16 Июня 2005 / Аналитика / Энерго- и ресурсосбережение
Автор: Ю.Н. Степанов
В теплоэнергетике применяют различные виды жидкого топлива. Их подразделяют на естественные, добываемые непосредственно из недр земли, и искусственные, получаемые в большинстве случаев переработкой естественного топлива.
К базовым естественным видам жидкого топлива относятся нефть и газовый конденсат. Сорта отечественного искусственного топлива в зависимости от фракционного состава и температуры начала кипения подразделяются на три группы [1]:
1. Лёгкие дистиллятные топлива, в группу которых входят бензины, авиационные керосины, топлива для быстроходных дизелей и жидкие продукты переработки газов, сланцев и угля. Эти топлива из-за высокой стоимости в промышленной теплоэнергетике находят ограниченное применение.
2. Тяжёлые дистиллятные топлива. Представляют собой высококипящие фракции нефти, сланца и крекинг остатков, получаемых при вторичной переработке сырья. Топлива предназначены для использования в качестве основного топлива ГТУ.
3. Остаточные топлива. Являются тяжёлыми вязкими остатками прямой перегонки и крекинга нефти или их смесей с более лёгкими фракциями и подразделяются на две подгруппы: лёгкие – моторные топлива ДТ и ДН, флотские мазуты Ф5 и Ф12 и тяжёлые – топочные мазуты М40, М100, М200.
Моторные топлива это смеси дистиллятных и остаточных топлив. Они по физико-химическим свойствам близки к флотским мазутам, состоящим из смеси газойлевых фракций, малосернистого мазута и крекинг остатка.
Топочные мазуты являются остатками прямой перегонки и крекинга нефти.
По данным [2], в состав жидких нефтяных топлив входят следующие компоненты: метано-нафтеновые углеводороды 57,7-64,5%, ароматические углеводороды 27,3-29,9%, смолы и асфальтены 8,2-12,4%, а также азот, сера и негорючие примеси в виде различных солей и окислов железа.
Наиболее ценные компоненты топлива – это парафиновые метано-нафтеновые углеводороды. Вредными компонентами являются смолы и асфальтены, приводящие к образованию отложений на фильтрах и в системах топливоподачи, образованию нагара и коррозии из-за содержания большого количества вредных примесей, входящих в состав золы. Наличие в жидком топливе серы приводит не только к загрязнению воздушного бассейна, но, при определённых условиях, к сернокислотной коррозии поверхностей нагрева котлов. Топливный азот при соединении с кислородом образует вредные для организма человека окислы, которые являются основными составляющими эмиссионных характеристик топочного процесса.
Жидкое топливо должно отвечать следующим требованиям:
- устойчиво и полностью сгорать с достаточным тепловыделением в широком диапазоне избытка воздуха;
- хорошо перекачиваться насосами и распыливаться форсунками, не изнашивать топливное оборудование;
- не вызывать коррозии и загрязнения поверхностей нагрева котла;
- при хранении и многократных нагревах не образовывать смолистых осадков и отложений, свидетельствующих об изменении их физико-химических свойств;
- удовлетворять требованиям безопасного обращения с топливом.
Для сжигания жидкого топлива используются форсунки различного типа – паровые, механические, паромеханические и др. Всего на сегодняшний день известно более 5000 различных конструкций форсунок (3).
К основным показателям работы форсунок любого типа как распыливающего узла относят производительность, распределение топлива в факеле и геометрию факела.
Под геометрией факела понимают внешнюю форму факела распыленного топлива, зависящую от траектории движения капель (макрогеометрия), и внутреннее строение факела, которое определяется диаметрами капель, составляющих факел (микрогеометрия).
Макрогеометрию топливной струи характеризуют величиной угла распыливания, шириной и длиной факела. Эти параметры, наряду с распределением распыленного форсункой топлива по сечению факела, обеспечивают правильность организации процесса горения, расчёта условий подачи воздуха и вписывание зоны горения в габариты топки.
Наиболее важной характеристикой работы форсунки является мелкость распыливания топлива, которая определяет общую поверхность контакта топлива с подаваемым для горения воздухом. Анализ механизма распыливания показывает, что этот процесс протекает под воздействием как внешних сил, так и внутренних.
Внешние силы – это силы взаимодействия со средой, в которую распыливается топливо. Величина этих сил пропорциональна квадрату относительной скорости жидкости, плотности окружающей среды и квадрату диаметра капли. К внешним силам относятся также силы, возникающие при соударении капель или их ударе о препятствие. Действие внешних сил обычно не является определяющим в процессе распыливания.
Из внутренних сил можно выделить инерционные и молекулярные силы. Силы инерции возникают при турбулентном движении топлива по каналам форсунки. Они пропорциональны плотности топлива, квадрату его абсолютной скорости и квадрату характерного размера (диаметр капли).
Для струйных форсунок характерной является естественная турбулизация топлива, приводящая к периодическим колебаниям в струе, амплитуда которых возрастает во времени. Возникновение малых начальных возмущений на поверхности струи распространяется вдоль струи в виде волн, обусловленных неровностями выходной кромки сопла, вибрацией и другими причинами.
В центробежных форсунках интенсивная турбулентность создаётся искусственно за счёт закручивания топлива. Это определяет более мелкое дробление струи.
Внутренние молекулярные силы представляют собой силы вязкости, наблюдающиеся во внутренних слоях топлива и силы поверхностного натяжения на границе двух сред (топливо-воздух). Силы вязкости пропорциональны динамической вязкости топлива, его абсолютной скорости и характерному размеру. Эти силы препятствуют дроблению струи, т.к. уменьшают её турбулентность и поглощают часть энергии движущегося топлива.
Поверхностное натяжение стремится свести к минимуму поверхность данного объёма капли и также препятствует распаду струи и капель.
При работе центробежной форсунки плёнка топлива, вытекающая из сопла, в случае слабой турбулентности может остаться нераздробленной. Преобладающее влияние поверхностного натяжения на некотором расстоянии от сопла стягивает эту плёнку в спиральный жгут. Постепенное возрастание внутренних инерционных сил приводит к образованию полого конуса, плёнка которого разрывается на значительном расстоянии от сопла или в непосредственной близости от него.
Основным при проектировании форсунок является расчёт их распыливающих элементов. Выполненный расчёт проверяется на дисперсность распыливания. Для этого в зависимость, определяющую средний диаметр капель распыленного топлива, подставляют вычисленные конструктивные параметры распылителя и физические параметры топлива. Если найденный средний диаметр не удовлетворяет условиям работы форсунки в топочном устройстве, расчёт форсунки корректируется.
Первая попытка аналитического описания процесса распыливания была предпринята Рэлеем. В основу предложенной им зависимости легла волновая теория распада струи жидкости на капли. Однако использовать на практике уравнение Рэлея не представляется возможным, т.к. оно не включает в себя всех переменных, характеризующих распад жидкости.
В инженерной практике для определения дисперсионных характеристик используют эмпирические уравнения, полученные при обобщении экспериментальных материалов для каждой конструкцими или класса распылителей. К основным факторам относятся: геометрические параметры распылителя, скорость течения жидкости, её физические свойства, а также физические свойства окружающего газа.
Окончательное уравнение должно включать в себя следующие параметры:
d3,4 – среднемассовый диаметр капель;
Dс – диаметр сопла или δ – толщина плёнки топлива;
V – относительная скорость топлива;
σ – коэффициент поверхностного натяжения;
υт и υв. – кинематическая вязкость топлива и окружающей среды;
ρт и ρв – плотность жидкости и окружающей среды;
Gв.и Gт. – расход распыливающего газа и топлива;
μт – коэффициент динамической вязкости топлива;
Δр – давление топлива.
При распыливании жидкости в акустическом поле в уравнение, описывающее процесс распыливания, необходимо включать также параметры, наиболее полно отражающие влияние акустической энергии на формирование капель.
Обобщение экспериментальных материалов обычно производится комбинацией следующих критериев и симплексов:
Re = DcV/υт – критерий Рейнольдса, характеризующий условия движения топлива, переход ламинарного движения в турбулентное. При Re<2300 – ламинарное, при Re>2300 – турбулентное.
We = V2Dcρ/σ – критерий Вебера, определяющий соотношение инерционных сил и сил поверхностного натяжения.
Lp = Dcσ/υт2ρт – критерий Лапласа, характеризующий внутримолекулярные силы.
G = Gв/Gт – симплекс, учитывающий влияние удельного расхода распылителя.
При исследовании качества распыливания центробежными форсунками [3] было установлено, что средний диаметр капель для геометрически подобных конструкций этого типа является функцией комплексов We и Re и симплекса ρ=ρв/ρт. Однако, анализ опытных данных показал, что лучшие результаты получаются, если вместо числа Re ввести симплекс Т=We/Re2=μт2/ρтDсσ, тогда для симплекса d3,4/Dc =f(We, ρ, Т) [1].
Простейшую количественную зависимость между параметрами критериального уравнения [1] можно искать в виде: d3,4/Dc=АТm1ρm2Wem3, где A, m1, m2 и m3 – постоянные для подобных форсунок, определяемые из опытов.
Исследование работы паромеханических форсунок [4, 5] позволило развить критериальное уравнение [1] и вывести уравнение вида:
d3,4 = 1,21 Dc (μт2/ρтDсσ)0,0186 (V2Dcρ/σ)-0,334 [2].
Для практических целей при расчёте центробежных (механических) форсунок удобно пользоваться максимальным диаметром капель топлива, т.к. именно капли максимального диаметра определяют процесс выгорания [6]:
dmax.= 1500 √ М/Δр.
1500 – коэффициент пропорциональности, зависящий, главным образом, от качества обработки распыливающих элементов форсунки и от физических свойств распыливаемой жидкости. 1500 – хорошая обработка, 2000 – средняя, 2500 – плохая;
М – масштаб форсунки, имеет размерность площади и характеризует производительность форсунки:
М = 1/√ ((Dк.з./Dс.)1,6 1/(nf)2 + 1,5/Dс4),
где Dк.з.- диаметр камеры закручивания центробежного распылителя топлива,
n – количество тангенциальных каналов распылителя,
f – площадь сечения одного тангенциального канала.
Угол распыливания α во всех методах расчёта центробежных форсунок выражается через соотношение осевой (Vz) и тангенциальной (Vφ) скоростей. Таким образом, угол распыливания характеризуется некоторым средним значением Vφ/Vz. Однако в связи с тем, что составляющие вектора скорости топлива на срезе сопла определяются различно, формулы для вычисления α имеют разный вид.
Согласно теории Абрамовича [7] выражение для определения угла раскрытия топливного факела выглядит следующим образом:
tg(αт/2) = 2А ε/(1+√ε),
где А – геометрическая характеристика центробежного распылителя топлива; А = πRк.з.rс/nf; Rк.з. и rс – радиусы камеры закручивания и сопла, ε – коэффициент заполнения сопла.
Формула, усовершенствованная в рамках теории Абрамовича в работе [8] имеет следующий вид:
tg(αт/2) = 2μА/(1+S )2 – (2μA)2,
где μ – коэффициент расхода, а S = rв/rс, где rв – радиус воздушного вихря в выходном сечении сопла.
Я.П. Сторожук и В.А. Павлов рекомендуют формулу упрощённого вида [6]:
αт = В 3√ А,
где В – коэффициент, зависящий от качества обработки топливного завихрителя. При хорошей обработке В=60, при низком качестве В=55, при высоком В=65.
Наряду с характеристиками качества распыла и углом раскрытия факела, для правильной организации процессов сжигания жидкого топлива важно знать распределение топлива в факеле, которое характеризуется плотностью орошения или распределением удельных потоков жидкости по его сечению. Удельным потоком жидкости называют отношение её секундного расхода к величине площадки, перпендикулярной направлению движения капель. Поскольку траектории полёта капель значительно отличаются от прямолинейных, на практике удельным потоком считают отношение секундного расхода жидкости к величине площадки, перпендикулярной оси сопла форсунки, т.е. q=∆Gт/∆f.
Характер распределения удельных потоков топлива по сечению факела определяется конструкцией форсунки и её рабочими параметрами.
Если при работе прямоструйных форсунок максимальная плотность орошения имеет место на оси факела, то совсем по иному распределяется топливо по радиусу вокруг оси центробежной форсунки. Здесь плотность орошения на оси форсунки близка к нулю и с удалением от оси сначала увеличивается, а затем, достигнув максимального значения, убывает.
Распределение жидкости по сечению факела для прямоструйной форсунки можно описать формулой упрощённого вида [9]:
q/q0 = -0,7(r/rx)1,6lnε,
где rx – расстояние от оси струи до точки сечения, в которой q/q0=1/2.
Характеристики работы форсунок, имеющих распылители топлива с тангенциальными фрезерованными каналами, определяются только после проведения соответствующих экспериментальных работ. Для качественной оценки их работы используют графики, а для количественной оценки можно использовать коэффициенты радиальной (Кнр) и окружной (Ка) неравномерности. Радиальную неравномерность называют иначе степенью заполнения факела – она показывает, насколько поле удельных потоков в контрольном сечении отличается от идеального равномерного распределения, для которого q = const.
Окружная неравномерность показывает, насколько факел распыла симметричен относительно его оси. Коэффициент окружной неравномерности называют ещё показателем асимметрии.
Правильность расчёта рассмотренных основополагающих характеристик работы форсунок должна быть подтверждена экспериментальным путём. При расхождении расчётных и экспериментальных данных в используемые эмпирические зависимости вводятся поправочные коэффициенты. После этого выполняется проверочный расчёт, который, при условии подтверждения опытно-конструкторским путём, принимается как базовый для данной конструкции форсунки.
Литература
1. Черножуков Н.И. Технология переработки нефти и газа. М., Химия, 1967.
2. Лошаков Д.В., Фатьянов А.Д. и др. Топлива для стационарных и судовых газовых турбин. М., Химия, 1970.
3. Кулагин Л.В. Сжигание тяжёлых жидких топлив. М., Машиностроение, 1973.
4. Лышевский А.С. К вопросу об определении параметров, характеризующих качество распыливания жидкого топлива. Известия ВУЗов. Машиностроение, №7, 1959.
5. Новиков Е.Д. Исследование паромеханических форсунок для ГТУ. Диссертация на соискание учёной степени к.т.н. Л., ЛКИ, 1978.
6. Сторожук Я.П. Камеры сгорания стационарных газотурбинных и парогазовых установок. Машиностроение, Л.О., 1978.
7. Бородин В А., Дитякин Ю.Ф., Клячко Л.А., Ягодкин В.Я. Распыливание жидкостей. М., Машиностроение, 1967.
8. Дятлов И.Н. Расчёт спектра распыливания. Труды Казанского авиационного института. 1969, вып. 115.
9. Гапоненко А.М., Годин А.К. Распределение жидкости в факеле акустической форсунки. Труды Краснодарского политехнического института. Вып. 75, 1976.
В соответствии с законом РФ «Об авторском праве и смежных правах» какое-либо воспроизведение третьими лицами без согласия автора данного материала не разрешено.
© Имя правообладателя исключительных авторских прав – ООО РАЦИОНАЛ, год первого опубликования – 2006
| 
Новинки оборудования
