

Пролетные котлы имеют прямой ход газа; на морских судах они не применяются.

На рис. 29 представлена схема огнетрубного однопроточного оборотного котла. Котел состоит из бочки 5, к которой приклепы­ вают или приваривают переднее днище 3 и заднее 6. Внутри бочки размещена огневая камера 7. К переднему днищу котла и к перед­ ней стенке огневой камеры присоединена жаровая труба 8, внутрен­ няя полость которой представляет собой топку котла. Жаровые трубы имеют диаметр от 700 до 1200 мм. Они подвергаются давле­ нию снаружи, поэтому во избежание сплющивания их делают вол­ нистыми. Над жаровой трубой расположены дымогарные трубы 4, концы которых завальцованы в переднее днище котла и переднюю стенку огневой камеры. Бочка котла заполнена водой так, что во­ дой омываются дымогарные трубы, огневая камера и жаровая труба.

Топливо в топку подается через форсунку 9. Горячие газы из топки попадают в огневую камеру, откуда через дымогарные трубы, сделав оборот,— в дымовую коробку 1 и далее .в дымовую трубу 2.

48

Верхняя часть пространства котла над поверхностью воды обра­ зует паровое пространство.

Главные оборотные котлы обычно имеют три топки (жаровые трубы), а вспомогательные— одну или две.

Огнетрубные оборотные котлы просты в обслуживании. Основ­ ными недостатками огнетрубных котлов являются: большая масса; нецелесообразность использования их на давлениях свыше 2,0 МПа (16 кгс/см2), так как при этом значительно увеличивается толщина стенок; низкая паропроизводительность (до 6,5 т/ч); низкий к. п. д.

(70-75% ). .

Комбинированные котлы. С целью улучшения циркуляции в ог­ нетрубных котлах, уменьшения их массы и повышения удельного паросъема были сконструированы-котлы, работающие по смешан­ ному принципу, т. е. содержащие элементы как огнетрубных, так и водотрубных котлов. Комбинированные котлы по устройству сходны с огнетрубными и отличаются от них наличием дополни­ тельной приставной огневой камеры, внутри которой размещены барабаны, заполненные водой, и водогрейные трубы.

Комбинированные котлы успешно работают на некоторых наших паровых рыболовных траулерах старой постройки. Но в связи с тем, что у этих котлов сохранились основные недостатки, присущие огнетрубным, в настоящее время новых комбинированных котлов не строят.

Вспомогательные и утилизационныё котлы. На паровых про­ мысловых и транспортных судах вспомогательные котлы устанав­ ливают редко, так как пар для бытовых нужд и для работы вспо­ могательных механизмов обычно отбирается от главных котлов и пропускается через устройство, снижающее давление и температуру пара.

На теплоходах установка вспомогательного котла является неиз­ бежной. При этом для производства пара на ряде судов исполь­ зуется теплота отходящих газов двигателей внутреннего сгорания, имеющих температуру 300—500° С. Котлы, в которых пар получают таким образом, названы утилизационными. В связи с тем что ути­ лизационные котлы могут вырабатывать пар только тогда, когда работают главные двигатели, вспомогательный и утилизационный котлы иногда объединяют в единую конструкцию.

Насчитывается большое количество различных систем вспомога­ тельных и утилизационных котлов.

В качестве вспомогательных используют обыкновенные водо­ трубные и огнетрубные котлы малой производительности, конструк­ ция которых более проста благодаря отсутствию пароперегревате­ лей, а зачастую и хвостовых поверхностей нагрева. Давление пара во вспомогательных котлах, обычно не превышает 1,2 МПа (12 кгс/см2). При этом часто котлы работают на том же топливе, что и двигатели внутреннего сгорания; это исключает необходи­ мость иметь на судне два вида топлива.

В качестве вспомогательных наиболее широкое распространение на промысловом флоте получили водотрубные котлы однопроточного

49