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: