CC BY
62
1. Горицкий В.М. Диагностика металлов. М.: Металлургиз-дат, 2004. 408 с.
2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990. 528 с.
3. Арзамасов Б.Н., Крашенинников А.И.. Пастухова Ж.П., Рахштадт А.Г. Научные основы материаловедения. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1994. 368 с.
4. Бокштейн С.З. Строение и свойства металлических сплавов. М.: Металлургия, 1971. 495 с.
5. Лившиц Б.Г. Металлография. М.: Металлургия, 1971.
ский список
408 с.
6. Сорокин В.Г., Волосникова А.В. [и др.]. Марочник сталей и сплавов / под общ. ред. В.Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. 640 с.
7. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1986. 480 с.
8. Арзамасов Б.Н., Брострем В.А. [и др.]. Конструкционные материалы: справочник / под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Машиностроение,1990. 688 с.
УДК 66.041
ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ТРУБЧАТЫХ ПЕЧЕЙ. I. УМЕНЬШЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ОРЕБРЕНИЯ ТРУБ
С.Ю. Ляшонок1, А.В. Книжник2, С.Г. Дьячкова3
1,3Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 1,2ОАО «ИркутскНИИхиммаш», 664074, г. Иркутск, ул. Курчатова, 3.
На основе оптимизации конструкции печи найдена корреляция между параметрами работы печи и изменениями конструкции и числом ребер змеевика. Проведена серия расчетов для определения последствий уменьшения поверхности оребрения и способов возможной компенсации изменением рабочих параметров. Получены данные о минимальной площади оребрения, обеспечивающей необходимую теплопередачу. Ил. 4. Табл. 2. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: трубчатая печь; ребристая труба; теплопередача; трубчатый змеевик высокого давления; тепловой режим.
OPTIMIZATION OF TUBULAR FURNACE DESIGN. REDUCTION OF PIPE FINNING SURFACE S.Y. Lyashonok, A.V. Knizhnik, S.G. Dyachkova
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074. Branch of "IrkutskNIIhimmash" pic, 3, Kurchatov St., Irkutsk, 664074.
On the basis of furnace design optimization the authors found a correlation between furnace operation parameters, design changes and a number of coil pipe fins. They performed a series of calculations in order to determine the consequences of the finning surface reduction and ways of possible compensation by changing of working parameters. The data on the minimum finning area that provides necessary heat transfer are obtained. 4 figures. 2 table. 5 sources.
Key words: tubular furnace; ribbed (finned) pipe; heat transfer; tubular high pressure coil pipe; thermal regime.
Трубчатые печи конвективного типа с оребрённы-ми трубами, используемые в производстве масел на ОАО «Ангарская нефтехимическая компания», были спроектированы в 60-е годы прошлого века. Управление работой печи осуществляется вручную. Вместе с тем, к настоящему времени внедрение новых технологий и современные требования к качеству нефтепродуктов вносят коррективы в сырьевые и технологические режимы работы печей. Основное достоинство используемых на ОАО «АНХК» печей в том, что они
имеют большой запас прочности, могут работать в большом диапазоне нагрузок и температур. Поэтому данное оборудование более целесообразно модернизировать, а не проектировать заново [5].
В качестве объекта исследований нами была выбрана печь конвективного типа, в камере сгорания которой установлены газовые горелки, радиантная секция отсутствует. В конвективную секцию дымовые газы поступают из камеры сгорания. В целях экономии тепла на горелки подается воздух, подогретый в воз-
1Ляшонок Сергей Юрьевич, аспирант, инженер-технолог, тел. 89016405698, e-mail: ximik235@yandex.ru Lyashonok Sergey, Postgraduate, Engineer-Technologist, tel.: 89016405698, e-mail: ximik235@yandex.ru
2Книжник Алексей Владимирович, кандидат химических наук, зав. сектором моделирования, тел. 89646527061, e-mail: a.knizhnik@himmash.irk.ru
Knizhnik Aleksei, Candidate of Chemistry, Head of the Sector of Modeling, tel.: 89646527061, e-mail: a.knizhnik @ himmash.irk.ru
3Дъячкова Светлана Георгиевна, доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой химической технологии, тел. (3952) 405120 ,e-mail: cmf_dean@istu.edu
Dyachkova Svetlana, Doctor of Chemistry, Professor, Head of the Department of Chemical Technology, tel.: (3952) 405120, e-mail: cmf_dean@istu.edu
духоподогревателе. К дымовым газам подмешиваются дымовые газы рециркуляции для снижения температуры газов, подаваемых в секцию конвекции. В конвективной секции расположен змеевик, состоящий из 18 оребрённых труб диаметром 159 мм и толщиной стенки 28 мм, выполненный из стали 20Х3НВФ (рис. 1). Давление в трубном пространстве 320 МПа. Ребра выполнены из пластин листовой стали 20Х3НВФ толщиной 4 мм с шагом оребрения 14 мм. Крепление ребер к трубам из такой стали с помощью сварки - трудоемкая и дорогостоящая операция. Кроме того, при малом шаге оребрения трудно обеспечить контроль качества сварных швов, которые являются потенциальными источникам развития трещин, что негативно сказывается на сроке службы труб.
Расчетная нагрузка по сырью рассматриваемой печи составляет 28 м3/ч, однако в настоящее время печь эксплуатируется при нагрузке 17 м3/ч. В связи с этим становится актуальной задача понижения металлоемкости печи и упрощения процесса её эксплуатации. Данную задачу можно решить, уменьшив количество ребер змеевика при сохранении режима теплообмена.
Основное уравнение зависимости количества переданной теплоты от поверхности теплообмена ¥, коэффициента теплопередачи К и температурного
Рис. 1. Фрагмент оребренной трубы
Для исследования возможности сокращения числа рёбер в работе выполнены расчёты на определение необходимой поверхности теплообмена при различных нагрузках [1]. Проведена серия расчётов для определения последствий уменьшения поверхности ореберения и способов возможной компенсации изменением рабочих параметров [2]. Использование имеющихся программных продуктов не позволяет учесть специфические особенности печи. Поэтому для оптимизации печи был применен расчёт в программе Excel, позволяющей «с нуля» выполнить расчёт и внести в него любые коррективы [3, с. 87-88]. Параметры оптимального режима были получены на основе серии расчетов, выполненных при варьировании: избытка воздуха, количества топлива и загрязнения внутренней поверхности труб коксом.
Нами был проведён поверочный расчёт, результаты которого хорошо коррелируют с данными отчётов предприятия (табл., столбец 2).
напора тср [4]
е=к■ ¥-тср .
Из уравнения видно, что при уменьшении поверхности теплообмена понизится количество переданного тепла (табл., столбец 3). Поэтому уменьшение поверхности теплообмена необходимо скомпенсировать изменением режимов работы печи. В частности, необходимо увеличить температурный напор или коэффициент теплопередачи. Для повышения температурного напора необходимо увеличить температуру дыма на входе в конвективную секцию. Это можно обеспечить, снизив избыток воздуха. Максимально допустимая температура дымовых газов ограничена условиями прочности змеевика и составляет 650 °С. Температура дыма, обеспечивающая температурный напор, позволяющий уменьшить поверхность теплообмена на 10%, равна 620°С, при избытке 4,3 (табл., столбец 4). Дальнейшее уменьшение избытка воздуха ещё больше увеличит температуру и повысит риск прогара труб, так как температура непостоянна и изменяется в пределах 10°С. При повышении температуры необходимо увеличить количество газов рециркуляции для снижения температуры дымовых газов, при этом температурный напор увеличится на 11 °С по сравнению с исходным вариантом, что позволит уменьшить поверхность оребрения на 10 % (рис. 2).
Увеличение количества дыма рецикла приведет к увеличению его температуры на выходе, к снижению температуры газов на входе в камеру конвекции и к некоторому росту коэффициента теплопередачи. Так как дым рецикла имеет температуру 270°С, он будет вносить больше тепла в конвективную секцию, чем избыточный воздух, увеличивая КПД печи. Общее количество дыма таково, что при нагреве газосырьевой смеси на 90°С, дым остывает примерно на 260 °С (от 595 °С до 334°С). Температура, до которой остынут дымовые газы, при передаче постоянного количества тепла пропорциональна массе дыма: 0 = ср ■ т ■ - .
Если увеличить количество дымовых газов на 40%, то температура уходящих дымовых газов возрастет примерно на 20°С по сравнению с исходным вариантом и составит 334 °С. Средний температурный напор возрастёт на 11 °С и составит 127°С (табл., столбец 5). Это позволит передать то же количество тепла на поверхности, меньшей на 9 %, без учёта теп-лопотерь и загрязнений поверхности.
Вместе с тем, если не оснастить управление процессом работы печи контрольно-измерительными приборами и аппаратурой (КИПиА), при изменённых условиях работы (например, нагрузки) она может работать нестабильно.
Уменьшить поверхность оребрения до 65% от исходной площади можно за счёт разбавления дымовых газов газами рециркуляции при избытке воздуха 1,5 (табл., столбец 6). Такое ограничение по избытку было сделано для максимальной интенсификации горения. Минимальная поверхность теплообмена составит 1360 м2. При такой поверхности теплообмена становится возможным использовать стандартные трубы с ленточным оребрением. Использующиеся дымососы позволяют перекачивать необходимое количество дыма, поэтому ограничений в их мощности не просматривается.
Дальнейшее повышение эффективности работы печи возможно при установке воздухоподогревателя (рис. 3). Он нагреет входящий воздух до температуры 510 °С, если соотношение дыма рециркуляции и све-
жего воздуха, подаваемого на горелку, будет 6:1. При этом необходимая поверхность теплообмена уменьшится до 15% от имеющихся на данный момент.
Однако при этом дымососу придётся перегонять 54 т/ч дыма, необходимого для разбавления дымовых газов до рабочей температуры, что не является допустимым вариантом. Поэтому целесообразнее уменьшить количество подаваемого топлива на 32% (с 615 до 415 м3/ч) (рис. 3). При этом температура воздуха в воздухоподогревателе станет 325°С.
Это позволит уменьшить количество дыма рециркуляции до 21 т/ч и уменьшит поверхность теплообмена до 65% от исходного значения. При этом возможно использовать стандартные трубы с ленточным оребрением, которые намного дешевле, проще и качественнее в изготовлении.
Параметры работы печи
Параметр Режим
Действующий Снижение площади оребрения на 20% Снижение площади оребрения на 10 % и повышение температуры дыма на 25 °С Снижение площади оребрения на 10%, повышение температуры дымовых газов и компенсация температуры дымом рецикла Оптимизированный вариант с использованием воздухоподогревателя
Поверхность ребристых труб,% 100 80 90 90 65
Тепло, передаваемое сырью, % 100 90 100 100 100
Температура дымовых газов, на входе в конвективную секцию, ¿дым Л t. , °с т ' 595 595 620 595 595
Температура дымовых газов, на выходе из конвективной секции, , дым hut .°С 315 341 350 334 364
Температура сырья на входе в печь, ¿сырье in ' ° 269 269 269 269 269
Температура сырья на выходе из печи, .сырье out • ° 359 350 359 359 359
Средний температурный напор, Т, °С 116 143 136 127 172
Количество дыма рецикла, кг/ч 5411 5411 5411 7089 21790
Топливный газ, м'/ч 615 615 615 615 415
Избыток 4,58 4,58 4,3 4,2 1,5
— — температура воздуха 400,00
■ Температурный напор
Поверхность 3000,00
2500,00 £
Ш Е О
о
2000,00 1 ^
но
1500,00 I
X
а
СП
о
1000,00 * л :
а>
>
щ
500,00 S 0,00
Избыток воздуха
Рис. 4. Зависимость поверхности теплообмена, температуры воздуха, подаваемого на горелку, и среднего температурного напора от избытка воздуха при количестве топлива 415 м3/ч
Необходимо подчеркнуть, что при любом сокращении поверхности теплообмена печь станет более чувствительной к изменению параметров её работы, поэтому необходимо оснастить её приборами КИПиА.
Таким образом, нами показано, что основными способами уменьшения поверхности теплообмена при
сохранении необходимой теплопередачи и заданной нагрузки являются снижение избытка воздуха и увеличение количества дымовых газов рециркуляции (при достаточной мощности дымососов). Это позволит модернизировать трубчатую печь, сократить производственные затраты и металлоемкость за счет удаления
до 40% поверхности оребрения при использовании стандартных труб.
Выполненные исследования позволяют разработать комплекс мероприятий по улучшению технологических параметров работы трубчатых печей, снизить риски и ограничения, связанные с их эксплуатацией.
Результаты работы могут быть использованы в проектных материалах технического перевооружения и реконструкции предприятий.
Авторы искренне благодарят генерального директора ОАО «ИркутскНИИхиммаш» д.т.н. Кузнецова А.М. за участие в работе и поддержку.
Библиографический список
1. Тепловой расчёт котлов. Нормативный метод. СПб.: НПО ЦКТИ, 1998. 259 с.
2. Котишек Я. Трубчатые печи в химической промышленности. Л., 1963. 148 с.
3. Ляшонок С.Ю., Книжник А.Н., Ищук Н.А., Новицкий Е.А., Дьячкова С.Г. Исследования, проектирование, изготовление, стандартизация и техническая диагностика оборудования и трубопроводов, работающих под давлением // Перспективы развития технологии, экологии и автоматизации химических,
пищевых и металлургических производств: материалы науч.-практ. конф. Иркутск, 2011.
4. Скобло А.И. Процессы и аппараты нефтегазопеработки и нефтехимии. М.: Недра, 2005. 678 с.
5. Книжник А.В., Книжник А.Н., Марченко М.А. Перспективы развития технологии углеводородных, растительных и минеральных ресурсов // Оптимизация трубчатой печи установки № 209 ОАО «АНХК»: материалы науч.-техн. конф. Иркутск, 2011.
УДК 669.713.7
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭФФЕКТА КОАНДЫ ДЛЯ СЕПАРАЦИИ ЦЕЛЕВОЙ ФРАКЦИИ МИКРОЧАСТИЦ КВАРЦА
И.А. Сысоев1, В.В. Кондратьев2, А.Э. Ржечицкий3
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Выполнен патентный поиск и литературный обзор различных типов конструкций пылеуловителей и классификаторов. Создан прототип лабораторного сепаратора на основе эффекта Коанда для выделения целевой фракции из общего пылевого потока. Представлены результаты экспериментальных исследований лабораторного сепаратора по выделению целевой фракции кварцевых частиц. Ил. 3. Табл. 1. Библиогр.4 назв.
Ключевые слова: кварц; эффект Коанда; сепарация; классификация; пылеулавливание; обеспыливание.
STUDY OF COANDA EFFECT APPLICATION FOR THE SEPARATION OF THE TARGET FRACTION
OF QUARTZ MICROPARTICLES
I.A. Sysoev, V.V. Kondratyev, A.E. Rzhechitsky
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
A patent search and literature review of various types of designs of dust collectors and classifiers are performed. A prototype of the laboratory separator is created on the basis of Coanda effect in order to separate the target fraction from the total dust flow. The results of experimental studies of the laboratory separator on the removal of the target fraction of quartz particles are presented. 3 figures. 1 table. 4 sources.
Key words: quartz; Coanda effect; separation; classification; dust catching; dust removal.
В настоящее время значительная часть технологических процессов связана с дроблением, измельчением, классификацией и транспортированием сыпучих материалов. При этом неизбежно часть материалов образует пыль и переходит в аэрозольное состояние. Этим обусловлено множество различных типов кон-
струкций аппаратов для пылеулавливания или сепарации (классификации) фракций необходимого гранулометрического состава. При всем многообразии оборудование может быть классифицировано по ряду признаков: по назначению, по основному способу действия, по эффективности, по конструктивным особен-
1Сысоев Иван Алексеевич, кандидат технических наук, зам. начальника управления научной деятельности, (3952) 405769, e-mail: ivansys@istu.edu
Sysoev Ivan, Candidate of technical sciences, Deputy Head of the Department for Research, (3952) 405769, e-mail: ivansys@istu.edu
2Кондратьев Виктор Викторович, кандидат технических наук, начальник отдела инновационных технологий Физико-технического института, тел.: 89025687702, e-mail: kvv@istu.edu
Kondratyev Victor, Candidate of technical sciences, Head of the Department of Innovative Technologies of Physico-Technical Institute, tel.: 89025687702, e-mail: kvv@istu.edu
3Ржечицкий Александр Эдвардович, ведущий специалист (3952) 252151. Rzhechitsky Alexander, Leading Specialist, tel.: (3952) 252151.
