5.7. Тепловой поверочный расчет печи для нагрева нефти Ромашкинского месторождения Исходные данные

1. Температура входа t_2вх=180°C, температура выхода t_2вых=350°C;

2. Нагрев осуществляется в двухпоточной 2-х камерной верти­кальной печи с беспламенными горелками. (l_r = l_х = 12,5 м);

3. Температура дымовых газов на перевале t_1пер = 600°C.

4. Температура окружающей среды t_окр=25ºС и давление p_окр=1 бар.

5. В качестве топлива используют природный газ Чгерского мес­торождения состава, об.%: CH₄ - 98; C₂H₆ - 0,3; С₃Н₈ - 0,2; С₄Н₁₀ - 0,1. В качестве примесей газ содержит: СО₂ - 0,3; N₂ - 1,1. Топ­ливный газ и воздух считать сухими.

Требуется определить:

1. Температуру уходящих из печи дымовых газов t_ух, °C;

2. Тепловой КПД печи η_п.

3. Расход топливного газа В, норм.м³/с.

4. Топливную мощность печи Qп, Вт;

5. Расход нефти (производительность печи по сырью) G, кг/с.

6. Тепловую напряженность поверхностей нагрева в топке и га­зоходе Q_r/F_r, Q_x/F_x, Вт/м2.

7. Тепловую напряженность топочного объема В· ·η_т/V_т, Вт/м³.

8. Гидродинамические режимы течения нефти и коэффициент теп­лоотдачи в змеевике (в газоходе и топке) и время пребывания нефти в змеевике.

9. Эксергетический КПД печи.

Расчетная схема трубчатой печи показана на рис. 5.12.

Здесь Z=2 - число потоков (змеевиков); n_x=28 - число труб в каждом змеевике газохода; n_т=12 - число труб в каждом змеевике топки; l_x=l_т - длины рабочей части труб змеевика газохода и топки = 12,5 м; D_IX - диаметр труб змеевика газохода = 0,114 м; D_IТ - диаметр труб змеевика печи = 0,14 м с толщиной стенки d_ст=0,08 м.

Рис. 5.12. Схема трубчатой печи

Расчет

1. Поверхность труб змеевика в газоходе: F_x = Z·n_x·πD_IX·l_x = 2728·3,14·0,114·12,5 = 250 м²,

в топке: F_т = Z·n_т·πD_IT·l_т = 2712·3,14·0,14·12,5 = 132 м².

2. Определяем объем и энтальпию дымовых газов при горении топлива:

2.1. Низшая теплотворная способность природного сухого газа Чгерского месторождения:

Q_нc=10³(360·СН₄ + 632·С₂Н₆ + 915·С₃Н₈ + 1195·С₄Н₁₀) = =10³(3607·98 + 6327·0,3 + 9157·0,2 + 11957·0,1) = 35676·10³, ,

где 360, 632, 915, 1195 - теплоты сгорания компонентов газа; СН₄, С₂Н₆ и т.д. - объемное содержание компонентов газа.

2.2. Теоретический объем воздуха (α_изб=I):

= 9,464

2.3. Действительный объем воздуха = ·(α_изб > 1), .

2.4. Объем сухих 3-атомных газов (CO₂ и др.):

= = 0,01[ 98+2·0,3+3·0,2+4·0,1+0,3] = 0,999 .

2.5. Теоретический объем газообразного азота (α_изб = I):

= 0,79·9,464+0,01·1,1=7,487,.

2.6. Теоретический объем водяных паров (α_изб = I):

= 0,01(2·98 + ·0,3 + ·0,2 + ·0,1)= 1,982,

2.7. Теоретический объем влажных дымовых газов (α_изб = I):

0,999+7,487+1,982 = 10,468, нм³/нм³топл.

2.8. Энтальпия теоретического объема влажных дымовых газов (α_изб = I):

, .

2.9. Энтальпия теоретического объема воздуха (α_изб = I):

,

2.10. Энтальпия действительного объема влажных дымовых газов (α_изб > 1):

, (см. табл. 5.20).

Рис. 5.13. Н1-t1-диаграмма дымовых газов от сгорания природного газа Чгерского месторождения

2.11. Составляем табл. 5.20 для дымовых газов и рассчитываем значения энтальпий Н1 при t1=200 и 400°C для αизб=1,15. Заполняем строку для t1пер при = 1,1. Для других температур заполнять строки не следует. H1-t1 - диаграмма дымовых газов при сгорании природного газа Чгерского месторождения строится для = 1,15 в диапазоне t1 = 150 ÷ 450°C (рис. 5.13).

3. Рассчитываем теплообмен в топке

3.1. Лучистый тепловой поток от дымовых газов к трубам змеевика в топке (полезный приток тепла в топке) рассчитывается по уравнению

5,67·0,375·132·8,73⁴ = 176307254 Вт,

где ε_т=F₀/Fт · ψ = 0,25 · 1,5=0,375 - приведенная степень черноты топки с панельными горелками.

3.2. Расход топлива вычисляется по 1 закону термодинамики для по­тока:

= 0,06824, ,

где = 35676·10³·0,95+343·543=36020·10³,Дж/нм³топл. - теоретическая энтальпия дымовых газов в топке.

Таблица 5.20.

Энтальпия дымовых газов Н₁, Дж/н м³ топл., при различных температурах t, °С и полном сгорании топливного газа в воздухе

t1, °C	=0,999		=7,487		=1,982			=9,464		103
	· t, 103	, 103	· t, 103	, 103	· t, 103	, 103		· t, 103	, 103	= = 1,1	= = 1,15
0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
200	358,7	358	260,8	1952	306,3	605	2915	267,1	2528	3168	3294
400	774,5	773	528,4	3954	628,3	1245	5972	543,5	5144		6744
600	1226,4	1224	806,4	6034	970,2	1923	9181	832,4	7878	10000	10360
700	1467	9	951		1155			983
750	1588		1023		1248			1059
800	1709		1096		1340			1134
850	1834		1172		1438			1210
900	1959		1247		1536			1287
, .
, - “ -
, - “ -
, - “ -

КПД топки принят η_т=0,95;

= 1,1·9,464·1320·25 = 343543, .

где - энтальпия холодного воздуха, поступившего в топку;

3.3. Энтальпию дымовых газов у перевала при t_1пер=600°C и = 1,1 находим из табл. 5.20: Н_1пер=10·10⁶ .

4. Рассчитываем теплообмен в газоходе.

4.1. 1-е приближение. Выбираем t_1ух = t_2вх + 100 = 180 + 100 = 280°C.

КПД печи в 1-м приближении:

= 1-0,07 - = 0,8075,

где =4,65·10⁶, - энтальпия уходящих дымовых газов при t_1ух=280°C и =1,15 из Н_1ух- диаграммы; = 343543· = 359159 - энтальпия холодного воздуха, поступившего в печь.

Полезный приход тепла от дымовых газов в печи

= 35676·10³·0,8075·0,06824 = 1·965883 Вт.

Расход нефти рассчитывается по уравнению теплового баланса печи:

= = 4,0 кг/с,

где δh_2n=h_2вых - h_2вх= 874·10³-382·10³ = 4927103, Дж/кг нефти – рост энтальпии нефти в печи (значения энтальпии нефти взяты при t_2вых=350°C и t_2вх=180°C). В общем случае может быть как парообра­зование, так и химическая реакция. Здесь из методических соображе­ний принято допущение - жидкофазный нагрев нефти.

Поверхность нагрева F_x труб в газоходе, соответствующая выб­ранной , вычисляется по уравнению теплопередачи в газоходе:

.

Полезный приход тепла от дымовых газов в газоходе:

=1965968 - 1630254 = 335714 Вт.

Энтальпия и температура нефти у перевала находятся по уравне­нию теплового баланса в газоходе (рис. 5.14).

Рис. 5.14. Поле температур в газоходе

= 382 000 + = 465929 , = 213°C

Средний температурный напор теплопередачи в газоходе

= 212°C.

Средняя температура дымовых газов в газоходе

= (600 + 280)·0,5 = 440°C.

Средняя температура нефти в змеевике газохода

= (213 + 180)·70,5 = 197°C.

Теплопередача в газоходе лимитируется сложным теплообменом между дымовыми газами и змеевиком, поэтому коэффициент теплопередачи . Для расчета предварительно определим значение числа Рейнольдса дымовых газов в газоходе при _1x=440°C: 500^*,

где = 0,305 м/с - средняя скорость дымовых газов в газоходе: 2,076 м³/с - средний объемный расход газов в газоходе при _x1 = 440°C или = = 0,06824·[10,468 + (1,1 +- 1)·9,464] = 0,795 ; Ω_1x = (в_x - n_ш·D_1x)·l_x = = (1 - 4·0,114)·12,5 = 6,8 м² - живое (наиболее узкое) сечение газохода.

Рассчитанному значению числа Re_1x = 500 при шахматном распо­ложении пучка труб в газоходе и поперечном обтекании их соответс­твует критериальное уравнение конвективной теплоотдачи:

0,41·500^0,6 · 0,682^0,33 = 15,3;

≈1. Все теплофизические свойства взяты при t_1x = 440°C для воздуха.

Коэффициент конвективной теплоотдачи пучка труб в газоходе

= 7,38 .

Для расчета коэффициента лучистой теплоотдачи α_1λx в газоходе не­обходимо знать эффективную степень черноты излучающих газов CO₂ и H₂O. Но ε₁ зависит от P_изл·l_изл и t_1x (излучают 3-атомные газы и более).

Парциальное давление при общем давлении дымовых газов в газоходе Р₁ = 105Па: 10⁵ · = 8575 Па,

где 0,468 + [(1,1 + 1,15) · 0,5 - 1] · 9,464 = = 11,65 -средний объем дымовых газов в газоходе.

Парциальное давление паров H₂O

10⁵ · = 17013 Па.

Средняя толщина излучающего газового слоя в газоходе с шах­матным пучком труб: _изг =1,87(S_ш + S_глу) - 4,1·D_1к = 1,87(0,228 + 0,197) - 4,1 · 0,114 = 0,332 м

где S_глу=0,5·S_ш·3 = 0,5·0,228·3 = 0,197м - шаг тpуб по глуби­не, а S_ш = 0,228м - шаг расположения труб по ширине газохода.

Степень черноты = 0,08 определяется по силе излучения: 8775·0,332 = 2847 Па·м и температуре _1x = 440°C из диаграммы = f( ).

Cтепень черноты = 0,13 рассчитывается по силе излучения 17013·0,332 = 5648 Па·м.

Эффективная степень черноты излучения смеси (без учета нало­жения спектров) ε₁ = + = 0,08 + 0,13 = 0,21.

Из уравнения лучистой теплоотдачи в газоходе

==8,08,

где ε_x = ε₁ · = 0,21· = 0,176 - приведенная степень черноты пространства газохода.

Степень черноты труб змеевика принята ε_c = 0,9; температура стенок змеевика принята равной средней температуре сырья в змееви­ке газохода:

_cx = _2x = 196°C.

Таким образом, коэффициент теплопередачи в газоходе в 1-м приб­лижении

К'_x = α'_1x + α'_1λx = 7,38 + 8,08 = 15,46 Вт/(м²·К).

При последующих приближениях значение К'_x = 15,46 Вт/(м²·К) будем считать неизменным.

Поверхность нагрева труб в газоходе F_x рассчитывается из уравнения теплопередачи в газоходе:

F'_x= = = 102,4 м² < = 250 м².

Это значит, что в следующем приближении необходимо выбрать t"_1ух < t'_1ух

4.2. 2-е приближение.Выбираем t_1ух = 210°C → H_1ух = 3,5·10⁶ Дж/нм³топл.

КПД печи: = 0,842.

Полезный приход тепла от дымовых газов в печи:

"_n = B · · η"_n = 0,06824 · 35 · 676 · 10³ · 0,842 = 2 049 488 Вт.

Расход нефти через змеевики: G"= = = 4,166 кг неф/с.

Полезный приход тепла в газоходе:

"_x = Q"_n - Q"_Т = 2 049 488 – 1 630 254 = 419 234 Вт.

Энтальпию и температуру сырья у перевала находим из данных рис. 5.15:

h"_2пер = h_2вх + = 382 000 + = 482 263 Дж/кг → t"_2пер = 218°C.

Рис. 5.15. Температура сырья в области перевала (2-е приближение)

Средний напор теплопередачи: = 138°C.

Поверхность труб змеевика F_x в газоходе:

= = 196,6 м² < Fx = 250 м².

Cледовательно, выбираем t"'_1ух < t"_1ух.

4.3. 3-е приближение. Выбираем t"'_1ух= 190°C → H"'_1ух=3,15·10⁶ .

КПД печи: 1 - 0,07 - = 0,85.

Полезный приход тепла в печи:

Q"'_n = B· ·η"'_п = 0,06824·35676·10³·0,85 = 2068976 Вт.

Расход нефти: = 4,205 .

Полезный приход тепла в газоходе:

= 2068976-1630254 = 438722 Вт.

Энтальпию и температуру нефти в змеевике у перевала находим из данных рис. 5.16 → t"'_2пер=221°С.

Рис. 5.16. Температура нефти в змеевике в области перевала

Напор теплопередачи в газоходе: = 102°C.

Поверхность нагрева: = 278,2 м² > F_x = 250 м².

На основе полученных даных по трем приближениям строится гра­фик F_x-t_1ух (рис. 5.17).

Действительные значения искомых величин

Из диаграммы F_x - t_1ух по действительному значению F_x = 250м² находим

= 196°С; = 3,23·10⁶ (см.рис. 5.12);

= 1 - 0,07 - = 1,0-0,07 - = 0,849.

Рис. 5.17. Зависимость поверхности нагрева змеевика в газоходе Fx от температуры уходящих газов t1yx

В = 0,06824 нм³топл/с - расход топливного газа Чгерского месторождения;

= 0,06824·35676·10³·0,849 = 2066916 Вт - полезный приход тепла от дымовых газов в печи;

= = 4,2 кг/с - расход нефти через змеевики;

2066916 - 1630254 = 436662 Вт - полезный приход тепла от дымовых газов в газоходе;

1747 -тепловая напряженность труб змеевика в газоходе;

- теплонапряженность труб змеевика;

- тепловая напряженность топочного объема,

где Vт=в_т·h_т·l_т=2,24·3,5·12,5=98 м³ - объ­ем топки (см.рис.26).

Расчет течения и теплообмена нефти

Змеевик в газоходе

Энтальпия и температура нефти в змеевике у перевала:

→ t_2пер = 221°C.

Средняя температура нефти в змеевике газохода:

_2x = (t_2пер + t_2вх)·0,5 = (221+180)·0,5 = 200°C.

Число Рейнольдса

26506 > 10⁴ (режим течения турбулентный),

где 0,356 м/с, - средняя скорость протекания нефти через один змеевик; 8,17·10^-3м² - площадь поперечного сечения отверстия змеевика.

Критериальное уравнение теплоодачи при турбулетном режиме те­чения жидкости внутри трубы:

2922.

где ≈1.

Коэффициент теплоотдачи нефти: .

Коэффициент теплопередачи от дымовых газов к нефти:

.

Погрешность: 0,059 (5,9%),

где К'_х - коэффициент теплопередачи, рассчитанный в 1-м приближении без учета термического сопротивления теплоотдачи со стороны нефти и стенки трубы змеевика; К_х - коэффициент теплопере­дачи, рассчитанный с учетом указанных факторов.

Змеевик в топке

Средняя температура нефти в змеевике топки

_2т = (t_2пер + t_2вых)·0,5 = (221 + 350)·0,5 = 286°C

Число Рейнольдса нефти при _2т = 286°C

> 104

(режим течения нефти турбулентный),

где 0,246 м/с; 1,2868·10^-2 м².

Число Нуссельта

299,6.

Коэффициент теплоотдачи нефти при _2т = 286°C.

.

Коэффициент теплопередачи от дымовых газов к нефти, текущей внутри змеевика топки: ,

где коэффициент теплоотдачи змеевика со стороны дымовых газов в топке .

Принимаем t_ст = _2т = 286°С.

Погрешность при приближенном расчете К_т составит 0,1936 (19,36%)

Среднее время пребывания нефти в змеевике (см. рис. 5.12)

в змеевике газохода: 983 с.

в змеевике топки: 610 с.

По всей длине змеевика от входа до выхода нефти:

₂ =_2х +_2т = 983 + 610 = 1593 с (27 мин).

При необходимости уменьшения погрешностей некоторые пункты расчета вновь повторяются. В этом случае лучше использовать ЭВМ.