НЕФТЕПЕРЕРАБОТКА

Теплообмен в трубчатой печи

Трубчатая печь имеет в своем составе радиантную и конвекционную камеры. В радиантной (топочной) камере, где происходит сжигание топливнйо смеси, находится радиантный трубный экран, который поглощает лучистое тепло преимущественно благодаря радиации.

В конвекционной камере находятся конвекционные трубы, котоыре воспринимают тепло преимущественно в результате контактирования дымовых газов с нагреваемой поверхностью за счёт конвекции.

Продуктовый поток нагреваемый в трубчатой печи проходит через друг за другом конвекционные и радиантные трубные экраны, поглощая тепло. Обычно радиантный трубный экран воспринимает основную часть тепла, которое выделяется в печи при сжигании топливнйо смеси.

Лучистое тепло с высоким эффектом передается, когда дымовые газы охлаждаются до 1000-1200 К. Дальнейшее снижение температуры топочных газов в основном оказывается неоправданным, так как в таком случае радиантная поверхность эксплуатируется с пониженным значением теплонапряженности поверхности нагрева и возникает потребность в значительном увеличении поверхности радиантных трубных экранов. Эффективность передаччи тепла посредством конвекции меньше зависит от температуры топочных газов. Конвекционная поверхность рекуперирует тепло продуктов сгорания топливной смеси и в состоянии обеспечить их охлаждение до значения температуры, при которой величина коэффициента полезного действия печи в целом будет экономически обоснованной.

Если присутствие конвекционной поверхности для подогрева сырья не является необходимой или габариты этой поверхности возможно значительно уменьшить, то тепло топочных газов должно быть использовано для других целей, таких как подогрев воздуха или выработка водяного пара. При низкой производительности временами используются печи без конвекционной поверхности, которые проще в конструктивном плане, но обладают относительно не высоким коэффициентом полезного действия.

Механизм процесса теплопередачи в печи

Рассмотрим механизм процесса теплопередачи в печи, которая состоит из 2-ух камер с настильным пламенем. Специфическая черта данной печи - наклонно-установленные форсунки (горелки) в низу печи, которые обеспечивают контак факела с поверхностью стены, установленной по средине камеры радиации. В радиантную камеру данной печи посредством форсунки подается диспергированное топливо, а также требуемый для горения подогретый или холодный воздух. Высокая степень распыления топливной смеси обеспечивает его активное перемешивание с воздухом и более полное сгорание топлива. Контактирование факела с поверхностью настильной стенки приводит к её нагреванию; излучение исходит от факела и от раскаленной стены. Тепло, которое выделяется при сжигании топливной смеси, тратится на подъём температуры топочных газов и частиц горящего топлива, которые раскаляются и формируют светящийся факел. Температура, геометрия и форма факела определяются многими факторами и, в частности, от: температуры и расхода воздуха, нагнетаемого для горения топлива; способа подвода воздуха; конструкции и нагрузки горелочного устройства; теплотворной способности топлива; расхода форсуночного пара; размера радиантной поверхности (степени экранирования топки). Когда повышается температура воздуха происходит увеличение температуры факела, возрастает скорость горения и размеры факела становятся более компактными. Размеры факела становятс меньше и при повышении (до некоторого предела) расхода воздуха, который поступает в топочное пространство, потому что избыток кислорода интенсифицирует процесс сжигания топливнйо смеси. При дефиците воздуха факел выглядит растянутым, топливо не сгорает в полном объёме, из-за чего происходит потеря тепла. Избыточное количество воздуха противопоказано по причине повышенных теплопотерь с выводимыми дымовыми газами и интенсификации окисления (окалинообразования) нагреваемой поверхности. Воздух, требуемый для горения топлива, подается к устью горелочного устройства, т.е. в начало факела. В ряде форсунок топливная смесь распыляется воздухом, вводимым в топочное пространство вместе с топливом. В некоторых конструкциях на внутренней поверхности стен печей устанваливается канал для подачи так называемого вторичного воздуха, который позволяет подводить требуемый для горения кислород по длине факела, что увеличивает температуру радиации стенки и благоприятствует более равномерной теплопередаче излучением. В подобной печи тепло радиацией передается от факела, отражающей стенки и трехатомных газов (водяной пар, двуокись углерода, диоксид серы), которые имеют избирательную способность поглощения и излучения лучей фиксированной длины волны. Частично лучи попадают на поверхность футеровки через зазоры между трубами, разогревая кладку, которая в свою очередь излучает тепло. При этом энергия частично поглощается теми участками поверхности труб, которые обращены к стенке печи. Настильная и другие стены кладки, у которых размещены трубы (экранированный участок кладки) или свободные от труб (незаэкранированные), называются вторичными излучателями.

Схема работы трубчатой печи с объемно-настильным сжиганием топлива: 1 - форсунка; 2 - настильная стенка; 3 - радиантная (топочная) камера; 4 - конвекционная камера; 5 - дымовая труба; 6 - змеевик труб конвекционных; 7 - змеевик труб радиантных; 8 - футеровка. I - ввод сырья; II - вывод сырья; III - топливо и воздух; IV - дымовые газы

Тепло получается радиантными трубами не только благодаря излучению, но также и от контактирования топочных газов с трубной поверхностью, которая является менее нагретой (теплопередача свободной конвекцией). Из всего объёма тепла, которое воспринимается радиантными трубами, большая его часть (от 85 до 90 %) передается радиацией, остальные 10 - 15% конвекцией.

Внешняя поверхность труб излучает, в свою очередь, некоторое количество тепла, т.е. присутствует процесс взаимоизлучения, но температура трубной поверхности вследствие постоянного теплосъёма сырьевым потоком, котоырй проходит по радиантным трубам, существенно меньше, чем температура прочих источников радиации и как следствие в результате взаимоизлучения через поверхность радиантных труб сырьевому потоку передается незначительное количество тепла.

В результате передачи тепла, которая осуществляется в топочной камере, топочные газы подвергаются охлаждению и попадают в конвекционную камеру, где напраямую соприкасаются поверхностью конвекционных труб, имеющих более низкую температуру и происходит вынужденная конвекция.

В камере конвекции теплопередача происходит также благодаря излучению трехатомных топочных газов и от радиации стенок кладки. Больше всего тепла в конвекционной камере передается посредством конвекции, его значение достигает 60 - 70 % от суммарно количества тепла, которое воспринимается этими трубами. Телпопередача радиацией от газов составляет 20 - 30 %; радиацией стенок кладки камеры конвекции передается в среднем порядке 10 % тепла.

Влияние укладки труб

Главным фактором, который предопределяет эффективность конвективной теплопередачи, является скорость перемещения топочных газов, поэтому конструируя трубчатые печи её значение стремятся максимизировать. Этого можно достичь за счёт размещения минимального количества труб в одном горизонтальном ряду и минимизации межосевого расстояния труб. Однако при увеличении скорости топочных газов в камере конвекции возрастает сопротивление газововму потоку, что и лимитирует выбор значения скорости. С другой стороны, из-за уменьшения числа труб в одном горизонтальном ряду происходит увеличение высоты конвекционной камеры. Данный фактор также оказывает влияние на выбор допустимой скорости перемещения топочных газов в конвекционной камере.

Немаловажным фактором, который влияет на эффективность теплопередачи, является способ укладки труб в конвекционной камере. При укладке труб в шахматном порядке по причине более выраженной турбулентности потока топочных газов и лучшей обтекаемости ими труб теплопередача более эффективна, чем при укладке коридорным способом. При равной скорости движения топочных газов шахматная укладка труб даёт по сравнению с коридорной укладкой более эффективную (от 20 до 30 %) теплопередачу.

Схема движения дымовых газов:
при коридорном расположении труб	при шахматном расположении труб

Уменьшение проходного сечения труб также благоприятствует интенсификации телпопередачи, как благодаря лучшей обтекаемости труб, так потому, что появляется возможность их более компактной укладки, которая дает возможность повышения скорости топочных газов.

Однако требуется помнить, что уменьшая диаметр печных труб увеличиваешь скорость сырьевого потока, в результате повышается гидравлическое сопротивление движению нагреваемого потока.Чтобы снизить сопротивление при использовании печных труб меньшего диаметра перекачка нагреваемого продукта, обычно организовывается двумя или несколькими потоками, идущими параллельно.

Эффективность теплопередачи в камере конвекции можно повысить выполнив оребрение внешней поверхности конвекционных труб, за счет чего происходит увеличение поверхности контактирования дымовых газов с трубами и появлется возможность передачи большого количества тепла.

Теплопередача конвекцией определяется также температурным напором, т.е. от градиентом температур между топочными газами и нагреваемым потоком. Обычно значение температурного градиента убывает в сторону движения топочных газов. Так, увеличивая температуру сырья на 1 °С дымовые газы охлаждаются на 5 - 7 °С. Макимальный температурный градиент в конвекционной камере наблюдается при входе топочных газов в камеру, а минимальный при их выходе. Количество тепла, которое поглощается конвективными трубами, снижается также в сторону движения топочных газов.

Доля тепла, которое передается радиацией в камере конвекции, существенно меньше, чем в радиантной камере, как по причине более низкой температуры топочных газов, так и в следствии меньшей толщины излучаемого газового потока. Эффективная толщина газового слоя в конвекционной камере зависит от расстояния между соседними рядами труб. Уменьшение температуры топочных газов в направлении их перемещения, естественно, приводит также к уменьшению теплопередачи излучением от них.

Конвекционные трубы, которые расположены в первых рядах по ходу топочных газов, поглощают больше тепла, как от конвекции, так от радиации и поэтому в ряде случаев их теплонапряженность бывает выше теплонапряженности радиантных труб.