ТРУБЧАТЫЕ ПЕЧИ
Трубчатые печи являются аппаратами, предназначенными для передачи нагреваемому продукту тепла, выделяющегося при сжигании топлива, непосредственно в этом же аппарате.
Они получили широкое распространение на НПЗ благодаря следующим своим преимуществам:
1. Их работа основана на принципе однократного испарения сырья ( принцип ОИ ), что обеспечивает более глубокий отгон светлых нефтепродуктов при данной конечной температуре нагрева сырья, либо заданную степень отгона, но при более низких температурах.
2. Они обладают высокой тепловой эффективностью.
3. Трубчатые печи являются компактными аппаратами, обладают высоким коэффициентом полезного действия и обеспечивают высокую тепловую мощность.
4. Время пребывания нагреваемого сырья в зоне высоких температур не превышает нескольких минут, что уменьшает его разложения в трубах.
5. В зоне нагрева трубчатых печей единовременно находится небольшое количество нефтепродукта, что снижает пожарную опасность.
Рис. 8. Схема двухскатной печи с наклонным сводом:
1 – конвекционная камера, 2 – подовый экран радиантной камеры, 3 – потолочный экран
радиантной камеры, 4 – муфели (форкамеры) для форсунок, 5 – форсунки или горелки
Теплообмен в трубчатой печи
Все трубчатая печь всегда имеет камеры радиации и конвекции.
В камере радиации (топочной камере), где сжигается топливо, расположена радиантная поверхность (экран), поглощающая тепло в основном за счет радиации.
В камере конвекции расположены трубы, воспринимающие тепло главным образом путем конвекции, то есть при соприкосновении дымовых газов с поверхностью нагрева.
Сырье движется противотоком, как правило, проходит сначала конвективную, а затем радиантную камеру. Большая часть тепла воспринимается в радиантной камере.
Лучистое тепло эффективно передается при охлаждении дымовых газов до 1000-1200 К. Дальнейшее снижении температуры неоправдано, т.к. при этом радиантная поверхность работает с пониженной теплонапряженностью.
Эффективность конвективного теплообмена в меньшей степени зависит от температуры топочных газов, а главных образом зависит от скорости движения газов и взаимного расположения труб. В общем случае конвективная поверхность служит для использования тепла отходящих дымовых газов и обеспечивает их охлаждение до температуры, при которой величина КПД будет экономически оправданной.
Рассмотрим механизм передачи тепла, протекающий в трубчатой печи, на примере двухкамерной печи с наклонным сводом.
Топливо вводится в тонко распыленном состоянии в топку при помощи форсунок. Сюда же вводится необходимое для горения количество воздуха. Высокая степень дисперсности топлива обеспечивает его интенсивное перемешивание с воздухом и более эффективное горение.
Тепло, выделенное при сгорании топлива, расходуется на повышение температуры дымовых газов и частиц горящего топлива. Последние раскаляются и образуют светящийся факел. Воздух, необходимый для горения, подводят к устью форсунки, что способствует интенсивному горению и уменьшению дальнобойности факела.
В трубчатых печах температура факела обычно находится в пределах 1550 – 1750 К и интенсивно излучает тепло. В состав продуктов горения входят трехатомные молекулы (
), которые излучают тепло определенной длины волны.
Лучистая энергия, в основном поглощается радиантными трубами, выложенными в виде экрана. Другая часть воспринимается кладкой камеры и в свою очередь также излучает тепло.
Из общего количества тепла, воспринятого в радиантной камере трубами, значительная часть (85-90 %) передается излучением, и только остальная часть конвекцией.
Прямое излучение от факела зависит от его поверхности. По этой причине предпочитают иметь большое количество форсунок, равномерно распределенных по всему сечению топки. Излучающая способность дымовых газов повышается также с увеличением концентрации в них газов и толщины газового слоя.
В камере конвекции наибольшее количества тепла передается путем конвекции: оно достигает 60-70 % от общего количества тепла, передаваемого конвекционными трубами. Теплоизлучение от газов составляет всего 20 -30 %, остальное – излучение кладки стенок конвекционной камеры.
Основным фактором, определяющим эффективность передачи тепла конвекцией, является скорость движения дымовых газов. В соответствии с этим при конструировании трубчатых печей стремятся обеспечить ее наибольшее значение в конвекционной камере.
Существенным фактором также является способ размещения труб в камере конвекции. При прочих равных условиях (скорости движения, температуры газов, числа и поверхности труб) шахматное расположение труб обеспечивает более эффективную (на 20-30 %) передачу тепла по сравнению с коридорным.
Эффективность передачи тепла может быть повышена также путем оребрения наружной поверхности конвекционных труб. Однако такие трубы подвержены интенсивному засорению оребренной поверхности дымовыми газами.