2721 Методичнi вказівки та контрольні завдання (стр. 2 )

Пальники розміщені у фронтальних стінках камери радіації по декілька рядів у кожній стінці. Між випромінюючими стінками встановлений трубний екран двобічного опромінення (рис. А.1).

2.2.1 Розрахунок процесу горіння палива. Паливом називають горючі речовини, які при згоранні виділяють достатню кількість тепла для використання його в промислових установках.

Густина газоподібного палива залежить від його складу і за нормальних умов визначають за формулою

,

(1)

де Мі, уі – мольна маса та об'ємна концентрація і-го компонента газової суміші відповідно.

Однією з найважливіших характеристик палива є теплота його згорання, яку визначають агрегатним станом і складом палива. Теплотою згорання палива називають кількість тепла, що виділяється при повному згоранні 1 кг або 1 м3 палива. Розрізняють вищу (з урахуванням теплоти конденсації водяної пари, що утворюється при згоранні палива) та нижчу (без урахування теплоти конденсації водяної пари) теплоту згорання. Димові гази не охолоджуються до температури конденсації водяної пари, тому для практичних розрахунків використовують нижчу теплоту згорання.

Нижча теплота згорання (Qн)об , кДж/м3 , або Qн , кДж/кг, газоподібного палива за нормальних умов обчислюють за формулами [1,3]

,	(2)
,	(3)

де СН4, С2Н6 і т. п. – вміст відповідних компонентів у паливі, % об'ємн.

Надалі необхідно визначити масовий склад палива. Склад палива з об'ємних (уі) у масові (хі) відсотки обчислюють за формулою [3]

.

(4)

Елементарний склад палива (у % мас.) визначають за формулами:

- вміст вуглецю	,	(5а)
- вміст водню	,	(5б)
- вміст сірки	,	(5в)
- вміст кисню	,	(5г)
- вміст азоту	,	(5д)

де ci, hi, si, oi, ni – кількість атомів вуглецю, водню і т. п. відповідно в і-му компоненті палива.

Загальний вміст всіх елементів повинен складати 100 %:

.

(6)

Горіння – термохімічний процес окислення органічної маси палива, при якому виділяється теплота і утворюються продукти спалення – димові гази. Горючі елементи палива (вуглець C, водень H i сірка S) з'єднуються з киснем повітря за такими реакціями:

,

,

.

(7)

На основі цих співвідношень визначають теоретичну масу повітря, необхідного для спалення 1 кг палива, за формулою [1-5]

.	(8)

При практичному горінні палива внаслідок його неповного контакту з киснем необхідна більша витрата повітря порівняно з теоретичною. Відношення фактичної витрати повітря до теоретичної називають коефіцієнтом надлишку повітря α. Величина α залежить від виду та способу горіння палива, конструкції топки, пальних пристроїв і т. п. Для печей з випромінюючими стінками коефіцієнт надлишку повітря α = 1,03 - 1,07 [3]. Тоді фактична витрата повітря, кг/кг, така:

.

(9)

При повному згоранні палива до складу димових газів входять діоксиди вуглецю та сірки, водяна пара, надлишковий кисень та азот. На основі стехіометричних співвідношень (7) визначають масу димових газів, що утворюються при згоранні 1 кг палива [1,3,4]:

- маса діоксиду вуглецю	,	(10а)
- маса водяної пари	,	(10б)
- маса діоксиду сірки	,	(10в)
- маса кисню	,	(10г)
- маса азоту	.	(10д)

Загальна маса димових газів, що утворюються при згоранні 1 кг палива:

.

(11)

Об'єм димових газів, що утворюються при згоранні 1 кг палива:

- об'єм діоксиду вуглецю	,	(12а)
- об'єм водяної пари	,	(12б)
- об'єм діоксиду сірки	,	(12в)
- об'єм кисню	,	(12г)
- об'єм азоту	,	(12д)

де – мольні маси продуктів згорання, кг/кмоль.

Сумарний об'єм та густина димових газів за нормальних умов

,	(13)
.	(14)

Ентальпію продуктів згорання, кДж/кг, залежно від температури визначають за рівнянням

,

(15)

де Т – температура димових газів, К; – середні питомі масові теплоємності продуктів згорання, кДж/(кг·К).

Значення питомих масових теплоємностей деяких продуктів згорання палива залежно від температури наведені в таблиці А.1 [3].

2.2.2 Корисне теплове навантаження печі, коефіцієнт корисної дії та витрата палива. Тепло, що передається сировині в печі, використовують на її нагрівання, а також на часткове або повне її випаровування. Корисне теплове навантаження печі, кВт, обчислюють за формулою

,

(16)

де G – продуктивність печі за сировиною, кг/с; Н2, h2 – ентальпії відповідно парової та рідкої фаз сировини на виході з печі при температурі Т2; h1 – ентальпія сировини на вході в піч при температурі Т1.

Значення ентальпій нафтових рідин і парів залежно від температури і відносної густини сировини наведені в таблицях А.2 і А.3 [3].

Температура димових газів, що відходять, Твідх вибирають із таких міркувань. Ця температура повинна бути достатньо низькою для того, щоб зменшити втрати тепла з продуктами згорання.

З іншого боку, при виході з камери конвекції продукти згорання повинні мати температуру на 100 – 150 К вищу від початкової температури сировини Т1 для забезпечення нормальної рушійної сили. Крім того, в умовах природного тяжіння температура димових газів, що відходять, не повинна бути меншою за 550 К [4,5].

З урахуванням прийнятої температури Твідх за формулою (15) визначають ентальпію димових газів, що відходять, qвідх.

Коефіцієнт корисної дії трубчастої печі являє собою відношення корисної кількості тепла до загальної кількості тепла, що виділяється при згоранні палива. К. к. д. печі залежить від коефіцієнта надлишку повітря, температури димових газів, що відходять, та якості теплової ізоляції печі. Для сучасних печей значення коефіцієнта корисної дії міститься у межах від 0,65 до 0,85 [4,5] і визначають за формулою

,

(17)

де qвтр/Qн – втрати тепла в навколишнє середовище, у частках від нижчої теплоти згорання (становлять 0,02 – 0,08 [5]).

Повне теплове навантаження печі та витрата палива

,	(18)
.	(19)

2.2.3 Поверхня нагрівання радіантних труб та вибір печі. Досконалість топки характеризується коефіцієнтом корисної дії топки ηТ, який відповідає частці корисного тепла у радіаційній камері. Для сучасних трубчастих печей ηТ = 0,95 – 0,99 [5].

Температура продуктів згорання в топці змінюється за складним законом у напрямку їх руху. На виході з топки температура продуктів згорання (температура на перевалі Тп) становить 1000 – 1200 К [4,5].

З урахуванням прийнятої температури Тп за формулою (15) визначають ентальпію димових газів на перевалі qп.

Кількість тепла, що передається сировині в камері радіації (пряма віддача топки), обчислюють із рівняння теплового балансу топки

.

(20)

Одним із важливих показників роботи трубчастих печей є теплонапруженість поверхні нагрівання труб, кВт/м2, або кількість тепла, переданого через одиницю поверхні труб за одиницю часу.

Для трубчастої печі типу А2Б2 теплонапруженість радіантних труб попередньо беруть q'р = 58 кВт/м2 [9].

Розрахункову поверхню радіантних труб визначають за формулою

.

(21)

Згідно з технічною характеристикою печей А2Б2 (див. табл. А.4) вибирають найближчу (більшу за поверхнею) піч та перевіряють теплонапруженість радіантних труб:

.

(22)

При атмосферній перегонці нафти теплонапруженість радіантних труб становить 45 – 60 кВт/м2 [5].

З дослідних та розрахункових даних відомо, що нафта в конвективних трубах не випаровується, тому її ентальпію на вході в радіантні труби обчислюють із рівняння (16) шляхом підстановки Qp замість Qкор та hк замість h1:

.

(23)

Температуру сировини Тк на вході в радіантні труби визначають за таблицею А.2 залежно від величини ентальпії hк.

2.2.4 Швидкість нафти на вході в змійовик печі та розміри топки. Оптимальне значення швидкості сировини на вході в змійовик печі з урахуванням ефективного теплообміну та мінімальних енергетичних затрат на прокачування сировини становить 0,5 – 2,5 м/с [3].

З урахуванням прийнятої швидкості сировини в трубах w' визначають їх внутрішній діаметр за рівнянням

,

(24)

де m – кількість потоків сировини, m = 2; r1 – густина сировини при температурі Т1.

Густину нафти та рідких нафтопродуктів при температурі Т розраховують за емпіричною формулою [7]

.

(25)

Остаточно діаметр сировинних труб беруть найближчим до розрахункового із такого ряду (dз´δст, мм): 76´5; 89´8; 102´8; 114´8; 127´8; 152´8; 159´10; 219´12. При цьому визначають зовнішній dз та внутрішній dв діаметр сировинних труб, товщину стінки δст труб, а також фактичну швидкість сировини в трубах:

.

(26)

Розрахункову кількість радіантних труб визначають за формулою

,

(27)

де lтр – робоча довжина радіантних труб (див. табл. А.4).

Фактичну кількість радіантних труб Nр беруть найближчою парною до розрахункової N'р.

Враховуючи промисловий досвід, для реалізації заданого процесу вибирають трубчасту піч безполум'яного горіння з дворядним екраном двобічного опромінення, з горизонтальним шаховим розміщенням труб та двома верхніми конвекційними секціями (рис.1).

Згідно з існуючими нормами відстань розміщення екранних труб беруть S = 0,25 м [3]. Тоді відстань між вертикальними рядами радіантних труб, м, така:

.

Відстань від випромінюючих стінок до трубного екрана беруть ат = 1 м [3]. Тоді ширина радіаційної камери печі, м, набере вигляду

.

На поді радіаційної камери розміщають шість труб з відстанню 0,25 м [3]. Тоді кількість труб у кожному вертикальному ряді екрана, висота та об'єм радіаційної камери (топки) відповідно складатимуть:

,	(28)
,	(29)
,	(30)

де lт – відстань від нижньої та верхньої труб вертикального ряду відповідно до поду та стелі печі, lт = 0,25 м [3].

Можливість розміщення необхідної радіантної поверхні в топці визначають теплонапруженістю паливного об'єму, кВт/м3, що відповідає кількості тепла, яке виділяється при згоранні палива за одиницю часу на одиницю об'єму паливного простору:

.

(31)

У сучасних трубчастих печах ця величина становить 50 – 100 кВт/м3.

Для забезпечення рівномірного обігріву кожної екранної труби беруть газові безполум'яні пальники типу ГБП (рис. 2), технічна характеристика яких наведена в таблиці А.5 [2].

Максимальну кількість пальників з довжиною N'l та з висотою N'h випромінюючої стінки визначають відповідно за формулами:

- для модифікації а	,	(32а)
,	(32б)
- для модифікації б	,	(32в)
.	(32г)

Тоді максимальна загальна кількість пальників для двох випромінюючих стінок топки складатиме

.

(33)

Розрахункову теплопродуктивність одного пальника визначають за формулою