Optimální uspořádání trubkového hadu v ohřevné trubkové peci radiačního typu

Optimum Arrangement of Tube Coil in Radiation Type of Tubular Furnace

journal article - other

en

Radiation tubular furnace type is the simplest tubular furnace. Tube coil is placed around the wall inside vertical cylindrical radiant (combustion) chamber. Coil can be solved as classical vertical type (i.e. vertical straight tubes connected to 180 degree elbow) or as spiral type for minimisation of fluid pressure drop. Tube coil arrangement dominantly influences thermal-hydraulics characteristics of furnace and its economy. Presented method is based on standard long time used design methods (Lobo-Evans method, Belokon method). It is shown, how these standard global design methods can be (for common-operating conditions) suitable generalised and simplified. It allows (for purpose of optimum design of coil arrangement) to arrange the basic heat transfer equation for radiant chamber. In connection with investment cost relations for individual furnace subsystems (tube coil, burners, lining, etc.) and operating cost relations (fuel consumption, fluid pumping cost) can be obtained final objective function of total cost. This objective function then allows finding the optimum coil arrangement from minimum total cost point of view. Moreover, obtained results allow formulating some general recommendations suitable for furnace designers. Developed method can be used for individual solution of radiation type of tubular furnaces and also for first (preliminary) design stage usually connected with proposal for customer when only basic process and furnace design data are usually known. Developed method can be also used for effective solution of integration of radiation furnaces into processes. Application of the developed method is demonstrated through a case study – optimum arrangement of coil in gas plant regeneration furnace.

Radiační typ trubkové pece je nejjednodušším konstrukčním řešením trubkové pece. Trukbový had je umístěn okolo vyzívky uvnitř vertikální válcové radiační (spalovací) komory. Trubkový had může být řešen jako klasický vertikální typ (t.j. vertikální přímé trubky propojené 180 stupňovými koleny) nebo jako šroubovicový typ pro minimalizace tlakových ztrát ohřívaného média. Uspořádání trubkového hadu dominantním způsobem ovlivňuje tepelně-hydraulické charakteristiky pece a tím její hospodárnost. Presentovaná metoda je založena na standardních dlouhodobě používaných návrhových metodách (Lobo-Evansova metoda, Bělokoňova metoda). Je ukázáno, jak lze tyto standardní blobální výpočtové metody (pro běžné provozní podmínky) vhodně zobecnit a zjednodušit. To umožňuje (pro účely optimálního návrhu uspořádání trubkového hadu) upravit základní rovnici sdílení tepla v radiařní komoře. Propojením rovnice se vztahy pro investiční náklady na jednotlivé pecní subsystémy (trubkový had, hořáky, vyzdívka, atd.) a se vztahy pro provozní náklady (spotřeba paliva, provoz dopravních čerpadel) lze obdržet finální tvar účelové funkce ve formě celkových nákladů. Tato účelová funkce pak umožňuje nalezení optimálního provedení trubkového hadu pro dosažení minimálních celkových nákladů. Obdržené výsledky navíc umožňují formulovat některá všeobecná doporučení užitečná pro projektanty pecí. Vyvinutá metoda může být použita pro individuální řešení trubkových pecí radiačního typu a také pro první (předběžný) návrh pece obvykle spojený s nabídkovým řízením pro zákazníka, kdy jsou obvykle k dispozici pouze základní konstrukční a procesní data pro ohřevnou pec. Vyvinutá metoda může být také použita pro efektivní řešení integrace radiačních pecí do procesů. Aplikace vyvinuté metody je demonstriována na konkrétním průmyslovém případu – optimálním návrhu trubkového hadu pro ohřevnou regenerační pec pro plynový závod.

Radiation tubular furnace type is the simplest tubular furnace. Tube coil is placed around the wall inside vertical cylindrical radiant (combustion) chamber. Coil can be solved as classical vertical type (i.e. vertical straight tubes connected to 180 degree elbow) or as spiral type for minimisation of fluid pressure drop. Tube coil arrangement dominantly influences thermal-hydraulics characteristics of furnace and its economy. Presented method is based on standard long time used design methods (Lobo-Evans method, Belokon method). It is shown, how these standard global design methods can be (for common-operating conditions) suitable generalised and simplified. It allows (for purpose of optimum design of coil arrangement) to arrange the basic heat transfer equation for radiant chamber. In connection with investment cost relations for individual furnace subsystems (tube coil, burners, lining, etc.) and operating cost relations (fuel consumption, fluid pumping cost) can be obtained final objective function of total cost. This objective function then allows finding the optimum coil arrangement from minimum total cost point of view. Moreover, obtained results allow formulating some general recommendations suitable for furnace designers. Developed method can be used for individual solution of radiation type of tubular furnaces and also for first (preliminary) design stage usually connected with proposal for customer when only basic process and furnace design data are usually known. Developed method can be also used for effective solution of integration of radiation furnaces into processes. Application of the developed method is demonstrated through a case study – optimum arrangement of coil in gas plant regeneration furnace.

uspořádání trubkového hadu, radiační typ trubkové pece, návrh pece a optimalizace

tube coil arrangement, radiation type of tubular furnace, furnace design and optimization

2008

02.06.2008

Taylor & Francis Group, LLC

325 Chestnut Street Suite 800 Philadelphia PA 19106

0145-7632

Heat Transfer Engineering

29

6

546–555

10