Dimensionarea Unui Cuptor de Incalzire Si Vaporizare Partiala a Titeiului

Capitolul I – Introducere

I.1 Generalități

Cuptorul tubular este un aparat de o deosebită importanță În instalațiile de prelucrare a hidrocarburilor, prin gama largă utiliză, prin ponderea investiției aferente (până la 20% din investiția totală a unei instalații) si prin consumul de energie primară) 75-85% din consumul total de energie al combinatului).

Domeniile relativ largi de temperatură (250-850*C) la ieșirea fluxurilor din cuptor și largă de cantități de căldură transferată (4*-8*kJ/h) fac din cuptoul tubular, principalul consumator de căldură din industrie.

Caracterizarea uzuală a cuptoarelor tubulare

Se face prin următorii parametri :

Încălzirea termică brută sau căldura termică dezvoltată prin arderea combustibilului ( ) in kJ/h ( sau În W, respectiv În kcal/h)

Încărcarea termică utilă, sau căldura preluată de materia primă (și fluxurile auxiliare) În unitatea de timp( ), in kJ/h (W sau kcal/h);

Randamentul termic, definit ca raport Între căldura utilă ( ) si cea dezvoltată ( )

Tensiunea temică (fluxul tehnic specific sau densitatea de flux) este cantitatea de căldură preluată de suprafață expusă de tub, În unitatea de timp, in kJ/, kcal/*h); În tabelul 6.18 sÎnt prezentate, pentru diverse procese, valorile tensiunilor termice din secția de radiație , recomandate de practica industrială, pentru evitarea sau cel puțin reducerea reacțiilor de descompunere În pelicula de fluid din interiorul tubului; În secția de convecție , pentru tuburi normale, valorile tensiunii termice sînt cuprinse În domeniul (20-80)*, iar pentru tuburi cu suprafața extinsă (aripioare sau țepi) aceasta ajunge la valori de peste)4*, raportată la surafața normală, exterioară, a tubului;

Tensiunea termică, sau Încărcarea termică volumică a camerei de ardere, reprezintă căldura dezvoltată prin arderea combustibilului, În unitatea de volul de incintă, În unitatea de timp, exprimată in (W sau kcal/h). Valorile uzuale sÎnt cuprinse intre (1,5-3)*.

Tipuri constructive, caracteristici, destinație

Cuptorul tubular este constituit din secția de radiație, În care are loc arderea, secția de convecție (cu sau fără preîncălzitor de aer) și coșul de evacuare a gazelor de ardere.

Tabel 6.18 Tensiuni termice uzuale, medii În secția de radiație (*)

(*) Valorile raportate la suprafața exterioară a tubului

În secția de radiație se transmite cea mai mare parte (65-80%) din căldura utilă, din care, prin mecasnimul radiației de la gaze și de la pereții refractari, 75-90%, iar prin cel al convecției 10-25%. Restul de 20-35% din căldura utilă este transmis În sectia de convecție, prin mecanismul convecției (50-60%) și al radiației de la gazele de ardere (30-40%) și de la pereții refractari (5-15%).

Tipul de construcție este definit uzual de forma si numãrul secțiilor de radiație. Tipurile cele mai utilizate astãzi sînt prezentate în figura 6.55, a b c

Cuptoarele paralelipipedic vertical () și cuptorul paralelipipedic vertical cu douã secții de radiație () sînt între cele mai uzuale. Ele asigurã o gamã variatã de servicii( DAV, RV, cocsare, solventare cu furfurol etc.) și un domeniu larg al debitelor termice transmise(50-500* varianta () și 400-800* în varianta (). În secția de radiație tuburile pot fi dispuse vertical sau orizontal, pe doi sau pe patru pereți. Așezarea verticalã permite prevedrea mai multor circuite în paralel, alimentate cu fluxuri de naturã diferitã.

Dispoziția orizontalã cu serpentinã continuã pe patru pereți [136] cu mai multe circuite în paralel, aplicatã industrial la cuptoare de mare capacitate, pentru care nu se cer tensiuni termice prea ridicate, oferã avantajul unor cãderi de presiune mai reduse și a unei exploatãru mai intensive a pereților incintei de radiație (grad ce ecranare peste 0.8) reducînd în acest fel costul investiției . preîncãlzitoarele de aer și coșul pot fi plasate deasupra secției sau la sol. Dimensiunile orientative ale camerelor sunt: <30 m; = 4-5 m; <12 m; =1.5-2.5 m; <5 m.

Cuptorul cilindric (b) acoperã domeniul capacitãților mai mici, de la 4*pînã la 250*kJ/h. tuburile pot fi dispuse paralel cu generatoarea sau sub formã de spiralã (la diametre de tub mici), caz în care se recomandã ca /<2, la <kJ/h, și, respectiv, mai mic de 2.5 pentru <kJ/h. în aranjamentul cu tuburi verticale, aceste cuptoare prezintã avantajul cã asigurã solicitãri termice practic egale pentru toate tuburile( putînd apãrea diferențe notabile numai în lungul tubului), permițînd utilizarea mai multor circuite în paralel, avantaj care conduce la cãderi de presiune mici (reformare cataliticã, hidrofinare etc). Deasupra secției de convectție de formã paralelipipedicã sînt plasate preîncãlzitorul de aer și coșul. Secția de radiație se construiește uzual cu diametrul sub 8 m și sveltețe de 2.5-3.

La cuptorul de pirolizã (c), pereți laterali sînt “radianți”. Flãcãrile se dezvoltã din injectoare apropiate de pereți , care descarcã pe perete (și nu spre incintã), producînd o flacãrã , de formã circularã. Combustibilul ars în aceste injectoare este gazos. Repartiția injectoarelor pe întreaga suprafațã a pereților laterali și reglajul debitelorpe șiruri (sau pe rînduri) asigurã fațã a pereților laterali și reglajul debitelor pe șiruri (sau pe rînduri) asigurã controlul curbei de încãlzire a materialului în tuburi. Injectoarele (cu flacãrã lungã) din podeaua acestui tip de cuptor pot fi alimentate cu combustibil lichid. Temperaturile ridicate ale pereților și ale gazelor arse asigurã tensiuni de termice mari (252-335)kJ/. Dimensiunile orientative ale secției de radiație sînt : 6-10 m; =3-4 m; m. recuperatorul de cãldurã din gazele de ardere (orin producere de abur) și coșul pot fi individuale sau integrate într-un economizor ș si un coș de evacuare, comune pentru mai multe cuptoare.

Clasificarea si terminologia injectoarelor ș instalațiilor de ardere sînt standardizate în țara noastrã prin STAS nr. 9149-77 [132]. [3]

I.2 Tipuri constructive de cuptoare tubulare

Zidãria cuptorului are rolul de a transmite cãldurã prin radiație , tuburilor și de a izola termic aparatul. Orientativ, temperatura pereților neecranați antinge 800-950*C, iar a celor ecranați cu cca 100*C mai joasã. Peretele cuptorului este construit din mai multe straturi, formate uzual din: torcret, cãrãmidã refractarã(șamota, magnezitã, crom-magnezitã, aluminã) cãrãmidã termoizolatoare (diatomit, vermiculit, caolin) și vatã mineralã sau de sticlã. Alegera torceretului ș a cãrãmizii refractare pentru construcția unui cuptor este dictatã de temperatura peretelui (șamota are punctul de înmuiere 1200-1300*C, iar magnezita cca 1600*C) și de greutatea construcției cuptorului (șamota bazicã sau acidã are densitatea de 1900 kg/, șamota ușoarã 700-1200 kg/ , magnezita 2850 kg/). Grosimea stratului de izolație este determinatã de temperatura peretelui ș de nivelul pierderilor de cãldurã prin pereți, admise în dimensionarea cuptorului. Liantul dintre cãrãmizi are rol de etanșare și de rigidizare.

Tuburile din sectia de radiație pot fi dispuse orizontal sau vertical, la o distanțã de 2, pentru tuburi cu diamentrul sub 100mm și de maximum 1.5, pentru celelalte sau mai îndepãrtate în cazul cuptoarelor de pirolizã. Legãtura dintre tuburi se realizeazã prin coturi de 180* (demontabile, dispuse în exteriorul camerei, sau sudate, amplasate în interiorul ei) sau prin curbe de 90*(cazul serpentinelor continui, sudate, dispuse orizontal pe cei patru pereți ai camerei [136]). Sînt folosite tuburi cu diametre exterioare de 80-220 mm (mai rar pînã la 270 mm) avînd grosimea de 8-20mm (determinatã de temperatura și presiunea fluidului și de compoziția metalului). Coturile de legãturã sînt confecționate cu raze de racordare de (1.7-2.2)/2. Pentru cazuri speciale, cum ar fi serpentinele de pirolizã, se confecționeazã coturi cu raza de racordare pînã la 3.5/2. În funcție de temperatura pe care o poate atinge metalul tubului și de natura fluidului încãlzit se utilizeazã: oțel carbon slab aliat (DA, DV, solventare etc.), oțeluri aliate aluminizate (hidrodezalchilare, hidrotratare), oțeluri puternic aliate cu Cr și Ni (pirolizã) oțeluri refractare aliate cu Si (supraîncãlzire de abur la 800-900*C etc.

În secția de convecție a cuptorului pot fi prevãzute tuburi normale sau cu suprafațã extinsã cu aripioare sau cu țepi. Tuburile sînt dispuse cu axul perpedndicular pe direcția de curgere a gazelor de ardere, așezarea fiind pentru a putea curãți tuburile de cenușa depusã în urma arderii combustibililor lichizi, grei). Dimensiunile sînt apropiate sau identice cu cele ale tuburilor prevãzute în secția de radiație, iar tipul de material este dictat de nivelele de temperaturã și presiune ale lichidului din interior. Tuburile cu aripioare au urmãtoarele catacteristici geometrice :48-219mm; =12.7-31.7 mm; numãrul de aripioare pe un metru de tub = 78-236. Pentru a rezista la nivele ridicate de temperaturã a gazelor, aripioarele sînt confecționate fie din oțel (temperaturã maximã admisã 430-510*C) , fie oțeluri aliate (de ex. Oțel 25-20 CrNi rezistent pînã la 1095*C) Tuburile cu țepi au 3000-9000 țepi/m, cu înãltimea pînã la 30mm, de formã cilindricã, conicã sau piramidalã. Creșterea suprafeței realizatã de aripioare sau țepi este de 4-20 ori suprafața ; valoarea ei crește, în limitele amintitie cu majorarea numãrului de aripioare (țepi) pe unitatea de lungime de tub, cu creșterea înãlțimii aripioarei și cu scãderea diametrului exterior al tubului.

În preîncãlzitorul de aer (fix sau rotativ) sînt prevãzute țevi cu diametrul de 25-30 mm și lungimea, mai uzualã de 1.5-2.5m. Tuburile sînt dispuse în aparat în triunghi echilateral cu pasul de (1.3-1.5)cu axul tubului în direcția de curgere a gazelor de ardere. Sînt utilizate tuburi din oțel sau din aliaje inoxidabile. În funcție de necesitãți, pe partea aerului sînt prevãzute pînã la 4 treceri.

Coșul de evacuare a gezelor are secțiunea circularã este de formã cilindricã sau/și tronconicã, confecționat din tablã de oțel , cu inele de rigidizare, sau din beton.

Traseul aerului preîncãlzit este format din burlane de secțiune dreptunghiularã, confecționate din tablã de oțel, izolatã termic (uzual, vatã mineralã).

Ventilatoarele de aer au debitul cuprins în limitele – , asigurând , obișnuit , presiuni de refulare pînã la 300 mm col. Apã; sînt acționate de motoare electrice cu puteri pînã la 100 kW.

Injectoarele. Pot fi utilizate arzãtoare pentru gaz (debit pînã la 400/h *injector), cu lichid (pînã la 350 kg/h* injector) sau mixte. Cele pentru lichid pot fi cu automatizare cu aer, cu abur sau mecanicã. Uzual sînt folosite injectoare care funcționeazã la debite de 50-300 kg/h cu aer rece (aspirat) sau cu aer preîncãlzit (insuflat la injector cu 15-25 mm col. Apã). Traseul combustibilului lichid este compus din rezervor, preîncãlzitor, filtru, pompã etc.

Aparatura de mãsurã și control are rolul de a permite conducerea cvasi-automatã a cuptorului , la parametri tehnologici prescriși, în condiții de siguranțã. Una dintre problemele încã nerezolvate satisfãcãtor ete întîrzierea reacției la comanda datã de aparatura de control.

Din pramaetri care se mãsoarã, cei mai importanți, din punctul de vedere al conducerii în siguranțã a precesului sînt: temperatura de transfer a materiei prime, care prin intermediul sistemului de reglare modificã debitul de combustibil admis la injectoare; debitul de materi primã, de a cãrei valoare depinde, prin intermediul sitemului de reglare prevãzut, debitul de combustibill temperatura la prag a gazelor de ardere, a cãrei valoare și care limiteazã debitul de combustibil la injectoarel conținutul de oxigen în gazele de coș, care determinã debitul de aer pentru combustie; temperatura tuburilor celor mai solicitate din secția de radiație (mãsuratã cu termocuplul plasat pe exteriorul tubului sau cu pirometrul optic de radiație) cunoscutã de operator ca indiciu al evoluției procesului de depunere a cocsului; cãderea de presiune pe materia primã. [3]

Cuptorul pentru încalzirea și vaporizarea țițeiului este un aparat important în cadrul instalației de DA, atât din punct de vedere al costului (15 – 20 % din investiția totală a instalației), cât și al consumului de energie (75 – 88 %din consumul energetic al instalației).

Ca formă, poate fi:

• cilindric vertical,

• tip coloană,

• paralipipedic vertical.

Cuptoarele paralipipedice sunt cele mai uzuale și pot fi cu o cameră sau două camere de ardere, cu serpentină de încălzire așezată sub diferite forme pentru a realiza o simplă sau dublă expunere față de arzătoare, având sarcini termice de la Mkcal/h până la 100 Mkcal/h.

Tensiunile termice sunt cuprinse între 10 000 – 14 000 kcal/m2 h pentru zona de convecție și 27 000 – 35 000 kcal/m2 h pentru zona de radiație.

Pentru zona de convecțiede supraîncălzire abur, valorile sunt cuprinse între 8 000 – 10000 kcal/m2 h . Pentru tuburile de expunere dublă în radiație, tensiunea termică variază între 45 000 – 50 000 kcal/m2 h.

Problemele de coroziune și de depuneri, care apar în zona rece a convecției la arderea combustibililor sulfuroși, datorită punctului de rouă acid ridicat și a compușilor cu vanadiu și sodiu, care formează oxizi dubli cu puncte de topire joase ( cca 600 – 650 0C ), ce înglobează fierul și limitează randamentul cuptoarelor.

Creșterea randamentului se face prin introducerea aditivilor de combustie și recuperarea maximă de căldură din gazele de ardere care ies din convecție, prin generarea de abur de medie sau joasă presiune, prin preîncălzirea aerului pentru combustie în preîncălzitoare de tip regenerativ ( Lyungstrom ) sau recuperativ.

Se folosește sistemul de recuperare a căldurii prin intermediul unui fluid purtător de căldură, care apoi este utilizat la preîncălzirea aerului. Folosirea unor materiale rezistente la coroziune ( țevi se titan, sticlă specială de borosilicați, teflon ) în construcția preîncalzitoarelor de aer a determinat creșterea randamentului și a timpului de funcționare a cuptorului.

Dimensiunile de gabarit ale cuptoarelor au fost reduse prin folosirea în convecție a țevilor cu suprafață extinsă ( aripioare sau bolțuri ).

Economia de combustibil se realizează prin recuperarea adâncă de căldură din gazele arse, prin controlul strict al arderii prin realizarea unui raport aer-combustibil aproape de cel stoechiometric necesar, corelat cu conținutul de O2 sau CO din gazele arse, prin introducerea microprocesoarelor și a aparaturii de măsură, control și reglare perfecționate.

În mod curent, excesul de aer la arderea gazelor este de 10-15%, iar pentru arderea combustibililor lichizi de 20-25%.

Se încearcă micșorarea pierderilor de căldură prin pereții cuptorului către exterior prin izolarea cu fibre ceramice rezistente la temperaturi de 1 250 0C și vată de sticlă asigurând o temperatură exterioară a pereților metalici de 50-.60 0C și o pierdere de căldură prin pereții cuptorului de 1,2-1,5% din căldura dezvoltată.

Cuptoarele asigură:

• încălzirea fară schimbare de fază (încălzirea unui agent termic, a benzinei și a gazelor bogate în hidrogen la reformarea catalitică),

• încălzirea asociată cu vaporizarea parțială sau totală a produsului (distilarea atmosferică, refierbătoare),

• încălzirea cu sau fără schimbarea fazei, însoțită de reacții chimice (CT, piroliză).

Caractertizarea uzuală a cuptoarelor tubulare se face prin:

• încărcare termică brută – căldura dezvoltată prin arderea combustibilului [kcal/h], [kj/h],

• încărcare termică utilă – căldura preluată de produs [kcal/h], [kj/h],

• tensiunea termică (flux termic sau densitate termică) a suprafeței de încălzire – cantitatea de căldură transmisă în unitatea de timp, pe unitatea de suprafață exterioară de tub [kcal/m2 h], [kw/m2]

• excesul de aer – aerul introdus în exces față de cantitatea stoechiometrică necesară combustiei complete, pentru a avea siguranța arderii complete a combustibilului,

• tensiunea termică volumetrică a camerei de ardere – căldura dezvoltată în secțiunea de radiație în unitatea de timp pe unitatea de volum a acestuia [kcal/m3 h], [w/m2]

• randamentul termic – raportul dintre căldura utilă și cea dezvoltată prin arderea combustibilului. În exploatarea cuptoarelor tubulare există următoarele pierderi de căldură:

prin gazele arse și excesul de aer evacuate la coș,

prin pereții și părțile calde ale cuptorului. [2]

Caraceristicile și aplicațiile lor

Cuptorul din fig 7a se utilizează de obicei in operațiile de distilare sau pentru incălzirea produsului de bază al coloanelor (ca refierbător). Se construiesc cu capacități de circa 20 Gcal/h.

Pentru distilarea țiteiului se utilizează cuptoarele din fig 7b si c; primul se recomandă indeosebi pentru capacități mari, pana la 60-80 Gcal/h. Posibilitatee de a încălzi independent cele două secții de rediație permite utilizarea a două circuite independente, cum ar fi de exemplu incălzirea țițeiului pentru distilarea atmosferică si a rezidului pentru distilarea in vid.

Cuptoarele au fost utilizate si pentru cracarea termică fiind prevăzute cu unul sau două circuite cat si pentru instalații de cocsare intârziată.Cuptorul reprezentat in fig.7 este astăzi cel mai frecvent utilizat in cele mai variate scopuri (distilare de țiței, reducere de vâscozitate, cocsare etc.) de la capacități modrat până la 60-80 Gcal/h. În varianta in care tuburile acestor cuptoare sunt dispuse vertical pot să se prevadă mai multe circuite independente, materii prime diferite, permitând un control destul de exact al incălzirii fiecărui circuit.

O variantă a acestor cuptoare este prevederea unei serpentine continue, orizontală, care să acopere toti cei patru pereti verticali.

Prin aceasta se reduce costul, se măreste gradul de ecranare si există posibilitatea separării alimentării in mai multe circuite semiindependente.

În fig.7e, flacăra se produce in cărămidă poroasă specială a yidăriei interioare sau in canale prevăute cu aceasta.

Repartiția injectoarelor permite o reglare convenabilă a curbei de incălzire a produsului si prin iradierea tuburilor in două părti se asigură o distribuție mai uniformă a solicitării termice.

În fig. 7, cuptoarele cilindrice verticale cu tuburi dispuse la periferia cilindrului se intrebuințează de la capacități foarte mici până la circa 60 Gcal/h.

În general la capacitate mică tuburile se dispun sub forma de spirala. În aranjamentul cu tuburi verticale cuptorul prezinta avantajul considerabil că asigură o solicitare termică egală a tuturor tuburilor. În felul acesta pot fi prevăzute mai multe (2-10) circuite paralele de reformare catalitică, de hidrogenare, de hidrocracare, in care menținerea scăzuta a pierderilor este determinantă pentru economia procesului.

[1]

Fig. 7

• cuptor paralipipedic cu o secțiune de radiație și o secțiune de convecție:

utilizare: D.A. și drept refierbător;

capacitate uzuală: 20 Gcal/h.

• cuptor paralipipedic cu 2 secțiuni de radiație și o secțiune comună de convecție:

utilizare: D.A., D:V:, C:T:;

capacitate: 60-80 Gcal/h;

caracteristici: posibilitatea de a încălzi independent cele 2 secțiuni de radiație permite utilizarea a 2 circuite independente.

• cuptor cu 2 secțiuni de radiație cu tavan înclnat și o secțiune comună de convecție:

utilizare: instalații cu capacitate mare de prelucrare;

caracteristici: – lucrează cu coeficient de transfer termic mare în zona de radiație;

– țevile aflate la intrarea în camera de convecție sunt foarte solicitate;

– solicitările termice în camera de radiație sunt mai uniforme.

• cuptor vertical cu tuburi orizontale sau verticale și cu serpentină orizontală continuă:

– utilizare: D.A., R.V.;

– capacitate: < sau = 60-80 Gcal/h;

– caracteristici: – în varianta cu tuburi verticale se pot prevedea circuite independente cu un control exact al încălzirii fiecărui circuit;

– în varianta cu serpentină continuă, alimentarea poate fi separată în circuite semiindependente; se reduce costul și se mărește gradul de ecrarare;

• cuptor cu pereți radianți cu tuburi orizontale sau verticale (injectoare fără flacără):

utilizare: piroliză;

caracteristici: – flacăra se produce în cărămida poroasă specială a zidăriei interioare sau în canalele prevăzute în acestea;

– repartiția injectoarelor permite o reglare convenabilă a curbei de încălzire a produsului;

– prin iradierea tuburilor din 2 părți se asigură o distribuție mai uniformă a solicitărilor termice;

– combustibilul folosit este, în general, gazos; în podea se pot prevedea injectoare cu combustibil lichid.

• cuptor cilindric cu tuburi dispuse circumferențial, periferic, paralel cu axa cilindrului:

utilizare: hidrofinare, hidrocracare, R.C.;

capacitate: < sau = 60 Gcal/h;

– caracteristici: – asigură căderi de presiuni mari;

– se pot prevedea mai multe circuite paralele (2-10);

– solicitarea termică a tuburilor este egală pentru toate tuburile. [2]

I.3 Date de proiect

Capacitate cuptor = 3,2*t/an

Tipul cuptorului: paralelipipedic cu secție de convecție, radiație și preîncalzitor de aer.

Presiunea țițeiului la intrarea în coloană 3bari.

Procente evaporate la intrarea in coloană 25% masă.

Temperatura de intrare a țițeiului in cuptor 205C – la ieșire 321C..

Temperatura aerului preîncalzit 230C.

Sistemul de preîncalzirea a aerului cu fașcicul tubular.

Combustibil utilizat: pacura – =0,980; K=11,3; Sulf=2,5% masă.

Parametrii aburului supraîincalzit – debit=12,6t/an; p=8bari; la ieșire abur supraîncalzit=340C.

Caracteristicile țițeiului: =0,830; K=12.

Curba PRF țiței si curba % medii densitate din proiectul TDP anul III.

Capitolul II – Dimensionarea unui cuptor de încãlzire și vaporizare parțialã a țițeiului

Combustibili, compoziție

Se utilizeazã combustibili gazoși (gaze naturale, gaze de rafinãrie) si lichizi (rezidii de la DV și produse de la RV).

Combustibilii gazoși conțin, în principal, , C , proporții variabile ( de ordinul procentelor) de alcani mai grei și uneori proporții reduse de olefine.

Fracția masicã de C și H se poate calcula pronind de la compoziția cromatograficã a gazului, sau de la densitate, în cazul unui amestec de hidrocarburi din aceeași clasã.

Combustiilii lichizi conțin, pe lîngã hidrocarburi, proporții variate de derivați cu sulf, oxigen și azot, precum și compuși cu vanadiu, nichel, sodiu etc. în tabelul 6.19 sînt prezentate compozițiile unor combustibili lichizi, tipici.

Tabelul 6.19 Compoziția unor combustibili lichizi, tipici

Conținutul de hidrogen al combustibililor lichizi provenind din petrol poate fi calculat cu relația (+/- 0.2-0.3% hidrogen):

H(% ms) = –[ -8.6

În care este densitatea (kg/ , iar kw – factorul de caracterizare.

O relație mai simplã, aplicabilã pentru combustibili lichizi lipsiți practic de sulf, apã și cenușã are forma:

H(% ms) = A – 14,928

În care A = 24,379 pentru 1.073>> 0.999 ; A= 24.879 pentru 0.999> > 0.927; A = 25,079 pentru 0.927> și A= 25.329 pentru 0.869>>0.797

Pentru combustibili lichizi care conțin sulf ( S = fracția masicã de sulf), umiditate ( a= fracția masicã de apã) și cenușã (z=fracția masicã de cenușã), fracția masicã a carbonului poate fi calculatã cu :

C = (1-s-a-z)/[(0,006- 0.103 + 1.704) – (0.0065 +0.123 + 0.748) * (0.9952 – 0.00806)]

Reacțiile de combustie și efectele lor termice

Combustia ete un complex de reacții chimice ale cãror produse finale sînt oxizii elementelor combustibilului, avînd un efect termic global puternic exoterm.

Reacțiile principla și efectele lor termice (considerînd produsele de reacție în fazã gazoasã, la temperatura de 25*C și presiunea atmosfericã) sînt :

+ (1/2) = – 239 679 kJ/kmol H

+ = C – 393 130 kJ/kat C

+ (1/2) = CO – 110 440 kJ/kat C

+ = S – 296 530 kJ/kat S

Reacțiile de mai sus sînt reversibile. Echilibrul lor este deplasat complet spre dreapta la temperaturi sub 2500 *C și respectiv sub 1500 *C.

În procesul de combustie , formarea CO nu are loc conform ecuației

C C = 2CO + 172 255 kJ/kat C

Concomitent cu reacțiile principlae se desfãșoara o serie de reacții secundare (oxidãri , disocieri, cracãri etc.) Deoarece în starea finalã a combustiei hidrocarburilor, pondere produșilor secundari (inclusiv a CO) este foarte micã, comparativ cu a celor rezultați din reacțiile principale, în calcule inginerești , primii pot fi neglijați.

Puterea caloricã a unui combustibil este cantitatea de cãldurã degajatã prin combustie , la presiunea normalã, a unitãții de masã, produsele de reacție (, S, N) fiind aduse la temperatura de referințã (15 *C). în funcție de starea de agregare a apei produse în combustie, se disting:

– putere caloricã superioarã ( la care se considerã cã apa rezultatã din combustie și umiditatea initițialã a combustibilului sînt condensate total

– puterea caloricã inferioarã () la care se considerã cã apa este in stare de vapori:

Table 6.20 Puterea caloricã , aerul necesar stoechiometric și produsele arderii

Rezultã cã – = r* în care r – cãldura latentã de vaporizare a apei în condiții normale (r = 2 501 kJ/kg), iar – cantitatea de apã rezultatã din arderea unitãții de masã de combustibil. La combustibilii uzuali, este mai mic cu 5-10% decît .

Puterea caloricã inferioarã (kJ/kg) se poate calcula cu bunã exactitate, apelînd la relațiile :

Pentru fracțiuni rezuale (pãcurã)

= ( + 24 300) (1 – S – a – z) + 9 420S – 2 449a

idrocarburi gazoase (alcani C1-C4)

= 44 023 + 4 269,5/

Pentru combustibili de orice naturã

= 33 915C + 103 000H + 10 885 (S – O) – 2 500a

Pentru determinãri mai exacte, așa cum se cer la ora actualã, puterea caloricã se stabilește experimental.

Cantitatea de aer necesar arderii

Arderea combustibililor în cuptoare se realizeazã cu aer (tehnic, se admite compoziția : 79% vol. și 21% vol. . Se prevede un exces de aer fațã de necesarul stoechiometric, cu scopul de a asigura arderea completã. Excesul de aer recomandat pentru combustibilul gazos este de 10-20%, iar pentru cel lichid de 20-30%; cu injectoare speciale se poate asigura arderea completã cu exces de 3-8%:

Excesul procentual de aer se definește prin:

Ex. Aer (%) = 100

Iar coeficientul de exces de aer prin:

α = = 1 +

Excesul de aer în exploatarea cuptoarelor poate fi stabilit pe baza datelor experimentale obținute prin analize de tip Orsat, care dau compoziția volumicã a gazelor de ardere. Notînd cu si CO procentele volum ale acestor componenți în gazele de coș, la temperatura ambiantã, excesul procentual de aer este dat de relația:

Ex. Aer (%) =

Excesul de aer este un parametru important în exploatarea cuptoarelor tubulare, el influențînd: arderea completã a combustibilului, fracția de cãldurã absorbitã în secția de radiație și randamentul termic al cuptorului (prin temperatura gazelor de ardere la baza coșului și prin cantitatea de gaze evacuate în atmosferã)

Produsele de ardere

Cunoscîndu se compoziția elementarã a combustibilului ( C, H, S, reprezentînd fracții masice), cantitatea fiecãrui component al produselor de ardere se calculeazã cu relațiile:

= (44/12) C = 3,76 C

= (18/2)H = 9 H

= + a + ab

(64/32) S = 2S

= (α-1) 0,232

= α 0,768

În care: a – umiditatea inițialã a combustibilului, kg/kg; ab – cantitatea de abur de pulverizare a combustibililor lichizi, uzual ab = 0,3 – 0,5 kg/kg comb.; – cantitatea de aer stoechiometric necesar.

Pentru arderea completã a unui kg de combustibil,

= (28,9/0,21)( + + ) (kg aer/kg)

fiind masa molarã a aerului.

practicã de aer necesar arderii, ținînd seama de excesul de aer, va fi:

= α

Bilanțul masic pe procesul de ardere, pentru un kg combustibil, dã cantitatea de gaze arse rezultate:

+ + + +

a lui se înscrie, pentru combustibili uzuali, în domeniul 17-22 kg/kg comb.; la același exces de aer, scade cu creșterea desnsitãții (masei molare) a combustibilului.

Temperatura de rouã (acidã) a gazelor de ardere

Prezența în gazele de ardere a și împreunã cu vaporii de apã prezintã inconvenientul da, prin rãcirea gazelor sub punctul de rouã sã se formeze un mediu coroziv, constînd din condensul în care sînt dizolvați componenții de mai sus. Acest mediu atacã suprafețele metalice (tuburi din partea rece a convecției, din preîncãlzitorul de aer și coșul de evacuare a gazelor).

Pentru evitarea acestei situații este necesar ca în zonele cele mai reci ale gazelor de ardere sã fie respectatã condiția ,

În cazul combustibilor lichizi de sulf, temperatura de rouã se înscrie în limitele 44*C (combustibil lichid cu 10% ms hidrogen, arzînd cu 30% exces de aer și pulverizat cu 0,3 kg abur/kg comb.) și 57*C (metan ars cu 20% exces de aer), temperaturi corespunzãtoare presiunii parțiale a vaporilor de apã în gazele de ardere.

Proporția de în gazelor de ardere creștere cu conținutul de sulf și de metale (vanadiul catalizeazã reacția de oxidare a la ) al combustibilului și excesul de aer arderii.

Conținutul în al gazelor de ardere poate fi determinat experimental sau poate fi apreciat, considerînd cã 5-10% din sulful conținutul în combustibil trece in

Pentru reducerea coroziunii sulfurice se recomandã micșorarea excesului de aer la valori ușor superioare celor necesare arderii complete la introducerea în combustibil a unor aditivi baici, prevederea de țevi din aliaje anticorozive în preînvãlzitorul de aer și utilizarea combustibililor cu conținut redus de sulf (0,5% ms). [2]

Calculul procesului de combustie. Compoziția elementarã a combustibilului:

c = 0,15+0,74

c = 0,877

h = 1 – c

h = 0,113

Se admite coeficientul cantitãții de aer = 1,25

Consumul de aer:

L== 0,605

S= 0,025

Se admite consumul de abur de pulverizare:

a= 0,35 Kg abur/Kg comb.

Cantitatea molarã de gaze de ardere:

n= = 0,073 Kmol/Kcomb.

= = 0,075 Kmol/Kcomb.

n= 0,79 * L= 0,477 Kmol/Kcomb.

n= 0,21 * = 0,025 Kmol/Kcomb.

= 0,6507 Kmol/Kcomb.

Cantitatea masicã de gaze de ardere:

3,212 Kg/Kcomb.

=1,35 Kg/Kcomb.

13,356 Kg/Kcomb.

= 0,8 Kg/Kcomb.

= 18,767 Kg/Kcomb.

Masa molarã medie a gazelor de ardere:

M = = 28,84 Kg/Kmol

Puterea calorică inferioară a combustibilului:

H= 40241,83 Kj/Kg

Bilanțul termic global al cuptorului . Căldura preluată de material primă în cuptor:

e = 0,25 (fracția masică a vaporizatului)

m=3,2*10*10Kg/8000h = 400000Kg/h

Relații pentru calcului entalpiilor specifice ale fracțiunilor petroliere:

[kJ/kg]

Entalpia țițeiului la intrare în cuptor (total lichid):

= 469,913 [kJ/kg]

Entalpia vaporizatului la ieșirea din cuptor:

=1050,732 [kJ/kg]

Densitatea ;ichidului residual:

Se admite și pentru lichidul residual K= 11.7

Entalpia lichidului residual la ieșirea din cuptor:

839,79 [kJ/kg]

=46,9568*[W]

Entalpia amestecului combustibil, cu aerul în condiții atmosferice:

[kJ/kb comb.]

Se admite 80C

Entalpia combustibilului se află cu relația anterioară a lui , fără factorul de corecție î n funcție de K (necunoscut).

= (2.964-1.332*v)80+(0.003074-0.001154* )[kJ/kg comb.]

=145,075[kJ/kb comb.]

=0,980

= L*175,873[kJ/kgcomb.]

Se amite t=10C

Se admite pentru pulverizare abur saturat saturat uscat cu presiunea absolută 5 bar.

=[kJ/kg comb.]

Pentru abur saturat uscat de 5 bar : i=2749 Kj/Kg

Latenta de vaporizare a paei la 0C = =2501 Kj/Kg

= 0.35(2749-2501)=86.8 [kJ/kg comb.]

Se admit pierderile de căldură ale cuptorului: în secția de radiație 3, în secția de convecție 1, în preîncălzitorul de aer 1, % din căldura introdusă și dezvoltată în cuptor (total 5%).

Se admite temperature gazelor de ardere la coș

Entalpia gazelor de ardere la această temperatură:

= 3637,76[kJ/kg comb.]

Randamentrul cuptorului:

= 0,9605

Debitul de combustibil:

B= 4329Kg/h

Debitul de aer utilizat

B=28.64*BL = 75533 [kg/h]

Debitul gazelor de ardere:

B= 4329*18,767 = 81242 [kg/h]

Debitul de abur de pulverizare:

[kg/h]

Bilanțul termic al cuptorului pe secții. Se admite temperature gazelor de ardere la intrarea în preîncălzitorul de aer : C

Entalpia gazelor de ardere la această temperatură:

= 7865[

Pierderile de căldură în preîncălzitorul de aer :

1759706Kj/h

Căldura repreluată de aer în preîncălzitor:

= 16,54*10 Kj/h

comb.]

Entalpia aerului preîncălzit:

[kJ/kg comb.]

Temperatura aerului preîncălzit:

=225C (Cp s-a luat la 230C )

Se admite temperature gazelor de ardere la trecerea din secția de radiație în secția de convecție (la prag):

Entalpia gazelor de ardere la această temperatură:

19886[kJ/kg comb.]

Pierderile de căldură în secția de convecție:

= 1759706 Kj/h

Căldura preluată de material primă în secția de convecție:

kJ/h= 13,47*[W]

Căldura preluată de material primă în secția de radiație:

[W]

Entalpia țițeiului la intrarea în radiație:

=771,25 Kj/Kg

Temperatura țițeiului la intrarea în radiație:

Entalpia amestecului combustibil corespunzătoare aerului preîncălzit :

=4227,8 Kj/Kgcomb.

Căldura totală introdusă și dezvoltată în focarul cuptorului:

Q=B(

Capitolul III – Dimensionarea secției de radiație

Dimensionarea secției de radiație. Se aleg tuburi cu =168 mm; și s=305 mm, atît pentru secția de radiație cît și pentru secția de convecție. Tuburile vor avea lungimea efectivă 14.2m și lungimea totală 14.8m (coturi exterioare). În radiație tuburile se plasează numai pe pereții laterali.

Debitul volumic de țiței rece (

Viteza țițeiului rece în tuburi, pentru două circuite:

3,8941m/s

Secția de radiație se dimensionează pentru o tensiune termică de 42000[W/

796,66[m]

Numărul de tuburi:

107/2=53,5

Recalcularea lui și

= 107 * 801,51 m

Se admite lățimea secției de radiație 4m.

Se admit în secția de convecție 6 tuburi pe șir, care ocupă lățimea:

Pentru o înclinare a umerilor secției de radiație de 45C, lungimea unui umăr este egală cu

Numărul de tuburi pe un umăr:

Numărul de tuburi pe un perete lateral:

Înăltimea peretelui lateral:

50*0,305=15,25m

Înăltimea secției de radiație:

15,25+1=16,25

Volumul secției de radiație:

V=(4*15,25+3)*14,2=908,8

Tensiunea volumetrică:

=58835[W/m]

Numărul de injectoare, cu capacitatea de 200 kg comb/h:

; pentru siguranță se iau 24 injectoare.

Injectoarele se plasează intercalate, pe două linii distanțate cu 0.6m. Distanța între două injectoare alăturate, de pe aceeași linie:

S==1,893m

Distanța dintre două injectoare alăturate, de pe linii diferite:

=1,12m

Tuburile se plasează cu axul la 1,4* de perete.

Distanța de la injectoare la fața tuburilor:

-(1,4+0,5)*0,168=1,38m

Verificarea tensiunii termice din secția de radiație. Se ia temperature medie în focar

Coeficientul de convecție din secția de radiație, dupa Lobo și Evans, are valoarea:

Numărul șirurilor de tuburi

Coeficientul relative de radiație , pentru un singur șir de tuburi plasat la pretem se calculează cu relația :

X=1- (arctg se exprimă în radiani)

X=0,70928

=0,91548

Coeficientul de radiație reciprocă rezultă din expresia:

F=

Coeficientul de emisie a gazelor se calculează cu relația

Gradul de ecranare are expresia:

Aria totală a pereților secției de radiație:

Aria echivalentă a ecranului (se neglijează prezența tuburilor din secția de convecție)

X=1-

Presiunile ale și se calculează pentru presiunea totală egală cu presiunea normală atmosferică.

0,11897 bar

= 0,11317 bar

+=0,23214 bar

Pentru dimensiunile relative ale secției de radiație:

l-H-L=4-15,5-14,2

se ia:

l=1,8*dimensiunea mica l=1,8*4 = 7,2m

0,5714

F=0,6264

Temperatura medie a materiei prime în secția de radiație:

t=223+321/2=272C

În serpentine din radiație are loc vaporizare și se poate admite temperature ecranului

=306C

Tensiunea termică in secția de radiație:

Capitolul IV – Dimensionarea sectiei de convecție

Dimensionarea secției de convecție. Secția de convecție are dimensiunile interioare: lungimea 14,2 și lățimea de 2m. tuburile utilizare au =168mm; =148mm și . Ele sînt așezate în triunghi echilateral și deci . Se plasează cite 6 tuburi pe șir și se utlizează două circuite în paralel. Tuburile au lungimea totală dreaptă 14.8m, coturile fiind exterioare.

Calculul coeficientului de transfer de căldură prin radiație gazelor de ardere:

X=2,32+1,37(*l)

Coeficientul de emisie a ecranului

TEmperatura medie agazelor de ardere în secția de convecție:

Temperatura medie a materiei prime în secția de convecție :

Temperatura medie a ecranului:

Grosimea medi a stratului de gaze:

l0,3983m

6,018

6,096

Calculul coeficientului de convecției pentru gazele de ardere se face cu relația:

Pentru mai mult de 10 șiruri de tuburi

Secțiunea minimă de curgere:

14,2(2-6*0,168)=14,086m

Viteza de masă a gazelor de ardere în secțiunea minimă:

=1,6021[Kg/ms]

La gazele de ardere au

Calculul coeficientului de transfer de căldură prin radiația pereților:

Coeficientulde emisie a pereților

Se presupune numărul șirurilor de tuburi 18.

809m

Înălțimea ocupată de fascicul:

H=5,184m

Coeficientul global de transfer de căldură:

Calculul diferenței medii de temperatură:

900380

223205

677 175

Diferența de temperatură pentru fluidul din interiorul tuburilor:

223-205=18C

Diferența de temperatură pentru fluidul din exteriorul tuburilor:

=900-380=520C

Diferența de temperatură la capătul rece al sistemului : 175C

Diferența de temperatură la capătul cald al sistemului : 677C

Aria de transfer de căldură necesară:

Numărul de șiruri de tuburi:

tuburi (s-a verificat presupunerea facuta)

Tensiunea termică în convecție:

Căderile de presiune pe circuitul materiei prime . Pentru a se stabili presiunea necesară a țițeiului la intrarea în cuptor, trebuiesc calculate: căderea de presiune a țițeiului în zona de vapoziare, căderea de presiune a țițeiului în zona de încălzire și diferența de presiune dinamică a țițeiului.

Calculul căderii de presiune a țițeiului în zona de vaporizare se face cu ajutorul relației lui Ludwig.

Lungimea echivalentă a serpentinei în care are loc vaporizarea:

Entalpia amestecului final:

Entalpia țițeiului la intrarea în radiației:

Lungimea echivalentă a serpentinei din secția de radiație, pentru un circuit:

L=53,5*14,8+53,5-0,148=1187,7

Se presupune presiunea la începutul zonei de vaporizare: p=22bar [6]

La această presiune, temperature inițială de vaporizare pe CVE este: [6]

Entalpia țițeiului total lichid la începutul zonei de vaporizare:

Pentru că vaporizarea începe în secția de radiație.

Relația de verificare a presiunii presupuse:

Presiunea la ieșirea din cuptoru .Se admite coeficientul de frecare: f=0.0205

Viteza de masă a țițeiului:

Densitatea amestecului la ieșirea din cuptor:

M=f(0,846 ; =321C)=640 [5]

Masă molară a vaporizatului:

M=f(0,830 ; =327C)=590 [5]

8,5

Densitatea țițeiului total lichid la intrarea în zona de vaporizare:

M=f(0,830 ; =327C)=590

32,8bar
Căderea de presiune în zona de vaporizare:

=32,8-3=29,8bar

Căderea de presiune a țițeiului în zona de încălzire:

Lungimea echivalentă a serpentinei din secția de radiație în care are loc încălzirea:

1187,7-573,14=614,56m

Lungimea echivalentă a serpentinei din secția de convecție pentru un circuit:

Lungimea echivalentă a serpentinei în care are loc încălzirea:

614,56+1250,8=1865,36m

Temperatura medie a țițeiului în zona de încălzire:

C

Densitatea țițeiului la această temperatură:

f(0,830; 263C)=645[Kg/m] [5]

Viteza medie a țițeiului:

=5,009m/s

v= f(K= 12;0,830 ; t=263C)=0,28*10[m/s] [5]

Re=

f=

14,79*10[N/m]=14,79[bar]

Diferența de presiune dinamică a țițeiului în cuptor se calculează cu metoda Lockhart-Martinelli:

Y

Paramentrul Lockhart-Martinelli:

X=(

Pentru țiței la intrare în cuptor:

f(0,830; t=205C)=710[kg/]

Densitatea lichidului la ieșirea din cuptor:

640[kg/]

Densitatea vaporilor la ieșirea din cuptor:

8,50[kg/]

Vîscozitatea lichidului la ieșirea din cuptor:

= f(K=12;0,846; t=321C)=0,34*10 [

=0,34*10*640=217,6*10[Kg/ms]

Vîscozitatea vaporilor la ieșirea din cuptor:

f(M=140; t=321C)=7,6*10[m/s]

X=(

Fracția volumică a lichidului la ieșire:

f(X=0.1161)=0.058 ; )

Viteza lichidului la ieșirea din cuptor:

Viteza vaporilor la ieșirea din cuptor:

157.29 m/s

Această viteză trebuie să fie mai mică decît viteza sunetului în condițiile corespunzătoare.

Diferența de presiune de poziție se neglijează.

Presiunea necesară a țițeiului la intrarea în cuptor:

3+17,98+14,79+1,12=36,89[bar]

Capitolul V – Dimensionarea preîncalzitorului de aer si a

generatoarelor de abur

Dimensionarea preîncălzitorului de aer. Se admit: lungimea preîncălzitorului 6m; lățimea preîncălzitorului 2m; tuburi cu și așezate în triunghi echilateral cu latura

Preîncălzitorul se realizează cu două pasuri pentru aer și cu circulația aerului transversală pe lungimea preîncălzitorului

Calculul diferenței medii de temperatură:

380175

22510

155 165

=

=380-175=205

=225-10=215

=380-10=370

=136,1C

Se presupune 12[W/m*]

Tensiunea termică 1633,2w/m

Aria de transfer de căldură necesară:

Numărul de tuburi pe un șir transversal pe direcția curgerii (pe lungimea de 6 m):

n=94

Numărul de șiruri de tuburi (pe lățimea de 2 m):

36

Numărul total de tuburi:

n*n’=94*36=3384

Lungimea tuburilor:

L=

În cele ce urmează, se vor calcula și pentru a se verifica presupus.

Calculul lui , pentru gazele de ardere care circulă prin interiorul tuburilor:

= +

Debitul volumic de gaze de ardere, la temperature medie:

V=

V=32,13

Secțiunea de curgere:

Viteza medie a gazelor de ardere:

Proprietăți fizice medii pentru gazelle de ardere la 228C

=0,03154;=21,83*10;Pr=06921

Re=11922

Nu=0.023R*(1-)=16,652

X=2.32+1.37()

Se admite temperature medie a ecranului:

Calculul lui pentru aerul care circulă prin spațiul intertubular.

Secția minimă de curgere:

Debitul volumic de aer la temperature medie și presiunea normală atmosferică:

V=24,414[m/s]

Viteza aerului :

Pentru așezare în triunghi C=0.33

Pentru un număr de șiruri mai mare decît 10, =1

Proprietăți fizice ale aerului la 136C și presiunea atmosferică:

Coeficientul global de transfer de căldura:

Pentru gaze de ardere =0,00172[m*C/W]

Pentru aer =0,00344[m*C/W]

Pentru oțel carbon la

(s-a presupus )

Verificarea temperaturii ecranului:

=(s-s presupus =154C)

Căderile de presiune pe circuitul gazeor de ardere. Tirajul necesar la baza coșului se obține prin însumarea tuturor căderior de presiune de pe circuitul gazelor de ardere, pînă la baza coșului.

Se admite căderea de presiune a gazelor de ardere, prin frecare, în secția de radiație:

Căderea de presiune cauzatăj de reducerea secțiunii de curgere, la trecerea din secția de radiație în secția de convecție:

Densitatea gazelor de ardere la t=900C

=0,29888Kg/m

Viteza gazelor de ardere în secțiunea finală:

Căderea de presiune cauzată de frecare, în secția de convecție:

Densitatea gazelor de ardere, în secția de convecție:

Căderea de presiune cauzată de reducerea secțiunii de curgere, la trecerea din secție de convecție în țevile preîncălzitorului:

Densitatea gazelor de ardere la 380C:

Căderea de presiune prin frecare în țevile preîncălzitorului:

Re=11922; w=11,44m/s; L=6,315; 0,700Kg/m

Pentru Re10;

Căderea de presiune cauzată de mărirea secțiunii de curgere la ieșirea din țevile preîncălzitorului:

Densitatea gazelor de ardere la 175C:

Viteza gazelor de ardere în tuburile preîncălzitorului, la ieșire:

Căderea de presiune cauzată de reducerea secțiunii de curgere, la intrarea în coș:

12m

Debitul volumic de gaze de ardere

V

Se admite diametrul interior al coșului

Viteza gazelor de ardere în cos:

(acceptabilă)

Căderea de presiune cauzată de registrul de gaze de ardere:

(w-viteza gazelor de ardere în coș)

Se admite x=0.6 (fracția secțiunii libere)

Înainte de a se calcula diferențele de presiune statică, se stabilesc cotele spațiilor libere caracteristice:

distanța de la sol pînă la podeaua secției de radiație 2,8m;

distanța de la partea superioară a radiației pînă la fasciculul de tuburi din convecție 0.6m;

distanța de la fasciculul convecției pînă la spațiul de racordare convecție=preîncălzitor 0.4m;

înălțimea spațiului de racordare convecție-preîncălzitor, pentru un unghi de 30*:

distanța de la tuburile preîncălzitorului pînă la spațiul de racordare preîncălzitor-coș 0.4m;

înălțimea spațiului de racordare preîncălzitor-coș, pentru un unghi de 30:

Diferența de presiune statică în secția de radiație :

Densitatea aerului atmospheric la 10C

Înălțimea secției de radiației:

H=15,25+1=16,25m

Temperatura medie în focar 940C

Densitatea gazelor de ardere la această temperatură:

Diferența de presiune statică de convecție se calculează asemănător

H=0,6+5,184+0,4=6,184

ρρ

Diferența de presiune statică în preîncălzitor, inclusiv cele două spații de racordare:

H=2,367+6,315+0,4+1,299=10,381m

Tirajul necesar la baza coșului:

Calculul circuitului de aer. Se stabilesc diametrele și lungimile tubulaturii de aer și se calculează căderile de presiune pe circuitul de aer și puterea consumată de ventilator.

Căderea de presiune pe conducta de aer rece dintre ventilator și preîncălzitor.

Lungimea tronsonului vertical al conductei:

(2,8-1,5)+15,25+1+0,6+5,184+,04+2,367+3/4*6,315=30,83m

Lungimea tronsonului orizontal al conductei 3m.

Lungimea totală a conducetei 3m

Debitul volumic de aer rece

Se admite w=12m/s

Diametrul interior al conductei:

1,339m

Lungimea echivalentă a conductei (un cot de 90)

=33,83+50*1,339=100,78m

Pentru aer la 10C: =14,16*

Secțiunea preîncălzitorului alimentată cu aer are lungimea 6m și înălțimea 6,315/2=3,157m. Se admit, pentru o mai bună repartizare a aerului, trei întrări, fiecare alimentînd o secțiune de 2*3,157. Cutia de distribuție este alimentată de conducta unică de aer rece și distribuie aerul de trei conducte. Pentru ca viteza de ieșiere să fie egală cu viteza de intrare, aceste conducte vor avea diametrul interior:

0,773m

Ele pot fi cuplate la preîncălzitor prin trunchiuri de con.

Căderea de presiune în cutia de distribuție

( este viteza medie intre intrare șsi ieșire;A-secția conductei unice de intrare;A- totală a conductei de ieșire).

=12m/s;

Căderea de presiune cauzată de mărirea secțiunii de curgere la intrarea în preîncălzitor:

Căderea de presiune la trecerea dublă peste fasciculul de tuburi.

Pentru așezarea în triunghi echilateral și

Numărul total de șiruri de tuburi

La temperature medie a aerului (136C)

=3,803/s; Re=5785

Căderea de presiune la întoarcerea de 180 din preîncălzitor:

;C=2

Debitul volumic de aer V=24,414[m/s]

Se ia lățimea cutiei de întoarcere 0,4m

= 10,172m/s

Se admite viteza în conducta de aer cald 12m/s

Temperatura aerului preîncălzit 225C

Densitatea aerului la această temperatuă:

Debitul volumic de aer preîncălzit:

V=27,291

Diametrul interior al conductei de aer cald:

Ieșirea aerului din preîncălzitor se face pe treci conducte, care se cuplează printr-o cutie colectoare la conducta unică de aer cald.

Diametrul interior al celor 3 conducte de evacuare se stabilește tot pentru

Căderea de presiune cauzată de reducerea secțiunii de curgere la ieșirea din preîncălzitor:

Secțiunea preîncălzitorului

Secțiunea interioară a celor 3 conducte:

Căderea de presiune in cutia colectoare de aer cald:

; =12m/s;

Căderea de presiune pe conducta de aer cald.

Lungimea tronsonului vertical al conductei:

1+15,25+1+0,6+5,984+0,4+2,367+1/4*6,315=27,379m

Lungimea tronsoanelor orizontale ale conductei:

2*3=6m

Lungimea totală a conductei:

6+27,379=33,379m

Lungimea echivalentă a conductei(două coturi de 90)

Pentru aer la 225C

=38,55*10[m/s]

Re==4,1525*10

Legătura între conducta unică de aer cald și cutia de aer de sub arzătoare se face printr-o cutie de distribuție cu patru ieșiri. Diametrul acestor conducte de ieșire, pentru w=12m/s, este:

Căderea de presiune în cutia de distribuție:

Căderea de presiune la intrarea în cutia de aer de sub arzătoare:

Căderea de presiune totală pe circuitul de aer:

Pentru calculul puterii consummate de ventilator se ia

Puterea consumată de ventilatorul de aer:

P=

Capitolul VI – Dimensionarea Cosului

Verificarea coșului. Din calculele anterioare, se poate constata că, lăsîndu-se deschis registrul de gaze, nu este necesar coșul pentru a se asigura circulația gazelor de ardere. Din motive de securitate, s-a impus ca evacuare gazelor de ardere în atmosferă să se facă la cota 85m față de sol.

Cota bazei coșului are valoare:

2,8+16,25+6,184+10,381=35,615m

Înălțimea necesară a coșului:

H=85-35,615=49,385m

Tirajul realizat de coș:

Se presupune o cădere de temperatură a gazelor de ardere in coș de 14C, deci temperatura la vîrful coșului

Densitatea gazelor de ardere la vîrful coșului:

Viteza gazelor de ardere la vîrful coșului:

Temperatura medie a gazelor de ardere în coș:

Densitatea gazelor de ardere la această temperatură:

Voteza medie a gazelor de ardere în coș:

Vîscozotatea gazelor de ardere la

20,56*10Kg/ms

Acest tiraj realizat de coș fiind mai mare decît tirajul necesar, se poate reduce deschiderea registrului de gaze de ardere pentru a se majora tirajul necesar. Calculul deschiderii necesare a registrului de gaze de ardere:

Căderea de presiune pe care trebuie să o realizeze registrul:

X=0,6525

În cele ce urmează se verifică temperature de la vîrful coșului, presupusă.

Căldura pierdută prin peretele coșului:

Coșul este construit din tablă de oțel cu grosimea de 12mm.

Aria exterioară a coșului:

Coeficientul global de transfer de căldură:

Pentru oțel carbon se ia 43W/mC

Coeficienții parțiali de transfer de căldură au expresiile:

Calculul coeficientului de convecție forțată pentru gazele de ardere.

Gazele de ardere au 168C:

Calculul coeficientului de transfer de căldură prin radiația gazelor de ardere

L=0.9*

Se presupune

Calculul coeficientului de convecție liberă pentru aer, cu relația simplificată:

Temperatura peretelui la exterior:

Calculul coeficientului de transfer de căldură prin radiația peretelui:

7,5188

= 15,5108

Verificarea temperaturilor :

Căldura pierdută de gazele de ardere în coș:

Entalpia gazelor de ardere la vîrful coșului :

Temperatura gazelor de ardere la vârful coșului

=168C(fata de 161C)