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

Вывод основного уравнения горения (29) здесь не приводится. Его можно получить из уравнения, выражающего состав дымовых газов:1

горения. Оптимальные (т. е. наивыгоднейшие) значения содержания Rea в д ы м о в ы х газах устанавливают опытным путем при тепловых испытаниях парогенераторов.

При полном горении СО = 0 и основное уравнение горения (29) примет вид

21 — ß R02 — RO2 = 0,

RO“aKC, имеет место при полном сгорании топлива без избытка воз­ духа, т. е. при теоретически необходимом его количестве. В этом слу­ чае СО = 0 и 0 2 = 0, и уравнение горения (29) примет вид

21 — ß R 02 — R 02 = 0,

откуда

98

Определение коэффициента избытка воздуха по данным анализа продуктов сгорания. При теплотехнических испытаниях котлов по данным газового анализа определяют и коэффициент избытка воздуха.

Коэффициент избытка воздуха представляет собой отношение

где 0 2п — теоретическое количество кислорода для сжигания 1 кг

топлива.

Принимая во внимание, что содержание кислорода по объему со­ ставляет 21%, а в действительности используется (21—0 2) %, полу­ чают

Эта формула применима для случая полного сгорания топлива. При неполном сгорании, когда в продуктах сгорания содержится СО, коэффициент избытка воздуха определяют по формуле

Учитывая баланс кислорода в газах при полном сгорании, по урав­ нению

(1 + ß) С02 + 0 2 = 21 %

получают, подставив в формулу (36):

Для определения а при неполном сгорании по формуле (37) необ­ ходимо задаться значением R 0 2, которое по данным практики прини­ мается для мазутных топок равным R 0 2 = 12 14%.

В случае полного сгорания для топок, в которых сжигают флотский мазут, при ß = 0,323 и СО = 0 определяют коэффициент избытка воз­ духа на основании формулы (37) по выражению

а = — + 0,06.

RO,

99

Парциальные давления трехатомных газов. Для расчета лучистого и конвективного теплообмена необходимы значения парциальных дав­ лений трехатомных газов, которые определяются в соответствии с ха­ рактеристическими уравнениями, составленными для смеси газов:

Определив объемные количества воздуха и газов, можно вычис­ лить энтальпию дымовых газов и построить расчетную диаграмму, которую используют при тепловых расчетах котлов.

Энтальпией дымовых газов называется количество тепла, которое необходимо затратить на нагревание от 0° С до f С такого количества газов, которое образуется при сжигании 1 кг топлива.

100

Энтальпию вычисляют по формуле

где ЪѴс — средняя теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива,

Дж/(кг- °С);

t — температура продуктов сгорания, °С.

І-/0 3, к Дж /кг

Величина 2Ѵс равна сумме произведений объемов отдельных га­ зов на их средние теплоемкости при постоянном давлении, т. е.

и, следовательно,

Удельные объемные теплоемкости воздуха и газов определяют по дан­ ным табл. 2. При практических расчетах учитывают, что содержание S 0 2 в дымовых газах относительно невелико, а двухатомные газы (Na, 0 2) имеют приблизительно равные объемные теплоемкости, т. е. можно принять: cRO = ссо и cN = с0 .

101

Энтальпию газов обычно определяют, пользуясь табличной формой (табл. II). По данным табл. II * строят диаграмму і—t, выражающую зависимость энтальпии газов от их температуры.

По оси абсцисс откладывают значения температур (через каждые 100 или 200°), а по оси ординат — энтальпию, соответствующую вы­ бранным значениям температур. По точкам пересечения проводят кривую, которая называется диаграммой і—/. Диаграмму і— t строят для каждого рода топлива при различных коэффициентах избытка воздуха. На рис. 61 показана диаграмма і— t для мазута М40 при ко­ эффициентах избытка воздуха 1,0, 1,15 и 1,2.

Глава VIII

ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ТЕПЛОВОЙ б а л а н с п а р о г е н е р а т о р а

§28. Тепловые потери в парогенераторе

Впроцессе работы парогенератора теплота, получаемая от сгора­ ния топлива, полностью не используется. Потери теплоты в парогене­ раторе складываются из следующих видов потерь: с уходящими га­ зами Q2 — уноса теплоты дымовыми газами, уходящими в дымовую трубу; от химической неполноты сгорания Q3 — неполного окисления углерода и водорода топлива; от механической неполноты сгорания Qi — потери теплоты от провала и уноса несгоревшего топлива, а также удаления теплоты из топки со шлаком; в окружающую среду Qb — отдачи теплоты парогенератором окружающему воздуху и со­ седним предметам путем теплопроводности и лучеиспускания.

Потери теплоты с уходящими газами зависят в основном от темпе­ ратуры уходящих газов tyx и избытка воздуха в конце процесса тепло­ обмена а ух. Чем ниже tyx и чем меньше а ух, тем ниже величина Q2. Потеря теплоты с уходящими газами определяется как разность двух величин: энтальпии продуктов сгорания на выходе из последней по­ верхности нагрева парогенераторного агрегата и вносимой извне теп­ лоты с холодным воздухом, топливом (физическое тепло) и паром при работе паровых или паромеханических форсунок

* Таблица II приведена в приложении к примерному расчету парогенера­ тора.

102

Физическое тепло поступающего в топку холодного воздуха опре­ деляют по формуле

где (ct) — энтальпия влажного воздуха, Дж/м3.

Температуру холодного воздуха принимают равной 20—30° С. Физическое тепло топлива находят по формуле

Теплота, вносимая с паром, поступающим непосредственно в топку парогенератора при работе паровых или паромеханических форсунок,

Потери теплоты с уходящими газами для судовых парогенерато­ ров составляют 4—6%.

Потери теплоты от химической неполноты сгорания возникают вследствие плохой организации процесса горения, недостатка воздуха или низкой температуры в топке, их определяют по выражению

При тепловом расчете величину qz принимают на основании опыт­ ных данных. Так, для парогенератора с мазутным отоплением потери теплоты от химической неполноты сгорания сравнительно невелики и практически не превышают величины 0,5%.

103

Потери теплоты от механической неполноты сгорания учитываются при расчете парогенератора с угольным отоплением, для которого составляют величину 0,5 — 2,5%. При отоплении мазутом <74 прини­ мается равной нулю.

Потери теплоты в окружающую среду определяются в основном размерами парогенератора, качеством изоляции, а также компоновкой воздушных каналов и обшивки. Для крупных парогенераторов с по­ верхностью нагрева более 400 м2 потери составляют 2—3%. При нор­ мальной нагрузке современного парогенератора, в котором предусмот­ рено охлаждение обмуровки воздухом, поступающим в топку, вели­ чина потери составляет 0,5—1,5%.

При теплотехнических испытаниях потеря q5 определяется как

где т|к — к. п. д. парогенератора, %.

При тепловом расчете принимают потерю в окружающую среду всем парогенератором, а затем ее ориентировочно делят на ряд потерь: топкой q^, собственно парогенератором q™, пароперегревателем qne

и др., пропорционально тепловосприятиям поверхностей нагрева.

§ 29. Мероприятия по борьбе с тепловыми потерями

Природное топливо, запасы которого на земле хотя и очень велики, но не безграничны, используется еще недостаточно экономно, осо­ бенно в парогенераторах старой постройки, к. п. д. которых ниже сов­ ременных на 10—20%. Всемерная борьба с тепловыми потерями, эко­ номия топлива и теплоты в парогенераторных установках — одна из главнейших задач, имеющих огромное народнохозяйственное значение.

Экономичность работы парогенераторной установки определяется двумя основными факторами: техническим совершенством оборудова­ ния и правильной умелой его эксплуатацией. Все парогенераторное оборудование необходимо поддерживать в таком состоянии, чтобы оно обеспечивало самый высокий к. п. д., т. е. минимальные потери теплоты.

Потери теплоты с уходящими газами являются наибольшей из всех прямых потерь теплоты и могут быть уменьшены путем снижения тем­ пературы уходящих газов и соблюдения оптимального коэффициента избытка воздуха. Основным средством снижения температуры уходя­ щих газов является использование развитых хвостовых поверхностей нагрева (водяного экономайзера и воздухоподогревателя). Можно счи­ тать, что нагрев воды в водяном экономайзере на 1° С снижает темпе­ ратуру уходящих газов на 2,4 — 2,8° С. При подогреве воздуха в

104

воздухоподогревателе на 1°С температура газов снижается на 0,7 — 0,8° С.

Установка водяных экономайзеров и воздухоподогревателей поз­ воляет снизить tyx на 150—190° С и повысить к. п. д. парогенератора примерно на 8— 10%.

Чтобы температура уходящих газов была минимальной, все поверх­ ности нагрева парогенераторной установки нужно содержать в чис­ тоте. Для этого установку оборудуют специальными сажеобдувочными устройствами. Эффективная обдувка поверхностей нагрева может снизить температуру уходящих газов на величину до 20° С даже при сжигании такого топлива, как мазут. Это дает прямую экономию около

1,0 %.

Причиной потери теплоты от химической неполноты сгорания слу­ жит недостаток воздуха в топке и плохое его перемешивание с горю­ чими летучими веществами топлива.

Потерю теплоты в окружающую среду можно значительно снизить охлаждением обмуровки парогенератора воздухом, поступающим в топку по каналам двойной обшивки. Хорошая теплоизоляция паро­ генератора и исправные трубопроводы также препятствуют потерям теплоты в окружающую среду.

Весьма существенное значение в борьбе с тепловыми потерями имеет своевременная ликвидация пропусков воды и пара парогене­ раторной арматурой и использование теплоты продувок путем уста­ новки расширителей, в которых образуется вторичный пар, приме­ няемый в регенеративных подогревателях воды.

Автоматизация работы парогенератора в сочетании с техническим совершенством оборудования и правильной, умелой его эксплуата­ цией значительно повышают экономичность и надежность судовой энергетической установки, дают возможность экономить ежегодно сотни тысяч тонн топлива.

§ 30. Тепловой баланс парогенератора

Составление теплового баланса парогенератора, основанного на законе сохранения энергии, заключается в установлении равенства между поступившим в агрегат количеством теплоты и суммой полезно использованной теплоты и тепловых потерь, т. е.

где Q1 —- количество теплоты, полезно использованной в парогенера­ торе, Дж/кг.

105

На основании теплового баланса вычисляют к. п. д. и необходимый

расход топлива. Разделив обе части уравнения (56) на и умножив на 100, получают уравнение теплового баланса парогенератора, вы­ раженное в процентах:

Если обозначить секундный расход топлива через В (кг/с), то теп­ ловой поток, полезно использованный в парогенераторе, составит

Тепловой поток, полезно использованный в парогенераторе, мо­ жет быть выражен уравнениями:

для парогенератора, вырабатывающего только перегретый пар,

Q l ^ п е (^пе ^п. в) >

для парогенератора, вырабатывающего только насыщенный пар,

Qi= DH(ініп в).

Подставив значение Qx в уравнение (59), получают соответственно:

BQP„

Если от парогенератора отбирается перегретый и насыщенный пар, то

ß Q£

Воспользовавшись приведенными формулами, можно определить расход топлива. Так, при наличии пароохладителя

T)kQP

Расчетная величина расхода жидкого топлива равна:

Важной характеристикой топлива является испарительная способ­ ность — отношение суммарной паропроизводительности к расходу топлива:

и = ^ .

106

Испарительная способность топлива для современных парогенерато­ ров находится в пределах от 12,5 до 16,5.

Предварительный тепловой баланс составляют для определения тепловых потерь при заданном коэффициенте полезного действия. По формуле (58) определяют полезно использованную теплоту 1 кг топлива. Выбирают значения q3 и qb на основании § 28 и определяют

Q3 и Q&. Вычисляют суммарные теплопотери в котле QnoT QS —Qi, а затем определяют потерю с уходящими газами:

Q2 “ QnoT Qз Qs-

По формуле (55) определяют энтальпию уходящих газов іух и из диаграммы і— t находят температуру tyx, которая должна совпасть с температурой, получаемой в результате теплового расчета пароге­ нератора.

Полезное тепловыделение в топке определяют по формуле

Q b . Т = г'теор = Q h ~ Цз+ QT+ QB+ 0 ФДж/кг (ккал/кг). (65)

Энтальпия гтеор называется теоретической, так как в топках ее нельзя достичь. Действительная энтальпия будет ниже из-за прямой отдачи теплоты (лучеиспусканием) поверхностям нагрева парогене­ ратора и через них воде. Теоретическая энтальпия продуктов сгора­ ния при сжигании 1 кг топлива складывается из теплоты, выделив­ шейся при сгорании топлива, из физической теплоты топлива и из теплоты, вносимой горячим или холодным воздухом и паром форсунок.

Соответствующая энтальпии ігеор температура газов называется

теоретической температурой горения (/теор).

Глава IX

РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКЕ

§ 31. Общие вопросы расчета топки

Расчет теплообмена в топке судового парогенератора сводится к оп­ ределению мощности теплового потока, воспринятого лучевоспринимающей поверхностью нагрева, размещенной в топочном пространстве, и температуры газов на выходе из топки.

Температура газов на выходе из топки является важной характе­ ристикой, определяющей устойчивость процесса горения, размеры конвективных поверхностей нагрева, температуру перегретого пара и надежность работы парогенератора. Температура газов на выходе из топки при сжигании мазута в топках слабонапряженных парогене­ раторов составляет 1200—1350° С, а высоконапряженных— 1400— 1550° С.

107