2.7 Расчет камеры конвекции

Целью данного этапа являются расчет конвекционных труб и проведение анализа эффективности работы камеры конвекции. Поставленная цель осуществляется в следующей последовательности.

Поверхность конвекционных труб определяется уравнением:

, (37)

где Q_k – количество тепла, воспринятое конвекционными трубами;

K – коэффициент теплопередачи от дымовых труб к нагреваемому продукту;

Δt_ср – средняя разность температур;

(38)

Средняя разность температур определяется по уравнению:

, (39)

где Δt_б = t_п – t_к; Δt_м = t_ух – t₁ – соответственно большая и меньшая разность температур;

t_k – температура продукта на выходе из камеры конвекции, находится путем решения квадратного уравнения (21), предварительно определив теплосодержание продукта при этой температуре:

(40)

Количество тепла, воспринятое конвекционными трубами:

.

Тогда:

.

Уравнение (21) пишем в следующем виде:

, (41)

где a = 0,000405, b = 0,403

соответственно коэффициенты уравнения.

.

Решению уравнения удовлетворяет только одно значение корня:

.

.

Тогда

.

Коэффициент теплопередачи в камере конвекции рассчитывается по уравнению:

, (42)

где α₁, α_k, α_p – соответственно коэффициенты теплоотдачи от газов к стенке, конвекцией, излучением трехатомных газов.

α_p определяют по эмпирическому уравнению Нельсона:

α_p = 0,0256∙(t_ср – 273)-2,33, (43)

где t_ср – средняя температура дымовых газов, вычисляется по формуле:

(44)

.

Тогда

α_p = 0,0256∙(782,3700 – 273)-2,33 = 10,7099 Вт/м²К

α_k определяется следующим образом:

, (45)

где E – коэффициент, зависящий от свойств топочных газов.

.

Массовая скорость движения газов определяется по формуле:

, (46)

где f – свободное сечение прохода дымовых газов в камере конвекции, которое определяется по уравнению.

(47)

где n – число труб в одном горизонтальном ряду, S₁ – расстояние между осями труб в горизонтальном ряду, определено ранее; α – характерный размер для камеры конвекции; d – наружный диаметр труб; l_p – рабочая длина конвекционных труб.

(48)

.

.

Тогда:

.

.

Определяем число труб в камере конвекции:

(49)

где .

.

Принимаем: N_k = 92.

Число труб по вертикали:

(50)

.

Высота пучка труб в камере конвекции:

(51)

где S2 – расстояние между горизонтальными рядами труб, которое определяется как:

(52)

.

Определяем среднюю теплонапряженность:

(53)

.

Схема расположения труб и газовые потоки в камере конвекции показана на рисунке 3.

Рисунок 3 – схема расположения труб и газовые потоки в камере конвекции.

2.8 Гидравлический расчет змеевика трубчатой печи

Целью гидравлического расчета является определение общего гидравлического сопротивления змеевика печи или давление сырья на входе в змеевик, которое, в свою очередь, необходимо для выбора сырьевого насоса.

Давление сырья на входе в печь складывается из следующих составляющих:

P₀ = P_k + ΔP_и + ΔР_н + ΔР_к – Р_ст., (59)

где P_k, ΔP_и, ΔР_н, ΔР_к, Р_ст. – соответственно давление сырья на выходе из змеевика печи, значение которого приводится в исходных данных; потери напора: на участке испарения, на участке нагрева радиантных труб, в конвекционных трубах; статический напор.

Расчет необходимо начинать с определения потерь напора на участке испарения:

ΔP_и = Р_н - Р_к., (60)

где Р_н – давление в начале участка испарения, которое, в свою очередь, рассчитывается методом последовательного приближения, используя уравнение Бакланова:

, (61)

где А и В – расчетные коэффициенты:

; (62)

(63)

где λ, L₁, , d_вн, e, ρ_п – соответственно коэффициент гидравлического сопротивления (для атмосферных печей λ = 0,02 – 0,024), секундный расход сырья по одному потоку, плотность сырья при средней температуре на участке испарения (определяется по уравнению (30)), внутренний диаметр труб, доля отгона сырья на выходе из змеевика, средняя плотность паров при давлении 9,1 Па (при нагреве нефти 1/ρ_п = 3500);

l_и – длина участка испарения.

, (64)

где , , - соответственно теплосодержание паро-жидкостной смеси на выходе из змеевика, сырья на выходе из камеры конвекции, сырья при температуре начала испарения.

(65)

t_ср.и – средняя температура на участке испарения.

; (66)

l_рад. – эквивалентная длина радиантных труб

, (67)

n_p – число радиантных труб, приходящихся на один поток.

(68)

n – число потоков, N_p – общее число радиантных труб.

(69)

l_э – эквивалентная длина печного двойника (ретурбента);

d – наружный диаметр трубы;

l_p – рабочая длина одной трубы.

l_э = 50∙d.

l_э = 50∙0,179 = 8,95 м

.

Принимаем N_p = 74.

.

Тогда:

.

.

Суть метода расчета (метод итераций) Р_н по уравнению Бакланова заключается в следующем: задаются значения Рн; по заданной зависимости

Р_н = f(t_н)

определяют соответствующую этому t_н; рассчитывают коэффициенты А и В, длину участка испарения и получают расчетное значение давления в начале участка испарения; если это значение не совпадает с определенной точностью с заданным значением Р_н, то расчет возобновляется; при достижении заданной точности фиксируется значение Р_н и определяются потери напора на участке испарения.

Таблица 4 – Результаты расчет Р_н методом итераций.

№	Рн, задан. Па	tи, оС	tср.и, оС	, кг/м3	А	qtн, кДж/кг	lи, м	В	Рн, расч. Па
1	900000,0000	268,7643	314,3822	711,5954	101,7209	605,8630	792,3507	1286017,0937	917592,8164
2	917592,8164	270,2101	315,1051	711,1328	101,7871	609,8191	783,9177	1299851,3949	912832,2301
3	912832,2301	269,8222	314,9111	711,2569	101,7693	608,7567	786,1823	1296107,2628	914113,0549
4	914113,0549	269,9268	314,9634	711,2234	101,7741	609,0431	785,5717	1297114,6149	913767,9016
5	913767,9016	269,8986	314,9493	711,2324	101,7728	608,9660	785,7362	1296843,1556	913860,8729
6	913860,8729	269,9062	314,9531	711,2300	101,7731	608,9868	785,6918	1296916,2765	913835,8271
7	913835,8271	269,9042	314,9521	711,2307	101,7731	608,9812	785,7038	1296896,5782	913842,5741
8	913842,5741	269,9047	314,9524	711,2305	101,7731	608,9827	785,7006	1296901,8846	913840,7565
9	913840,7565	269,9046	314,9523	711,2305	101,7731	608,9823	785,7014	1296900,4551	913841,2461
10	913841,2461	269,9046	314,9523	711,2305	101,7731	608,9824	785,7012	1296900,8402	913841,1142

Приведем пример расчета Р_н для последней итерации.

Принимаем Р_н = 913841,2461 Па. По зависимости Р_н от t_н Р_н = f(t_н) определяем температуру в начале участка испарения:

t_и = 269,9046 ^оС.

Средняя температура на участке испарения:

.

Плотность сырья при средней температуре на участке испарения:

.

Коэффициент А:

Теплосодержание сырья при температуре начала испарения:

.

Длина участка испарения:

.

Коэффициент В:

.

Расчетное значение Р_н:

При полученном значении Р_н определяем потери напора на участке испарения:

.

Потери напора на участке нагрева радиантных труб:

(70)

где λ₂ – коэффициент гидравлического сопротивления.

l_н – эквивалентная длина участка нагрева радиантных труб по одному потоку:

(71)

.

ρ_ж – плотность продукта при средней температуре на участке нагрева радиантных труб:

(72)

.

.

U – массовая скорость продукта в радиантных трубах (в случае одинакового размера труб) на один поток:

(73)

.

Следовательно:

.

Потери напора в конвекционных трубах для одного потока:

(74)

где l_к – эквивалентная длина конвекционных труб.

(75)

.

ρ_ж – плотность продукта при средней температуре в конвекционных трубах:

.

Тогда:

.

Определение статического напора в змеевике печи:

, (76)

где h_T, h_K, _g – соответственно высота камеры радиации, высота камеры конвекции, плотность продукта при средней температуре:

h_T = (n_p – 1)∙S₁ + 0,5∙S₁ + 2∙0,25 (77)

h_T = (37 – 1)∙0,300 + 0,5∙0,300 + 2∙0,25 = 11,45 м.

.

Тогда:

.

Давление сырья на входе в печь:

.

График зависимости давления в начале участка испарения от температуры представлен на рисунке 4.

Схема, поясняющая расчет змеевика трубчатой печи, представлена на рисунке 5.

Рисунок 4 – график зависимости давления в начале участка испарения от температуры.

Рисунок 5 – схема, поясняющая расчет змеевика трубчатой печи.