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

от скорости потока. Для измерения этой скорости на пути движения жидкости устанавливают тангенциальные или

или в отдельном изолированном корпусе, называемом счетчиком «сухоходом», или в корпусе, затапливаемом измеряемой жидкостью, называемом счетчиком «мокроходом». Для тяжелых топлив можно использовать только «сухоходные» счетчики.

С применением ультразвуковой аппаратуры скорост­ ные расходомеры позволяют производить бесконтактное измерение расхода любой жидкости. Принцип действия такого расходомера построен на измерении разности времени прохождения сигналов от ультразвуковых излу­

перепад давления при прохождении жидкости через диафрагму или сопло Вентури. Этот же принцип изме­ рения используют и при установке калиброванного сопла. Вследствие того, что в форсунках выходное сопло имеет

тарировать форсунку и поддерживать постоянными зна­ чения вязкости и плотности топлив, что в эксплуатацион­ ных условиях выполнять затруднительно.

При контроле процессов горения и для характеристики топочного устройства важно знать не объем, а массу сгоревшего топлива. Поэтому показания как объемных, так и скоростных расходомеров необходимо пересчитать с учетом плотности топлива.

При лабораторных исследованиях форсунок измерить непосредственно массовый расход топлива можно с по­ мощью весов. Для непрерывного контроля расхода в еди­ ницах массы созданы расходомеры, основанные на изме­ рении инерционных сил и моментов. Это расходомеры с подвижными участками трубопроводов сложной конфи­ гурации, в которых при взаимном движении участка

30

трубопровода и жидкости возникают силы Кориолиса или гироскопический эффект. Кориолисовы и гироскопи­ ческие расходомеры очень громоздки и сложны в эксплуа­ тации.

Существуют расходомеры более простой конструкции— турбинные расходомеры, которые имеют несколько вариан­ тов. Принцип работы турборасходомера заключается в том, что на пути потока устанавливают турбину. Расход из­ меряют или по мощности, затрачиваемой на вращение турбины, или по величине момента, сообщенного жидкости,

сечению факела. Отношение массы топлива Am, попав­ шего в мерный бачок за определенное время, к площади

Для форсунок с симметричным факелом достаточно измерить удельный поток топлива в радиальном сечении и определить его неравномерность. Для этого в радиальном сечении устанавливают систему емкостей или применяют специальный кольцевой сборник. Замеряя количество топлива, попавшего в каждую емкость или ячейку сбор­ ника, рассчитывают удельный поток на любом расстоя­ нии от центра

где S.ml — масса топлива в емкости или ячейке, установ­

распыливания оценивают разностью максимальной и мини-

31

мальной масс топлива, уловленного в емкости и отнесен­ ного к средней массе топлива.

И

п

S 41

иногда используют приспособления, которые состоят из

диаметром окружности поперечного сечения, через кото­ рое проходит 90—95% распиливаемого топлива.

Дальнобойность топливного факела наиболее просто определяется как максимальное расстояние, на которое летят капли при горизонтальном положении форсунки.

Основные способы измерения диаметра капель под­

и подсчете капель с помощью микроскопа или по микро­ фотографиям автоматическими счетными устройствами. Ошибки этого метода, оцениваемые отношением разности максимальных и минимальных медианных диаметров спектра к среднему, составляют 20—30%. В замерах авторов, полученных при проведении десяти опытов в идентичных условиях, эта ошибка составила 23,4%. Опыты проводились при испытании центробежной фор­ сунки при давлении подачи топлива 1,3 МН/м2 , его вяз­ кости 5,8 мм2 /сек, плотности 843 кг/м3 и поверхностном

32

натяжении 31 МН/м. Улавливающие пластины уста­ навливались на расстоянии 250 мм от форсунки. Сущест­ венную часть ошибки метода улавливания составляет субъективная ошибка операторов при подсчете. и замере диаметров капель на микроскопе. Результаты одного опыта, включающего обработку около 5700 отпечатков капель десятью операто­ рами, дали расхождения в 17,3%.

Во избежание совмеще­ ния отпечатков время улав­ ливания капель должно составлять в зависимости от удельного потока фа­ кела от 0,1 до 0,005 сек. Отбор капель на пластины осуществляется с помощью приспособлений, изоли­ рующих форсунку и факел

форсунками и пластинками помещают топливосборник. Из него топливо отво­ дится в бак. На время

улавливания топливосборник отводится в сторону от форсунки, и капли распыленного топлива оседают на пластинке. Во втором случае пластинки помещают в спе­ циальные затворы (рис. 12). В зависимости от конст­ рукции затворов капли попадают на пластинки или через щель во вращающемся цилиндре или через отвер­ стие перемещающегося вдоль пластин кожуха.

Результаты измерения диаметра капель и подсчета их количества необходимо скорректировать с учетом нерав­ номерности удельного потока, проходящего через

очень малая часть факела, а для объективной оценки диаметров капель по классам мелкости требуется боль­ шое количество фотоснимков. Обработка их очень трудо­ емка, а нечеткие изображения нефокусированных и дви­ жущихся капель затрудняют автоматизацию их измере­ ния и подсчета.

Метод замораживания заключается в том, что капли распиливают в такую среду, где они в процессе полета затвердевают. Затем для измерения собранных капель используют методы дисперсионного анализа твердых ча­ стиц. В качестве моделирующих веществ чаще всего

керосин, а также дизельное топливо и мазуты при усло­ виях их работы с высокой температурой подогрева. Многочисленные опыты, проведенные в Грозненском неф­ тяном институте, показали, что в качестве моделирующего вещества для исследования тяжелых топлив можно ус­ пешно применять смесь церезина с полимером изобутилена. Коэффициент поверхностного натяжения этих сме­

поверхностного натяжения мазутов при температуре, при­ нятой при их сжигании. Относительное содержание поли­ мера изобутилена в смеси оказывает незначительное влияние на величину коэффициента поверхностного натя­ жения и существенно изменяет вязкость смеси. Подбирая соответствующее содержание компонентов смеси церезина и полиизобутилена и температуру ее подогрева можно моделировать все марки мазутов. Собранные в бачок твердые «капли» сортируют по размерам с помощью на­ бора сит, на сетках которых остаются капли примерно одного диаметра (рис. 13). Оценка качества распыливания получается на основании обработки большого количества капель (4 • 107 — 6 • 107), взятых по всей площади сечения факела, что значительно повышает надежность и точность метода. Общая ошибка в определении медианного диа­ метра капель достигает 16%. Наибольшая часть суммар-

34

Можно пользоваться и более простыми способами дисперсионного анализа, например сортировкой капель по размерам с помощью восходящего воздушного потока. При прокачивании спирта с каплями парафина через установленный вертикально конический сосуд (воронку Шена) скорость потока по мере продвижения вверх уменьшается. Капли парафина при правильном выборе угла конусности сосуда и скорости восходящего потока расположатся по высоте сосуда в зависимости от своей массы.

Косвенные методы в зависимости от используемых в процессе измерения свойств жидких капель можно раз­ делить на аэродинамические, оптические, электрические и термодинамические.

При вылете капель из форсунки их скорость в резуль­ тате аэродинамического сопротивления уменьшается, и чем мельче капли, тем интенсивнее происходит их торможение. Эта закономерность использовалась для анализа капель по размерам методами сепарации или седиментации в иссле­ дованиях Михеева Ю- С , Кутового В. А. и др.

При вертикальном расположении форсунки и кратко­ временной подаче топлива для каждого размера устанав­ ливается разная скорость движения: для крупных ка­ пель— большая, для мелких — меньшая. Поэтому осажде­ ние на нижнюю площадку сосуда будет происходить в по­ рядке увеличения размеров капель. Отмечая массу топ­

это время на весы, можно получить массовую кривую рас­ пределения капель по размерам. Такой метод при дис­ персионном анализе получил название седиментометрического.

Основным недостатком этого метода является труд­ ность определения скорости осаждения топлива при подаче под большим давлением. Однако при сочетании седиментометрического метода с методом улавливания можно измерять диаметр капель без расчета скорости осаждения. Схема такой установки представлена на рис. 14. Вверху высокой колонки помещается форсунка с затвором 1, позволяющим подавать топливо в течение короткого про­ межутка времени. Снизу колонки размещены микровесы 2 и приспособление 3 для улавливания капель. Крупные капли раньше достигнут площадки микровесов и улав­ ливающего приспособления, затем осядут более мелкие.

36

При этом постепенно будет увеличиваться масса топлива, попавшего на микровесы. Микровесы представляют собой легкое коромысло, подвешенное на шелковой нити. С од­ ного конца коромысла находится весоприемная площадка, с другого — зеркальце, отражающее на движущуюся фото­ пленку 4 узкий луч света. Синхронно с движением фото-

Рис. 14. Схема из­ мерения диаметров капель седиментометрическим мето­ дом с улавливанием

на сажу

пленки вращается закопченный диск. На пленке непре­ рывно записывается изменение суммарной массы капель, а на диске фиксируются их линейные размеры в эти же промежутки времени. Зная массу и диаметр капель, определяют кривую распределения капель. Ошибки в оп­ ределении медианного диаметра капель седиментометрическим методом, как показали результаты десяти изме­ рений, составляют 15%. Составляющими суммарной ошибки являются погрешности взвешивания и при сепа-

37

рации погрешности в определении времени осаждения и в измерении отпечатков капель. Для легких топлив существенны ошибки вследствие испарения капель.

Оптические методы измерения основаны на использо­ вании таких явлений, как рассеивание, отражение, по­ глощение света, интерференция и дифракция при прохож­ дении луча через капельный туман. В результате про­ хождения лучей света через факел распыленной жидкости яркость света уменьшается. При расчетах капли можно принимать за непрозрачные шарики (капли тяжелых топлив обычно темные и практически не пропускают лучи света). При прохождении через капли светлых топлив параллельные лучи света очень рассеиваются, так

капель распыливания тяжелых топлив практически воз­ можно только методом, при котором используется рас­ сеивание света.

Электрические методы измерения размеров капель ос­ нованы на использовании капель как емкостей, способных переносить электрические заряды. Капли, проходя через электрическое поле, получают заряд, величина которого пропорциональна емкости всех капель, входящих в факел. Зная количество электричества, перенесенное распылен­ ным топливом, определяют средний диаметр капель.

Для определения всего спектра размеров капель ис­ пользуют электронный метод. В факел помещают специаль­ ный датчик, представляющий собой зонд из тонкой про­

38

соприкосновении капли с зондом в схеме возникает импульс, амплитуда которого пропорциональна емкости и, следовательно, размеру капель. Импульсы усиливаются и через классификатор поступают на счетчик. При уста­ новке классификатора на различные напряжения произ­ водится подсчет числа импульсов только определенного интервала значений размеров капель. Результаты изме­ рения не требуют сложной обработки и по ним без до­ полнительных пересчетов можно построить кривую распределения капель по размерам.

Термодинамический метод измерения основан на за» висимости процессов тепло- и массообмена от общей поверхности капель. Точность этого метода мала и его можно применять только для очень грубой оценки ка­ чества распыливания.

Для тяжелых топлив можно использовать только зависимость теплоотдачи от размеров капель, замеряя температуру топлива на разных расстояниях от форсунки.

Для измерения капель часто используют комбиниро­ ванные методы. Сочетание двух методов позволяет устра­ нить некоторые недостатки каждого из них. Например, оптический метод дает удовлетворительные результаты при примерно однородном составе факела, а седиментометрический позволяет разделить капли по группам. Поэтому при сочетании этих методов увеличивается точность

искорость измерения мелкости распыливания. Совместное применение методов улавливания и электрического повы­ шает точность замеров, при этом диаметры капель опре­ деляются с помощью микроскопа, а их общая масса — электрическим методом. Сочетание методов моделирования

иосаждения значительно сокращает время дисперсион­ ного анализа топливного факела.

Авторами при исследовании форсунок применялись метод улавливания, метод моделирования с заменой топлива парафином и смесями церезина с полимером изобутилена, а также седиментометрический метод сов­ местно с улавливанием. Каждый из методов использовался

взависимости от задач исследования. При изучении влияния геометрических размеров форсунки на качество распыливания измерение капель осуществлялось методом моделирования. Влияние свойств топлива на качество распыливания исследовалось методами улавливания и мо­ делирования с использованием смесей церезина и поли­ мера изобутилена.

39