5.3.4.Проверка скорости сырья на входе в змеевик печи

Оптимальное значение скорости сырья на входе в змеевик печи с учетом эффективного теплообмена в топке и минимальных энергетических затрат на прокачивание сырья составляет 0,5 - 2,5 м/с (печи для перегонки мазута) [9,стр23].

Проверим, соответствует ли скорость подачи сырья для проектируемой печи установленным пределам.

При двухпоточном движении сырья в змеевике печи его линейная скорость определяется по формуле:

W= 4*G/(π*ρ*Твв*d²*m)=31.71[кг/с]/(3,14*(0,111)² м² * *836[кг/м³]*2=1,96[м/с].

Скорость сырья в конвекционном змеевике печи находится в интервале оптимальных скоростей.

5.3.5. Расчет лучистого теплообмена в топке

Целью этого расчета является определение действительной температуры дымовых газов на выходе из топки при принятом теплонапряжении радиантных труб или проверка ранее выбранной температуры дымовых газов.

Tp=⁴√(1/Ψ[100⁴ (Qp-Qpk)/CsHs + Θ⁴]

T_n - температура газов в конце топки,К;

С₅ - постоянная излучения абсолютно черного тела равная 5,73 Вт/м К;

H_s - эквивалентная абсолютно черная поверхностям м²; Q_pk - количество тепла, передаваемого продукту в камере радиации конвекцией, кВт;

в - средняя температура наружной стенки экрана, К; у -коэффициент, зависящий от отношения H_sR/H_s - определяется по графику[42].;

H_sR-поверхность излучающих стен топки, м .

Коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией от дымовых газов к радиантным трубам:

ά=2,1⁴√Тп-Θ

Θ=τ+qp[1/ά2+δ/λ],

τ - средняя температура сырья в радиантных трубах,К;

α-коэффициент теплоотдачи от стенки труб к сырью, Вт/мК; δ- толщина стенки труб,м; λ, - коэффициент теплопроводности материала труб, Вт/мК.

Τ=(Тk+Т₂ )/2=(590 + 633)/2=611.5 K

Определим α₂:

Критерий Ренольдса: Re =Wd/V=Wdρ/μ

Рассчитаем значение кинематической вязкости мазута при средней температур 611, 5К по уравнению Вальтера [9]:

lg lg10 ⁶(v + 0.8 -10 ⁶ )= а + b *T

lglgl 10⁶(v+0.8 10⁶)-blgT1

-lglgl0⁶(o₂+0,8-l(T⁶)

b= _[lglglO⁶(v1+0.8*10⁶)/-lglglO⁶(v2+0.8*10⁶)]/[lgT1-lgT2]

lg T1=lg323=2.51

lgT2=lg373=2.57

b=[lglg10^-6(418*10^-6+0,8*10^-6)-lglg10^-6(36*10^-6+0.8*10^-6)]/(2.57-2.51)=3.73

a=lglg10^-6(418+0.8*10^-6)-3.73*2.51=-8.944

Таким образом уравнение зависимости вязкости от температуры имеет следующий вид:

Lglg10^-6(v+0.8*10^-6)=3.73lgT-8.944

Из этого уравнения вязкость мазута при 611,5К равна 1,614 сСт= =1,634 10 ^-6м/с. Плотность мазута при 611,5 К ,

ρ = 0.9732 - 0.00054(611.5 - 293) =0.801 ,ρ_611.5=801 [кг/м³]

Скорость сырья в радиантных трубах:

Wрад=[4G/(3.14*dэρm)]=(4*31.71)/(801*3.14*(111*10^-3)²*2)=2.05м/с

R_e = (2,05*0,111)/(1,64*10 ^–6) = 138750 [режим движения сырья в радиантных трубах Re⁰⁸ = 12'196 турбулентный

Динамический коэффициент вязкости:

μ^611,5= 1.61*10-⁶м²/с*801кг/ж³ = 0,00128кг -,м/с = 0,00128Па*с

Теплоемкость мазута при средней температуре в радиантных трубах: [14,стр236]

C = (1/√ρ¹⁵₁₅)*(0.403 + 0.00081t)= (1/√0.937)/ (0.403 + 0.00081*412.5)=

=0.736 [ккал/кг*град]=2,98[кДж/кг*К]

Теплопроводность мазута при средней температуре в радиантных трубах: [14,Стр237]

λ=101*(1-0,00054)/ρ, ρ- плотность нефтепродукта при 15°С, г/см³.

ρ²⁸⁸=[ρ²⁹³₂₇₇-α(Т-293)]*1000=[0,935-0,00054(288-293)]=938 [кг/м³]

λ=101*(1-0,00054*412,5)/0,938=83,7[ккал/м ч град]=

=(83,7*4,19*1000)/3600=97,4[Вт/м К].

Критерий Нуссельта при развитом турбулентном движении жидкости (Re>10 определяется по уравнению [Дытнерский,стр49]

Nu = 0.023 Re⁰'⁸ Рг°-⁴[Рг/Рг.]^0,25,

где Рг - критерий Прандтля для движущейся жидкости при ее средней температуре в трубе; Рг_ст - критерий Прандтля для жидкости при температуре стенки трубы. Соотношение этих величин как правило равняется единице.

Pr=C*μ/λ=(2980*0.00128/0.0974)=39,16

Nu=0.023*12196*(39.16)^0.4*1=1216→ α2=Nu*λ/dэ

α2=(1216*0,0974)/111*10^-3=1067 [Вт/К м²]

dэ - эквивалентный диаметр трубы, в данном случае равный внутреннему диаметру.

Коэффициент теплопроводности стенки трубы примем равным 45,4 Вт/мК.

Θ=τ+qp [(1/α1)+(δ/λ)]=611.5+67*10³[(1/1067)+(0.008/45.4)]=686[K]

α = 2.1⁴√ 686+1023= 13,5[Вт/мК]

Определим среднюю температуру поглощающей среды(газов в топке) [13,стр93]:

T_v =Т_П +(Qpk+Qpп)/В mсp,

где Q_pK- переданное в радиантной камере конвекцией, кВт;

Q_pll-потери тепла радиантной камерой в окружающую среду, кВт;

Σmc_p - - средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива в интервале температур от Т_п до T_v.

Определим теплоемкость продуктов сгорания.

Для этого зададимся T_v= 1 1 53К[ 1 1 ,стр 1 64] . По [ 1 5 ,стр99] используя метод интерполяции определим теплоемкости каждого из компонентов продуктов сгорания.

Таблица 11.

компонент	Содержание Mi, кг1/кгВ	ТП = 1023К(750°С)		ТУ = 1153К(880°С)
		С pi, ккал/кг град	Cpimt	С pi, ккал/кг град	Cpimt
N2	12,53	0,2609	3,2691	0,2641	3,3092
02	0,18	0,2413	0,0434	0,2445	0,0441
СО2	3,53	0,2567	0,9061	0,2629	0,9280
Н2О	1,57	0,4917	0,7720	0,5023	0,7886
	17,29	-------------	4.9907	---------	5.0699

(4,9907 +5,0699)/2 =5.0303 ккал/(кг град) = 20,08 кДж/(кг К)

Qp_K=α_KH_p((φ_KT_n-Θ)

φ_к - коэффициент, учитывающий снижение температуры газов в области труб по сравнению с температурой газов, покидающих топку. При расчетах принимается равным 0,9[1 1,стр164].

Qpk = 13,5[Вт/ м К]*116 [м²]*(0,9*1023-686)[К]=367,5[кВт]

Q_pт=Qm(1-Ηt)=12279.5 • 0.04 =491[кВт]

Tv=[1023+(329.3+491)*3600]/978*20.08=1163[K]/

Расхождение с ранее принятой величиной незначительно.

Температуру излучающей стенки топки, согласно опытным данным ВНИИНефтемаша [15,стр93], можно найти по формуле:

T_R = 1.2Т_П= 1,2 1023= 1228К

Рассчитаем эквивалентную абсолютно черную поверхность H_s.

Найдем коэффициент облученности ρHS ;

ρyr=ПHR/HP

Рассчитаем эффективную поверхность взаимного излучения П_Нк [40]. Схему расчету поверхности см. приложение № 3.

В виду симметричности на схеме изображена только левая половина топки. Для упрощения в левом верхнем ряду показаны верхние 9 труб из семнадцати, а в правом вертикальном - нижние 7 труб из 17.

Расчетная поверхность взаимного излучения определяется для каждой трубы отдельности. В Виду симметричного размещения труб относительно излучающей стенки достаточно найти поверхность для половины труб левого экрана.

Средняя расчетная поверхность взаимного излучения для одной трубы экрана :

II^СР_HR =ΣПHRi/12=856.5/12= 72.2мм²

Поверхность взаимного излучения для всего экрана печи:

П HR= N p* П ^ср _HR =40* 72,2 = 2888мм²1на 1ммтрубы

Величина коэффициента облученности:

ρhr=ПHR/H`p=ПHR/πd_ЭN_p=2888 мм²/3,14 127 мм 40 = 0,181

Угловой коэффициент лучистого теплообмена между газовым слоем и трубным экраном:

S/d_H= 250/127= 2,где S - шаг между трубами.

По графику рис. 45 [13,стр98] для двухрядного экрана(1-й ряд + 2-й ряд) получим:

ρ VH= 0.43 + 0.2=0.63

Поверхность неэкранированных стен топки. Площадь неэкранированных поверхностей равна:

F = 4a_Th_T+2(h_rl_mp-R)= 4 *1*4.63 + 2(4.63 *9.5 -25.5)= 55.5м²

Степень черноты трубного экрана [13,стр89]:

έ= A1/Ψ(Tv) + A2/Ψ(TR)

A1=ε _V ε_H(ρ_VH+β1), A2=(1- ε_V)ε_H εε_R(ρ+β2)

Ψ (TV)=(T⁴_П-Θ⁴)/T⁴V -Θ⁴ , Ψ(Tv)=(T⁴П – Θ⁴)/T⁴_R-Θ⁴

έv -- степень черноты газового слоя; ε_н ⁼ ; ε_R =⁼ 0.9 степень черноты экрана и

излучающей стенки [13,стр118];

β_ь β₂ = f(Hp/F)

Hp/F = 147/55.5=2.65

По таблице 12 [13,стр90] методом экстраполяции находим: βi=0,218 β₂ = 0,089

Для печей с излучающими стенками топки [13>стр94] степень черноты определяется по формуле: ε-λ; λ=f(Tv)

По таблице 13 [13,стр94] при T_v = 1163К (890°С) методом интраполяции получим X =0,717. ε_V= 1-0,717 =0,283

Ψ(Tv)=(1023⁴-686⁴)/(1163⁴- 686⁴)=0.546 ;

Ψ(Tv)=(1023⁴-686⁴)/ (1228⁴-686⁴)=0.42

A1= 0.284 • 0.9(0.63 + 0.218) = 0217

А₂ = (1 - 0.284)- 0.9 • 0.9(0.181 + 0.089) = 0.149

ε_{п =}0,217/0,546 + 0,149/0,42 = 0,75

Эквивалентная абсолютно черная поверхность: Hs = H_pε_np=l13,2м²

Коэффициент Ψ определим по формуле [9,стр. 426]:

Ψ = Ψ_V + HSR/ HS ( ΨR -ΨV)

ΨV = T⁴V /T⁴n= 1163⁴/1023⁴=1.6

Ψ R=1228⁴/1023⁴=2.01

ΨV=1.6+0.44(2.01 –1.5)=1.821

Определим действительную температуру дымовых газов, покидающих топку:

TП= ⁴√1/1,821{100⁴(9850*10³-329*10³ )/5,73*113,2 +686⁴}=1024К

Расхождение с принятой температурой находится в допустимых пределах

( ранее принятая температура Т_п равняется 1023К).

Таким образом, подтверждается ранее назначенная теплонапряженность радиантных труб q_p - 67 кВт/м² и рассчитанная поверхность нагрева экрана Н_р = 116 м².