книги из ГПНТБ / Кулагин Л.В. Форсунки для распыливания тяжелых топлив
.pdfЛ. В. КУЛАГИН, м . Я. МОРОШКИН
ФОРСУНКИ ДЛЯ РАСПЫЛИВАНИЯ
ТЯЖЕЛЫХ топлив
'КОНТРОЛЬНЫЙ
ЭКЗЕМПЛЯР
Москва
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
1973
К 90 УДК 621.43.038.8-634.001
Кулагин Л. В., Морошкин М. Я. Форсунки для распыливания тяжелых топлив.М., «Машиностроение», 1973,
200с.
Вкниге рассмотрены процессы распыливания тяжелых жидких топлив. Даны гидравлические и дисперсионные характеристики форсунок различных типов, а также результаты исследования зависимостей этих характери стик от конструкций, основных размеров и режимов работы форсунок. Приведены эксплуатационные требо вания к форсункам, даны рекомендации для их реали зации и методика расчета центробежных распылителей.
Книга предназначена для инженерно-технических работников, занятых проектированием, изготовлением и эямілуатацпеіЦпаровых котлов и газотурбинных уста-
Гос. нвдйзн'.'чйвбя. 10, ил. 96, список лит. 26 назв.
|
-• • |
•• |
_ |
? |
|
|
|
|
:. |
. ~ |
р |
|
|
|
|
ЧИТ. |
ОГ•' |
SJWHPHT* д-р техн. наук Л. А. Клячко |
|||||
3 |
ІЧ/6 |
ѵ |
~ |
. |
4* |
|
|
|
|
163-73 |
|
/0?0J? |
|||
|
|
|
|
|
|
Леонид Викторович |
Кулагин |
|
|
|
|
|
Михаил Яковлевич |
Морошкин |
ФОРСУНКИ ДЛЯ РАСПЫЛИВАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ ТОПЛИВ
Редактор издательства Л. И. Степанова Технический редактор А. И . Захарова Корректор Е. В. Сабынич
Переплет художника В. Б, Торгашова
Сдано в набор 8/1 1973 г. Подписано к печати 17/ѴІІ 1973 г. Т-08269 Формат 84XI087»г Бумага № 3 Усл. печ. л . 10,5 Уч.-изд. л. 11,0 Тираж 4100 экз. Зак. № 151 Цена 69 коп.
Издательство «МАШИНОСТРОЕНИЕ», Москва, Б-78, 1-й Басманный пер., 3
Ленинградская типография № 6 Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли 193144, Ленинград, ул. Моисеенко, 10
© Издательство «Машиностроение», 1973 г.
ОСОБЕННОСТИ РАСПЫЛИВАНИЯ
вязких топлив
Свойства тяжелых топлив, влияющие на распиливание
Современные тяжелые топлива представляют собой, как правило, смеси остаточных продуктов как прямой пере гонки нефти, так и крекинг-процесса. Они являются средне- и высокомолекулярными циклическими соедине ниями и ароматическими углеводородами, соединениями карбоновой кислоты, смол и асфальтенов. Тяжелые мотор ные и топочные мазуты имеют довольно высокие вязкость и плотность, содержат много асфальто-смолистых веществ, значительное количество серы и ванадия, механических примесей и воды. В отличие от мазутов с малой вязкостью мазуты с большой вязкостью имеют большую молекуляр ную массу. Эти топлива состоят в основном из высококипящих фракций (при температуре до 350° С выкипает всего около 8—12%), а потому они имеют более высокую температуру начала кипения. Из-за повышенного содер жания в мазутах высококипящих фракций увеличивается количество сажи в продуктах сгорания, которая, осаж даясь на футеровке и поверхностях нагрева котлов и пе чей, снижает к . п . д. установок.
Плотность и вязкость являются важнейшими характе ристиками качества мазутов, определяющими возможность и условия их применения. При высоких значениях плот ности и вязкости топлива уменьшается скорость осажде ния механических примесей. Плотность мазутов обычно находится в пределах 900—1060 кг/м3 и не оказывает сильного влияния на работу распылителей. Вязкость мазутов изменяется в очень широких пределах и от ее значения существенно зависит эффективность работы фор сунок.
На качество распыливания оказывает влияние поверх ностное натяжение топлив, которое для мазутов всех
1* |
3 |
марок, в том числе и тяжелых, изменяется в узких пре делах (27—30 МН/м). Опытные данные показывают, что поверхностное натяжение линейно снижается с повыше нием температуры и уменьшением плотности топлива. С увеличением содержания смолистых веществ и нафте новых кислот поверхностное натяжение топлива не сколько возрастает.
В тяжелых топливах, как правило, находятся меха нические примеси, состоящие из частиц песка, глины, окиси железа, а иногда и минеральных солей. Особенно вредное влияние оказывают твердые частицы, которые приводят к истиранию внутренних поверхностей форсу нок и тем самым отрицательно влияют на качество распыливания. Тяжелые мазуты быстрее изнашивают фор сунки, чем легкие, так как из-за высокой вязкости и боль шой плотности эти топлива плохо отстаиваются от частиц песка и неуглеродных компонентов. При этом забива ются фильтры, что приводит к усложнению эксплуатации агрегатов.
Вода находится в топливе чаще всего в суспензиро ванном или эмульсированном состоянии. Содержание в мазутах воды не должно превышать 2%. Однако для мазутов при подогревании острым паром допускается увлажнение до 5%, а в отдельных случаях и выше.
При хранении и периодическом подогреве тяжелых топлив качество их изменяется. Это обусловлено нали чием нестабильных составляющих частей топлив. Ма зуты, имеющие повышенное содержание смолистых ве ществ, менее стабильны. Из-за окисления неуглеродных компонентов увеличивается вязкость топлив и содержа ние в них смолисто-асфальтовых веществ. При этом образуются смолистые осадки, в составе которых обычно находятся механические примеси, вода, масла и твердые парафины. Особенно нестабильны крекинг-осадки с содер жанием карбоидов более 1 %. При температуре стенок
подогревателя 150° С на поверхностях |
нагрева |
смолистые |
||
соединения |
осаждаются со скоростью 0,5 мм |
в |
месяц |
|
171. |
|
|
|
|
Мазуты |
можно классифицировать |
по области их |
при |
менения: моторные, флотские, топочные, для мартенов ских печей; по содержанию серы — малосернистые, сер нистые и высокосернистые; по вязкости — маловязкие, средней вязкости, высоковязкие и сверхвязкие; по плот ности— легкие,, тяжелые и сверхтяжелые (табл. I) .
4
- Т а б л и ц а 1
|
|
|
|
|
|
Мазуты |
|
|
Топ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Показатели |
мо |
флотские |
|
топочные |
|
ливо |
||||
|
|
МП и |
||||||||
|
|
|
|
тор |
Ф5 |
Ф12 |
40 |
100 |
200 |
МПС |
|
|
|
|
ный |
|
|||||
Плотность |
|
при |
|
|
|
|
|
_ |
|
|
20° С |
в |
кг/м3 , |
|
|
|
|
|
|
||
не более |
|
. . . |
970 |
|
|
|
1015 |
1015 |
||
Кинематическая |
|
|
|
|
|
|
|
|||
вязкость |
|
в |
|
|
|
|
|
|
|
|
мм2 /сек, не бо |
|
|
|
|
|
|
|
|||
лее: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
при |
50° С |
148 |
36,2 |
89 |
|
|
|
|
||
» |
80° С |
— |
— |
— |
59 |
115 |
— |
59— |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
118 |
» |
100° С |
— |
— |
— |
— |
— 47,6— |
— |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
70,2 |
|
Теплота |
|
сгора |
|
|
|
|
|
|
|
|
ния |
(низшая) |
|
|
|
|
|
|
|
||
небраковочная |
|
|
|
|
|
|
|
|||
в МДж/кг: |
41,1 |
41,3 |
41,3 |
|
|
|
40,4 |
|||
для |
|
мало |
|
|
|
|
|
|
|
|
сернистых |
|
|
|
|
|
|
|
|||
и |
серни |
|
|
|
|
|
|
|
||
стых |
|
топ- |
|
|
|
|
|
|
|
|
лив . . . |
|
|
|
40,6 |
40,4 |
40,2 |
|
|||
для |
высоко |
|
|
|
|
|
|
|
||
сернистых |
|
|
|
|
|
|
|
|||
топлив |
|
|
|
40,0 |
39,8 |
39,6 |
|
|||
Зольность |
в |
%, |
|
0,1 |
|
0,15 |
0,15 |
0,3 |
0,3 |
|
не более |
|
. . . |
0,15 |
0,1 |
||||||
Механические |
|
|
|
|
|
|
|
|||
примеси |
в |
%, |
|
|
|
1,0 |
|
|
2,5 |
|
не более |
|
. . . |
0,2 |
р,і |
0,15 |
2,5 |
2,5 |
|||
Вода в %, не бо |
|
|
|
|
|
|
2,0 |
|||
лее |
|
|
|
1,5 |
1,0 |
1,0 |
2,0 |
2,0 |
' 1,0 |
|
Сера в %, не бо |
|
2,0 |
0,8 |
|
(для высоко- |
0,5 |
||||
лее |
|
|
|
3 |
3,5 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
сериистого) |
|
5
В Советском Союзе |
по ГОСТам 1667—68, 10585—63 |
и 14298—69 нефтяное |
топливо выпускают семи марок: |
моторное топливо, флотские мазуты Ф5 и Ф12, топочные мазуты 40, 100, 200 и топливо для мартеновских печей МП и МПС. В пределах указанных марок топочные мазуты
также делятся на малосернистые, сернистые и высоко |
||
сернистые |
с |
содержанием серы по массе соответственно |
не более |
0,5; |
2,0 и 3,5%. . |
|
Моторное топливо успешно применяют на двигателях |
||
с |
малой частотой вращения, в том числе на судовых. |
||
Марку мазута |
для |
стационарных установок выбирают |
|
в |
зависимости |
от |
производительности форсунок, осна |
щенности котлоагрегатов и печей подогревателями. Для промышленных печей и котельных установок с расходом топлива на каждую форсунку 25 — 50 кг/ч рекоменду ется применять легкое топливо; для форсунок произво дительностью 50 — 100 кг/ч можно использовать топливо средней вязкости — типа мазута 40; для форсунок с рас ходом выше 100 кг/ч следует применять топливо с боль шой вязкостью •— типа 100. Таким образом, с увеличе нием производительности форсунок могут быть исполь зованы более тяжелые сорта топлив [8].
Конструктивные схемы форсунок и закономерности процесса распыливания
За период эксплуатации форсунок для тяжелых топ лив создано большое количество конструкций. Учитывая широкий диапазон установок, использующих тяжелые топлива {мощные котельные агрегаты, нагревательные печи, газотурбинные двигатели, отопительные системы и т. д. ), в ряде случаев форсунки для вязких топлив классифицируют по объектам их применения: для котель ных агрегатов, газотурбинных двигателей, металлурги ческих печей, отопительных установок и др.
В зависимости от конкретных условий эксплуатации форсунок необходимо при распыливании и сжигании топлива получать факел: короткий, плоский, длинный, кольцевой, сплошной и т. д. Поэтому форсунки часто различают по форме факела.
Так как для работы топливосжигающей установки имеет большое значение производительность форсунок, то этот показатель нередко берется за основу при класси фикации форсунок,
6
Классификация форсунок по объектам применения, форме факела и производительности весьма условна. Так, например, во многих случаях форсунки одной и той же конструкции используют в камерах сгорания газотур бинных установок и топках котлоагрегатов, в технологи ческих печах и бытовых отопительных установках. Фор сунки разной производительности различаются только размерами проходных сечений.
Наиболее целесообразно подразделять форсунки для тяжелых топлив по способу распыливания. В форсунках при получении необходимой для горения дисперсности топливного факела используют энергии давления топ лива, паровой или воздушной струи, движущегося распы лителя, тепловую энергию, энергию ультразвуковых коле баний, электрического поля и т. д.
В форсунках, распыливающих топливо за счет потен циальной энергии, вся энергия непосредственно сообща ется топливной струе. Обычно такие форсунки называют механическими и значительно реже — форсунками дав ления или бескомпрессорными.
Механические форсунки по принципу подачи топлива могут быть подразделены на непрерывные и периодичес кие; по форме факела — на струйные, многоструйные и центробежные; по системе регулирования — с постоян ными и переменными дозирующими сечениями; по коли честву топливных контуров — на одноступенчатые и мно гоступенчатые.
Для распыливания тяжелых топлив, начиная с фор сунки Григорьева П. И. [8], применяются различные вари анты конструкций простых центробежных форсунок. Осо бенность их работы заключается в сообщении топливу перед соплом тангенциального направления движения. Это достигается винтовой нарезкой, установкой коничес кого или цилиндрического шнека, подачей топлива в вих ревую камеру по тангенциальным каналам и с помощью лопаточного завихрителя (рис. 1). Вследствие наличия тангенциальной составляющей скорости топливо из сопла центробежной форсунки вытекает в форме конусной пленки.
В установках, которые требуют широкого диапазона регулирования подачи топлива, применяют двухконтурные форсунки, имеющие две независимые системы подачи топлива. ВВ форсунке такой конструкции достигают десятикратного диапазона регулирования расхода топлива.
7
В ряде конструкций по второму контуру топливо отводится из форсунки в расходной бак. По такой схеме выполняют перепускные форсунки, отвод топлива в кото рых можно производить через отверстия в торцовой или цилиндрической стенке камеры закручивания, а также через кольцевую полость у сопла.
Форсунки с использованием для дробления топлива кинетической энергии распыливающего агента по срав-
ВидГ
в) г)
Рис. 1. Схемы центробежных форсунок:
а — с винтовым завихрителем; б — с коническим шнеком; в — с танген циальными каналами; г — с лопаточным завихрителем
нению с механическими форсунками могут работать на более вязком топливе. Для распыливания обычно при меняют пар или.воздух.
Конструкции паровых и пневматических форсунок делятся по форме выходного отверстия на щелевые и струй
ные; по способу |
распыливания |
и образования смеси — |
||
на |
форсунки с |
внутренним |
и |
внешним распыливанием; |
по |
числу ступеней подвода |
воздуха — на одноступенча |
тые, двухступенчатые и многоступенчатые; по воздействию пара или воздуха — на односторонние с наружным и цен тральным подводом и двусторонние; по движению топлива и распыливающего агента — на прямоструйные и вих ревые; по направлению движения топлива и распылива ющего агента — на форсунки с движением распылива ющего агента и топлива в одну сторону, навстречу и под углом; по распределению массы топлива и пара или воздуха — на одноструйные и многоструйные; по системе
8
регулирования — на форсунки с постоянными и пере менными сечениями сопловых отверстий. Наиболее рас пространенные конструкции форсунок с использованием в качестве распиливающего агента пара и воздуха,
применяемые для подачи тяжелых |
сортов топлива, будут |
||
рассмотрены ниже, а |
схемы их |
работы |
представлены |
на рис. 2. |
|
|
|
Среди форсунок, в которых используется |
механическая |
||
энергия движущегося |
распылителя, наиболее перспек- |
г) |
а) |
|
е) |
^ |
- Распылидающий агент |
|
|
||
1=^1 - Топлибо |
|
|
|
|
|
Рис. 2. Схемы |
пневматических |
форсунок: |
|
а — с внешним |
распыливанием |
и центральным |
подводом распылителя; б — |
с внутренним распыливанием и наружным подводом распылителя; в — с много ступенчатым распыливанием; г — с двусторонним распыливанием; д — со встречей потоков под углом; е — вихревая
тивными для работы на тяжелых топливах являются ротационные форсунки. Их выполняют дисковыми и чашеч ными, открытыми и закрытыми, одноконтурными и мно гоконтурными, с принудительным и реактивным вра щением (рис. 3). Дисковые форсунки в основном исполь зуют в кольцевых камерах сгорания газотурбинных установок, где необходимо подавать топливо по кругу. Чашечные форсунки нашли применение в топках паровых котлов. В открытых форсунках топливо выходит из распылителя по всей окружности чаши или диска, а в за крытых форсунках топливо поступает в зону горения через систему небольших отверстий. Одноконтурные фор
сунки |
имеют |
один |
распылитель, а многоконтурные — |
|
систему |
концентрично расположенных |
распылителей. |
||
В форсунках |
с принудительным вращением |
распылителя |
||
используется |
привод |
от электродвигателя или турбины, |
а в реактивных форсунках вращение распылителя про-
9