книги из ГПНТБ / Кулагин Л.В. Форсунки для распыливания тяжелых топлив

чают зависимости для определения вероятного диаметра и распределения капель по диаметрам. Однако по этой схеме довести решение до конца не удалось, и в конеч­ ное уравнение входит параметр, определяемый экспери­ ментально.

Рассмотренные схемы и основные теоретические поло­ жения распада струи позволяют оценить качественные изменения дисперсности топливного факела в зависимости от свойств топлив, конструкции форсунки, давления топ­ лива или воздуха и других условий распыливания. Однако ни одно из полученных до настоящего времени теорети­ ческих уравнений не позволяет найти удовлетворитель­ ные количественные связи между параметрами работы форсунки, диаметрами капель и их распределением. Поэтому при расчетах обычно используют опытные кри­ териальные зависимости.

В качестве одного из критериев для обработки резуль­

топлива, наиболее существенно влияющие на качество распыливания [6, 7]. Для штифтовых форсунок вместо диаметра сопла в критерий Re входит эквивалентный диаметр, равный отношению площади кольцевого проход­

для легких топлив и воды с водными растворами глице­ рина [5], что свидетельствует о недостаточной универ­ сальности выбранных критериев.

В связи с тем, что тяжелые топлива имеют различную вязкость и приблизительно одинаковые коэффициент поверхностного натяжения и плотность, которые мало изменяются при нагревании, для практических целей

20

обработки опытных данных по распыливанию тяжелых топлив изложено ниже.

Характеристика топливного факела

В любом топочном объеме необходимо обеспечить полное и быстрое сгорание топлива. Поэтому во многих случаях работу форсунок оценивают по результату испы­ тания всего топочного устройства, а именно по величине химического и механического недожогов, длине факела, распределению температур в зоне горения и т. д. Такой комплексный метод ранее широко применяли Рамзин Л. К., Белоконь Н. И. и др., а в настоящее время в ряде стран он вошел в стандарты. По стандартам Франции, Италии, ФРГ и Бельгии форсунки испытываются в цилиндриче­ ских водоохлаждаемых камерах, размеры и режимы работы которых зависят от производительности форсунок. Основ­ ные условия контроля и допустимые отклонения показа­ телей работы опытной топочной установки, принятые в каждой из указанных стран, приведены в табл. 2.

5

6

*При максимальной производительности форсунки.

**При минимальной производительности форсунки.

***Цифры 3, 4, 5, 6 даны соответственно для легкого, среднего и тяжелого топлив и для мазута.

21

Показатели, приведенные в табл. 2, отражают качество горения, но не могут полностью характеризовать эффек­ тивность работы форсунки, так как являются производ­ ными всего топочного процесса. Форсунки, обеспечиваю­ щие отличные результаты работы в одних условиях, окажутся совсем непригодными для других. Поэтому оценка форсунки по результату работы топочного устрой­ ства явно недостаточна и необходим контроль основных показателей работы самой форсунки.

К основным показателям работы форсунки, как распыливающего узла, относятся производительность, рас­ пределение топлива в факеле, геометрия факела. Кроме того, целесообразно ввести и экономический показатель работы форсунки.

В паспорте на мазутные форсунки обычно указывают два значения расхода: максимальный и минимальный. Величину расхода часто записывают и в условном наиме­ новании типа форсунки. Например, ОЭН75, ОЭН500, НГМ250 и т. д. Числа, стоящие после буквенных индексов, соответствуют максимальному расходу форсунки в кг/ч. Для механических форсунок в зависимости от давления топлива указывают несколько контрольных значений расхода. В пневматических и паровых форсунках при регулировании расхода топлива целесообразно соответ­ ственно менять расход воздуха или пара, что преду­ сматривается паспортными данными или соответствую­ щими нормалями.

Расход топлива существенно зависит от вязкости, величина которой определяется маркой и температурой топлива. Однако при равных температурах и в пределах одной марки вязкость тяжелых топлив может иметь не­ сколько значений, несмотря на то, что по ГОСТу на топ­ ливо дается только одно предельное значение вязкости. Поэтому необходимо указывать вязкость топлива, на котором получены расходные характеристики.

Распределение распыленного форсункой топлива оце­ нивается полем удельных потоков топлива в различных.. участках факела. Распределение топлива в факеле зависит от типа форсунки и должнр соответствовать распределению

ных, как правило, с двумя максимумами на некотором расстоянии от оси. Для большинства топочных установок

22

цией форсунки, то условный угол в значительной мере определяется абсолютным значением скорости топлива и силой аэродинамического воздействия. Поэтому обычно за угол факела принимают угол вылета капель из сопла.

Для правильной организации процесса горения, рас­ чета условий подачи воздуха, обеспечения вписывания зоны горения в габаритные размеры топки необходимо знать ширину и длину топливного факела. За ширину факела следует принимать его наибольший диаметр, который достигается при движении топлива под действием энергии, полученной в форсунке, т.е. до момента заметного влияния на траекторию капель силы их тяжести и потока окружающего воздуха. Длина факела определяется даль­ ностью полета наиболее крупных капель, получивших при распыливании максимальную кинетическую энергию. Ширина и длина факела являются величинами условными. Дальнобойность факела определяется конструкцией и про­ изводительностью форсунки, начальной скоростью струи и диаметрами капель. С повышением скорости длина факела достигает максимума и затем сокращается. При этом не только растет кинетическая энергия, но и умень­ шаются диаметры капель, а это приводит к уменьшению массы и увеличению аэродинамического сопротивления фракций. «

Наиболее важной характеристикой форсунки является мелкость распыливания топлива, которая определяет общую поверхность контакта • топлива с окружающим воздухом.

Общее число капель в факеле чрезвычайно велико (в 1 г топлива содержится до 104—107 капель), а их диа­ метры неодинаковы. Поэтому для оценки качества рас­

24

вания, определяющей ширину спектра распределения капель по размерам, может служить величина отношения

ристики рассеивания чаще применяют среднеквадратические или среднелогарифмические отклонения, рассчи­ тываемые по уравнениям

и

где хср — средний диаметр капель.

25

При обработке результатов, измерения диаметров ка­ пель получают дифференциальные или интегральные кри­ вые распределения количества капель, их поверхности или объема (массы). Дифференциальные кривые дают зави­ симость относительного числа капель, поверхности или объема от их диаметра:

о di

Интегральные кривые дают зависимость общего числа, поверхности или объема капель, диаметр которых меньше или больше заданных:

При измерении числа капель в уравнениях (7) и (8)

личных форсунках, и использования результатов измере­ ния в расчетах предложен ряд аналитических выраже­ ний распределения капель по диаметрам, средикоторых наибольшее распространение имеет уравнение Розин-Рам- млера

26

Соответственно при таком распределении капель диф­ ференциальные и интегральные кривые типа (7) и (8) описываются следующими аналитическими уравнениями:

В этих уравнениях показатель п является характе­ ристикой разброса по диаметрам капель. Чем больше константа распределения п, тем меньше величина диаметра капель отличается от своего среднего значения. Характе­

Кривая, построенная по уравнению (9), как и многие кривые, характеризующие статистическую совокупность, имеет область изменения переменного xt от 0 до оо. Для практических расчетов интервал изменения х1 ограничи­ вают предельными диаметрами капель, полученными непосредственно при измерениях, или значениями, соот­ ветствующими определенной величине xt, удовлетворя­ ющей поставленной задаче. В статистике при обработке опытных данных за предельный размер переменной при­ нята величина, вероятность появления которой состав­ ляет 0,27%. Если эти условия использовать для-кривой, построенной по уравнению (9), то максимальный и мини­ мальный диаметры капель будут соответствовать точкам кривой (9), ординаты которой R3 равны 0,27 и 99,73%. Тогда максимальный диаметр капли

хтах — %о V 5,924,

а минимальный

хтп = х 0 V 0,00276.

27

Интервал изменения диаметров капель в факеле опре­ деляется соотношением

- ^ = -^"2142

хтіп

и для значений константы п, равных 2, 4, 8, соответствен­ но составит 46, 28, 6,9 и 2,63.

Если опытным путем найти два любых средних зна­ чения диаметра капель, то можно построить всю кривую и рассчитать необходимые диаметры капель. Поэтому для характеристики факела по дисперсности вполне достаточно двух средних значений диаметров капель.

Экономичность любого узла, в том числе и форсунки, должна быть одной из важнейших характеристик. Однако пока не существует критериев для ее оценки. Если оце­ нивать экономичность по к. п. д. горения, то форсунка, соответствующая топочному объему и условиям горения, но менее рациональной конструкции, может иногда дать лучшие показатели, чем более совершенная форсунка, но не подходящая для данного топочного объема. Условно можно считать более экономичной ту форсунку, которая имеет минимальные гидравлические потери и при меньшей удельной затрате энергии обеспечивает более мелкое распыление топлива.

Методы контроля процесса распыливания

Для контроля параметров работы форсунки пока не существует единых общепринятых методов и могут быть использованы разные приборы и способы. Измерение необходимых величин производится прямыми или косвен­ ными методами.

Прямой метод измерения осуществляется с помощью объемных и массовых расходомеров. Наиболее простым прибором, определяющим объемный расход, является штихпробер. На время замера топливо подается к фор­ сунке из штихпробера, включенного параллельно с рас­ ходным баком. Определяя время освобождения одной из мерйых емкостей, подсчитывается секундный или часовой расход топлива. Измерение времени слива топлива из мерной емкости может быть автоматизировано, что осо­ бенно важно для тяжелых топлив, при работе с которыми трудно точно установить момент прохождения уровня жидкости через контрольные риски.

28

При определении расходов топлива за большой про- . межуток времени применяют счетчики количества мер­ ных емкостей поступившего в систему топлива. Принцип действия таких расходомеров заключается в поперемен­ ном заполнении и сливе мерных емкостей с регистрацией числа циклов. Заполнение и освобождение объемов может происходить при свободном течении топлива и при избыточном давлении.

При свободном сливе жидкости применяют стацио­ нарные, опрокидывающиеся и поворотные барабанные мерные камеры. В стационарных баках для работы счет­ чика и управления переключением емкостей чаще приме­ няют поплавковые устройства. Принцип действия рас­ ходомеров с опрокидывающими бачками основан на нарушении равновесия по достижению установленного объема жидкости. Равновесие нарушается из-за переме­ щения центра тяжести при наполнении мерного отсека. Каждое опрокидывание отмечается счетным механизмом. Аналогично работает и барабанный расходомер только вместо бачка поворачивается барабан, и топливо посту­ пает в следующую мерную камеру.

При движении топлива под давлением переключение заполняющей и расходной полостей происходит из-за разности сил, действующих на разделительные элементы расходомера (наклонные диски, кольцевые поршни, оваль­

разделительного элемента) фиксируется счетчиком, пока­ зывающим объемные расходы жидкости.

Методы измерения расхода топлива, рассмотренные выше, позволяют получить результаты за длительный отрезок времени, а для оценки производительности фор­ сунки необходимо, чтобы за время замера давление

итемпература топлива оставались постоянными. Поэтому для контроля работы форсунок целесообразно

использовать приборы, измеряющие расход топлива в дан­ ный момент времени. В этом случае обычно используют косвенные методы контроля расхода топлива с помощью ротаметров. Принцип работы ротаметров основан на изменении положения поплавка в вертикальной кони­ ческой трубке в зависимости от количества протекающей жидкости. Для измерения расхода тяжелых топлив пере­ мещение поплавка можно фиксировать с помощью меха­ нической, электрической или пневматической передач

29