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} (4.22)

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;

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 (4.23)]

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

δ – толщина стенки трубы, м²;

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

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. 2.

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} (4.24)

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

Q_РК = α_К∙Н_Р∙(φ_К∙Т_П – θ) (4.25)

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

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 (4.26)

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

Определяем угловой коэффициент ρ_VR для случая лучистого теплообмена между газовым слоем и трубным экраном. Величину этого коэффициента находим по графику.

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) (4.27)

Находят температуру излучающей стенки, согласно опытным данным по формуле:

Т_R = 1,2·T_П (4.28)

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

T_V = T_П + (Q_RK + Q_RП) / В·Σm_i·c_i (4.29)

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) (4.30)

Определяют приведенную степень черноты трубного экрана по формуле:

ε_ПР = А₁ / ψ(Т_V) + A₂ / ψ(T_R) (4.31)

Здесь:

A₁ = ε₁·ε_Н ( β1 + ρ_HV) (4.31)

A₂ = (1 – ε₁)·ε_Н ε_R (ρ_HR + β₂) (4.32)

Ψ(T_V) = (T⁴_П – Θ⁴) / T⁴_V – Θ⁴ (4.33)

Ψ(T_R) = (T⁴_П – Θ⁴) / T⁴_R – Θ⁴ (4.34)

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.2)

ε_V = 1 – λ (4.36)

где λ – коэффициент прозрачности газовой среды при Т_V (табл.2)

Степень эффективности облучения трубного экрана газовым слоем.

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

Рис. 3.

Таблица 2

Наконец рассчитывают эквивалентную абсолютно черную поверхность:

Н_S = H_P·ε_ПР (4.37)

Если полученная таким расчетом температура Т^Д_П будет значительно отличаться (более, чем на 10°) от принятой Тп, то следует повторись расчет, задавшись другим значением Т_П.

5. Рассчет конвективной поверхности нагрева печи.

Поверхность нагрева конвекционных груб определяется но формуле:

Н_R = Q_K / k₁·ΔT_СР (4.38)

где Q_K – количество тепла, передаваемою 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 (4.39)

Коэффициент теплопередачи в конвекционной камере вычисляется по формуле:

k₁ = 1.1· (α₁ α_Л) (4.40)

где α₁ – коэффициент теплоотдачи конвекцией от дымовых газов к трубам, Вг/(м К);

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 (4.41)

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, Вг/(м·К).

Критерии Re и Рг в формуле (4.41) вычисляются при средней температуре дымовых газов в камере конвекции Т_СР = 0,5·(Т_П + Т_УХ); определяющий размер – наружный диаметр труб. Скорость газов рассчитывается для самого узкого сечения пучка.

В камере конвекции устанавливаются грубы с полезной длиной l₁ = 9.5 м, наружным диаметром d_Н = 102 мм и толщиной стенки 6 мм. В каждой камере размещается змеевик для одною потока сырья. В одном горизонтальном ряду его установлено в шахматном порядке по четыре грубы (рис. 1) с шагом S = 172 мм.

Находят наименьшую площадь свободного сечения для прохода дымовых газон. Согласно приведенной схеме, она будет равна:

f_Г = (b_К – n₁·d_Н)·l_ТР = [ (n₁ – 1)·S + 3d_Н – n₁·d_Н]·l_ТР (4.42)

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

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

(4.42)

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:

(4.43)

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

Mj– молярные массы компонентов дымовых газов;

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

x_t – объемные доли компонентов дымовых газов в смеси.

Плотность дымовых газов:

(4.44)

Кинематическая вязкость газов:

(4.45)

Коэффициент теплопроводности дымовых газов:

(4.46)

где λ_Г- коэффициент теплопроводности компонентов дымовых газов (табл. 4).

Таблица 4

Коэффициенты теплопроводности дымовых газов.

Удельная теплоемкость дымовых газов:

(4.47)

Находят значения критериев:

(4.48)

(4.49)

Коэффициент теплоотдачи излучением от трехатомных газов:

α_Л = α_СО2 α_Н2О (4.50)

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.

Предварительно находят величины, необходимые для пользования номограммами.

Рассчитывают эффективную толщину газового слоя по формуле :

L_ТР = 3,49·S – 4.1·d_Н (4.51)

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

(pl)_CO2 = x_CO2 · l (4.52)

(pl)_H2O = x_H2O · l (4.53)

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

(4.54)

Средний температурный напор рассчитывается по уравнению Грасгоффа:

(4.55)

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

(4.56)

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

(4.57)

Высота, занимаемая трубами в конвекционной камере, при шаге труб по глубине конвекционного пучка составит:

(4.58)

Номограмма для определения динамического коэффициента вязкости газов при р = 1 атм.

I* не. VI. Номограмма для определения динамического коэффициента вязкости

газон при р = 1 атм *:

j - о if - NO; а — со₃, j — HGl; 5 — ьоздух; ь — N_a; 7 — so₂; й — CH«; а — H_tO\

ю КН.; ii—CH,; М — Н,; J* — C,H_#; M — »Н, + N_a; i« — ЗН, |N..; /a — СО;

17 — С1».

Пересчет в СИ: lcll-i JO"'Ila-o.

* С допустимый приближением данными номограммы можно иыи^овагьен и ири ixaeiur

I1UJIX 1/ир