Судовые котельные и паропроизводящие установки. Тепловой расчет парового котла

ЧЕРНОМОРСКОЕ ВЫСШЕЕ 
ВОЕННО-МОРСКОЕ УЧИЛИЩЕ 
ИМЕНИ П.С. НАХИМОВА
В.В. АЖИМОВ 
В.Г. СЕМЕНОВ
СУДОВЫЕ КОТЕЛЬНЫЕ 
И ПАРОПРОИЗВОДЯЩИЕ УСТАНОВКИ
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПАРОВОГО КОТЛА
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Рекомендовано 
экспертным советом ЧВВМУ имени П.С. Нахимова в качестве учебного пособия 
по дисциплинам «Судовые котельные и паропроизводящие установки», 
«Вспомогательные механизмы и системы» для студентов специальности
25.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок»
Москва
ИНФРА-М
2025

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11
УДК 621.181(075.8) 
ББК 39.455.11я73
 
А34
Р е ц е н з е н т:
В.В. Кузнецов, кандидат технических наук, доцент
Ажимов В.В.
А34  
Судовые котельные и паропроизводящие установки. Тепловой расчет парового котла : 
учебное пособие / В.В. Ажимов, В.Г. Семенов. — Москва : ИНФРА-М, 2025. — 49 с. — 
(Военное образование). 
ISBN 978-5-16-016449-6 (print)
ISBN 978-5-16-108225-6 (online)
Учебное пособие содержит методику и справочные материалы для выполнения расчетов 
судовых паровых котлов. Методика базируется на нормативном методе и использовании обобщенных зависимостей на основе приведенных тепловых характеристик.
Представлены общие методические указания и рекомендации, последовательность расчета, порядок выбора и оценки отдельных величин, построение графиков.
Разработано в соответствии с требованиями «Международной Конвенции о подготовке и дипломировании моряков и несении вахты» 1978 года с учетом Манильских поправок 
2010 года.
Для студентов и курсантов при изучении дисциплин «Вспомогательные механизмы и системы», «Судовые котельные и паропроизводящие установки».
УДК 621.181(075.8) 
ББК 39.455.11я73
© Черноморское высшее 
военно-морское училище 
имени П.С. Нахимова, 
2021
ISBN 978-5-16-016449-6 (print)
ISBN 978-5-16-108225-6 (online)
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru
Подписано в печать 05.09.2024. 
Формат 70100/16. Бумага офсетная. Гарнитура Petersburg. 
Печать цифровая. Усл. печ. л. 3,95.
ППТ12. Заказ № 00000
ТК 723701-2171401-090721
Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

ВВЕДЕНИЕ
Подготовка квалифицированных кадров инженеров-судомехаников в высших 
учебных заведениях невозможна без овладения методами теплового расчета паровых 
котлов. 
Учебная работа студентов над курсовым проектом связана с необходимостью 
использовать в процессе проектирования не только нормативные данные, но и рекомендации по выбору исходных значений, последовательности выполнения тепловых 
расчетов, пояснения к ним. В этом заключается принципиальное отличие учебного пособия для студентов при проектировании паровых котлов от Нормативного метода теплового расчета котельных агрегатов [1]. Пособие содержит в сжатом виде строгую последовательность расчета и необходимые расчетные формулы.
Учебное пособие составлено на основе третьего издания Нормативного метода 
теплового расчета котельных агрегатов, изданного в 1998 г. и разработанного коллективом авторов ведущих научно-исследовательских институтов (ВТИ и НПО ЦКТИ).
При выполнении расчета парового котла его паропроизводительность, параметры пара и питательной воды являются заданными. Поэтому цель расчета состоит в 
определении температур и тепловосприятий рабочего тела и газовой среды в поверхностях нагрева заданного котла. Таким образом, необходимо выполнить комплекс расчетно-графических работ по тепловому расчету топки, конвективного парообразующего пучка, пароперегревателя, экономайзера и сведение теплового баланса котла. 
Учебное пособие предназначено для закрепления студентами теоретических 
знаний, полученных при изучении соответствующих тем курса, а также для приобретения навыков в выполнении тепловых расчетов, необходимых для выполнения дипломного проекта, а также в будущей деятельности в качестве судового механика.
Исходные данные сведены в таблицу 1. Конструктивные характеристики парового котла представлены на рисунках 1 и 2.
1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА
Таблица 1
Вид топлива и его элементарный состав
углерод
водород
сера
кислород
азот
зольные элементы
влага
Коэффициент избытка воздуха, 
Содержание трехатомных газов в 
продуктах сгорания, %
Давление в паровом коллекторе, кг/см2
Расход топлива, кг/ч
Отбор перегретого пара,  т/ч
Температура топлива, ϨС
Температура воздуха,  ϨС
Температура воды,  ϨС
Вид
CP
HP
SP
OP
NP
AP
WP
В
tТ
tВ tПВ Į
RO2max РПК DПП
Этапы расчета построены по принципу последовательности, то есть результаты 
предыдущего расчета являются исходными данными для следующего.
3

2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПАРОВОГО КОТЛА
Топка
Экран однорядный
Объем, м
VT
2,24
Диаметр труб, мм
d
29
Длина, м
LT
1,63
Толщина стенок труб, мм
2,5
Площадь лучевоспринимающей поверхности, м2
FЛ
7,20
Поперечный шаг труб, мм
S1
30,75
Количество труб в ряду
n
53
Площадь стенок, м2
FСТ
9,7
Площадь лучевоспринимающей поверхности, м2
FЭЛ
3,86
Степень экранирования 
топки
ȥ
0,74
3
Конвективный пучок коридорный
Экономайзер коридорный
Диаметр труб, мм
d
29
Диаметр труб, мм
d
29
Толщина стенок труб, мм
2,5
Толщина стенок труб, мм
2,5
Поперечный шаг труб, мм
S1
38
Поперечный шаг труб, мм
S1
48
Продольный шаг труб, мм
S2
55
Продольный шаг труб, мм
S2
48
Количество рядов труб 
z
11
Количество рядов труб 
z
8
Количество труб в ряду
n
43
Количество труб в ряду
n
15
Ширина газохода котла, м
BКГАЗ
1,63
Длина газохода, м
LГАЗ
1,63
Площадь лучевоспринимающей поверхности, м2
FКЛ
3,34
Ширина газохода экономайзера, м
BЭГАЗ
0,75
№ ряда
Длина 
труб,
мм
Высота 
труб,
мм
Экран
1
2512
1500
Конвективный пучок
1
2212
1560
2
2197
1580
3
2189
1590
4
2207
1600
5
2242
1660
6
2294
1720
7
2344
1780
8
2500
1840
9
2654
1900
10
2752
1960
11
2900
2060
Опуск
1
2600
1840
Рисунок 1 – Паровой котел с экономайзером
4

КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПАРОВОГО КОТЛА
Топка
Экран однорядный
Объем, м
VT
3,14
Диаметр труб, мм
d
29
Длина, м
LT
2,13
Толщина стенок труб, мм
2,5
Площадь лучевоспринимающей поверхности, м2
FЛ
9,55
Поперечный шаг труб, мм
S1
30,75
Количество труб в ряду
n
69
Площадь стенок, м2
FСТ
12,87
Площадь лучевосприниFЭЛ
5,00
Степень экранирования 
топки
ȥ
0,74
мающей поверхности, м2
Конвективный пучок коридорный
Пароперегреватель коридорный
Диаметр труб, мм
d
29
Диаметр труб, мм
d
29
Толщина стенок труб, мм
2,5
Толщина стенок труб, мм
2,5
Поперечный шаг труб, мм
S1
38
Поперечный шаг труб, мм
S1
42
Продольный шаг труб, мм
S2
55
Продольный шаг труб, мм
S2
42
Количество рядов труб
z
11
Количество рядов труб
z
12
Количество труб в ряду
n
56
Количество труб в ряду
n
22
Ширина газохода пучка, м
BКГАЗ
2,13
Длина газохода, м
LГАЗ
1,96
Площадь лучевоспринимающей поверхности, м2
FКЛ
4,55
Ширина газохода пароперегревателя, м
BПГАЗ
1,01
№ 
ряда
Длина 
труб,
мм
Высота 
труб,
мм
Экран
1
2562
1660
Конвективный пучок
1
2352
1580
2
2337
1600
3
2329
1620
4
2347
1640
5
2382
1680
6
2424
1720
7
2484
1780
8
2640
1820
9
2794
1900
10
2892
1980
11
2940
2080
Опуск
1
2650
1900
Рисунок 2 – Паровой котел с пароперегревателем
5

3. РАСЧЕТ РАСХОДА ВОЗДУХА И ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ МАЗУТА
Задание
Используя исходные данные, вычислить:
–
действительную объемную часть трехатомных газов (RO2) в продуктах сгорания;
–
теоретически необходимый и действительный объемы воздуха для сжигания 1 кг 
топлива;
–
объемы компонентов продуктов сгорания 1 кг топлива;
–
энтальпию продуктов сгорания в интервале температур от 200 до 2000qС;
–
построить I–t-диаграмму.
Таблица 2
Обозначение
Размерность
Расчет
№
пп.
Наименование
рассчитываемой 
величины
Результат
RO2max
%
Из таблицы 1
1
Максимальная объемная часть трехатомных 
газов в сухих продуктах сгорания
2
Коэффициент избытка 
воздуха
Į
–
Из таблицы 1
006
,
0
max
2

D
RO
3
Объемная часть трехатомных газов в сухих 
продуктах сгорания
RO2
%
4
Приведенный углерод
Кр
%
Ср + 0,375˜Sp ,
где Ср, Sp  элементарный состав 
топлива из таблицы 1
5
Теоретическая масса 
воздуха для сжигания 
1 кг топлива
G0В
кг/кг
0,115ÂКр  0,342ÂНр – 0,0431ÂОр,
где Нр, Оp  элементарный состав 
топлива из таблицы 1
6
Плотность воздуха при 
нормальных условиях
ȡв
кг/м3
Справочные данные.
Таблица П1
7
Теоретический объем 
воздуха для сжигания
1 кг топлива
V0В
м3/кг
G0В / ȡВ
8
Действительная масса 
воздуха для сжигания 
1 кг топлива
GВ
кг/кг
Į·G0В
9
Действительный объем 
воздуха для сжигания
1 кг топлива
VВ
м3/кг
Į·V0В
Р
К
100
866
,
1
10
Объем трехатомных газов (RO2) в продуктах 
сгорания 1 кг топлива
V0RO2
м3/кг
6

Окончание таблицы 2
Обозначение
Размерность
Расчет
№
пп.
Наименование
рассчитываемой 
величины
Результат
V0N2
м3/кг
0,79˜ܸ
஻
଴+  0,8˜ ܰ௣
100 ,
11
Теоретический объем 
азота в продуктах 
сгорания 1 кг топлива
где Np  элементарный состав 
топлива  из  таблицы 1
V0H2O
м3/кг
0,111ÂНР  0,0124ÂWP  0,0161ÂV0B
где Нр, Wp  элементарный состав 
топлива из таблицы 1
12
Теоретический объем 
водяного пара в продуктах сгорания 1 кг 
топлива
VH2O
м3/кг
V0H2O  0,0161Â(Į – 1)ÂV0B
13
Действительный объем 
водяного пара в продуктах сгорания 1 кг 
топлива
14
Объем продуктов 
сгорания 1 кг топлива
VГ
м3/кг
V0RO2 + V0N2 + V0H2O +
+(Į – 1)ÂV0B
–
V0RO2 / VГ
2
RO
J
15
Объемная часть трехатомных газов (RO2)
в продуктах сгорания
–
V0H2O / VГ
O
H 2
J
16
Объемная часть 
водяного пара в продуктах сгорания
–
Г
J
O
H 2
J
2
RO
J
17
Объемная часть 
греющих газов 
в продуктах сгорания
18
Масса продуктов сгорания 1 кг топлива
GГ
кг/кг
1  1,01ÂG0В
19
Расход топлива
В*
кг/с
В/3600
В – из таблицы 1
20
Расход воздуха в котле
G*
В
кг/с
В*·GВ
21
Массовый расход 
продуктов сгорания
G*
Г
кг/с
В*·GГ
22
Объемный расход 
продуктов сгорания
V*
Г
м3/с
В*·VГ
7

Расчет энтальпии. Построение I–ࣖ-диаграммы
Расчетная формула
I = (V0RO2·CCO2 + V0N2·CN2 + VH2O·CH2O)·ߴ (Į–1)·V0B·CB·ߴ, кДж/кг,
где V0RO2, V0N2, VH2O, V0B – объемы 3-атомных газов, азота, водяного пара;
CCO2, CN2, CH2о , CB – теплоемкости углекислого газа, азота, пара, воздуха;
ߴГ – температура продуктов сгорания.
Таблица 3
Температура газа, 
ߴГ (тета), žС
Теплоемкость газов, 
СР, кДж/м3žС
Результат расчета 
энтальпии, I (иота),
МДж/кг
1000 кДж/кг = 1 МДж/кг
CСО2
CN2
CH2O
CB
200
1,7873
1,2996
1,5223
1,3318
400
1,9297
1,3168
1,5664
1,3544
600
2,0411
1,3402
1,6148
1,3829
800
2,1311
1,3671
1,6681
1,4114
1000
2,2035
1,3917
1,7229
1,4373
1200
2,2638
1,4143
1,7769
1,4612
1400
2,3136
1,4348
1,8281
1,4831
1600
2,3555
1,4528
1,8761
1,5018
1800
2,3915
1,4687
1,9213
1,5177
2000
2,4221
1,4825
1,9628
1,5328
Рисунок 3 – Построение
I–ߴ-диаграммы
Построение I–ࣖ-диаграммы выполняется на листе миллиметровки формата А4 в масштабе:
– по оси ординат 1 мм соответствует
0,1 МДж/кг;
– по оси абсцисс 1 мм соответствует 10qС.
Диаграмма строится в виде двух веток, как 
показано на рисунке 3, разбив интервал температур пополам. Левая ветка для интервала температур от 200 до 1000qС, а правая для интервала 
температур от 1000 до 2000qС. 
ВНИМАНИЕ: параметры последней точки левой ветки должны соответствовать первой 
точке правой ветки. 
Линии веток диаграммы проводятся по 
расчетным точкам тонко заточенным карандашом. Они должны представлять собой плавно 
изогнутые кривые с постоянно увеличивающимся наклоном. Такое изменение наклона кривых 
объясняется ростом теплоемкости продуктов 
сгорания  с увеличением температуры.
Диаграмма вклеивается в отчет расчетнографической работы.
8

4. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТОПКИ
Задание
Используя исходные данные и результаты предыдущего расчета выполнить тепловой расчет топки и определить:
–
тепловое восприятие в топке QТ;
–
энтальпию и температуру продуктов сгорания на выходе из топки;
–
тепловое напряжение топочного объема qТ;
–
коэффициент прямой отдачи ı.
Таблица 4
Обозначение
Размерность
Расчет
№
пп.
Наименование 
рассчитываемой 
величины
Результат 
GB
кг/кг
Из расчета расхода воздуха и 
продуктов сгорания, п.8
1
Действительная масса 
воздуха для сжигания 
1 кг топлива
2
Температура воздуха
tВ
žС
Из таблицы 1
СВ
кДж/кгžС
Определить по таблице П1. 
Справочные данные
3
Теплоемкость воздуха 
при заданной температуре
4
Теплота, вносимая 
в топку с воздухом
QBОЗД
кДж/кг
GBÂСВ·tВ
5
Температура топлива
tТ
žС
Из таблицы 1
СТ
кДж/кгžС
1,89 + 0,0053ÂtТ
6
Теплоемкость топлива при заданной температуре
7
Теплота, вносимая 
в топку с топливом
QТОПЛ
кДж/кг
СТ · tТ
)
1
(
21
2
2
E

˜

 
RO
О
Объемная часть 
кислорода в продуктах сгорания
8
О2
%
,
где RO2 – объемная часть трехатомных газов в сухих продуктах 
сгорания – из расчета продуктов 
сгорания;
E – характеристика топлива из 
справочных данных, таблица П2
СО
%
9
605
,
0
)
(
)
21
(
2
2
2




 
E
E
O
RO
RO
CO
Объемная часть окиси 
углерода в продуктах 
сгорания
9

Окончание таблицы 4
Обозначение
Размерность
Расчет
№
пп.
Наименование 
рассчитываемой 
величины
Результат 
Q3
кДж/кг
10
СО
RО
СО
К
Р

˜
2
237
Потери теплоты 
вследствие химической 
неполноты сгорания 
топлива
Адиабатная энтальпия 
продуктов сгорания
Iа
кДж/кг
QРН + QBОЗД + QTОПЛ  Q3,
11
где QРН – низшая теплота сгорания рабочей массы топлива.
Можно принять:
– для Ф-5 41215 кДж/кг
– для Ф-12  41565 кДж/кг
Температура продуктов 
сгорания
ߴа
žС
Определить по I–ߴ-диаграмме 
из расчета продуктов сгорания
12
Та
К
tа + 273
13
Коэффициент сохранения теплоты
ij
–
Принять согласно справочным
данным (Табл. П2)
ȟ
–
Принять согласно справочным
данным (Табл. П2)
14
Коэффициент загрязнения поверхности 
нагрева
Средний коэффициент 
тепловой эффективности топки
15
ȥЭ
–
ȟÂȥ ,
где ȥ – степень экранирования 
топки
из Таблицы конструктивных 
элементов котла (рис. 1 или 2
варианта задания)
Дальнейший расчет выполняется согласно Нормативному методу, в основе которого лежат полуэмпирические зависимости. 
Основное из них – критериальное уравнение, которое связывает температуру продуктов сгорания на выходе из топки с критерием Больцмана топки:
șT =
                                                                                                                                    
.
              
Так как обусловленная температура входит в правую и в левую часть уравнения, 
то для ее вычисления воспользуемся методом последовательных приближений.
То есть, задавшись тремя значениями температуры продуктов сгорания на выходе 
из топки, расчет выполнить одновременно для трех значений температуры ߴ'Т в колонках 6, 7, 8. Затем, построив интерполяционный график, определить искомую температуру. Пример построения интерполяционного графика показан на рисунке 4.
В первом приближении температуру продуктов сгорания на выходе из топки ߴ'Т
можно выбрать в интервале от 800 до 1300qС. Два других значения температуры должны отличаться от среднего на ±100žС.
10