НЕФТЕПЕРЕРАБОТКА

Аналитический метод расчёта радиантной поверхности профессора Н.И. Белоконя

Анализ доступных аналитических расчётных методов, а также имеющийся опыт разработки проектов трубчатых печей и сравнение расчётных данных с показателями функционирования ряда эксплуатируемых трубчатых печей позволяют сделать вывод, что аналитический метод, разработанный профессором Н. И. Белоконем, дает удовлетворительную сходимость с опытными данными. Перейдем к изложению этого метода расчета.

Излагаемый метод основывается на совместном решении уравнений теплопередачи в камере сгорания печи и теплового баланса. Согласно закона сохранения энергии тепловой баланс камеры сжигания топлива может быть записан следующим уравнением:

Величина Т_о определяется зависимостью:

Под приведенной температурой системы понимается температура, которая была бы у смеси топлива, водяного пара и воздуха после того, как эти потоки смешались в камере сгорания печи до того, как выделилась теплота от сжигания топлива. Следовательно, в результате сжигания топлива температура в объёме увеличивается, начиная с этого базового значения Т_о.

Уравнение теплового баланса камеры сгорания топлива построено, исходя из гипотезы о том, что тепло, которое полезно выделено в печи при сжигании топлива, отдается радиантным трубам Q_p, а остальная его часть B·G·C_pm·(Т_п - Т₀) перемещается с топочными газами в конвекционную камеру.

Если теплопередача в топке отсутствует, когда Q_p = 0, уравнение теплового баланса принимает вид:

При этом полезное тепло, которое выделилось при сжигании топлива, тратится исключительно на нагрев топочных газов от Т_о до Т_макс.

Максимальная температура дымовых газов выразится как:

При вычислении наибольшей расчетной температуры сжигания для упрощения приняты средние величины теплоемкостей дымовых газов в диапазоне температур от Т_о до Т_п. На самом деле среднюю теплоемкость необходимо вычислить в интервале от Т_о до Т_макс, поэтому из-за большого значения теплоемкости наибольшая температура сжигания в топке будет немного меньше, чем расчетная. Подобное допущение не оказывает влияния на достоверность решения уравнения теплового баланса.

Основную долю тепла радиантные трубы получают за счёт радиации и лишь малую долю - свободной конвекцией, т.е.:

Количество тепла Q_р.л вычисляется по уравнению Стефана - Больцмана, для применения которого требуется знать температуру поглощающей и излучающей поверхностей, а также величину поверхности теплообмена.

Создавая свой метод профессор Н.И. Белоконь основывался на гипотезе, что основным источником излучающим тепло являются продукты сжигания топлива. Вследствие большой способности дымовых газов к поглощению, расчитывая прямую отдачу, за температуру источника радиации автор брал температуру топочных газов, которые покидают камеру сжигания. КРоме того им было сформулировано понятие об эквивалентной абсолютно черной поверхности, т.е. поверхности, лучистое воздействие которой на радиантные трубы при значении температуры топочных газов, уходящих из камеры сжигания, равно всему отраженной и прямой радиации в топке. В этом методе все источники радиации (факела горелочного устройства, футеровка, топочные газы), которые имеют разную температуру, подменены излучающей абсолютно черной поверхностью, с температурой равной температуре продуктов сжигания, покидающих камеру сжигания. Радиацией такой условной поверхности при данной температуре осуществляется передача такого же количества тепла, как и в фактической топке.

Таким образом, объём тепла, которое передано радиантным трубам посредством излучения, вычислится по формуле:

Тепло, получаемое радиантными трубами свободной конвекцией, вычисляется по уравнению:

Подставив значения Q_р.л и Q_р.к, получаем запись теплового баланса топки в форме:

Для изолированной неэкранированной камеры сжигания топлива в условиях абсолютного отсутствия передачи тепла, когда все тепло тратится, чтобы повышать температуру топочных газов от T₀ до T_макс, запись теплового баланса примет вид:

Сопоставляя уравнения теплового баланса топки и теплового баланса закрытой неэкранированной топки, имеем:

после некоторых преобразований получится:

Для оптимизации расчетных соотношений вводятся термины характеристики излучения β_s и аргумента излучения x:

После преобразований получается запись теплового баланса камеры сжигания топлива в финальном виде:

Графическая функция характеристики излучения βs от аргумента излучения x представлена на рисунке справа. При решении уравнения величина характеристики излучения βs определяется аналитически по формуле: Количество тепла, которое получается радиантными трубами, вычисляется по формуле:
	График для определения характеристики излучения

Смысл уравнения состоит в том, что тепло, которое выделяется в камере печи при охлаждении газов сгорания топлива от расчетной наибольшей температуры горения Т_макс до температуры Т_п, при которой дымовые газы покидают топочное пространство, передается радиантными трубами. Поделив это тепло на всё тепло, которое полезно выделяется при сжигании топлива, получится коэффициент прямой отдачи:

Из уравнения получается, что температура газов, которые покидают топку:

Для расчёта эквивалентной абсолютно черной поверхности H_s автор рассматриваемого метода использует формулу:

Коэффициент β вычисляется по формуле:

Величина ε_V определяется содержанием 3-хатомных газов в продуктах сжигания топлива, ориентировочно ε_V зависит от значения коэффициента избытка воздуха α. Для вычисления степени черноты поглощающей среды предлагается уравнение:

Показатель ρ_FH допустимо определять, исходя из соотношения эквивалентной плоской поверхности H_л и неэкранированной поверхности футеровки F:

Коэффициент ψ свидетельствует о степени экранирования футеровки.

Принимая φ(T) = 0,85, ε_H = ε_F = 0,9, после некоторых преобразований выводится удобная для вычислений зависимость:

Основные величины, вычисляемые при определении прямой отдачи, являются взаимно связанными, а значит, приняв или выбрав одну из них, можно определить значение прочих параметров.