Жидкого топлива

Горелочные устройства для сжигания

Назначение и классификация. Форсунка является основным элементом ГУ предназначенного для сжигания жидкого топлива. Понятная и четкая классификация форсунок позволяет правильно оценить их возможности и область применения.

Рис. 2.9. Конструкция ГУ фирмы Weishaupt типа

“Monarch” 1-11

В настоящее время существует достаточно много признаков по которым ряд исследователей классифицируют распыливающие устройства: по давлению, по расходу, по количеству и расположению сопел, по принципу распада струй, способу закрутки и т.п.

Однако мы ограничимся классификацией и рассмотрением только тех распыливающих устройств, которые в той или иной мере используются для сжигания топлива в котлах малой и средней мощности. В основу нашей классификации положен вид распыливающего агента (силы).

Паровые форсунки – прямоструйные и с распыливающей насадкой;

пневматические форсунки – с завихрителями и турбулизаторами;

гидравлические форсунки – струйные, центробежные, ударно-струйные, комбинированные, парогидравлические (паро-механические);

механические форсунки - с вращающимся распылителем (ротационные).

Приведенная выше классификация охватывает практически весь спектр форсунок, используемых для сжигания мазута, легких видов жидкого топлива и их смесей и эмульсий в камерных топках водогрейных и паровых котлов.

Паровые и пневматические форсунки. Современные паровые струйные форсунки принципиально мало отличаются от форсунки Шухова (первая в мире - 1880 г.), как и в пневматических дробление топлива осуществляется за счет кинетической энергии пар или воздуха.

Основными показателями работы являются качество дробления и расход распыливающего агента на распыливание 1 кг топлива. Взаимодействие потоков топлива и распыливающего агента в форсунках этого типа осуществляется как внутри форсунки, так и вне ее. Чем больше поверхность соприкосновения взаимодействующих потоков, тем эффективней работа форсунок (выше качество дробления, ниже удельный расход распыливающего агента).

В паровых форсунках завода «Ильмарине» (ОСТ 108.836.04-80), топливо подается по нормали к паровой струе через кольцевой зазор, образованный соплом и диффузором (рис. 2.10). Пар поступает по центральному отверстию, имеющему форму сопла Лаваля. Дальнейшее движение топливно-паровой смеси происходит в расширяющемся канале диффузора.

Изготовлялось 6 типоразмеров форсунок с пропускной способностью 60-1800 кг/ч (с максимальной пропускной способностью по типоразмерам 125; 240; 850; 1225; 1650; 1800 кг/ч); давление пара 0,4-2,5 МПа, давление мазута 0,05 МПа.

Опыт эксплуатации этих форсунок показал, что удовлетворительное качество распыливания достигается при давлении пара не ниже 1,2-1,3 МПа. Удельный расход пара на распыливание составляет 0,3 кг/кг. Для уменьшения длины факела устанавливают многосопловой насадок 3 (рис. 2.10). За счет сопротивления насадка давление топлива должно быть увеличено до 0,4-0,5 МПа.

Паровые форсунки могут использоваться в качестве пневматических высоконапорных. При работе форсунок на сжатом воздухе удельный расход воздуха на распыл составляет 0,8 кг/кг.

Количество распыливающего агента g _адля достижения качественной дисперсности зависит от давления р и плотности r_а распыливающего агента: чем меньше давление и плотность, тем больше g _а.

Форсунки парового распыла в настоящее время не используются в котлах малой мощности (секционных) из-за большой длины факела, низкого коэффициента качественного регулирования расхода топлива, также отсутствия, как правило, пара в отопительных котельных.

Рис. 2.10. Головка паровой форсунки (ОСТ 108.836.04-80): 1 - топливное сопло; 2 - распыливающая головка; 3 - насадок,

В незначительных количествах они применяются при оборудовании газомазутных горелок типа ГА на котлах ДКВР.

В низконапорных пневматических форсунках для распыливания топлива требуется 25-100 % воздуха, необходимого для его горения. Давление и скорость движения топлива не оказывают существенного влияния на распыливание, поэтому исследованиями расходных характеристик топливных сопел не занимаются, а расчет расхода топлива производят по обычной формуле

(2.1)

где m = 0,6-0,85 и зависит от конструкции топливного сопла; SD p - сопротивление топливопровода в форсунке до места его выхода; r – радиус сопла.

С удалением от оси паровых или пневматических форсунок, по радиусу, размеры капель уменьшаются; средний диаметр капель увеличивается с увеличением расстояния по оси сопла форсунки. Увеличение расходов распыливающего агента уменьшает диаметр капель до определенного значения, после которого дальнейшее увеличение расходов не будет сказываться на дисперсность распыливания.

Качество распыливания, зависит от затраченной на это энергии, для пневматических форсунок

(2.2)

где w_cp - средняя скорость распыливающего агента.

Энергия, затрачиваемая на распыливание топлива у паровых форсунок,

E _р = G _п×(i₂ - i₁), (2.3)

где i ₂ и i ₁ - энтальпия пара до и после сопла.

Удельная энергия распыливающего агента определяется как е = E _р /G _т.

Диаметр капель d _м (медианный или средний) будет уменьшаться с увеличением е, причем каждая форсунка будет иметь свою зависимость d _м от е.

Диаметр топливной струи оказывает значительное влияние на качество распыливания и для ряда форсунок имеет вид

d _м /r _т = d _м /d = f (y× К) = 15,4(y× К)^-0,27, (2.4)

где r _т - радиус топливной струи; d -толщина пленки топлива; y - коэффициент использования энергии распыливающего агента, зависящий от угла встречи потоков, степени их турбулизации, расстояния от места контакта обоих потоков до кромки сопла, y = 10 для струйных форсунок, y = 0,5 для центробежныхфорсунок, y = 1,66 для форсунок с двухступенчатым подводом распыливающего агента; К - критерий, учитывающий удельную энергию распыливающего агента и вязкость топлива.

Для создания статического давления используется расходный бак, устанавливаемый на определенной высоте либо в самой котельной, либо снаружи (объем не более 5 м³). С атмосферой бак сообщается трубой диаметром 50 мм, имеет спускную и переливную трубы. Все сливы из расходного бака должны направляться в сливную емкость, расположенную вне здания котельной.

Пневматические форсунки в котлах малой мощности также не рекомендуется использовать, так как для эффективного распыливания необходимо использовать весь воздух потребный для полного и качественного сгорания топлива. Изменение количества подаваемого воздуха сопровождается снижением его напора и ухудшением распыла топлива.

Форсунки имеют незначительный диапазон регулирования, длинный факел и как исключение могут применяться при распыливании легких жидких топлив (ЛЖТ) - ТПБ, дизельное. Незначительное количество пневматических низконапорных форсунок типа АГНД и ФАЖ осталось при оборудовании секционных котлов.

Техническая характеристика пневматических низконапорных форсунок типа АГНД и ФАЖ представлены в табл. 2.3, установка форсунки ФАЖ на секционном котле показана на рис. 2.11.

Гидравлические форсунки. В качестве рабочего тела используется давление самого топлива, которое развивается топливным насосом. На практике эти форсунки относят к форсункам механического распыливания.

Гидравлические струйные форсунки (ГСФ) представляют собой цилиндрическое сопло (или несколько сопел), из которого вытекает под давление жидкое топливо, распадающееся на капли. Факел имеет малый угол раскрытия, значительную дальнобойность струи и невысокое качество распыла. Из-за указанных недостатков струйные форсунки не применяются на котлах малой и средней мощности.

Таблица 2.3

Техническая характеристика низконапорных пневматических форсунок

Техническая характеристика	Тип форсунки )рсунки
АГНД-1	ФАЖ
Номинальная производительность, кг/ч Минимальное давление топлива перед форсункой, Па Давление распыливающего воздуха, Па Вязкость распыливаемого топлива, °ВУ, не более Электродвигатель: мощность, кВт частота вращения, мин ^-1 Масса форсунки, кг	12,5-48,0         1,1	30-100         1,1
Система автоматики в комплекте с форсункой	Автоматика безопасности

В центробежных гидравлических форсунках (ГЦБФ) создается закрутка подаваемого под давлением топлива. Создается вращающаяся пленка топлива, которая при истечении из сопла распадается, образуя факел в виде полого конуса. Угол раскрытия факела колеблется от 30 до 120 градусов и зависит от конструктивных характеристик распылителей, которые рассчитываются в процессе разработки форсунки или пересчета ее характеристики.

Эти форсунки наиболее чувствительны к вязкости топлива и давлению. При уменьшении расхода значительно снижается давление топлива, что сказывается на качестве распыла. Незначительное же изменение давления, как показали испытания, почти не влияет на расход топлива. Сопло (или жиклер) распылителя гидравлических форсунок имеет малый диаметр отверстий что приводит к засорению и коксованию последних. К тому же с повышением давления топлива (при малых диаметрах сопел) повышается расход электроэнергии на распыливание и ухудшает экономичность работы форсунки.

Рис. 2.11. Установка форсунки ФАЖ на чугунном котле: 1 - форсунка ФАЖ, 2 - смотровое окно; 3 - секция котла; 4 - термозащита пода топки; 5 - чугунный насадок форсунки.

Диапазон регулирования производительности при давлении до 2 МПа составляет 70-100 %, вследствие этого их наиболее целесообразно применять для котлов работающих в базовом режиме. Создание системы рециркуляции топлива увеличивает диапазон регулирования, однако не устраняет основной недостаток - коксование отверстий, и, как следствие, остановку котла. Проведенные НИИ сантехники работы показали, что ГЦБФ могут успешно применяться лишь при распыливании ЛЖТ.

Для секционных котлов, тепловой мощностью до 1,16 МВт при работе на ЛЖТ (типа дизельного) можно использовать ГЦБФ типа АФ-65. Форсунка состоит из корпуса, опирающегося на металлическую опору - пяту (если форсунка стоит перед котлом на полу), на которой смонтирован электродвигатель с удлиненным валом, соединенным через эластичное сцепление с топливным насосом и вентилятором, расположенными внутри корпуса. Корпус форсунки также может крепиться на дверке котла. Топливо подается под давлением 0,7-1,0 МПа, создаваемым шестеренным насосом. Расход топлива в форсунке изменяется от 0,11 до 3,5 г/с. Работа форсунки АФ-65 полностью автоматизирована. Приборы автоматики смонтированы на отдельном щите управления, который может быть укреплен на стене котельной или на котле. Система автоматики форсунки обеспечивает: автоматическое двухпозиционное ("включено - выключено") регулирование температуры воды в котле; выключение форсунки после засорения распылителя и погасания факела в топке; сигнализацию о нарушениях в системах защиты и электроснабжения.

Для котлов большей мощности выпускаются нормализованные форсунки по ОСТ 108.836.03-80 и ОН-521 ЦККБ ВТИ с расходом топлива 80-660 кг/ч и диаметром сопла 1,5-3,5 мм (10 типоразмеров).

Форсунки комбинированного действия (ПГФ) парогидравлические (паромеханические по традиционной терминологии) получили наибольшее распространение на котлах типа ДКВР, ДЕ, которые комплектуются с ГУ типа ГМГм, ГМГБ, ГМ (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Головка распыливающая парогидравлической центробежной форсунки: 1 - гайка накидная; 2 - завихритель паровой; 3 - завихритель топливный; 4 - прокладка; 5 - шайба распылительная; 6 - втулка.

В ПГФ за топливным завихрителем 3 (см. рис. 2.12) устанавливается паровой завихритель 2. На нагрузках до ~ 70 % от номинальной, пар на форсунку не подается, она работает как гидравлическая. На нагрузках ниже 70 % подается пар, который обеспечивает вторичное дробление капель (пленки) топлива, т.к. в паровой завихритель подается распыливающий агент с постоянным давлением, не зависящим от расхода топлива.

Удельный расход пара составляет 0,02-0,08 кг/кг. Чем выше расход пара G _р и его энергия Е _р, тем больше должно быть давление топлива, чтобы его кинетическая энергия Е _т могла влиять на качество распыла. При малых расходах G _т топлива его давление практически не влияет на дробление и зависит только от давления (энергии) Е _р распыливающего агента. В общем случае дисперсность распыливания зависит от суммарной удельной энергии топлива и пара.

(2.5)

где b - коэффициент использования энергии (для простых схем его можно определить при помощи теории турбулентных струй, для сложных – экспериментально). Для форсунок с внешним взаимодействием потоков топлива и пара, работающих по схеме двухсопловых форсунок, b = 0,24, для форсунок с внутренним взаимодействием, по схеме двухкамерных форсунок с одним выходным соплом, b = 0,33; w _т, w _р.а - скорости топлива и пара.

Изменение диаметров капель распыливаемого топлива при подаче распыливающего агента при Е _т¹ Е _р, показало, что в форсунках с внешним взаимодействием потоков при малом давлении топлива, когда оно практически не влияет дисперсность кривая зависимости носит экстремальный характер. С повышением давления топлива до какого-то критического значения (характерного для конкретной форсунки) медианный диаметр капель топлива растет. Увеличение d _м будет происходить до тех пор пока потенциальная энергия давления топлива не будет соизмеримой с Е _р. При дальнейшем повышении давления топлива оно начинает влиять на тонкость распыливания (при постоянном давлении пара) и d _м начинает снижаться.

Принцип действия механических форсунок обусловлен конструктивными решениями и способом подвода жидкости (топлива). Одна из категорий механических распылителей - это непосредственная подача топлива на распыливающий элемент. Жидкость под избыточным давлением подается на вращающийся элемент форсунки и за счет центробежной силы растекается по нему в виде пленки и далее срываясь с поверхности разрушается на мелкие частицы.

По конструкции рабочие элементы делятся по расположению оси вращения (вертикальные и горизонтальные), по форме распылителя: дисковые, чашечные, звездочные, сопловые и реактивные.

Чашечные распылители с горизонтальной осью вращения получили название ротационных форсунок с вращающимся стаканом наружный диаметр которых 70-90 мм. Внутренняя полость выполнена с расширением под углом 5-6° со срезом на конце к наружной образующей под углом ~30°. Топливо подается к стакану по полому валу, который вращается электродвигателем с частотой вращения 1,1-1,4 с^-1.

Из уравнения равенства сил, действующих на элементарный объем жидкости и сил сопротивления можно записать выражение в виде:

v ² r × dm ×Sina = 2p× r×d S dl (2.6)

где 2a - угол конусности распылителя; v - угловая скорость распылителя; r - расстояние рассматриваемого кольцевого элемента жидкости от оси распылителя; dm = 2p×r× r×dr×dl - масса элемента жидкости (см. рис. 2.13).Первый член уравнения 2.6 – сила, действующая вдоль распылителя, а второй член уравнения - сила сопротивления. Если принять, что скорость жидкости у стенки стакана равна нулю, можно получить выражение для определения скорости потока вдоль распылителя (стакана):

w_x = (2.7)

где r_m – радиус воздушной полости; n - кинематическая вязкость; R_n - текущий внутренний радиус стакана.

Рис. 2.13. Схема движения жидкости по чашечному распылителю: 1- вращающаяся чашка (стакан); 2 - топливно-выпускные отверстия; 3 - полый вал.

Тогда расход топлива можно определить из уравнения:

G (2.8)

Траектория частиц, покидающих стакан, представляет гиперболоид вращения, поэтому угол раскрытия факела b можно определить из выражения:

(2.9)

где - средняя по сечению жидкостного кольца скорость топлива.

Для определения размера образующихся капель жидкости предлагается использовать зависимости, полученные для центробежных форсунок:

(2.10)

где d - толщина пленки по краю стакана; w = 2p× R_n v; m_ж, m_г - вязкость топлива и газа

Ротационные форсунки являются наиболее приемлемыми для распыливания топочных мазутов, а также других видов легкого жидкого топлива, например дизельного топлива в котлах. Преимуществами данных форсунок является отсутствие малых диаметров сопел, топливных насосов высокого давления, фильтров тонкой очистки. Эффективное распыливание топлива можно осуществлять при вязкости топлива до 15 °ВУ.

Механические форсунки ротационного типа. На рис. 2.14. показано ГУ типа Р-1-150, выпускаемое опытно-механическим заводом "Терас" (г. Таллинн).

Предварительно подогретое топливо (рис. 2.14) подается насосом (или самотеком) в конус-распылитель (стакан) 8, насаженный на конец вращающегося вала 14. Центробежной силой топливо прижимается к внутренней стенке стакана и движется к краю, растекаясь тонкой пленкой. Дойдя до края конуса, топливо разбрызгивается (распыливается). Находящийся на этом же валу вентилятор 11 подает в форсунку первичный воздух с давлением 4,5-5,0 кПа, создавая вокруг конуса воздушный поток, под влиянием которого образуется газотопливная смесь. Вентилятор и конус вращаются электродвигателем 4с клиноременной передачей 3. Первичный воздух составляет около 20 % общего количества воздуха, необходимого для горения. Вторичный воздух (около 80 % общей подачи) поступает от дутьевого вентилятора или засасывается в топку за счет разрежения.

Основными достоинствами ротационной форсунки являются ее малая чувствительность к низким сортам жидкого топлива, хорошее качество распыливания, простота регулирования подачи топлива. Диапазон регулирования распыляемого топлива в ГУ Р-1-150 составляет 1:10, что позволяет сравнительно легко автоматизировать ее работу при использовании различных схем автоматики. Возможно качественное распыливание топлива с вязкостью до 16 °ВУ; обладает коротким факел - 700 мм, что особенно важно для котлов малой мощности.

Большое значение для этих форсунок имеет способ подвода вторичного воздуха. Наиболее положительные результаты были получены при подводе вторичного воздуха с помощью входного устройства, заканчивающегося цилиндрическим прямоточным (без закручивания воздушного потока) конусом.

При оборудовании секционных котлов, для сжигания топочных мазутов, так и более легких видов жидкого топлива (моторного топлива) установка ротационных ГУ рекомендуется с фронта котлов на высоте нижних ниппелей секций. Сами нижние ниппеля и задние секции термоизолируются для обеспечения надежности работы секций котлов. Необходимость футеровки вызвана еще и тем, что, раскаляясь, она способствует сжиганию частиц топлива в факеле.

Рис. 2.14. Ротационное горелочное устройство Р-1-150: 1 - шкив; 2 - кожух; 3 - текстропный ремень; 4 - электродвигатель; 5, 7 - части корпуса ГУ; 6 - подвод топлива; 8 - распылитель; 9 - стабилизирующее кольцо; 10 - зажим; 11 - вентилятор; 12 - регулирующая заслонка; 13 - воздушный патрубок; 14 - полый вал.

Топочное устройство (как при сжигании мазутов, так и для ЛЖТ) остается таким же и включает топку, ГУ Р-1-150, топливный блок и систему автоматики. Вверху топки расположен взрывной клапан. Для фильтрации, рециркуляции топлива перед пуском, нагрева его до заданной температуры и создания необходимого статического давления желательно предусматривать устройство расходного топливного блока.

Система автоматики регулирования обеспечивает программный автоматический пуск котла, работу его в зависимости от требуемой температуры воды.

Автоматика безопасности отключает котел (с одновременной подачей сигнала) в следующих случаях: при погасании пламени, падении разрежения в топке, падении давления воды в котле, снижении температуры мазута, повышении температуры воды сверх установленной.

Для пуска котла предусмотрена установка автоматического розжига состоящая из баллон со сжиженным газом, электрогазового запальника, высоковольтного трансформатора и электродов зажигания. Контроль за наличием факела осуществляется фотодатчиком.

Установка и конструкция других других механических ГУ ротационного типа, выпускавшихся в Таллине (Р-2, Р-3, АР-90) аналогичны рассмотренной выше, техническая характеристика которых представлена в табл. 2.4.

Горелочное устройство РМГ-1 предназначено для сжигания топочных мазутов по ГОСТ 10585-75 в топках котлов типа Е-1-9М и др (Вариант РМГ-1П предназначен для сжигания ЛЖТ (ТПБ, моторных топлив).

ГУ РМГ-1 состоит из ротационной форсунки 1 (рис. 2.15), воздухонаправляющего короба 2 и щита управления горелкой. Форсунка крепится к коробу при помощи 4 шпилек, приваренных к последнему. Плотность между коробом и форсункой достигается установкой между ними асбестовой прокладки 3.

Таблица 2.4

Техническая характеристика механических ГУ

Дата добавления: 2014-11-29