1.3. Тепловой баланс котлов
Котлы (парогенераторы) относятся к наиболее совершенным преобразователям энергии. Их КПД составляет в среднем 80… 95%.
Котлы подразделяются:
по назначению - главные, вырабатывающие пар для главных двигателей и других потребителей; вспомогательные, обеспечивающие всех судовых потребителей (кроме главных двигателей) паром или горячей водой. В отдельных случаях, как например, на супертанкерах типа «Крым», вспомогательные котлы могут обеспечивать паром и главные турбины при внештатных режимах работы судна;
по роду производимого теплоносителя - производящие пар (перегретый, охлажденный, насыщенный); производящие горячую воду (водогрейные котлы);
по роду используемого топлива - использующие жидкое топливо (мазут или дизельное); газообразное топливо (метан); твердое топливо (каменный уголь);
- и т.д.
К отдельной группе относят вспомогательные утилизационные котлы, не имеющие топки и использующие теплоту уходящих газов ДВС или газовых турбин средней и большой мощности.
Тепловой баланс котлов имеет вид:
где:
- химическая теплота, выделившаяся при сгорании топлива, кВт;
-
полезная работа, определяемая количеством
и качеством вырабатываемого теплоносителя
(пара или воды), кВт;
На рис. 2 показана диаграмма теплового баланса для котлов различного назначения.
Все потоки энергии выражены в процентах, причем за 100 % принята химическая энергия сжигаемого топлива qт.
Полезная работа — qпол, характеризуется КПД котла – ηк.
К потерям энергии относятся: q5 — потери тепла в окружающую среду и неучтенные потери; q4 — потери тепла от механической неполноты сгорания топлива, для котлов на жидком топливе принимаются равным нулю; q3 — потери тепла от химической неполноты сгорания топлива; q2 — потери тепла с уходящими газами.
Анализируя диаграмму можно сделать несколько выводов:
Наибольшие потери – это потери с уходящими газами.
Тепловой баланс котла зависит от его типа. Главные котлы имеют большой КПД, т.к. на них установлено предельно развитое хвостовое хозяйство – многосекционные экономайзеры и воздухоподогреватели, а также применены другие конструктивные усовершенствования.
Тепловой баланс пароперегревателей, имеющих собственную топку, имеет вид аналогичный рисунке 2 и рассчитывается аналогично.
Тепловой баланс утилизационных котлов (УК) рассчитывается аналогично расчету теплообменных аппаратов, что изложено далее.
Рисунок 2. Диаграмма теплового баланса для котлов различного назначения
2. Методика расчета теплового баланса сэу
Расчет теплового баланса СЭУ выполняется в виде расчетно-графической работы студентами дневной формы обучения и в виде контрольной работы студентами заочной формы обучения.
Перед началом выполнения работы студенты должны подробно изучить состав и конструкцию судового двигателя и обслуживающих его систем, рассмотренных в методических указаниях по практическим занятиям [1]
Задание на работу
Рассчитать энергетический баланс судовой энергетической установки состоящей из
Количество и мощность ГД: х кВт
Количество и мощность ВД: х кВт
Количество и паропроизводительность ВПК: х т/ч
Абсолютное давление пара в ВПК Рк, МПа
Температура окружающей среды Т0, К
Для расчета принять упрощения:
Все двигателя четырехтактные и имеют газотурбинный наддув с давлением Рн=0,180,27МПа
Все двигатели работают на номинальном режиме
Котел устанавливается один на все главные двигатели.
Исходные данные для выполнения работы выбираются по таблице 1 в соответствие с вариантом. Вариант работы определяется по формуле:
(100/n-XX),
где ХХ – последние две цифры шифра зачетной книжки,
n =1 если ХХ>50, n =2 если ХХ<=50
Таблица 1
вариант |
Количество и мощность ГД, кВт |
Количество и мощность ВД, кВт |
Количество и паропроизво-дительность ВПК, т/ч |
Абсолютное давление пара в ВПК Рк, МПа |
Температура окружающей среды То, К |
||||
1 |
2x855 |
4x295 |
1x2,5 |
0,6 |
280 |
||||
2 |
1x1470 |
4x220 |
2x2,0 |
0,5 |
280 |
||||
3 |
1x2205 |
3x445 |
1x4,5 |
0,8 |
280 |
||||
4 |
1x2850 |
4x660 |
1x4,0 |
0,6 |
280 |
||||
5 |
2x2650 |
2x890 |
1x6,3 ' |
0,8 |
280 |
||||
6 |
2x882 |
3x630 |
1x1,2 |
0,6 |
280 |
||||
7 |
2x750 |
4x300 |
1x3,0 |
0,5 |
280 |
||||
8 |
2x2100 |
4x700 |
1x4,0 |
0,8 |
280 |
||||
9 |
2x900 |
4x420 |
1x3,5 |
0,6 |
280 |
||||
10 |
2x950 |
4x350 |
1x2,7 |
0,55 |
280 |
||||
11 |
2x1100 |
4x340 |
1x2,2 |
0,5 |
280 |
||||
12 |
2x750 |
4x400 |
1x2,9 |
0,5 |
280 |
||||
13 |
1x2500 |
3x600,1x220 |
2x2,5 |
0,7 |
280 |
||||
14 |
1x3000 |
3x750, 1x280 |
2x2,0 |
0,7 |
280 |
||||
15 |
1x3200 |
2x600 |
1x2,5 |
0,55 |
280 |
||||
16 |
1x2700 |
3x400 |
2x2,7 |
0,6 |
280 |
||||
17 |
2x800 |
3x350 |
1x4,2 |
0,6 |
280 |
||||
18 |
2x900 |
4x240 |
2x2,2 |
0,6 |
280 |
||||
19 |
1x3500 |
3x450 |
1x4,0 |
0,8 |
280 |
||||
20 |
1x3000 |
3x420 |
1x3,5 |
0,55 |
280 |
||||
21 |
2x2700 |
2x900 |
2x2,5 |
0,8 |
280 |
||||
22 |
2x2500 |
2x750 |
1x4,0 |
0,7 |
280 |
||||
23 |
2x3000 |
2x800 |
1x3,7 |
0,8 |
280 |
||||
24 |
2x2900 |
2x850 |
1x4,2 |
0,8 |
280 |
||||
25 |
2x2850 |
3x600 |
1x3,8 |
0,8 |
280 |
||||
продолжение Таблицы 1
вариант |
Количество и мощность ГД, кВт |
Количество и мощность ВД, кВт |
Количество и паропроизво-дительность ВПК, т/ч |
Абсолютное давление пара в ВПК Рк, МПа |
Температура окружающей среды То, К |
||||
26 |
1x4500 |
3x700 |
1x3,0 |
0,8 |
280 |
||||
27 |
1x3250 |
2x700 |
1x3,2 |
0,8 |
280 |
||||
28 |
1x3000 |
2x750 |
1x3,1 |
0,7 |
280 |
||||
29 |
1x2750 |
2x720 |
1x2,7 |
0,8 |
280 |
||||
30 |
2x1050 |
3x470 |
1x2,8 |
0,6 |
280 |
||||
31 |
2x1180 |
3x600, 1x350 |
1x2,9 |
0,7 |
280 |
||||
32 |
2x852 |
4x300 |
1x1,5 |
0,6 |
280 |
||||
33 |
1x2206 |
3x408, 1x283 |
1x4,5 |
0,8 |
280 |
||||
34 |
1x1765 |
4x300 |
1x2,5 |
0,7 |
280 |
||||
35 |
1x888 |
3x210 |
1x0,5 |
0,6 |
280 |
||||
36 |
2x800 |
4x250 |
1x1,5 |
0,6 |
280 |
||||
37 |
1x1400 |
4x200 |
1x1,5 |
0,6 |
280 |
||||
38 |
1x1470 |
4x243 |
1x2,0 |
0,7 |
280 |
||||
39 |
1x1840 |
4x220 |
1x1,95 |
0,6 |
280 |
||||
40 |
2x2500 |
3x500 |
1x2,5 |
0,6 |
280 |
||||
41 |
2x2200 |
3x350,1x250 |
1x3,0 |
0,8 |
280 |
||||
42 |
2x2850 |
4x500 |
1x2,5 |
0,8 |
280 |
||||
43 |
1x3000 |
4x450 |
1x3,0 |
0,9 ... |
280 |
||||
44 |
2x2600 |
2x700 |
1x2,5 |
0,8 |
280 |
||||
45 |
2x2000 |
3x400 |
1x3,0 |
0,7 |
280 |
||||
46 |
1x3000 |
4x350 |
1x2,7 |
0,8 |
280 |
||||
47 |
2x2350 |
4x600 |
1x3,0 |
0,8 |
280 |
||||
48 |
1x3000 |
4x650 |
1x2,5 |
0,8 |
280 |
||||
49 |
2x2300 |
4x470 |
1x2,8 |
0,7 |
280 |
||||
50 |
1x3700 |
4x550 |
1x2,9 |
0,7 |
280 |
||||
Сокращения, принятые в расчете:
ГД – главный двигатель, ВД – вспомогательный двигатель, ВК – котел, УК- утилизационный котел, КПД – коэффициент полезного действия, СЭУ – судовая энергетическая установка, МКО – машинно-котельное отделение.
Последовательность расчета энергетического баланса в табличной форме
N |
Наименование |
Ед.изм. |
Способ определения |
Вычис- ления |
Числ. знач. |
1 |
2 |
4 |
5 |
6 |
7 |
1 |
Эффективная мощность ГД |
кВт |
Исходные данные, Neг |
|
|
2 |
Количество ГД |
|
Исходные данные, nг |
|
|
3 |
Хим.состав топлива |
С,% |
ГОСТ 305 - 82 |
|
86 |
|
|
Н,% |
Дизельное топливо |
|
13 |
|
|
S, % |
ДТ |
|
0,5 |
|
|
O, % |
|
|
0,5 |
4 |
Низшая теплота сгорания |
кДж/кг |
Qрн |
|
42800 |
5 |
Удельный расход топлива |
кг/кВт·ч |
принимаем, gег =0,170,21 |
|
|
6 |
Эффективный КПД |
|
ŋег = 3600/(Qрн·gег) |
|
|
7 |
Часовой расход тепла на ГД |
кДж/ч |
Qг = Qрн·gег·Nег· nг |
|
|
8 |
Часовой расход топлива ГД |
кг/ч |
Вг = Qг/Qрн |
|
|
9 |
Эффективная мощность ВД |
кВт |
Исходные данные, Neв |
|
|
10 |
Количество ВД |
|
Исходные данные, nв |
|
|
11 |
Хим.состав топлива |
С,% |
ГОСТ 305 - 82 |
|
86 |
|
|
Н,% |
Дизельное топливо |
|
13 |
|
|
S, % |
ДТ |
|
0,5 |
|
|
O, % |
|
|
0,5 |
12 |
Низшая теплота сгорания |
кДж/кг |
Qрн |
|
42800 |
13 |
Удельный расход топлива |
кг/кВт ч |
принимаем, gев =0,210,24 |
|
|
14 |
Эффективный КПД ВД |
|
ŋев =3600/(Qрн·gев) |
|
|
15 |
Часовой расход тепла на ВД |
кДж/ч |
Qв = Qрн·gев·Nев·n |
|
|
16 |
Часовой расход топлива ВД |
кг/ч |
ŋев = Qв/Qрн |
|
|
17 |
Паропроизводительность |
кг/ч |
Исходные данные, D |
|
|
1 |
2 |
4 |
5 |
6 |
7 |
18 |
Марка топлива |
|
котельный мазут М-40, ГОСТ 105855 - 75 |
|
|
19 |
Низшая теплота сгорания |
кДж/ч |
Qнрк |
|
39800 |
20 |
Номинальное давление пара |
МПа |
Исходные данные, Рк |
|
|
21 |
Степень сухости пара |
|
Принимаем (0,94-0,98) |
|
|
22 |
Энтальпия пара |
кДж/кг |
Iп, по I-S диаграмме |
|
|
23 |
Энтальпия питательной воды |
кДж/кг |
Iпв |
|
250 |
24 |
КПД котла |
|
Принимаем, ŋк =0,760,82 |
|
|
25 |
Часовой расход топлива ВК |
кг/ч |
Вк =D·(Iп- Iпв)/(Qнрк· ŋк) |
|
|
26 |
Часовой расход тепла на ВК |
кДж/ч |
Qк =Вк·Qнрк |
|
|
27 |
Часовой расход тепла на ЭУ |
кДж/ч |
Q = Qг+Qв+Qк |
|
|
28 |
Доли расхода тепла на |
|
|
|
|
|
а)ГД |
|
X=Qг/Q |
|
|
|
б)ВД |
|
Y=Qв/Q |
|
|
|
в)ВК |
|
Z=Qк/Q |
|
|
29 |
Коэффициент использования |
|
|
|
|
|
тепла в СЭУ |
|
ŋт =ŋег·X+ŋев·Y+ŋек·Z |
|
|
30 |
Теор.необх.кол-во воздуха |
|
|
|
|
|
для сгорания 1 кг топлива |
кг/кг |
L0 = (1,67·Cр+8Hр+Sр-Oр)/23 |
|
|
31 |
Температура воздуха в МКО |
0С |
принимаем, tв =2028 |
|
|
32 |
Сред. массовая теплоемкость |
кДж/кг·гр |
Свр=0,9352+9,34·10-5·tв |
|
|
33 |
Температура выхлопных газов |
|
|
|
|
|
в коллекторе: |
|
|
|
|
|
ГД |
0С |
принимаем, tгдг=420460 |
|
|
|
ВД |
0С |
принимаем, tвдг =330380 |
|
|
34 |
Теплоемкость продуктов |
|
|
|
|
|
сгорания при ά=1 |
|
|
|
|
|
ГД |
кДж/кг·гр |
Сгрг = =1,03+0,000126·tгдг |
|
|
|
ВД |
кДж/кг·гр |
Сгрв = =1,03+0,000126·tвдг |
|
|
1 |
2 |
4 |
5 |
6 |
7 |
35 |
Коэффициент избытка воздуха |
|
|
|
|
|
ГД |
|
Принимаем, άΣг =2,53 |
|
|
|
ВД |
|
Принимаем άΣв=2,53 |
|
|
36 |
Теплоемкость выхл.газов |
кДж/кг·гр |
|
|
|
|
ГД |
кДж/кг·гр |
Сгдр = (Сгрг+(άΣг-1)Свр)/άΣг |
|
|
|
ВД |
кДж/кг·гр |
Свдр = (Сгрв+(άΣв-1)Свр)/άΣв |
|
|
37 |
Абсолюное давление выхлопных газов в коллекторе (перед турбиной) |
МПа |
0,92·Рн |
|
|
38 |
Абсолютное давление наддува |
МПа |
Рн =0,180,27 |
|
|
39 |
Абсолютное давление наддува за турбиной |
МПа |
Рзт=0,1210,113 |
|
|
40 |
Адиабатный КПД турбины |
|
т=(0,760,84) |
|
|
41 |
Показатель адиабаты расширения газов в турбине |
|
nт=1,321,34 |
|
|
42 |
Перепад энтальпий срабатываемый в турбине |
кДж/кг |
di1т= Сгдр· tгдг·(1- -(Рн/Рзт)К)· т К= (nт-1)/nт |
|
|
43 |
Энтальпия газа за турбиной |
кДж/кг |
iвгзт= Сгдр·(tгдг+273)-di1т |
|
|
44 |
Температура газа за турбиной |
К |
Твгзт= iвгзт/Свр +273 |
|
|
45 |
Температура газов перед УК |
|
|
|
|
|
УК - утилизационные котел установленный на ГД |
К |
Твгук =Твгзт -3 |
|
|
46 |
Абсолютное давление пара в УК |
МПа |
Рук=Рк |
|
|
47 |
Температура насыщенного пара |
К |
Тнук, по I-S диаграмме |
|
|
48 |
Точка росы |
К |
принимаем Твгрос =393413 |
|
|
49 |
Температура газов за УК |
К |
Тук= 
Тнук+25 Твгрос +25 |
|
|
|
выбираем большее значение |
К |
|
|
|
50 |
Энтальпийный перепад в УК |
кДж/кг |
diвгр =Сгдр·(Твгук-Тук) |
|
|
1 |
2 |
4 |
5 |
6 |
7 |
51 |
Потери тепла от УК в окр. среду. |
|
осу =0,970,98 |
|
|
52 |
Распологаемоя передача тепла газа в УК |
кДж/ч |
Qук = diвгр·осу· ·(L0· άΣг +1)·Bг |
|
|
53 |
Коэффициент замещения УК ВПК |
|
Kz = Qук/(Bк· Qнрк) |
|
|
54 |
Часовой расход тепла на ЭУ |
кДж/ч |
Qу = Qг+Qв+Qк(1-Kz) |
|
|
55 |
Доли расхода тепла на |
|
|
|
|
|
а)ГД |
Xу |
Qг/ Q |
|
|
|
б)ВД |
Yу |
Qв/ Q |
|
|
|
в)ВК |
Zу |
Qк(1-Kz)/Q |
|
|
56 |
Коэффициент |
|
ŋту=ŋег·Xу+ŋев·Yу+ŋек·Zу |
|
|
|
использования тепла в СЭУ |
|
|
|
|
57 |
Приращение коэффициента |
|
ŋту -ŋт |
|
|
|
использования тепла в СЭУ |
|
|
|
|
58 |
Потери тепла между УК и турбиной в окр. среду. |
кДж/кг |
Свр·(Твгзт- -Твгук)·(L0· άΣг +1)·Bг |
|
|
59 |
Теплоемкость пресной воды |
кДж/кг·К |
Свод |
|
4,19 |
60 |
Повыш. температуры охл.воды |
|
|
|
|
|
ГД |
°С |
Принимаем tвгвх-tвгвых =515 |
|
|
|
ВД |
°С |
Принимаем tвдвх-tвдвых = 515 |
|
|
61 |
Относительная теплоотд. в воду |
|
|
|
|
|
ГД |
|
принимаем, агд=0,140,25 |
|
|
|
ВД |
|
принимаем, авд=0,10,2 |
|
|
62 |
Часовой расход воды на: |
|
|
|
|
|
ГД |
кг/ч |
Мводгд =(aгд·gег·Nег·Qрн)/ (Свод·(tвгвх-tвгвых) |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
4 |
5 |
6 |
7 |
1 |
2 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
ВД |
кг/ч |
Мводвд (aвд·gев·Nев·Qрн)/ (Свод·(tвдвх-tвдвых) |
|
|
|
|
|
|
|
|
63 |
Часовая потеря тепла в охл.воду |
|
|
|
|
|
ГД |
кДж/ч |
Qводгд= =Мводгд·Свод(tвгвх-tвгвых) |
|
|
|
ВД |
кДж/ч |
Qводвд= =Мводвд·Свод(tвдвх-tвдвых) |
|
|
64 |
Теплоемкость масла |
кДж/кг·К |
См |
|
1,89 |
65 |
Повыш. температуры масла |
|
|
|
|
|
ГД |
0С |
Принимаем, tмвх-tмвых =515 |
|
|
|
ВД |
0С |
Принимаем tмвх-tмвых =510 |
|
|
66 |
Часовой проток масла |
|
|
|
|
|
ГД |
кг/ч |
Ммгд =Nег·mмгд |
|
|
|
ВД |
кг/ч |
Ммвд =Neв·mмвд |
|
|
67 |
Удельный проток масла |
|
|
|
|
|
ГД |
кг/ кВт ч |
принимаем, mмгд=1030 |
|
|
|
ВД |
кг/ кВт ч |
принимаем, mмвд =3060 |
|
|
68 |
Часовая потеря тепла в масло |
|
|
|
|
|
ГД |
кДж/ч |
Qмгд =Ммгд·См(tмвх-tмвых) |
|
|
|
ВД |
кДж/ч |
Qмвд =Ммвд·См(tмвх-tмвых) |
|
|
69 |
Час. потеря тепла с ух. газами |
|
|
|
|
|
ГД, Qвггд |
кДж/ч |
[(L0· άΣг +1)·Вг·Сгдр·tгдг- -Вг·L0· άΣг · Сгдр ·tв] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ВД, Qвгвд |
кДж/ч |
[(L0· άΣв +1)·Вв·Свдр·tвдг - -Вв·L0· άΣв · Свдр ·tв] |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
4 |
5 |
6 |
7 |
70 |
Энтропия генерируемого пара |
кДж/ кг·К |
По i-s диограмме, S" |
|
|
71 |
Энтропия питательной воды |
кДж/ кг·К |
S' |
|
4,18 |
|
Средне термодинам.темпе- |
0К |
(iп-iпв)/(S"-S') |
|
|
|
ратура подвода тепла к пару |
||||
72 |
Эксергетические потери в ВК |
кДж/ч |
Qрнк·Вк·[1-(1-Т0/Тср)ŋк] |
|
|
По результатам расчета заполняется балансовая таблица
N |
Составляющие баланса |
Ед.изм |
ГД |
ВД |
ВК |
ΣЭУ |
1 |
Часовой расход тепла |
кДж/ч |
Qг |
Qв |
Qк |
Q |
|
То же |
% |
100 |
100 |
100 |
100 |
2 |
Полезно использованное тепло |
кДж/ч |
Qег=Qг·ŋег |
Qев= Qв·ŋев |
Qек= Qк·ŋк |
Qе=Q·ŋт |
|
То же |
% |
Qег//Qг·100 |
Qев//Qв·100 |
Qек//Qк·100 |
Qе//Q·100 |
3 |
Тепло теряемое с выхл. газами |
кДж/ч |
Qвггд |
Qвгвд |
Qвгк=Qк-Qек |
Qвг= Qвггд+ Qвгвд+ Qвгк |
|
То же |
% |
Qвггд //Qг·100 |
Qвгвд //Qв·100 |
Qвгк /Qк·100 |
Qвг//Q·100 |
4 |
Тепло отданное охл. Воде |
кДж/ч |
Qводгд |
Qводвд |
- |
Qвод= Qводгд+ +Qводвд |
|
То же |
% |
Qводгд //Qг·100 |
Qводвд //Qв·100 |
- |
Qвод//Q·100 |
5 |
Тепло отданное маслу |
кДж/ч |
Qмгд |
Qмвд |
- |
Qм= Qмгд+ +Qмвд |
|
То же |
% |
Qмгд //Qг·100 |
Qмвд //Qв·100 |
- |
Qм//Q·100 |
6 |
Сумма всех тепловых потерь |
кДж/ч |
Qпгд= Qвггд+ Qводгд+ Qмгд |
Qпвд= Qвгвд+ Qводвд+ Qмвд |
Qпк=Qк-Qек |
Qп/= Qпгд+ Qпвд+ Qпк |
N |
Составляющие баланса |
Ед.изм |
ГД |
ВД |
ВК |
ΣЭУ |
|
То же |
% |
Qпгд //Qг·100 |
Qпвд //Qв·100 |
- |
Qп//Q·100 |
7 |
Неучтенные потери |
кДж/ч |
Qнгд = =Qг- Qпгд |
Qнвд = =Qв- Qпвд |
- |
Qн = =Q- Qп |
|
То же |
% |
Qнгд//Qг·100 |
Qнгд//Qв·100 |
|
Qн /Q·100 |
По результатам расчета проводиться проверка:
Показателем правильности расчетов являются неучтенные потери энергии, которые по модулю не должны превышать 2% затраченной энергии
-
если условие не выполняется, необходимо
произвести перерасчет пунктов 60-69 до
получения допустимой погрешности
расчета – 2%
По результатам полученным в результате расчета, на основании балансовой таблицы выполняется на листе миллиметровке, в масштабе, схема теплового баланса СЭУ
,
Рисунок 3 Схема теплового баланса СЭУ
Рисунок 4 I-S диаграмма водяного пара
Рекомендуемая литература.
Алексеев Г.Д., Карпович В.А. Энергетические установки промысловых судов. - Л.: Судостроение, 1972 – 296 с.
Артемов Г.А., Волошин Д.П. Судовые энергетические установки. – Л.: Судостроение, 1987 – 480 с.
Кошелев И.Ф. и др. Справочник судового механика по теплотехнике. - Л.: Судостроение, 1987 – 480 с.
Коршунов Л.П. Энергетические установки промысловых судов. - Л.: Судостроение, 1991–360с.
Лубянко В.Н., Петренко К.И. Методические указания по выполнению расчетно-графической работы «Анализ теплового баланса дизельной судовой энергетической установки».Керчь: КМТИ, 1997.
© Шаратов Алексей Сергеевич, ассистент