4. Расчеты по основному объекту.

1. Технологический расчет

Работу трубчатой печи характеризуют следующие основные показатели:

1)производительность; 2) полезная тепловая нагрузка; 3) теплонапряженность; 4) коэффициент полезного действия. [4]

Производительность печи по нагреваемому продукту G_п=3200 т/сут.

Начальная температура на входе в печь Т₁ = 350 ⁰С = 578К.

Конечная температура печи на выходе из печи Т₂=400 ⁰С=673К.

Плотность продукта ρ_п=858 кг/м³.

Массовая доля отгона продукта на выходе из печи ℮ =0,68.

Топливо природный газ ( Q^и_р = 40780 кДж/кг = 7592 ккал/м³).

Плотность топлива при н.у. ρ_г = 0,78 кг/м³.

Определим к.п.д печи, ее полезную и полную тепловую мощность

К.П.Д печи (η) определим из теплового баланса печи

(4.1)

Q^н _р – теплота сгорания топлива;

Q_пол – тепло, полезно используемое в трубчатой печи;

Q_ух – потери тепла с уходящими дымовыми газами при выбранной температуре дымовых газов на выходе из печи;

Q_пот- потери тепла в окружающую среду.

При расчете Q_ух температуру уходящих газов принимаем на 100÷150 ⁰С выше температуры продукта на входе в печь.

(4.2)

При Т_ух = 678К находим по графику потерю тепла с уходящими газами.

Q_ух = I_т.ух. = 2050 ккал/м³.

при ρ_г = 0,78 кг/м³

I_т.ух= 2050/0,78 = 2630 ккал/кг =11019 кДж/кг

Теплота сгорания топлива – природного газа.

Q^и_р = 7592 ккал/м³ = 7592/0,78 = 12478 ккал/кг = 40780 кДж/кг

Тогда потеря тепла с уходящими газами

(4.3)

Учитывая, что Q_пот составляет (0,02÷0,06) Q^и_р, принимаем

Q_пот / Q^н _р = 0,02

При этом к.п.д печи составляет

η = 1- ( 0,27 +0,02) = 0,71

Определяем полезно используемое тепло в печи ( без пароперегревателя) по формуле:

(4.4)

для чего по таблицам определяем:

J_п.п = J₆₇₃ = 1220 кДж/кг

I_ж.п = J₆₇₃ =1026,92 кДж/кг

I_п.ж = J₅₇₈ = 714,6 кДж/кг

Тогда:

Q_пол = 3200∙1000/24 [0,68∙1220 +(1- 0,68)∙1026,92-714,6]= 59,1∙10⁶ кДж/ч = 16417 кВт.

Подставляя в формулу значения Q_пол и η вычислим полную тепловую нагрузку :

(4.5)

При этом расход топлива составит

(4.6)

G_т = 59.1∙10⁶/ 40780∙0.71 = 2041 кг/ч =2,04 т/ч

или

G_т= 2041/0,78 =2616 м³/ч

Рассчитываем основные размеры камеры радиации (топки) и скорость продукта на входе в змеевик.

Поверхность нагрева радиантных труб определяется по формуле [4]:

(4.7)

Q_p- количество тепла, переданного продукту в камере радиации;

q_p - теплонапряженность поверхности нагрева радиантных труб.

Для определения Q_p находим J_вых.т, предварительно задаемся температурой Т_вых.т - температурой дымовых газов, попадающих в топку. В пределах 1000÷1200 К. Принимаем температуру дымовых газов Т_вых.т =1053 К.

J_вых.т = J₁₀₅₃ = 3800 ккал/м³

или

3800/0,780=4851 ккал/кг = 20326 кДж/кг

КПД камеры радиации (топки) составит:

η_т = (1- (0,02÷0,06)), доли

η_т = 1 - 0,05= 0,95.

Определим количество тепла, переданного продукту в камере радиации (прямая отдача топки).

(4.8)

Теплонапряженность вертикально-секционной трубчатой печи:

q_p= 29100 ккал/м³ч

q_p = 33,9 кВт/м²ч

Таким образом, поверхность нагрева радиантных труб будет равна:

Принимаем печь

Определим температуру продукта на входе в радиантные трубы (топку) Т_вых.т для чего из уравнения находим J_вых.т.

(4.9)

Искомая температура Т_вых.т=603 К.

Выбираем трубу диаметром 219×10мм с полезной длиной l_тр=12,6 м (полезная длина трубы с учетом заделки концов в трубные двойники равна 13м).

Число n_р радиантных труб:

(4.10)

Количество труб по экранам, их размеры:

Экран „Юг”- 8 шт 219×10 l=12600 мм

Экран „ Север” -8 шт 219×10 l=12600 мм

Экран „Запад” – 12 шт 219×10 l=12600 мм

Экран „ Восток” - 12 шт 219×10 l=12600 мм.

По нормалям принимаем шаг размещения экранных труб S_р = 0,385 м.

Расстояние от излучающих стен до трубного экрана равно а =1,0 м. Разместим в камере радиации по вертикали с двух сторон по 12 труб в поду и потоке по 8 труб. Тогда высота радиантной камеры составит:

(4.11)

Ширина радиантной камеры:

(4.12)

При этом объем камеры радиации составит:

(4.13)

Определим скорость движения продукта в трубах змеевика:

(4.14)

при этом необходимо соблюдение условия:

0,5 ≤ V ≤ 2,5 м/с

0,5 ≤ 1,28 ≤ 2,5 м/с.

Как видно из условия, скорость входа продукта в трубы змеевика находится в допустимых пределах.

Рассчитаем действительную температуру дымовых газов покидающих топку.

Определим среднюю температуру продукта в радиантной камере:

Средняя температура наружной поверхности стенки радиантных труб (экрана) определяется по формуле:

(4.15)

α₂ – коэффициент теплоотдачи от стенки труб к нагреваемому продукту, для печей нагревающих жидкое и газообразное сырье 600÷900 Вт/м²К.

Коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией от дымовых газов к радиантным трубам определяется по формуле:

(4.16)

Определим количество тепла, переданного продукту в камере радиации конвекцией:

(4.17)

Из таблицы принимаем для выбранной печи ВС отношение S_p/H_s=3.8. Тогда величина эквивалентной абсолютно черной поверхности составит:

H_s=348/3,8=91,6 м².

Коэффициент ψ для печей типа ВС со свободным факелом ψ=1,25.

При этом температура дымовых на выходе из топки составит:

(4.18)

Значение Т_вых.т отличается от принятой равной 1053 К в допустимых пределах, следовательно расчет считается окончательным.

Рассчитаем конвекционную камеру стандартной трубчатой печи.

Определим количество тепла, передаваемого продукту в конвекционных трубах.

(4.19)

Определим величину среднего температурного напора по формуле:

(4.20)

Для чего предварительно вычислим:

В камере конвекции также устанавливаются трубы диаметром 152×10 мм с длиной l_тр=12,6 м, поверхность нагрева конвекционных труб S_р=348 м².

Число конвекционных труб:

S_к=0,385 – шаг труб.

Для определения коэффициента теплопередачи от дымовых газов к продукту первоначально находим коэффициенты теплоотдачи от трех атомных газов α_v и конвекцией α_к. Для чего находим среднюю температуру дымовых газов.

(4.21)

Тогда:

Для определения α_к из графика находим Е= 22,05. Е- коэффициент, зависящий от физических свойств топочных газов.

Находим W_г- массовая скорость движения дымовых газов.

(4.22)

f- площадь свободного сечения прохода дымовых газов.

(4.23)

тогда:

при этом:

(4.24)

тогда:

К=α₁=1,2(11,08++52,8)=76,65 Вт/м²К

Таким образом, поверхность нагрева конвекционных труб:

(4.25)

Принимаем S_к=348 м².

При числе труб по горизонтали в камере 4 шт, число рядов труб по вертикали будет:

Высота, занимаемая трубами в конвекционной камере, при шаге труб по глубине конвекционного пучка: S₁=0,15м.

Ширина конвекционной камеры:

(4.26)

Гидравлический расчет.

Рассчитаем давление продукта на входе в змеевик печи или гидравлическое сопротивление змеевика печи [4].

Для определения температуры начало однократного испарения Т_н.о.и, , как раньше отмечалось, необходимо построить кривую зависимости.

Т_нои от давления р. В нашем случае для нагрева нефтепродукта атмосферной переработки.

Пусть предварительно Р_вх.и=6,13·10⁶Па, тогда Т_нои=678К, т.е температура начала однократного испарения больше температуры продукта на входе в радиантные трубы, значит испарение продукта начинается в радиантной камере. Находим расчетную длину участка испарения, считая, что испарение продукта происходит в камере радиации:

(4.27)

Тогда эквивалентная длина участка испарения:

(4.28)

I_вх.и- энтальпия продукта в начале участка испарения.

I_вх.т – энтальпия продукта на входе в радиантные трубы при температуре Т_вх.т.

I_вых.п- энтальпия продукта на выходе из печи.

(4.29)

I_вых.п=0,68·1220++(1-0,68)·1026,92=1158,21 кДж/кг

тогда:

Находим коэффициенты А и В:

(4.30)

(4.31)

Расчетное давление в начале участка испарения составит:

(4.32)

Расчетное давление не намного отличается от заданной. Поэтому принимаем Р_вх.п=6,15·10⁶Па.

Вычисляем потери напора в начале участка испарения.

Находим массовую скорость продукта в трубах радиационной камеры:

(4.33)

Тогда потери напора на участке нагрева радиантных труб:

(4.34)

Находим расчетную длину труб конвекционного змеевика:

(4.35)

Находим массовую скорость продукта в трубах (радиационной камеры) конвекционной камеры.

Потеря напора в конвекционном змеевике составит:

(4.36)

Статический напор в змеевике печи составит:

(4.37)

Таким образом, давление продукта на входе в змеевик печи или гидравлическое сопротивление змеевика печи будет:

(4.38)

Рассчитаем дымовую трубу трубчатой печи для нагрева нефтепродукта.

Принимаем величину разряжения в камере радиации ∆Р_р=30Па.

Находим линейную скорость дымовых газов в самом узком сечении пучка конвекционных труб.

(4.39)

V- количество продуктов сгорания 1 кг топлива (м³/кг).

Т_ср.к- средняя температура газов в конвекционной камере равная:

(4.40)

m_п- число параллельно работающих камер.

Определим потери напора в конвекционном пучке труб.

Тогда статический напор в камере конвекции составит:

При этом потери напора в камере конвекции будет:

Для определения потери напора в борове (газоходы) печи воспользуемся схемой устройства борова (газохода) печи.

Рисунок 4.1. Схема устройства борова печи

Для расчета примем расчетную скорость дымовых газов в газоходе V_б=5 м/с. Тогда:

W_б=5·0,34=1,7 кг/м²·с

Определим площадь борова.

(4.41)

Принимаем высоту борова h_б=2,15 м, ширину b_б=1,42 м, длину l_б=10 м.

При движении в газоходе (борове) дымовые газы совершают два поворота по 90⁰ (один при входе в боров, другой при входе в дымовую трубу) проходят шибер открытый на половину.

Коэффициент местного сопротивления при повороте на 90⁰

здесь берется по таблице , длятогда с=0,9.

Для двух поворотов (один при входе в боров, другой при входе в дымовую трубу).

Коэффициент местного сопротивления для открытого на половину шибера

Потери напора в борове на преодоление местных сопротивлений:

(4.42)

Коэффициент гидравлического сопротивления:

(4.43)

d_э- эквивалентный диаметр борова

При этом потери напора на прямолинейном участке борова (газохода) составит:

(4.44)

Итак

Для определения потери напора в дымовой трубе предварительно вычисляем диаметр трубы. Для чего:

(4.45)

- линейная скорость дымовых газов на входе в дымовую трубу м/с. Принимаем =7÷8 м/с.

-плотность газов при их температуре входа в дымовую трубу Т_вх.тр.

Диаметр дымовой трубы:

(4.46)

Принимаем

Потери напора при входе газов в трубу.

(4.46)

Коэффициент гидравлического сопротивления трения дымовой трубы:

(4.47)

Тогда:

(4.48)

Тогда:

Общая потеря напора по газовому тракту печи, или величина тяги дымовой трубы составит:

(4.49)

Т.к. величина общей потери напора по газовому тракту не превышает ≈200÷300 Па, ограничиваемся естественной тягой, т.е. устанавливаем дымовую трубу без вентилятора.

Проверку высоты дымовой трубы осуществляем по формуле:

(4.50)

Рассчитанное значение H=22,5 м мало отличается от ранее принятой H=24 м, поэтому нет необходимости в пересчете.