Курсовая работа: Трубчатые печи

Конструкция печи типа СКГ1 показана на рис.2.

Рис.2. Трубчатая печь типа СКГ1: 1 - лестничные площадки; 2 - змеевик; 3 - каркас; 4 - футеровка; 5 - горелки.

Вывод: при выборе типоразмера печи учитывалось условие наибольшего приближения, т.е. из всех типоразмеров с теплопроизводительностью, большей расчетной, выбирали тот, у которого она минимальна (с небольшим запасом).

5.4 Упрощенный расчет камеры радиации

Цель этого этапа расчета: определение температуры продуктов сгорания, покидающих топку, и фактической теплонапряженности поверхности радиантных труб.

Температуру продуктов сгорания, покидающих топку, находим методом последовательного приближения (метод итераций), используя уравнение:

,

где q_р и q_рк - теплонапряженность поверхности радиантных труб (фактическая) и приходящаяся на долю свободной конвекции, ккал/м²?ч;

H_р - поверхность нагрева радиантных труб, м²;

H_р /H_s - отношение поверхностей, зависящее от типа печи, от вида и способа сжигания топлива; принимаем H_р /H_s = 3,05;

q - средняя температура наружной стенки радиантных труб, К;

Y - коэффициент, для топок со свободным факелом ? = 1,2;

С_s = 4,96 ккал/м²?ч?К - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела.

Суть расчета методом итераций заключается в том, что мы задаемся температурой продуктов сгорания Т_п, которая находится в пределах 1000ё1200 К, и при этой температуре определяем все параметры, входящие в уравнение для расчета Т_п. Далее по этому уравнению вычисляется Т_п 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 = 1000 К.

Средние массовые теплоемкости газов при данной температуре, кДж/кгЧК:

; ; ; ; .

Теплосодержание продуктов сгорания при температуре Т_п = 1000 К:

;

кДж/кг.

Максимальная температура продуктов сгорания определяется по формуле:

,

где

Т₀ - приведенная температура продуктов сгорания; Т₀ = 313 К [2, с.15]; h_т = 0,96 - к. п. д. топки;

К.

Средние массовые теплоемкости газов при температуре Т_max, кДж/кгЧК:

; ;

; ; .

Теплосодержание продуктов сгорания при температуре Т_mах:

;

кДж/кг.

Теплосодержание продуктов сгорания при температуре Т_ух.:

кДж/кг.

Коэффициент прямой отдачи:

.

Фактическая теплонапряженность поверхности радиантных труб:

ккал/м²Чч.

Температура наружной стенки экрана вычисляется по формуле:

,

где a ₂ = 600ё1000 ккал/м²ЧчЧК - коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемому продукту; принимаем a ₂ = 800 ккал/м²ЧчЧК;

d - толщина стенки трубы, d = 0,008 м;

l = 30 ккал/мЧчЧК - коэффициент теплопроводности стенки трубы;

d_зол. /l _{зол. -} отношение толщины к коэффициенту теплопроводности зольных отложений; для жидких топлив d_зол. /l _зол. = 0,002 м²ЧчЧК/ккал (2, с.43);

⁰С - средняя температура нагреваемого продукта;

К.

Теплонапряженность поверхности радиантных труб, приходящаяся на долю свободной конвекции:

;

ккал/м²Чч.

Итак, температура продуктов сгорания, покидающих топку:

К.

Как видим, рассчитанная Т_п не совпадает со значением, принятым в начале расчета, следовательно расчет повторяем, принимая Т_п = 1020 К.

Рассчитываем количество тепла, переданное продукту в камере радиации:

;

кДж/ч.

Рис.3. Схема камеры радиации трубчатой печи: I - сырье (ввод); II - сырье (выход); III - продукты сгорания топлива; IV - топливо и воздух.

Выводы:

1) рассчитали температуру продуктов сгорания, покидающих топку, при помощи метода последовательного приближения; ее значение Т_п = 1045,81 К;

2) фактическая теплонапряженность поверхности радиантных труб при этом составила q_р = 24798,7 ккал/м²?ч;

3) сравнивая полученное значение фактической теплонапряженности с допускаемым для данной печи q_доп. = 35 Мкал/м²?ч, можно сказать, что наша печь работает с недогрузкой.

5.5 Расчет диаметра печных труб

Цель этапа: по результатам расчета выбрать стандартные размеры труб (диаметр, толщину и шаг).

Объемный расход нагреваемого продукта рассчитывается по формуле:

,

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

r_t - плотность продукта при средней температуре, кг/м³;

,

где a - температурная поправка;

;

кг/м³.

Подставляя, получим:

м³/с.

Площадь поперечного сечения трубы определяется уравнением:

,

где n = 2 - число потоков;

W - допустимая линейная скорость продукта, W = 2 м/с;

d_вн - расчетный внутренний диаметр трубы, м.

Из этого уравнения находим:

м.

Из стандартных значений выбираем диаметр трубы м.

Таблица 4. Характеристики печных труб и фитингов.

Определяем фактическую линейную скорость нагреваемого продукта:

м/с.

Вывод: на данном этапе расчета вычислили диаметр печных труб, по нему выбрали стандартный диаметр, толщину и шаг труб, и, исходя из стандартного диаметра, рассчитали фактическую линейную скорость нагреваемого продукта.

5.6 Расчет камеры конвекции

Цель данного этапа: расчет поверхности конвекционных труб и проведение анализа эффективности работы камеры конвекции.

Поверхность конвекционных труб определяется по уравнению:

,

где Q_к - количество тепла, воспринятое конвекционными трубами;

K - коэффициент теплопередачи от дымовых газов к нагреваемому продукту;

Dt_ср - средняя разность температур.

кДж/ч.

Средняя разность температур определяется по формуле:

,

где , - соответственно большая и меньшая разности температур;

t_{к -} температура продукта на выходе из камеры конвекции, которая находится путем решения квадратичного уравнения вида:

,

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

Коэффициент с вычисляется следующим образом:

,

где - теплосодержание продукта при температуре t_к:

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:

⁰С;

⁰С;

⁰С.

Коэффициент теплопередачи в камере конвекции определяется уравнением:

,

где a₁, a _к, a _р - соответственно коэффициенты теплоотдачи от газов к стенке, конвекцией, излучением трехатомных газов.

a _р определяют по эмпирическому уравнению Нельсона:

,

где t_ср - средняя температура дымовых газов в камере конвекции:

К;

Вт/м²?град.

a _к определяется следующим образом:

,

где Е - коэффициент, зависящий от свойств топочных газов, значение которого определяем методом линейной интерполяции, используя табличные данные зависимости его от t_ср; принимаем Е = 21,248;

d - наружный диаметр труб:

м;

U - массовая скорость движения газов, определяемая по формуле:

,

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:

,

где n = 2 - число труб в одном горизонтальном ряду;

S₁ - расстояние между осями этих труб; S₁ = 0,275 м;

l_р - рабочая длина конвекционных труб; l_р = 18 м;

а - характерный размер для камеры конвекции:

м.

м².

Рассчитываем массовую скорость движения газов:

кг/м²?с.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией:

Вт/м²Чград.

Коэффициент теплопередачи от дымовых газов к нагреваемому продукту:

Вт/м²Чград.

Рис. 4. Схема расположения

Таким образом, поверхность конвекционных труб:

м².

Определяем число труб в камере конвекции:

шт.

Число труб по вертикали:

шт.

Высота пучка труб в камере конвекции определяется по формуле:

, труб в камере конвекции.

где S₂ - расстояние между горизонтальными рядами труб:

м;

м.

Рассчитаем среднюю теплонапряженность конвекционных труб:

Вт/м².

Выводы:

1) рассчитали поверхность нагрева конвекционных труб, получив следующий результат: Н_к = 622,63 м²;

2) определили значение средней теплонапряженности конвекционных труб, оно составило Q_нк = 12854,2 Вт/м², что в пределах допустимого значения (13956 Вт/м²), а значит камера конвекции работает с высокой эффективностью

5.7 Гидравлический расчет змеевика трубчатой печи

Цель расчета: определение общего гидравлического сопротивления змеевика печи или давления сырья на входе в змеевик.

Давление сырья на входе в печь складывается из следующих составляющих:

,

где Р_к, DР_и, DР_н, DР_к, DР_{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 = Р_вых. = 1,5 ата = 1,5Ч10⁵ Па = 0,15 МПа.

Остальные слагаемые необходимо рассчитать.

Расчет начинается с определения потерь напора на участке испарения:

,

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

,

где А и В - расчетные коэффициенты.

; ,

где l, L₁, , d_вн, е, r_п - соответственно коэффициент гидравлического сопротивления (для атмосферных печей l = 0,02ё0,024 [2, с.56]), секундный расход сырья по одному потоку, плотность сырья при средней температуре на участке испарения t_{ср. и.,} внутренний диаметр труб, доля отгона сырья на выходе из змеевика, средняя плотность паров при давлении 9,1 Па (при нагреве нефти 1/r_п = 3500);

кг/с;

l_и - длина участка испарения:

,

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

;

кДж/кг;

l_{рад. -} эквивалентная длина радиантных труб:

,

где l_р - рабочая длина одной трубы; l_р = 18 м;

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

м;

n_р - число радиантных труб, приходящихся на один поток:

,

где n = 2 - число потоков;

N_р - общее число радиантных труб:

шт.;

шт.;

Рис.5. График зависимости Р_н = f (t_н), построенный на основании данных по однократному испарению продукта.

м.

Начинаем расчет давления в начале участка испарения Р_н методом итераций.

Предварительно задаемся значением Р_н, принимаем Р_н = 8 ата = 0,8 МПа, и по зависимости Р_н = f (t_н) (рис.5) находим температуру начала испарения продукта t_н, соответствующую этому давлению: t_н = 380 ⁰С.