Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Технологический расчет трубчатой печи



Введение

трубчатый печь топливо тепловой

В последние годы трубчатые печи получили широкое распространение во всех наиболее развитых промышленных странах, так как быстрое развитие химической и особенно нефтяной и нефтехимической промышленности требует увеличения дешевых тепловых агрегатов для специальных технологических процессов.

Трубчатые печи используются при необходимости нагрева среды до температур более высоких, чем те, которых можно достичь с помощью пара, т.е. примерно свыше 230°С. Несмотря на сравнительно большие первоначальные затраты, стоимость тепла, отданного среде при правильно спроектированной печи, дешевле, чем при всех других способах нагрева до высоких температур.

Трубчатые печи различаются по технологическим, теплотехническим, конструктивным и другим признакам.

Одним из основных классификационных признаков промышленных трубчатых печей является их целевая принадлежность - использование в условиях определенной технологической установки. Так, большая группа печей, применяемых в качестве нагревателей сырья, характеризуется высокой производительностью и умеренными температурами нагрева (300-500°С) углеводородных сред (установки AT, АBT, вторичная перегонка бензина, ГФУ). Другая группа печей многих нефтехимических производств одновременно с нагревом и перегревом сырья используется в качестве реакторов.

Большинство применяемых трубчатых печей радиантно-конвекционные. Они состоят из радиационной камеры, где сжигается топливо, и тепло к трубчатым сырьевым змеевикам передается, главным образом, излучением от пламени и раскаленных поверхностей огнеупорной футеровки, и конвекционной камеры, куда поступают продукты сгорания топлива из камеры радиации. В камере конвекции тепло к сырью передается в основном конвекцией и частично излучением трехатомных компонентов дымовых газов.

Нагреваемое углеводородное сырье проходит последовательно сначала по змеевикам камеры конвекции, а затем направляется в змеевики, камеры радиации.

В химической и нефтяной промышленности трубчатые печи применяются в основном при следующих операциях:

а) при нагревании технологических жидкостей или газов (нагрев и вакуумная перегонка, перегрев пара и т.п.);

б) при нагревании или выпаривании веществ, служащих для переноса тепла, например, минеральных масел, неорганических солей, даутермов и др.;

в) для сообщения реакционного тепла эндотермическим реакциям путем прямого нагрева реакционного пространства (термический крекинг, пиролиз бензинов, пиролиз этан-пропановой смеси, коксование и др.) или перегревом веществ.

Коэффициент полезного действия современных печей колеблется от 70 до 80% и в некоторых случаях достигает 88%. Работа современных трубчатых печей основывается на принципе однократного испарения, что обеспечивает либо более глубокий отгон при данной конечной температуре нагрева сырья, либо заданный отгон при более низкой температуре нагрева. Они обладают высокой тепловой эффективностью.

Продолжительность пребывания нагреваемого сырья в зоне высоких температур не превышает нескольких минут, что уменьшает возможность его разложения и коксоотложения в трубах, вследствие чего при необходимости сырье можно нагревать до более высокой температуры. Печи удобны в эксплуатации, позволяют осуществить автоматизацию [1], [7].



1. Теоретическая часть

1.1 Основные характеристики трубчатых печей

Трубчатая печь является аппаратом, предназначенным для передачи нагреваемому продукту тепла, выделяющегося при сжигании топлива, непосредственно в этом же аппарате.

Трубчатые печи широко распространены в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленностях, они являются составной частью многих установок и применяются в различных технологических процессах, таких как перегонка нефти, мазута, каталитический крекинг и риформинг, гидроочистка, очистка масел и др.

В начальный период развития нефтеперерабатывающей промышленности для нагрева сырья использовались кубы; однако, они имели много существенных недостатков и поэтому теперь не применяются.

Трубчатые печи получили широкое распространение благодаря следующим своим особенностям. Их работа основывается на принципе однократного испарения, что обеспечивает либо более глубокий отгон при данной конечной температуре нагрева сырья, либо заданный отгон при более низкой температуре нагрева. Они обладают высокой тепловой эффективностью, так как в дополнение к основной части тепла, которая передается излучением, существенная часть передается конвекцией вследствие сравнительно высокой скорости движения дымовых газов. Помимо этого, трубчатые печи являются компактными аппаратами, их коэффициент полезного действия высок, они могут обеспечивать высокую тепловую мощность. Продолжительность пребывания нагреваемого сырья в зоне высоких температур не превышает нескольких минут, что уменьшает возможность его разложения и коксоотложения в трубах, вследствие чего при необходимости сырье можно нагревать до более высокой температуры. Печи удобны в эксплуатации, позволяют осуществлять автоматизацию.

В зоне нагрева трубчатых печей единовременно находится относительно небольшое количество нефтепродукта, что снижает пожарную опасность. В случае прогара труб пожар легче устранять.

Трубчатая печь имеет камеры радиации и конвекции. В камере радиации (топочная камера), где сжигается топливо, размещена радиантная поверхность (экран), поглощающая тепло в основном за счет радиации.

В камере конвекции расположены трубы, воспринимающие тепло главным образом путем конвекции - при соприкосновении дымовых газов с поверхностью нагрева.

Сырье последовательно проходит через конвекционные и радиантные трубы и поглощает тепло; обычно радиантная поверхность воспринимает большую часть тепла, выделяемого при сгорании топлива.

Тепло эффективно передается излучением при охлаждении дымовых газов до 1000-1200 К. Снижение температуры дымовых газов до более низких значений часто бывает неоправданным, так как при этом радиантная поверхность работает с пониженной теплонапряженностью поверхности нагрева.

Эффективность теплопередачи конвекцией в меньшей степени зависит от температуры дымовых газов, поэтому таким способом тепло передается, когда передача тепла излучением оказывается недостаточно эффективной. Таким образом, конвекционная поверхность использует тепло дымовых газов и обеспечивает их охлаждение до температуры, при которой величина коэффициента полезного действия аппарата будет экономически оправданной.

Если тепло дымовых газов может быть использовано для иных целей, например, для подогрева воздуха или для производства водяного пара, то либо наличие конвекционной поверхности для нагрева сырья не является обязательным, либо размеры этой поверхности могут быть существенно уменьшены. При небольшой производительности иногда применяют печи без конвекционной поверхности, более простые в конструктивном отношении, но обладающие невысоким коэффициентом полезного действия.

Основными показателями, характеризующими работу трубчатой печи, являются полезная тепловая нагрузка, теплонапряженность поверхности нагрева и топочного пространства, коэффициент полезного действия печи.

Важнейшей характеристикой печи является полезная тепловая нагрузка, т.е. количество тепла, воспринимаемого сырьем в печи (кВт или кДж/ч). На ряде действующих нефтеперерабатывающих заводов эксплуатируются трубчатые печи с полезной тепловой нагрузкой от 10 до 20 МВт. На высокопроизводительных установках тепловая мощность печей составляет 50-80 МВт.

Важным показателем, характеризующим работу трубчатой печи, является теплонапряженность поверхности нагрева, или плотность теплового потока, т.е. количество тепла, переданного через 1 м² поверхности нагрева в единицу времени (Вт/м²).

Различают среднюю теплонапряженность труб всей печи, среднюю теплонапряженность радиантных и конвекционных труб, а также теплонапряженность отдельных участков труб (локальная). Величина тепловой напряженности поверхности нагрева характеризует, насколько эффективно передается тепло через поверхность нагрева всей печи или отдельных ее частей. Чем выше средняя теплонапряженность поверхности нагрева всей печи, тем меньше размеры печи, обеспечивающей передачу заданного количества тепла и, следовательно, тем меньше затраты на ее сооружение.

Однако чрезмерно высокая теплонапряженность поверхности нагрева может нарушить нормальную работу печи и привести к прогару труб.

Тепловая напряженность топочного пространства характеризует количество тепла, выделяемого при сгорании топлива в единицу времени в единице объема топки (Вт/м³). Эта величина, в известной мере, характеризует эффективность использования объема топки. Размеры топки трубчатых печей во многих случаях зависят не от величины допустимого удельного тепловыделения, а от конструктивных особенностей печи и допускаемой величины теплонапряженности поверхности нагрева радиантных труб. В трубчатых печах теплонапряженность топочного пространства обычно составляет 40-80 кВт/м³, тогда как в паровых котлах, где объем топочного пространства в основном предопределяется условием полного сгорания топлива, эта величина значительно больше (600-2000 кВт/м³).

Коэффициент полезного действия трубчатой печи есть величина, характеризующая полезно используемую часть тепла, выделенного при сгорании топлива. При полном сгорании топлива эта величина зависит главным образом от коэффициента избытка воздуха и температуры дымовых газов, выходящих из печи, а также от степени тепловой изоляции трубчатой печи. Снижение коэффициента избытка воздуха так же, как и понижение температуры отходящих дымовых газов, способствует повышению к.п.д. печи. При подсосе воздуха через неплотности кладки коэффициент избытка воздуха повышается, что приводит к снижению к.п.д. печи. Для трубчатых печей значение коэффициента полезного действия находится в пределах от 0,65 до 0,85.

1.2 Классификация трубчатых печей

Классификация печей - это упорядоченное разделение их в логической последовательности и соподчинении на основе признаков содержания на классы, виды, типы и фиксирование закономерных связей между ними с целью определения точного места в классификационной системе, которое указывает на их свойства. Она служит средством кодирования, хранения и поиска информации, содержащейся в ней, дает возможность распространения обобщенного опыта, полученного теорией и промышленной практикой эксплуатации печей, в виде готовых блоков, комплексных типовых решений и рекомендаций для разработки оптимальных конструкций печей и условий осуществления в них термотехнологических и теплотехнических процессов.

Главными и естественными по степени существенности основаниями для классификации печей в логической последовательности являются следующие признаки:

- технологические;

- теплотехнические;

- конструктивные.

По технологическому назначению различают печи нагревательные и реакционно-нагревательные.

В первом случае целью является нагрев сырья до заданной температуры. Это большая группа печей, применяемых в качестве нагревателей сырья, характеризуется высокой производительностью и умеренными температурами нагрева (300-500°С) углеводородных сред (установки АТ, АВТ, ГФУ).

Во втором случае кроме нагрева в определенных участках трубного змеевика обеспечиваются условия для протекания направленной реакции. Эта группа печей многих нефтехимических производств одновременно с нагревом и перегревом сырья используется в качестве реакторов. Их рабочие условия отличаются параметрами высокотемпературного процесса деструкции углеводородного сырья и невысокой массовой скоростью (установки пиролиза, конверсии углеводородных газов и др.).

По способу передачи тепла нагреваемому продукту печи подразделяются:

- на конвективные;

- радиационные;

- радиационно-конвективные.

Конвективные печи - это один из старейших типов печей. Они являются как бы переходными от нефтеперегонных установок к печам радиационно-конвективного типа. Практически в настоящее время эти печи не применяются, так как по сравнению с печами радиационными или радиационно-конвективными они требуют больше затрат как на их строительство, так и во время эксплуатации. Исключение составляют только специальные случаи, когда необходимо нагревать чувствительные к температуре вещества сравнительно холодными дымовыми газами.

Печь состоит из двух основных частей - камеры сгорания и трубчатого пространства, которые отделены друг от друга стеной, так что трубы не подвергаются прямому воздействию пламени, и большая часть тепла передается нагреваемому веществу путем конвекции. Чтобы предотвратить прожог первых рядов труб, кудапоступают сильно нагретые дымовые газы из камеры сгорания, и чтобы коэффициент теплоотдачи удерживался в пределах, приемлемых по технико-экономическим соображениям, при сжигании используется значительный избыток воздуха или 1,5-4-кратная рециркуляция остывших дымовых газов, отводимых изтрубчатого пространства и нагнетаемых воздуходувкой снова в камеру сгорания. Одна из конструкций конвективной печи показана на рисунке 1.

Дымовые газы проходят через трубчатое пространствосверху вниз. По мере падения температуры газов соответственно равномерно уменьшается поперечное сечение трубчатого пространства, при этом сохраняется постоянная объемная скорость продуктов сгорания.

Рисунок 1 - Конвективная печь

1 - горелки; 2 - камера сгорания; 3 - канал для отвода дымовых газов; 4 - камера конвекции

В радиационной печи все трубы, через которые проходит нагреваемое вещество, помещены на стенах камеры сгорания. Поэтому у радиационных печей камера сгорания значительно больше, чем у конвективных. Все трубы подвергаются прямому воздействию газообразной среды, которая имеет высокую температуру. Этим достигается:

а) уменьшение общей площади теплоотдачи печи, так как количество тепла, отданного единице площади труб, путем радиации при одинаковой температуре среды (особенно при высоких температурах этой среды), значительно больше, чем количество тепла, которое можно передать путем конвекции;

б) хорошая сохранность футеровки за трубчатыми змеевиками, благодаря тому, что снижается ее температура, во-первых, за счет прямого закрытия части ее трубами, во-вторых, за счет отдачи тепла излучением футеровкой более холодным трубам.

Обычно нецелесообразно закрывать все стены и свод трубами, так как этим ограничивается теплоизлучение открытых поверхностей, а в результате уменьшается общее количество тепла, отдаваемого единицей площади труб.

Например, у современных типов кубовых печей отношение эффективной открытой поверхности к общей внутренней поверхности печи колеблется в пределах 0,2-0,5.

Чисто радиационные печи из-за простоты конструкции и большой тепловой нагрузки труб имеют самые низкие капитальные затраты на единицу переданного тепла. Однако они не дают возможности использовать тепло продуктов сгорания, как это имеет место у радиационно-конвективньгх печей. Поэтому радиационные печи работают с меньшей тепловой эффективностью.

Радиационные печи применяются при нагреве веществ до низких температур (приблизительно до 300°С), при небольшом их количестве, при необходимости использования малоценных дешевых топлив и в тех случаях, когда особое значение придается низким затратам на сооружение печи.

Радиационно-конвективная печь имеет две отделенные друг от друга секции: радиационную и конвективную. Большая часть используемого тепла передается в радиационной секции (обычно 60-80% всего использованного тепла), остальное - в конвективной секции.

Конвективная секция служит для использования физического тепла продуктов сгорания, выходящих из радиационной секции обычно с температурой 700-900°С, при экономически приемлемой температуре нагрева 350-500°С (соответственно температуре перегонки).

Величина конвективной секции, как правило, подбирается с таким расчетом, чтобы температура продуктов сгорания, выходящих в боров, была почти на 150°С выше, чем температура нагреваемых веществ при входе в печь. Поэтому тепловая нагрузка труб в конвективной секции меньше, чем в радиационной, что обусловлено низким коэффициентом теплоотдачи со стороны дымовых газов.

С внешней стороны иногда эти трубы снабжаются добавочной поверхностью - поперечными или продольными ребрами, шипами и т.п.

Почти все печи, эксплуатируемые в настоящее время на нефтеперерабатывающих заводах, являются радиационно-конвекционными. В печах такого типа трубные змеевики размещены и в конвекционной и в радиантной камерах.

По конструктивному оформлению трубчатые печи классифицируются:

по форме каркаса:

а. Коробчатые ширококамерные (рисунок 2а), узкокамерные

(рисунок 2б);

б. Цилиндрические (рисунок 2в);

в. Кольцевые;

г. Секционные;

по числу камер радиации:

а. Однокамерные;

б. Двухкамерные;

в. Многокамерные;

Рисунок 2 - Форма каркаса печи

а - коробчатой ширококамерной печи; б - коробчатой узкокамерной печи; в-цилиндрической печи

по числу камер радиации:

а. Однокамерные;

б. Двухкамерные;

в. Многокамерные;

по расположению трубного змеевика:

а. Горизонтальное (рисунок 3а);

б. Вертикальное (рисунок 3б);

Рисунок 3 - Расположение трубного змеевика

а - горизонтальное; б - вертикальное

по расположению горелок:

а. Боковое;

б. Подовое;

по топливной системе:

а. На жидком топливе (Ж);

б. На газообразном топливе (Г);

в. На жидком и газообразном топливе (Ж+Г);

по способу сжигания топлива:

а. Факельное;

б. Беспламенное сжигание;

по расположению дымовой трубы:

а. Вне трубчатой печи (рисунок 4а);

б. Над камерой конвекции (рисунок 4б);

по направлению движения дымовых газов:

а. С восходящим потоком газов;

б. С нисходящим потоком газов;

в. С горизонтальным потоком газов

Рисунок 4 - Расположение дымовой трубы

а - вне трубчатой печи; б - над камерой конвекции



2. Расчетная часть

2.1 Расчет процесса горения топлива

Целью этого этапа расчета является расчет низшей теплотворной способности топлива, количества и состава продуктов сгорания, теплосодержания продуктов сгорания.

Низшая теплотворная способность топлива определяется по уравнению Менделеева, кДж/кг:

, (1)

гдеW - содержание влаги в топливе, % масс.

кДж/кг

Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, кг/кг:

, (2)

кг/кг.

Фактический расход воздуха, кг/кг:

, (3)

кг/кг.

Количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива, кг/кг:



, (4)

где W_ф - расход форсуночного пара, кг/кг,

кг/кг.

Количество газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива кг/кг:

; (5)

кг/кг;

; (6)

кг/кг;

; (7)

кг/кг;

; (8)

кг/кг;

; (9)



кг/кг.

Проверка: . (10)

кг/кг, G=18,6410

Проверка показала, что все произведенные расчеты верны.

Объемный расход воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива, м³/кг:

; (11)

м³/кг.

Расчет продуктов сгорания на 1 кг топлива при заданной температуре производится по формуле:

, (12)

где - температура продуктов сгорания, К;

- средние массовые теплоемкости продуктов сгорания,

кДж/кг

Рассчитаем для температур 300, 500, 700, 900, 1100, 1300, 2100 К и составим таблицу 1.



Таблица 1

T, K	300	500	700	900	1100	1300	2100
qt, кДж/кг	518,26	4453,87	8587,70	12941,77	17466,15	22188,04	42023,03

Выводы: В разделе был проведен расчет:

- низшей теплоты сгорания топлива:

- состав продуктов сгорания;

- фактическое количество воздуха необходимого для полного сгорания топлива: L=17,641 кг/кг.

- количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива: G=18,641 кг/кг.

2.2 Тепловой баланс трубчатой печи. Расчет коэффициента полезного действия и расхода топлива

Целью данного этапа является расчет КПД, расхода топлива, теплопроизводительность трубчатой печи (полная тепловая нагрузка) значение, которой необходимо для выбора типоразмера печи.

Согласно закону сохранения энергии уравнения теплового баланса для трубчатой печи выглядит так:

, (13)

где - статьи прихода и расхода тепла соответственно, кДж/кг.

Расчет теплового баланса ведется на 1 кг топлива.

Статьи расхода тепла:

, (14)

где - соответственно полезно воспринятое в печи сырьем, теряемое с уходящими из печи дымовыми газами, теряемое в окружающую среду тепло, кДж/кг.

Статьи прихода тепла:

, (15)

где - теплоемкости топлива, воздуха, форсуночного водяного пара соответственно, кДж/кг;

- температуры топлива, воздуха, форсуночного водяного пара соответственно,°С. Итак, уравнение теплового баланса запишется в следующем виде:

(16)

(17)

Откуда определяется коэффициент полезного действия трубчатой печи:

, (18)

где - соответственно потери тепла с уходящими дымовыми газами и потери тепла в окружающую среду в долях от низшей теплотворной способности топлива.

Потери тепла в окружающую среду составляют 5%.

Температура уходящих дымовых газов,°С:



, (19)

где - температура нагреваемого продукта на входе в печь,°С

- разность температур теплоносителей на входе сырья в змеевик камеры конвекции,°С.

°С;

К.

При естественной тяге в печи не должна быть меньше 250°С.

Расчет продуктов сгорания на 1 кг топлива при заданной температуре производится по формуле:

, (20)

где - температура продуктов сгорания, К;

- средние массовые теплоемкости продуктов сгорания,

Значения средних массовых теплоемкостей продуктов сгорания находятся методом интерполяции [1, стр. 7, таблица 2].

Расчет полезной тепловой нагрузки трубчатой печи:

, (21)

где - производительность печи по сырью, кг/ч;

, , - соответственно теплосодержание паровой и жидкой фазы при температуре, жидкой фазы (сырья) при температуре, кДж/кг;

- доля отгона сырья на выходе из змеевика трубчатой печи.

Теплосодержание паров нефтепродуктов определяется по уравнению:

, (22)

где - температура, при которой определяется теплосодержание нагреваемого продукта,°С.

кДж/кг.

Теплосодержание жидких нефтепродуктов определяется по уравнению:

; (23)

кДж/кг;

; (24)

кДж/кг;

кДж/ч.

Определение полной тепловой нагрузки печи:

; (25)

кДж/ч.

Часовой расход топлива рассчитывается по формуле:

; (26)



кг/ч.

Выводы: Были рассчитаны:

- коэффициент полезного действия трубчатой печи ,

- полезная тепловая нагрузка печи =91744606,25кДж/ч,

- часовой расход топлива В=2796,33 кг/ч необходимый для работы печи в заданном режиме, с учетом потерь тепла в окружающую среду через неплотности и с уходящими дымовыми газами.

Коэффициент полезного действия удовлетворяет пределу значений КПД для трубчатых печей (от 0,65 до 0,85).

Обычно температуру уходящих из печи дымовых газов рекомендуется принимать на 100-150°С выше температуры сырья, поступающего в конвекционную часть печи. В данной работе температура уходящих газов равна = 270°С.

Разность температуры сырья, поступающего в камеру конвекции намного больше температуры отходящих дымовых газов, это способствует более эффективной передаче тепла в камере конвекции и, следовательно, требуется меньшая поверхность конвекционных труб.

Результаты расчетов сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Тепловой баланс трубчатой печи

Статьи прихода тепла	Статьи расхода тепла
QHp - Низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг	qпол - тепло, полезно воспринятое сырьем, кДж/кг	qух - тепло, теряемое с уходящими газами, кДж/кг	qпот - потери в окружающую среду, кДж/кг
40143,0384	32808.9339	5326,044	2008,0605



2.3 Выбор типоразмера трубчатой печи и горелки

Целью данного этапа является подбор печи, удовлетворяющей исходным данным и рассчитанным ранее параметрам, изучение ее характеристик и конструкции.

Выбор типоразмера трубчатой печи осуществляется по каталогу [3] в зависимости от ее назначения, теплопроизводительности, вида топлива.

Так как из задания известно, что топливом является мазут, а в ходе расчетов стала известна теплопроизводительностьQ_т =26,81 Гкал/ч, то по каталогу выбираем печь типа СКГ1.

Печь - свободного вертикально-факельного сжигания комбинированного топлива, коробчатая, с горизонтальным расположением труб змеевика в одной камере радиации. Горелки типа ГГМ-5 или ГП расположены в один ряд в поду печи. На каждой боковой стороне камеры радиации установлены однорядные настенные трубные экраны, которые облучаются рядом вертикальных факелов. Трубный экран может быть однорядным и двухрядным стенным.

При изменении теплопроизводительности горелок практически не меняется характер эпюры подводимых тепловых потоков на трубный экран.

Так как в печи сжигается комбинированное топливо, на печи предусмотрен газосборник, через который газы сгорания отводятся в отдельно стоящую дымовую трубу.

Таблица 3 - Техническая характеристика печи типа СКГ1

Показатель	Значение
Радиантные трубы:
поверхность нагрева, м2	615
рабочая длина, м	15,5
Теплопроизводительность (при среднедопускаемом теплонапряжении радиантных труб 40,6 кВт/ м2 (35Мкал/(ч*м2), МВт (Гкал/ч)	33,3 (28,7)
Габаритные размеры (с площадками для обслуживания), м:
длина L	21,52
ширина	6
высота	22
Масса, т:
металла печи (без змеевика)	97,6
футеровки	169

В соответствии с сжигаемым топливом - мазут, подбираем по каталогу [5] горелку ГГМ-5 (ТУ 26-02-68-78).

Горелка ГГМ-5 предназначена для раздельного и совместного сжигания жидкого и газообразного топлива в трубчатых печах типов СКГ1, СКВ и СЦВ4 со свободным факелом при поступлении воздуха, необходимого для сгорания топлива, инжекцией активными газовыми и парожидкостными струями, а также за счет разрежения в топочном пространстве печи.

Газовая горелка расположена на внешней части корпуса горелки. Представляет собой систему, состоящую из газового кольцевого коллектора, на верхней дисковой части которого имеются 16 резьбовых отверстий для установки газовых сопл с паронитовыми прокладками. Соосно с соплами на расстоянии 60 мм от коллектора расположены 16 газовых инжекционных смесителей, соединенных сваркой с корпусом и наружной обечайкой. Газовая часть горелки имеет автономный регулятор воздуха.

Таблица 4 - Техническая характеристика горелки ГГМ-5

Показатель	Значение
Тепловая мощность, Qгорелки (номинальная), МВт (Гкал/ч):	3,5 (3,0)
Производительность при сжигании мазута, м3/ч	315
Давление перед горелкой в диапазоне рабочего
Регулирования, МПа	0,15-0,6
Коэффициент избытка воздуха при нормальной тепловой мощности	1,1
Габаритные размеры, мм	440х440х660
Масса, кг	30,05



Числогорелок, шт.:

n= шт. (27)

Вывод: был подобрана печь СКГ1по рассчитанной полной тепловой нагрузки печи, к печи была подобрана горелка ГГМ-5, рассчитали число горелок равной 9 шт.

2.4 Упрощенный расчет камеры радиации

Упрощенный расчет камеры радиации заключается в определении температуры продуктов сгорания, покидающих топку, и фактической теплонапряженности поверхности радиантных труб.

Трубчатая печь имеет камеры радиации и конвекции. В камере радиации (топочная камера), где сжигается топливо, размещена радиантная поверхность (экран), поглощающая тепло в основном за счет радиации.

В камере конвекции расположены трубы, воспринимающие тепло главным образом путем конвекции - при соприкосновении дымовых газов с поверхностью нагрева.

Сырье последовательно проходит через конвекционные и радиантные трубы и поглощает тепло; обычно радиантная поверхность воспринимает большую часть тепла, выделяемого при сгорании топлива.

Температуру продуктов сгорания находят методом итераций, используя уравнение:

, (28)



где - теплонапряженность поверхности радиантных труб (фактическая) и приходящаяся на долю свободной конвекции, кДж/м²ч;

H_р - поверхность нагрева радиантных труб, м²;

- отношение поверхностей, зависящее от типа печи, от вида и способасжигания топлива, [1, табл. XXI.3, с. 469];

- средняя температура наружной стенки радиантных труб, К;

- коэффициент для топок с настильным факелом [2, с. 42];

- коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела,, [2, с. 42].

Суть расчета методом итераций заключается в том, что мы задаемся температурой продуктов сгорания Т_п(зад.), которая находится в пределах 10001200 К, и при этой температуре определяем все параметры, входящие в уравнение для расчета Т_п. Далее по этому уравнению вычисляется Т_{п(расч.)} и сравнивается полученное значение с ранее принятым. Если они не совпадают, то расчет возобновляется с принятием Т_п, равной рассчитанной в предыдущей итерации. Расчет продолжается до тех пор, пока заданное и рассчитанное значения Т_п не совпадут с достаточной точностью.

Для первой итерации принимаем Т_п(зад.) = 1000 К.

Таблица 5 - Зависимость средней массовой теплоемкости газов при постоянном давлении с_Р [кДж/кг•К] от абсолютной температуры Т_п(зад.)=1000К

Вещество	Теплоемкость сР, кДж/кг•К
Углекислый газ	1,0683
Вода	2,0514
Кислород	1,0071
Азот	1,0792
Двуокись серы	0,7534

Определение максимальной температуры продуктов сгорания:

, (29)

где Т_о - приведенная температура, Т_о=313 К, [2 с. 43];

з_т - КПД топки, з_т =0,96, [2 с. 42];

m_i, с_i - количества газов, образующихся при сгорании 1 кг топлива и теплоемкости продуктов сгорания, определяющиеся в программе на каждой итерации при Т_п;

Таблица 6 - Зависимость средней массовой теплоемкости газов при постоянном давлении с_Р [кДж/кг•К] от абсолютной максимальной температуры Т_max=2158,636К

Вещество	Теплоемкость сР, кДж/кг•К
Углекислый газ	1,233
Вода	2,4407
Кислород	1,09868
Азот	1,1797
Двуокись серы	0,8696

Коэффициент прямой отдачи рассчитывается по формуле:

, (30)

где q_max, q_Tп, q_ух - теплосодержание продуктов сгорания соответственно при температурах T_max, T_п(зад.), Т_ух, рассчитывается по формуле 17;

з_т - коэффициент полезного действия топки, з_т = 0,96 [2, с. 42].

Определение теплосодержания продуктов сгорания (q_Tп, q_max, q_ух) при всех температурах (Т_п(зад.), Т_max, Т_ух) по формуле 17:

q_Tп = (1000 - 273) • (3,22696 • 1,06825 + 0,9 • 2,0514 + 0,944 • 1,0071 + 13,548 • 1,0792 + 0,02 • 0,7534) = 15179,929 кДж/кг;

q_max= (2158,636 - 273) • (3,22696 • 1,23302+ 0,9 • 2,2407+ 0,944 • 1,09868+ 13,548 • 1,1797 + 0,02 • 0,8696) =43770,633 кДж/кг;

q_ух = 5326,044кДж/кг (рассчитано ранее).

Расчет коэффициента прямой отдачи:

.

Фактическая теплонапряженность поверхности радиантных труб:

ккал/м²ч. (31)

Температура наружной стенки экрана вычисляется по формуле:

, (32)

где ₂ = 6001000 ккал/м²чК - коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемому продукту; принимаем ₂ = 800 ккал/м²чК;

- толщина стенки трубы, = 0,008 м (2, табл. 5);

= 30 ккал/мчК - коэффициент теплопроводности стенки трубы;

_зол. / _зол. - отношение толщины к коэффициенту теплопроводности зольных отложений; для жидких топлив _зол. / _зол. = 0,002 м²чК/ккал (2, с. 43);

⁰С - средняя температура нагреваемого продукта;

К.

Теплонапряженность поверхности радиантных труб, приходящаяся на долю свободной конвекции:

, (33)

ккал/м²ч.

Итак, температура продуктов сгорания, покидающих топку:

К.

Как видим, рассчитанная температура Т_{п(расч.)} не совпадает со значением, принятым в начале расчета, следовательно расчет повторяем, принимая Т_п(зад.) = Т_{п(расч.)}= К.

Результаты расчетов представлены в таблице 6.

Таблица 7 - Итерационный расчет температуры продуктов сгорания

№ итерации	Тп(зад.), К	Тmах, К	qmax,	qTп,		,	, К	,	Тп(расч.), К
1	1000,000	2158,696	43511,781	15179,436	0,730	25997,466	609,424	3125,387	1099,212
2	1099,212	2137,924	42983,378	17447,305	0,663	23613,023	601,039	4236,411	1056,984
3	1056,984	2146,708	43206,693	16476,244	0,692	24641,333	604,655	3754,824	1075,830
4	1075,830	2142,778	43106,742	16908,557	0,679	24184,882	603,050	3968,220	1067,590
5	1067,590	2144,494	43150,381	16719,348	0,684	24384,922	603,754	3874,619	1071,225
6	1071,225	2143,736	43131,118	16802,783	0,682	24296,762	603,444	3915,856	1069,628
7	1069,628	2144,069	43139,580	16766,112	0,683	24335,519	603,580	3897,724	1070,331
8	1070,331	2143,923	43135,855	16782,253	0,683	24318,462	603,520	3905,703	1070,022

Рассчитываем количество тепла, переданное продукту в камерах радиации:

, (34)

кДж/ч.

Принципиальная схема расположения труб в камере радиации представлена на рисунке 6.

Выводы:

1) рассчитали температуру продуктов сгорания, покидающих топку, при помощи метода последовательного приближения; ее значение Т_п = 1070 К;

2) фактическая теплонапряженность поверхности радиантных труб при этом составила q_р = 24318,462 ккал/м²ч, не превышает величину допустимой теплонапряженности поверхности радиантных труб 35000 ккал/м²·ч.

2.5 Расчет диаметра печных труб

Объемный расход нагреваемого продукта рассчитывается по формуле:

, (35)

где G_с - производительность печи по сырью, т/сут.;

_t - плотность продукта при средней температуре, кг/м³.

, (36)

где - температурная поправка.

;

кг/м³.

Подставляя, получим:

м³/с.

Площадь поперечного сечения трубы определяется уравнением:

, (37)

где n - число потоков, принимаемn= 2, поскольку в данном типе печи 2 камеры радиации;

W - допустимая линейная скорость продукта, примем W = 2 м/с [2, с. 19];

d_вн - расчетный внутренний диаметр трубы, м.

Из этого уравнения находим:

(38)

м.

Из стандартных значений [2, табл. 5] выбираем диаметр трубыd_н= 0,152 м, толщину стенки труб принимаем равной д= 0,008 м;

d_вн= d_н - 2*д,



d_вн = 0,152 - 2*0,008 = 0,136 м.

Определяем фактическую линейную скорость нагреваемого продукта:

(39)

Таблица 8 - Труба и фитинг, применяемые для трубчатой печи

Диаметр трубы, м	Толщина стенки трубы, м	Шаг между осями труб, м.
		Фитинги	Ретурбенты
0,152	0,008	0,275	0,301

Выводы: на данном этапе расчета вычислили диаметр печных труб, по нему выбрали стандартный диаметр d_н= 0,152 м, толщину и шаг труб, и, исходя из стандартного диаметра, рассчитали фактическую линейную скорость нагреваемого продуктаW = 1,7218 м/с.

2.6 Расчет камеры конвекции

Целью данного этапа является, расчет поверхности конвекционных труб и проведение анализа эффективности работы камеры конвекции.

Поверхность (расчетная) конвекционных труб определяется по уравнению:

, (40)



где Q_к - количество тепла, воспринятое конвекционными трубами;

K - коэффициент теплопередачи от дымовых газов к нагреваемому продукту, Вт/(м²*К);

t_ср - средняя разность температур, К.

(41)

кДж/ч.

Средняя разность температур определяется по формуле:

, (42)

где , - соответственно большая и меньшая разности температур;

t_к - температура продукта на выходе из камеры конвекции, которая находится путем решения квадратичного уравнения вида:

, (43)

где а = 0,000405; b = 0,403; с - соответственно коэффициенты уравнения.

Коэффициент с вычисляется следующим образом:

, (44)



где - теплосодержание продукта при температуре t_к:

(45)

кДж/кг;

.

Решению квадратичного уравнения удовлетворяет только значение одного корня, так как второй корень, принимающий отрицательное значение, не имеет физического смысла:

⁰С.

Находим большую, меньшую и среднюю разности температур:

Дt_д = (T_п - 273) - t_к1 = (1070 - 273) - 232,254= 564,746⁰С;

Дt_м = t_ух - t₁ = 270 - 140 = 130 ⁰С;

⁰С.

Коэффициент теплопередачи в камере конвекции определяется уравнением:

, (46)



где ₁, _к, _р - соответственно коэффициенты теплоотдачи от газов к стенке, конвекцией, излучением трехатомных газов.

_р определяют по эмпирическому уравнению Нельсона:

, (47)

где t_ср.г.к. - средняя температура дымовых газов в камере конвекции:

(48)

К;

Вт/м²град.

_к определяется следующим образом:

, (49)

где Е - коэффициент, зависящий от свойств топочных газов, значение которого определяем методом линейной интерполяции, используя табличные данные зависимости его от t_ср.г.к.; принимаем Е = 21,4262 [2, табл. 4];

d - наружный диаметр труб: d=0,152 м;

U - массовая скорость движения газов, определяемая по формуле:

, (50)



где В-часовой расход топлива, кг/ч;

G - количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива, кг/кг;

f - свободное сечение прохода дымовых газов в камере конвекции:

, (51)

где n = 4 - число труб в одном горизонтальном ряду;

S₁ - расстояние между осями этих труб, обычно лежит в пределах 1,7-2d_нар, для рассчитанного диаметра труб d_нар=0,152 м изготавливаются крутоизогнутые фитинги с шагом между осями труб 0,275 м [5, c. 314], принимаем S₁ = 0,275 м;

l_р - рабочая длина конвекционных труб; l_р = 15,5 м;

а - характерный размер для камеры конвекции:

м. (52)

м².

Рассчитываем массовую скорость движения газов:

кг/м²с.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией:

Вт/м²град.

Коэффициент теплопередачи от дымовых газов к нагреваемому продукту:

Вт/м²град.

Таким образом, поверхность (расчетная) конвекционных труб (53):

Определяем число труб в камере конвекции:

шт. (54)

Округляем число труб до целого значения кратного n (числу труб в одном горизонтальном ряду), N_к = 108 шт. С учетом округления N_кфактическая поверхность конвекционных труб рассчитывается:

м².

Число труб по вертикали:

шт. (55)

Высота пучка труб в камере конвекции определяется по формуле:

, (56)

где S₂ - расстояние между горизонтальными рядами труб:

м, (57)

м.

Рассчитаем среднюю теплонапряженность конвекционных труб:



Вт/м². (58)

Принципиальная схема расположения труб в камере конвекции представлена на рисунке 7.

Выводы:

1) рассчитали поверхность нагрева конвекционных труб, получив следующий результат: Н_к = 774,078 м²;

2) определили значение средней теплонапряженности конвекционных труб, оно составило Q_нк = 11092,145 Вт/м², что ниже допустимого значения (13956 Вт/м²).

2.7 Гидравлический расчет змеевика трубчатой печи

Целью данного этапа является, расчет общего гидравлического сопротивления змеевика печи или давления на входе в змеевике.

Давление сырья на входе в печь складывается из следующих составляющих:

, (59)

где Р_к, Р_и, Р_н, Р_к, Р_ст. - соответственно давление сырья на выходе из змеевика печи; потери напора: на участке испарения, на участке нагрева радиантных труб, в конвекционных трубах; статический напор.

Значение Р_к известно из исходных данных:

Р_к = 2,2 ата = 2,2101325 Па = 0,222915 МПа.

Остальные слагаемые необходимо рассчитать. Расчет начинается с определения потерь напора на участке испарения:



, (60)

где Р_н - давление в начале участка испарения, которое, в свою очередь, рассчитывается методом последовательного приближения (метод итераций), используя уравнение Бакланова:

, (61)

где А и В-расчетные коэффициенты:

, (62)

, (63)

где - коэффициент гидравлического сопротивления (для атмосферных печей = 0,020,024 [2, с. 56]), принимаем = 0,02;

L₁ - секундный расход сырья по одному потоку, кг/с;

- плотность сырья при средней температуре на участке испарения t_ср.и.;

d_вн - внутренний диаметр труб, м;

е - доля отгона сырья на выходе из змеевика;

_п - средняя плотность паров при давлении 9,1 Па (при нагреве нефти 1/_п = 3500).

кг/с;

Рассчитаем длину участка испарения:

, (64)

где , , - соответственно теплосодержание парожидкостной смеси на выходе из змеевика, сырья на выходе из камеры конвекции, сырья при температуре начала испарения t_н.

, (65)

кДж/кг.

Рассчитаем эквивалентную длину радиантных труб:

, (66)

где l_р= 15,5 м - рабочая длина одной трубы;

l_э - эквивалентная длина печного двойника (ретурбента), зависящая от наружного диаметра трубы d:м;

n_р - число радиантных труб, приходящихся на один поток:

, (67)

где n = 2 - число потоков;

N_р - общее число радиантных труб:



шт.; (68)

шт.;

м.

Начинаем расчет давления в начале участка испарения Р_н методом итераций.

Предварительно задаемся значением Р_н, принимаем Р_н = 10,5 ата = 1,05 МПа, и по зависимости Р_н = f(t_н) [2, с. 8] находим температуру начала испарения продукта t_н, соответствующую этому давлению: t_н = 280 ⁰С.

Теплосодержание сырья при температуре начала испарения:

, (69)

кДж/кг.

Длина участка испарения:

м.

Средняя температура продукта на участке испарения:

⁰С. (70)

Его плотность при этой температуре:

кг/м³.

Расчетные коэффициенты:

;

Давление в начале участка испарения:

Так как рассчитанное Р_н не совпадает со значением, принятым ранее, то расчет необходимо повторить, задавшись Р_н(зад.) = Па. И так до тех пор, пока не будет достигнута необходимая точность.

Результаты дальнейших расчетов представим в виде таблицы.

Таблица 9- Итерационный расчет давления в начале участка испарения

№ итерации	Рн(зад.), Па	tн, 0С	tср.и., 0C	, кг/м3	, кДж/кг	lи, м	А	В	Рн(расч.), Па
1	1050000,000	280,000	315,000	711,200	636,802	683,314	179,656	2696486,145	1155896,213
2	1155896,213	288,472	319,236	708,489	660,429	631,911	180,343	2915835,192	1113292,737
3	1113292,737	285,063	317,532	709,580	650,893	652,658	180,066	2823143,815	1130682,273
4	1130682,273	286,455	318,227	709,135	654,780	644,201	180,179	2860208,314	1123626,117
5	1123626,117	285,890	317,945	709,315	653,202	647,634	180,133	2845043,977	1126496,158
6	1126496,158	286,120	318,060	709,242	653,844	646,238	180,152	2851191,206	1125329,925
7	1125329,925	286,026	318,013	709,272	653,583	646,805	180,144	2848689,879	1125804,008
8	1125804,008	286,064	318,032	709,259	653,689	646,575	180,147	2849706,122	1125611,321
9	1125611,321	286,049	318,024	709,264	653,646	646,668	180,146	2849292,985	1125689,642
10	1125689,642	286,055	318,028	709,262	653,663	646,630	180,146	2849460,897	1125657,808
11	1125657,808	286,053	318,026	709,263	653,656	646,646	180,146	2849392,645	1125670,747
12	1125670,747	286,054	318,027	709,263	653,659	646,640	180,146	2849420,386	1125665,488
13	1125665,488	286,053	318,027	709,263	653,658	646,642	180,146	2849409,111	1125667,626
14	1125667,626	286,053	318,027	709,263	653,658	646,641	180,146	2849413,694	1125666,757
15	1125666,757	286,053	318,027	709,263	653,658	646,642	180,146	2849411,831	1125667,110
16	1125667,110	286,053	318,027	709,263	653,658	646,641	180,146	2849412,588	1125666,966
17	1125666,966	286,053	318,027	709,263	653,658	646,641	180,146	2849412,280	1125667,025
18	1125667,025	286,053	318,027	709,263	653,658	646,641	180,146	2849412,405	1125667,001

Теперь можем рассчитать потери напора на участке испарения:

МПа. (71)

Далее рассчитываем потери напора на участке нагрева радиантных труб:

, (72)

где₂ - коэффициент гидравлического сопротивления для участка нагрева; принимаем ₂ = 0,035 [1, с. 483];

l_н - эквивалентная длина участка нагрева радиантных труб по одному потоку:

м; (73)

_ж.н. - плотность продукта при средней температуре (t_ср.н.) на участке нагрева радиантных труб:

⁰С; (74)

кг/м³.

U - массовая скорость продукта в радиантных и в конвекционных трубах (в случае одинакового размера труб) на один поток:

кг/м²с. (75)



Рассчитываем потери напора в конвекционных трубах для одного потока:

, (76)

где U_к - массовая скорость продукта в конвекционных трубах:

U_к = U = кг/м²с;

_ж.к. - плотность продукта при средней температуре в конвекционных трубах:

⁰С; (71)

кг/м³;

l_к - эквивалентная длина конвекционных труб:

, (77)

где n_к - число конвекционных труб в одном потоке:

шт.; (78)

м;

МПа.

Статический напор в змеевике печи рассчитывается по формуле:

, (79)

где h_т - высота камеры радиации:

; (80)

м;

h_к - высота камеры конвекции (рассчитана ранее): h_к = 6,9078 м;

_ж - плотность продукта при средней температуре:

⁰С;

кг/м³;

МПа.

Подставляя полученные данные, определяем давление сырья на входе в печь:

МПа.

Принципиальная схема змеевика трубчатой печи представлена на рисунке 8.

Выводы:

1) на данном этапе рассчитали давление сырья на входе в змеевик печи путем прибавления к давлению на выходе потерь напора, определяемых отдельно для каждого из трех участков змеевика (конвекционные трубы, участок нагрева и участок испарения радиантных труб), а также статического напора;

2) по результатам расчетов значение его составляет Р₀ = 1,532227 Па и значительно превышает давление на выходе из змеевика, что объясняется в основном большими потерями напора на участке испарения радиантных труб.

2.8 Упрощенный аэродинамический расчет дымовой трубы

Цель расчета: определение стандартного диаметра и высоты дымовой трубы.

Общее сопротивление всего газового тракта определяется выражением:

, (81)

где Р_р, Р_к - соответственно разряжение в топочной камере и потери напора в камере конвекции; принимаем Р_р = 30 Па [1, с. 487], Р_к = 60 Па [1, с. 488];

Р_м.с. - потери напора в газоходе на преодоление местных сопротивлений;

Р_тр. - потери напора на трение в дымовой трубе.

, (82)

где - сумма коэффициентов местных сопротивлений; принимаем = 4,06 [2, с. 23];

W - линейная скорость продуктов сгорания; принимаем W = 8 м/с [1, с. 488];

- плотность продуктов сгорания при температуре Т_ух..

Плотность продуктов сгорания при нормальных условиях:



, (83)

где - сумма масс продуктов сгорания на 1 кг топлива;

- объемное количество продуктов сгорания на 1 кг топлива:

, (84)

где m_i, M_i - соответственные массы и молекулярные массы газовых компонентов в продуктах сгорания.

м³/кг;

кг/ м³.

Плотность продуктов сгорания при температуре Т_ух. = 543 К:

кг/ м³. (85)

Итак, потери напора в газоходе на преодоление местных сопротивлений:

Па.

Потери напора на трение в дымовой трубе определяются по формуле:

, (86)



где - соответственно потери напора при входе в трубу и выходе из нее, потери напора на трение при движении газов в дымовой трубе.

, (87)

где _вх., _вых. - коэффициенты местных сопротивлений при входе в трубу и выходе из нее; принимаем (_вх. + _вых.) = 1,3 [2, с. 24];

_ср.т. - плотность газов в трубе при средней температуре Т_ср.т.:

, (88)

где Т_вых. - температура продуктов сгорания на выходе из дымовой трубы:

К;

К;

кг/ м³;

Па.

Потери напора на трение при движении газов в дымовой трубе:



, (89)

где ₃, h, D - соответственно коэффициент гидравлического сопротивления в дымовой трубе, высота и диаметр дымовой трубы.

, (90)

где n_Т - число дымовых труб; принимаем n_Т = 1;

V - объемный расход продуктов сгорания при температуре Т_ух.:

м³/с; (91)

м.

Выбираем стандартный диаметр дымовой трубы: D = 2,0 м [2, табл. 6].

Коэффициент гидравлического сопротивления в дымовой трубе₃ определяется по формуле Якимова:

. (92)

Высота дымовой трубы рассчитывается методом последовательного приближения по уравнению:

, (93)

где _в, Т_в - плотность и температура окружающего воздуха; принимаем