Поздняков В.Ф., Прудников К.Ф. Конструктивные особенности потенциально опасных объектов. Часть 2 - файл n1.doc

Поздняков В.Ф., Прудников К.Ф. Конструктивные особенности потенциально опасных объектов. Часть 2
Скачать все файлы (1546 kb.)

Доступные файлы (1):
n1.doc1546kb.17.02.2014 21:20скачать

n1.doc

  1   2   3


ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКО–РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Физические методы контроля»

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ

Методические указания к самостоятельной работе студентов
Часть 2

Могилев 2007

УДК 621.317.39


ББК 31.22

К 65

Рекомендовано к опубликованию


учебно–методическим управлением

ГУ ВПО «Белорусско–Российский университет»
Одобрено кафедрой «Физические методы контроля» «28» декабря 2006 г.,
протокол № 4
Составители: канд. техн. наук, доц. В. Ф. Поздняков;
ассистент К. Б. Прудников
Рецензент канд. техн. наук С. В. Болотов

В методических указания кратко изложены основные теоретические сведения для самостоятельной работы студентов дневной и заочной форм обучения специальности 200102 «Приборы и методы контроля качества и диагностики». Методические указания разработаны в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Конструктивные особенности потенциально опасных объектов».
Учебное издание
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ
ОБЪЕКТОВ

Часть 1
Ответственный за выпуск С. С. Сергеев

Технический редактор И. В. Русецкая
Компьютерная верстка Н. П. Полевничая



Подписано в печать . Формат 60х84 /16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.

Печать трафаретная. Усл. печ. л. . Уч.–изд. л. . Тираж 115 экз. Заказ №

Издатель и полиграфическое исполнение

Государственное учреждение высшего профессионального образования

«Белорусско–Российский университет»

ЛИ № 02330/375 от 29.06.2004 г.

212005, г. Могилев, пр. Мира, 43

© ГУ ВПО «Белорусско–Российский

университет», 2007

Содержание


1 Устройство и принцип работы котлов 5

2 Понятие о циркуляции воды в котле 7

3 Водяной пар 8

4 Теплообмен в котельном агрегате 9

5 Теплообменные аппараты 12

6 Виды и состав топлива. Теплота сгорания 13

7 Элементы котлов. 15

8 Качество пара в котельном агрегате 19

9 Классификация паровых и водогрейных котлов 20

10 Водогрейные котлы 21

11 Паровые котлы 27

12 Перевод котлов типа ДКВР в водогрейный режим 34

13 Расчет на прочность элементов котлов, работающих под внутренним давлением 36

14 Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и
водогрейных котлов 38

Список литературы 52




1 Устройство и принцип работы котлов
Паровые и водогрейные котлы представляют собой устройства в виде металлического сосуда, которое обогревается продуктами сгорания топлива и служит для получения горячей воды или пара.

Рисунок 1 – Принцип работы котельного агрегата
На рисунке 1 представлен двухбарабанный водотрубный котельный агрегат. Основными элементами такого котельного агрегата являются верхний и нижний барабаны, а также система труб, соединяющая их между собой. Барабанами называют герметичные металлические емкости. Верхний барабан служит для сбора образовавшегося пара, а нижний барабан является аккумулятором воды. Систему труб, соединяющую между собой верхний и нижний барабаны называют поверхностью нагрева. Поверхность нагрева разделяют на два основных типа: радиационную поверхность нагрева, находящуюся непосредственно в зоне пламени, и конвективную поверхность нагрева, находящуюся в газоходах котла. Радиационная поверхность нагрева предназначена непосредственно для нагрева воды и образования пара. Конвективная поверхность нагрева отбирает тепло от уходящих газов и обеспечивает свежей водой нижний барабан.

Работа котельного агрегата происходит следующим образом. Питательная вода, поступающая в верхний барабан, распределяется по нему. Из верхнего барабана вода по необогреваемым опускным трубам попадает в коллектор. Второй путь воды в коллектор проходит через трубы конвективной поверхности нагрева и нижний барабан. Из коллектора вода равномерно распределяется по радиационной поверхности нагрева.

Опускные трубы и трубы конвективной поверхности нагрева имеют меньшую температуру поверхности, чем трубы радиационной поверхности нагрева непосредственно расположенные в зоне пламени. Вследствие этого плотность воды в них выше. Поэтому вода опускаясь по трубам конвективной поверхности нагрева попадает сначала в нижний барабан и затем в коллектор, а по опускным трубам сразу в коллектор. Трубы радиационной поверхности нагрева, расположены непосредственно в зоне пламени. Вследствие большей температуры вода в трубах радиационной поверхности нагрева имеет меньшую плотность, чем вода в опускной трубе и нижнем барабане, поэтому она поднимается в верхний барабан. Таким образом, происходит циркуляция воды в котле с образованием пара, а также нормальное охлаждение всех его элементов.

Несмотря на большие различия в устройстве, во всех котлах по существу протекают два одинаковых основных процесса: горение топлива с образованием газов высокой температуры (продуктов сгорания) и передача теплоты от этих газов воде. В результате этого в паровых котлах вода нагревается и испаряется, превращаясь в пар. В водогрейных котлах, в отличие от паровых, вода лишь нагревается до требуемой температуры, а испарения не происходит.

Работу паровых котлов характеризуют следующие показатели.

  1. Паропроизводительность (мощность) котла D – количество вырабатываемого пара в единицу времени, килограмм в секунду (кг/с) или тонн в час (т/ч).

  2. Паронапряжение поверхности нагрева D/НК – это количество пара в килограммах, получаемого с 1 м2 поверхности нагрева за 1 ч. Эта величина является важной характеристикой, отражающей интенсивность паросъема в котле.

  3. Параметры получаемо пара – давление Р и температура t.

  4. Коэффициент полезного действия котла k – отношение количества теплоты расходуемой на образование пара (полезная теплота), ко всей затраченной теплоте, вносимой в топку с топливом. Коэффициент k характеризует степень использования теплоты сгорания топлива в котле.

Работа водогрейных котлов характеризуется следующими показателями.

    1. Теплопроизводительностью (мощностью) Q – количеством вырабатываемой теплоты в единицу времени, мегаватт (МВт) или гигакалорий в час (Гкал/ч).

    2. Тепловым напряжением поверхности нагрева котла Q/НК или удельной тепловой нагрузкой (Вт/м2) выражаемой количеством теплоты, передаваемой воде за единицу времени через 1 м2 поверхности нагрева.

    3. Температурой нагрева воды.

    4. Коэффициентом полезного действия k – отношением количества теплоты расходуемой на подогрев воды (полезная теплота), ко всей затраченной теплоте, вносимой в топку с топливом.



2 Понятие о циркуляции воды в котле
Для надежной и безопасной работы котла важное значение имеет циркуляция воды в нем. Циркуляцией называют непрерывное движение жидкости и парожидкостной смеси по некоторому замкнутому контуру. В результате этого обеспечивается интенсивный отвод теплоты от поверхности нагрева и устраняются местные застои пара и газа, что предохраняет поверхность нагрева от недопустимого перегрева, коррозии и предотвращает аварию котла.

Циркуляция в котлах может быть естественной, вследствие разности плотностей воды и пароводяной смеси, и принудительной (искусственной), создаваемой с помощью насосов.

На рисунке 2 показана упрощенная схема циркуляции воды в котле. Замкнутый циркуляционный контур состоит из барабана и коллектора, соединенных между собой подъемной и опускной трубами. При подводе теплоты к подъемной трубе вода в ней частично превращается в пар и образуется пароводяная смесь, плотность которой значительно меньше плотности воды в необогреваемой опускной трубе. В результате этого в замкнутом контуре создается напор, благодаря которому вода и пароводяная смесь приходит в движение: вода движется вниз к коллектору, а смесь – вверх в барабан, где пар отделяется от воды. Такой же процесс наблюдается и в тех случаях, когда опускные трубы обогреваются, но менее интенсивно, чем подъемные.



Рисунок 2 – Схема естественной циркуляции воды в котле
В паровых котлах циркуляционный контур состоит не из одной опускной и подъемной трубы, а из ряда параллельно включенных обогреваемых и необогреваемых (или слабо обогреваемых) труб, соединенных с барабаном и коллектором. Движущий напор Рдв, создаваемый при естественной циркуляции разностью плотностей воды и пароводяной смеси на различных участках циркуляционного контура может быть определен по формуле

,

где h – высота паросодержащего участка подъемной трубы контура, м;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

в и см – плотность воды и пароводяной смеси, кг/м3.

Обычно количество пара, образующегося в подъемных трубах, меньше, чем количество циркулирующей воды. Отношение массы воды, поступившей в циркуляционный контур, к массе пара, образовавшегося в нем за этот же промежуток времени, называется кратностью циркуляции. Кратность естественной циркуляции всегда больше единицы и колеблется от 8 до 50. Скорость входа воды в подъемные трубы называется скоростью циркуляции.

В водогрейных котлах, а также в некоторых конструкциях паровых котлов циркуляция создается насосом (принудительная циркуляция), обеспечивающим перемещение воды и пароводяной смеси, а также преодоление гидравлического сопротивления в циркуляционном контуре.
3 Водяной пар
Водяной пар получил широкое распространение, как рабочая среда в паросиловых установках, а также в качестве теплоносителя различных теплообменных аппаратов.

Водяной пар разделяется на сухой насыщенный, влажный и перегретый. Для уяснения этих понятий рассмотрим процесс образования пара из воды в цилиндре с подвижным поршнем. Допустим, что в цилиндре находится 1 кг воды при давлении Р и температуре 0 0С. Сохраняя это давление постоянным, будем нагревать цилиндр, сообщая теплоту воде. При этом удельный объем воды будет возрастать, а температура повышаться до температуры кипения. Начиная с этого момента вода (при постоянном давлении и температуре) будет превращаться в пар: по мере подвода теплоты масса воды будет уменьшаться, а масса пара увеличиваться.

Процесс превращения воды в пар называется парообразованием. В некоторый момент в результате парообразования в цилиндре вся вода (до последней капли) превратится в пар, который принято называть сухим насыщенным.

При наличии жидкости в цилиндре образующийся пар называется влажным насыщенным, или просто влажным. Этот пар представляет собой смесь сухого насыщенного пара и взвешенных мельчайших капелек воды при температуре ее кипения.

При дальнейшем подогреве цилиндра сухой насыщенный пар, получая теплоту, превращается в перегретый пар. Перегретым называется такой пар, у которого температура и удельный объем выше температуры и удельного объема сухого насыщенного пара при том же давлении.

Таким образом, получение перегретого пара состоит из трех последовательных процессов: подогрев воды до температуры кипения, парообразование, перегрев сухого насыщенного пара. Эти три процесса наблюдаются и в паровом котле – подогрев воды происходит в экономайзере котла, парообразование – в котле, пароперегрев – в специальном змеевиковом теплообменнике пароперегревателе.
4 Теплообмен в котельном агрегате
Между телами с различными температурами возникает процесс теплообмена, при котором теплота от более нагретых тел переходит к менее нагретым. Интенсивность теплообмена зависит от многих факторов и в первую очередь от разности температур, чем больше разность температур, тем интенсивнее протекает процесс передачи теплоты.

Переход теплоты от одного тела к другому осуществляется тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и лучеиспусканием.

Теплопроводность.

Процесс передачи теплоты внутри тела, обусловленный движением микрочастиц (молекул, атомов и свободных электронов) называется теплопроводностью. Обмен энергией между движущимися частицами происходит в результате их сталкивания. В более нагретой части тела молекулы обладают большей энергией. Сталкиваясь с соседними частицами, энергия которых меньше, они передают им часть своей энергии.

Различные тела обладают неодинаковой теплопроводностью жидкости и особенно газы имеют незначительную теплопроводность, поэтому они являются плохими проводниками теплоты, наибольшей теплопроводностью обладают металлы. Тела с малой теплопроводностью называются теплоизоляционными материалами.

Количество теплоты Q, Вт, передаваемой теплопроводностью через однослойную плоскую стенку за единицу времени, определяется по формуле



где – теплопроводность тела, Вт/(м∙°С) – это количество теплоты проходящей за единицу времени через стенку площадью 1 м2 и толщиной 1 м при разности температур на внешних поверхностях стенки 1 °С;

 – толщина стенки, м;

t1 и t2 – температуры на поверхностях стенки, °С;

F – площадь поверхности, м2.

Теплопроводность зависит от природы тела, его температуры, плотности, структуры и влажности.

Этот вид теплообмена наблюдается в котельном агрегате при передачи теплоты через металлические стенки труб.

Конвекция.

Если в сосуд налить жидкость и начать подогревать ее сни­зу, то нагретые нижние слои как наиболее легкие будут подниматься вверх, уступая место более тяжелым верхним слоям. При этом происходит перемеши­вание холодных и нагретых частиц жидкости, движение жидкости в сосуде и распространение теплоты. Такой способ передачи теплоты называется конвек­цией.

Конвекция подразделяется на сво­бодную и вынужденную. Если движение среды обусловлено разностью ее плот­ностей вследствие неравномерности обо­грева, то конвекция называется свобод­ной (естественной). Вынужденная (ис­кусственная) конвекция создается при­нудительно с помощью нагнетателей (на­соса, вентилятора и компрессора).
Таблица 1 – Теплопроводность некоторых материалов


Материал

Температура, °С

, Вт/(м∙°С)

Алюминий

0

384

Асфальт

20

0,7

Глина огнеупорная

450

1,04

Накипь котельная

65

1,5…3,1

Серебро

0

460

Сталь

20

45,5


При конвекции теплота передается не только в результате перемещения массы жидкости (макрообъемов), но и частично вследствие обмена энергией между мель­чайшими ее частицами, т. е. теплопро­водностью. Этот совместный процесс пере­дачи теплоты конвекцией и теплопро­водностью принято называть конвек­тивным теплообменом. Конвективный теплообмен между поверхностью твердо­го тела и омывающими ее жидкостью или газом называется теплоотдачей. Теплоотдача является сложным процес­сом теплообмена и описывается уравне­нием



где Q – количество передаваемой теплоты (тепловой поток), Вт;

– коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 0С);

t – температура среды, омывающей стенку, 0С;

tст – температура поверхности стенки тела, 0С;

F – поверхности стенки, м2.

Коэффициент теплоотдачи  зависит от многих факторов: скорости движения жидкости (чем больше скорость, тем больше ), состояния и природы жидкости (температура, плотность, вязкость), а также формы и размеров поверхности и т. д.

Конвекция наблюдается в котлах при передачи тепла от горячих газов к металлу труб, в основном в зоне конвективной поверхности теплообмена.

Тепловое излучение (лучеиспускание).

Передача теплоты излучением имеет важное значение в технике, особенно при высоких температурах теплоносителей. Теплообмен такого вида наблюдается в паровых котлах, печах, сушильных устройствах и т. д.

Лучистая энергия возникает главным образом как результат сложных внутриатомных процессов, при электромагнитных колебаниях с различными длинами волн. Решающую роль при переносе теплоты имеют лучи с длинами волн 0,76 – 353 мкм, которые принято назы­вать тепловыми. При попадании этих лучей на тело и поглощении им они превращают свою энергию в теплоту.

Лучи, падающие на тело, в зависимо­сти от его природы могут частично поглощаться, частично проходить сквозь тело и частично отражаться. Тело, способное полностью поглощать падающие на него лучи и обладающее максимальной способностью к излучению называется абсолютно черным. Таких тел в природе не существует. Близкими к абсолютно черному телу являются черное сукно, по­глощающее 98 % всей падающей энергии, черный бархат 98,5 % и др. Все окружающие нас тела поглощают и излучают меньше лучистой энергии, чем абсолютно черное тело и частично отра­жают и пропускают ее. Такие тела называются серыми.

Процесс лучистого теплообмена может происходить не только между твердыми телами, но и между твердым телом и газами, излучение которых отличается от излучения твердых тел. Одно– и двух– атомные газы практически не излучают и не поглощают энергию, т. е. являются прозрачными для проникания тепловых лучей. Трехатомные газы (СО2, SO2), в том числе водяной пар (Н2О), излучают и поглощают тепловую энергию. Это обстоятельство приходится учитывать при расчетах паровых котлов, так как указанные газы содержатся в продуктах сгорания топлива, а следовательно, теплота от них передается к поверхности нагрева не только конвекцией, но и лучеиспусканием.

Излучение газов по сравнению с твердым телом имеет некоторые особенности: в газах излучение и поглощение происходит во всем объеме, а у твердых тел – в поверхностном слое; твердые тела поглощают и излучают лучистую энергию всех длин волн, а газы – только определенных длин волн.

Процессы переноса тепла с помощью теплового излучения наблюдаются в котлах в основном зоне горения топлива, то есть в топках, где располагается радиационная поверхность нагрева.

При расчетах теплообмена паровых и водогрейных котлов, а также аппаратов систем теплоснабжения обычно приходится рассматривать сложный теплообмен, в котором участвуют все виды передачи теплоты: теплопроводность, конвекция и излучение.
  1   2   3
Учебный текст
© perviydoc.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации