Исследование влияния состава топлива на радиационный теплоперенос в радиантной камере трубчатых печей

Серия 4. Химическое машиностроение и инженерная экология подтвердил работоспособность предлагаемого алгоритма.

Заключение

Предлагаемый в работе подход позволяет синтезировать систему управления, близкую к термодинамически совершенной. Такая система обеспечивает минимизацию диссипации энергии в среднем за время процесса при гарантированной и заданной интенсивности теплового потока. Практическое применение таких систем особенно актуально для объектов с распределенными параметрами, отличающихся большой энергоемкостью.

Литература

1. Кунце В. Технология солода и пива. - СПб: Издательство Профессия, 2008. - 1200 с.

2. Математические методы термодинамики при конечном времени/ В.А. Миронова, С.А. Амелькин, A.M. Цирлин. - М.: Химия, 2000. 384 с.

3. Цирлин A.M. Методы оптимизации в необратимой термодинамике и макроэкономике. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 416 с.

4. Техническая термодинамика. Учебник для вузов / под ред. В.И.Крутова. М.: Высшая школа. 1981. - 438 с.

5. В.К. Андреев, Ю.А. Гапоненко, О.Н.Гончарова, В.В. Пухначев. Современные математические модели конвекции. - М.: Физматлит, 2008. - 368 с.

6. Гетлинг A.B. Конвекция Рэлея-Бенара. Структуры и динамика. - М.: Эдиториал. УРСС, 1999. - 248 с.

7. Кротов В.Ф., Гурман В. И. Методы и задачи оптимального управления. - М.: Наука, 1973. -448 с.

8. Энергосберегающий алгоритм оптимального управления температурой брожения пива (термодинамический подход). / А.Ю. Артюшкин, В.И. Карпов, A.B. Татаринов // Известия вузов. Пищевая технология. - 2010. - № 4. - с. 103-106.

Исследование влияния состава топлива на радиационный теплоперенос в радиантной камере трубчатых печей

Веткин A.B., д.т.н. проф. Сурис АЛ.

Университет машиностроения 8(499) 267-12-10, avetkin@mail.ru

Аннотация. Выполнены численные исследования, на основании которых предложены зависимости, позволяющие оценить влияние состава газообразного топлива, характеристик горелочных устройств, наружной температуры труб и размеров радиантной камеры трубчатых печей нефтеперерабатывающих заводов на радиационный теплоперенос в камере сгорания при переводе печи с природного газа на газообразное топливо другого состава.

Ключевые слова: трубчатая печь, состав топлива, коэффициент ослабления луча, степень черноты, радиационный теплоперенос. В последнее время в трубчатых печах нефтеперерабатывающих заводов во многих случаях используется газообразное топливо, состав которого существенно отличается от состава природного газа. Это связано с необходимостью использования отходящих горючих газов от различных установок. Эти газы могут содержать большое количество тяжёлых алканов, непредельные углеводороды, азот. Кроме того, в некоторых случаях топливный газ трубчатых печей может содержать очень высокую концентрацию водорода (иногда - выше 90 %). В этой связи представляет интерес исследовать влияние изменения состава топлива на характеристики печей, спроектированных для работы на природном газе.

В настоящей работе представлены результаты исследований воздействия состава топ-

Серия 4. Химическое машиностроение и инженерная экология лива, метода его сжигания, наружной температуры труб и размеров радиантной камеры на свойства продуктов горения и радиационный теплообмен в печах разного размера.

Численное исследование проводилось как для сжигания топлив, состоящих лишь из одного компонента (СН4, С2Н6, С3Н8, С4Ню, Н2), так и для их смесей, а также смесей, включающих непредельные углеводороды (С2Н4, С3Н6) и азот. На некоторых заводах концентрация непредельных углеводородов может доходить до 40%, а концентрация азота - до 10%.

Изменение состава топлива влияет на его теплотворную способность, температуру горения, на концентрацию излучающих газов в продуктах горения (водяного пара, диоксида углерода, оксидов серы), а также на излучательные характеристики факела, который может содержать также сажевые частицы.

В настоящее время всё большее применение находят горелки, позволяющие осуществлять ступенчатое сжигание топлива, включающее зоны диффузионного горения с высокой концентрацией сажевых частиц, оказывающих существенное влияние на теплообмен излучением в радиантной камере трубчатых печей. Использование таких горелок позволяет снизить концентрацию оксидов азота в продуктах горения. Влияние факела, содержащего сажевые частицы, на радиационный теплообмен в камере сгорания определяется размером факела и концентрацией этих частиц. При численном исследовании теплопереноса в камерах сгорания это влияние учитывается специальным коэффициентом т.

Представляет также интерес оценить влияние различных составов топлива, имеющих одно и то же соотношение СН= ЫС/ЫН чисел атомов углерода (ЫС) и водорода (ЫН). При одинаковых СН для одних и тех же коэффициентов избытка воздуха состав продуктов горения один и тот же, но теплотворная способность топлива разного состава и, соответственно, теоретическая температура горения различны, что, в свою очередь, влияет как на степень черноты продуктов, так и на теплоперенос в целом.

При исследовании соотношение СН в топливе варьировалось в диапазоне от 0,25 до 0,4, что отвечает составам топлив, использующихся в настоящее время на нефтеперерабатывающих заводах.

Численное исследование проводилось для коэффициента избытка воздуха а, равного 1,15, что соответствует требованиям стандартов, регламентирующих работу трубчатых печей нефтеперерабатывающих заводов.

Температура продуктов горения в радиантной части печи неравномерна. Наибольшее возможное значение этой температуры соответствует адиабатической температуре (Тт), рассчитываемой в предположении отсутствия теплообмена и диссоциации продуктов горения. Эта величина обычно используется при определении некоторой эффективной температуры (Тэ), рассчитываемой с учётом температуры на выходе камеры сгорания (Тр).

Температура Тр является функцией различных параметров и должна определяться с учётом теплообмена в печи, т.е. зависит от величины тепловоспринимающей поверхности. Нами выполнены численные исследования для различных величин Тэ с использованием разных значений Тр, а также с учётом процессов диссоциации продуктов горения.

В настоящей работе приведены результаты исследований, полученные при использовании в качестве эффективной температуры продуктов горения адиабатической температуры Тт, что позволяет быстро оценить влияние состава газообразного топлива, характеристик горелочных устройств и размеров радиантной камеры трубчатых печей нефтеперерабатывающих заводов на радиационный теплоперенос в камере сгорания при переводе печи с природного газа на газообразное топливо другого состава.

Оценка влияния состава топлива на теплопередачу в радиантной части печи проводилась с использованием следующего критерия:

дг

Кг (СН, £, Тэ, т, Тст ) =

Ягсн4 (а25, £, Тэ, т Тст )'

Серия 4. Химическое машиностроение и инженерная экология

где дг (СИ, £, Тэ, т, Тст) - удельный (на единицу поверхности) радиационный теплоперенос

при сжигании топлива с соотношением чисел атомов углерода и водорода в горючих компонентах, равным СН;

дгсн (0.25, £, Тэ, т, ТСТ) - удельный (на единицу поверхности) радиационный теплоперенос при сжигании метана (СН=0,25);

£ - средняя длина пути луча в радиантной камере печи; Тст - температура наружных стенок труб печи;

т - коэффициент, учитывающий относительное заполнение топочного объёма светящимся сажистым пламенем.

Средняя длина пути луча в камере сгорания печи 8 варьировалась в процессе исследований в диапазоне 2 - 5 м. Температура наружных стенок труб печи варьировалась в диапазоне 250 - 500 °С.

Коэффициент т изменялся от 0 до 0,3. При т=0 предполагается беспламенное сжигание топлива, когда отсутствуют сажевые частицы. Значения т, отличные от 0, учитывают частичное заполнение топочного объёма светящимся сажистым пламенем, что характерно для горелок с частично диффузионным горением, позволяющим снизить концентрацию оксидов азота.

Радиантная камера печи предполагается полностью экранированной тепловосприни-мающими трубами. Удельный радиационный теплоперенос от продуктов горения к стенкам камеры сгорания может быть определён следующим образом [1]:

дг(СИ, £,Тэ,т,Тст)=а^^ к СИ, £,Тэ,т)Тэ4 -а8(СИ,£,Тэ,т)Тс4Т],

где аС - степень черноты поверхности труб, а - постоянная Стефана - Больцмана, (СИ, £, Тэ, т) и (СИ, £, Тэ,т) - интегральные значения степени черноты и поглоща-тельной способности газа при соответствующих абсолютных температурах газа и поверхно-

Следует отметить, что адиабатическая температура Тт является функцией СИ . Для определения интегральных значений степени черноты продуктов горения с учётом излучения сажевых частиц использовалась нижеследующая методика, рекомендованная в нормативном методе теплового расчёта котельных агрегатов [2]. Степень черноты дымовых газов:

а = та^у + (1 -т)а ,

где:

- степень черноты светящейся части пламени: а^ = 1 - е ксьр£,

- коэффициент ослабления лучей светящейся части пламени (м  МПа)1: ксЬ = + кс

, -кр£

- степень черноты несветящеися части пламени: ая = 1 - е г ,

- коэффициент ослабления лучей трехатомными газами:

( \

Т

к, =

7,8 + 16Гиг0 _ 1

1 - 0,37-

э

1000

X'

- коэффициент ослабления лучей сажистыми частицами:

кс = 0,3

3 - 0,5

СИ,

1000

где а - коэффициент избытка воздуха, гИо0 и ^ г - доля водяных паров и суммарная доля

Серия 4. Химическое машиностроение и инженерная экология трёхатомных газов в продуктах сгорания, p - давление в радиантной части печи, которое принималось равным 0,1 МПа.

На основании численных исследований для величины Kr(CH, S,ТЭ, m, tCT) получены

следующие зависимости:

- для беспламенного сжигания топлива (m=0; отсутствуют сажевые частицы):

Kr = [(1,139 + 2,034-10"6-tcT) - (7,847-10-4 - 1,186-10-(Чст) S] - [(0,522 + 1,356-10-(Чст) -

(9,658-10-3 - 4,407-10"6-tcT) S] CH

- для сжигания топлива, учитывающего частичное заполнение топочного объёма светящимся сажистым пламенем (m^0):

Kr = [(1,004 - 2,255m) - (3,322-10-5 + 1,118-10-4m) -tCT] + [(3,333-10-4 + 0,155m) + (6,78-10-6 -

1,017-10-5m) -tCT]-S + [((-0,033 + 8,11m) + (1,209-10-4 + 4,135-10-4m) -tCT) - (0,47m + (1,164-10-5

+ 1,015-10-5m) -tcr) 'S] CH

Эти зависимости позволяют оценить влияние состава газообразного топлива (CH = 0,25 ^ 0,4), характеристик горелочных устройств (m=0^0.3), наружной температуры труб (tCT = 250 ^ 500 °С) и размеров радиантной камеры трубчатых печей (S=2^5 м) нефтеперерабатывающих заводов на радиационный теплоперенос в камере сгорания при переводе печи с природного газа на газообразное топливо другого состава. Они могут также использоваться и для других камер сгорания, работающих в том же диапазоне исследованных параметров (CH , m, S, tCT).

Литература

1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача.- М-Л: «Энергия», 1965.

2. Тепловой расчёт котельных агрегатов (Нормативный метод). Под ред. Н.В. Кузнецова и др., -М.: «Энергия», 1973.

Исследование процесса очистки ливневых сточных вод от нефтепродуктов

Галиева Ю.Р., д.т.н. проф. Сурис АЛ.

Университет машиностроения 8(499) 267-12-10, galieva.julia89@gmail.com

Аннотация. Выполнено исследование установки для очистки ливневых сточных вод от нефтепродуктов. Определены степени очистки при различных исходных концентрациях нефтепродуктов. Получены эмпирические зависимости для степеней очистки на отдельных ступенях установки и проведён статистический анализ.

Ключевые слова: ливневые сточные воды, улътрафилътрация, степень очистки, регрессионный анализ. Процесс очистки сточных вод является важным элементом защиты окружающей среды. На многих предприятиях существенной проблемой является наличие нефтепродуктов в ливневых сточных водах. Предельно допустимая концентрация по нефтепродуктам на сброс очищенных сточных вод жестко регулируется и составляет для ПДК в воде водных объектов рыбохозяйственного назначения (ПДК РХ) 0,05 мг/л.

Концентрация нефтепродуктов и других загрязняющих веществ на выходе из соответствующей ступени очистки (С) и степень очистки (у=1-С/Ср) зависят от используемого обо-