Dimensionarea unui Cuptor Tubular

CAPITOLUL I

I.1. Cuptoarele tubulare

Cuptoarele tubulare sunt aparate (utilaje) existente în instalaţiile tehnologice din rafinării şi combinate petrochimice, în care, prin ardere de combustibil, se obţin gaze de ardere cu temperatură ridicată, care transmit căldură materiei prime care circulă prin tuburi. Căldura absorbită de materia primă poate servi la încălzire, la încălzire plus vaporizare sau la realizarea unor reacţii endotermice. În unele cazuri aceste procese sunt simultane şi necesită temperaturi ridicate.

În general cuptoarele conţin o secţie de radiaţie, care este focarul ecranat cu tuburi al cuptorului şi în care modul principal de transfer de căldură este radiaţia, şi o secţie de convecţie, în care gazele de ardere circulă transversal pe un fascicul de tuburi, modul principal de transfer de căldură fiind convecţia.

Există numeroase tipuri constructive de cuptoare tubulare. Dintre tipurile mai vechi, sunt de remarcat cuptoarele tubulare paralelipipedice orizontale, cu arzătoare orizontale, cu o secţie de radiaţie şi o secţie de convecţie sau cu două secţii de radiaţie şi o secţie de convecţie comună (cu tavan orizontal, sau înclinat cu 300) şi cu canal de fum pentru legătura cu baza coşului.

La cuptoarele paralelipipedice orizontale, injectoarele (arzătoarele) pot fi plasate pe peretele frontal, sau eventual pe cei doi pereţi laterali. În secţia de radiaţie tuburile se plasează la perete pe un singur şir. Cele mai solicitate tuburi, din punct de vedere termic, sunt cele din radiaţie de deasupra pragului, unde viteza gazelor de ardere este relativ mare. La cuptoarele cu tavan înclinat, tuburile de pe plafon au o solicitare termică mai uniformă, pentru că tuburile de deasupra pragului, fiind mai îndepărtate de flacără, primesc mai puţină căldură prin radiaţie. Prezenţa canalului de fum şi circulaţia descendentă a gazelor de ardere în secţia de convecţie măresc căderea de presiune pe circuitul gazelor de ardere (dezavantaj).

Cuptoarele au fundaţie, schelet metalic şi suporturi pentru susţinerea tuburilor. Pereţii cuptorului se compun obişnuit dintr-un strat de cărămidă refractară, rezistentă la temperaturi ridicate, la interior, un strat izolator termic şi un strat de cărămidă obişnuită la exterior. [2]

Zidăria cuptorului are rolul de a transmite căldura, prin radiaţie, tuburilor şi de a izola termic aparatul. Peretele cuptorului este construit din mai multe straturi, formate uzual din: torcret, cărămidă refractară (şamotă, magnezită, alumină, crom-magnezită), cărămidă termoizolatoare şi vată minerală sau de sticlă. Alegerea torcretului şi a cărămizii refractare pentru construcţia unui cuptor este dictată de temperatură peretelui şi de greutatea construcţiei cuptorului. Grosimea stratului de izolaţie este determinată de temperatura peretelui şi de nivelul pierderilor de căldură prin pereţi, admise în dimensionarea cuptorului. Liantul dintre cărămizi are rol de etanşare şi de rigidizare. [3]

La cuptoarele mai vechi, legătura dintre tuburi se realizează prin coturi demontabile, pentru a se putea îndepărta stratul de cocs depus în tuburi pe cale mecanică, prin turbinare. În prezent se utilizează coturi sudate, iar decocsarea se face prin circulaţie de abur şi de aer. [2]

Figura I.1. Cuptorul tubular de tip paralelipipedic:

A – zona (camera) de ardere; R – zona (camera) de radiaţie; C – zona (camera) de convecţie; PA – zona (camera) preîncălzitorului de aer; 1 – mantaua (carcasa) metalică exterioară; 2 – stâlpii (picioarele) metalice de susţinere, betonate antifoc; 3 – vatra (pardoseala) cuptorului; 4- pereţii structuraţi (cu carcase metalice) ai cuptorului; 5 – bolta cuptorului; 6-sistemul constructive termoizolant şi termoprotector (sistem torcretat); 7 – serpentina tubulară; 8 – ecranul de radiaţie; 9 – tubulatura convecţiei; 10 – tubulatura preîncălzitorului de aer; 11 – conducta de intrare a mediului tehnologic; 12 –c otul racordării serpentinelor de radiaţie şi de convecţie; 13 – conducta de ieşire a mediului tehnologic; 14 – arzătoarele; 15 – coşul; 16 –registrul de coş; 17 – rozetele pentru reglarea debitului de aer; 18 – ventilatorul sau suflanta; 19 – tubulatura de aer preîncălzit; 20 – conducta de gaze combustibile; 21 – robinetul pentru reglarea debitului de gaze combustibile; 22 – conducta de abur din reţeaua înăbuşirii (dămfuirii exteriorului cuptorului; 23 – idem pentru zona de ardere a cuptorului; 24 – ibidem pentru coşul cuptorului; 25 – gura de vizitare; 26 – gura de explozie; 27 – gurile de control (inspecţie); 28 – termocuplul montat pe tubulatura ecranului de radiaţie; 29 – termocuplul plasat în zona de radiaţie; 30 – termocuplul plasat în zona de convecţie; 31 – termocuplul plasat în zona preîncălzitorului de aer la coş). [4]

Majoritatea tipurilor de cuptoare tubulare utilizate în prezent sunt cuptoare paralelipipedice verticale sau cilindrice verticale, cu arzătoare verticale plasate în podea (flacără ascendentă) şi, pe cât posibil, numai cu circulaţie ascendentă a gazelor de ardere.

Cuptoarele paralelipipedice se întâlnesc în special în instalaţiile de distilare atmosferică, de distilare în vid şi de cocsare şi au capacităţi (sarcini) termice brute (căldura dezvoltată prin arderea combustibilului în unitatea de timp de ordinul (70 300)•106 [kJ/h].

Din căldura total absorbită într-un cuptor, în secţia de radiaţie se absorb 60-85% (din care 75-90% prin radiaţie şi 10-25 prin convecţie), iar în secţia de convecţie 15-40% (din care 50-60% prin convecţie, 30-40% prin radiaţia gazelor şi 5-15% prin radiaţia pereţilor). [2]

I.2. Calculul termic şi hidraulic al cuptoarelor tubulare

Prin temperaturile ridicate ale gazelor de combustie în camera de radiaţie, care permit încălzirea, vaporizarea şi reacţia unor fluide până la temperaturi de 8500C, şi prin debite mari de căldură dezvoltată, cuptorul tubular este principalul aparat de incălzire dintr-un sistem tehnologic. În acelaşi timp este principalul consumator de energie primară (75-80% din consumul total al sistemului tehnologic).

Procesele fizice şi chimice care sunt suportate de materia primă şi concurenţa celor trei mecanisme de transfer de căldură, însoţite de transferul de masă şi de impuls, asociate cu procesele chimice de ardere, conferă acestui aparat caracterul unui reactor deosebit de complex. Calculul lui tehnologic (termic şi hidraulic) – având un grad de complexitate ridicat – cere acurateţe, dată fiind importanţa deosebită a acestui aparat din punctul de vedere economic, al siguranţei şi securităţii în exploatare.