ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

МАЗУТНЫЕ ФОРСУНКИ

Горение жидких топлив происходит после их испарения в основ­ном в паровой и газовой фазах, поэтому интенсификация сжигания мазутов связана с интенсификацией испарения, газификации и смесе­образования. Испарение интенсифицируется путем сильного увеличе­ния поверхности испарения распылением жидкого топлива на мелкие капельки. Равномерным распределением мелкодисперсного топлива в турбулизированных потоках воздуха обеспечивается .хорошее смеше­ние образующихся паров с воздухом. Поэтому распыление жидкого топлива производится в завихренных потоках воздуха, поступающих в камеру через воздухонаправляющие аппараты горелок.

Распыление — сложный комплекс физико-химически^ процессов. Для распыления жидкого топлива применяют форсунки. По способу распыления форсунки разделяют на механические, вращаю­щиеся (ротационные), паровоздушные (пневматические) высо­кого давления и воздушные (вентиляторные) низкого дав­ления.

В механических форсунках высокой производительности (рис. 11-1) и средней производительности (рис. 11-2) мазут, подаваемый насосом, поступает через штуцер 1 в ствол 2 и направляется к распыливающей головке форсунки.

Форсунка состоит из корпуса 3, к которому накидной гайкой 4 прижимаются два (рис. 11-1) или три (рис. 11-2) специальных диска. Мазут поступает в отверстия распределительного диска 5, далее по тан­генциальным каналам завихривающего диска 6 попадает в вихревую камеру и с большой скоростью и сильным завихрением продавливает­ся через отверстие диска 6 (рис. 11-1) или насадка 7 (рис. 11-2). Под­вергаясь одновременно воздействию осевой и центробежной силы, струйка мазута вытекает из отверстия насадка под некоторым углом и при своем движении образует поверхность в виде однополостного гипер­болоида с кольцевым сечением, что способствует распылению мазута (см. § 10-4).

/ — штуцер; 2 — ствол; 3 — корпус; 4 — накидная гайка; 5 — распределительный диск в — завихривающий диск; 8 — медная прокладка.

Форсунка чугунной оправой крепится к крышке регистра, устанав­ливаемого у амбразуры горелки и служащего для завихрения воздуха.

Форсунки нормализованы по конструкции и типоразмерам. Детали форсунок выполняются в основном одинаковыми, кроме распиливаю­щих элементов. Последние отличаются величиной проходных сечений и числом завихривающих каналов. Типоразмеры и характеристики фор­сунок высокой производительности в зависимости от давления мазута перед форсункой даны в табл. 11-1, а средней производительности для парогенераторов средней и малой мощности — в табл. 11-2.

Производительность механической форсунки зависит от размера сопла, давления и вязкости распыливаемой среды.

Производительность форсунки при давлении мазута, отличающемся от указанного в таблицах, может быть определена по соотношению

В = В, кг/с. (11-1)

В формуле:

Ря, Вя — давление и производительность (по табл. 11-1 и 11-2);

Р — рабочее давление мазута.

Для обеспечения достаточной текучести по трубопроводам и улуч­шения распыления мазут перед форсункой должен иметь вязкость 192 3—4° ВУ, для чего мазут подогревают до 80—100°С в открытых баках. Вязкие мазуты подогревают до 110—130°С в закрытых баках. Темпе­ратура подогрева мазута не должна превышать температуру его кипе­ния, так как вскипание недопустимо. При вскипании и образовании газовой фазы могут возникнуть пульсации в мазутопроводах, форсунках и в факеле. Вскипание недопустимо и по условиям пожарной безопас­ное ти.

К достоинствам механических форсунок относится высокая эконо­мичность сжигания, достигаемая хорошим распылением и тем, что рас­ход энергии на создание давления мазута перед форсунками относи­тельно небольшой и значительно меньше, чем расход энергии при паро­вом и воздушном распылении. При давлении мазута 3,5—4 МПа (35 — 40 кгс/см2) расход энергии не превышает 0,1% мощности парогенера­тора (не более 1 кВт-ч на тонну мазута). Бесшумность распыления при помощи механических форсунок обеспечивает благоприятные усло­вия для работы эксплуатационного персонала.

Однако механические форсунки требуют установки топливных на­сосов и повышенной плотности мазутопроводов. Недостатками этих форсунок является возможность засорения распылителей и небольшие пределы регулирования их производительности. Для удаления механи­ческих примесей, могущих вызвать засорение канала распылителя ме­ханических форсунок и ухудшить условия работы топливных насосов, 8 мазутном хозяйстве предусматривают последовательно включенные фильтры грубой и тонкой очистки.

Механические форсунки нормально работают в небольших преде­лах регулирования нагрузки. Регулировать производительность меха­нических форсунок можно изменением начального давления мазута {качественное регулирование) или изменением проходного сечения рас­пылителя (количественное регулирование). Первый способ не эффекти­вен, так как снижение давления против расчетного ухудшает качество распыла. Второй способ более рационален, так как скорость истечения мазута из распылителя сохраняется близкой к оптимальной. Однако значительно усложняется конструкция форсунки при относительно не­большом изменении проходного сечения распылителя и поэтому при­меняется редко.

Рекомендуется минимальное давление мазута перед механически­ми форсунками устанавливать не ниже 1,0 МПа (10 кгс/см2) при вяз­кости топлива не выше 3°ВУ. По характеристикам отечественного обо­рудования (насосов) максимальное давление мазута перед форсунками составляет 4,0 или 5,5 МПа (40 или 55 кгс/см2).

Вследствие того что уменьшение производительности форсунки со­гласно формуле (11-1) достигается за счет квадратичного снижения давления, диапазон качественного регулирования механических форсу­нок не выше 50%. Из-за ухудшения условий перемешивания мазута с воздухом и в связи со значительным изменением его скорости в ряде случаев этот диапазон сокращается до 30%. В горелках - с двухпоточной подачей воздуха, позволяющей поддерживать скорость воздуха на высоком уровне, диапазон качественного регулирования со­ставляет 50%.

Регулирование производится также отключением части форсунок <без изменения давления перед работающими форсунками. Но на паро­генераторах большой мощности, обычно оборудуемых форсунками вы­сокой производительности, отключение части форсунок может вызвать тепловой перекос в топке. Поэтому для обеспечения достаточно гибкой 13—541 193

Регулировки нагрузки на парогенератор устанавливают несколько ме­ханических форсунок с нерегулируемым сечением распылителей (от 2 до 20 шт.) с суммарной расчетной производительностью по мазуту, рав­ной 110—120% от расхода при номинальной паропроизводительности, и регулирование производят изменением давления до его минимального значения по условиям распыления, т. е. 1,2—2 МПа (12—20 кгс/см2), в пределах 100—70%.

Механические форсунки используются на парогенераторах средней и большой паропроизводительности, для которых мазут является основ­ным или постоянным дополнительным топливом.

/1-/1

Рис. 11-4. Головка двухпоточной меха­нической форсунки. 1 — сопловая шайба; 2 — основной поток мазу­та; 3 — дополнительный поток мазута; 4 — за - вихритель.

Для более глубокого "регулирования производительности применя­ют форсунки специальных конструкций: механические с рециркуляцией мазута, двухпоточные, паромеханические и ротационные.

В механических форсунках с рециркуляцией (рис. 11-3) мазут подается через центральный ствол 1, проходит рас­пределительную 2 и распыливающую 3 шайбы и через отверстие нако­нечника 4 распыливается в топку. Из камеры завихрения часть мазута через кольцевой канал 5 возращается в приемный трубопровод топлив­ного насоса. Изменением давления в сливной линии изменяется коли­чество возвращаемого мазута и тем самым регулируется производи­тельность форсунки. При уменьшении давления из-за увеличения ре­циркулируемой части мазута производительность форсунки падает, а с увеличением давления — увеличивается.

С большим диапазоном регулирования работает двухпоточная механическая форсунка (рис. 11-4). В завихритель мазут поступает двумя потоками —один из них (2) не регулируется и являет­ся основным для обеспечения необходимой степени крутки, регулирова­ние производится за счет изменения расхода во втором, дополнитель­ном потоке (<3). С учетом допустимого снижения давления в основном контуре диапазон регулирования составляет 100—30%.

Пар о механическая форсунка двухканальная (рис. 11-5): один канал для подачи мазута, другой — пара. Мазутный канал напоминает механическую форсунку. При большой нагрузке форсунка работает как чисто механическая: мазут, подаваемый по цен­тральному каналу, последовательно проходит через механический завихритель и насадку. При малой нагрузке, при которой механическое 194
распыление не получает требуемого качества, используется также и пар. Последний через паровой канал проходит систему отверстий в корпусе форсунки и поступает в паровой завихритель, далее, встре­чаясь с потоком мазута, распыливает его по выходе из насадка. Диа­пазон регулирования этой форсунки 100—20%.

Ротационная форсунка. На рис. 11-6 показана конструктивная схе­ма распиливающей головки ротационной форсунки. Мазут под давле­нием 0,12—0,13 МПа (1,2—1,3 кгс/см2) через полый вал 1 и ряд отвер­стий в распределителе 2 поступает на распыливающую чашу 3, которая жестко соединена с валом. При вращении с частотой 600—700 об/мин •с края чаши стекает непрерывная пленка жидкого топлива. Воздух, нагнетаемый компрессором 4, находящимся на том же валу, с большой скоростью проходит че­рез кольцевой зазор между вращающей­ся чашей и неподвижным корпусом 5.

Под влиянием трения о стенки рас - пыливающей чаши и центробежных сил частицы жидкого топлива двигаются по спиральным траекториям. На выходе из чаши действие центростремительных сил от стенок распылителя прекращается и частицы движутся с большой скоростью по касательным к их прежним траекто­риям, образуя жидкую пленку. Воздух, истекая из кольцевого зазора, повышает

Устойчивость пленки и способствует ее утоныпению. По мере движения пленка все утоньшается и распадается на мелкие капельки. Качество распыления мало зависит от вязкости мазута и удовлетворительно при вязкости до 13°ВУ. Отверстия увеличенного размера менее подвержены засорению, поэтому форсунка. не требует высокой степени очистки мазу­та. Качество распыла сохраняется в диапазоне от 20 до 100% номи­нальной производительности.

Ротационные форсунки нашли применение в судовых топочных устройствах и в промышленной теплотехнике. В настоящее время раз­рабатываются более мощные форсунки, производительностью до 0,85 кг/с, для крупной энергетики.

Мазутная форсунка парового распыления (рис. 11-7). Пар под давлением 0,5—2,5 МПа (5—25 кгс/см2) проходит по внутренней трубе, заканчивающейся расширяющимся соплом 2 мазут поступает по коль­цевому каналу; струя пара, вытекающая из расширяющегся сопла со скоростью до 1000 м/с, захватывает мазут, вытекающий из кольцевого канала, и через диффузор 3 поступает в топку.

В паровых форсунках первичное дробление производится за счет кинетической энергии пара, истекающего из сопла форсунки. Частицы первичного дробления приобретают скорость паровой струи, обычно соответствующую критической скорости, при которой значительным сопротивлением воздуха они раздробляются на мельчайшие капельки. Из-за больших скоростей истечения при использовании паровых фор­сунок достигается более тонкое распыление, чем при применении меха­нических. Насадка применяется для сжигания мазута с коротким факе­лом. Типоразмеры и основные характеристики паровых форсунок приве­дены в табл. 11-3.

Паровые форсунки конструктивно проще, чем механические. Значи­тельно проще и их обслуживание. Мазут к ним поступает под неболь­шим давлением — 0,2—0,5 МПа (2—5 кгс/см2). Для работы в условиях ограниченного перепада давления и малых скоростей подачи канал форсунки для мазута выполняется прямоточным сравнительно большо­го сечения. Канал легко продувается паром и не засоряется даже при отсутствии фильтров, что наряду с простотой конструкции паровой форсунки и схемы в целом обеспечивает их высокую надежность в работе.

Это обстоятельство позволяет выполнять паровые форсунки со зна­чительно меньшей производительностью, чем механические, и снабжать ими парогенераторы меньшей мощности.

Пределы регулирования нагрузки паровых форсунок шире, чем у механических, что имеет существенное значение при их использова­нии на парогенераторах малой мощности, работающих обычно с пере­менным графиком паровой нагрузки.

Недостатком паровых форсунок является большой расход пара на распыление, составляющий порядка 2% всего пара, вырабатываемого парогенератором. Сильный шум, сопровождающий работу форсунки, отрицательно влияет на эксплуатационный персонал.

Паровые форсунки применяют преимущественно на промышленных парогенераторах, работающих на мазуте в качестве основного топлива. На электростанциях паровые форсунки применяют как растопочные.

При включении паровой форсунки в работу вначале включают пар, а затем подают мазут. При отключении сначала прекращается подача мазута, а затем отключается пар. Вязкость мазута, обеспечивающая нормальную работу паровой форсунки, —6—7° ВУ.

Форсунки воздушные (вентиляторные) низкого давления находят очень ограниченное применение, в основном в промышленных печах.

Распыление происходит за счет распада внутри канала при течении через проходное узкое сопло, механического воздействия рас­пылителя на струю топлива, разрушающего ее под влиянием сил трения, местного паро­образования и вскипания под влиянием ка­витации.

В центробежных механических форсун­ках с тангенциальным завихрителем (рис.

11-8) и завихривающим диском, работаю­щих лри больших перепадах давления в струе 0,8—2 МПа (8—20 кгс/см2), по­ток жидкого топлива интенсивно закручи­вается и затем продавливается через малое отверстие сопла. В этих условиях жидкое топливо подвергается распаду. Вследствие кавитации в струе возникают пузырьки пара, вы­зывающие пульсации потока с большой частотой, сопровождающейся усилением распространения кавитации на всю массу струи.

Использование центробежного эффекта в механических и вращаю­щихся форсунках приводит к разрыву оплошного потока. Жидкость внутри выходного канала принимает форму полого цилиндра, а истекая из сопла, образует пленку, принимающую форму гиперболоида, кото­рая при утонении распадается на капельки, подвергающиеся дальней­шему измельчению в потоке (элементарная теория распыления приве­дена в § 10-4).

Истечение жидкости из сопла происходит через кольцевое сечение с действитель­ной скоростью

В формуле:

Шпр — приведенная скорость потока, рассчитанная на полное сечение сопла, м/с; г2

«Р = 1 — — — коэффициент живого сечения сопла;

Г — внутренний радиус кольцевого сечения вытекающего из сопла потока жидко­сти, м;

Г с — радиус сопла, м.

По теории центробежной форсунки, разработанной Г. Н. Абрамовичем [Л. 33], секундный расход жидкости определяется по формуле

В' = ^сшПр = ^0^-- , м3/'с. (И-З)

В формуле:

/г=зхг2с — площадь выходного сечения сопла, м2;

Но — теоретический коэффициент расхода; р—полное давление среды перед форсункой, МПа; р — плотность, кг/м3.

Из формулы (11-3) следует, что для заданной конструкции производительность механической форсунки прямо пропорциональна сРс и У~р~-

Для идеальной жидкости теоретический коэффициент расхода центробежной фор­сунки определяется ее безразмерным геометрическим параметром

. ЯоГс

И коэффициентом живого сечения ф.

В формуле:

#о=£з. к—Гвх— радиус завихривания;

Яз. к — радиус завихривающей камеры;

Гвх — эквивалентный радиус входных каналов форсунки.

Зависимость теоретического коэффициента расхода от А и р выражается фор­мулой

|*"> = 1/~1------- ж ' (1|'4>

У <р2 ~Ь" 1 ш

(р2

В этом случае коэффициент расхода выражается через коэффициент живого се­чения

Н*0 = у/ 2~^"<р ’ (11'6)

По Г. Н. Абрамовичу угол распыления струй приближенно определяется из выра­жения

(I _«) /8"

А = 2 arctg------- 1 'Г7--. (11-7)

* (^V—4)Vy V

Экспериментальная проверка указанных зависимостей показала, что совпадение теоретических данных с опытными имеет место только в довольно узких пределах. Для мощных центробежных форсунок разной конструкции теоретическая зависимость p, o = f(^4) нарушается.

Опыт показывает, что коэффициент расхода механической форсунки зависит от

Размера сопла, давления и вязкости распиливаемой среды и качества изготовления

Деталей форсунки.

Действительный коэффициент расхода равен:

1 ПЧ / ГС ,03 / р 0,015

H. ;=0,64H|03(^j [jf-J, (11-8).

Где v — вязкость мазута перед форсункой, м2/(с-106).

Кривые распределения капель по фракциям подчиняются статистической зависи­мости Розина — Раммлера:

/ d т

Я =100,? ^СР* , (11-9);

В формуле:

R — относительная масса капель (%), размеры которых превышают d; d — диаметр капли;

>1 » . „ 100

«ср — среднии диаметр капель, соответствующий /? = — = 36,8 %;

Т=2— коэффициент распределения капель по фракциям. Безразмерный диаметр капли распыленной жидкости, йт, м,

(р. Гс)°'5У0»4

Для построения кривой распределения капель по фракциям используется соот­ношение:

(11-11)

Для форсунок большой производительности можно принимать следующие конст­руктивные зависимости:

Относительный радиус-камеры завихривания ^?3.к/гс=:2,0-н2,5;

Относительная высота входных каналов Ь/гс — 0,7-н 1,2;

Относительный эквивалентный радиус входных каналов гВх/гс = 0,9ч-1,2;

^ВХ _ _

Ширина входных каналов а = —^— , где число каналов п = 3 ~ 6.

Степень совершенства форсунки оценивается по средней тонкости и однородности. распыления, которые она может обеспечить.

Помимо конструктивных характеристик самих форсунок, тонкость распыления зависит от скорости выброса струи топлива из распылите­ля, плотности среды, вязкости, плотности и поверхностного натяжения топлива. Поэтому улучшение распыления достигается:

А) при механическом распылении — за счет повышения давления топлива перед форсункой;

Б) при паровом и воздушном распылении — за счет повышения скорости истечения струи распыливающего агента;

В) подогревом топлива перед распылением, что снижает его вяз­кость и поверхностное натяжение.