НЕФТЕПЕРЕРАБОТКА

Поверочный расчёт стандартной трубчатой печи

Комфортным вариантом вычисления прямой отдачи является такой, при котором задаются температуру продуктов сгорания топлива, покидающих камеру сжигания, и последовательно находят оставшиеся величины.

Важно акцентировать внимание на том, что допустимость какого-либо режима работы радиационной камеры может быть определена только по результатам проведенных расчетов и получения необходимых показателей, которые харктеризуют её функционирование. Это обстоятельство объясняет потребность в проведения не одного варианта расчета при вариативных значениях температуры газов сгорания топлива, покидающих топочное пространство.

Одним из показателей, который характеризует функционирование трубчатых печей, является теплонапряженность поверхности нагрева радиантных труб. Чем выше её значение, тем с большим эффектом происходит теплопередача, а значит, тем меньшую долю в совокупной стоимости трубчатой печи составляют индивидуальные расходы на радиантные трубы.

Однако рост теплонапряженности поверхности нагрева радиантных труб вызывает необходимость достигать более высокой температуру топочных газов, которые покидают камеру сжигания, что требует наращивания поверхности конвекционных труб или иного рекуперационного устройства, полезно применяющего тепло газов сгорания топлива (пароперегреватель, котел-утилизатор, воздухоподогреватель), потому что альтернативой будет увеличение теплопотерь со сбрасываемыми дымовыми газами, уменьшится КПД печи и возрастёт расход топлива. Следовательно, величина теплонапряженности поверхности нагрева радиантных труб требуется выбирать учитывая вышесказанного. Восприятие тепла радиантными трубами реализуется неравномерно, разные трубы и их сегменты функционируют с теплонапряженностью, существенно отличной (местная теплонапряженность) от средней величины для всей радиантной поверхности.

Это положение обосновано рядом обстоятельств:

• спецификой поглощения лучистой радиации внешней поверхностью трубы;
• для печей различного конструкитвного исполнения неравномерность поглощения лучистой энергии по окружности трубы оценивается коэффициентом φ₁ = 0,55;
• неравномерностью восприятия тепла по длине трубы, которая учитывается коэффициентом φ₂ = 0,6 - 0,97;
• различием в размещении рядов труб радиантного змеевика относительно источников радиации, которое оценивается коэффициентом φ₂ = 0,72 - 0,85.

Наибольшее значение местной теплонапряженности q_макс в сопоставлении со средним значением q_ср:

По статистике ВНИИнефтемаша для трубчатых печей разной конструкции местная теплонапряженность радиантных труб может быть выше среднего его значения в 2,2 - 4,0 раза.

От параметра теплонапряженности нагреваемой поверхности зависит в том числе и температура внутренней стенки труб, которая может быть рассчитана по формуле:

Из приведенной формулы вытекает, что стенка трубы нагревается с увеличением теплонапряженности и остывает с увеличением коэффициента теплоотдачи α₂ (с ростом скорости перемещения нагреваемой среды).

Температура стенки трубы может быть фактором, который ограничивает возможную теплонапряженность нагреваемой поверхности радиантных труб, лимитирующую интенсивность образования кокса и прочие негативные химические превращения, происходящие по причине роста температуры в пограничном слое нагреваемой среды.

Так, например, трубы в печах установок нагрева масел, вакуумной перегонки мазута, отгонки некоторых термически нестабильных растворителей должны функционировать с пониженной теплонапряженностью нагреваемой поверхности радиантных труб.

В некоторых случаях температура стенки трубы лимитириуется из соображений её прочности, например, при нагревании газофазных продуктов до повышенных температур (пониженная величина коэффициента теплоотдачи α₂). Известны случаи, когда повышенная температура стенки трубы стала причиной её интенсивного корродирования и прогара.

Для сконструированных типовых печей различного исполнения ВНИИнефтемаш рекомендует разрешенные средние теплонапряженности q_р нагреваемой поверхности радиантных труб, приведенные в следующей таблице:

Основываясь на методе расчета теплопередачи в камере сгорания трубчатых печей, разработанном профессором Н. И. Белоконем, и учитывая влияние вторичных источников излучения было сформулирована следующая формула для вычисления температуры продуктов сгорания, которые покидают топку:

Значение коэффициента ψ желательно принимать в определенных пределах:

Для разных конструктиных исполнений трубчатых печей ВНИИнефтемаш отношение H_p/H_s практически неизменно и его допустимо принимать по данным следующей таблицы:

В условиях, когда сконструированы и повсеместно применяются трубчатые печи разнообразных типов, моделировать печь заново потребность возникает достаточно редко. По этой причине основным в расчете трубчатой печи является подбор и подтверждение принятых размера и типа печи согласно каталогу, при этом определению подлежат все ключевые показатели ее функционирования (полезная тепловая мощность, коэффициент полезного действия, потребление топлива, температура газов сгорания, которые покидают топку, теплонапряженность нагреваемой поверхности и др.), т.е. выполняется поверочный расчет трубчатой печи определенной конструкции и размеров. Далее будут рассмотрена специфика поверочного расчета камеры сжигания топлива и радиантной поверхности.

В случае применения уравнения для вычисления температуры Т_п дымовых газов, которые покидают топку, может быть предложен нижеследующий алгоритм:

1. Задаться значением температурой Т_п дымовых газов, котоыре покидают топку, и дальнейшим расчетом верифицировать правильность определения этого значения. Рекомендуется принимать значение температуры в интервале 1000 - 1200 К; более высокими параметрами следует задаваться для печей, которые работают с повышенной теплонапряженностью, или для аппаратов, которые нагревают продукт до достаточно высокой температуры.
2. Рассчитать количество тепла, которое поглощено радиантными трубами при температуре принятой на предыдущем этапе:
   

   где	B	-	расход топлива,	кг/ч;
   	Qнр	-	теплотворная способность топлива,	кДж/кг;
   	ηт	-	коэффициент полезного действия топки;
   	Htп	-	энтальпия продуктов сжигания 1 кг топлива,	кДж/кг.

3. Исходя из выбранного типа трубчатой печи и предпочтительной для определенного типа печи и для конкретного процесса средней теплонапряженности нагреваемой поверхности радиантных труб, рассчитать потребную площадь поверхности нагрева радиантных труб:
   

   По каталогу для трубчатой печи выбранного типа определяется значение поверхности радиантных труб Н_р, наиболее близкое к рассчитанному ранее; это значение поверхности нагрева применяется для последующих вычислений. Соответственно выполняется уточнение теплонапряженности поверхности нагрева.

4. Рассчитать энтальпию нагреваемой среды при выходе из труб конвекционной камеры:
   

   где	ht1	-	энтальпия продукта, которое поступает для нагрева в трубчатую печь,	кДж/кг;
   	Gс	-	количество продукта, которое проходит через печь,	кг/ч.

5. Вычислить среднее значение температуры внешней поверхности стенки радиантных труб:
   

   где	α2	-	коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки к нагреваемому продукту,	Вт/(м2·К);
   	δ	-	толщина стенки трубы,	м,
   	λ	-	коэффициент теплопроводности,	Вт/(м·К);
   	δзол	-	толщина зольных отложений на внешней поверхности стенки трубы,	м,
   	λзол	-	коэффициент теплопроводности зольных отложений на внешней поверхности стенки трубы,	Вт/(м·К);

   Для печей, в которых нагреваются жидкофазное и испаряющееся сырье, α₂ может быть принят равным 600 - 900 Вт/(м²·К); если нагреваются газообразные продукты или перегретые пары - значение α₂ меньше и его необходимо определить.

   Для газового топлива величина δ_зол возможно принимать равной "0", для жидкофазного топлива δ_зол/λ_зол ≈ 0,002 м²·К/Вт.

6. Рассчитать коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией от продуктов сгорания топлива к радиантным трубам:
   
7. Рассчитать теплонапряженность радиантных труб, которая обусловлена свободной конвекцией:
   
8. Выбрается отношения H_p/H_s.
9. Для подобранного типа трубчатой печи по рекомендациям, принять коэффициент ψ.
10. Рассчитать температуру дымовых газов Т_п и сравнить ее с предварительно принятым показателем. При равенстве или малом отличии вычисление считается завершенным, при этом также учитывается рассчитанное значение средней теплонапряженности нагреваемой поверхности. Если есть потребность, то выполняется пересчет и на его основании корректируются показатели Т_п и q_р.