- •Кафедра эксплуатации судовых энергетических установок
- •Судовые паровые котлы
- •Введение
- •Предисловие
- •Глава 1. Назначение, принцип действия и устройство судовых паровых котлов
- •1.1. Назначение, принцип действия и место парового котла в составе судовой энергетической установки
- •1.2. Классификация и основные характеристики паровых котлов
- •1.3. Общее устройство котлов
- •Глава 2. Топливо и продукты сгорания
- •2.1. Общие сведения
- •2.2. Состав и рабочая масса топлива
- •2.3. Теплота сгорания топлива
- •2.4. Характеристики жидкого топлива
- •2.5. Прием, хранение и сжигание топлива
- •2.6. Общие сведения о горении топлива
- •2.7. Теоретически необходимое количество воздуха для горения топлива
- •2.8. Расчет объемов продуктов сгорания топлива
- •2.9. Энтальпия продуктов сгорания
- •2.10. Организация топочного процесса
- •2.11. Принцип действия и конструкции форсунок и воздухонаправляющих устройств
- •2.12. Дистанционное управление топочным устройством
- •Глава 3. Эффективность использования теплоты топлива и основы теплового расчета парового котла
- •3.1. Тепловой баланс парового котла
- •3.2. Полезно используемая теплота и к. П. Д. Парового котла
- •3.3. Тепловые потери
- •3.4. Теплообмен в паровом котле
- •3.5. Пример теплового расчета вспомогательного парового котла
- •Последовательность выполнения теплового расчета вспомогательного котла
- •Средние изобарные объемные теплоемкости воздуха и газов
- •К определению энтальпии продуктов сгорания
- •Глава 4. Основы аэро- и гидродинамики паровых котлов
- •4.1. Аэродинамика потока в газовоздушном тракте
- •4.2. Определение аэродинамических сопротивлений при движении воздуха и газов
- •4.3. Определение мощности котельного вентилятора
- •4.4. Естественная циркуляция
- •4.5. Основы и методика расчета циркуляции
- •4.6. Показатели надежности циркуляции
- •Глава 5. Водный режим паровых котлов
- •5.1. Водоподготовка
- •Показатели качества воды для судовых паровых котлов
- •5.2. Методы предотвращения накипеобразования и коррозии
- •Глава 6. Материалы и основы расчета прочности паровых котлов
- •6.1. Выбор материала котлов
- •6.2. Расчет прочности основных элементов парового котла
- •Глава 7. Конструкция основных элементов паровых котлов
- •7.1. Корпус парового котла
- •7.2. Пароперегреватели, экономайзеры, пароохладители, воздухоподогреватели, сажеобдувочные устройства
- •7.3. Каркас, обшивка, опоры парового котла
- •7.4. Арматура и контрольно-измерительные приборы
- •Глава 8. Теплотехнические испытания и обслуживание паровых котлов
- •8.1. Цель и виды теплотехнических испытаний
- •8.2. Обслуживание паровых котлов
- •8.3. Основные неисправности и средства защиты паровых котлов
- •8.4. Техника безопасности при обслуживании паровых котлов
- •Библиографический список
- •Предметный указатель
- •Оглавление
- •Судовые паровые котлы
4.2. Определение аэродинамических сопротивлений при движении воздуха и газов
Сопротивление трения. В общем случае при продольном обтекании поверхности нагрева сопротивление трения равно, Па,
, |
(4.3) |
где |
– |
коэффициент сопротивления трения, зависящий в общем случае от относительной шероховатости стенок (– абсолютная шероховатость стенок) и числа РейнольдсаRе = ; | |
|
– |
скорость потока, м/с; | |
|
– |
коэффициент кинематической вязкости газа или воздуха, м2/с (см. рис. 3.9); | |
|
– |
длина канала, м; | |
|
– |
эквивалентный диаметр канала, м; | |
|
– |
плотность среды при температуре , кг/м3. |
Для судовых парогенераторов характерна область работы, в которой зависит только от и определяется формулой
, |
(4.4) |
Величину можно принимать равной 0,2 мм для труб поверхностей нагрева и 0,4 мм для стенок газоходов, выполненных из листовой стали.
Местные сопротивления. К ним относятся сопротивления, вызванные внезапным изменением сечения канала (вход, выход), сопротивление поворотов и сопротивление топочных устройств.
Местные сопротивления рассчитываются по формуле, Па,
, |
(4.5) |
где |
– |
коэффициент местного сопротивления, определяемый по опытным данным; | |
|
– |
скорость потока, отнесенная к меньшему сечению канала, м/с. |
На рис. 4.2 изображены графики для определения коэффициентов сопротивления при внезапном изменении сечения канала. При сужении потока в расчетную формулу (4.5) входит коэффициент , а при расширении – .
Коэффициент сопротивления поворотов определяется по формуле
, |
(4.6) |
где |
– |
коэффициент, учитывающий влияние шероховатости стенок канала (для стальных газовоздухопроводов ); | |
|
– |
исходный коэффициент сопротивления поворота, зависящий от формы поворота; | |
|
– |
коэффициент, зависящий от угла поворота (прикоэффициент); | |
|
– |
коэффициент, зависящий от размеров поперечного сечения канала (для круглого и квадратного каналов ). |
При использовании формулы (4.6) следует различать плавные повороты (или отводы) и резкие повороты (колена). Плавные повороты имеют закругления наружной и внутренней кромок радиусом R. У резких поворотов или колен плавных закруглений нет, но могут быть скругления острых кромок малым радиусом (наружным или внутренним ). На рис. 4.3 представлен график для определения произведения в зависимости от формы поворота и относительной кривизны R/b или , где – ширина канала. При угле плавного поворота = 30, 60, 90, 120, 150° коэффициент В = 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4 соответственно. Коэффициент с зависит от отношения высоты канала к его ширине ; при = 0,5; 1,0; 1,5 коэффициент с плавных поворотов принимает значения 1,3; 1,0 и 0,8 соответственно.
Рис. 4.2. Коэффициент сопротивления при внезапном изменении сечения канала –мéньшая и бóльшая площади живого сечения соответственно Рис. 4.3. График для определения произведения при плавных и резких поворотах: 1 – плавный поворот с закруглением стенок; 2 – плавный поворот с составными (сварными) секциями; 3 – резкий поворот = 0,> 0;4 – резкий поворот . В случае> 1 при= 0 и> 0= 0,47 |
Сопротивления плавных поворотов меньше, чем резких. Поэтому надо стремиться к выполнению плавных поворотов.
Например, канал квадратного сечения (= 1,0) должен иметь поворот на 90° (= 1,0). Если поворот выполнить резким, почти без скругления кромок (), то = 0,8 и = 0,8∙0,1∙1,0 = 0,8 (на рис. 4.3 кривая 3 при = 0,2). Если поворот выполнить плавным, с закруглением = 1,5, то сопротивление поворота можно уменьшить в 4 раза, так как в этом случае = 0,2 и = 0,2∙1,0∙1,0 = 0,2.
Сопротивление топочного устройства определяется по формуле (4.5). Коэффициент сопротивления топочного устройства можно принять равным = 2,7 ÷ 3,2. Входящая в формулу (4.5) скорость движения воздуха рассчитывается как скорость движения в фурме, м/с,
, |
(4.7) |
где |
– |
температура воздуха на входе в топку (= 30÷ 35°С); | |
|
– |
число включенных топочных устройств (у которых открыты регистры); | |
|
= 0,785, м2 |
– |
площадь сечения фурмы; |
|
– |
диаметр фурменного отверстия, м. |
Для качественного смесеобразования топлива с воздухом скорость воздуха в фурме должна быть в пределах = 25 ÷ м/с.
Сопротивление поперечно-омываемых пучков труб. Этот вид сопротивления примерно на 25% состоит из трения и на 75% из местного сопротивления. Расчет аэродинамического сопротивления при поперечном омывании трубных пучков производится по формуле
, |
(4.8) |
где |
– |
коэффициент сопротивления поперечно-омываемых трубных пучков; | |
|
– |
скорость потока [для газов она уже определялась в формулах (3.47) и (3.50)], м/с; | |
|
– |
плотность среды при средней температуре потока [для газа = 1,3∙273/(273 +), кг/м3, где – средняя температура газа в пучке,°С]. |
Коэффициент для коридорного пучка труб определяется по формуле
, |
(4.9) |
где |
– |
коэффициент сопротивления одного ряда труб; | |
|
– |
число рядов труб в пучке. |
Значение для коридорного расположения гладкотрубных пучков можно определить по формуле
, |
(4.10) |
где |
– |
относительный поперечный шаг труб в пучке. |
Формула (4.10) справедлива при и, где.
Для шахматного пучка труб
. |
(4.11) |
В этом случае
. |
(4.12) |
При 0,141,7 и величина определяется по формуле
, |
(4.13) |
где ;.
Если поток омывает трубный пучок под углом менее 90° (косое омывание), то величина , рассчитанная по формуле (4.8), увеличивается на 10%. Заметим, что значение одного пакета, включающего 10–20 рядов, обычно невелико и составляет примерно от 100 до 200 Па.
Нивелирный перепад давления. Нивелирный перепад давления (самотяга) возникает из-за того, что газовоздушный тракт котла и окружающая котел воздушная атмосфера являются как бы сообщающимися сосудами, заполненными жидкостями с разной плотностью: менее плотным горячим газом и более плотным холодным атмосферным воздухом. Благодаря этому возникает подъемная сила, помогающая движению, если газ движется вверх, или оказывающая сопротивление – если газ в газоходе движется вниз.
Нивелирный перепад давления определяется по формуле, Па,
, |
(4.14) |
где |
– |
высота канала, заполненного газом, м; | |
|
– |
плотность окружающего воздуха (при = 20÷ 30°C ≈ 1,20 ÷ 1,16 кг/м3 ); | |
|
– |
средняя плотность газа на участке высотой , кг/м3. |
При восходящем движении газа (воздуха) величина имеет знак «минус», уменьшая величину , а при опускном – «плюс», что увеличивает .
Суммарное аэродинамическое сопротивление судового котла, показанного на рис. 4.1, составляет 2400–2600 Па.