6.3.2. К.П.Д. Печи, ее тепловая нагрузка и расход топлива. К.П.Д. Печи находят по формуле:

η = 1–(q_пот/Q_сг + q_ух/Q_сг) , (6.27)

где q_пот/Q_сг – потери тепла в окружающую среду, в долях от теплоты сгорания топлива;

q_ух/Q_сг – потери тепла с уходящими дымовыми газами, в долях от теплоты сгорания топлива.

Принимаем q_пот/Q_сг=0,06; а q_ух находят по графику q_т=f(Т), при Т=Т_ух, причем температуру дымовых газов на выходе из конвекционной камеры принимаем на 120 К выше температуры сырья, поступающего в печь:

Т_ух = 557+120 = 677 К (6.28)

η = 1 – (0,06 + 8750/50088) = 0,76

Полезное тепло печи (в кДж/ч) рассчитывают по уравнению:

Q_п = G[е∙qⁿ _Т2+(1–e)∙q^ж_Т2 – q^ж _Т1] , (6.29)

где G – производительность печи по сырью, кг/ч;

q^п _Т2, q^ж_Т2 – энтальпия соответственно паровой и жидкой фаз на выходе из печи при температуре Т₂, кДж/кг;

q^ж _Т1 – энтальпия сырья на входе в печь при температуре Т₁, кДж/кг, (энтальпии находим по таблицам энтальпий жидких нефтепродуктов и нефтяных паров, зная плотности).

Q_п = 262000 · (0,6 · 1068,92 + (1-0,6) · 818,98 – 378,03) = 154819,5 МДж/ч

Полную тепловую нагрузку печи Q_т (кДж/ч) определяем по формуле:

Q_т = Q_п / η (6.30)

Q_т = 154819,5/0,76 = 203709,8 МДж/ч

Часовой расход топлива В (в кг/ч):

В = Q_т / Q_сг (6.31)

В = 203709,8/50,088 = 4067 кг/ч

6.3.3. Поверхность нагрева радиантных труб и размеры камеры радиации (топка). Поверхность нагрева радиантных труб (в м2) определяется по формуле:

Нр = Q_р / q_р (6.32)

где Q_р – количество тепла, переданное сырью в камере радиации, кВт;

q_р – теплонапряжение радиантных труб, кВт/м² (предварительно принимаем q_р=67 кВт/м²).

Количество тепла, переданное сырью в камере радиации, находим из уравнения теплового баланса топки:

Q_р = (Q_сг∙η_т – q_тп)∙В (6.33)

где η_т=0,96 – коэффициент эффективности топки;

q_тп – энтальпия дымовых газов на выходе из камеры радиации при температуре Т_п, кДж/кг топлива (предварительно принимаем Т_п = 1400 К и определяем q_тп по графику q_т=f(Т).

Q_р = (50088 · 0,96 – 26670) · 4067 = 87092,3 МДж/кг

Нр = 87092690/(67 · 3600) = 361 м²

Определяем температуру Т_к сырья на входе в радиантные трубы. Для этого, полагая на основе опытных и расчетных данных, что сырье в конвекционных трубах не испаряется, находим ее энтальпию q^ж_тк на входе в радиантные трубы из уравнения теплового баланса:

Q_р = G[е∙q^п _Т2+(1 – e)∙q^ж_Т2 – q^ж _ТK] (6.34)

q^ж _ТK = 636 кДж/кг

По таблице энтальпий нефтепродуктов находят искомую температуру Тк = 559 К.

Выбираем трубы диаметром d_н=127×8 мм с полезной длиной l_тр=9.5 м (полная длина трубы с учетом заделки концов в трубные двойники равна 10 м).

Число радиантных труб (округляем до ближайшего большего целого четного числа):

N_р = H_р / π∙d_н∙l_тр (6.35)

N_р = 361/(3,14 · 0,127 · 9,5) = 95,3

Учитывая опыт промышленности, принимаем печь беспламенного горения с двухрядным экраном двухстороннего облучения, с горизонтальным шахматным расположением труб и двумя нижними конвекционными секциями.

По существующим нормам шаг размещения экранных труб S=0.25 м. Расстояние между рядами вертикальных труб:

S₁ = S∙√3 / 2 (6.36)

S₁ = 0,25 · √3/2 = 0,22 м

Расстояние от излучающих стен до трубного экрана а_т=1 м.

Высота радиантной камеры (топки):

h_т = (N’_р – 1)∙S +0.5∙S+2∙l_т , (6.37)

где N’_р=N_р / 2 – число труб в одном вертикальном ряду;

l_т=0,25 м – расстояние от нижней и верхней труб вертикального ряда соответственно ло пода и потолка печи.

h_т = (47,65 – 1)·0,25 + 0,5·0,25 + 2·0,25 = 12,3 м

Ширина радиантной камеры печи:

b_т = 2∙a_т + S₁ (6.38)

b_т = 2·1 + 0,22 = 2,22 м

Объем камеры радиации:

V_т = b_т∙h_т∙l_тр (6.39)

V_т = 2,22·17,8·9,5 = 375,4 м²

Теплонапряжение топочного объема печи:

Q_v = Q_т / V_т (6.40)

Q_v = 203709800/375,4 = 542647 кДж/( м³·ч)

Для обеспечения равномерного обогрева каждой трубы экрана по окружности и по длине следует принять для проектируемой печи газовые горелки ВНИИНефтемаша типа ГБП2а теплопроизводительностью q_г =69,78 кВт.

Количество горелок (округляется до ближайшего меньшего целого четного числа):

N_г = Q_т / q_т (6.41)

N_г = 203709800/69,78 = 811 шт

Так как размер каждой горелки 0,5×0,5 м, то площадь двух излучающих стен печи:

H_SR = 0.25∙N_г (6.42)

H_SR = 0,25·811 = 202,8 м²

6.3.4. Расчет лучистого теплообмена в топке. Целью этого расчета является определение действительной температуры дымовых газов Т^д_п па выходе из топки при принятом теплонапряжении радиантных труб. Расчетная формула имеет вид:

Т^д_п = (1/φ [10⁸ / C_S∙H_S(Q_р – Q_рк) + θ⁴] )^{1/ 4} , (6.43)

где C_S = 5,73 Вт/(м²∙К) – постоянная излучения абсолютно черного тела;

H_S – эквивалентная черная поверхность, м²;

Q_РК – количество тепла, передаваемое продукту в камере радиации конвекцией, кВт;

θ – средняя температура наружной стенки экрана, К;

φ – коэффициент, зависящий от отношения H_SR/H_S – определяется по графику (рис.6.1);

H_SR – поверхность излучающих стен топки, м².

Среднюю температуру наружной поверхности стенки радиантных труб определяют из уравнения:

θ = (Т_К + Т₂)/2 + q_Р∙[1/α₂ + δ/λ ] , (6.44)

где α₂ = 940 Вт/м²∙К – коэффициент теплоотдачи от стенки труб к нефтепродукту;

δ = 0,008 м – толщина стенки трубы, м²;

λ = 45,4 Вт/м∙К – коэффициент теплопроводности материала стенки труб.

θ = (559 + 647)/2 +67000·((1/940) + (0,008/45,4)) = 686 К

Зависимость коэффициента φ от отношения H_SR/H_S

1 – беспламенное горение; 2 - пламенное горение с объемно-настильным факелом; 3 – пламенное горение со свободным факелом.

Рис. 6.1

Далее определяем коэффициент теплоотдачи (в Вт/м²∙К) свободной конвекцией от дымовых газов к радиантным трубам по формуле:

α_К = 2,1∙(Т_П – θ)^{1/ 4} (6.45)

α_К = 2,1∙(1400 – 686)^{1/ 4} = 10,85 Вт/м²∙К

Количество тепла, переданное в радиантной камере конвекцией, рассчитываем по уравнению:

Q_РК = α_К∙Н_Р∙(φ_К∙Т_П – θ) , (6.46)

где φ_К = 0,9 – коэффициент, учитывающий снижение температуры газов в области труб по сравнению с температурой газов, покидающих топку.

Q_РК = 10,85·361·(0,9·1400 – 686) = 2248271 Вт

Рассчитываем эквивалентную абсолютно черную поверхность Н_S. Предварительно определяем все необходимые для этого величины.

Находим угловой коэффициент ρ_HR для случая лучистого теплообмена между поверхностью экранных труб и излучающей стенкой (этот коэффициент показывает, во сколько раз расчетная поверхность взаимного излучения экрана и излучающей стенки больше поверхности радиантных труб):

ρ_HR = П_HR/ π∙d_Н , (6.47)

где П_HR = 72,2 мм² – средняя расчетная поверхность взаимного излучения для 1 мм длины одной трубы экрана.

ρ_HR = 72,2/(3,14·127) = 0,181

Определяем угловой коэффициент ρ_VR для случая лучистого теплообмена между газовым слоем и трубным экраном (рис.6.2). Величину этого коэффициента находим по графику: ρ_VR1 = 0,45; ρ_VR2 = 0,2; ρ_VR = 0,65.

Находим поверхность неэкранированных стен топки – торцевые стены и часть фронтовых стен, не занятых газовыми горелками. Площадь этих поверхностей равна:

F = 4а_Т∙h_Т + 2(h_Т∙l_ТР – H_SR/2) (6.48)

F = 4∙1·17,8 + 2·(17,8·9,5 – 202,8/2) = 206,6 м²

Находят температуру излучающей стенки, согласно опытным данным по формуле:

Т_R = 1,2·T_П (6.49)

Т_R = 1,2·1400 = 1680 К

Определяют среднюю температуру поглощающей среды (газов в топке) по формуле:

T_V = T_П + (Q_RK + Q_RП) / В·Σm_i·c_i , (6.50)

где Q_RП – потери тепла радиантной камерой в окружающую среду, кВт;

Σm_i·c_i – средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива при температуре (Т_П + 150).

При этом количество тепла, потерянное радиантной камерой в окружающую среду, рассчитывают следующим образом:

Q_RП = Q_T· (1 – η_T) (6.51)

Q_RП = (203709800/3600)·(1 – 0,96) = 2263 кВт

T_V = 1023 + (1280221 + 2263000)/(4067·23,4) = 1447 К

Определяют приведенную степень черноты трубного экрана по формуле:

ε_ПР = А₁ / ψ(Т_V) + A₂ / ψ(T_R) (6.52)

Здесь:

A₁ = ε _V ·ε_Н ( β1 + ρ_HV) , (6.53)

A₂ = (1 – ε _V)·ε_Н · ε_R · (ρ_HR + β₂) , (6.54)

Ψ(T_V) = (T⁴_П – θ ⁴) / (T⁴_V – θ ⁴) , (6.55)

Ψ(T_R) = (T⁴_П – θ ⁴) / (T⁴_R – θ ⁴), (6.56)

где ε₁ – степень черноты газового слоя;

ε_Н ,ε_R = 0,9 – степень черноты экрана и излучающей стенки;

β₁, β₂ – величины зависящие от отношения H_P / F (табл.6.3): β₁ = 0,2; β₂ = 0,082.

ε_V = 1 – λ , (6.57)

где λ – коэффициент прозрачности газовой среды при Т_V (табл.6.3): λ = 0,73.

ε_V = 1 – 0,73 = 0,27

A₁ = 0,27·0,9·(0,2 + 0,65) = 0,206

Ψ(T_V) = (1023⁴ – 657⁴)/( 1060⁴ – 657⁴) = 0,87

A₂ = (1 – 0,27)·0,9·0,9· (0,181 + 0,082) = 0,15

Ψ(T_R) = (1023⁴ – 657 ⁴) / (1227,6⁴ – 657 ⁴) = 0,47

ε_ПР = (0,206/0,84) + (0,15/0,44) = 0,55

Степень эффективности облучения трубного экрана газовым слоем.

I – однорядный экран; 2 – двухрядный экран, первый ряд; 3 – то же, второй ряд.

Рис. 6.2

Таблица 6.3

Наконец рассчитывают эквивалентную абсолютно черную поверхность:

Н_S = H_P·ε_ПР (6.58)

Н_S = 527,7·0,6 = 198,55 м²

Т^д_п = 1417 К

Если полученная таким расчетом температура Т^Д_П будет значительно отличаться от принятой Тп, то следует повторить расчет, задавшись другим значением Т_П.

6.3.5. Расчет конвективной поверхности нагрева печи. Поверхность нагрева конвекционных труб определяется но формуле:

Н_R = Q_K / k₁·ΔT_{СР ,} (6.59)

где Q_K – количество тепла, передаваемого сырью в конвекционных трубах, Вт;

k₁– коэффициент теплопередачи в конвекционной камере печи, Вт/(м² К);

ΔT_СР– средний температурный напор, К.

Количество тепла, передаваемого сырью в конвекционных трубах:

Q_K = Q_ПОЛЕЗН – Q_Р (6.60)

Q_K = (154819500 – 87092690)/3,6 = 18813002 Вт

Коэффициент теплопередачи в конвекционной камере вычисляется по формуле:

k₁ = 1.1· (α₁ ·α_Л) , (6.61)

где α₁ – коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к трубам, Вт/(м²К);

α_Л – коэффициент теплоотдачи излучением от трех атомных азов к трубам, Вт/(м²К);

Коэффициент α1 определяют по формуле :

α₁ = С·β·λ_Г / d_Н ·Re^0.6·Pr^0.33 (6.62)

где C – постоянная, для шахматного пучка груб равная 0.33;

β– коэффициент, зависящий от числа рядов труб в пучке (полагая, что число рядов будет более 10, принимаем β = 1;

λ_Г – коэффициент теплопроводности дымовых газов, Вт/(м·К).

Критерии Re и Рг в формуле (6.62) вычисляются при средней температуре дымовых газов в камере конвекции Т_СР = 0,5·(Т_П + Т_УХ) =1047 К; определяющий размер – наружный диаметр труб. Скорость газов рассчитывается для самого узкого сечения пучка.

В камере конвекции устанавливаются трубы с полезной длиной l_ТР = 9.5 м, наружным диаметром d_Н = 102 мм и толщиной стенки 6 мм. В каждой камере размещается змеевик для одного потока сырья. В одном горизонтальном ряду его установлено в шахматном порядке по четыре трубы с шагом S = 172 мм.

Находят наименьшую площадь свободного сечения для прохода дымовых газов. Она будет равна:

f_Г = (b_К – n₁·d_Н)·l_ТР = [ (n₁ – 1)·S + 3d_Н – n₁·d_Н]·l_ТР , (6.63)

где n₁ = 4 – число труб в одном горизонтальном ряду;

f_Г = [ (4 – 1)·0,172 + 3·0,102 – 4·0,102]·9,5 = 4 м²

Определяют линейную скорость дымовых газов в самом узком сечении пучка ни формуле:

ω = Тср·В· ΣVi/( m·3600·273· f_Г) , (6.64)

ω = 1047·4067· 15/( 2·3600·273· 4) = 8,1 м/с

где m = 2– число параллельно работающих камер (число потоков сырья).

Для определения критериев Re и Рг нужно вычислить для дымовых газов при Т_СР кинематическую вязкость, плотность, теплоемкость и коэффициент теплопроводности.

Коэффициент динамической вязкости находят по формуле:

Μ_Г /μ_Г = Σ(xi·Mi/ μ_i), (6.65)

где Μ_Г, μ_Г – молярная масса и динамическая вязкость дымовых газов;

Mi– молярные массы компонентов дымовых газов;

μ_i – динамические вязкости компонентов дымовых газов – определяются по номограмме;

x_i – объемные доли компонентов дымовых газов в смеси.

Μ_Г /μ_Г = 624,7 , Мг = 27,8

μ_Г = 0,045 спз

Плотность дымовых газов:

ρ_г = Мг/22,4 · 273/Тср , (6.66)

ρ_г = 27,8/22,4 · 273/1047 = 0,32 кг/ м³

Кинематическая вязкость газов:

_г = μ_Г/ ρг (6.67)

_г = 0,045/0,32 = 0,14

Коэффициент теплопроводности дымовых газов:

г = Σ x_i·г,i , (6.68)

где λ_Г- коэффициент теплопроводности компонентов дымовых газов (табл. 6.4).

Таблица 6.4

Коэффициенты теплопроводности дымовых газов

г = 0,06 Вт/( м²·К)

Удельная теплоемкость дымовых газов, кДж/(кг·К):

с_г = Σ с_i· x_i (6.69)

с_г = 1,16

Находят значения критериев:

Re = ω·dн/_г , (6.70)

Pr = _г · с_г · ρ_г /г, (6.71)

Re = 8,1·0,102/0,14 = 5,9

Pr = 0,14 · 1160 · 0,32 /0,06 = 866

Коэффициент теплоотдачи излучением от трехатомных газов:

α_Л = α_СО2 + α_Н2О (6.72)

где α_СО2 и α_Н2О – коэффициенты теплоотдачи излучением от СО₂ и Н₂О, определяемые по номограмме в зависимости от Тср, силы поглощения трехатомных газов и температуры стенки, α_СО2 = 20, α_СО2 = 9, α_Л = 29.

Предварительно находят величины, необходимые для пользования номограммами.

Рассчитывают эффективную толщину газового слоя по формуле:

L_ТР = 3,49·S – 4.1·d_Н (6.73)

L_ТР = 3,49·0,172 – 4.1·0,102 = 0,182 м

Определяют силу поглощения СО₂ и Н₂О в газовом слое (в Па·м):

(pl)_CO2 = x_CO2 · L_ТР (6.74)

(pl)_H2O = x_H2O · L_ТР (6.75)

(pl)_CO2 = 0,088 · 0,182 = 0,016

(pl)_CO2 = 0,176 · 0,182 = 0,032

Температуру стенок конвекционных труб принимают на 35 К выше средней температуры сырья в них:

Qст = (Т1 + Тк)/2 + 35 , (6.76)

Qст = (557 + 559)/2 + 35 = 593 К

α₁ = 0,33·1·0,06 / 0,102 ·5,9^0.6·866^0.33 = 5,3 Вт/(м·К)

k₁ = 1.1· (5,3 · 29) = 169 Вт/(м·К)

Н_R = 18813002/(169·1047) = 106 м²

Средний температурный напор рассчитывается по уравнению Грасгоффа:

∆Тср = ((Тn–Тк)–(Тух–Т1))/ln(Тn–Тк)/(Тух–Т1) (6.77)

∆Тср = ((1417–559)–(677–557))/ln(1417–559)/(677–557) = 375 К

Рассчитав поверхность нагрева конвекционных труб, определяют общее число труб в конвекционной камере:

Nк = Н_R/(π·dн· l_ТР) (6.78)

Nк = 106/(π·0,102· 9,5) = 34,8 шт

Число труб по вертикали в одной камере (следует округлить до ближайшего большего значения):

m = Nк/(2 · n1) (6.79)

m = 34,8/(2 · 4) = 4,35  5 шт

Высота, занимаемая трубами в конвекционной камере, при шаге труб по глубине конвекционного пучка S1 = (S·3)/2 = 0,149 составит:

hк = (m – 1) · S1 (6.80)

hк = (5 – 1) · 0,149 = 0,6 м