Расчет процесса теплопередачи от факела горения топлива или от излучающей стенки к тепловоспринимающей поверхности

В результате теплопередачи в технологических печах устанавливается определенный профиль температур. Как уже отмечалось, существуют три вида передачи тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. В реальной печи передача тепла осуществляется практически всеми перечисленными видами теплообмена в различных комбинациях.

Теплопроводность – передача тепла от одних частей тела к другим, обусловленная разностью температур, без заметного перемещения частиц тела. С физической точки зрения теплопроводность – это передача кинетической энергии одних молекул другим. Теплопроводность определяет, например, перенос тепла от наружной стороны стенки трубы к внутренней (трубные экраны в трубчатых печах). Аналогичным образом теплопроводность футеровки приводит к потерям части тепла из рабочей камеры в окружающую среду.

Общее количество тепла  (Вт), проходящее через однослойную стенку при стационарном режиме за счет теплопроводности, определяется по уравнению Ньютона:

,                                                (5.14)

где – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·^оС);  – толщина стенки, м;  и  – температура на наружной и внутренней стороне стенки, ^оС;  – поверхность теплопередачи, м².

Для многослойной стенки это уравнение принимает вид:

,                                      (5.15)

где i – индекс слоя; n – число слоев.

Конвективный теплообмен между движущимися потоками газа или жидкости и твердым телом происходит в результате их соприкосновения Количество тепла, переданное конвекцией при стационарном режиме, определяется по уравнению:

,                        (5.16)

где  – количество тепла, переданное от теплоносителя к тепловоспринимающей поверхности конвекцией, Вт;  – коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м²·^оС);  и  – температура соответственно теплоносителя и теплоприемника, ^оС;  – поверхность теплообмена, м².

Коэффициент теплоотдачи  зависит от формы тепловоспринимающей поверхности приемника, размеров поверхности теплообмена, температуры теплоносителя и теплоприемника, скорости движения теплоносителя, его физико-химических свойств и от целого ряда других факторов, в первую очередь гидродинамических. Поэтому конкретные значения коэффициентов теплоотдачи в существенной мере зависят от конструкции печи. Обобщение информации о коэффициентах теплоотдачи осуществляется с помощью теории подобия.

Теплообмен излучением происходит при квантовом переходе атомов и молекул из стационарных состояний с большей энергией в стационарные состояния с меньшей энергией. Поскольку эти переходы для разных веществ носят различный характер, излучение испускается с различными длинами волн. Тепловое излучение является одним из видов электромагнитных колебаний с длиной волн от 0,4 до 40 мкм. Мощность излучения, отнесенная к единице поверхности излучателя, называется плотностью излучения (Вт/м²):

                                                             (5.17)

Если на тело падает поток излучения , то в общем случае часть его поглощается , часть отражается , а часть пропускается через тело :

                                  (5.18)

Если отнести все составляющие уравнения (18) к падающему потоку, получим:

,                                   (5.19)

 или:   a + r + d = 1.                                             (5.20)

Здесь: безразмерные параметры a, r и d называются соответственно поглощательной, отражательной и пропускательной способностью тела. Если a = 1 (r = 0, d = 0), то весь поток падающего излучения телом поглощается. Такое тело называется абсолютно черным. Если r =1 (a = 0, d = 0), то весь поток излучения телом отражается (абсолютно белое тело). Наконец, если d = 1 (a = 0, r = 0), то тело называется абсолютно прозрачным.

Отношение плотности излучения конкретного реального тела E к плотности излучения абсолютно черного тела E ₀ при одинаковой температуре тел называется степенью черноты реального тела: ε = (E / E ₀).

Общая формула теплообмена излучением между двумя непрозрачными телами устанавливается законом Стефана- Больцмана:

 ,   (5.21)

где  – количество тепла, переданное излучением от первого тела ко второму, кДж;  – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, Вт/(м²·К⁴);  – коэффициент облученности, учитывающий форму, размеры и взаимное расположение поверхностей излучателя и приемника;  и  – абсолютные температуры излучателя и приемника, К; – условная расчетная поверхность теплообмена, м²;  – время теплообмена, ч.

Изложенные общие принципы расчета технологических печей могут существенно трансформироваться в зависимости от конструкции, как самой печи, так и от конструкций вспомогательного оборудования.

Конструкции печей

Наиболее распространенными конструкциями технологических печей, используемых для тепловой обработки жидких, газообразных (парообразных), твердых материалов являются трубчатые, шахтные, барабанные вращающиеся печи, печи с кипящим слоем и др.

Трубчатые печи

Трубчатые печи нашли самое широкое применение в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности. Так в нефтепереработке трубчатые печи используются для огневого нагрева и частичного испарения нефти и продуктов её переработки на установках АВТ, каталитического крекинга, риформинга и многих других. Трубчатые печи широко используются и в качестве реакционных аппаратов (установки термического крекинга, пиролиза), причем реакционные процессы могут протекать как в жидкой, так и в паровой фазах.

По способу передачи тепла потоку перерабатываемого сырья трубчатые печи можно разделить на три группы [2]: конвективные, радиантно-конвективные и радиантные.

В конвективных печах тепло передается продукту при соприкосновении продуктов сгорания топлива с трубами, по которым прокачивается сырье. Топочная камера в печах вынесена отдельно, а трубные экраны отсутствуют. За счет конвекции передается до 80% от общего количества тепла (остальное количество тепла передается радиацией). В печах данного типа обеспечиваются более мягкие условия теплообмена (меньшая разность температур между стенкой трубы и перерабатываемым продуктом).

В печах радиантно-конвективного типа 40 – 60% всего тепла передается радиацией, а остальное – конвекцией.

В радиантных печах основная доля тепла передается радиацией. В печах этого типа стены топочной камеры покрыты экранами из радиантных труб. Тепло от факела горения передается экранам излучением. Камера конвекции имеет вспомогательное значение. Печи данного типа наиболее компактны. Основным их недостатком является высокая температура отходящих газов, что ухудшает экономические показатели печного агрегата. В зависимости от места расположения трубные экраны радиантных печей (секций) разделяются на потолочные, боковые (фронтальные) и подовые, а в зависимости от направления подвода тепла излучением – одно- и двухстороннего облучения.