Перенос лучистой энергии в поглощающей и излучающей среде

Продукты сгорания топлив представляют собой смесь нескольких газов. Различные газы обладают различной способностью излучать и поглощать энергию. Одно- и двухатомные газы (кислород, азот и др.) практически прозрачны для теплового излучения. Значительной способностью излучать и поглощать энергию излучения обладают многоатомные газы: диоксид углерода и серы, водяной пар, аммиак и др. Наибольший интерес представляют сведения об излучении диоксида углерода и водяного пара, образующихся при сгорании топлив. Интенсивностью их излучения в основном определяется теплообмен раскаленных газообразных продуктов сгорания с обогреваемыми телами в топках.

С ростом температуры, когда максимум излучения смещается в область коротких волн, степень черноты уменьшается. Поскольку степень черноты газа _r существенно зависит от температуры, «закон четвертой степени» Стефана-Больцмана строго не выполняется. Так, плотность черноты потока Е_Н2О Т³, а Е_СО2Т^3,5.

Излучение газов носит объемный характер. Способность газа излучать энергию изменяется в зависимости от плотности и толщины газового слоя. Чем выше плотность излучающего компонента газовой смеси, определяется парциальным давлением p, и чем больше толщина слоя газа l, тем больше молекул принимает участие в излучении и тем выше его излучательная способность и коэффициент поглощения. Поэтому степень черноты газа _r обычно представляют в виде зависимости от произведения pl или приводят в номограммах. Поскольку полосы излучения диоксида углерода и водяных паров не перекрываются, степень черноты содержащего их топочного газа в первом приближении можно считать по формуле:

_r=_co2+_H2O.

Излучение чистых газов находится в инфракрасной части спектра. Имеющиеся в продуктах сгорания раскаленные твердые частицы придают пламени видимую окраску, и его степень черноты может быть большой, достигая значений 0,6-0,7. Основное количество теплоты в топках передается излучением пламени.

Лекция 14 лекция 15 Термодинамический анализ топливосжигающих устройств

Промышленная печь - термотехнологическое устройство, предназначенное для осуществления физико-химических превращений исходных материалов путем тепловой обработки их при оптимальных температурах.

Источником теплоты в пламенных печах служат различные ви­ды жидкого и газообразного углеводородного топлива.

Жидким топливом для промышленных печей является мазут, получающийся как остаток после переработки нефти. В соответствии с ГОСТ 1O585-75 для мазутов установлены следующие марки: флотский Ф5 с государственным Знаком качества, флотский Ф5; флотский Ф12 с государственным Знаком качества, флотский Ф12» топочный с государственным Знаком качества М40В, топочный М40; топочный с государственным Знаком качества M100B, топочный M100.

Флотские мазуты относятся к категорий средних топлив, M100 – к категории тяжелых мазутов.

По содержанию серы мазуты подразделяются на малосернис­тые , сернистые и высоко­сернистые . В отдельных случаях (при пе­реработке высокосернистой нефти) допускается содержание серы в мазуте до 4,3 %.

Газообразное топливо имеет ряд преимуществ: простота ре­гулирований процесса горения и достижения полного сгорания при малом избытке воздуха, возможность высокотемпературного подо­грева перед сжиганием, пренебрежимо малое содержание минераль­ных примесей.

Печная установка включает следующие элементы:

• топочное устройство для сжигания топлива и организации теплообмена;

• рабочее пространство печи для выполнения целевого тех­нологического режима;

• теплообменные устройства для регенерации теплоты дымовых газов (подогрев воздуха);

• утилизационные установки (запечные котлы - утилизаторы) для использования теплоты уходящих газов;

• тяговое и дутьевое устройства (дымовая труба, дымососы и вентиляторы) для удаления продуктов сгорания топлива, газооб­разных продуктов термической обработки материалов и подачи воз­духа к горелкам;

• очистительные устройства (фильтры и т.п.).

Широкое применение высокотемпературной тепловой обработки материалов привело к созданию разнообразных технологических пе­чей.

По тепловым режимам выделяют две большие группы печей:

1) печи-теплообменники;

2) печи-теплогенераторы.

Внутри каждой группы различают по две физические модели с соответствующим тепловым режимом: радиационным и конвективным, характерными для печей-теплообменников, и массообменным и элек­трическим, характерными для печей-теплогенераторов.

В печах-теплообменниках зоны теплогенерации (объем топочно­го пространства) и технологического процесса (нагреваемая среда) разделены поверхностью теплообмена. Примером печей-теплообменни­ков являются трубчатые печи нефтехимического производства.

В печах-теплогенераторах зоны технологического процесса и теплогенерации совмещены. Пример печи-теплогенератора – печь для обжига в "кипящем слое".

В пособии приводится пример расчёта трубчатых печей, при­меняемых в химической, нефтяной и нефтеперерабатывающей промыш­ленности для таких технологических процессов, как термический и каталитический крекинг, перегонка нефти, очистка масел и др. В этих печах теплота передается трубчатой поверхности и конвек­цией, и радиацией. Поэтому они отличаются высокой тепловой эф­фективностью.

Трубчатая печь представляет собой непрерывный змеевик, по трубам которого прокачивают нагреваемый продукт. Змеевик такой печи составлен из прямых труб, соединенных между собой калачами или специальными перепускными двойниками. Шаг между трубами ци­ста составляет 1,8 ... 2d (d - нерудный диаметр трубы).

На рис.1 показана типовая двухкамерная печь с наклонным сводом радиационно-конвективного типа. Наклонный свод способствует равномерному поглощению лучистой теплоты. Форсунки разме­щаются в специальных муфелях, основным видом топлива в трубча­тых печах являются – газ и мазут. Распыл мазута осуществляется паром. При сжигании мазута коэффициент избытка воздуха в топке 1,4 ... 1,8. При воздушном распыле мазута коэффициент избытка воздуха в топке снижается до1,2…1,3, что ведет к снижению потерь теплоты с уходящими газами. КПД труб­чатых печей составляет 50 ... 70%, а при утилизации теплоты уходящих газов достигает 80 %.

Тепловая мощность трубчатых печей не превышает 30 МВт, а теплонапряжение поверхности нагрева радиационных труб – 16 ... 55 . Скорость дымовых газов в трубном пучке сос­тавляет 3 ... 4 м/с при обычной естественной тяге, которая обе­спечивается дымовой трубой высотой 40 ... 50 м. Скорость жид­кой среды в трупах составляет 0.5 ... 3 м/с.

На рисунке 15.1 приведена конвективная трубчатая печь с горизонтальным расположением труб. Регулирование температуры газов на входе в конвективный пучок достигается рециркуляцией уходящих газов. Преимуществом печей конвективного типа является большая степень равномерности нагрева труб по сравнению с радиационным обогревом в однорядном экране.

Высокой эффективностью отличаются трубчатые печи с излучающими стенками (печи беспламенного горения). В них боковые стенки составляются из беспламенных панельных горелок, позволяющих сжигать топливо с малым коэффициентом избытка воздуха без потерь от химической неполноты сгорания и при больших тепловых напряжениях топочного объема. Необходимей для горения воздух инжектируется топливным газом из атмосферы. Паровоздушная смесь поступает через распределительную камеру горелки в керамические туннели, равномерно расположенные по всей поверхности горелки. Полное горение заканчивается в туннеле. Производительность горелок регулируется изменением давления горючего газа перед соплом инжектора. Высокий к.п.д. данных печей связан с работой горелок при малых , что способствует снижению потерь теплоты с уходящими газами, а также потерь в ок­ружающую среду вследствие малых габаритов печи. Кроме того, при малых значенияхснижаются выбросы оксидов азота в окружаю­щую среду.

Рисунок 15.1 - Схема двухкамерной печи с наклонными сводами