Курсач Вариант 3 (такое...) / Parogeneratory
.pdfГосударственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова
КАФЕДРА СУДОСТРОЕНИЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине «судовые парогенераторы»
Направление подготовки 26.03.02 – «Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры», профиль
«Судовые машины и механизмы»
Тема: «Тепловой расчет судовых вспомогательных парогенераторов»
Выполнил:
Воронин. Б.С.
Проверил:
Мильрат О.В.
Санкт-Петербург
2022 г.
1
Содержание |
|
|
Введение................................................................................................................ |
3 |
|
1 |
Определение объема продуктов сгорания...................................................... |
4 |
2 |
Построение диаграммы «энтальпия – температура» для продуктов |
|
сгорания ................................................................................................................ |
5 |
|
3 |
Предварительный тепловой баланс парогенератора..................................... |
7 |
4 |
Компоновка и тепловой расчет топки........................................................... |
12 |
4.1 |
Данные к расчету теплообмена в топке ........................................................ |
12 |
4.2. Компоновка топки.......................................................................................... |
13 |
|
4.3 |
Расчет теплообмена в топке ........................................................................... |
14 |
5 |
Компоновка и тепловой расчет конвективных поверхностей нагрева. .... |
16 |
5.1 |
Последовательность расчета .......................................................................... |
16 |
5.2 |
Определение коэффициентов теплопередачи .............................................. |
16 |
5.3 |
Коэффициенты теплоотдачи конвекцией ..................................................... |
17 |
5.4 |
Коэффициенты теплоотдачи излучением..................................................... |
17 |
5.5 |
Температурный напор..................................................................................... |
18 |
6 |
Компоновка и тепловой расчет конвективных парообразующих ............. |
18 |
поверхностей нагрева ........................................................................................ |
18 |
|
7 Компоновка и методика теплового расчета пароперегревателя ................... |
21 |
|
8 |
Компоновка и тепловой расчет экономайзера ............................................. |
24 |
2
Введение
Парогенератором называется агрегат, предназначенный для получения насыщенного или перегретого водяного пара с давлением выше атмосферного. Источником теплоты, необходимой для парообразования, может служить химическая энергия сжигаемого топлива или энергия расщепления ядер тяжелых элементов Парогенераторы можно разделить на вспомогательные и главные. Вспомогательные предназначенны для обеспечения паром вспомогательных механизмов и общесудовых нужд (отопление, приготовление пищи и кипяченой воды), называются вспомогательными. А главные вырабатывают пар для главного судового двигателя, то есть на паровую машину или турбину.
3
1 Определение объема продуктов сгорания
По заданной марке топлива из табл. 1 определяется его элементарный состав.
Расчет начинается с определения объема сухого воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива, по формуле, м3/кг
Талица 1 - Расчетные характеристики жидких топлив
|
|
|
Элементарный состав, % |
|
Низшая |
||||
Топливо |
|
|
|
|
Sлр |
|
|
|
теплота |
|
Cp |
Hp |
(Np+0p)* |
|
Aр |
Wp |
сгорания, |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кДж/кг |
Мазут 40 |
|
86 |
10,70 |
0,68 |
0,47 |
|
0,15 |
2 |
39800 |
малосернистый |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Vво |
= 0,0889 (С р + 0,375 Sлр )+ 0,267 H р |
−0,0333 O р |
|
=0,0889*(86+0,375*0,47) +0,267*10,70-0,0333*86 = 7,65 м3/кг где Cр, Нр, Sлр , и 0р - процентное содержание элементов в топливе:
Действительное количество воздуха, подаваемого в топку в расчете на 1 кг топлива, м3/кг
Vвд = α Vво = 1,2*7,65 = 9,18 м3/кг
где – коэффициент избытка воздуха.
Объем продуктов полного сгорания 1 кг топлива, Vг, определяется как сумма парциальных объемов следующих газов, м3/кг
Vг |
= VСО |
2 |
+VSO |
+VH |
O +VN |
2 |
+VO = 1,6+1,654+9,8+0,457 = 10,57 м3/кг |
|
|
2 |
2 |
|
2 |
Объем этих газов также определяется вместе, как сумма объемов двух указанных компонентов продуктов сгорания, м3/кг
VRO2 = VСО2 +VSO2
VRO2 = 0,0187 (С р +0,375 Sлр ) = 0,0187(86+0,375*0,47) = 1,6 м3/кг
Парциальный объем водяных паров определяется из выражения, м3/кг
VН2О = 0,112 Н р +0,0124 W р +1,24 Gф +1,6 d Vвд ,= 0,112*10,70+0,0124*2+1,24*0,03+1,6*0,01*9,18 = 1,4 м3/кг
Парциальные объемы азота и избыточного кислорода определяются из выражений, м3/кг
VN2 = 0,79 α Vво = 0,79*1,2*7,65 = 7,25 м3/кг VO2 = 0,21 (α - 1) Vво = 0,21(1,2-1)7,65 = 0,32 м3/кг
По парциальным объемам компонентов продуктов сгорания определяются их объемные доли
4
rRO |
= |
VRO |
, |
= |
|
1,6 |
= 0,12 |
||
2 |
|
|
|||||||
|
Vг |
|
|
||||||
2 |
|
|
|
13,51 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
rН2О |
= |
|
VН2О |
, = |
1,4 |
|
= 0,10 |
||
|
Vг |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
13,51 |
Суммарная объемная доля трехатомных газов
rп = rRO2 + rН 2О .= 0,12+0,10 = 0,22
2 Построение диаграммы «энтальпия – температура» для продуктов сгорания
Таблица 2 – Средние изобарные объемные теплоемкости компонентов продуктов сгорания, кДж/(м3 К)
Температура, |
|
Газы |
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
RO2 |
H2O |
|
N2 |
O2 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
|
4 |
5 |
0 |
1,7132 |
1,4730 |
|
1,3060 |
1,3130 |
200 |
1,8077 |
1,5230 |
|
1,3261 |
1,3445 |
400 |
1,9021 |
1,5729 |
|
1,3563 |
1,3761 |
600 |
1,9967 |
1,6230 |
|
1,3724 |
1,4070 |
800 |
2,0910 |
1,6726 |
|
1,3946 |
1,4392 |
1000 |
2,1655 |
1,7226 |
|
1,4167 |
1,4707 |
1200 |
2,2600 |
1,7726 |
|
1,4366 |
1,5022 |
1400 |
2,3744 |
1,8227 |
|
1,4610 |
1,5338 |
1600 |
2,4669 |
1,8727 |
|
1,4831 |
1,5653 |
1800 |
2,5633 |
1,9226 |
|
1,5053 |
1,5969 |
2000 |
2,6576 |
1,9726 |
|
1,5274 |
1,6264 |
2200 |
2,7523 |
2,0226 |
|
1,5495 |
1,6599 |
5
Таблица 3 - расчеты для построения диаграммы “Iг – ”
Температ |
1,6 |
|
1,4 |
|
7,25 |
0,32 |
Ig |
||||
ура |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1,71 |
|
2,74 |
1,47 |
|
2,43 |
1,30 |
12,79 |
1,31 |
0,60 |
|
32 |
|
11 |
30 |
|
63 |
60 |
88 |
30 |
00 |
0 |
|
|
|
|
|||||||||
200 |
1,80 |
|
2,89 |
1,52 |
|
2,51 |
1,32 |
12,99 |
1,34 |
0,61 |
3804,3 |
77 |
|
23 |
30 |
|
90 |
61 |
58 |
45 |
44 |
16 |
|
|
|
|
|||||||||
400 |
1,90 |
|
3,04 |
1,57 |
|
2,60 |
1,35 |
13,29 |
1,37 |
0,62 |
7826,2 |
21 |
|
34 |
29 |
|
16 |
63 |
17 |
61 |
89 |
22 |
|
|
|
|
|||||||||
600 |
1,99 |
|
3,19 |
1,62 |
|
2,68 |
1,37 |
13,44 |
1,60 |
0,73 |
12037, |
67 |
|
47 |
30 |
|
44 |
24 |
95 |
70 |
44 |
85 |
|
|
|
|
|||||||||
800 |
2,09 |
|
3,34 |
1,67 |
|
2,76 |
1,39 |
13,66 |
1,43 |
0,65 |
16349, |
10 |
|
56 |
26 |
|
65 |
46 |
71 |
92 |
77 |
5 |
|
|
|
|
|||||||||
1000 |
2,16 |
|
3,46 |
1,72 |
|
2,84 |
1,41 |
13,88 |
1,47 |
0,67 |
20869, |
55 |
|
48 |
26 |
|
92 |
67 |
37 |
07 |
21 |
75 |
|
|
|
|
|||||||||
1200 |
2,26 |
|
3,61 |
1,77 |
|
2,93 |
1,43 |
14,07 |
1,50 |
0,68 |
25575, |
00 |
|
60 |
26 |
|
19 |
66 |
87 |
22 |
65 |
68 |
|
|
|
|
|||||||||
1400 |
2,37 |
|
3,79 |
1,82 |
|
3,01 |
1,46 |
14,31 |
1,53 |
0,70 |
30565, |
44 |
|
90 |
27 |
|
47 |
10 |
78 |
38 |
09 |
55 |
|
|
|
|
|||||||||
1600 |
2,46 |
|
3,94 |
1,87 |
|
3,09 |
1,48 |
14,53 |
1,56 |
0,71 |
35670, |
69 |
|
70 |
27 |
|
74 |
31 |
44 |
53 |
53 |
73 |
|
|
|
|
|||||||||
1800 |
2,56 |
|
4,10 |
1,92 |
|
3,18 |
1,50 |
14,75 |
1,59 |
0,72 |
40973, |
33 |
|
13 |
26 |
|
00 |
53 |
19 |
69 |
98 |
37 |
|
|
|
|
|||||||||
2000 |
2,65 |
|
4,25 |
1,97 |
|
3,26 |
1,52 |
14,96 |
1,62 |
0,74 |
46453, |
76 |
|
22 |
26 |
|
27 |
74 |
85 |
64 |
33 |
25 |
|
|
|
|
|||||||||
2200 |
2,75 |
|
4,40 |
2,02 |
|
3,34 |
1,54 |
15,18 |
1,65 |
0,75 |
52124, |
23 |
|
37 |
26 |
|
54 |
95 |
51 |
99 |
86 |
02 |
|
|
|
|
6
Iг
55000
50000
45000
40000
35000
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
0 |
200 |
400 |
600 |
800 |
1000 |
1200 |
1400 |
1600 |
1800 |
2000 |
2200 |
2400 |
диаграмма “Iг – ”
3 Предварительный тепловой баланс парогенератора
Целью расчетов, выполняемых на данном этапе, являются определение КПД парогенератора, расхода топлива и предварительных значений концевых и промежуточных температур по воздушногазовому тракту.
Уравнение теплового баланса записываются в следующем виде:
= 1 + 2 + 3 + 4 + 5
Где – располагаемая теплота, кДж/кг;
1 – полезно используемая теплота, идущая на подогрев питательной воды до температуры кипения, парообразование и перегрев пара, кДж/кг;
2 – потери теплоты с уходящими газами, кДж/кг;
3 – потери теплоты от химической неполноты сгорания, кДж/кг;
4 – потери теплоты от механической неполноты сгорания, кДж/кг;
5 – потери теплоты от наружного ограждения, кДж/кг.
Уравнение теплового баланса может быть записано в относительных величинах:
= 1 + 2 + 3 + 4 + 5
7
Где = , а = = ɳпг – КПД парогенератора.
Располагаемая теплота определяется из выражения, кДж/кг:
|
= н + |
+ = 39800 + 125,4 + 23,4 = 39948,8 кДж/кг |
|
тл |
ф |
Где ф – рабочая низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;
тл – физическая теплота топлива, кДж/кг;
тл = тл тл = 1,9 66 = 125,4 кДж/кг
где тл – теплоемкость жидкого топлива, кДж/(кг*K), определяется по формуле:
тл = 1,74 + 0,0025 тл = 1,74 + 0,0025 66 = 1,9 кДж/(кг K)
Где тл – температура топлива, принимаем тл = 66 .̊
ф – теплота, вносимая с форсуночным паром, кДж/кг
ф = ф( ф − 2500) = 0,03(3280 − 2500) = 23,4 кДж/кг
Потери теплоты с уходящими газами, кДж/кг
Q2 = Iух – Iх.в = 4950 – 519,4 = 4431 кДж/кг Температура точки росы определяется по формуле
|
= г + 98.5 |
3 |
|
= 50 + 98,5 3 |
|
|
|
л |
0,38 |
= 121,3 |
|
||||
|
|
√ р |
√ |
|
|
|
|
Температура уходящих газов можно задаться в пределах 250 350 |
С |
или определяется в первом приближении следующим образом:
- следует задаться температурой стенки, С
tст tр+(24/35)
tст 156,3 С;
- определить температуру уходящих газов, С, из выражения
tст = 0,5 ( ух + t) =0,5(247,6+65)=156,3
где t - температура питательной воды (tп.в). Таким образом
ух = 2 tст – t =2*156,3-65 = 247,6 С
При заборе воздуха из верхней части машинного отделения tх.в =30 С. Энтальпия холодного воздуха определяется по формуле, кДж/кг,
8
|
|
|
I х .в = Vвд ср |
tх .в =9,18*1,326*30 = 365,2 кДж/кг |
||||||
|
|
|
|
х .в |
|
|
|
|
|
|
где ср |
- средняя изобарная объемная теплоемкость холодного воздуха, |
|||||||||
|
х .в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кДж/(м3 К) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ср |
= ср |
+1,6 d ср |
= 1,3022+1,6*0,01*1,4755=1,326 кДж/(м3 К) |
||||||
|
х.в |
|
с .в |
Н2О |
|
|
|
|
|
|
где |
ср , ср |
– средние изобарные объемные теплоемкости сухого воздуха и |
||||||||
|
с .в |
Н 2О |
|
|
|
|
|
|
|
|
водяного пара, кДж/(м3 К), при температуре tх.в. |
|
|
|
|
|
|
||||
|
Значение q2, определяется из выражения: q |
|
= |
Q2 |
= |
4431 |
= 0,11 и для |
|||
|
2 |
|
||||||||
|
|
39948 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
p |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Qp |
|
|
вспомогательных парогенераторов обычно составляет 12 ÷ 25 % от Qpp (q2 =
0,12 ÷ 0,25).
Значения величины потерь теплоты от химической неполноты сгорания Q3 принимаются 0,5 % от Qpp (q3 = 0,005).
3 = 0.005 = 0,005 39948,8 = 199,74 кДж/кг
Потери теплоты от механической неполноты сгорания Q4 для парогенераторов, работающих на жидком топливе, принимаются равными нулю.
Значениями потерь теплоты от наружного ограждения Q5 обычно задаются в пределах 3 5 % от Qpp для водотрубных парогенераторов и 5 ÷ 6 % для
газотрубных, то есть q5 = 0,03 Следует учитывать, что с уменьшением мощности парогенератора значение Q5 возрастает.
5 = 0.03 = 0,03 39948,8 = 1198 кДж/кг
Тогда КПД парогенератора по обратному балансу (при известных значениях относительных потерь теплоты) определяется из выражения
пг = q1 = 1 – q2 – q3 – q5 = 1-0,11-0,005-0,05 = 0,83
Для судовых автономных вспомогательных парогенераторов значениепг составляет обычно 0,75 0,82.
Для упрощения тепловых расчетов потерю теплоты в окружающую среду принято учитывать коэффициентом сохранения теплоты
= 1 - |
q5 |
= 1 − |
0.05 |
= 0.94 |
q5 + ηпг |
0.05+0.83 |
В общем случае теплота Q1, полезно используемая в парогенераторе, расходуется на подогрев воды в экономайзере, парообразование и перегрев пара
Q1 = Qэк + Qпо + Qпп,
где Qэк – количество теплоты, идущей на подогрев воды в экономайзере, кВт; Qпо – количество теплоты, идущей на нагрев воды до температуры
9
насыщения и парообразование, кВт;
Qпп – количество теплоты, идущей на подсушку и перегрев пара в пароперегревателе, кВт.
Значение Q1 может быть определено по формуле, кВт
Q1 = Dн.п (iн.п – iп.в) + Dп.п (iп.п – iп.в) = 0,29(2720-250,7) +0,74(3150-250,7) = 2861 кВт
где Dн.п, Dп.п – паропроизводительность парогенератора по насыщенному и перегретому пару, соответственно, кг/с
D = Dн.п + Dп.п => Dн.п = D - Dп.п = 1,056-0,74 = 0,29 кг/с
D – полная паропроизводительность парогенератора, кг/с. Для расчетов принимается, что
Dп.п = (0,70 0,85) D = 0,7*1,056 = 0,74 кг/с
iн.п, iп.п, iп.в – энтальпии, соответственно, насыщенного, перегретого пара и питательной воды, кДж/кг.
Значение энтальпии питательной воды рассчитывается по формуле, кДж/кг
iп.в = сп.вtп.в = 4,178*65 = 250,7 кДж/кг
где сп.в – теплоемкость питательной воды, кДж/(кг К), при соответствующей температуре
Расход топлива, В, определяется по формуле, кг/с
B = |
Q1 |
= |
2861 |
|
= 0,08 |
кг |
р |
0,83 39948,8 |
с |
||||
|
ηпг Qp |
|
|
|
|
|
Адиабатная температура определяется по диаграмме “Iг – ” по расчетному значению адиабатной энтальпии газов, Ia, кДж/кг
Ia = Qpp (1 – q3) + Iв = 39948,8(1-0,005) +608 = 40357 кДж/кг где Iв – энтальпия воздуха, поступающего в топку парогенератора, кДж/кг.
Iв = Iх .в = Vвд срх .в tх .в +20 = 9,18*1,326(30+20) = 608 кДж/кг
Температура уходящих газов определяется по диаграмме “Iг – ” по значению их энтальпии (Iух), рассчитываемой по формуле
I ух = I а − |
Q1 |
= 40357 − |
2861 |
|
= 2311 |
кДж/кг |
|
B |
0,08 0,94 |
||||||
|
|
|
|
Полученное значение ух отличается от принятого ранее на 7 ºС. Энтальпия газов за парообразующим пучком, кДж/кг
10