3. Методичні вказівки до контрольної роботи Контрольне завдання 1

Елементарний склад палива вибирається з табл. 1Д, а перевідні коефіцієнти для перерахунку з горючої маси палива на робочу – з табл. 2Д.

Об’єм випускних газів ДВЗ при повному згорянні 1 кг палива розраховується наступним чином:

, м³/кг,

де – об’єм триатомних газів:

, м³/кг;

– теоретичний об’єм азоту:

, м³/кг;

– теоретичний об’єм водяної пари:

, м³/кг;

– теоретично необхідний об’єм сухого повітря:

, м³/кг;

– коефіцієнт надлишку повітря з табл. 1.

Ентальпія випускних газів ДВЗ на 1 кг палива розраховується за формулою

, кДж/кг,

де , , , – середні в інтервалі температур від 0 до ізобарні об’ємні теплоємності триатомних газів, азоту, водяної пари та волого повітря, кДж/(м³·К), які вибираються з табл. 3Д.

Діаграма I_г- випускних газів ДВЗ будується на міліметровому папері. Для побудови рекомендуються наступні масштаби: по осі I_г − 1мм – 100 кДж/кг, по осі − 1мм – 5 °С.

Контрольне завдання 2

Паропродуктивність D утилізаційного котла, що генерує насичену пару, визначається з рівняння теплового балансу

, кг/с,

де g_e – питома ефективна витрата палива, кг/(кВт·год); N_e– ефективна потужність ДВЗ, кВт; φ – коефіцієнт збереження теплоти (приймається φ = 0,95 … 0,98); , – ентальпії випускних газів, кДж/кг, відповідно на вході до УК та виході з нього (визначаються за допомогою побудованої діаграми I_г- випускних газів за температурами і ); – ентальпія живильної води, кДж/кг, яка вибирається з табл. 4Д за заданими тиском пари p і температурою живильної води ; – ентальпія вологої пари, кДж/кг, яка відбирається з котла або сепаратора пари; розраховується за формулою

,

де х – ступінь сухості пари, яка приймається у межах 0,99 ... 0,995; та − ентальпії відповідно води на лінії насичення та сухої насиченої пари, кДж/кг, які вибираються з табл. 5Д за тиском пари p.

Витрата води G водогрійного утилізаційного котла

, кг/с,

де та – відповідно задані температура води на вході до утилізаційного котла та виході з нього, ^оС; – середня теплоємність води в діапазоні температур та , кДж/(кг·К); приймається = 4,21 кДж/( кг·К).

Коефіцієнт використання теплоти визначається за формулою

.

Поверхня нагріву утилізаційного котла розраховується за рівнянням теплопередачі

, м²,

де – коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м²·К); – температурний напір, ^оС; – теплова потужність поверхні нагріву:

для парового утилізаційного котла

, кВт,

для водогрійного утилізаційного котла

, кВт.

Коефіцієнт теплопередачі визначається за формулою

, Вт/(м²·К),

де – коефіцієнт теплової ефективності поверхні нагріву: для утилізаційних газотрубних котлів приймається у межах 0,70 ... 0,75, а водотрубних – 0,60 ... 0,65, – коефіцієнт тепловіддачі конвекцією, Вт/(м²·К).

Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією при поперечному омиванні газами коридорних гладкотрубних пучків труб (рис.2, а) визначається за формулою

, Вт/(м²·К),

де – заданий зовнішній діаметр труб, м; C_z – поправка на кількість рядів труб за рухом газів z₂; при z₂ < 10 C_z = 0,91 + 0,0125(z₂−2), а при z₂ ≥ 10 C_z = 1; C_s – поправка на компоновку пучка труб, яка визначається в залежності від відносних поперечного σ₁ та поздовжнього σ₂ кроків,

C_s = [1+(2σ₁−3)(1−0,5σ₂)³]^-2,

де σ₁=s₁/d, а σ₂=s₂/d; s₁ та s₂ – задані поперечний та поздовжній кроки труб, м; при σ₂ ≥ 2 або σ₁ ≤ 1,5 C_s =1.

Рис.2. Схеми компонування пучків труб при поперечному омиванні їх газами: а – коридорна будова; б – шахова будова

Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією при поперечному омиванні газами шахових гладкотрубних пучків труб (див. рис.2, б) визначається за формулою

, Вт/(м²·К),

де – заданий зовнішній діаметр труб, м; C_z – поправка на кількість рядів труб за рухом газів z₂

при z₂ < 10 та σ₁ < 3;

при z₂ < 10 та σ₁ ≥ 3;

при z₂ ≥ 10;

C_s – поправка на компоновку пучка труб, яка визначається в залежності від відносного поперечного кроку σ₁ та параметра , де відносний діагональний крок ,

при 0,1 < ≤ 1,7;

при 1,7 < ≤ 4,5 для σ₁ < 3;

при 1,7 < ≤ 4,5 для σ₁ ≥ 3.

При русі газів усередині труб газотрубних котлів коефіцієнт тепловіддачі конвекцією визначається за формулою

, Вт/(м²·К),

де – внутрішній діаметр труб, м; , де і – відповідно задані зовнішній діаметр труб та їх товщина, м; С_t і С_l – поправки, які ураховують напрямок теплового потоку (охолодження або нагрівання середовища) та відносну довжину труб; при охолодженні газів С_t= 1; при довжині труб котла приймають С_l = 1.

У формулах для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі – задана швидкість газів, м/с; , , Pr – відповідно коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м·К), коефіцієнт кінематичної в’язкості, м²/с, та число Прандтля випускних газів, які визначаються з табл. 6Д за середньоарифметичною температурою газів .

Температурний напір розраховується за формулами:

для паротвірної поверхні нагріву

, °С,

де – температура насичення при заданому тиску, вибирається табл. 5Д;

для поверхні нагріву водогрійного утилізаційного котла

, °С,

де – середня температура води, °С: .

Площа живого перерізу для проходу газів визначається з рівняння зв’язку між витратою газів та їх швидкістю

, м²,

де – середньоарифметична температура газів, °С.

Розрахувавши площу живого перерізу для проходу газів та маючи геометричні характеристики трубного пучка (діаметр труб та їх крок), визначаються розміри поперечного перерізу утилізаційного котла.

На схемі поперечного перерізу водотрубного УК з примусовою циркуляцією з циліндричною формою кожуха (див. рис. 1, а) кожен виток змійовика спіралеподібної форми складається з двох напівкіл з радіусами R₁ та R₂, які відрізняються на величину ∆R = 20 ... 22 мм.

Попереднє визначення внутрішнього діаметру циліндричного кожуху може бути зроблено за допомогою емпіричної залежності

, м,

де А – емпіричний коефіцієнт, для швидкохідних двигунів А = 30 ... 37, для тихохідних двигунів А = 26 ... 29, – задана ефективна потужність двигуна, кВт.

Якщо УК має внутрішню газоперепускну трубу для регулювання паропродуктивності, діаметр внутрішнього витка спіралі визначається діаметром цієї труби:

, м,

де – швидкість руху газів у газоперепускній трубі, яка приймається в межах 50 ... 60 м/с.

Кільцеві зазори між внутрішнім витком спіралі та стінкою газоперепускної труби, а також зовнішнім витком спіралі і стінкою корпусу мають бути 5 … 10 мм. У разі відсутності внутрішньої газоперепускної труби радіуси внутрішнього витка спіралі з технологічних міркувань повинні бути не менш 80 ... 100 мм. Отвір, що утворюється у пучку, перекривається диском зверху і знизу, і його площа до живого перерізу не входить.

Загальна довжина спіралі змійовика дорівнює сумарній довжині напівкіл усіх її витків , де n – кількість витків спіралі, і розраховується зі співвідношення

, м.

Тоді загальна площа поверхні змійовика, який складається з двох спіралей,

, м².

Зазор між спіралями і змійовиками по висоті приймається рівним 13 ...15 мм, чого досягають за допомогою дистанційних гребінок 2 та стрічок 1 (див. рис. 1, а). Кількість витків 3 однієї спіралі визначається методом підбору; можливо, що при цьому виникне необхідність змінити задану швидкість газів.

Кількість спіралеподібних змійовиків

.

Розрахункова величина може бути цілим або дробовим числом. В останньому випадку необхідно округлити до найближчого цілого, після чого знайти уточнену поверхню нагріву H.

Розміри поперечного перерізу водотрубного УК з примусовою циркуляцією з прямокутною формою кожуха (див. рис. 1, б) визначаються за формулою (поперечний переріз приймається квадратної форми, тобто )

, м,

де – коефіцієнт вільного проходу газів; .

Кількість труб в ряду

.

Розрахункове значення округлюється до найближчого цілого числа.

Визначається площа поверхні одного ряду

, м²,

та загальна кількість рядів труб

.

Розрахункове значення округлюється до найближчого цілого числа.

Для вертикально-газотрубних котлів (див. рис. 1, в) кількість труб одного ходу

.

Розрахункове значення округлюється до найближчого цілого числа.

Довжина труб газотрубного УК розраховується за формулою

, м.

де і – число ходів газів: і = 1 для одноходового та і = 2 для двоходового компонування газотрубного котла. Двоходове компонування приймається для зменшення довжини труб, а отже висоти котла.

Для парового вертикально-газотрубного УК отриману довжину слід збільшити на висоту парового простору, яку можна прийняти 0,3 …0,5 м.

Розбиття отворів для труб у трубній дошці газотрубного УК слід виконувати так, щоб центри трьох сусідніх отворів розміщувались за вершинами рівнобічного трикутника. Відстань між сусідніми отворами має бути не менше 14 мм.

Внутрішній діаметр циліндричного кожуху газотрубного котла

, м.

Після визначення усіх геометричних характеристик утилізаційного котла (розмірів поперечного перерізу, кількості труб у ряді та кількості рядів труб для водотрубних котлів, загальної кількості труб та їх довжини для газотрубних котлів) будується ескіз його поперечного перерізу.

Опір пучків труб водотрубних УК при поперечному омиванні визначається за формулою

, Па,

де − коефіцієнт опору пучка, величина якого залежить від будови пучка, кількості рядів труб у пучку та числа Re; – густина газів при їх середньоарифметичній температурі у пучку, кг/м³; – задана швидкість газів, м/с.

При коридорній будові гладкотрубних пучків , де − коефіцієнт опору, віднесений до одного ряду труб, визначається в залежності від величин σ₁ = s₁/d, σ₂ = s₂/d та = (s₁− d)/(s₂− d), а також числа . При σ₁ ≤ σ₂ та 0,06 ≤ ≤ 1 ; при σ₁ > σ₂ та 1 ≤ ≤ 8 .

При шаховій будові гладкотрубних пучків ; коефіцієнт опору , віднесений до одного ряду труб, визначається в залежності від величин σ₁, Re та , де − діагональний крок. Величину при 0,14 ≤ ≤ 1,7 можна знайти з формул: при σ₁ < 2 ; при σ₁ ≥ 2 . Для шахових пучків при 1,7 ≤ ≤ 5,2 .

Опір тертя труб газотрубних УК визначається за формулою

, Па,

де – коефіцієнт опору тертя; , де – середнє значення абсолютної шорсткості внутрішньої поверхні труб ( = 0,2·10^-3 м); і – відповідно довжина і внутрішній діаметр труб, м; , де і – відповідно задані зовнішній діаметр труб та їх товщина; – густина газів при їх середньоарифметичній температурі, кг/м³; – задана швидкість газів, м/с.

У формулах для розрахунку опору густина газів при їх середньоарифметичній температурі

, кг/м³,

де – зольність палива з табл. 1Д, %; – заданий коефіцієнт надлишку повітря; – теоретична кількість сухого повітря для згоряння 1 кг палива, м³/кг; – об’єм випускних газів, м³/кг.