Технологический расчет трубчатой печи

 

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

Поверхность (расчетная) конвекционных труб определяется по уравнению:

 

,         (40)

 

где Qк – количество тепла, воспринятое конвекционными трубами;

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

Dtср – средняя разность температур,К.

 

         (41)

кДж/ч.

 

Средняя разность температур определяется по формуле:

 

,        (42)

 

где , – соответственно большая и меньшая разности температур;

tк – 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 tк:

 

        (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:

 

Δtδ = (Tп – 273) – tк1 = (1070 – 273) – 232,254= 564,7460С;

Δtм = tух – t1 = 270– 140 = 130 0С;

0С.

Коэффициент теплопередачи в камере конвекции определяется уравнением:

 

,       (46)

 

где a1, aк, aр – соответственно коэффициенты теплоотдачи от газов к стенке, конвекцией, излучением трехатомных газов.

 

aр определяют по эмпирическому уравнению Нельсона:

 

,       (47)

 

где tср.г.к. – средняя температура дымовых газов в камере конвекции:

 

        (48)

К;

Вт/м2×град.

 

aк определяется следующим образом:

 

,        (49)

 

где Е – коэффициент, зависящий от свойств топочных газов, значение которого определяем методом линейной интерполяции, используя табличные данные зависимости его от tср.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 1,7-2dнар, для рассчитанного диаметра труб dнар=0,152 м изготавливаются крутоизогнутые фитинги с шагом между осями труб  0,275 м[5, c. 314], принимаем S1 = 0,275 м;

lр – рабочая длина конвекционных труб; lр = 15,5 м;

а– характерный размер для камеры конвекции:

 

м.       (52)

 м2.

 

Рассчитываем массовую скорость движения газов:

 

кг/м2×с.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией:

 

Вт/м2×град.

 

Коэффициент теплопередачи от дымовых газов к нагреваемому продукту:

 

Вт/м2×град.

 

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), Nк = 108 шт. С учетом округления Nкфактическая 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: Нк = 774,078 м2;

2) определили значение  средней теплонапряженности конвекционных  труб, оно составило Qнк = 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 Рк, DРи, DРн, DРк, DРст. – соответственно давление сырья на выходе из змеевика печи; потери напора: на участке испарения, на участке нагрева радиантных труб, в конвекционных трубах; статический напор.

 

Значение Рк известно из исходных данных:

 

Рк = 2,2 ата = 2,2×101325 Па = 0,222915 МПа.

 

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

 

,         (60)

 

где Рн – 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 l –коэффициент гидравлического сопротивления (для атмосферных печей l = 0,02¸0,024 [2, с.56]), принимаем l= 0,02;

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

– плотность сырья при средней температуре на участке испарения tср.и.;

dвн – внутренний диаметр труб, м;

е – доля отгона сырья на выходе из змеевика;

rп – средняя плотность паров при давлении 9,1 Па (при нагреве нефти 1/rп = 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 tн.

 

,      (65)

 кДж/кг.  

Рассчитаем эквивалентную длину радиантных труб:

 

,       (66)

 

где lр= 15,5 м – рабочая длина одной трубы;

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

nр – число радиантных труб, приходящихся на один поток:

 

,         (67)

 

где n = 2 – число потоков;

Nр – общее число радиантных труб:

 

шт.;   (68)

шт.;        

м.

 

Начинаем расчет давления в начале участка испарения Рн методом итераций.

Предварительно задаемся значением Рн, принимаем Рн = 10,5 ата = 1,05 МПа, и по зависимости Рн = f(tн) [2, с. 8] находим температуру начала испарения продукта tн, соответствующую этому давлению: tн = 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 Рн не совпадает со значением, принятым ранее, то расчет необходимо повторить, задавшись Рн(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)

гдеl2 – коэффициент гидравлического сопротивления для участка нагрева; принимаем l2 = 0,035 [1, с.483];

lн – эквивалентная длина участка нагрева радиантных труб по одному потоку:

 

м;   (73)

 

rж.н. – плотность продукта при средней температуре (tср.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/м2×с.   (75)

 

Рассчитываем потери напора в конвекционных трубах для одного потока:

 

,       (76)

 

где Uк – массовая скорость продукта в конвекционных трубах:

Uк = U = кг/м2×с;

 

rж.к. – плотность продукта при средней температуре в конвекционных трубах:

 

0С;    (71)

кг/м3;

 

lк – эквивалентная длина конвекционных труб:

 

,       (77)

 

где nк – число конвекционных труб в одном потоке:

 

шт.;       (78)

м;

МПа.

 

Статический напор в змеевике печи рассчитывается по формуле:

 

,               (79)

 

где hт – высота камеры радиации:

 

;     (80)

м;

hк – высота камеры конвекции (рассчитана ранее): hк = 6,9078 м;

 

rж – 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  DРр, DРк – соответственно разряжение в топочной камере и потери напора в камере конвекции; принимаем DРр = 30 Па [1, с.487], DРк = 60 Па [1, с.488];

DРм.с. – потери напора в газоходе на преодоление местных сопротивлений;

DРтр. – 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 Тух..

 

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 mi, Mi – соответственные массы и молекулярные массы газовых компонентов в продуктах сгорания.

 м3/кг;

кг/ м3.

 

Плотность продуктов сгорания при температуре Тух. = 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  xвх., xвых. – коэффициенты местных сопротивлений при входе в трубу и выходе из нее; принимаем (xвх. + xвых.) = 1,3 [2, с.24];

rср.т. – плотность газов в трубе при средней температуре Тср.т.:

,        (88)

где Твых. – 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 l3, h, D – соответственно коэффициент гидравлического сопротивления в дымовой трубе, высота и диаметр дымовой трубы.

 

,         (90)

 

где nТ – число дымовых труб; принимаем nТ = 1;

V – объемный расход продуктов сгорания при температуре Тух.:

 

м3/с;   (91)

м.

 

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

Коэффициент гидравлического сопротивления в дымовой трубеl3 определяется по формуле Якимова:

 

.       (92)

 

Высота дымовой трубы рассчитывается методом последовательного приближения по уравнению:

 

,       (93)

 

где rв, Тв – плотность и температура окружающего воздуха; принимаем

rв = 1,293 кг/м3, Тв = 303 К.

 

Предварительно принимаем высоту трубы hзад.= 40 м.

При этом потери напора на трение при движении газов в дымовой трубе:

 

Па.

 

Общие потери напора на трение в дымовой трубе:

 

Па.

 

Общее сопротивление всего газового тракта: