Расчет системы отопления судна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

котел гидравлический судно двигатель

Введение

1. Анализ задания

2. Расчет системы отопления

3. Выбор автономного котла (по имеющемуся значению необходимого количества теплоты для всех потребителей)

4. Описание и параметры

5. Тепловой расчет автономного котла

6. Расчет питательной системы котла и выбор центробежного насоса

7. Принципиальная схема топливной системы котла

8. Средства автоматики котла

9. Расчет системы «пар-вода»

10. Расчет и выбор котла-утилизатора на ДГ

11. Гидравлический расчет трубопроводов радиаторного отопления

12. Определение дополнительной необходимой поверхности теплосъема для использования теплоты, полученной во вновь устанавливаемом автономном паровом котле

13. Охрана труда

14. Анализ вибрации в кормовой части судна

15. Расчет освещения помещения главных двигателей

16. Охрана окружающей среды

17. Гражданская оборона

18. Технологический раздел

19. Расчет экономической эффективности от использования котла-утилизатора в качестве источника теплоты для части потребителей

Заключение и выводы

Список используемой литературы

Введение

В дипломном проекте рассмотрены варианты замены водогрейных котлов на паровой, в связи с увеличением потребности в теплоте, и предложен в качестве наиболее приемлемого в настоящее время, варианта автономный паровой котел КВ 1,6 / 5 паропроизводительностью 1600 кг / ч и рабочим давлением пара 0,5 МПа.

Выбор котла был необходим в связи с тем, что вторую навигацию во время зимней стоянки т/х “Сергей Есенин” под гостиницу количества теплоты производимого автономными водогрейными котлами для потребителей горячей воды ( а в бо'льшей степени для системы отопления ) стало нехватать.

При установке предлагаемого для замены котла проверена и оценена целесообразность замены и установки новых элементов систем и оборудования, обслуживающих котел.

Т.к. вновь устанавливаемый котел паровой, то в проекте предусмотрена установка двух пароводоподогревателей и питательной цистерны котла.

Проанализирована вибрация кормовой части судна и предложены меры по ее снижению.

Рассмотрена возможность установки на дизель-генераторы утиль-котлов, для работы в стояночном режиме и обслуживании части потребителей горячей воды.

Разработана технология обработки фланцев трубопроводов системы отопления.

Рассмотрены вопросы охраны труда и окружающей среды.

Годовой экономический эффект от предлагаемого использования утилизационных котлов на стояночном режиме и частичной разгрузки автономного котла может составить около 10 млн. рублей.

1. Анализ задания

Теплоходы проекта Q-065 постройки судоверфи «Корнойбург» (Австрия) - это трехвинтовые пассажирские теплоходы, предназначенные для перевозок туристов по рекам с ограниченными для судоходства глубинами, а также в районах плавания, соответствующих разряду «О» Речного Регистра РСФСР. Головное судно - т/х «Сергей Есенин».

Основные характеристики:

Габаритные размеры судна, (м):

Длина - 90,24;

Ширина - 15,0;

Высота от ОЛ до верхней кромки

несъемных частей - 12,66;

Размеры корпуса расчетные, (м):

Длина - 83,0;

Ширина по КВЛ - 13,5;

Высота борта до главной

палубы - 4,0 ;

Водоизмещение судна с грузом, пассажирами и полными запасами, (т) - 1345;

Осадка при водоизмещении 1345т, (м) - 1,63;

Скорость на тихой воде при осадке 1,63м, (км/ч) - 22,6;

Пассажировместимость, (чел) - 180;

Автономность, (сут):

по запасам топлива - 10;

по запасам масла - 10;

по запасам продовольствия - 10;

по запасам питьевой воды - не ограничена;

по сточно-фановым и подсланевым водам - не ограничена;

по вместимости резервных цистерн сточно-фановых и подсланевых вод - 1;

Автоматизация - в соответствии с Правилами Речного Регистра РСФСР.

Данные теплоходы эксплуатируются в Московском речном пароходстве с 1984 года и пригодны для перевозки пассажиров по реке Волге на участке Москва-Астрахань. Но в последнее время они используются, в основном, для перевозки иностранных туристов на более коротких линиях (Москва - Санктъ-Петербург) и в качестве гостиниц.

Во время зимней стоянки судов данного проекта под гостиницы возникают проблемы с имеющейся системой отопления. В качестве системы отопления на теплоходе установлена установка «Honeywell» фирмы «FLAKT, Gmbh» (Австрия) осуществляющая одновременно отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха. Установка работает с минимальной долей приточного воздуха в 70% летом и осенью (циркуляционный воздух max 30%). Во время переходного периода при наружной температуре в 0^оС - +20^оС доля приточного воздуха с помощью пневматического регулирования заслонкой устанавливается на 100%. Производительность по воздуху для приборов кондиционирования воздуха была установлена на основании тепловыделения в помещениях; однако для установок приточного воздуха на основании объема помещений и предписанной кратности воздухообмена. Наружный воздух и смесь наружного и циркуляционного воздуха всасывается вентилятором кондиционера через фильтрующую часть, водонагревательную батарею, увлажнительную часть (для питьевой воды с норальной температурой) и охлаждающую (осушительную) батарею, а подводится в отдельные помещения через воздухораспределительный ящик с батареями дополнительного нагрева и зональные каналы. Тут воздух распределяется с помощью потолочных приборов. Приточный воздух частично отсасывается через кабины санитарных блоков. Остальной воздух поступает через решетки в коридор, где отсасывается соответствующим вентилятором рециркуляционного воздуха (max 30%).

Остальное количество воздуха выводится наружу с помощью высокого давления.

Для отопления санитарных и служебных помещений, а также помещений машинных отделений предусмотрена система радиаторного отопления с отопительными панелями.

Для производства теплой воды предусмотрено два чугунных секционных котла теплой воды. Централь теплой воды использует получающуюся в котлах теплую воду / +90^оС / +70^оС / и регулирует циркуляцию теплой воды по отношению к наружной температуре, т.е. в случае изменения наружной температуры от -6^оС до +28^оС температура циркуляционной теплой воды меняется от +90^оС до +30^оС. Это регулирование исполняется с помощью зонда “сензор” и чуствительного элемента “сензор” с наружной компенсацией. Пневматический регулировщик действует на пневматический трехходовой клапан, с помощью которого осуществляется смешивание / регулирование температуры / потока воды от насоса теплой воды / возврат теплой воды / и потока воды от котельной установки.

Водоподогревательная установка служит для производства горячей воды, которая требуется:

для бойлеров потребителей

для установки кондиционирования воздуха и системы радиаторного отопления санитарных и служебных помещений.

для системы радиаторного отопления машинных отделений.

В машинном отделении проложен кольцевой трубопровод, обеспечивающий следующую циркуляцию: циркуляционный насос системы отопления - котлы-утилизаторы / включенные параллельно / - отопительный котел 1 - отопительный котел 2 - циркуляционный насос системы отопления . Из этого кольцевого трубопровода все потребители отбирают необходимое в данном случае количество воды. Снабжение всех потребителей (см. выше) обеспечивается отдельными циркуляционными насосами. В случае остановки всех насосов потребителей циркуляционный насос системы отопления гарантирует достаточную промывку высокопроизводительных котлов.

При постройке судна и проектировании системы отопления, вентиляции и кондиционирования за основу были взяты следующие расчетные условия:

Лето:

снаружи +28 ^оС - 50% относительной влажности

внутри +23 ^оС - 55% относительной влажности

Переходный период:

снаружи 0 ^оС - 80% относительной влажности

внутри +21 ^оС - 45% относительной влажности

Осень:

снаружи -6 ^оС - 70% относительной влажности

внутри +21 ^оС - 45% относительной влажности

Допуски в соответствии с санитарными предписаниями п. 2.10.82:

+- 2 ^оС для температуры

+- 10% для относительной влажности

Для системы радиаторного отопления предусмотрены следующие температуры внутри помещений:

в машинных отделениях +15 ^оС

в помещении для аккумуляторов, аварийного дизеля, цеха боцмана, отделении рулевых машин, носового руля, централи питьевой воды, помещении сбора отходов, туалетных, прачечной, амбулатории, изолятора и помещении для глажения + 20 ^оС

в помещениях душевых + 25 ^оС

Количество теплоты необходимое для обеспечения нормальной жизнедеятельности пассажиров и экипажа

Теплота необх.потребителям для расчетных условий
Помещения с кондиционированием	359.910 ккал/ч
Помещения с термовентиляцией	40.020 ккал/ч
Помещения с радиаторным отоплением	37.897 ккал/ч
Теплота необходимая для бойлеров горячей воды	230.000 ккал/ч
ИТОГО необходимое кол-во теплоты :	667.827 ккал/ч

Для производства необходимого количества тепла предусмотрены два отопительных котла теплопроизводительностью 335.000 ккал/ч, а также для утилизации тепла отходящих газов трех главных двигателей установлены три котла-утилизатора с теплопроизводительностью 120.000 ккал/ч каждый при полной нагрузке.

Технические данные отопительного котла «Lollar» 35.1 фирмы Buderus с наддувом на жидком топливе:

количество секций - 13

номинальная мощность, (ккал/ч) - 335.000

длина котла, (мм) - 970

глубина топки, (мм) - 860

количество воды в котле, (л) - 227

к.п.д. котла, (%) - 90

рабочее давление, (м вод. ст.) - 40

допустимая темп-ра подающей линии, (^оС) - 110

расход топлива при 100% нагрузке, (кг/ч) - 72

вес котла:

сухого, (кг): - 1800

с водой, (кг): - 3100

форсунка жидкого топлива - Weishaupt типа L3ZAC двухступенчатая со встроенным подогревателем топлива

умягчитель котельной воды - AQUA CLEAR FLUSSING 180

Котел оборудован двумя регуляторами температуры воды в котле, одним температурным реле, термометром подводимой воды котла и термометром выхлопных газов.

Технические данные котла-утилизатора:

поверхность нагрева, (м²) - 15,2

тепловая нагрузка поверхности нагрева, (ккал/ м²) - 7.900

мощность при полной нагрузке, (ккал/ч) - 120.000

рабочее давление (бар) - 2,5

Котел-утилизатор выполнен в виде газотрубного котла в сварной конструкции из ст. 41КТ.

В выхлопном трубопроводе к котлам-утилизаторам вставлены пневматические запорные клапаны. В зависимости от температуры воды в котле-утилизаторе выхлопные газы проходят через них или направляются в обводный трубопровод. Управление клапанами происходит автоматически при помощи термостата в зависимости от температуры воды.

В связи с тем, что вот уже вторую навигацию в зимний период т/х «С.Есенин» используется под гостиницу возникла необходимость модернизации существующей системы отопления, т.к. из расчетных условий видно, что данная система не расчитана для работы в зимний период, когда температура наружного воздуха опускается ниже отметки -25 ^оС , а потому не справляется с обогревом помещений.

2. Расчет системы отопления

На основании санитарных правил, а также расчетных условий эксплуатации теплоходов проекта № 301 (т/х «Николай Карамзин») произведем расчет теплоты необходимой для обогрева помещений и удовлетворительной работы системы кондиционирования в режиме отопления, используя новые показания температуры наружного воздуха (а именно - 20 ^оС для зимнего периода).

Перерасчет для системы радиаторного отопления и термовентиляционной установки не требуется поскольку по опыту работы вторую навигацию в зимний период данные системы работают удовлетворительно и имеющегося количества теплоты для этих двух статей вполне достаточно.

Система бойлеров горячей воды остается неизменной.

Для удобства расчетов и выбора автономных и утилизационных котлов, переведем значения теплот в систему «СИ», т.е. из «ккал/ч» в «кДж/ч».

Теплота необх. потребителям для расчетных условий в “кДж/ч”
Помещения с кондиционированием	359.910 ккал/ч	1.511.622 кДж/ч
Помещения с термовентиляцией	40.020 ккал/ч	168.084 кДж/ч
Помещения с радиаторным отоплением	37.897 ккал/ч	159.167 кДж/ч
Теплота необходимая для бойлеров горячей воды	230.000 ккал/ч	966.000 кДж/ч
ИТОГО необходимое кол-во теплоты :	667.827 ккал/ч	2.804.873 кДж/ч

За исходную возьмем формулу расчета теплоты для системы кондиционирования:

Q = k F (t_внутр - t_нар),

где

Q - количество теплоты необходимое для обогрева помещений с кондиционированием воздуха при разнице внутренней и наружной температур ( t_внутр - t_нар);

k - коэффициент теплопроводности материала стен и потолков (усредненный);

F - площадь обрабатываемых помещений;

t_внутр - температура воздуха, которую необходимо поддерживать в обрабатываемых помещениях;

t_нар - температура наружного воздуха;

Имеющийся расчет теплоты необходимой для системы кондиционирования:

Q = k F (t_внутр - t_нар)

1.511.622 = k F (21 - ( - 6 )),

k F = 52986

Расчет необходимого количества теплоты для нового значения t_нар :

Q₁ = k F ( t_внутр - t_нар1)

Q₁ = 52986 (21 - (-20)) = 2.172.426 кДж/ч

Как видно из расчета количество теплоты необходимое для помещений с кондиционированием в зимний период увеличилось на 660.804 кДж/ч, а целом необходимое количество теплоты для всех потребителей составляет:

Теплота необх. потребителям для новых расчетных условий (- 20 оС в зимний период)
Помещения с кондиционированием	2.172.426 кДж/ч
Помещения с термовентиляцией	168.084 кДж/ч
Помещения с радиаторным отоплением	159.167 кДж/ч
Теплота необходимая для бойлеров горячей воды	966.000 кДж/ч
ИТОГО необходимое кол-во теплоты :	3.465.677 кДж/ч

Возможные пути решения стоящей перед нами проблемы:

Выбрать и установить новый автономный котел с большей теплопроизводительностью.

Цель: увеличить количество теплоты необходимой потребителям.

Установить дополнительные котлы-утилизаторы на ДГ.

Цель: использовать теплоту отработанных газов ДГ.

Установить дополнительные теплообменники во внутренний контур охлаждения ДГ.

Цель: использовать теплоту внутреннего контура системы охлаждения ДГ.

Установить в климатцентры электрические ТЭНы.

Цель: получить дополнительную теплоту для обогрева помещений.

Полностью перекрыть подачу наружного воздуха.

Цель: производить постоянный дополнительный нагрев рециркуляционного воздуха.

Установить на фотоэлементные двери дополнительные тепло-воздушные завесы.

Цель: исключить попадание холодного наружного воздуха в коридоры и помещения.

Установить в обрабатываемых помещениях дополнительные электронагревательные приборы.

Цель: обеспечить дополнительный обогрев в помещениях.

В данном дипломном проекте будем рассматривать пункты 1 и 2 как самые наиболее эффективные для решения проблемы.

3. Выбор автономного котла (по имеющемуся значению необходимого количества теплоты для всех потребителей)

По имеющимся данным о производительности, габаритах и массе водогрейных котлов отечественного производства единственным целесообразным решением будет установка на теплоходе данного проекта парового котла. Произведем расчет паропроизводительности по данному значению теплопроизводительности :

D_к = Q_общ / (i_п - i_пв) = 3.465.677 / (2749 - 640) = 1530 кг/ч

где:

D_к - полная паропроизводительность;

Q_общ - полная теплопроизводительность;

i_п - энтальпия влажного насыщенного пара;

i_пв - энтальпия питательной воды;

По полученному значению подбираем паровой котел КВ 1,6 / 5

4. Описание и параметры

Паропроизводительность - 1600 кг/ч ;

Давление пара - 0,5 Мпа ;

Температура питательной воды - 40 ^оС ;

Температура уходящих газов - 300 ^оС ;

К.П.Д. - 81 % ;

Объемная плотность теплового потока - 1150 кВт / м³ ;

Объем топки - 1, 17 м³ ;

Площадь парообразующей поверхности нагрева - 70,7 м³ ;

Количество форсунок - 1 шт;

Давление топлива перед форсункой - 0,9 Мпа;

Тип форсунки - паромеханическая;

Расход топлива при 100% нагрузке - 90 кг/ч;

Газовоздушное сопротивление котла - 2000 Па;

Масса котла:

сухого - 6,4 т;

с водой - 7,5 т ;

Габариты котла: - 1920 х 1530 х 1740 ;

5. Тепловой расчет автономного котла

Расчетные характеристики рабочей массы дизельного топлива (исходные данные для составления материального баланса).

Состав рабочей массы:

С^р = 86,3 %; Н^р = 13,3 %; N^p + O^p = 0,1 %; А^р = 0,01 %; W^p = 0; Q = 42.700 кДж/кг;

Объем трехатомных газов:

V_RO2 = 1,866 * С^р / 100 = 1,61 м³ / кг;

Теоретически необходимый объем воздуха:

V^О=V_O2 ^О / 0,21 = 2, 35 / 0,21 = 11,19 м³/кг ;

V_O2 ^О = 1,866 * С^р / 100 + 5,6 * Н^р / 100 - О^р / 100 _О2 = 2, 35 м³ / кг;

_О2 = 1,44 кг/ м³ - плотность кислорода;

Теоретический объем азота:

V_N2 ^О = 0,79 * V^О + N^р / 100 *_N2 = 8, 84 м³ / кг;

Теоретический объем водяных паров:

V_H2O ^О = 0,0124 ( 9 * H^р + W^P + 0,0161 * V^O + 1,24 G_пр ) = 1,66 м³ / кг;

Суммарный теоретический объем газов:

V_г ^О = V_RO2 + V_N2 ^О + V_H2O ^О = 12,11 м³ / кг;

Низшая теплота сгорания:

Q_н^Р = 42.700 кДж / кг;

Материальный баланс процесса горения 1 кг топлива.

Марка топлива: ДТ марки “Л” по ГОСТ 305-82

Коэффициент избытка воздуха: л = 1,2;

Объем водяных паров (избыточный при л > 1):

V_H2O = 0,0161 ( л - 1) * V^O = 0,036 м³ /кг;

Действительный объем водяных паров:

V_H2O = V_H2O + V_H2O ⁰ = 1,696 м³ / кг ;

Действительный суммарный объем дымовых газов:

V_г =V_г ^? + (л - 1)* V⁰=14,35 м³/кг;

Объемные доли продуктов сгорания:

углекислого газа:

r_RO2 = V_RO2 / V_г = 0,112 ;

водяных паров:

r_H2O = V_H2O / V_г = 0,118;

суммарная для трехатомных газов:

r_п = r_RO2 + r_H2O = 0,23;

Давление в топке без наддува:

P = 0,1 МПА;

Парциальные давления:

углекислого газа:

P_RO2 = P *?r_RO2 = 0,0112 Мпа;

водяных паров:

P_H2O = P *?r_H2O = 0,0118 Мпа ;

суммарное для трехатомных газов:

P_п = P *?r_п = 0,023 Мпа ;

Определение энтальпии дымовых газов I_г, кДж/кг, в зависимости от их температуры.

Таблица 1

t0 C	Iг 0 , кДж/кг	Iв 0 , кДж/кг	IH2O ? , кДж/кг	Iг , кДж/кг
100	1671.95	1477.08	5.436	1972.802
200	3377.81	2976.54	10.944	3984.062
300	5133.85	4509.57	16.668	6052.432
400	6940.76	6064.98	22.536	8176.292
500	8791.36	7653.96	28.584	10350.736
600	10680	9287.7	34.812	12572.35
700	12618.87	10955.01	41.292	14851.16
800	14621.66	12644.7	48.06	17198.66
900	16659.07	14334.39	54.864	19580.81
1000	18731.68	16068.84	62.1	22007.55
1100	20810.73	17848.05	69.336	24449.68
1200	22904.47	19627.26	76.716	26906.64
1300	25036.4	21406.47	84.384	29402.08
1400	27222.24	23320.44	92.088	31960.42
1500	29384.34	25054.41	100.044	34495.27
1600	31581.85	26889.57	108.036	37067.8
1700	33794.05	28713.54	116.172	39652.93
1800	36023.39	30537.51	124.488	42255.38
1900	38277.59	32417.43	132.768	44893.84
2000	40516.15	34286.16	141.336	47514.72
2100	42785.09	36166.08	149.796	50168.1
2200	45059.01	38034.81	158.364	52824.34

Строим диаграмму I - t: (на миллиметровой бумаге прилагается к данному дипломному проекту)

Расчеты велись по формулам:

Теоретические энтальпии дымовых газов I_г ⁰, кДж/кг:

I_г ⁰ = V_RO2 * (ct)_RO2 + V_N2 ⁰ * (ct)_N2 + V_H2O ⁰ * (ct)_H2O;

Теоретические энтальпии избыточного воздуха I_в ⁰, кДж/кг:

I_в ⁰ = V⁰ * (ct)_в;

Энтальпии водяных паров содержащихся в избыточном воздухе I_H2O ^?, кДж/кг:

I_H2O ^a = V_H2O * (ct)_в;

Энтальпии дымовых газов в зависимости от температуры I_г , кДж/кг:

I_г = I_г ⁰ + (л - 1) * I_в ⁰ + V_H2O;

Предварительный тепловой баланс и определение расхода топлива.

к.п.д. котла: л_к = 81%

Тепловые потери:

от химической неполноты сгорания: q₃ = 0,7 %;

в окружающую среду: q₅ = 2,5 %;

с уходящими газами:

q₂ = 100 - (л_к + q₃ + q₅) = 12 %;

Температура воздуха: t_х.в. = 40 ⁰С;

Количество теплоты, вносимое воздухом в топку:

Q_х.в. = V⁰ * c_х.в. * t_х.в. = 708,35 кДж/ч;

Температуры топлива: t_т = 40 ⁰С;

Теплоемкость топлива: с_т = 2,742 кДж/кг * К;

Коэффициент сохранения: г?= (100 - q₅) / 100 = 0,975

Количество теплоты, вносимое в топку топливом:

Q_т = с_т * t_т = 858,34 кДж/кг;

Энтальпия уходящих газов:

I_ух = q₂ * Q_н ^Р + Q_х.в. + Q_т = 6.690,69 кДж/кг;

Температура уходящих газов: t_ух = 300 ^ОС (из диаграммы I-t);

Полезное тепловыделение в топке:

Q_в.т. = Q_н ^Р * (100 - q₂) / 100 + Q_х.в. + Q_т = 43.967,79 кДж/кг;

Полная паропроизводительность: D_к = 0,44 кг/с;

Энтальпия влажного насыщенного пара: i_п = 2749 кДж/кг;

Энтальпия питательной воды: i_пв = 640 кДж/кг;

Расчетный расход топлива:

В = D_к * (i_п - i_п.в. ) / Q_н ^Р * г_к = 0,025 кг/с ;

Испарительность топлива:

u = D_к / В = 0,005 кг/с ;

Определение основных элементов топки, характеризующих общую компоновку котла.

Тепловое напряжение топочного объема : q_v = 1150 кВт / м²;

Объем топки:

V_т = В *? Q_н ^Р / q_v = 0,93 м²;

Расчетная длина топки:

L_т = 0,91 м;

Площадь стенки топочного фронта:

F_т.ф. = V_т / L_т = 1,02 м² ;

Средняя длина парообразующих труб, освещенных излучением из топки:

пучка: l_п = 1,61 м;

бокового экрана: l_б.э. = 1,96 м;

Угловой коэффициент лучевоспринимающих труб: х = х_п = х_б.э. = 1;

Лучевоспринимающая поверхность нагрева:

Н_л = L_т * ( l_п + l_б.э. ) = 3,25 м² ;

Полная площадь стен, ограничивающих топочный объем:

F_ст = Н_л + 2 * F_т.ф. = 5,29 м²;

Степень экранирования топки: µ = Н_л / F_ст = 0,614;

Эффективная толщина излучающего слоя:

s = 3,6 * V_т / F_ст = 0,632 м ;

Расчет теплообмена в топке

Условный коэффициент загрязнения лучевоспринимающей поверхности нагрева:µ=0,9;

Тепловое напряжение лучевоспринимающей поверхности нагрева:

q_л = В * Q_в.т. / Н_л = 369,74 кВТ / м² ;

Теоретическая температура сгорания: t_а = 1850 ^ОС или Т_а = 2123 К; (из диагр. I-t, т.к. I_а = Q_в.т.)

Температура газов на выходе из топки: t' _з.т. = 950 ^ОС или Т'_з.т. = 1223 К;

Энтальпия газов на выходе из топки: I'_з.т. = 22.134 кДж/кг;

Коэффициент ослабления лучей топочной средой : k = 4,14 (Мпа * м ) -¹ ( из номограммы);

Суммарная оптическая толщина продуктов сгорания: kPs = 0,26 при (P = 0,1 Мпа);

Степень черноты факела: а_ф = 1 - е -^kPs = 0,22;

Степень черноты топки: а_т = 0,36 (из номограммы по а_ф?);

Расчетная температура газов на выходе из топки: t_з.т. = 1030 ^ОС;

Энтальпия газов на выходе из топки: I_з.т. = 23.986 кДж/кг;

Количество теплоты, переданной в топке:

Q_л = (I_а - I_з.т.)?= 20.494,143 кДж/кг;

Расчет теплообмена в пучке парообразующих труб

Строение трубного пучка - шахматный

Наружный диаметр труб: d = 0,029 х 0, 0025 м;

Число рядов труб: Z₂ = 8;

Поперечный шаг труб: S₁ = 0,04 м;

Продольный шаг труб: S₂ = 0,04 м;

Число труб в одном ряду: Z₁ = L_T / S₁ = 0,91 / 0, 04 = 23 (округлено до целого);

Средняя расчетная длина труб: l_п = 1,61 м (из эскиза);

Коэффициент учитывающий неравномерность омывания: Ј = 0,85;

Расчетная поверхность нагрева труб:

H_п = П * d * l_п * Z₁ * Z₂ - l_п * L_T = 25,5 м²;

Полная поверхность нагрева пучка:

H = П * d * l_п * Z₁ * Z₂ = 26,975 м²;

Площадь сечения для прохода газов:

F = ( L_T - Z₁ * d ) * l_п = 0,39 м² ;

Эффективная толщина излучающего слоя:

s = 0,9 * d * ( 4 / П * S₁ / d * S₂ / d -1)=0.065м;

Температура газов на выходе из топки: t_з.т. = 950 ⁰С;

Энтальпия газов на выходе из топки: I_з.т. = 23.986 кДж/кг;

Температура кипения воды при рабочем давлении: t_s = 151,84 ⁰С;

Температура газов на выходе из первого пучка: t' _п = 1330 ^ОС;

Энтальпия на выходе из первого пучка: I'_п = 30.500 кДж/кг;

Средняя температура газового потока:

t' _г = 0,5 * (t_з.т. + t' _п ) = 1140 ^ОС или Т _г=1413 К ;

Расчетная средняя скорость газов:

в = В * V_г / F * Т_г / 273 = 4,76 м/сек;

Количество теплоты, отданное газами:

Q'_п = (I_з.т. - I'_п) = 8.156 кДж/кг;

Коэффициент загрязнения: Ґ = 0,039 ( м² * К ) / Вт;

Температура наружного загрязнения стенки труб:

t_с.з. = t_s + Q'_п / Н_п = 164,3 ^ОС;

Поправочные коэффициенты для определения €_к: С_z = 0,96; C_s = 1,05; C_ф = 0,98 ;

Коэффициент теплоотдачи конвекцией: Т_н = 42,5 Вт / (м² * К) (из номограммы);

Коэффициент теплоотдачи конвекцией:

Т_к = Т_н * С_z * C_s * C_ф = 41,98 Вт / (м² * К) (расчетный);

Коэффициент ослабления лучей трехатомными газами: к = 4,14 1/(МПа * м) (из номограммы);

Суммарная оптическая толщина продуктов сгорания : кPs = 0.0069 (при P = 0,1 МПа);

Степень черноты газового потока: Ч = 0,96 (из номограммы);

Коэффициент, определяющий температурный режим: C_г = 0,98 (из графика);

Коэффициент теплоотдачи излучением: Т_н = 25,1 Вт / (м² * К) (из номограммы);

Коэффициент теплоотдачи излучением: Т_л = Т_н * C_г = 23,5 Вт / (м² * К) (расчетный);

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке: Т₁ = Т_к + Т_л = 59,183 Вт / (м² * К);

Коэффициент теплопередачи:

к_п = Т₁ / ( 1+ Т₁ ) = 15,7 Вт / ( м² * К);

Разность температур теплообменивающихся сред:

t_б = t_з.т. - t_s = 798,16 ^ОС (большая);

Разность температур теплообменивающихся сред:

t_м = t_п - t_s = 1178,16 ^ОС (меньшая);

Температурный напор:

t_п = (t_б -?t_м) / (2,3 * lgt_б /?t_м) = 976,95 ^ОС;

Количество теплоты воспринимаемое поверхностью нагрева:

Q”_п = к_п * H_п *t_п * (10^-3 / В) = 6.445,87 кДж / кг;

Расчетное количество теплоты переданное в пучке: Q_п = 7.300,935 кДж / кг;

Расчетная температура газов за пучком: t_п = 1086 ^ОС;

Энтальпия газов за пучком: I_п = 24.940 кДж / кг (из диаграммы I - t);

Баланс по паропроизводительности и к.п.д.

Расход топлива: В = 0,025 кг / сек ;

Низшая теплота сгорания топлива: Q_н^Р = 42.700 кДж / кг;

Количество теплоты, переданной поверхности нагрева в топке: Q_л =20.494,143 кДж/кг;

Количество теплоты, переданной поверхности нагрева в парообразующем пучке:

Q_п = 7.300,935 кДж / кг;

Количество теплоты, переданной поверхности нагрева в сумме:

Q_к = Q_л + Q_п = 27.795,078 кДж / кг ;

Энтальпия влажного насыщенного пара: i_п = 2749 кДж/кг;

Энтальпия питательной воды: i_пв = 640 кДж/кг;

Испарительность топлива:

u = Q_к / (i_п - i_п.в. ) = 16,8 кг / кг;

Паропроизводительность:

D_к = u * В = 0,42 кг / сек;

К.п.д.: Q = (Q_к / Q_н^Р)? 100 = 85 %;

6. Расчет питательной системы котла и выбор центробежного насоса

В состав системы входят : питательная цистерна котла, центробежный насос, фильтр очистки от примесей, датчик температуры, трубопроводы и арматура. Расчет питательной системы сводится к выбору центробежного насоса с оптимальной подачей и напором. Т.к. система работает с подпором, то устройство для вакуумного всасывания не нужно.

Производительность насоса:

G = (2?*D_к) / 2268 = 28,1 м³ / час;

где: Q_общ = 3.374.400 кДж / кг - теплота передаваемая паром;

к=968 кг / м³ - удельный вес конденсата при температуре (t_п.в. = 40 ^ОС);

2.268 кДж / кг - теплота испарения пара низкого давления;

По рассчитанной производительности выбираем одноступенчатый центробежный насос 2 К-6.

где: «2» - диаметр входного патрубка, уменьшенный в 25 раз;

«К» - консольный;

«6» - коэффициент быстроходности, уменьшенный в 10 раз и округленный;

Технические характеристики:

Подача: V = 30 м³ / час;

Напор: Н = 34,5 м;

Скорость вращения крыльчатки: n = 2900 об/мин;

К.п.д.: Q = 64 %;

Диаметр рабочего колеса: d₂ = 162 мм ;

Принципиальная схема питательной системы отражена на чертеже № 3 системы парового снабжения.

7. Принципиальная схема топливной системы котла

Т.к. расход топлива устанавливаемого парового котла увеличивается на 25%, эксплуатация котла идет только во время стоянок судна (в том числе зимней) и во время маневров, то перерасчет автономности плавания не требуется. Более подробно это отражено в расчете экономической эффективности, где расписана продолжительность работы автономного котла во время летнего, зимнего и весенне-летнего периода в году, а также величины ходового и стояночного времени по периодам года.

Также не требуется никаких перерасчетов топливной системы начиная от расходной топливной цистерны до насоса форсунки котла.

8. Средства автоматики котла

Все средства автоматического контроля за работой котла идут в заводской комплектации и включают в себя манометры, реле давления, редукционный клапан, односторонний пропускной клапан и средства сигнализации при повышении давления.

9. Расчет системы «пар-вода»

Данная система служит для передачи теплоты пара, получаемого в котле, воде, циркулирующей в контуре горячей воды, и обеспечивающей нужды всех потребителей. Т.к. на судне производится замена водогрейного котла паровым, то чтобы не переделывать всю систему горячей воды, необходимо установить пароводяные теплообменные аппараты и, тем самым, осуществить передачу тепла от пара воде. Расчет данной системы сводится к определению необходимой поверхности нагрева и выбору соответствующего пароводоподогревателя. Для повышения надежности, экономичности и безотказности системы нужно установить два параллельных однотипных пароводоподогревателя с одинаковыми техническими характеристиками.

Рассчитать два основных подогревателя воды на судне, которые должны подогревать воду в количестве 56.000 кг / ч от t₁ = 40 ^ОС до t₂ = 90 ^ОС паром с давлением Р = 0,5 МПа (Т_н = 151,8 ^оС).

Количество воды максимально расходуемой потребителями в течение часа выбрано согласно сумме производительностей насосов горячей воды:

Насос камбузного водоподогревателя: 4,5 м³ / час;

Насос бойлеров горячей мытьевой воды: 18 м³ / час;

Насос горячей воды системы кондиционирования: 30 м³ / час;

Насос радиаторного отопления МКО: 3 м³ / час;

Итого: 55,5 м³ / час;

Требуется выбрать типоразмер пароводяного вертикального подогревателя серии «Промстройпроект». При расчете загрязнение поверхности нагрева учесть понижающим коэффициентом т = 0,8.

Решение: из теплотехнического справочника видно, что наиболее подходящим является типоразмер № 11 со следующими данными:

Поверхность нагрева: F = 10,4 м² ;

Число ходов: четыре;

Количество трубок: n = 172 шт.;

Длина трубок: l = 1,2 м;

Полная длина подогревателя: L = 1,5 м;

Расстояние между соседними перегородками каракаса: Н = 0,332 м ;

Площадь проходного сечения по воде: f = 0,0874 м² ;

Температурный напор:

t = (t _н - t₁ ) - (t _н - t₂ ) / ln (t _н - t₁ ) / (t _н - t₂ ) =88,5 ^оС;

где: t _н =151,8 ^оС - температура влажного насыщенного пара на входе в пароводоподогреватель;

t₁ = 40 ^оС - температура воды на входе в пароводоподогреватель;

t₂ = 90 ^оС - температура воды на выходе из пароводоподогревателя;

Расчет производится таким образом, что после отдачи паром определенного количества теплоты, он конденсируется и поступает в цистерну питательной воды котла.

Средняя температура воды: t = t _н - t = 63,3 ^оС;

Средняя плотность воды (по приложению 2): q = 983,24 кг / м²;

Средняя температура стенки: t_ст = 0,5 * (t _н + t ) = 107,55 ^оС;

Критерий Григулля для конденсата (по приложению 7):

z = А₁?* Н * (t _н - t_ст) = 1572;

где: А₁?= 107 1/м * ^оС;

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующего пара при z < 2300:

t _п = А₁?/ [ Н * (t _н - t_ст ) ] ^0,22 = 28.875 кДж / м² * ч * ^оС;

где: А₃?= 12375;

Скорость теплоотдачи воды:

S = G / 3600 * f = 0,1 м / сек;

где: G = 28.000 кг / ч - количество воды, проходящее через пароводоподогреватель при его работе со 100% загруженностью.

Коэффициент теплоотдачи воды (по приложению 7):

_В = А₅??/ d ^0,2 = 3.499,5 кДж / м² * ч * ^оС;

где: А₅?= 2350;

d = 0,018 м - диаметр трубок;

Расчетный коэффициент теплопередачи при t _лат = 210 кДж / м² * ч * ^оС:

к = € / ( 1 / т _п + т _лат /?т_лат + 1 / т _В ) = 2469,45 кДж / м² * ч * ^оС;

где: т _лат - толщина стенки латунной трубки;

Необходимая поверхность нагрева:

F = Q_общ / ( к *t ) = 9,2 м² ;

Таким образом, выбранный типовой пароводоподогреватель имеет некоторый запас поверхности нагрева, а следовательно абсолютно подходит для установки в систему «пар-вода».

Принципиальная схема работы данных подогревателей воды отражена на чертеже № 3 системы парового снабжения.

Гидравический расчет циркуляционной системы горячей воды не производиться, т.к. установка двух пароводоподогревателей производится вместо двух водогрейных котлов и потери на трение в трубопроводах изменяются незначительно.

10. Расчет и выбор котла-утилизатора на ДГ

Необходимо произвести расчет получаемой теплоты от отработанных газов при работе ДГ на 50% нагрузке (согласно вахтенному журналу):

Q _о.г. = 0,5 * N_e * g_г * c_p * ( t₁ - t₂ ) к_т ,

где

0,5 - коэффициент учитывающий 50% нагрузку ДГ;

N_e - эффективная мощность ДГ (кВт);

g_г - удельная масса газов на выходе из ДГ (6 - 7 кг/кВт *?ч);

c_p - массовая теплоемкость газов (1,05 - 1,13 кДж/кг?*?ч) ;

t₁ - температура газов на входе в УК (на 10^оС ниже температуры газов на выходе из ДГ);

t₂ - температура газов на выходе из УК (для водогрейного 185 - 215 ^оС);

к_т - коэффициент потери теплоты в окружающую среду (0,95);

Q _о.г. = 0,5 * 330 * 6 * 1,05 *(510 - 380) * 0,95 = 158.195,75 кДж/ч

Исходя из полученного количества теплоты:

1. необходимо выбрать и установить котел-утилизатор на газоходы всех трех ДГ, путем соединения их (газоходов) в конструкцию, принципиальная схема которой отражена на чертеже № 6 / при этом используется регуляторная пневматическая заслонка для введения утиль-котла в работу от какого-либо газохода;

2. Модернизировать систему радиаторного отопления так, чтобы ее можно было отключить от общей тепловой централи потребителей горячей воды и замкнуть на контур котла-утилизатора ДГ. Так как один из ДГ во время зимней стоянки все время работает, а система радиаторного отопления будет работать от собственного циркуляционного насоса (расчет см. ниже), то данный вариант может быть использован.

По полученному значению выбираем водогрейный утилизационный котел марки КАУ - 4,5 со следующими техническими характеристиками:

Рабочее давление: Р = 0,2 МПа;

Поверхность нагрева: Н_к = 4,5 м² ;

Теплопроизводительность: Q_к = 170.000 кДж / ч;

Температура воды на выходе: t = 95 ^оС ;

Масса котла с водой: 460 кг;

Габариты котла: d = 0,75 м - диаметр котла;

h = 2,4 м - высота котла;

Для модернизации системы радиаторного отопления нужно произвести гидравлический расчет трубопроводов и по полученному значению напора выбрать насос горячей воды. Тогда при задействовании утилизационного котла любого из дизель-генераторов снабжение горячей водой всех потребителей на судне производится автономным котлом КВ 1,6 / 5, а системы радиаторного отопления (после переключения соответствующих вентелей) этим утиль-котлом КАУ - 4,5.

11. Гидравлический расчет трубопроводов радиаторного отопления

Принципиальная схема переключения трубопроводов отражена на чертеже № 5 данного дипломного проекта.

Гидравлический расчет производится для самого дальнего секционного радиатора, чтобы определить максимальные потери в трубопроводах и выбрать центробежный насос с соответствующим напором. Значение подачи насоса не меняется, т.к. не меняется диаметр трубопровода, а изменяется только его длина (потери на трение) и увеличиваются местные потери.

12. Определение дополнительной необходимой поверхности теплосъема для использования теплоты, полученной во вновь устанавливаемом автономном паровом котле

Варианты:

Установить в климатцентры дополнительные теплообменные батареи.

Установить дополнительные теплообменные батареи в зональные каналы.

Использовать батареи охлаждения в климатцентрах в качестве батарей нагрева.

Из всех возможных вариантов, самым реальным и целесообразным является вариант 3. Произведем проверочный расчет:

Теплообменники холодной и горячей воды в климацентрах имеют совершенно одинаковые технические характеристики, т.е.:

поверхность теплосъема: F = 34, 55 м² ;

коэффициент теплопередачи : к = 81,3 кДж / м² * час * ^оС ;

Всего во всей системе кондиционирования установлено 7 батарей предварительного нагрева (БПН), 22 батареи дополнительного нагрева (БДН) и 7 батарей охлаждения (БО).

Рассчитаем, сколько передавалось теплоты через БПН (значения берем до замены котла):

Q = к * F * (t₁ - t₂) = 154.490,32 кДж / ч;

где: t₁ = 90 ^оС - температура на входе в теплообменник;

t₂ = 40 ^оС - температура на выходе из теплообменника;

Общее количество теплоты со всех 7 теплообменников: Q₇ = 1.081.432,275 кДж / ч;

Т.к. общее количество теплоты для системы кондиционирования было: 1.511.622кДж/ч то через БДН передавалось 430.189,725 кДж / ч;

Отсюда, можно сделать вывод: если при замене автономного котла количество теплоты получаемой для системы кондиционирования увеличилось на 660.804 кДж/ч, и при задействовании БО в качестве дополнительных теплообменников (батарей дополнительного нагрева (БДН)), которые в свою очередь способны передать через себя 1.081.432,275 кДж / ч, то никакого специального расчета теплового баланса делать необязательно. Единственное, что нужно сделать это модернизировать систему трубопроводов горячей и холодной воды в климацентрах так, чтобы во время навигации БПН и БДН работали в системе горячей воды и БО - в системе холодной воды, а во время зимней стоянки БПН, БДН и БО работали в системе горячей воды. Принципиальная схема соединения трубопроводов и установки арматуры отражена в чертеже № 1 данного дипломного проекта.

13. Охрана труда

К неблагоприятным факторам в машинном отделении, оказывающим вредное воздействие на персонал, относятся недостаточная освещенность, опасность поражения электрическим током, шум, вибрация и повышенная температура воздуха, а также его загазованность.

К основным источникам шума и вибрации на судах относят главные двигатели, дизель-генераторы, движительно-рулевой комплекс систему вентиляции.

Главные двигатели 6VD 18/15 Al-1 имеют форсированный режим работы, а следовательно, высокий уровень шума. Для уменьшения вредного воздействия шума на членов экипажа, обслуживающих СЭУ, на двигателях применяются средства дистанционного управления и комплексной автоматизации. Кроме того, контроль за работой главных и вспомогательных двигателей осуществляется с центрального поста управления, имеющего специальную звукоизоляцию. Обслуживание и ремонт главных и вспомогательных двигателей во время работы производится в специальных наушниках.

Для снижения уровня шума и вибрации от главных двигателей, дизель-генераторов и компрессоров, расположенных в машинном отделении, предусмотрена их установка на резиново-металлические виброизоляторы в районе опорных поверхностей. Средства виброизоляции и вибропоглощения снижают структурную составляющую шума в смежных помещениях. Эти средства обеспечивают снижение уровней звукового давления на 20-25 дБ почти во всем диапазоне частот.

Одним из источников шума в машинном отделении является система вентиляции. Средствами снижения шума от этой системы являются : ограничение скоростей движения воздуха по воздуховодам, установка воздухораспределителей с обтекаемыми кромками, не создающими шума при истечении из них воздуха, установка глушителей шума.

В соответствии с ГОСТ 12.0.033-74 опасные факторы классифицируются следующим образом: физические, химические, психофизиологические. Они проявляются при нарушении технологических процессов, неудовлетворительной организации работ, неиспользовании средств индивидуальной защиты.

В целях устранения влияния опасных факторов на судах проекта Q-065 предусмотрены различные мероприятия. Сильно нагретые поверхности (выхлопные трубы двигателей, котлов, установки инсенератора, выпускные коллекторы дизелей ) защищены теплоизоляцией и специальными экранами. В данном дипломном проекте при замене водогрейного котла на паровой возникает необходимость специального инструктажа машинной команды и повышенного внимания вахтенного персонала при работе парового котла, его ослуживания и ремонта. Открытые движущиеся части механизмов закрываются кожухами, окрашенными в оранжевый цвет. Трубопроводы различных систем имеют соответствующую маркировку. Для защиты персонала, обслуживающего СЭУ, от поражения электрическим током применяются защитное заземление, резиновые коврики и средства индивидуальной защиты (диэлектрические перчатки, калоши, специальный инструмент и т.п.). Помещения с повышенной загазованностью (инсенераторная) и содержанием опасных испарений (аккумуляторная, машинное отделение, помещение вакуум. баллона и др.) имеют приточную и вытяжную вентиляцию. Персонал, обслуживающий СЭУ, приступает к выполнению работ в специальной одежде и после соответствующего инструктажа.

14. Анализ вибрации в кормовой части судна

В процессе эксплуатации судов проекта Q-065 в ходовом режиме со 100% приводной мощностью отмечается повышенная вибрация в кормовой части. Повышение вибрации приводит к повышению шума, созданию эксплуатационных трудностей (например, к самопроизвольному закрытию вентиляционного “грибка” системы вентиляции румпельного помещения), появляется опасность снижения прочности сварных соединений набора корпуса и обшивки. Повышенная вибрация (связанный с ней шум) оказывают вредное влияние на здоровье людей, работающих в помещениях кормовой части судна и на палубе. Кроме того, необходимо учитывать, что со временем вибрация, как правило, возрастает. В связи с вышесказанным представляется целесообразным разработать меры по снижению вибрации в кормовой части судов проекта Q-065. Так как за время эксплуатации судов данного проекта в Московском Речном пароходстве замеры вибрации не проводились, мы вынуждены использовать замеры, сделанные судостроительной верфью «Корнойбург» (Австрия) во время испытаний головного судна «Сергей Есенин». Испытания проводились 11.01.84 г. в водохранилище Альтенверт-Кремс в соответствии с программой верфи. Анализ результатов замеров вибрации показывает, что полученные параметры соответствуют, в основном, результатам предварительного расчета требованиям санитарных правил для речных и озерных судов СССР и Правилам Речного Регистра РСФСР. Однако, имеются исключения. Первым исключением является точка замера 7 (см. Отчет по замерам т/х «Сергей Есенин») - ресторан, расположенный в кормовой части судна. Замер на одном из столов показал, что в диапозоне частот 16-32 Гц было отмечено превышение уровня виброскорости на 6 дБ. Это на 7,8% больше максимального уровня виброскорости, установленного Санитарными правилами и равного для диапозонов частот 16 и 32 Гц 78 и 77 дБ соответственно. Вторым исключением является точка замера 14 - музыкальный салон, расположенный в носовой части судна на шлюпочной палубе. Замер на одном из кресел показал превышение уровня виброскорости, допускаемого Санитарными правилами, на 3 дБ в диапозоне частот 4 Гц. Замеры в наиболее неблагоприятной точке 1, находящейся в районе гребного винта показали уровень виброскорости 84 дБ, что соответствует ускорению 4,76 м / с². Для пассажирских судов 1 группы максимально допускаемое ускорение общей вибрации 1 м / с². Из приведенного анализа видно, что вибрация в кормовой части судов проекта Q-065 превышает допустимые параметры. Параметры вибрации непосредственно зависят от массы и геометрических размеров вибрирующих тел, т.е. F = f (m ; r_i), где: m - масса тела; r_i - радиус инерции тела. В связи с этим существуют следующие пути снижения вибрации:

Увеличение массовых показателей вибрирующих тел;

Уменьшение геометрических размеров;

Конкретно для судов проекта Q-065 могут быть предложены следующие способы уменьшения вибрации в кормовой части:

Цементная заливка шп. 5-10 в районе валопровода среднего главного двигателя и заливка шп. 7-12 в районе валопроводов правого и левого главных двигателей. Это позволит увеличить массу кормовой части судна, что снизит вибрацию. Кроме того, это будет влиять на уменьшение дифферента на нос, имеющего место у судов рассматриваемого проекта при полном заполнении топливных цистерн и цистерн неподготовленной питьевой воды. Однако это предложение имеет определенные недостатки. Например, в результате вибрации, ударов корпуса судна о причальные стенки во время швартовки, шлюзования и т.п. может произойти отслоение цемента от днища судна. Скапливающийся в образованном пространстве конденсат будет способствовать образованию коррозии корпуса.

Установка дополнительных пиллерсов в румпельном помещении (ахтерпике). Эта мера также позволит снизить вибрацию в кормовой части судна за счет увеличения массы вибрирующих тел (в результате дополнительной связи днища судна с палубным настилом) и изменения их геометрических размеров. Количество дополнительно устанавливаемых пиллерсов зависит от наличия свободного места в румпельном помещении.

Установка кормовых бракет в продольной плоскости судна вдоль осей валопроводов в районе кормовых кронштейнов винтов. Эта мера позволит уменьщить консольную часть валопроводов на 750 мм, что, в свою очередь, снизит амплитуду колебаний.

В связи с вышесказанным предлагается установить один дополнительный пиллерс в румпельном помещении на втором шпангоуте с левого борта и кормовые бракеты вдоль трех валопроводов. В чертеже №4 данного дипломного проекта графически отражены предлагаемые способы борьбы с вибрацией.