Содержание к диссертации
Введение
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 10
1.1. Влияние на внешний теплообмен методов организации топочного процесса 10
1.2. Методы и приборы для экспериментального исследования процессов теплообмена 15
1.3. Выводы и задачи исследования 22
2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИК ИЗМЕРЕНИЯ И КОНСТРУКЦИЙ ПРИБОРОВ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВНЕШНЕГО ТЕПЛООБМЕНА В ТРУБЧАТЫХ ПЕЧАХ 25
2.1. Усовершенствование методики измерения лучистых тепловых потоков и конструкции эллиптического радиометра 25
2.2. Разработка конструкции цилиндрического тепломера и методики разделения теплового потока, воспринимаемого экраном, на лучистую и конвективную составляющие 34
2.3. Градуировка экспериментальной аппаратуры 39
2.4. Разработка рекомендаций по переносу результатов воздушных продувок на реальные условия трубчатых печей 43
2.5. Выводы 52
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНЕГО ТЕПЛООБМЕНА В ТРУБЧАТЫХ ПЕЧАХ С ДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ 53
3.1. Радиационно-конвективный теплообмен в трубчатой печи с излучающими горелками 53
3.2. Интенсивность и характер теплоотдачи в цилиндрической трубчатой печи с настильным сжиганием топлива при дифференцированной подаче воздуха 87
3.3. Радиационно-конвективный теплообмен в трубчатой печи со струйными горелками 102
3.4. Выводы 123
4. ОПТИМИЗАЦИЯ И ТЕПЛО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ ТРУБЧАТЫХ ПЕЧЕЙ С ДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ 126
4.1. Методика расчета оптимального соотношения между тепловосприятиями радиант- ной и конвективной камер 126
4.2. Теплотехническое и технико-экономическое сравнение трубчатых печей с дифференцированным подводом теплоты 152
4.3. Выводы 159
5. ОСНОВНЫЕ ВЫВOДЫ 160
6. ЛИТЕРАТУРА 163
7. ПРИЛОЖЕНИЯ 173
- Влияние на внешний теплообмен методов организации топочного процесса
- Усовершенствование методики измерения лучистых тепловых потоков и конструкции эллиптического радиометра
- Радиационно-конвективный теплообмен в трубчатой печи с излучающими горелками
- Методика расчета оптимального соотношения между тепловосприятиями радиант- ной и конвективной камер
Влияние на внешний теплообмен методов организации топочного процесса
В газовой, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности применяется несколько десятков типов трубчатых печей, в камерах радиации которых реализуются различные методы организации топочного процесса, отличанщиеся способом сжигания топлива.
Используются объемное, объемно-настильное, настильное и беспламенное сжигания топлива.
В трубчатых печах с объемным сжиганием топлива газ и мазут сжигают в объеме, ограниченном экраном. Трубы экрана располагаются параллельно или перпендикулярно оси факела. По конструктивному оформлению печи разделяются на коробчатые и цилиндрические, одно-и многосекциояные. Горелки устанавливаются на поде [60] , на своде [59] либо на боковых стенах радиантяой камеры [12] . В печах данного типа предлагается осуществлять регулирование плотности теплового потока путем подвода части воздуха по оси факела через патрубки, вмонтированные в корпус [17] . Следует отметить, что патрубки будут находиться в зоне высоких температур, поэтому не исключена их деформация и прогар. В печах с объемным сжиганием тошшва управлять распределением теплового потока в радиантяой камере можно также путем изменения рода топлива и способа смешения его с воздухом. Монотонное уменьшение по длине факела плотности теплового потока достигалось при сжигании мазутного топлива и при сжигании предварительно смешанного с воздухом газообразного тошшва. При этом у корня факела интенсивность теплоотдачи в 3-5 раз выше, чем в хвосте [4,90,92] . Более равномерное распределение теплового потока получалось при сжигании газообразного топлива в диффузионных горелках [90] . В этом случае максимальная теплоотдача наблюдалась в хвосте факела. Существенный недостаток рассмотренного способа - узкий диапазон регулирования плотности теплового потока.
В печах с объемно-настильным сжиганием топлива газ и мазут сжигают в объеме камеры с последующим настилом факелов на излучающие стены [14] . Печи - коробчатые с горизонтальным расположением труб экрана. В печах рассматриваемого типа управлять интенсивностью теплоотдачи можно только на небольшом участке поверхности нагрева, расположенном у пода печи [43] . Это достигается путем изменения места ввода топлива и угла наклона оси факела. В работе [43] изучение теплообмена проводилось на огневом стенде сечением 1x1 м и высотой 3,8 м. Экспериментальный материал по теплопередаче в трубчатых печах с объемно-настильным сжиганием жидкого топлива отсутствует.
Усовершенствование методики измерения лучистых тепловых потоков и конструкции эллиптического радиометра
Основная часть радиометра - эллиптическое зеркало I (рис. 2.1), покрытое тонким слоем золота, никеля или хрома. В одном из фокусов зеркала помещен теплоприемник 2, к которому приварены термоэлектроды 6. В другой фокальной плоскости эллипсоида находится диафрагма 3 с небольшим отверстием по оси. Снаружи эллипсоид заключен в водяную рубашку. Через каналы 7 в полость эллипсоида во время работы постоянно вдувается воздух.
Точность измерения падающего лучистого теплового потока радиометром в значительной степени зависит от правильности изготовления эллиптического зеркала и точности определения местоположения его фокусов. Для решения последней задачи была собрана специальная установка, схема которой показана на рис. 2.2 [70] .
Установка состоит из диагностического газового лазера ЛГ-75, диафрагм, необходимых для получения падающего луча определенной толщины, и поворотного устройства, предназначенного для обеспечения вращения эллиптического зеркала вокруг первого фокуса ( 9i).
Метод проверки правильности изготовления эллиптического зеркала и определения местоположения его фокусов заключается в следующем. Выходящий из газового лазера луч, пройдя через диафрагмы, направляется в первый фокус зеркала. Во второй фокус ( 9 устанавливается сферический теплоприемник, который может перемещаться по большой оси эллипсоида. Вращением эллиптического зеркала вокруг первого фокуса визуально определяется место падения луча, отраженного от поверхности зеркала. При правильном изготовлении поверхности эллиптического зеркала и точном определении местоположения его фокусов любой луч, прошедший через первый фокус зеркала, отразившись от его поверхности попадает на сферический теплоприемник.
При измерении в печах плотности лучистого теплового потока эллиптическим радиометром его диафрагма разогревается излучением и конвекцией до температур, превышающих температуру зеркала. Как показали специальные опыты, возникающая при этом ошибка за счет излучения диафрагмы на теплоприемник изменяется в широких пределах.
Радиационно-конвективный теплообмен в трубчатой печи с излучающими горелками
Исследование радиационно-конвективного теплообмена проводилось на промышленной трубчатой печи типа ББІ (рис.3.1), служащей для нагрева природного газа на IPC города Норильска [64] . Печь радиационно-конвективного типа с нижним отводом дымовых газов и горизонтальным расположением труб экрана, которые установлены на своде, на поде, на перевальной и фронтальных стенах. Диаметр труб змеевика - 152 мм. Относительный шаг между трубами - 1,81. Материал труб - сталь I5X5M. В печи установлено три ряда панельных горелок ГБП-280 конструкции ВНИИнефтемаш. Каждый ряд состоит из четырех горелок. В качестве топлива и нагреваемого продукта используется природный газ с теплотой сгорания QH = 37070 кДж/м3. Расход топлива и нагреваемого продукта контролировались стандартными диафрагмами, а их давление - образцовыми манометрами.
Количество воздуха, поступающего для сжигания газа, определялось по анализу газовоздушной смеси после диффузора. Коэффициент расхода воздуха на выходе из камеры радиации рассчитывался по азотной формуле [82] . Анализ газовоздушной смеси и продуктов горения проводился на хроматографе ЛЖ-8МД лучистые и конвективные тепловые потоки к экранной поверхности, расположенной на перевальной стене и на поде, измерялись с помощью цилиндрических тепломеров. На трубу устанавливалось по два тепломера, что позволяло определять тепловые потоки по периметру трубы через каждые 45. Температура продуктов горения около труб экрана и по ширине топки (сечения I и П, рис.3.1), измерялась двухспайной термопарой. Сечения I и П находились на расстоянии 0,5 и 1,6 м от пода печи. Температура излучающей поверхности измерялась хромель--алюмелевой термопарой, установленной заподлицо с рабочей поверхностью панели по оси среднего ряда горелок.
Методика расчета оптимального соотношения между тепловосприятиями радиант- ной и конвективной камер
При заданной температуре уходящих газов из лечи оптимальное распределение тепловосприятия между радиантной и конвективной камерами по существу сводится к отысканию экономически наивыгоднейшей температуры продуктов горения на выходе из камеры радиации. Обычно при проектировании и эксплуатации трубчатых печей не дается никакого обоснования по наивыгоднейшей температуре продуктов горения на выходе из камеры радиации. Как правило,она задается, исходя из опыта работ аналогичных установок.
От выбора температуры продуктов горения I ра$ , покидающих камеру радиации, существенно зависят технико-экономические показатели трубчатых печей. Так, повышение температуры I ра$ приводит к увеличению конвективной и уменьшению радиантной поверхностей нагрева. При этом в конвективном пучке возрастают затраты на преодоление гидравлических и аэродинамических сопротивлений. Одновременно в радиантной экране снижаются гидравлические потери, связанные с перемещением нагреваемого продукта. можно определить по методике, основанной на минимизации приведенных затрат Зпр на нагрев продукта .
