РАДИАНТНАЯ СЕКЦИЯ

При расчете радиантной секции печи устанавливают зависимость между количеством тепла, получаемым трубами этой секции, величиной поверхности нагрева, температурой дымовых газов над перевальной стенкой и тепловой напряженностью радиантных труб.

Существует много методов расчета радиантной секции печи [1, 5, 6, 8, 9, 12, 13]. На основе сравнительного анализа показано, что наиболее точным методом является аналитический метод Н. И. Белоконь. Он ввел понятие об эквивалентной абсолютно черной поверхности (Нs, м²), которая служит геометрической характеристикой топки. При расчете радиантной секции по Н. И. Белоконь должны быть известны: коэффициент избытка воздуха а, масса продуктов сгорания 1 кг топлива G, теплота сгорания топлива Q^н_р , температура сырья на входе и выходе из печи t₁ и t₂ коэффициент полезного действия печи η, количество полезно затраченного тепла

Qпол, расход топлива В. Определяют: количество тепла, воспринимаемого радиантными трубами печи, Qр, поверхность этих труб Hр.тр, температуру дымовых газов над перевальной стенкой t_п тепловую напряженность радиантных труб q_{р. тр}. Порядок расчета рекомендуется [5] следующий.

1. Задаются температурой дымовых газов над перевальной стенкой t_п и последующим расчетом проверяют правильность принятой величины.

2. Определяют среднюю теплоемкость {Срm, кДж/(кг-К)] продуктов сгорания 1 кг топлива при t_п. Расчет ведут по уравнению

где G—масса всех продуктов сгорания, кг/кг топлива; , , , - массы компонентов продуктов сгорания, кг/кг топлива; , , , теплоемкости компонентов продуктов сгорания 1 кг топлива, кДж/(кг-К).

Значения теплоемкости продуктов сгорания можно найти по рис. 38.

3. Определяют приведенную температуру исходной системы (tо) по уравнению

где а—коэффициент избытка воздуха; L₀—теоретическое количество воздуха, кг/кг; Св—средняя теплоемкость воздуха, кДж/(кг-К); tв—температура воздуха, поступающего в топку, °С; w_Ф—расход пара для распыления топлива в форсунках, кг/кг; tф—энтальпия форсуночного водяного пара, кДж/кг, равная

Gг.р—количество газов рециркуляции, кг/кг; Сг.р, tг.р—теплоемкость газов рециркуляции, кДж/(кг ^. К), и их температура, °С; Ст, tт—теплоемкость топлива, кДж/( кг ^. К), и его емпература, °С.

В технических расчетах энтальпией форсуночного пара можно пренебречь.

4. Определяют максимальную расчетную температуру горения (t_макс ⁰С)

гдеη_т — к. п. д. топки — рекомендуется принимать в пределах 0,94—0,98.

Рис. 88. График, для определения средних теплоемкостей газов.

В случае работы печи без рециркуляции дымовых газов можно принимать температуру исходной системы равной температуре поступающего воздуха, т. е. tо≈tв.

5. Определяют количество тепла, воспринимаемого сырьем через радиантные трубы (Qр, кДж/или Вт)

где It_п—энтальпия дымовых газов при температуре перевала, кДж/кг

6. Определяют количество тепла, воспринимаемого сырьем через конвекционные трубы (Qк кДж/ч или Вт)

где Qпол—полезно использованное тепло, кДж/ч или Вт; Qух.г—тепло, уносимое уходящими дымовыми газами, кДж/ч или Вт.

7. Определяют энтальпию Iк, кДж/кг) и температуру (tк) сырья при входе в радиантные трубы (на выходе из конвекционных труб)

где It₁—энтальпия сырья при входе, в печь, кДж/кг; Gс—масса сырья, кг/ч; Qк — тепло, воспринимаемое конвекционными трубами, кДж/ч.

На выходе из камеры конвекции в связи с высоким давлением все сырье находится в жидкой фазе; поэтому по найденным значениям энтальпии и плотности можно однозначно определить температуру входа сырья в радиантные трубы tк.

8. Определяют среднюю температуру наружной поверхности радиантных труб (tст)

где t₂-конечная температура нагрева сырья, °С; t^/—разность температур между наружной поверхностью труб и температурой сырья (t^/ =20—60 ⁰C)

9 Определяют поверхность радиантных труб (Hр.тр, м²). Для этого по графикам рис, 39 [8] определяют значение параметра

где Q—количество тепла, вносимого в топку топливом, воздухом и форсуночным паром кДж/ч; Hs—эквивалентная абсолютно черная поверхность, м² Величина q_S зависит от принятой температуры дымовых газов над перевальной стенкой tп, максимальной расчетной температуры горения tмакс и температуры наружной стенки трубы tст.

Общее количество тепла, вносимого в топку, составляет

Для технических расчетов можно определить общее количество тепла, внесенного в топку с топливом и воздухом

или одним топливом

Определив по графику q_S, находят предварительное значение эквивалентной абсолютно черной поверхности Нs =Q/q_S (м ).

10. Задаются степенью экранирования кладки

где Hл—эффективная лучевоспринимающая поверхность, м²; F — неэкранированная поверхность кладки, м².

и коэффициентом избытка воздуха а; по графику на рис. 40 определяют величину Hs/Hл. Степень экранирования кладки в современных печах находится в пределах 0,3—0,8, а чаще всего в пределах 0,35—0,5. Если при данном значении φ не обеспечивается размещение труб, задаются другим значением и расчеты повторяют

11 Определяют эффективную лучевоспринимающую поверхность (Нл, м²)

12. Определяют размер заэкранированной плоской поверхности,

заменяющей трубы (Н, м²)

где К—фактор формы, определяемый по графику Хоттеля (рис. 41) в зависимости от расстояния между осями труб и от их числа рядов труб; он показывает, какая доля тепла поглощается трубами от того количества, которое в тех же условиях поглощала бы полностью заэкранированная поверхность. Так, для наиболее распространенного в печах расстояния между осями труб 2d при однорядном экране K=0,87, для двухрядного K = 0.98

Рис. 40. График для определения величины Нs/Нл. Рис. 41. График Хоттеля для определения фактора формы К.

Количество тепла, передаваемого: 1 — двум рядам труб; 2 — одному ряду труб (всего один ряд); 3— нижнему ряду труб (всего два ряда); 4 — верхнему ряду труб (всего два ряда); .5 — прямое излучение, передаваемое нижнему ряду труб (всего два ряда); 6 — то же верхнему ряду труб (всего один ряд).

13. Принимая длину трубы l и вычисляя полезную длину ∆l=l—2а (где а—часть трубы, расположенная в кладке печи), определяют высоту экрана одной камеры (h, м)

14. Принимают конструкцию печи и рассчитывают число труб в каждой радиантной камере. Если в печи две радиантных камеры, то число труб п можно определить из равенства

Где d – наружный диаметр трубы, м

Затем располагают трубы в каждой камере и определяют поверхность радиантных труб всей печи (Hр. тр, м²) и размеры камеры радиации. Между поверхностью радиантных труб Hр.тр и заэкранированной поверхностью кладки Н существует зависимость. для однорядного экрана

для двухрядного экрана

Затем проводят поверочный расчет камеры радиации.

1. Определяют размер неэкранированной поверхности кладки (F, м²):

2. Определяют более точно значение эквивалентной абсолютно черной поверхности (Нs, м²)

где ε_P—степень черноты поглощающей среды; зависит от концентрации трехатомных газов в продуктах сгорания топлива; приближенно для данного топлива во можно подсчитать (по предложению Адельсон [6]), используя коэффициент а

φ(T) принимается равной 0,8—0,85; ε_H и ε_F — соответственно степень черноты экрана и кладки печи; рекомендуется ε_H = ε_F=0,9; β — коэффициент.

Коэффициент р определяют по уравнению

где ρ_FH — угловой коэффициент взаимного излучения поверхностей экрана и кладки, определяется в зависимости от отношения Hл/F; если Нл/Р<0, 5 то ρ_FH =Нл/F; если Hл/F≥0,5, то ρ_FH =Нл/(/F+Hл) =н_л/ΣF=φ), ΣF — суммарная поверхность экрана и кладки, м².

3. Определяют коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией от дымовых газов к радиантным трубам [ак, ВтДм^К) или кДж/(м2.ч-К)]

Величину Ок можно определить по графику на рис. 42.

4. Вычисляют температурную поправку теплопередачи в топке(∆T, К)

где Hр.тр—поверхность радиантных труб, м²; Тмакс—максимальная температура горения, К; То—средняя температура экрана, К; Сs—постоянная излучение абсолютно черного тела; Сs=5,67 Вт/(м2-К).

Аргумент излучения х вычисляют по формуле

5. Пользуясь графиком на рис. 43, по значению аргумента излучения находят арактеристику излучения βs.

6. Температуру дымовых газов (Tп, К) над перевальной стенкой определяют из уравнения

Рис. 42. График для определения коэффициента теплоотдачи свободной конвекцией

Tп= βs (Tмакс-Tо)

или (в °С)

tп=Тп-273

Если полученная расчетом температура газов на перевале значительно отличается от ранее принятой, то следует произвести перерасчет. Завышенная или заниженная температура свидетельствует о том, что выбранная поверхность радиантных труб мала или велика. Поэтому надо либо увеличить, либо уменьшить Hр. тр.

7. Определяют коэффициент прямой отдачи μ по формуле

где tо—приведенная температура исходной системы, °С.

8. Определяют количество тепла, полученного радиантными трубами (Qр, кДж/ч или Вт)

9. Рассчитывают тепловую напряженность радиантных труб (q_р.тр, кДж/ч/(м^{2 ..}ч) или Вт/м²)

Если полученная в результате расчета тепловая напряженность радиантных труб допустима, то результаты расчета приемлемы. В ином случае надо изменить принятый режим.

10. Зная диаметр (1 труб печи и длину / одной трубы, определяют полезную поверхность одной трубы (Fтр, м²)

Число труб

11. Тепловая напряженность топочного пространства (q_v, кДж/ч/(м^{3 ..}ч) или Вт/м²)

где V—объем топочного пространства, м³.

Рис. 43. Кривые зависимости характеристики излученияβs от аргумента излучения х.

12. Объем топочного пространства одной камеры равен

где а—высота камеры радиации, м; b—ширина камеры радиации, м; l—длина трубы, м.

КОНВЕКЦИОННАЯ СЕКЦИЯ

Процесс теплопередачи в конвекционной секции (камере) складывается из передачи тепла от газового потока к трубам конвекцией и радиацией. Основное влияние на передачу тепла имеет конвекционный теплообмен. Трубы в конвекционной камере принято располагать в шахматном порядке, так как в этом случае коэффициент теплопередачи при прочих равных условиях наибольший.

Самая трудоемкая часть расчета поверхности конвекционных труб — определение коэффициента теплопередачи. Коэффициент теплопередачи К в камере конвекции представляет собой сумму коэффициента теплоотдачи конвекцией йк и коэффициента теплоотдачи радиацией a_р. Численное значение а_к==11,6—29 Вт/м², a_р ==6,9—21 Вт/м². Порядок расчета поверхности конвекционных труб можно предложить следующий.

1. Определяют тепловую нагрузку камеры конвекции (Qк, Вт).

Для этого из полезной тепловой нагрузки печи вычитают количество тепла, воспринимаемого радиантными трубами

2. Определяют температуру сырья на выходе из камеры конвекции tк. Для этого необходимо знать температуру сырья на входе в трубы этой камеры, тепловую нагрузку камеры конвекции и массу прокачиваемого через трубы сырья. Энтальпия сырья Iк кДж/кг) на выходе из камеры конвекции равна [см. формулу (94)]

где It — энтальпия сырья на входе в печь при температуре t °С, кДж/кг; Qк - количество тепла, передаваемого в камере конвекции сырью, кДж/ч; Qс — количество прокачиваемого сырья,кг/ч.

ПРИЛОЖЕНИЕ 20

ЭНТАЛЬПИЯ ЖИДКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ [величина а в формуле (47)]

ПРИЛОЖЕНИЕ 21ЭНТАЛЬПИЯ ПАРОВ НЕФТЕПРОДУКТОВ [величина а в формуле (49)]

По данному значению энтальпии находят (см. Приложения 20 и 21) температуру сырья на выходе из камеры конвекции.

3. Определяют среднюю температуру (tср) дымовых газов в конвекционной камере, зная их температуру над перевальной стенкой tп и температуру дымовых газов на выходе из печи tух.

4. Определяют среднюю разность температур (тер) между дымовыми газами и нагреваемым продуктом по формуле (73)

где tп—температура над перевальной стенкой; tух—температура газов, уходящих из печи; tн—температура поступающего в печь сырья; tк—температура сырья, покидающего камеру конвекции.

5. Определяют массовую скорость [(U, кг/м^2.с)] движения дымовых газов

где Qс—секундный расход дымовых газов, кг/с; /к—живое сечение камеры конвекции, м².

Рис. 44. График для определения коэффициента Е при шахматном расположении труб,

Секундный расход дымовых газов можно определить по уравнению

где а—коэффициент избытка воздуха; Lо— теоретически необходимый расход воздуха для

сжигания 1 кг топлива, кг/кг.

Для определения живого сечения камеры конвекции задаются расстоянием между осями труб по горизонтали и числом труб л в одном горизонтальном ряду. Расстояние между осями труб (51) обычно принимают равным 1,7—2,0 и (диаметра трубы). Ширину камеры конвекции (Mк, м) можно вычислить, используя равенство

где S1—расстояние между осями труб, м; d—диаметр труб, м; n—число труб.

Живое сечение камеры конвекции (fк, м²)

где lпол — полезная длина трубы, м.

6. Определяют коэффициент теплоотдачи конвекции [а_к Вт/(м^2.К)] от газов к трубам. Для труб, расположенных в шахматном порядке, рекомендуют определять коэффициент теплоотдачи конвекцией по формуле

где Е—коэффициент, зависящий от физических свойств топочных газов, определяется по графику на рис. 44 в зависимости от средней температуры газов tср.

7. Определяют эффективную толщину газового слоя (S, м) по уравнению

8. Находят среднюю температуру наружной поверхности конвекционных труб (tст °С)

где tн—температура входа сырья в конвекционный змеевик,⁰С; tк—темпера-

тура выхода сырья из конвекционного змеевика, °С.

Считают, что температура наружной поверхности трубы больше средней температуры сырья на 20 °С.

9. Определяют парциальное давление трехатомных газов и водяных паров ( Па)

где и — количество трехатомных газов и водяных паров, моль;

ΣNi— суммарное количество дымовых газов, моль.

Затем умножают величину и на эффективную толщину газового слоя, получая величины парциального давления

10. Определяют коэффициент теплоотдачи излучением (радиацией), используя формулы [5], либо графики, приведенные на рис. 45 и 46, где в зависимости от парциального давления р', tср и tст находят коэффициенты теплоотдачи излучением для водяных паров и для трехатомных газов а затем суммарный коэффициент

Для многих технических расчетов коэффициент теплоотдачи [а_р, Вт/м^2.К] можно определить по эмпирическому уравнению Нельсона

11. Определяют коэффициент теплопередачи ,[К, Вт/м^2.К] от дымовых газов

12. Определяют необходимую поверхность нагрева конвекционных труб (Hк. тр, м²)

где Qн—количество тепла, передаваемого в конвекционной камере сырью, Вт; К - коэффициент теплопередачи от дымовых газов (Вт/м^2.К)/; τ_cр—средняя разность температур между дымовыми газами и нагреваемым сырьем..

13. Определяют число труб л в конвекционной камере

ВНИИнефтемашем предложен метод подбора трубчатых печей, согласно которому в зависимости от общей полезной теплопроизводительности печи Qпол и величины среднедопускаемого напряжения радиантных труб q_p можно подобрать по каталогу типоразмер печи. Теплопроизводительность печи Qпол рассчитывают

по формуле (85). Для определения диаметра и числа потоков необходимо предварительно выбрать оптимальную скорость нагреваемой среды. Оптимальная скорость соответствует наименьшей удельной стоимости нагрева. На практике скорость протекания по трубопроводам капельных жидкостей (в м/с) 0,5—3, для вязких жидкостей 0,5—2,0; для паров и газов, находящихся под небольшим давлением, 8—15, под давлением 3—10; для водяного насыщенного пара 20—30, для перегретого 30—50. Оптимальная скорость при нагреве нефти может быть принята 1,2—2,5 м/с. В конвекционных трубах, где теплонапряжение поверхности нагрева небольшое, могут быть приняты малые скорости нагреваемой среды.

После того, как выбрана скорость протекания продукта, определяют необходимое сечение труб (5, м²) по формуле

где (Gн.п — производительность печи, кг/ч; р^t — плотность нефтепродукта;(ω - скорость протекания продукта по трубам печи, м/с.)

Для известной площади поперечного сечения труб подбирают по Приложению 41 диаметр труб и соответствующее число потков. По числу необходимых потоков с учетом потребной

ТАБЛИЦА 1. ДОПУСТИМЫЕ СРЕДНИЕ ТЕПЛОВЫЕ НАПРЯЖЕННОСТИ

Исполнение печи

теплопроизводительности выбирают тип трубчатой печи. Средняя допускаемая тепловая напряженность трубного экрана может быть принята на основании данных эксплуатации подобных установок.Для некоторых установок значения может быть взято из табл. 1. В этой таблице приведены средние допустимые тепловые напряженности для выбранного типа печей и соответствующей установки. По каталогу или Приложению 42, используя график зависимости теплопроизводительности (Qпол) от допускаемой средней тепловой напряженности радиантных труб, определяют для печей выбранного типа типоразмер печи. В соответствии с каталогом или Приложениями 37—39, и 42 принимают поверхность радиантных труб.