Устройство и принцип работы трубчатых печей

Трубчатые печи – это цилиндрическая конструкция с вращающимся барабаном и непрерывным циклом работы. Используется не только для термической обработки металла, но и для разогрева и технологической обработки сыпучих веществ. Первая конструкция предназначалась именно для обработки цементного клинкера.

Корпус агрегата – это цилиндрическая основа, изготовленная из жаропрочной стали. Внутренняя поверхность защищена слоем футеровки. Максимальный диаметр – 5000 мм, а длина может достигать 200 м.

Устройство

Конструкция таких устройств аналогична со всеми нагревательными агрегатами, отличие только в цилиндрической форме топочного отсека. Для монтажа и изготовления печи понадобится:

• для промышленной установки необходим отдельный фундамент, в его конструкции учитывается высокий уровень нагрева поверхностей. Лабораторные аппараты в такой конструкции не нуждаются,
• наружный корпус агрегата. Это главная деталь, которая воспринимает нагрузку слоя футеровки, загружаемых деталей, различных устройств управления. Каркас собран на опорной раме, каждая стойка которой закреплена с помощью анкеров к основанию печи. Отдельные части корпуса соединяются с помощью ферм и шарниров, которые равномерно распределяют нагрузку от высоких температур и массы печи,
• слой футеровки из огнеупорного шамотного кирпича, предохраняющий наружный корпус от высокого уровня нагрева и сохраняющий тепло в рабочем отсеке. На промышленных установках наружный слой футеровки закрывают теплоизоляционными листовыми материалами. Блоки слоя с маркировкой «А», «Б», «В» должны выдерживать температуру нагрева соответственно 17300, 16700, 15800. Для современных промышленных агрегатов допускается использование жаростойкого пенобетона,
• устройство, отвечающее за уровень производительности агрегата – технологический змеевик. Его изготавливают из толстостенной горячекатаной бесшовной трубы. Это обусловлено условиями его работы в агрессивной среде с высоким уровнем нагрева. Горизонтальную конструкцию теплообменника крепят на кронштейнах или подвесах к основному каркасу печи. Вертикальная конвекционная конструкция заводится в специальные направляющие, где трубы заведены в отдельные отверстия,
• нагревательные элементы предназначены для быстрого набора температуры в рабочей камере. Промышленные печи оснащаются разными видами горелок, работающими на газу или жидком топливе. Основная задача равномерное и быстрое распределение тепла по всей площади печи,
• в качестве устройства, способствующего снижению потерь тепла, промышленные трубчатые агрегаты оснащаются утилизаторами тепловой энергии. Они нагревают поступающий воздух до температуры в 3000, благодаря чему значительно увеличивается производительность агрегата,
• блок управления и безопасности. Используются различные термодатчики, которые управляют работой печи и препятствуют возникновению аварийных ситуаций,
• система отвода отработанных газов в атмосферу по дымовой трубе, которая обеспечивает подачу кислорода в топку и выводит продукты горения.

Принцип работы

Основная работа таких устройств разбита на 2 этапа:

1. При сгорании топлива образующийся газ собирается в главном секторе топочного отсека. Выделяется большое количество тепла, и дым постепенно вытесняется в полость теплообменника с конвекционными трубами. Постепенно остывая, он вытесняется нагретым воздухом. Температура доводится до заданного уровня.
2. В конвекционные трубы снизу поступает холодный воздух, затем проходя по нагретым пучкам трубопроводных экранов, он разогревается до максимальной температуры и поддерживает оптимальный и заданный уровень нагрева трубчатой камеры печи. Детали проходят термическую обработку в несколько этапов и после окончания работы агрегата выдвигаются на тележке или другом виде оборудования.

Температура может постепенно понижаться в период перерыва в нагреве, все зависит от операции по обработке изделий, а детали остывая, получают определенные свойства и структуру. За работой печей следит автоматика с системой термодатчиков.

Самодельные конструкции потребуют от домашнего мастера контроля за процессами на глазок. Качество деталей после обработки должно соответствовать ГОСТу и основным характеристикам.

Классификация

Трубчатые печи подразделяются по нескольким свойствам:

• теплотехническим,
• технологическим,
• конструкционным.

Разберем классификацию по этим подгруппам подробнее.

Теплотехнические свойства оборудования

В этой категории печи классифицируются:

1. По уровню полезной тепловой нагрузки: с большим уровнем нагрева, средним, малым.

1. По показателям температуры нагрева: высокотемпературная, низкотемпературная.

1. Методам передачи тепла деталям.

Классификация	Краткое описание оборудования
Конвективные	Самая испытанная конструкция, но в современных агрегатах такой принцип не используется. Исключение – оборудование для нагревания материалов с помощью температуры нагретого газа в теплообменнике.
Радиантные	Все конвекционные трубы проходят по стенам камеры сгорания топлива, и вещество разогревается до более высокого уровня. Площадь рабочей камеры в таких устройствах увеличена. Особое значение отдается именно камере сгорания, а не конвекционной системе трубопроводов. Радиантные агрегаты экономичны при производстве и в процессе работы.
Радиантно – конвективные	Эти смешанные устройства позволяют использовать температуру нагрева от прямого сгорания топлива и от поступающего горячего воздуха из системы конвекции. Такая схема используется во всех современных моделях.

Технологические свойства

По этим признакам, трубчатые агрегаты подразделяются:

1. Производительность оборудования: с большой мощностью, средней, маломощные печи.

1. Давление: атмосферные печи, вакуумные, с подачей воздуха под высоким давлением.

1. Назначение. Подразделены на нагревательные, которые предназначены для разогрева, обработки и испарения влаги и других материалов. Вторая категория – реакционные. Они предназначены для разогрева материалов до уровня плавления и изменения их свойств после обработки высокими температурами.

Конструкционные свойства

Признак	Классификация
Форма корпуса	Выпускаются нескольких форм: коробчатая ширококамерная, коробчатая с узкой камерой, кольцевая, секционная, с наклоненным сводом печи.
Количество камер радиации	С одной или двумя камерами сгорания газов и многокамерные агрегаты.
Положение трубчатого змеевика	Выпускаются с горизонтальным, вертикальным или винтовым положением этого устройства.
Расположение трубок в пучке	С шахматным или коридорным порядком установки труб.
Способ сжигания поступающего топлива	С факельным или беспламенным горением топлива в топке.
Способ подвода тепловой энергии к экрану	С одной или с двух сторон экрана.
Расположение форсунок	С боковым или подовым положением горелок.
Место установки конвекционных камер нагрева газов	Их можно устанавливать по боковым стенкам или непосредственно в центре топки. А по отношению в радиантным камерам – верхним, нижним, боковым или центральным.
Топливо	С газовыми горелками, с форсунками, работающими на жидком топливе и смешанные.

Трубчатые печи нефтеперерабатывающей промышленности могут подразделяться еще по целому ряду характеристик, но это уже информация для энергетиков.

Особенности эксплуатации

Весь цикл работы таких печей разбит на выполнение нескольких основных операций. Рассмотрим каждую подробнее.

Проверка и пуск оборудования

Контроль и поддержание заданного режима работы печи

Этапы работы	Описание выполняемых операций
Эта операция разбита на несколько этапов: после завершения работ по монтажу проводятся гидравлические испытание системы трубопроводов, проводится предварительная сушка футеровки, проверка уровня тяги, системы управления и аварийного отключения подачи топлива. Шиберная заслонка должна быть полностью открытой, из топливной системы сливается возможный конденсат и проверяется ее готовность к работе, проверка насосов и регулировка потоков воздуха, подача топлива и зажигание пламени горелок. Контроль за работой форсунок и равномерном обогреве рабочей камеры.
В этом вопросе важно обеспечить постепенный набор температуры в камере по 300 за час и распределить поток воздуха в конвекционной системе. Для этого может понадобиться потушить или запалить пламя в дополнительных форсунках. Температура доведена до заданного уровня, теперь в дело вступает автоматика, но контролировать ее работу все равно потребуется. Для этого через смотровые лючки контролируется величина и форма факела, за возможной деформацией отдельных трубок, состоянием слоя футеровки. Остановка работы агрегата	При аварийной ситуации работа прерывается автоматически или ручным способом. Полностью перекрывается поступление топлива. Для нормального выключения потребуется выполнить ряд работ: постепенно понижается температура в камере и конвекционной системе. Для этого уменьшается подача газа, и отключаются несколько горелок или форсунок. Все время, пока температура в печи не понизится до 600 , по трубам поступает сырье, которое отводится по отдельным каналам, температура опустилась до минимального уровня, на канале сырья выходящего из печи устанавливается насос и из рабочего змеевика откачивается обрабатываемый материал, при понижении уровня давления вещества в змеевик подается водяной пар и в течение нескольких часов проводится зачистка труб рабочего змеевика. При выполнении всех работ обязательно проведение инструктажа по ТБ и обязательное соблюдение всех правил по обслуживанию опасной установки.

Производители

Купить такое оборудование лучше у официальных дилеров или заказать прямую поставку от завода изготовителя. Не советуем обращаться к непроверенным продавцам, предлагающих дорогостоящую технику в полцены, такая покупка может обернуться напрасной тратой денег.

Приведем несколько компаний производителей, одних из лидеров рынка такого оборудования:

• питерская компания «Nabertherm» выпускает компактную технику для лабораторий и домашних мастерских, являющуюся оптимальным решением по соотношению цены и качества,
• компания «Borel» производит прочные и производительные агрегаты для различных областей применения,
• печи для специальных исследований от фирмы «THERMCONCEPT Dr. Fischer GmbH Co. KG» из Германии. Официальный дистрибьютор – компания «THERMCONCEPT» осуществит подбор, доставку и монтаж промышленного оборудования,
• универсальная трубчатая печь «SNOL 0,3/1250» как и вся техника этого производителя выполняет целый спектр термической обработки материалов в лабораторных и промышленных масштабах.

Вывод

Сфера применения трубчатых печей достаточно широкая – от проведения исследования качеств и свойств материала в небольшой научной лаборатории до использования в обработке нефти на нефтеперегонных предприятиях. Такая техника будет работать с высокой производительностью и уровнем КПД при правильном подборе и покупки качественной трубчатой печи у дистрибьюторов компании изготовителя техники.

Трубчатые печи для отопления

Трубчатая печь — высокотемпературное термотехнологическое устройство с рабочей камерой, огражденной от окружающей атмосферы. Печь предназначена для нагрева углеводородного сырья теплоносителем, а также для нагрева и осуществления химических реакций за счет тепла выделенного при сжигании топлива непосредственно в этом аппарате. Трубчатые печи используются при необходимости нагрева среды (углеводородов) до температур более высоких, чем те, которых можно достичь с помощью пара, т. е. примерно свыше 230 °С. Несмотря на сравнительно большие первоначальные затраты, стоимость тепла, отданного среде при правильно спроектированной печи, дешевле, чем при всех других способах нагрева до высоких температур.

В качестве топлива могут применяться продукты отходов различных процессов,в результате чего не только используется тепло, получаемое при ихсжигании, но часто устраняются и затруднения, связанные с обезвреживанием этих отходов.Трубчатые печи получили широкое распространение в нефтехимической промышленности, где их используют для высокотемпературного нагрева и реакционных превращений жидких и газообразных нефтепродуктов (пиролиза, крекинга). Нашли они применение и в химической промышленности. Трубчатая печь относится к аппаратам непрерывного действия с наружным огневым обогревом. Впервые трубчатые печи предложены русскими инженерами В. Г. Шуховым и С. П. Гавриловым. Сначала печи использовались на промыслах для деэмульгирования нефтей.

Современная печь представляет собой синхронно работающий печной комплекс, т. е. упорядоченную совокупность, состоящую из непосредственно печи, средств обеспечения печного процесса, а также систем автоматизированного регулирования и управления печным процессом и средствами его обеспечеия. Несмотря на большое многообразие типов и конструкций трубчатых печей, общими и основными элементами для них являются рабочая камера (радиация, конвекция), трубчатый змеевик, огнеупорная футеровка, оборудование u1076 для сжигания топлива (горелки), дымоход, дымовая труба (рис. 2.70).

Печь работает следующим образом. Мазут или газ сжигается с помощью горелок, расположенных на стенах или поду камеры радиации. Газы сгорания из камеры радиации поступают в камеру конвекции, направляются в дымоход и по дымовой трубе уходят в атмосферу. Продукт одним или несколькими потоками поступает в трубы конвективного змеевика, проходит трубы экранов камеры радиации и нагретый до необходимой температуры, выходит из печи. Тепловое воздействие на исходные материалы в рабочей камерепечи, является одним из основных технологических приемов, ведущихк получению заданных целевых продуктов. Главной частью трубчатой печи является радиационная секция, которая одновременно является и камерой сгорания. Передача тепла в радиационной секции осуществляется преимущественно излучением, вследствие высоких температур газов в этойчасти печи. Тепло, переданное в этой секции конвекцией, является только небольшой частью от общего количества переданного тепла, т. к. скорость газов, движущихся вокруг труб, большей частью определяется только местной разностью удельных весов газов, и передача тепла естественной конвекцией незначительна.

Продукты сгорания топлива являются первичным и главным источником тепла, поглощаемого в радиационной секции трубчатых печей. Тепло, выделившееся при горении, поглощается трубами радиационной секции, создающими так называемую поглощающую поверхность. Поверхность футеровки радиационной секции создает так называемую отражающую поверхность, которая(теоретически) не поглощает тепла, переданного ей газовой средой печи,а только излучением передает егона трубчатый змеевик, (рис. 2.71)60…80 % всего используемого тепла в печи передается в камере радиации, остальное — в конвективнойсекции. Температура газов, выходящих из радиационной секции, обычно достаточно высока, и тепло этих газов можно использовать далеев конвективной части печи. Камера конвекции служит u1076 для использования физического тепла продуктов сгорания, выходящих из радиационной секции обычнос температурой 700…900 °С. В камере конвекции тепло к сырью передается в основном конвекцией и частично излучением трехатомныхкомпонентов дымовых газов.Величина конвективной секции, как правило, подбирается с такимрасчетом, чтобы температура продуктов сгорания, выходящих в боров,была почти на 150 °С выше, чем температура нагреваемых веществ привходе в печь. Поэтому тепловая нагрузка труб в конвективной секциименьше, чем в радиационной, что обусловлено низким коэффициентомтеплоотдачи со стороны дымовых газов. С внешней стороны иногдаэти трубы снабжаются добавочной поверхностью – поперечными илипродольными ребрами, шипами и т. п.Нагреваемое углеводородное сырье проходит последовательно сначала по змеевикам камеры конвекции, а затем направляется в змеевики камеры радиации. При таком противоточном движении сырья и продуктов сгорания топлива наиболее полно используется тепло, полученное при его сжигании.

Рассмотрим классификацию трубчатых печей.

Классификация печей — это упорядоченное разделение их в логической последовательности и соподчинении на основе признаков содержания на классы, виды, типы и фиксирование закономерных связеймежду ними с целью определения точного места в классификационнойсистеме, которое указывает на их свойства.Она служит средством кодирования, хранения и поиска информации, содержащейся в ней, дает возможность распространенения обобщенного опыта, полученного теорией и промышленной практикойэксплуатации печей, в виде готовых блоков, комплексных типовыхрешений и рекомендаций для разработки оптимальных конструкций печей и условий осуществления в них термотехнологических и теплотехнических процессов.

Главными и естественными по степени существенности основаниями для классификации печей в логической последовательности являются следующие признаки :

По технологическому назначению различают печи нагревательныеи реакционно-нагревательные.

В первом случае целью является нагрев сырья до заданной температуры. Это большая группа печей, применяемых в качестве нагревателейсырья, характеризуется высокой производительностью и умеренными температурами нагрева (300…500 °С) углеводородных сред (установкиАТ, АВТ, ГФУ).Во втором случае кроме нагрева в определенных участках трубногозмеевика обеспечиваются условия для протекания направленной реакции.Эта группа печей многих нефтехимических производств одновременно с нагревом и перегревом сырья используется в качестве реакторов. Их рабочие условия отличаются параметрами высокотемпературного процесса деструкции углеводородного сырья и невысокоймассовой скоростью (установки пиролиза, конверсии углеводородныхгазов и др.).

По способу передачи тепла нагреваемому продукту печи подразделяются:

Конвективные печи — это один из старейших типов печей. Они являются как бы переходными от нефтеперегонных установок к печамрадиационно-конвективного типа.Практически в настоящее время эти печи не применяются, так как посравнению с печами радиационными или радиационно-конвективнымиони требуют больше затрат как на их строительство, так и во времяэксплуатации. Исключение составляют только специальные случаи,когда необходимо нагревать чувствительные к температуре веществасравнительно холодными дымовыми газами.Печь состоит из двух основных частей — камеры сгорания и трубчатого пространства, которые отделены друг от друга стеной, так чтотрубы не подвергаются прямому воздействию пламени и большая частьтепла передается нагреваемому веществу путем конвекции.Чтобы предотвратить прожог первых рядов труб, куда поступаютсильно нагретые дымовые газы из камеры сгорания, и чтобы коэффициент теплоотдачи удерживался в пределах, приемлемых u1087 по технико-экономическим соображениям, при сжигании используется значительныйизбыток воздуха или 1,5…4-кратнаярециркуляция остывших дымовыхгазов, отводимых из трубчатого

пространства и нагнетаемых воздуходувкой снова в камеру сгорания.Одна из конструкций конвективной печи показана на рис. 2.72.Дымовые газы проходят черезтрубчатое пространство сверхувниз. По мере падения температурыгазов соответственно равномерноуменьшается поперечное сечениетрубчатого пространства, при этомсохраняется постоянная объемнаяскорость продуктов сгорания.

В радиационной печи все трубы, через которые проходит нагреваемое вещество, помещены на стенах камеры сгорания. Поэтому у радиационных печей камера сгорания значительно больше, чем у конвективных.Все трубы подвергаются прямому воздействию газообразной среды,которая имеет высокую температуру. Этим достигается:а) уменьшение общей площади теплоотдачи печи, так как количествотепла, отданного единице площади труб, путем радиации при одинаковой температуре среды (особенно при высоких температурах этой

среды), значительно больше, чем количество тепла, которое можнопередать путем конвекции;

б) хорошая сохранность футеровки за трубчатыми змеевиками, благодаря тому что снижается ее температура, во-первых, за счет прямогозакрытия части ее трубами, во-вторых, за счет отдачи тепла излучением футеровкой более холодным трубам.Обычно нецелесообразно закрывать все стены и свод трубами, таккак этим ограничивается теплоизлучение открытых поверхностей,а в результате уменьшается общее количество тепла, отдаваемого единицей площади труб.Например, у современных типов кубовых печей отношение эффективной открытой поверхности к общей внутренней поверхности печиколеблется в пределах 0,2…0,5.Чисто радиационные печи из-за простоты конструкции и большойтепловой нагрузки труб имеют самые низкие капитальные u1079 затраты наединицу переданного тепла. Однако они не дают возможности использовать тепло продуктов сгорания, как это имеет место y радиационноконвективньгх печей. Поэтому радиационные печи работают с меньшей

тепловой эффективностью.Радиационные печи применяются при нагреве веществ до низкихтемператур (приблизительно до 300 °С), при небольшом их количестве,при необходимости использования малоценных дешевых топлив и в техслучаях, когда особое значение придается низким затратам на сооружение печи.

Радиационно-конвективная печь (рис. 2.73) имеет две отделенныедруг от друга секции: радиационную и конвективную.Большая часть используемого тепла передается в радиационнойсекции (обычно 60…80 % всего использованного тепла), остальное –в конвективной секции.Конвективная секция служит для использования физического тепла продуктов сгорания, выходящих из радиационной секции обычнос температурой 700…900 °С, при экономически приемлемой температуре нагрева 350…500 °С (соответственно температуре перегонки).

Величина конвективной секции, как правило, подбирается с такимрасчетом, чтобы температура продуктов сгорания, выходящих в боров,была почти на 150 °С выше, чем температура нагреваемых веществ привходе в печь. Поэтому тепловая нагрузка труб в конвективной секциименьше, чем в радиационной, что обусловлено низким коэффициентомтеплоотдачи со стороны дымовых газов.С внешней стороны иногда эти трубы снабжаются добавочной поверхностью – поперечными или продольными ребрами, шипами и т. п.Почти все печи, эксплуатируемые в настоящее время на нефтеперерабатывающих заводах, являются радиационно-конвекционными.В печах такого типа трубные змеевики размещены и в конвекционнойи в радиантной камерах.

По конструктивному оформлению трубчатые печи классифицируются:

а) коробчатые ширококамерные, узкокамерные б) цилиндрически;в) кольцевые;г) секционные;

— по числу камер радиации:а) однокамерные;б) двухкамерные;в) многокамерные;

— по расположению трубного змеевика:а) горизонтальное;б) вертикальное;

— по расположению горелок:а) боковое;б) подовое;

а) на жидком топливе (Ж);б) на газообразном топливе (Г);в) на жидком и газообразном топливе (Ж+Г);— по способу сжигания топлива:

а) факельное;б) беспламенное сжигание;

— по расположению дымовой трубы:а) вне трубчатой печи;б) над камерой конвекции;

— по направлению движения дымовых газов:

а) с восходящим потоком газов;б) с нисходящим потоком газов; в) с вертикальным потоком газов; г) с горизонтальным потоком газов.