طراحی بخش تابشی کوره ها

دو وظیفه اساسی در طراحی بخش تابشی کوره ها عبارتند از:

1. احتراق سوخت
2. انتقال انرژی به سیال فرآیند

بر حسب ظرفیت کوره کیفیت سوخت ، نوع طراحی و هزینه های کلی کوره دو عمل مذکور می‌تواند در یک بخش منفرد و یا در دو بخش مجزا صورت گیرد .

اگر ظرفیت کوره کم باشد یا کیفیت احتراقی سوخت نازل باشد برای جلوگیری از سرد شدن گازها قبل از تکمیل واکنشهای احتراق در ابتدا احتراق در یک محفظه و سپس انتقال حرارت در محفظه دیگر به وقوع می‌پیوندد .

تلفیق فرآیندهای احتراق و انتقال حرارت در یک محفظه منفرد باعث پیچیدگی عملیات کوره شده ومستلزم تنظیم دقیق فلاکس حرارتی به سیال فرآیند است .

اگر ظرفیت کوره زیاد باشد تفکیک بخشهای احتراق و انتقال حرارت از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نبوده و باعث ازدیاد مخارج کل میشود بدین سبب در کوره های صنعتی عموماً عمل احتراق و انتقال حرارت توأماً در یک محفظه صورت می‌گیرد .

ایجاد مدلهای ریاضی برای پیش بینی متغیرهای طراحی و عملیاتی در طی فرآیندهای احتراق و انتقال حرارت بسیار پیچیده بوده و عموماً تکیه بر تجارب عملی دقیق نتایج رضایتبخشی را به دنبال دارد بطور کلی سه مدل در طراحی کوره ها در نظر گرفته میشود .

1. کوره طویل
2. محفظه احتراق کاملاً یکنواخت
3. روش منطقه‌ای

کوره طویل 

در چنین کوره ای سه فرض اصلی مد نظر است .

الف ) احتراق در مقایسه با زمان اقامت گاز در کوره چنان سریع به وقوع می‌پیوندد که دمای گاز در انتهای مشعل همان دمای ادیاباتیک شعله است .

ب ) طول کوره جهت جریان گاز در مقایسه با ابعاد دیگر آن بحدی بیشتر است که فلاکس حرارت تابشی خالص در جهت جریان گاز در مقابل فلاکس عمودبر جهت آن قابل صرف نظر است .

ج ) دمای گاز در هر مقطع عمود بر جریان یکسان است .

کوره با محفظه احتراق کاملاً یکنواخت :

در بسیاری از کوره های صنعتی مومنتوم سوخت و هوای ورودی آنقدر زیاد است که دما و غلظت گاز را در محفظه احتراق می‌توان کاملاً یکنواخت فرض نمود و به آنها مقدار معینی نسبت داد در ابتدا فرضیات زیر در نظر گرفته می‌شود حالت کلی این روش را میتوان تعمیم داد .

الف ) گاز خاکستری فرض شده و دمای آن با مقدار متوسط Tg نمایش داده می‌شود .

ب ) سطح جاذب خاکستری بوده و مساحت آن A1 و دمای آن T1 اختیار می‌گردد .

ج ) از افت حرارتی جداره های کوره و انتقال حرارت جابجایی به جداره های بازتابنده صرف نظر می‌شود .

د ) ترتیب سطوح جاذب و بازتابنده به گونه ای است که ضریب شکل هندسی از هر نقطه جداره به سطح جاذب یکسان باشد چنین فرضی هنگامی امکان‌پذیر است که سطوح جاذب و بازتابنده کاملاً در یکدیگر آمیخته باشند .

م ) از حرارت جابجائی گازها به سطح جاذب صرف نظر میشود .

روش منطقه‌ای:

در روش کوره با محفظه احتراق کاملاً یکنواخت عواملی نظیر متوسط فلاکس حرارتی هوای اضافی دمای لوله ها ، نسبت سطح بازتابنده به سطح سرد و تا حدی جابجائی و شکل هندسی کوره مد نظر قرار می‌گیرد ولی از تغییرات فلاکس حرارتی به سبب اختلاف دمای گاز در بخش تابشی صرف نظر می‌شود .

طراحی کوره های اولیه که عموماً به صورت متوازی السطوح هستند با این روش از دقت کافی برخوردار است . به مرور زمان در شکل کلی کوره ها تغییرات اساسی بوجود آمده و کوره هایی با اشکال هندسی متفاوت ابداع گردیده است برای مثال کاربرد کوره های استوانه ای عمودی که نسبت ارتفاع به نظر آنها از ۲ تا ۴ تغییر می‌کند.

بواسطه سادگی ساخت و مخارج کم در صنایع متداول شده است اشتعال در این کوره ها معمولاً از کف کوره به طرف بالا انجام می‌شود در چنین کوره هایی دمای گاز نمی‌تواند در تمام نقاط یکسان فرض گردد .

 تأثیر متغیرهای بنیادی در طراحی کوره ها:

کوره ها و سوخت مصرفی آنها قسمت اعظم مخارج یک واحد صنعتی را تشکیل می‌دهند از این رو سازندگان و خریداران کوره ها به روش های مطمئن و قابل اعتمادی برای طراحی و ارزیابی آنها نیاز دارند در مرحله طراحی نظری اندازه کوره ، مقدار سوخت مصرفی و بازیابی گرمای هدر رفته تخمین زده می‌شود.

در طراحی نهائی اثر تغییر متغیرهای عملیاتی نظیر خواص و سرعتهای سیال فرآیند و سوخت ورودی باید بررسی گردد در برخی موارد ایجاد اصلاحاتی بر روی کوره ای که قبلاً طراحی شده منظور اصلی طراحی می‌باشد .

مقطع یک کوره صنعتی را نشان میدهد این کوره شامل یک محفظه احتراق (بخش تابشی) یک بخش جابجائی و دودکش برای خروج گازهای حاصل از احتراق است .

در بخش تابشی قسمتی از گرمای احتراق جذب لوله هایی می‌شود که مطابق شکل بطور عمودی در اطراف جداره بازتابنده کوره نصب شده اند .

در بخش جابجایی قسمت دیگری از گرمای گازها بازیابی می‌گردد اولین ردیفهای لوله در این بخش که در معرض دمای زیاد گازهای احتراق هستند به لوله های سپر حرارتی موسومند .

وظیفه دودکش ایجاد مکش کافی برای القای هوا و خروج گازهای حاصل از احتراق است انتخاب ابعاد مناسب برای دودکش برای تحقق منظور فوق از اهمیت خاصی برخوردار است.

در طراحی کوره ها باید بین برخی از متغیرهای اساسی روابطی برقرار نمود این متغیرها شامل خواص فیزیکی سیال فرآیند ارزش حرارتی ورفتاراحتراقی سوخت تقسیم مناسب بارحرارتی بین بخشهای جابجایی و تابشی افت فشار سیال فرآیند و گازهای احتراق و ابعاد مناسب دودکش می‌باشد .      

طراحی بخش تابشی کوره ها

ترتیب و آرایش لوله ها :

معمولاً سیال فرآیند از بالای بخش جابجایی وارد کوره شده و در جهت مخالف گازهای داغ در این بخش جریان می‌یابد سپس وارد لوله های سپر حرارتی شده و در معرض فلاکس حرارتی نسبتاً زیادی قرار می‌گیرد (در برخی موارد بخش جابجائی و لوله های سپر حرارتی برای تهیه بخار آب فوق اشباع بکار می‌روند ) .

در انتها سیال فرآیند وارد لوله‌های بخش تابشی شده که در بخش اخیر قسمت اعظم حرارت جذب سیال می‌گردد لوله ها توسط زانویی‌های  یا هدرهایی از نوع پلاک به یکدیگر متصل می‌شوند.

فاصله محور تا محور لوله ها بین ۵/۱ تا ۳ برابر قطر اسمی آنها انتخاب می‌گردد البته دو برابر قطر اسمی از نظر اقتصادی مناسب تر است . لوله های بخش جابجائی عمود بر جریان گاز بصورت افقی با ترتیب مثلثی یا مربعی نصب می‌شوند .

لوله ها عموماً توسط آویزها یا صفحات فلزی در جای خود نگهداری می‌شوند نگهدارنده های لوله ها باید طوری طراحی گردند که در اثر تغییر دما امکان هرگونه انبساطی را میسر سازند برای اجتناب از تنش یا خمش به هر آویز سقف بخش تابشی نباید بیش از دو لوله متصل فاصله آویزهای سقف از یکدیگر کمتر از ۱۰ فوت اختیار می‌گردد .

لوله های افقی بوسیله قلابهای بازی روی جداره جانبی بخش تابشی کوره نصب می‌گردند معمولاً جنس این قلابها از فولاد حاوی ۲۵% کرم و ۱۲% نیکل انتخاب می‌شوند لوله های عمودی نیز توسط محمل ها و هادیهایی در محل خود قرار می‌گیرند .

دسته لوله های بخش جابجایی بوسیله صفحات نازک مجزایی نگهداشته می‌شوند در قسمتهای مختلف بخش جابجائی بواسطه انبساط حرارتی متفاوت در اثر تغییر دمای گاز هر یک از صفحات فقط سه ردیف لوله را شامل میشوند .

در گذشته در بخش تابشی کاربرد دو ردیف لوله در مقابل جداره بازتابنده کوره شایع بوده است اما امروزه از این امر اجتناب می‌گردد زیرا دو ردیف لوله مستلزم مخارج دو برابر بوده ولی افزایش حرارت جذب شده آن کمتر از ۱۵% نسبت به یک ردیف خواهد بود از این رو استفاده از یک ردیف لوله در مقابل بازتابنده توصیه می‌گردد .

هر دسته لوله متوالی که سیال فرآیند در آنها جریان دارد تشکیل یک گذر «Pass» را می‌دهد این تعریف با آنچه در دستگاههای دیگر انتقال حرارت نظیر مبدلهای حرارتی مرسوم است تفاوت دارد .

در کوره ای که دارای دو گذر است سیال فرآیند به دو شاخه تقسیم شده و هر شاخه بطور مجزا گرم میشود دو شاخه سیال پس از گرم شدن هنگام خروج از کوره دوباره مخلوط می‌َوند برای مثال کوره یک گذری که دارای ۴۰ لوله باشد از نظر سطح حرارتی با کوره دوگذری که شامل ۲۰ لوله حرارتی در هر گذر است معادل است .

تنها محدودیت در انتخاب تعداد گذرها و اندازه لوله ها ، افت فشار مجاز می‌باشد . حداکثر افت فشار حتی برای کوره های بزرگ نباید از ۱۰۰ psi تجاوز نماید هر چه تعداد گذرها کمتر باشد توزیع جریان بهتر خواهد بود ولی تعداد گذر کمتر باعث افت فشار بیشتر می‌گردد.

تعداد گذر و اندازه لوله ها بنابر کاربرد خاص کوره باید ارزیابی گردد در این ارزابی نه تنها مخارج کوره بلکه هزینه سیستمهای توزیع و جمع‌آوری مجدد هزینه شیرهای کنترل هر گذر و تجهیزات دیگر باید مد نظر باشد در طراحی عموماً استفاده از لوله های فولادی ۴ اینچ موجب حداقل سرمایه گذاری می‌گردد اگر قطر لوله ها متفاوت باشد تجربه نشان می‌دهد که مخارج کوره بیشتر خواهد شد.

بخش تابشی :

به منظور تقسیم بندی مقدار حرارت جذب شده در بخشهای تابشی و جابجائی باید بازده حرارتی بخش تابشی تعیین گردد بازده حرارتی کسری از گرمای احتراق است که توسط سطوح حرارتی در محفظه احتراق جذب سیال فرآیند میشود مقدار آن برای یک سوخت معین و هوای اضافی مشخص تابعی از دمای گازهای خروجی از بخش تابشی است از طرفی برای هر کوره خاص این دما را میتوان بر حسب هوای اضافی دمای جداره لوله ها و میزان فلاکس حرارتی متوسط بصورت نمودارهایی نمایش داد .

حرارتی براساس قطر خارجی لوله های این بخش می‌باشد هر چه فلاکس تابشی بیشتر باشد به لوله های کمتر ، کوره کوچکتر و در نتیجه به سرمایه گذاری اولیه کمتری احتیاج است.

از طرف دیگر فلاکس تابشی زیاد موجب افزایش مخارج راهبردی و نگهداری می‌شود زیرا در چنین شرایطی سطوح بازتابنده و محملهای لوله ها در معرض دمای زیاد بوده و عمر مفیدشان کوتاهتر خواهد شد .به علاوه دمای زیاد جداره لوله ها باعث تجزیه سیال فرآیند و تشکیل کک درون لوله ها می‌گردد تجارب طراحان و مصرف کنندگان کوره ها عامل تعیین کننده فلاکس تابشی متوسط است .

توزیع فلاکس تابشی متوسط در اطراف لوله ها یکنواخت نبوده و تابعی از طریقه اشتعال و نسبت فاصله محور تا محور لوله ها بر قطر خارجی آنها (C/D) می‌باشد مقصود از طریقه اشتعال نحوه در معرض تابش قرار گرفتن لوله ها از یک یا دو طرف است نسبت حداکثر به میانگین فلاکس تابشی برای طرق مختلف اشتعال بر حسب نسبت (C/D) بدست می‌آید .

دمای جداره لوله همیشه در تمامی نقاط از دمای سیال فرآیند بیشتر است مقدار آن به عواملی نظیر دمای سیال فرآیند ، فلاکس تابشی ، ضریب انتقال حرارت جابجائی در داخل لوله ، هدایت حرارتی لوله و مقاومت حرارتی لایه کک درون لوله بستگی دارد.

طراحی بخش جابجائی :

در سالهای اخیر اهمیت نسبی جابجائی در طراحی کوره ها بطور قابل ملاحظه‌ای افزایش یافته است یکی از دلایل این امر ازدیاد قیمت سوخت بوده که موجب افزایش بازده حرارتی کوره ها برای توجیه اقتصادی شده است .

عامل اساسی دیگر توسعه فرآیندهای تبدیل شیمیائی است این فرآیندها مستلزم فلاکس حرارتی بسیار زیاد متقابلاً دمای زیاد در محفظه احتراق می‌باشد به همین خاطر کسر کوچکتری ازکل حرارت اشتعال در بخش تابشی و سهم عمده آن در بخش جابجایی جذب می‌گردد.

در گذشته توزیع گرما به صورت ۵۰% در بخش تابشی ۲۰% در بخش جابجائی و ۳۰% افت حرارتی بوده در حالی که اکنون درصدهای فوق به صورت ۴۰% و ۵۰% و ۱۰% می‌باشد .

در کوره های جدید تمایل به طراحی بخش جابجائی بزرگتر و استفاده از سطوح توسعه یافته وجود دارد ، همچنین با جذب گرمای هر چه بیشتر از بخش جابجائی توسط تولید بخار آب و یا گرمایشی سیالات دیگر تا آنجا که ممکن است.

از به هدر رفتن گرما جلوگیری به عمل می‌آید در بخش جابجائی نیز مانند بخش تابشی گرما توسط مکانیزمهای تشعشع و جابجائی به سیال فرآیند منتقل می‌گردد اولین بار « مونراد Minrad » روشی را برای تخمین انتقال حرارت در بخش جابجائی ارائه نمود که در آن جابجائی مستقیم و تشعشع از گاز و جداره ها بازتابنده به لوله ها مد نظر قرار می‌گیرد روش وی بعدها توسط « شوپ   Schweppe » براساس نتایج تجربی اصلاح گردید.