Radiant Tube چقدر کارآمد هستند؟

صنعتی مدرن لوله تابشی سیستم‌هایی که در کوره‌های عملیات حرارتی کار می‌کنند، به بازده حرارتی می‌رسند 40 تا 75 درصد بسته به پیکربندی لوله، فناوری مشعل، طراحی کوره، و اینکه آیا یک سیستم بازیابی حرارت یکپارچه شده است یا خیر. با سیستم های مشعل احیا کننده یا احیا کننده، انتهای بالایی این محدوده تا 75 تا 85 درصد - ساخت کوره های لوله تابشی بازیابی شده در میان کارآمدترین پیکربندی های حرارتی موجود برای گرمایش غیرمستقیم با سوخت گاز در کاربردهای جوی کنترل شده. (منبع: انجمن تجهیزات گرمایش صنعتی، دستورالعمل های راندمان احتراق؛ کتابچه راهنمای احتراق آمریکای شمالی، ویرایش سوم، 1986.)

بازده یک لوله تابشی یک عدد ثابت نیست - این یک مشخصه عملکرد دینامیکی است که توسط تأثیر متقابل راندمان احتراق، انتشار دیواره لوله، بازیابی حرارت گاز دودکش، هندسه کوره و دمای کار تعیین می شود. درک هر یک از این متغیرها و نحوه تعامل آنها برای مشخص کردن، راه اندازی و حفظ سیستم های گرمایش لوله تابشی در حداکثر پتانسیل تولیدی آنها ضروری است. بخش های زیر هر بعد قابل توجهی از بازده لوله تابشی را با جزئیات با داده های خاص و مثال های عملیاتی برای پشتیبانی از هر نقطه بررسی می کند.

لوله تابشی چیست و چرا کارایی مهم است

لوله تابشی یک عنصر گرمایش غیرمستقیم گازسوز است - معمولاً یک فولاد آلیاژی یا لوله سرامیکی مهر و موم شده که شعله مشعل از آن عبور می کند - در کوره های اتمسفر کنترل شده برای گرم کردن قطعات کار بدون قرار گرفتن در معرض محصولات احتراق استفاده می شود. لوله گرمای احتراق را از شعله داخلی جذب می‌کند و آن را به سمت بیرون به محفظه کوره و بار می‌تاباند و اتمسفر کنترل‌شده (نیتروژن، هیدروژن، گاز گرماگیر یا دیگر جوهای محافظ) را که فرآیند عملیات حرارتی نیاز دارد، حفظ می‌کند.

سوال کارآیی برای انتخاب و عملکرد لوله تابشی به دو دلیل به هم مرتبط است. اول، هزینه سوخت: احتراق گاز طبیعی تنها بزرگترین هزینه عملیاتی در اکثر تاسیسات عملیات حرارتی است و راندمان حرارتی مستقیماً میزان مصرف گاز در واحد گرمای تحویلی به بار را تعیین می کند. تأسیساتی که 10 کوره لوله تابشی را با راندمان حرارتی 50 درصد به جای بازده 70 درصد کار می کند، 40 درصد گاز بیشتر برای همان خروجی تولید مصرف می کند - تفاوت هزینه ای که در مقیاس صنعتی در طول یک سال کار به طور چشمگیری ترکیب می شود. دوم، عمر مفید لوله: راندمان عملیاتی بر توزیع دما و دمای پیک درون لوله تأثیر می‌گذارد که مستقیماً میزان تخریب مواد لوله و فرکانس جایگزینی را تعیین می‌کند.

(منبع: وزارت انرژی ایالات متحده، نکات انرژی - گرمایش فرآیند: سیستم احتراق خود را بهبود بخشید؛ راهنمای فناوری احتراق IHEA.)

معادله اساسی کارایی

بازده حرارتی لوله تابشی به عنوان نسبت گرمای تحویل شده به جو کوره و بار به کل گرمای آزاد شده توسط احتراق سوخت ورودی تعریف می شود. به صورت زیر بیان می شود:

راندمان حرارتی (%) = (ورودی گرما - تلفات حرارتی گاز دودکش - سایر تلفات) / ورودی گرما x 100

مکانیسم تلفات غالب در هر سیستم لوله تابشی با سوخت گاز، گرمای منتقل شده در گازهای خروجی (دودکش) خروجی از لوله است. در یک لوله تابشی ساده بدون بازیابی گرما، دمای گاز دودکش در خروجی لوله معمولاً به 800 تا 1100 درجه سانتیگراد در دمای کارکرد کوره 900 تا 1150 درجه سانتیگراد - نشان دهنده بخش قابل توجهی از گرمای احتراق اولیه است که بدون استفاده در پشته تخلیه می شود. این چالش اصلی بازدهی است که طراحان سیستم لوله تابشی از طریق بازیابی، بازسازی و بهینه‌سازی هندسه لوله به آن می‌پردازند.

بازده لوله تابشی بر اساس نوع پیکربندی

پیکربندی هندسی لوله تابشی - مستقیم، لوله U، لوله P، لوله W، یا بازیابی تک سر (SER) - متغیر ساختاری اولیه است که بازده حرارتی پایه را قبل از اعمال بازیابی گرما تعیین می کند. هر پیکربندی شعله و محصولات احتراق را به طور متفاوتی در طول لوله توزیع می کند و بر یکنواختی انتقال حرارت و دمای خروجی گاز دودکش تأثیر می گذارد.

چرا تنظیمات چند پاس کارآمدتر هستند؟

مزیت کارایی پیکربندی‌های لوله U، P و W نسبت به لوله‌های مستقیم از افزایش زمان ماندگاری گازهای احتراق داغ در داخل لوله قبل از خروج اگزوز ناشی می‌شود. در یک لوله مستقیم، محصولات احتراق داغ یک بار طول لوله را قبل از خروج طی می کنند. در یک لوله U، همان گازها از طریق یک پایه برگشتی موازی به عقب هدایت می شوند و عملاً زمان موجود برای انتقال حرارت به دیواره لوله را دو برابر می کنند. هر پاس اضافی گرمای بیشتری را از همان گازهای احتراق قبل از رسیدن به دودکش استخراج می کند.

پیامد ترمودینامیکی دمای خروجی گاز دودکش به ازای هر واحد طول لوله به طور قابل اندازه گیری کمتر است. پیکربندی لوله W با ورودی مشعل و دمای کوره مشابه با لوله مستقیم معمولاً دمای خروجی گاز دودکش را به دست می آورد. 150 تا 250 درجه سانتیگراد کمتر به جای پیکربندی مستقیم - مستقیماً این تفاوت دما را به گرمای بازیافتی تحویل داده شده به کوره به جای تخلیه به پشته تبدیل می کند. (منبع: Flanagan، P.J.، "لوله تابشیs - A Review"، مجله موسسه آهن و فولاد، 1970؛ بررسی سالانه بین المللی فناوری فولاد.)

لوله های بازیابی تک سر: رهبر کارایی

لوله تابشی بازیابی تک سر (SER) نشان دهنده بالاترین استاندارد کارایی قابل دستیابی در فناوری لوله تابشی معمولی است. در پیکربندی SER، مشعل و خروجی دودکش هر دو در یک انتهای لوله قرار دارند - مشعل به سمت لوله داخلی مرکزی شلیک می‌کند، محصولات احتراق در انتهای کور معکوس می‌شوند و از طریق فضای بیرونی حلقوی اطراف لوله داخلی باز می‌گردند، که در طی آن هوای احتراق ورودی را از دیواره لوله داخلی قبل از خروجی در لوله سوزان از قبل گرم می‌کنند. این بازیابی یکپارچه بخش قابل توجهی از گرمای گاز دودکش را بازیابی می کند و آن را به هوای احتراق باز می گرداند و سوخت مورد نیاز برای حفظ دمای شعله معین را کاهش می دهد.

لوله های SER با بازیابی کننده های فلزی با کارایی بالا هوای احتراق را پیش گرم می کنند 400 تا 650 درجه سانتیگراد قبل از اختلاط با سوخت در مشعل - پیش گرم کردن هوای احتراق که بازده حرارتی خالص را بهبود می بخشد. 15 تا 25 درصد در مقایسه با همان هندسه لوله که با هوای احتراق در دمای محیط کار می کند. (منبع: WS Warmeprozesstechnik GmbH، "سیستم های مشعل خودبازیابی برای لوله های تابشی"، عملیات حرارتی فلزات، 2003؛ کتاب داده های مهندسی انجمن پردازنده های گاز.)

نقش راندمان احتراق در عملکرد لوله تابشی

بازده حرارتی سیستم لوله تابشی کلی با راندمان احتراق آغاز می شود - کاملی که با آن انرژی شیمیایی در گاز سوخت به عنوان گرما توسط شعله مشعل درون لوله آزاد می شود. راندمان احتراق ضعیف در بالادست لوله، گرمای موجود برای انتقال به دیواره لوله را بدون توجه به اینکه هندسه لوله چقدر بهینه شده است، کاهش می دهد.

استوکیومتری و هوای اضافی

راندمان احتراق یک مشعل گازی به شدت به نسبت هوا به سوخت در نقطه احتراق بستگی دارد. احتراق استوکیومتری - نسبت تئوری کاملی که در آن تمام کربن و هیدروژن سوخت دقیقاً با اکسیژن موجود اکسید می شود - حداکثر گرما را در هر واحد سوخت آزاد می کند. در عمل مشعل ها با مقدار کمی هوا کار می کنند (معمولا 5 تا 15 درصد هوای اضافی برای مشعل های پیش مخلوط در کاربردهای لوله تابشی) برای اطمینان از احتراق کامل و جلوگیری از تشکیل مونوکسید کربن.

جریمه راندمان برای هوای اضافی ساده است: هر متر مکعب هوای اضافی که برای احتراق لازم نیست همچنان توسط شعله گرم می شود و باید به عنوان اگزوز داغ از لوله خارج شود و گرمایی را با خود حمل کند که هیچ کمکی به شیمی احتراق ندارد. در 10 درصد هوای اضافی، جریمه راندمان احتراق متوسط است - تقریباً 1 تا 2 درصد در دمای کوره زیر 1000 درجه سانتیگراد. در 30٪ هوای اضافی - یک نتیجه رایج از تنظیم ضعیف یا خراب سیستم های کنترل مشعل - جریمه افزایش می یابد 4 تا 8 درصد ، کاهش کارایی قابل توجه و کاملاً قابل اجتناب است. (منبع: وزارت انرژی ایالات متحده، محاسبات راندمان احتراق، کارایی انرژی و اطلاعات انرژی تجدیدپذیر.)

نظارت بر اکسیژن گازهای دودکش

ابزار عملی برای حفظ راندمان احتراق در سیستم های لوله تابشی، نظارت مداوم بر محتوای اکسیژن گاز دودکش در خروجی لوله با استفاده از یک آنالایزر اکسیژن کالیبره شده اکسید زیرکونیوم است. محتوای اکسیژن هدف در گازهای دودکش از یک مشعل لوله تابشی به خوبی تنظیم شده است. 1.5 تا 3.5 درصد O2 حجمی - نشان دهنده احتراق کمی بدون چربی (هوای اضافی) بدون اتلاف قابل توجه اکسیژن است. سیستم‌هایی با کنترل تریم اکسیژن خودکار - که در آن نسبت سوخت به هوا به طور مداوم برای حفظ اکسیژن گاز دودکش هدف تنظیم می‌شود - به طور مداوم نسبت به سیستم‌های تنظیم دستی راندمان احتراق بالاتری را به دست می‌آورند و ارزش بازده اضافی کنترل دقیق سوخت هوا را بازیابی می‌کنند.

طراحی مشعل و ویژگی های شعله

طراحی مشعل مورد استفاده در یک لوله تابشی به شدت بر راندمان احتراق و توزیع گرما در طول لوله تأثیر می گذارد. مشعل های با سرعت بالا که شعله را به صورت محوری به سمت پایین لوله هدایت می کنند، به تلاطم بالا و اختلاط سریع دست می یابند و باعث احتراق کامل در طول شعله کوتاه می شوند. مشعل‌های کم NOx با استفاده از احتراق مرحله‌ای (منطقه اولیه غنی از سوخت و به دنبال آن تزریق هوای ثانویه) شعله را طولانی‌تر می‌کنند و گرما را به طور یکنواخت‌تر در طول لوله توزیع می‌کنند و دمای اوج نقطه داغ را کاهش می‌دهند که تخریب مواد لوله را تسریع می‌کند - هم یکنواختی حرارتی و هم عمر لوله را بهبود می‌بخشد، البته گاهی اوقات با هزینه‌ای کمتر از 2 درصد در محدوده راندمان احتراق تا 1. (منبع: Baukal, C.E., "Industrial Burners Handbook" CRC Press, 2003.)

سیستم های بازیابی حرارت: گزینه های بازیابی و احیا کننده

بازیابی گرما از گازهای خروجی لوله تابشی تاثیرگذارترین مداخله برای بهبود کارایی کلی سیستم است. دو فن‌آوری اصلی بازیابی گرما برای سیستم‌های لوله تابشی اعمال می‌شود: سیستم‌های بازیابی (که گرما را از گاز دودکش به هوای احتراق ورودی به طور مداوم از طریق یک مبدل حرارتی فلزی منتقل می‌کنند) و سیستم‌های احیاکننده (که از ذخیره‌های متناوب بستر سنگریزه داغ یا ماتریس سرامیکی برای جذب و انتشار گرمای خروجی در چرخه‌های زمان‌بندی‌شده استفاده می‌کنند).

سیستم های مشعل احیا کننده

یک مشعل لوله تابشی بازیابی کننده دارای یک مبدل حرارتی فلزی است - که معمولاً از فولاد آلیاژی با دمای بالا یا کاربید سیلیکون ساخته می شود - که از طریق آن گازهای داغ خروجی در مسیر خود به پشته عبور می کنند و هوای احتراق ورودی در جهت مخالف (جریان مخالف) عبور می کند. این تبادل حرارتی ضد جریان، هوای احتراق را قبل از ورود به مشعل، از قبل گرم می کند و انرژی سوخت مورد نیاز برای رسیدن به دمای شعله مورد نیاز برای فرآیند را کاهش می دهد.

بهره وری حاصل از بازیابی مستقیماً با دمای پیش گرم هوای احتراق به دست آمده مرتبط است:

• هوای احتراق که از قبل تا 200 درجه سانتیگراد گرم شده است: صرفه جویی در مصرف سوخت تقریباً 10 تا 13 درصد در مقایسه با احتراق در هوای سرد در دمای کوره 1000 درجه سانتیگراد
• هوای احتراق که از قبل تا 400 درجه سانتیگراد گرم شده است: صرفه جویی در مصرف سوخت بین 20 تا 25 درصد
• هوای احتراق که از قبل تا 600 درجه سانتیگراد گرم شده است: صرفه جویی در مصرف سوخت تقریباً 32 تا 38 درصد

(منبع: Thekdi، A. and Nimbalkar، S.U.، "بازیابی حرارت زباله های صنعتی - کاربردهای بالقوه"، دفتر کارایی انرژی و انرژی های تجدیدپذیر وزارت انرژی ایالات متحده، 2014.)

حد بالایی عملی دمای پیش گرم بازگر فلزی توسط خواص مکانیکی با دمای بالا مواد ریکپراتور محدود می شود - بازیابی کننده های استاندارد فولاد زنگ نزن آستنیتی به دمای ورودی گاز دودکش حدود 700 درجه سانتیگراد محدود می شوند. بازیابی کننده های سرامیکی کاربید سیلیکون می توانند دمای ورودی تا 1300 درجه سانتیگراد را برای کاربردهای کوره با دمای بالا تحمل کنند.

سیستم های احیا کننده مشعل

مشعل های لوله تابشی احیا کننده از جفت مشعل هایی استفاده می کنند که به طور متناوب شلیک می کنند - در حالی که یک مشعل از طریق لوله تابشی خود شلیک می کند، گاز دودکش از طرف مقابل از طریق یک بستر سنگریزه سرامیکی یا ماتریس لانه زنبوری که گرمای خروجی اگزوز را جذب می کند، کشیده می شود. هنگامی که چرخه احتراق معکوس می شود، هوای احتراق تازه برای مشعل تازه احتراق از بستر گرم سرامیکی عبور می کند و گرمای ذخیره شده اگزوز را جذب می کند و با دمای بسیار بالا وارد منطقه احتراق می شود.

سیستم‌های احیاکننده معمولاً به دمای پیش گرم هوای احتراق بالاتری نسبت به سیستم‌های بازیابی می‌رسند 800 تا 1000 درجه سانتیگراد پیش گرم کنید در دمای کوره 1000 تا 1200 درجه سانتیگراد - صرفه جویی در سوخت 40 تا 55 درصد در مقایسه با احتراق در هوای سرد در شرایط فرآیندی معادل. این باعث می شود که سیستم های لوله تابشی احیا کننده با بالاترین راندمان پیکربندی موجود برای عملیات حرارتی مداوم در دمای بالا باشد. مبادله افزایش هزینه سرمایه، سیستم های کنترلی پیچیده تر، و نیازهای تعمیر و نگهداری بالاتر برای مجموعه های سوپاپ سوئیچینگ و رسانه های بستر سرامیکی است که منحصر به سیستم های مشعل احیا کننده هستند. (منبع: پاتل، ن. و همکاران، "فناوری مشعل احیا کننده برای کوره های عملیات حرارتی"، مجله پردازش حرارتی، 2015.)

مواد لوله و تأثیر آن بر راندمان تابشی

ماده ای که از آن یک لوله تابشی ساخته می شود از طریق دو مکانیسم بر کارایی تأثیر می گذارد: انتشار سطح لوله (که تعیین می کند چقدر گرما را به طور مؤثر به بار کوره تابش می کند) و هدایت حرارتی لوله و حداکثر دمای عملیاتی (که تعیین می کند قبل از اینکه تخریب مواد شدت کار را محدود کند، چقدر گرما می تواند از طریق دیواره لوله منتقل شود).

انتشار و انتقال حرارت تشعشع

یک لوله تابشی گرما را به محیط اطراف خود عمدتاً توسط تشعشعات حرارتی - انتشار انرژی الکترومغناطیسی از سطح لوله داغ به دیواره‌های کوره خنک‌تر و قطعات کار منتقل می‌کند. راندمان این انتقال تابش توسط گسیل سطح لوله (اپسیلون) کنترل می شود، یک مقدار بی بعد بین 0 و 1 که در آن 1 یک رادیاتور جسم سیاه کامل را نشان می دهد.

شار حرارتی تابش شده از سطح لوله توسط قانون استفان بولتزمن شرح داده شده است:

Q = اپسیلون x سیگما x A x (T_لوله به توان 4 - T_کوره به توان 4)

در جایی که سیگما ثابت استفان بولتزمن است (5.67×10 به توان -8 W/m2K4)، A مساحت سطح لوله، T_tube دمای سطح لوله مطلق، و T_furnace دمای مطلق کوره است. وابستگی به دمای چهارم به این معنی است که حتی افزایش‌های کوچک در دمای سطح لوله افزایش زیادی در شار گرمای تابشی ایجاد می‌کند - و گسیل‌پذیری، که کل مدت تابش را چند برابر می‌کند، تأثیر مستقیم و خطی بر توان خروجی تابشی دارد. (منبع: Incropera، F.P. و همکاران، "مبانی انتقال گرما و جرم"، ویرایش هفتم، ویلی، 2011.)

مقادیر انتشار توسط مواد لوله

وضعیت سطح و کاهش انتشار

انتشار یک ویژگی ثابت یک ماده لوله نیست - با شرایط سطح در طول زمان تغییر می کند. یک لوله تابشی آلیاژی تازه تولید شده در طول عملیات اولیه در دمای بالا (فرآیندی به نام تهویه یا چاشنی) یک لایه مقیاس اکسید کروم را روی سطح خود ایجاد می کند که در واقع انتشار را افزایش می دهد در مقایسه با سطح جلا داده شده تولید شده. این لایه مقیاس - معمولاً 10 تا 50 میکرومتر ضخامت دارد - دارای مقادیر انتشار در محدوده 0.85 تا 0.92 است که بالاتر از سطح فلز آلیاژ زیرین بین 0.70 تا 0.80 است. بنابراین، لوله‌های تابشی آلیاژی با شرایط مناسب، کارآمدتر از لوله‌های جدید و بدون قید و شرط تابش می‌کنند - یافته‌ای ضد شهودی که بر اهمیت روش‌های صحیح راه‌اندازی تاکید می‌کند.

با این حال، با پیر شدن لوله‌ها، رشد رسوب فراتر از لایه محافظ بهینه ادامه می‌یابد و شروع به پوسته پوسته شدن می‌کند و کربن‌سازی داخلی و اکسیداسیون دیواره لوله را تخریب می‌کند. لوله‌های کربوره‌شده با مقیاس شدید می‌توانند رسانایی حرارتی دیواره را کاهش دهند که انتقال حرارت از سمت احتراق به سطح بیرونی تابشی را مختل می‌کند و تا حدی مزیت انتشار لایه مقیاس توسعه‌یافته را جبران می‌کند.

توزیع دما و تأثیر آن بر راندمان

یکنواختی توزیع دما در طول لوله تابشی هم یک پارامتر بازده و هم یک پارامتر کیفیت است. توزیع غیریکنواخت دما باعث ضایعات سطح لوله در دسترس برای انتقال حرارت می شود و غلظت تنش حرارتی ایجاد می کند که تخریب مواد لوله را تسریع می کند.

مشکل منطقه داغ در لوله های تک گذر

در یک لوله تابشی مستقیم (تک گذر)، شعله مشعل بلافاصله در پایین دست نوک مشعل داغ ترین است، و در 20 تا 30 درصد اول طول لوله که در آن دما به طور قابل توجهی از بقیه لوله فراتر می رود، یک ناحیه داغ موضعی ایجاد می کند. این منطقه گرم می تواند به دما برسد 100 تا 200 درجه سانتیگراد بالاتر از میانگین دمای سطح لوله ایجاد منطقه ای با تنش حرارتی شدید و اکسیداسیون و خزش تسریع شده که رایج ترین نقطه شروع شکست لوله تابشی در پیکربندی های تک گذر است.

منطقه داغ همچنین نوعی اتلاف کارایی را نشان می‌دهد - دمای بسیار بالای این منطقه شدت تابش بسیار بالایی را به صورت محلی ایجاد می‌کند، اما قسمت عمده طول لوله در زیر منطقه داغ به طور قابل‌توجهی خنک‌تر از آنچه برای انتقال حرارت کارآمد لازم است، است. بنابراین، انتقال حرارت کل از لوله به طور یکنواخت کمتری نسبت به همان ورودی گرمایی که در پیکربندی احتراق مرحله‌ای چند پاسی یا کم NOx ایجاد می‌کند، توزیع می‌شود.

مرحله بندی شعله کم NOx و یکنواختی دما

فن آوری مشعل کم NOx، که در اصل برای کاهش انتشار اکسید نیتروژن ناشی از احتراق گاز توسعه یافته است، دارای اثر جانبی مفیدی است که توزیع دمای یکنواخت تر را در طول لوله ایجاد می کند. با مرحله‌بندی احتراق - سوزاندن سوخت در دو یا سه منطقه متوالی در طول لوله به جای شعله اولیه متمرکز - دمای اوج کاهش می‌یابد و انتشار گرما در طول لوله طولانی‌تر پخش می‌شود. در کاربردهای لوله تابشی، این تولید می کند:

• اوج کاهش دمای سطح لوله از 50 تا 100 درجه سانتیگراد در ناحیه داغ در مقایسه با مشعل های معمولی تک مرحله ای در ورودی حرارتی معادل
• بهبود یکنواختی دما - انحراف استاندارد دمای سطح لوله در طول لوله ممکن است از افزایش یابد 80 تا 120 درجه سانتیگراد برای مشعل های معمولی به 30 تا 50 درجه سانتی گراد برای مشعل های احتراق مرحله ای که به خوبی طراحی شده اند
• افزایش طول عمر لوله 20 تا 40 درصد در منطقه گرم به دلیل کاهش دمای اوج و چرخه تنش حرارتی

(منبع: Baukal, C.E. and Waibel, R.T., "NOx Handbook for the Metals Industry" گزارش فنی موسسه تحقیقات گاز؛ آزمایشگاه های انجمن گاز آمریکا.)

عوامل طراحی کوره موثر بر راندمان لوله تابشی

راندمان ارائه شده توسط یک سیستم لوله تابشی نه تنها به طراحی لوله و مشعل بستگی دارد، بلکه به نحوه ادغام آرایه لوله در ساختار کوره نیز بستگی دارد. چندین عامل طراحی کوره به طور قابل توجهی بر راندمان حرارتی سیستم تأثیر می گذارد.

فاصله لوله و فاکتور نمای کوره

ضریب دید بین آرایه لوله تابشی و بار کوره - پارامتر هندسی که توصیف می کند چه کسری از تابش که از سطح لوله خارج می شود مستقیماً به بار می رسد - تعیین می کند که انرژی تابشی لوله تا چه اندازه قطعه کار را گرم می کند. لوله‌هایی که فاصله زیادی با یکدیگر دارند، مناطق وسیعی از دیواره جانبی کوره را مستقیماً در معرض بار قرار می‌دهند و باعث می‌شوند که بار به جای سطح لوله داغ، با دیواره کوره خنک‌تر تابش مبادله کند. لوله هایی که خیلی نزدیک فاصله دارند، دید یکدیگر را نسبت به بار (تبادل تابش لوله به لوله) و سطح لوله زباله در گرم کردن لوله های مجاور به جای قطعه کار مسدود می کنند.

فاصله بهینه لوله در یک کوره لوله تابشی معمولاً با قطر بیرونی لوله (OD) و ارتفاع کوره تعیین می شود. یک قانون رایج طراحی این است که لوله ها را در فاصله مرکز به مرکز قرار دهیم 2 تا 3 برابر OD لوله هنگامی که لوله ها بر روی دیواره های جانبی کوره نصب می شوند و بار در فاصله ای تقریباً برابر قرار می گیرد 1 تا 1.5 برابر فاصله لوله از صفحه لوله این هندسه ضریب دید ترکیبی آرایه لوله را به بار به حداکثر می رساند و در عین حال دسترسی کافی به هوای احتراق و سوخت را حفظ می کند. (منبع: Trinks, W. and Mawhinney, M.H., "Industrial Furnaces, Volume 1, 6th Edition, Wiley, 2003.)

عایق کوره و جرم حرارتی

کیفیت عایق دیوار کوره از طریق دو مکانیسم مستقیماً بر کارایی سیستم تأثیر می گذارد. عایق ضعیف باعث اتلاف گرمای قابل توجهی از طریق دیواره ها و سقف کوره می شود - گرمایی که توسط لوله های تابشی تولید می شود اما به جای گرم کردن بار، از ساختار خارج می شود. این اتلاف دیواره یک کسر مستقیم راندمان از گرمای تحویل شده توسط لوله ها است. عایق الیاف سرامیکی در ساخت کوره های مدرن به مقادیر شار حرارتی دیوار دست می یابد 500 تا 1500 وات بر متر مربع در دمای عملیاتی، در مقایسه با 3000 تا 6000 وات بر متر مربع برای دیوارهای قدیمی‌تر کوره عایق‌شده با آجر - کاهش اتلاف حرارت دیوار بین 60 تا 75 درصد که مستقیماً به بهبود راندمان کلی سیستم ترجمه می‌شود.

جرم حرارتی کوره - انرژی گرمایی ذخیره شده در دیواره‌ها و ساختار کوره که باید قبل از رسیدن کوره به دمای عملیاتی از سرما تامین شود - بر راندمان عمدتاً در عملیات کوره‌های دسته‌ای با چرخه‌های گرمایش مکرر تأثیر می‌گذارد. کوره های آجری با جرم حرارتی بالا نسبت به طرح های عایق الیاف سرامیکی با جرم حرارتی پایین به انرژی سوخت قابل توجهی بیشتری در هر چرخه برای رساندن کوره به دما نیاز دارند. برای عملیات دسته ای با بیش از یک گرم کردن در هر شیفت، انرژی سوخت مصرف شده در گرمایش ساختار کوره می تواند نشان دهنده باشد. 10 تا 20 درصد مصرف سوخت کل - جزء بازدهی است که اغلب در مقایسه‌های سیستمی که فقط بر بازده عملیاتی حالت پایدار تمرکز می‌کنند نادیده گرفته می‌شود.

مجرای گاز دودکش و تلفات پشته

راندمان بازیابی گرما از گازهای دودکش نیز تحت تأثیر طراحی مجرای بین اگزوزهای لوله تابشی و بازیابی یا پشته است. مجراهای بلند و بدون عایق گاز دودکش اجازه می دهد تا اگزوز داغ قبل از رسیدن به ریکاوراتور خنک شود و نیروی محرکه دمای موجود برای پیش گرم کردن هوا و هدر رفتن گرما به محیط را کاهش می دهد. سیستم های به خوبی طراحی شده مجرای گاز دودکش را با الیاف سرامیکی یا پشم معدنی عایق می کنند، اتلاف حرارت مجرا را به حداقل می رساند و دمای گاز دودکش را برای حداکثر اثربخشی بازیابی حفظ می کند.

نظارت و حفظ کارایی لوله تابشی در خدمات

راندمان لوله تابشی ثابت نیست - به طور مداوم در طول عمر عملکرد لوله و سیستم مشعل تغییر می کند. نظارت سیستماتیک و نگهداری پیشگیرانه برای جلوگیری از پایین آمدن بازده از ارزش طراحی آن با افزایش سن تجهیزات و شرایط فرآیند ضروری است.

شاخص های کلیدی عملکرد برای سیستم های لوله تابشی

پارامترهای قابل اندازه‌گیری زیر ارزیابی زمان واقعی و دوره‌ای راندمان سیستم لوله تابشی را ارائه می‌دهند:

• دمای گاز دودکش در خروجی لوله: مستقیم ترین شاخص اثربخشی بازیابی گرما. افزایش دمای خروجی گاز دودکش در دمای ثابت کوره نشان‌دهنده بدتر شدن عملکرد دستگاه بازیابی، هوای اضافی بیش از حد، یا افزایش تلفات حرارتی کوره است که نیاز به خروجی مشعل اضافی دارد. افزایش 10 درجه سانتیگراد در دمای خروجی گاز دودکش معمولاً نشان دهنده تقریباً است کاهش 0.5 تا 1.0٪ در راندمان حرارتی .
• محتوای اکسیژن گاز دودکش: به طور مداوم توسط یک آنالایزر اکسید زیرکونیوم کالیبره شده اندازه گیری می شود. مقادیر پیوسته بالای 4 تا 5 درصد O2 نشان دهنده هوای اضافی بیش از حد و از دست دادن حرارت غیر ضروری در جریان اگزوز است. مقادیر کمتر از 1% O2 نشان دهنده احتراق زیر استوکیومتری با خطر تشکیل مونوکسید کربن و راندمان احتراق ناقص است.
• دمای پیش گرم هوای احتراق: برای سیستم های بازیابی شده، کاهش دمای پیش گرم هوای احتراق در شرایط ورودی گاز دودکش ثابت نشان دهنده رسوب بازیابی، تجمع رسوب بر روی سطوح انتقال حرارت، یا تخریب مواد بازیابی کننده است.
• مصرف سوخت در واحد تولید: معیار بازده یکپارچه نهایی - مصرف سوخت خاص (MJ/kg قطعات پردازش شده) سیستم کلی از جمله کوره، لوله ها، مشعل ها و بازیابی حرارت را در برابر بازده تولید واقعی ردیابی می کند. افزایش مصرف سوخت خاص شاخص اصلی است که مداخلات بهبود بهره وری مورد نیاز است.
• دمای سطح لوله (اندازه گیری شده با پیرومتر یا ترموکوپل): نظارت بر دمای سطح لوله در چندین نقطه در طول، نقاط داغی را شناسایی می‌کند که نشان‌دهنده برخورد شعله، اعوجاج هندسی لوله، یا تجمع مقیاس داخلی است که بر انتقال حرارت تأثیر می‌گذارد.

اقدامات تعمیر و نگهداری که کارایی را حفظ می کند

اقدامات تعمیر و نگهداری برنامه ریزی شده زیر، کارایی سیستم لوله تابشی را در طول عمر لوله در مقادیر طراحی یا نزدیک به آن حفظ می کند:

1. کالیبراسیون نسبت هوا به سوخت مشعل: کالیبراسیون سالانه یا دوسالانه کنترل هوای احتراق با استفاده از تحلیلگر گازهای دودکش کالیبره شده، تنظیم نسبت هوا به سوخت به سطح هوای اضافی هدف و مستندسازی تنظیمات. رانش کنترل مشعل یکی از شایع ترین علل کاهش کارایی در سیستم های عملیاتی میدانی است.
2. تمیز کردن ریکاوراتور: حذف و تمیز کردن سطوح تبادل حرارتی بازیابی کننده داخلی برای حذف گرد و غبار، رسوبات و رسوبات محصول احتراق که انباشته شده و ضریب انتقال حرارت را کاهش می دهند. برای اکثر محیط های صنعتی، نظافت سالانه در طول تعطیلی های تعمیر و نگهداری برنامه ریزی شده مناسب است. محیط های به شدت آلوده (ریخته گری، عملیات آهنگری) ممکن است به تمیز کردن مکرر نیاز داشته باشند.
3. بازرسی بصری و ابعادی لوله: بازرسی دوره ای سطح بیرونی لوله برای اعوجاج، نقاط داغ (مشاهده به عنوان تغییر رنگ یا تغییر الگوی مقیاس)، و شروع ترک ماکرو. بازرسی داخلی با استفاده از دوربین بورسکوپی، کربن زدگی، اکسیداسیون داخلی و آسیب برخورد شعله را نشان می دهد که از بیرون قابل مشاهده نیست.
4. بازرسی سیستم گاز دودکش: بررسی تمام مجرای گاز دودکش برای ورود نشت هوا (که گاز دودکش را رقیق می کند و دمای آن را کاهش می دهد و عملکرد دستگاه بازیابی را کاهش می دهد) و تأیید اینکه کنترل های پیش نویس پشته به درستی تنظیم شده اند.
5. تعویض قطعات لوله فرسوده: جایگزینی فعال بخش‌های لوله که نازک شدن، اعوجاج یا کربن‌سازی داخلی را قبل از وقوع خرابی نشان می‌دهد - تعویض برنامه‌ریزی‌شده در طول تعطیلی تعمیر و نگهداری برنامه‌ریزی‌شده هزینه کسری از تعویض‌های اضطراری در طول قطع تولید دارد.

مقایسه کارایی: لوله های تابشی در مقابل گرمایش مستقیم و الکتریکی

درک راندمان لوله تابشی نیاز به زمینه دارد - چگونه آن را با فن آوری های گرمایش جایگزین که در کاربردهای عملیات حرارتی صنعتی با آن رقابت می کنند مقایسه می کند؟

گرمایش با مقاومت الکتریکی در مقایسه با لوله‌های تابشی گازسوز وقتی بر اساس ورودی الکتریکی اندازه‌گیری می‌شود، راندمان نقطه استفاده بالاتری را به دست می‌آورد. با این حال، هنگامی که بهره وری انرژی اولیه در نظر گرفته می شود - محاسبه تلفات بازده در تولید و انتقال نیروی الکتریکی (معمولا راندمان تولید 35 تا 40 درصد برای نیروگاه‌های سوخت فسیلی متوسط شبکه) - بازده انرژی اولیه گرمایش مقاومت الکتریکی در سطح تولید تنها 30 تا 35 درصد است در مقایسه با 60 تا 85 درصد برای لوله‌های تابشی بازیابی شده با سوخت گاز در نقطه احتراق سوخت. در بازارهایی با ضریب نفوذ برق تجدیدپذیر بالا، این مقایسه انرژی اولیه برای گرمایش الکتریکی به خوبی تغییر می‌کند - که با کربن زدایی شبکه‌ها، توجه فزاینده‌ای مهم است. (منبع: IEA World Energy Outlook؛ داده های بهره وری تولید برق EPA.)

برای کاربردهای عملیات حرارتی در اتمسفر کنترل شده - کربورسازی، کربونیتر کردن، سخت شدن خنثی، بازپخت و تمپر کردن - لوله تابشی ترکیب ترجیحی سازگاری با اتمسفر و راندمان گاز سوز باقی می ماند با پیکربندی‌های بازیابی شده، بهره‌وری انرژی اولیه را ارائه می‌دهد که به گرمایش مقاومت الکتریکی در هنگام اعمال حسابداری انرژی منبع نزدیک می‌شود.

مراحل بهبود کارایی عملی برای نصب لوله های تابشی موجود

برای تاسیساتی که کوره‌های لوله تابشی موجود را کار می‌کنند که برای حداکثر کارایی بهینه نشده‌اند، اقدامات زیر مهم‌ترین و مقرون‌به‌صرفه‌ترین پیشرفت‌ها را ارائه می‌کنند که بر اساس دوره بازپرداخت معمولی رتبه‌بندی می‌شوند.

بهینه سازی نسبت هوا به سوخت مشعل

هزینه اجرا: کم دوره بازپرداخت: فوری یک جلسه اندازه گیری تجزیه و تحلیل احتراق و تنظیم مشعل، با استفاده از یک آنالایزر گاز دودکش قابل حمل کالیبره شده برای اندازه گیری O2، CO، CO2 و راندمان احتراق به طور همزمان، می تواند بازیابی شود. 5 تا 15 درصد مصرف سوخت در سیستم هایی که با کنترل ضعیف هوا و سوخت کار می کنند. این در دسترس ترین و سریع ترین مداخله بازده موجود است و باید اولین اقدام در هر برنامه بهبود کارایی لوله تابشی باشد.

نصب یا ارتقاء Recuperator

هزینه اجرا: متوسط تا زیاد (15000 تا 80000 دلار در هر لوله بسته به اندازه و پیکربندی). دوره بازپرداخت: 12 تا 36 ماه با قیمت معمولی گاز طبیعی صنعتی. نصب یک سیستم مشعل بازیابی بر روی یک لوله تابشی که قبلاً بازیابی نشده است می تواند مصرف سوخت را کاهش دهد. 20 تا 35 درصد در دمای عملیاتی 900 تا 1050 درجه سانتیگراد. برای کوره‌هایی با مشعل‌های لوله تابشی زیاد (8 تا 20 مشعل در هر کوره برای طرح‌های تسمه‌ای پیوسته یا اجاق غلتکی معمول است)، صرفه‌جویی در مصرف سوخت قابل توجه است و دوره‌های بازگشت به همان نسبت کوتاه است.

بهبود مهر و موم کوره

نفوذ هوا به داخل محفظه‌های کوره از طریق مهر و موم درها، پورت‌های الکترود، نفوذ ترموکوپل و دهانه‌های نوار نقاله باعث ایجاد دو جریمه بازده می‌شود: اتمسفر کنترل‌شده را رقیق می‌کند (افزایش مصرف گاز اتمسفر) و هوای سردی را وارد می‌کند که لوله‌های تابشی باید گرم کنند و مصرف سوخت را افزایش می‌دهد تا خروجی تولیدی نداشته باشد. آب بندی سیستماتیک مسیرهای نفوذ هوا - با استفاده از مهر و موم طناب الیاف سرامیکی روی درها، مهر و موم پاکسازی در دهانه نوار نقاله و بسته بندی پشم معدنی در نفوذ ابزار - می تواند مصرف سوخت را کاهش دهد. 5 تا 12 درصد در کوره های قدیمی با آب بندی خراب.

ارتقاء عایق

جایگزینی آجر نسوز فرسوده با عایق ماژول فیبر سرامیکی بر روی دیوارها و سقف کوره، اتلاف حرارت دیوار و جرم حرارتی حالت پایدار را به طور همزمان کاهش می دهد و راندمان عملیات مداوم و راندمان چرخه دسته ای را بهبود می بخشد. برای کوره های بیش از 15 تا 20 سال با عایق آجری اصلی، ارتقاء عایق معمولاً باعث صرفه جویی در مصرف سوخت می شود. 15 تا 25 درصد با دوره بازپرداخت 2 تا 5 سال بسته به اندازه کوره و ساعات کار. (منبع: DOE Industrial Technologies Program, "Waste Heat Reduction and Recovery for Improving Furnace Efficiency"؛ IHEA Technical Bulletin on Furnace Insulation.)

سری لوله های تابشی ما: کارایی مهندسی در هر جزء

ما لوله تابشی محدوده محصول با راندمان حرارتی و عمر مفید به عنوان اولویت های مهندسی همسو طراحی و تولید می شود. هر لوله در سری ما از آلیاژهای نیکل با کروم بالا با دقت انتخاب شده تولید می شود - از جمله HK40، HP اصلاح شده، و 35Cr-45Ni - با کنترل ترکیب و کیفیت ریخته گری بهینه شده برای انتشار سطح بالا، نرخ اکسیداسیون داخلی پایین، و مقاومت در برابر خزش که هم راندمان تشعشع و هم عمر مفید کوره را در شرایط سخت بهینه می کند.

ویژگی های مهندسی کلیدی سری لوله های تابشی ما که از کارایی عملیاتی پشتیبانی می کنند عبارتند از:

• کنترل ترکیب آلیاژ دقیق حصول اطمینان از سطوح کروم و نیکل ثابت که مقیاس اکسید محافظ بهینه را با مقادیر انتشار در محدوده 0.82 تا 0.91 پس از تهویه ایجاد می کند - به حداکثر رساندن شدت تابش در هر دمای دیواره لوله معین.
• ضخامت دیوار و تحمل قطر کنترل شده که از تناسب دقیق با مجموعه‌های مشعل و اتصالات بازیابی اطمینان می‌دهد، یکپارچگی مهر و موم را حفظ می‌کند که از دور زدن گاز دودکش جلوگیری می‌کند و راندمان بازیابی گرما را حفظ می‌کند.
• طیف کاملی از تنظیمات لوله - هندسه مستقیم، لوله U، لوله P و لوله W - برای مطابقت با چیدمان خاص کوره و هدف بازده هر نصب، با طول های سفارشی و شعاع خمشی موجود برای بهینه سازی نسبت سطح ماده به لوله
• پایان سطح و سازگاری ابعادی از تولید ریخته‌گری گریز از مرکز که تغییر ضخامت دیواره یکنواخت زیر 8 درصد ایجاد می‌کند و سطوح سوراخ داخلی صاف را ایجاد می‌کند که مقاومت جریان گاز احتراق را به حداقل می‌رساند - به توسعه یکنواخت شعله و توزیع گرما در طول لوله کمک می‌کند.
• نمرات آلیاژ درجه حرارت بالا برای کاربردهای SER و بازیابی - در جایی که هوای احتراق قبل از مشعل تا دمای 400 تا 650 درجه سانتیگراد گرم می شود، مواد لوله نزدیک انتهای مشعل باید بارگذاری حرارتی بالا را تحمل کنند. گریدهای آلیاژ برتر ما یکپارچگی ساختاری را در این شرایط برای فواصل خدمات طولانی حفظ می کنند
• گواهی مواد و قابلیت ردیابی کامل - گواهی‌های ترکیب شیمیایی، داده‌های آزمایش خواص مکانیکی، و سوابق بازرسی غیرمخرب، هر تحویل لوله را همراهی می‌کنند که از الزامات صلاحیت مواد در عملیات عملیات حرارتی هوافضا، خودرو و دفاع پشتیبانی می‌کند.

چه کاربرد یک خط کربورسازی پیوسته خودرو با حجم بالا باشد که در آن هزینه سوخت به ازای هر واحد پردازش شده معیار اقتصادی اولیه باشد، یک کوره سخت‌کننده دقیق هوافضا که نیاز غالب آن یکنواختی دما است، یا یک کوره پخت سرامیکی تخصصی که با حداکثر قابلیت دمایی فن‌آوری لوله SiC کار می‌کند، سری لوله تابشی با کیفیت و کارایی دقیق مواد مورد نیاز را فراهم می‌کند. طول عمر لوله.