1 Определение состава рабочей массы топлива
Состав горючей массы
- углерод; 
- водород; 
- азот; 
- кислород; 
- сера.
состав рабочей массы
- зола; 
- влага.
(1)
- проверка
низшая теплота сгорания
кДж/кг
кДж/кг (2)
кДж/кг
2 Выбор топочного устройства
Форсунку выбираем паровую, исходя из процентного содержания серы в топливе.
3 Определение коэффициента избытка воздуха
Коэффициент избытка воздуха на выходе из котельного агрегата – αyx определяется по формуле:
αyx=αm+∑∆α (3)
где: ∆α – суммарная величина присосов холодного воздуха в газоходах котла.
Для морских котлов обшитых листовым железом можно принять 
выбираем 
, у прототипа котла 
4 Определение объёмов воздуха и продуктов сгорания топлива
Для твердого топлива или жидкого топлива расчет теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания при 
производят исходя из состава рабочей массы по следующим формулам:
Теоретический объем воздуха
нм3/кг (4)
нм3/кг
теоретический объем сухих продуктов сгорания
нм3/кг (5)
нм3/кг
нм3/кг (6)
нм3/кг
теоретический объем дымовых газов при
(7)
нм3 (8)
WФ=0,4 – при постановке паровой форсунки.
нм3
нм3/кг
действительные объемы продуктов сгорания при избытке воздуха в газоходах α =1.2
нм3/кг (9)
нм3/кг
нм3/кг (10)
нм3/кг
Для учета лучистой составляющей газа определяют объемные доли трехатомных газов
объемная доля трехатомных газов
(11)
объемная доля водяных паров
(12)
объемная доля трехатомных газов и водяных паров
(13)
5 Расчет энтальпии воздуха и продуктов сгорания
Для всех видов топлив энтальпии теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания, при средней расчетной температуре газа 
0С и α=1, определяют по формулам:
(14)
Энтальпия продуктов сгорания при избытке воздуха
[кДж/кг] (15)
где: 
- энтальпия теоретического количества воздуха. (16)
В приведенных формулах: 
, 
, 
и 
- теплоемкости соответственно, воздуха, диоксида углерода, водяных паров и азота при постоянном давлении, кДж/м3К.
Расчет энтальпии дымовых газов проводят при нескольких значениях температуры газов и воздуха от 100 до 2200 
и коэффициента избытка воздуха α=1,2. Расчет сводится в Таблицу 1.
По результатам таблицы строят зависимости энтальпии газов от температуры и при коэффициентах избытка воздуха равных α=1,2. Зависимость представлена на Рисунке 2.
| t -ра | 3-х атомные газы | 2-х атомные газы | Водные пары | I'г | Влажный воздух | (a-1)*Iвл в | Iг | ||||
| газов | Ссо2* tг | IRO2 | СN2* tг | IN2 | СH2O* tг | IH2O | Свл.в*tг | Iвл. В | |||
| 100 | 169 | 269,6 | 130 | 1116 | 151 | 312 | 1697 | 132 | 1457 | 291 | 1989 |
| 200 | 357 | 569,5 | 260 | 2232 | 304 | 628 | 3429 | 266 | 2935 | 587 | 4017 |
| 300 | 559 | 891,7 | 392 | 3365 | 463 | 956 | 5213 | 403 | 4448 | 889 | 6103 |
| 400 | 772 | 1231,5 | 527 | 4524 | 626 | 1293 | 7049 | 542 | 5982 | 1196 | 8245,5 |
| 500 | 996 | 1588,8 | 664 | 5726 | 794 | 1640 | 8955 | 684 | 7549 | 1510 | 10465,5 |
| 600 | 1222 | 1943,3 | 804 | 6902 | 967 | 1998 | 10849 | 830 | 9161 | 1832 | 12681,5 |
| 700 | 1461 | 2330,5 | 946 | 8121 | 1147 | 2370 | 12821 | 979 | 10805 | 2161 | 14982,7 |
| 800 | 1704 | 2718,2 | 1093 | 9382 | 1335 | 2758 | 14859 | 1130 | 12472 | 2494 | 17354 |
| 900 | 1951 | 3112,2 | 1243 | 10966 | 1524 | 3149 | 16931 | 1281 | 14138 | 2827 | 19759,4 |
| 1000 | 2202 | 3512,6 | 1394 | 11966 | 1725 | 3564 | 19046 | 1436 | 15849 | 3170 | 22219,9 |
| 1100 | 2457 | 3919,4 | 1545 | 13263 | 1926 | 3979 | 21162 | 1595 | 17604 | 3524 | 24683,3 |
| 1200 | 2717 | 4343,4 | 1696 | 14559 | 2131 | 4403 | 23296 | 1754 | 19359 | 3872 | 27168,5 |
| t -ра | 3-х атомные газы | 2-х атомные газы | Водные пары | I'г | Влажный воздух | (a-1)*Iвл в | Iг | ||||
| газов | Ссо2* tг | IRO2 | СN2* tг | IN2 | СH2O* tг | IH2O | Свл.в*tг | Iвл. В | |||
| 1300 | 2975 | 4745 | 1850 | 15881 | 2344 | 4843 | 25470 | 1913 | 21114 | 4223 | 29693,4 |
| 1400 | 3240 | 5168 | 2009 | 17246 | 2558 | 5286 | 27700 | 2076 | 22913 | 4582 | 32282,4 |
| 1500 | 3504 | 5589 | 2164 | 18576 | 2779 | 5742 | 29908 | 2239 | 24712 | 4942 | 34850,7 |
| 1600 | 3767 | 6009 | 2323 | 19941 | 3001 | 6201 | 32151 | 2403 | 26522 | 5304 | 37456,2 |
| 1700 | 4035 | 6436 | 2482 | 21306 | 3227 | 6668 | 34411 | 2566 | 28321 | 5664 | 40075,3 |
| 1800 | 4303 | 6864 | 2642 | 22680 | 3458 | 7145 | 36689 | 2729 | 30120 | 6024 | 42713,8 |
| 1900 | 4571 | 7291 | 2805 | 24079 | 3688 | 7621 | 38991 | 2897 | 31974 | 6395 | 45386,6 |
| 2000 | 4843 | 7725 | 2964 | 25444 | 3926 | 8112 | 41282 | 3064 | 33817 | 6763 | 48045,7 |
| 2100 | 5115 | 8159 | 3127 | 26843 | 4161 | 8598 | 43601 | 3232 | 35672 | 7134 | 50735,5 |
| 2200 | 5387 | 8593 | 3290 | 28242 | 4399 | 9090 | 45926 | 3399 | 37515 | 7503 | 53429,1 |
Таблица 1
Рисунок 2
6 Тепловой баланс парогенератора
Целью расчета теплового баланса является определение расхода топлива. Величина расхода топлива вычисляется по формуле, полученной из уравнения «прямого» баланса парогенератора: [7]
кг/с (17)
Здесь: ηК – коэффициент полезного действия (к.п.д.) парогенератора, %.
% (18)
Расчет теплового баланса начинают с вычисления располагаемой теплоты рабочей массы топлива по формуле:
(19)
Qm -физическое тепло топлива
кДж/кг (20)
Удельную теплоемкость жидкого топлива можно вычислять по формуле:
, кДж/кг град (21)
где tm – температура подогретого топлива, 0С определяем из графика зависимости вязкости топлива от его температуры. tm = 75 0С [1]
кДж/кг град
кДж/кг
(22)
кДж/кг
Величина потерь теплоты с уходящими газами вычисляется по формуле:
, % (23)
Для вычисления q2 задаёмся температурой уходящих газов. tух.г:
tух.г = 180 0С
Затем по диаграмме J-t дымовых газов по этой температуре определяем энтальпию уходящих газов Jух. г. Зависимость представлена на Рисунке 2.
Jух.г = 3616,2 кДж/кг
Температуру воздуха в машинном отделении примем: tв = 30 0С
Теплоёмкость воздуха: Св = 1,3 кДж/кг град
%
Тепловые потери от химического q3 и механического q4 недожога для стационарных парогенераторов определяются в зависимости от конструкции топки и рода топлива
При сжигании жидкого и газообразного топлива потери от механического недожога q4=0.
В судовых котлах, использующих жидкое топливо, потери теплоты q3 принимаются в пределах 0,5-1,0%. Принимаем: q3 = 0.6 %
Потери теплоты через обмуровку стационарных котлов q5 определяют из графика зависимости удельной потери через обмуровку от паропроизводительности
В судовых котлах q5 принимают в пределах 1-5 %. Принимаем q5 = 2,56 % [5]
, % (24)
%
- энтальпия питательной воды
(25)
кДж/кг
- энтальпия насыщенного пара
= f(Pk) [9]
= 2768,4 кДж/кг
(26)
кДж/кг
кг/с
7 Расчет теплообмена в топке
Для топки проводят поверочный тепловой расчет. Цель расчета – определение величины тепловосприятия 
(температуры дымовых газов на входе из топки 
) при заданной величине радиационной поверхности нагрева 
.
Перед расчетом процесса теплообмена проверяют соответствие тепловыделения в топке ее размерам. Для этого сравнивают величины фактических и допустимых тепловых напряжений:
(27)
Величину объема топочного пространства 
берем из прототипа котла Vт=1,93 
Допустимая величина теплонапряженности топочного устройства также берётся из прототипа 
Условие 
- не выполняется
Если фактические тепловые напряжения превышают допустимые, то это означает, что размеры топки недостаточны для сжигания данного количества топлива. В этом случае по величинам допускаемых тепловых напряжений определяют объем топочного пространства: [7]
(28)
Для вычисления формулу можно переписать в виде:
Та – абсолютная температура горения (теоретическая)
Во - величина критерия Больцмана
- степень черноты топки
- температура дымовых газов на входе из топки
Поскольку величины критерия Больцмана 
и степени черноты топки зависят от температуры дымовых газов на выходе из топки , расчет проводят методом последовательных приближений.
В общем случае для первого приближения можно принять = 1473 К
Степень черноты камерной топки вычисляют по формуле:
(30)
- коэффициент снижения тепловосприятия зависящий от рода топлива
Для мазута = 0,55
- степень экранирования топки
Нл – площадь радиационной поверхности нагрева. Берётся из прототипа котла. [1] Нл = 6,52 
Fст – суммарная поверхность стен топки
(32)
- эффективная степень черноты факела
(33)
Степень черноты светящегося пламени (факела) вычисляется по формуле:
(34)
Эффективную толщину излучающего слоя пламени вычисляют по формуле:
(35)
Для топок котлов, работающих без наддува, 
.
Коэффициент ослабления лучей для трехатомных газов вычисляется по формуле:
(36)
Коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами вычисляют по формуле:
(37)
Степень черноты не светящегося пламени (факела) вычисляется по формуле:
(39)
Коэффициент усреднения 
выбирается в зависимости от величины теплового напряжения топочного объема и рода топлива: [5]
при 
- жидкое топливо.
Критерий Больцмана вычисляют по формуле:
(40)
Коэффициент сохранения теплоты:
(41)
0,988
Теплосодержание дымовых газов 
, соответствующее абсолютной теоретической температуре горения 
, вычисляют по формуле:
(42)
По величине по диаграмме 
дымовых газов определяют величину абсолютной теоретической температуры горения 
. Зависимость представлена на Рисунке 2.
= 2009,7 К
По диаграмме дымовых газов определяют также и величину теплосодержания дымовых газов на выходе из топки 
по температуре 
.
= 29693,3 кДж/кг
Величина коэффициента М зависит от топочного устройства. Для топки судовых котлов на мазутном отоплении М = 0,64 [5]
Величину средней суммарной теплоемкости продуктов сгорания вычисляют по формуле:
(43)
По уравнению баланса для дымовых газов можно вычислить величину тепловосприятия в топке:
(44)
8 Расчет конвективных поверхностей нагрева
При расчете конвективных поверхностей используют:
а) уравнение теплового баланса, в которых приравнивается тепло, отданное газами, с одной стороны:
(45)
= 29693,4 кДж/кг
По диаграмме дымовых газов определяют величину 
по температуре 
. Зависимость представлена на Рисунке 2.
кДж/кг
кДж/кг
кДж/кг
б) уравнение теплопередачи:
(46)
Коэффициент теплопередачи рассчитывают по формулам:
(47)
- коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке
Н – площадь конвективных поверхностей
- температурный напор
- коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке, 
, определяется как:
(48)
- коэффициент теплоотдачи конвекцией
- коэффициент омывания труб. Как правило, для парообразующих притопочных пучков водотрубных вертикальных котлов, пучков, находящихся на резких поворотах газового потока 
.
При поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков труб газом или воздухом коэффициент теплоотдачи конвекцией рассчитывают по формуле:
- коэффициент теплопроводности, 
;
- наружный диаметр трубы, м;
W- скорость газового потока, 
;
- критерий Прандтля;
- поправка на число рядов труб;
- поправка на компоновку;
- кинематическая вязкость для продуктов сгорания;
Физические параметры , , для воздуха и продуктов сгорания среднего состава принимают по средней температуре потока из таблицы. [5]
(50)
|
|
|
|
|
| 921,8 | 151 | 10,18 | 0,58 |
| 971,8 | 161 | 10,62 | 0,58 |
| 1021,8 | 172 | 11,05 | 0,57 |
Таблица 2
Скорость потока газов при поперечном омывании пучка труб – W рассчитывают по следующей формуле:
(51)
- площадь живого сечения при поперечном омывании пучка труб:
(52)
- средняя длина проекции активно работающей, в рассматриваемом пучке, трубы
(без учета застойных зон) на плоскость, перпендикулярную направлению потока;
- ширина газохода;
- число труб в ряду;
- наружный диаметр.
(52)
Значения , ,, 
определяем по чертежу
м
=11
=0,029 м
м
м/с
м/с
м/с
Поправка на компоновку 
, определяемая в зависимости от относительных поперечного 
и продольного 
шагов рассчитывают по формуле (55):
(53)
(54)
(55)
Поправку на число рядов труб определяют по следующей формуле:
- число рядов труб по направлению потока. 
Коэффициент теплоотдачи излучением 
определяют по формуле:
(57)
- степень черноты газового потока при его средней температуре
(58)
(59)
- коэффициент ослабления лучей трехатомными газами.
(60)
- суммарная объемная доля трехатомных газов в газоходе;
- давление в топке, Мпа;
S - эффективная толщина излучающего слоя газов в межтрубном пространстве для
гладкотрубных пучков определяют по формуле:
(61)
Температура наружной поверхности стенки труб определяют по формуле:
(62)
- средняя температура обогреваемой среды, 
. Для кипящей жидкости её принимают равной температуре насыщения. t = 164,96
- коэффициенты загрязнения. Зависит от скорости движения газов. [5]
(м2·К/Вт)
Н - испарительная конвективная поверхность нагрева. Определяется из прототипа котла.
Н = 57,9
При поперечном омывании шахматных гладкотрубных пучков труб
a = 0.45
b = 1.72
z = 11*20 = 220
м/с
м/с
м/с
- коэффициенты загрязнения. Зависит от скорости движения газов. [5]
(м2·К/Вт)
Найдём среднее значение коэффициента теплоотдачи
Температурный напор есть усредненная по всей поверхности нагрева разность температур греющей (газов) о обогреваемой среды. Для противотока и прямотока определяется по формуле:
(64)
- разность температур между теплоносителями в том конце поверхности нагрева, где она больше;
= 
(65)
- разность температур на другом конце поверхности, где она меньше.
(66)
|
|
|
|
| W м/с |
|
| Q кВт |
| 800 | 1018 | 183,53 | 17,65 | 24,16 | 1194,815 | 517,96 | 2654,2 |
| 900 | 819,55 | 188,82 | 18,5 | 25,17 | 1244,815 | 498,4 | 2950,3 |
| 1000 | 616,56 | 191,96 | 19,4 | 26,18 | 1294,815 | 480,87 | 3242,4 |
кВт
Таблица 3
Рисунок 3
Из графика Q = f(t’’) в точке пересечения находим истинные значения
Qист = 1730(кВт) и tист = 445 єС которые следует принять при расчете.