Основные обозначения
а – ширина, м
В – расход топлива, кг/с
с
– теплоемкость, Дж/(
)
d – диаметр трубы, м
е – доля отгона
G – расход сырья, кг/с; водяного пара на распыливание топлива, кг/кг
F – площадь, м2
f – свободное сечение, м2
Н – концентрация водорода в топливе, %(масс); эквивалентная, эффективная,
плоская поверхность, м2; энтальпия пара, кДж/кг
h – высота , м; энтальпия жидкости, кДж/кг
К-
коэффициент теплопередачи, Вт/(
);
фактор формы
l – длина трубы (полезная); геометрический размер
N – концентрация азота в воздухе, % масс
n – число труб
О – концентрация кислорода в воздухе, топливе, % (масс)
Р – давление, Па
Q – теплотворная способность топлива, кДж/кг
q – тепловое напряжение, кВт/м2; потери тепла, кДж/кг
S – расстояние между осями труб, м; концентрация серы в топливе, % (масс)
Т – температура, К
u
– массовая скорость, кг/(
)
V – удельный расход воздуха, м3/кг
W – концентрация влаги в топливе, %(масс)
ω – скорость, м/с
Х – аргумент излучения
α – коэффициент избытка воздуха; коэффициент теплопередачи, Вт/(м2град)
β – характеристика излучения
γ – вспомогательная функция
– разность
ε – степень черноты
η – коэффициент полезного действия
θ – температура, К
μ – динамическая вязкость, Па·с
ρ – плотность, кг/м3; угловой коэффициент взаимного излучения поверхностей
ψ – степень экранирования
Индексы
б – большее
в – внутренний
к – конвективный
Δ – лучевоспринимающий, лучистый
м – меньшее
mах – максимальный
о.и. – однократное испарение
п – перевал, полезный
полн. – полный
пот. – потери
р – радиантный
с – сырье
ух. – уходящий
ф – форсуночный пар, водяной пар для распыливания топлива
о – нормальный
экв. – эквивалентный
ί – средний, индивидуальный
F – кладка
Н – экран, лучевоспринимающая поверхность
S – абсолютно черное тело
1 Назначение трубчатых печей
Промышленная трубчатая печь предназначена для высокотемпературного нагрева исходного продукта за счет сжигания топлива. В отдельных случаях нагрев сопровождается его химическим превращением.
Трубчатые печи широко применяются на предприятиях нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и газовой промышленности. Они используются для огневого нагрева, испарения и разложения нефти и продуктов ее переработки, а также для химического превращения ряда нефтепродуктов в процессах термического крекинга, висбрекинга, пиролиза, в которых печь выполняет технологические функции реактора.
Трубчатые печи представляют собой сложные агрегаты, включающие помимо собственно печей разнообразное вспомогательное оборудование: устройства для сжигания топлива, соединительные элементы (фитинги, ретурбенты), коммуникации (газоходы, дымовые трубы), средства измерения и автоматизации.
Тепловая энергия, подводимая к исходному продукту, получается за счет сжигания жидкого либо газообразного топлива. Эта энергия расходуется непосредственно на нагрев продукта и на компенсацию тепловых потерь (с продуктами сгорания топлива, через футеровку печи и т.д.).
Сжигание топлива в трубчатых печах производится в специальных устройствах (горелки, форсунки), установленных в камере сгорания. Подвод тепловой энергии к нагреваемому продукту осуществляется тремя видами теплообмена: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Большая часть тепла передается излучением, поэтому камера сгорания называется радиантной.
Трубчатая печь обычно содержит две секции (рисунок 1.1): камеру сгорания или радиации 1, в горелках 2 которой сжигается топливо и размещаются радиантные трубы 3, и камеру конвекции 4, в которую поступают продукты сгорания топлива (дымовые газы) и в которой размещаются конвективные трубы 5. Радиантные и конвективные трубы длиной 3…24 м при помощи фитингов или двойников образуют змеевик для нагреваемого продукта. Трубы радиантного змеевика, воспринимающие лучистую энергию при горении топлива, называют экраном. Радиантная камера отделена от конвективной перевальной стеной 6.
Нагреваемый продукт одним или несколькими потоками подается в конвективный змеевик, а затем направляется в радиантный и выводится из печи.
Назначение конвективных труб – использовать тепло дымовых газов, отходящих из камеры сгорания и имеющих сравнительно высокую температуру (600-900оС). Если тепло этих газов может быть использовано для других целей, например для подогрева воздуха или генерации водяного пара, то необходимость в конвективных трубах отпадает.
Дымовые газы из камеры конвекции поступают в газоход 7, дымовую трубу 8 и выбрасываются в атмосферу.
1 – камера сгорания; 2 – горелки; 3 – радиантные трубы; 4 – камера конвекции; 5 – конвекционные трубы; 6 – перевальная стена; 7 – газоход; 8 – дымовая труба
Рисунок 1.1 – Принципиальная схема печной установки
Движение дымовых газов через трубчатую печь обеспечивается естественной и искусственной тягой. Естественная тяга поддерживается дымовой трубой, а искусственная, применяемая значительно реже, - с помощью дымососа.
Движущая сила, необходимая для перемещения дымовых газов через трубчатый змеевик и дымоход, при естественной тяге создается вследствие разности плотностей атмосферного воздуха и дымовых газов, которые зависят в основном от их температуры. Более легкий дымовой газ вытесняется более тяжелым атмосферным воздухом. Чем выше высота дымовой трубы и температура дымовых газов, покидающих печь, тем больше естественная тяга.
В промышленности применяют трубчатые печи с поверхностью нагрева радиантных труб от 15 до 2000 м2, теплопроизводительностью от 0,5 до 100 МВт.