Схеми розпилення рідкого палива. Мазутні форсунки

За способом розпилення рідкого палива форсунки можна розділити на три основні групи: механічні; з розпилюючим середовищем; комбіновані.

В механічних форсунках розпилювання відбувається за рахунок енергії палива при продавлюванні його під великим тиском через малий отвір - сопло (рис. 1 а), або за рахунок відцентрових сил, які створюються при закручуванні палива (рис. 1 б), або при обертанні елементів самої форсунки (рис. 1 в). Подальше роздрібнення отриманих крапель відбувається під впливом тиску навколишнього середовища.

В форсунках з розпилюючим середовищем розпилення палива відбувається головним чином за рахунок енергії розпилювача, який рухається з великою швидкістю - пари або повітря (рис. 1 г і д).

В комбінованих форсунках (рис. 1 е) розпилення палива відбувається за рахунок сумісного використання енергії палива, яке подається під тиском і енергії розпилюючого середовища.

Подрібненню струменя палива, яке виходить з форсунки, сприяють пульсації (коливання), які виникають в ній і інтенсивність яких залежить від швидкості витікання струменя. Такі коливання сприяють розпаду струменя на окремі краплини. Подальше подрібнення краплин при їх русі відбувається внаслідок перевищення тиску навколишнього середовища над силами поверхневого натягу, які прагнуть зберегти сферичну форму краплин.

Рис. 1. Схема форсунок для розпилення рідкого палива

а) прямоструменева; б) відцентрова (центробіжна); в) з обертовою чашею; г) високого тиску; д) низького тиску; е) комбінована

Для визначення середнього діаметру краплин d_ср використовують критеріальні залежності вигляду:

(1)

де D - характерний геометричний розмір (діаметр сопла); - число Вебера (для форсунок з розпилюючим середовищем); ω - відносна швидкість розпилювача і рідини, яка розпилюється; ρ_г - густина розпилювача (навколишнього середовища); σ - коефіцієнт поверхневого натягу рідини; - число Лапласа; ρ_р - густина рідини, яка розпилюється; ν_р кінематична в'язкість рідини; ν_г - кінематична в'язкість розпилювача (навколишнього середовища); - число Рейнольдса (для механічних форсунок); G_г/G_р - питома витрата розпилювача (для форсунок з розпилюючим середовищем).

Число Вебера характеризує співвідношення інерційних сил розпилюючого потоку і сил поверхневого натягу рідини, число Лапласа - співвідношення сил в'язкості і поверхневого натягу рідини. При розрахунках використовують і інші системи критеріїв.

З підвищенням температури розпилюючої рідини поверхневий натяг змінюється незначно. Однак при цьому помітно зменшуються сили внутрішнього тертя (в’язкість). Тому для зменшення в'язкості і покращення розпилювання мазут перед спалюванням підігрівають до 90-120°С, що також полегшує умови його транспортування по трубопроводах. Для підігрітого мазуту вплив в'язкості на тонину (величину) розпилення виявляється значно меншим від впливу інерційних сил і сил поверхневого натягу. Таким чином, розміри одержаних краплин залежать від особливостей форсунки і зменшуються при зменшенні її вихідного отвору, з пониженням поверхневого натягу рідини, із збільшенням відносної швидкості краплини та середовища і з збільшенням густини останнього.

Для механічної відцентрової форсунки (рис. 1 б) тонина розпилювання визначається в основному швидкістю витікання рідини, яка залежить від перепаду тиску на форсунці Δр. Середній розмір краплин d_ср обернено пропорційний перепаду тиску Δр^0,35÷0,5 і прямо пропорційний діаметру сопла D^0,5÷¹. Для форсунки з розпилюючим середовищем найважливішим фактором, який визначає тонину розпилення є відносна швидкість розпилюючого потоку і рідини ω. Середній розмір краплин d_ср обернено пропорційний відносній швидкості ω^0,9÷1,25 і прямо пропорційний початковому діаметру сопла (струменя) D^0,4÷0,55.

Для запобігання застигання мазуту в трубопроводах мазутні лінії прокладають разом з паровими і забезпечують загальною ізоляцією.

Розпилення мазуту механічними форсунками. При механічному розпиленні якість розпилення залежить від тиску мазуту, який створюється насосом. Як правило, мазут поступає до форсунок під тиском 2,0-3,5 МПа. Наявність механічних домішок в мазуті і малі вихідні отвори форсунок (1,5-3,5 мм) вимагають ретельної фільтрації мазуту перед спалюванням.

Відомо багато типів механічних мазутних форсунок. Одними з найбільш поширених є форсунки типу ОН-547 (рис. 2), які призначенні для використання в стаціонарних парових котлах.

До розпилюючої головки мазут подається через дуло, проходить через отвори розподілювача в кільцевий канал і далі по тангенціальних каналах завихрювача попадає в камеру завихрювання де одержує обертово-поступальний рух і подається через сопло у топку. Взаємодіючи з навколишнім газовим середовищем за рахунок виникаючих пульсацій струмінь розпадається на краплі, які в свою чергу від впливу середовища подрібнюються на дрібні краплини.

Рис. 2. Форсунка механічна середня типу ОН-547

1 – колодка з з’єднувальними і кріпильними деталями; 2 – дуло; 3 – розпилювач; 4 – завихрював; 5 – сопло

Продуктивність механічних форсунок регулюють зміною тиску мазуту перед форсункою, внаслідок чого вони мають малий діапазон регулювання. Якщо врахувати, що продуктивність форсунки змінюється приблизно до співвідношення:

(2)

то при зміні тиску, наприклад, в 3 рази витрата змінюється в 1,73 рази. Зниження тиску нижче 1-1,2 МПа за умовами забезпечення необхідною розпилення мазуту не рекомендується. В зв'язку з цим глибше пониження навантаження котла може бути здійснене шляхом виключення частини форсунок.

Слід відзначити, що є спеціальні конструкції механічних форсунок, які дозволяють регулювати продуктивність в достатньо широкому діапазоні (форсунки з рециркуляцією мазуту і ін.). Деякі типи цих форсунок, а також комбіновані форсунки розглядаються далі.

Розпилення мазуту форсунками з розпилюючим середовищем. Для розпилення мазуту форсунками високого тиску застосовують пару або стиснуте повітря (див. рис. 1 г), а форсунками низького тиску - повітря, яке подається вентилятором (див. рис. 1 д). При паровій пульверизації мазуту застосовують пар з тиском 0,5-2,5 МПа. Питома витрата пари при цьому складає 0,3-0,35 кг/кг мазуту.

При повітряній пульверизації мазуту у форсунках високого тиску повітря, яке подається компресором, має тиск 0,3-0,6 МПа, а його питома витрата складає 0,6-1 кг/кг мазуту. Через форсунку в цьому випадку поступає усього близько 5-10% повітря від необхідного для повного згорання мазуту. Решта повітря подається до кореня факела. У форсунках високого тиску відносна швидкість розпилюючого агента доходить до 1000 м/с, чим забезпечується хороше подрібнення крапель мазуту з отриманням тонкого розпилу. Тиск мазуту перед форсунками з врахуванням відносно великих розмірів їх каналів може бути невеликим. Менш жорсткі вимоги пред'являються і до очищення мазуту.

Парові високонапірні форсунки характеризуються значним споживанням енергії - на розпилювання мазуту витрачається до 5 % виробленої пари котлом.

При спалюванні мазуту з паровим і повітрям розпиленням використовують форсунки різних конструкцій. На рис. 3 показана мазутна форсунка парового розпилювання типу ФП.

З вхідного штуцера мазут потрапляє в кільцевий канал дула форсунки між внутрішньою і зовнішньою трубками. Пар поступає у внутрішню трубу і виходить через сопло, яке розширюється з високою швидкістю. Мазут проходячи кільцевий канал, потрапляє в потік пари через кільцеву щілину, яка утворюється відрізком сопла парової труби і внутрішньою конічною поверхнею дифузора де і розпилюється. Якість розпилення мазуту залежить від швидкості виходу пари. Насадка, яка присутня на виході форсунки призначена для збільшення кута розкриття конуса розпиленого мазуту. Парові форсунки типу ФП випускаються різних типорозмірів продуктивністю по мазуту до 0,5 кг/с (1800 кг/год). Тиск пари перед форсункою 0,4-2,5 МПа, тиск мазуту – 0,4-0,5 МПа. Відносна витрата пари на розпилення мазуту 0,4 кг/кг. Для покращення взаємодії пари і мазуту використовують також форсунки з багато сопловим розпиленням.

Парові форсунки характеризуються високою якістю розпилення. Регулювання продуктивності здійснюється в широких межах. Проте парове розпилення мазуту приводить до втрати конденсату, збільшення вмісту водяної пари в продуктах згорання і до підвищених втрат з відхідними газами, а також до посилення корозії поверхонь нагріву. Робота таких форсунок відрізняється підвищеним шумом.

Рис. 3. Форсунка парова типу ФП

1 - колодка; 2 - дуло; 3 - сопло; 4 - дифузор; 5 - насадка

У високонапірних форсунках з повітряним розпиленням мазуту повітря не лише розпилює паливо але і інтенсифікує горіння. Для високонапірного повітряного розпилення (тиск повітря 0,5-2,5 МПа) можуть бути використані форсунки, які призначені для парового розпилення.

В форсунках з розпилюючим середовищем низького тиску (див. рис. 1 д) застосовують повітря під тиском 0,002-0,007 МПа. Через форсунку подають 50-100 % повітря від необхідного для згорання мазуту, тому такі форсунки мають відносно великі розміри. Мазут до форсунки поступає під невеликим тиском (0,03- 0,2 МПа).

Порівняльна оцінка форсунок механічних і з розпилюючим середовищем. Як випливає з сказаного механічні форсунки в порівнянні з форсунками з розпилюючим середовищем вимагають тоншого очищення мазуту, що ускладнює мазутне господарство підприємства. В порівнянні з високонапірними паровими механічні форсунки дають грубіше розпилювання. При тиску мазуту близько 2 МПа середній розмір крапель складає близько 40 мкм, а при розпиленні парою з тиском 1 МПа - близько 2 мкм.

Найважливішою перевагою механічних форсунок перед паровими є значно менша (приблизно у 10 разів) витрата енергії на власні потреби. Вони створюють при роботі значно менший шум і є компактнішими. Робота механічних форсунок не викликає збільшення вмісту водяної пари в продуктах згорання, як це має місце при парових форсунках. Механічні форсунки дають коротший факел з великим кутом розкриття.

Істотним недоліком звичайних механічних форсунок є відносно малий діапазон зміни їх продуктивності (80-100 % в порівнянні з 20-100 % в парових форсунок).

З врахуванням викладеного для котлів середньої і великої продуктивності при постійній роботі на мазуті використовують механічні форсунки як найбільш економічні. Парові форсунки використовують для установок малої потужності і як розпалюючі.

Розпилення мазуту комбінованими форсунками. Усунення основного недоліку механічних форсунок (малого діапазону регулювання продуктивності) досягається використанням комбінованого паро-механічного розпилення мазуту. Форсунки, які для цього використовуються (рис. 4) при підвищених навантаженнях котла працюють як механічні, а при малих навантаженнях (менше 60%), а також в пускових режимах в них подають також пару.

Рис. 4. Розпилююча головка паро-механічної форсунки типу ФПИ:

1 - дуло; 2 - розподільник; 3 - паливний завихрювач; 4 - парове сопло; 5 - гайка; 6 - гайка накидна

До комбінованих можуть бути віднесені і ротаційні форсунки (рис. 5).

Рис. 5. Ротаційна форсунка

І - первинне повітря

Мазут по центральному трубопроводу подається в розпилюючу чашу з частотою обертання 5-7 тис. об/хв.. Мазут розподіляється по внутрішній поверхні чаші і у вигляді тонкої плівки викидається в топкову камеру. Подрібненню плівки сприяє первинне повітря, яке поступає при тиску 0,01 МПа через зазор на виході з чаші. Повітря подається крильчаткою вентилятора, яка сидить на одному валу з приводом чаші. В якості привода використовують електродвигуни з великою частотою обертання, а також повітряні і парові турбіни. Первинне повітря складає близько 20 % загальної кількості повітря необхідного для горіння мазуту. Решта повітря поступає в топку через кільцевий простір, який утворюється соплом і кожухом форсунки.

Ротаційні форсунки не вимагають ретельної фільтрації мазуту, дають хороше розпилювання і володіють широким діапазоном регулювання продуктивності (15-100%). Недоліками таких форсунок є складність конструкції і шум при роботі.