НЕФТЕПЕРЕРАБОТКА

Основы и методы расчета радиантной поверхности

Основополагающая часть расчета трубчатой печи - определение требуемой площади радиантной поверхности и объёма воспринимаемого ею тепла, а для стандартных печей с определенной поверхностью радиантных труб - определение объёма воспринимаемого тепла и ключевых тепловых показателей:

• теплонапряженности нагреваемой поверхности;
• температуры газов сгорания, которые покидают топку;
• и др.

Радиантные трубы воспринимают тепло, которое излучается факелами горелочных устройств, футерованными стенами и потоком трехатомных газов сгорания топлива, и поглощают определенное количество тепла посредством свободной конвекции.

Теплообмен, который происходит в камере сгорания достаточно сложен, что объясняет и сложность расчета.

Согласно закона Стефана - Больцмана количество тепла, которое передается радиацией, в общем виде допустимо записать уравнением:

Коэффициент φ демонстрирует долю излучаемого тепла, которая воспринимается конкретной поверхностью поглощающей радиацию. Этот коэффициент есть функция не только взаимного позиционирования поглощающей и излучающей поверхностей, а также интенсивности радиации, значение которой согласно закона Ламберта коррелируется с углом падения лучей на поверхность лучепоглащения. Использование данного соотношения споряжено с большими сложностями вследствие того, что температура разных источников радиации (факел горелочного устройства, части стенок футеровки) и потока газов сгорания варьируется в широких пределах.

В этом соотношении следует задавать такую среднюю величину температуры радиационной поверхности Т, которая будет соответствующей теплу, передаваеммому в фактических условиях. Причем даже малая неточность в определении средней величины Т приводит к существенным погрешностям в расчёте количества переданного тепла, так как параметр Т входит в уравнение в четвертой степени.

Для трубчатых печей температура лучепоглощающей поверхности θ тоже величина переменная. Но температура разных участков по протяженности радиантных труб варьируется весьма незначительно (100-150 °C); помимо этого, величина (θ/100)⁴ существенно меньше, чем величина (Т/100)⁴, поэтому погрешность в вычислении среднего значения θ в меньшей степени сказывается на результатах вычислений.

Сопоставимым по сложности является определение коэффициента φ, так как его величина для разных точек радиационной поверхности отличается, то есть необходимо вычислить среднее значение коэффициента φ для каждого элемента радиационной поверхности.

Процессы теплообмена в радиационных камерах промышленных печей очень сложны, поэтому единый общепринятый метод теплового расчета трубчатых печей отсутствует.

Существующие методы вычислений можно разбить на:

• Эмпирические методы, заключающиеся в обобщении практически полученных данных, имели обширное применение вследствие простоты вычислений и достаточной сходимости с фактическими результатами. Однако их применимость ограничена строго определенными условиями.
• Аналитические методы расчета характеризуются сложностью, но ввиду базирования на основных законах теплообмена, применимы в более широком диапазоне. Они дают достаточно удовлетворительную сопоставимость с фактическими данными.

При расчете теплопередачи в камере радиации рассчитываются следующие параметры:

1. Количество тепла, которое передано радиантным трубам, Q_р.
2. Поверхность радиантных труб H_р, которая обеспечивает восприятие количества тепла Q_р.
3. Температура топочных газов Т_п, которые покидают радиантную камеру.
4. Теплонапряженность радиантных труб q_p.

Все эти параметры взаимозависимы, поэтому выбор 1 или 2 параметров при заданных условиях определяет остальные.

При расчете передачи тепла радиантной поверхности применяется понятие коэффициента прямой отдачи μ. Под этой величиной понимается отношение количества тепла, получаемого радиантными трубами, к объёму тепла, которое было выделено в радиантной камере при сжигании топлива:

Для трубчатых печей величина коэффициента прямой отдачи варьируется в интервале 0,4 - 0,6, т.е. 40 - 60 % всего тепла, которое было полезно выделено при сжигании топлива, воспринимается радиантными трубами.

С подъёмом температуры топочных газов Т_п, которые покидают радиантную камеру, уменьшаются:

• количество тепла, которое передается радиантным трубам;
• коэффициент прямой отдачи,

Графическая зависимость, которая показывает (для некоторого индивидуального случая) степень изменения теплонапряженности нагреваемой поверхности при меняющейся температуре топочных газов, котоыре покидают топочное пространство, в пределах 1000 - 1200 К, изображена на рисунке справа. Из графика получается, что если при температуре Тп = 1000 К теплонапряженность равна 21,6 кВт/м2, повышением температуры до 1100 К достигается теплонапряженности до 31,3 кВт/м2, т.е. в 1,45 раза, а повышение температуры топочных газов до 1200 К приведёт к росту теплонапряженности до 45,5 кВт/м2. Указанные цифры характеризуют некоторый отдельный случай, но зависимость взаимосвязи между данными параметрами является общей и специфичной, поэтому обоснованное определение данных тепловых характеристик режима функционирования печи является весомой составляющей расчета.

Зависимость теплонапряженности поверхности нагрева от температуры газов, покидающих топку