Тепловой расчет судового котла

3575685topФедеральное агентство морского и речного транспортаФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образованияГосударственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. МакароваКафедра «Теплотехники СК и ВУ»Дисциплина «СК и ППУ»Курсовой проектНа тему: «Тепловой расчет судового котла»Выполнил: Проверил: Санкт-Петербург2022 г.Содержание:1. Таблица исходных данных22. Расчёт теоретических объёмов воздуха и продуктов сгорания33. Расчёт действительных объёмов ПС и парциальных давлений 44. Расчёт энтальпии продуктов сгорания45. Расчёт предварительного теплового баланса66. Определение компоновочных размеров котла77. Расчёт теплообмена в топке88. Расчет основного испарительного пучка………............................……..….119. Расчет пароперегревателя………………………………………...……...…1510. Расчет водяного экономайзера……1811. Расчёт КПД котла.20Таблица исходных данных.Марка котла прототипа КВ-5.Давление в пароводяном барабане, Pк4,3 MПаПаропроизводительность, Dk48 т/чТемпература холодного воздуха, tхв27Температура топлива, tт65Температура питательной воды, tпв90℃КПД, η90 %Коэффициент избытка воздуха,α1,2Марка топливаФ5Dпе43 Т/чДавление пароперегревателя, Pпе4,1 МПаtпе370 °Сtгв105 °СЭлементарный состав топлива Ф5 ПараметрыРабочая масса топлива и его состав, %СP87,33HP11,9SP0,39OPNP0,20,2WP0,15AP0,03Низшая теплота сгорания, МДж/кгСредняя41,68Минимальная40,29Расчет теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания.Таблица 1.НаименованиеОбозначениеСпособ определения или формулаРасчетное значение1.Коэффициент избытка воздуха в топкеαИз задания1,22. Теоретически необходимый объём воздуха, м3/кг0,0889СP+0,375SP+0,265HP-0,0333OP10,9233. Теоретический объём азота, м3/кг0,79V0+0,8NP/1008,6314. Объём трёхатомных газов, м3/кг1,866CP+0,375SP1001,635. Теоретический объём водяных паров, м3/кг0,111HP+0,0124WP+0,0161V0 1,4986. Низшая температура сгорания, МДж/кг QHP-41,68Расчёт действительных объёмов ПС и парциальных давлений.Таблица 2.№п/п Наименования Обозначения Расчетная формула или способ определенияЗначение величины1Полный объем водяных паров, VH2O0+0,0161α-1V01,5332Суммарный объем дымовых газов ,VN20+VRO20+VH2O+α-1V013,943Объем доли продуктов сгорания:Углекислого газаВодяных паров Суммарная для трехатомных газов0,1160,1100,2264Парциальные давления, MПа: Углекислого газаВодяных паровСуммарная для трехатомных газов (р- давление в топке без наддува р= 0,1 MПа.)0,0120,0110,023Расчёт энтальпии продуктов сгорания. Таблица 3.tГ, СIГIВIH20Iг=Iг+(α-1)Iв+IH20100162414425191720032822906113874300498844021658844006744592022795050085447471281006660010380906634122277001226510694401444380014211123434716726900161911399253190431000182051568560214021100202201742267237721200222501915975261571300243302089682285911400264532267690310781500285532446897335441600306862624810536040170032833280281133855218003498829809121410711900371853164412943643200039358334681374618921004156035303146487662200437673712715451346-5651599695IГ, кДж/кг00IГ, кДж/кгIГ, кДж/кгIГ, кДж/кг49961803157220tГ, ℃00tГ, ℃tГ, ℃tГ, ℃Диаграмма IГ-tГРасчёт предварительного теплового баланса.Таблица 4.№п/п Наименования величиныОбозначенияРасчетная формула или способ определенияЗначения величины1Низшая теплота сгорания, кДж/кгИз таблицы 1416802K.П.ДИз задания903Тепловые потери, %От химической неполноты сгоранияВ окружающую средуС уходящими газамиВыбираетсяВыбирается100---0,91,67,54Коэффициент избытка воздухаαИз таблицы 11,25Температура воздуха ,:холодногоИз задания27горячегоtГ.В.1057Количество теплоты, вносимое воздухом , в топку, кДж/кг:холодным;354,61388,68Количество теплоты отданное в воздухоподогревательQВ.П.-10349Температура топлива ,Из задания659Теплоемкость топлива, кДж/(кгК).2,032,53210Коэффициент сохранения тепла φ0,98411Количество теплоты, вносимое в топку топливом ,кДж/кг13212Энтальпия уходящих газов, кДж/кг.++3612,613Температура уходящихгазов,.Из диаграммы I-t23014Энтальпия газов за последним элементом пароводяного тракта, кДж/кг.+Qвп/φ4663,415Температура газов за последним элементом пароводяного трактаИз диаграммы I-t35016Полезное тепловыделение в топке , кДж/кг.++4282517Паропроизводительность, кг/с: полнаяПо перегретому паруDDпеИз задания13,3311,9418Теплота парообразования , кДж/кг.r (таблица водяного пара) 1751,519Влажность насыщенного пара за пароводяным барабаном1-хВыбирается в зависимости от паросепарационных устройств котла0,120Энтальпия пара, кДж/кг:сухой насыщенноговлажного насыщенногоперегретогоisiнiпеИз таблиц водяного параis-1-x100*rИз таблиц водяного пара2801,31049,8279921Энтальпия питательной воды, кДж/кг.По температуре из задания180022Расчетный расход топлива, кг/сBDпе(iпе-iпв)ηQНР0,3223Испарительность топлива, кг/сu41,6Таблица 5.Определение компоновочных размеров котла.№ п/пНаименование величиныОбозначениеРасчётная формулаЗначение величины1Тепловое напряжение топочного объёма, Выбирается из рекомендованных значений12982Объём топки, м3B/10,33Длина топки, м LTLф=kαα-0,52Bn=1,271,21,2-0,52хх0,320,761,64Длина труб бокового экрана lбеиз эскиза5,65Длина труб конвективного пучка lпиз эскиза4,96Расстояние от бокового экрана до притопочного пучка, мbвыбирается из гл.45,97Площадь лучевоспринимающей поверхности всей топки, м2(lп+lбе)lт16,88Угловой коэффициент экрановXэВыбирается в соответствии с эскизом (рис.4.2)19Площадь передней стенки топки, 6,410Площадь всех поверхностей, ограждающих топку, м2 FстНэхэ+2Нфр29,610Степень экранирования топкиψНэхэ/Fст0,611Эффективная толщина излучающего слоя пламени, мS3,6Vт/Fст1,25Таблица 6.Расчёт теплообмена в топке.№п/пНаименование величиныОбозначе-ниеРасчётная формула или способ определенияЗначение величины1Объём топки, м3Из таблицы 5101,32Площадь стен топки, м2FстИз таблицы 529,63Площадь лучевоспринимающей поверхности,м2HлИз таблицы 516,84Степень экранирования топкиψИз таблицы 50,65Эффективная толщина излучающего слоя пламени, мSИз таблицы 51,256Условный коэффициент загрязнения лучевоспринимающей поверхности нагреваξВыбирается0,557Средний коэффициент тепловой эффективности экрановψсрψ* ξ0,338Полезное тепловыделение в топке, кДж/кг. QвтИз таблицы 4428259Теоретическая температура горения,КtтTтИз диаграммы I-t tт+2732150242310Давление в топке, МПаpПринимается 0,10,11Температура газов за топкой, Кtз.тTз.тПринимается tз.т+2731200147312Теплосодержание газов за топкой, кДж/кгIз.тИз диаграммы I-t2350013Средняя теплоёмкость газов, кДж/(кг*К)VC(Iт-Iз.т)/(tт-tз.т)20,314Коэффициент ослабления лучей частицами сажиk(1,6 Tз.т/1000)-0,51,8515Коэффициент весомости частей факела.m0,5+0,43qv10-3при qv≥1200 кВт/м3m = 1116Эффективная степень черноты факела αэфm(1-e-kps)0,2017Степень черноты топкиαт0,82αэф/[αэф+(1-αэф)ψ ξ]либо из номограммы0,3518Коэффициент сохранения теплаφ1-q50,98419Критерий БольцманаBoφB(VC)/5,7ξHл(Tт)310-110,8520Безразмерная температура на выходе из топкиΘBo0,6/[0,445αт0,6+Bo0,6]0,7321Температура газов за топкой, tз.тΘTт-273 80222Теплосодержание газов за топкой, кДж/кгIз.тИз диаграммы I-t1500023Тепло, воспринятое топкой, кДж/кг Qлφ(Iт-Iз.т)27340Таблица 7.Расчет основного испарительного пучка.№п/пНаименование величиныОбозначе-ниеРасчётная формула или способ определенияЗначение величины1.Диаметр труб, м: наружный внутреннийdнВыбирается из гл. 60,029dвн0,0242.Шаги труб, м: поперечный S1S>=d+15мм0,0443.продольныйS20,0444.Количество труб в ряду, шт.n1Lт-dS1+1375.Количество рядов в пучке, шт..n2См. рекоменд. гл. 6106.Средняя расчетная длинна труб, мlЭскиз4,97.Коэффициент, учитывающий неравномерность омыванияξВыбирается0,98.Расчётная поверхность нагрева труб, м2Hпπdln1n2- LTl25,89.Полная поверхность нагрева пучкаHπdln1n2165,110.Площадь сечения для прохода газовFГl(n1-1)(S1-d)2,611.Тип строения пучкаВыбирается из гл. 6коридорная12.Эффективная толщина излучающего слояs0,9d[(4S1S2/πd2)-1]0,0513.Температура газов на выходе из топки, tз.т.Из таблицы 680214.Энтальпия газов на выходе из топкиIз.т.Из таблицы 61500015.Температура кипения воды при рабочем давлении, , tsИз таблиц водяного пара22816.Количество труб в одном ряду, штz1l/S1+111217.Коэффициент использованияξВыбирается из гл. 60,918.Температура газов на выходе из основного пучка, t'пВыбираются три значения40060080019.Энтальпия газов на выходе из основного пучкаI'пИз диаграммы I-t8000110001300020.Средняя температура газового потока, КT'г0,5(tз.т.+t'п)tг+273874974107421.Расчётная средняя скорость газов, м/сwгwг=BTгVгFг2735,56,16,722.Количество теплоты, отданное газамиQг(Iз.т.-I'п)φ68883936196823.Коэффициент загрязненияεВыбирается из гл. 60,0050,0050,005 24.Температура наружного загрязнения стенки труб, tс.з.ts+ εQг/Hп229,3228,7228,325. Поправочные коэффициенты на:число рядовотносительный шагфизические свойства газовCzПо номограммам для соответствующего типа построения пучка111CS111Cф0,970,980,9919.Коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2-К)αнкПо номограммам на рис. 6.1 или 6.2919699αкαнCzCSCф88,2794,19822.Коэффициент ослабления лучей трёхатомными газамиkПо номограмме на рис. 5.220,1191723.Суммарная оптическая толщина продуктов сгоранияkpskps0,10,090,0924.Степень черноты газового потокаα1-ekps0,090,080,0825.Коэффициент, определяющий температурный режимСгПо номограмме на рис. 6.70,990,99126.Коэффициент теплоотдачи излучениемαнлПо номограмме на рис. 6.799150175αлαнлαCг107,8163,4192,527.Коэффициент теплоотдачи от газов к стенкеα1ξ(αк+αл)176,5231,8261,528.Коэффициент теплопередачиkпα1/(1+εα1)93,8107,4113,329.Разность температур теплообменивающихся сред, Δtбtз.т.-ts574574574Δtмt'п-ts17237257230.Температурный напор, Δtп(Δtб- Δtм)/ln(Δtб/Δtм)333,6465,757331.Количество теплоты, воспринимаемое поверхностью нагреваQкПkп Δtп Hп/(B103)25224032523432.Итоговое количество теплоты, переданное в пучкеQПИз диаграммы Q-t250033.Итоговая температура газов за пучком, tп60034.Энтальпия газов за пучкомIпИз диаграммы I-t1200035.Коэффициент эффективностиψИз табл. 6.10,636.Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К)kоипψα1105,937Теплота, необходимая для производства насыщенного пара, кДж/кгQS(iн-iпв)uφ3070838Теплота, переданная насыщенному пару в экранных поверхностях топки, кДж/кгQлИз табл.51 или 5.22734039Количество тепла, которое должен воспринять основной пучок, кДж/кгQОИПQS-Qл-Qп8680Энтальпия газов перед ОИП, кДж/кгI1ГIп12000Температура газа перед ОИП, °Сt1Гtп600Энтальпия газов за ОИП, кДж/кгI2ГI1Г-QОИП11132Температура газа за ОИП, °Сt2ГИз диаграммы I-t570Температурный напор, °С∆tОИП∆tОИП=t1Г-t2Гlnt1Г-ts(t2Г-ts)35640Поверхность нагрева основного испарительного пучка, м2HоипBQоип/kоип Δtоип73,641Общее число трубNоипHоип/πdвн80842Число рядов трубnрядNоип/z17Диаграмма Q-tТаблица 8.Расчет петлевого пароперегревателя.№п/пНаименование величиныОбозначе-ниеРасчётная формула или способ определенияЗначение величины1.Полная производительность котла, кг/сDкИз задания 4,82.Температура перегретого параtпеИз задания3703.Давление перегретого параРпеИз задания4,14.Энтальпия перегретого параiпеИз таблицы водяного пара27995.Удельный объем пара:НасыщенногоПерегретогоСреднийvsИз таблицы водяного пара0,5(vs-vпе)0,0012vпе0,07685vс0,046.Расход топлива, кг/сBИз предварительного теплового баланса0,327.Количество тепла передаваемое в пароперегревателе, кДж/сQпеDк(iпе-iвн)/Bφ26908.Энтальпия газов перед ППIПИз табл. 7120009.Энтальпия газов за ППIППIП-Qпе931010Температура газов за ППtппИз диаграммы I-t53011.Средняя температура газового потока, КTср(tп+tпп)/2+27383812.Средняя температура параtсп0,5(tпе+ts)29913.Разность температур, большаяменьшаяΔtбtп-tсп301Δtмtпп-tсп23114.Температурный напор, Δtпе(Δtб- Δtм)/ln(Δtб/Δtм)26415.Диаметр труб, м:Наружный Внутренний dнВыбирается из гл. 60,029dвн0,02416.Шаги труб, м:ПоперечныйПродольный s1Выбирается из гл. 60,044s20,04417.Относительные шаги:ПоперечныйПродольныйσ1s1/dнs2/dн1,5σ21,518.Расчетная длина петли,мLппИз эскиза2,919.Расстояние между осями труб передней и задней стенки, мlпеРасстояние от переднего до заднего экрана3,120.Количество петель в одном ряду, штz1lпп/s1+16721.Площадь сечения для прохода газов, FппLпп(z1-1)( s1-dн)/21,4322.Средняя скорость газового потока, м/сwгBVгнTср/Fпп2739,523.Поправочные коэффициенты для определения αкCфИз номограммы 6.11Cz1Cs0,9224.Коэффициент теплоотдачи, кДж/(м2*К):из номограммырасчётныйαнИз номограммы 6.169αкαнCsCzCф63,4825.Коэффициент загрязнения, (м2*К)/ВтεВыбирается из гл. 60,00526.Коэффициент использованияξ0,927.Температура наружного загрязнения стенки трубtнсtсп+(70-100)°С39928.Эффективная толщина излучающего слояs0,9d[(4S1S2/πd2)-1]0,0529.Коэффициент ослабления лучей трёхатомными газамиkПо номограмме на рис. 5.225,4830.Суммарная оптическая толщина продуктов сгоранияkpskps0,1331.Степень черноты газового потокаα1-e-kps0,132.Коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м2*К):По номограммеПоправка на температуруРасчетный αнИз номограммы 6.769СгИз номограммы 6.70,9αлαнαCг633.Коэффициент теплоотдачи от газов к стенкеα1ξ(αк+αл)62,334.Средняя скорость пара в трубах пароперегревателяwпВыбирается из гл. 62535.Коэффициент теплоотдачи от стенки труб к паруПо номограммеПоправка на диаметрРасчетныйαнИз номограммы 6.5950СdИз номограммы 6.51,03α2αнСd978,536.Коэффициент теплопередачиkпе1/(1/α1+ ε+1/α2)4837.Поверхность нагрева пароперегревателяHпеBQпе/kпе Δtпе67,938.Общее число петельNпетHпе/πdнlпе29039.Число рядов петельnрядNпет/z1440.Число петель в одной группеnпет Dкvс/wгπdвн21241.Число групп петель, соединённых последовательноnгрNпет/nпет2442.Число перегородокnпnгр-12343.Средний тепловой поток в ППqсрQП/H15,144.Температура наиболее нагретой трубы ППtстtпе+qср/α2370,1Таблица 9.Расчет экономайзера№ п/пНаименование величиныОбозна-чениеРасчетная формула или способ определения Значение величины1Температура питательной воды перед ВЭ, °CtпвИз задания90℃2Энтальпия ПВ перед ВЭ, кДж/кгiпвИз таблицы воды и водяного пара376,773ТПВ на выходе из ВЭ, °Ctэ30…50℃ ниже ts1784Энтальпия ПВ за ВЭ, кДж/кгiэИз таблицы воды и водяного пара742,65Количество теплоты, необходимое для подогрева ПВ в ВЭ, кДж/кгQВЭDк(iэ-iпв)/Bφ50986Энтальпия газов за ВЭ, т. е. последним элементом пароводяного тракта, кДж/кгIЗЭИз предварительного теплового баланса4663,47Температура газов за ВЭ, °CtЗЭ3508Энтальпия газов перед ВЭ, кДж/кгIОИПИз расчета предыдущего пучка86809Температура газов перед ВЭ, °CtОИП38010Теплота, отдаваемая газами, кДж/кгQЭφ(IОИП-IЗЭ)395211Разность температур, °C: бóльшаяменьшаяΔtбΔtмtОИП-tЭtЗЭ-tпв3026,7712Температурный напор, °CΔtэΔtб- Δtм/ln(Δtб/Δtм)28,313Средняя скорость газового потока, м/сwгПо рекомендациям п. 6.213,314Поправочные коэффициенты для определения αкCфCzCsИз графиков на рис. 6.1 или 6.2110,9215Коэффициент теплоотдачи, кДж/(м2 ⋅ К): из номограммы расчётныйαнИз номограммы6916Коэффициент загрязнения, (м2 ⋅ К)εПо рекомендациям гл. 60,00517Коэффициент использованияξ0,918Коэффициент теплопередачи, кДж/(м2 ⋅ К)kЭξαК/(1+ξεαК)44,419Площадь поверхности нагрева ВЭ, м2НЭBQэ/kэ Δtэ∙1031320Средняя температура газового потока, °C/Кtг0,5(tОИП+tзЭ)365Tгtг+27363821Площадь живого сечения для прохода газов, м2FЭBVгTГ/wГ 2730,7822Расчётная длина трубLЭРавно расстоянию между фронтами котла5,823Наружный диаметр труб, мdВыбирается согласно рекомендациям гл. 60,02424Шаги труб, м: поперечный продольныйs1s20,0440,04425Поперечный размер экономайзера, мlЭFЭs1/LЭ(s1- d)0,3926Количество труб в одном рядуz1lЭ/s1+113327Количество рядов трубz2НЭ/πdLЭz11Таблица 10.Расчет КПД котла.№ п/пНаименование величиныОбозна-чениеРасчетная формула или способ определения Значение величины1Расход топлива, кг/cBИз таблицы 40,322Низшая теплота сгорания топлива, кДж/кгQнрИз таблицы 1416803Количество теплоты, переданной поверхности нагрева,кДж/кг:в топкев основном пучкев пароперегревателев экономайзересуммаQлQпQППQвп∑ QИз таблицы 6Из таблицы 7Из таблицы 8Из таблицы 927340250026903952364824Энтальпия, кДж/кг:пара за ПВБпитательной воды ix iПВИз предварительного баланса 280318005Испарительность топлива, кг/сu (Q-Q)/(ix-iПВ)31,376Паропроизводительность, кг/с DкuB13,37К.П.Д, %ηк(∑ Q/Qнр)10087