Способ сжигания жидкого топлива и горелочное устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в горелочных устройствах прямоточного и вихревого типа с внутренним смешением жидкого топлива и распылителя. Цель изобретения - повышение качества сжигания топлива путем улучшения смесеобразования и снижения удельного расхода распылителя. Способ заключается в сжигании жидкого топлива путем подачи топлива и распылителя соосными кольцевыми струями в зону смешения и вывода смеси в виде кольцевого потока, при этом распылитель подают со скоростью, равной 0,1-0,7 скорости на выходе из зоны смешения. Горелочное устройство содержит цилиндрический корпус 2, по оси которого установлен пламепровод 3 с образованием кольцевой вихревой смесительной камеры 1, снабженной у входного торца узлом 6 подачи топлива и узлом 5 подачи распылителя с завихрителем 4, а в выходном торце камеры 1 выполнено кольцевое отверстие 8 для выхода смеси, узел 6 подачи топлива расположен вокруг пламепровода 3, а кольцевое отверстие 8 выполнено с примыканием к внутренней стенке корпуса 2, причем отношение площади проходного сечения кольцевого отверстия 8 к суммарной площади проходных сечений входных каналов завихрителя 4 равно 0,1- 0,7 узел 6 подачи топлива заведен в вихревую смесительную камеру 1, а вокруг последней соосно установлена дополнительная аналогичная ей кольцевая вихревая смесительная камера 11 с узлами 16 и 15 подачи топлива и распылителя 2 с.и 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в горелочных устройствах прямоточного и вихревого типа с внутренним смешением жидкого топлива и распылителя. Оно может быть использовано также для распыления суспензий и растворов, подаваемых в реакторы и сушилки химической, микробиологической и пищевой промышленности. Цель изобретения повышение качества сжигания топлива путем улучшения смесеобразования и снижение удельного расхода распылителя. Экспериментально установлено, что независимо от типа форсунки внутреннего сгорания (прямоточная или вихревая) и организации цилиндрического объема камеры смешения (круговой или кольцевой), при определенных соотношениях сечений (скоростей) входа распылителя в камеру смешения и выхода из нее имеет место максимум скорости выхода, который соответствует наилучшему качеству распыливания и сжигания топлива. На фиг.1 представлена экспериментальная зависимость относительной скорости выхода M_вых^в распылителя (сжатый воздух) из камеры смешения от отношения сечений выхода F_вых и входа F_вх. Отношение F_вых/F_вх является одновременно отношением скоростей входа W_вх и выхода W_вых распылителя (с поправкой на изменение его плотности), поскольку объемным расходом топлива (менее 1 от объема распылителя) можно пренебречь. Скорость М_вых^в представляет собой отношение действительной скорости выхода W_вых^враспылителя (без подачи жидкости) из камеры смешения к его местной скорости звука (а). Точка 1 соответствует прямоточной форсунке с круговым объемом камеры смешения, точка 2 вихревой форсунке с кольцевым объемом камеры смешения. Максимальные значения скорости выхода М_вых^в 0,5-0,55 в пределах точности определения (δ +4-5%) находятся в области изменения геометрических соотношений 0,1 ≅ F_вых/F_вх ≅ 0,7 или соотношения скоростей 0,1 ≅ W_вх/W_вых ≅ 0,7. С учетом формы зависимости М_вых^в f(W_вх/W_вых) оптимум близок значению W_вх/W_вых 0,3. На фиг.2 представлено горелочное устройство для осуществления способа сжигания. Оно содержит кольцевую вихревую смесительную камеру 1, в которую распылитель подают через завихритель с суммарной площадью проходных сечений входных каналов F_вх со скоростью W_вх и выводят через кольцевое отверстие 8 площадью проходного сечения F_вых со скоростью W_вых. Установлено, что на скорость выхода смеси влияют прежде всего два параметра это давление распылителя и количество подаваемого топлива. Скорость выхода М_вых^в имеет характерную зависимость (фиг. 4) от относительного давления выхода (Р_вых./Р_а). Р_вых абсолютное статическое давление в камере смешения на уровне выходных отверстий форсунки. Отношение скорости выхода W_вых^см смеси распылителя и жидкости к скорости W_вых^в выхода распылителя без подачи жидкости в зависимости от удельного расхода распылителя (G_в/G_ж) относительно расхода жидкости представлено на фиг.5. На фиг.4 и 5 приняты следующие обозначения: 1 48 отверстий диаметром 2 мм, вихревая форсунка 2 42 " " " " " 3 36 " " " " " 4 30 " " " " " 5 24 " " " " " 6 12 " " " " " " 7 8 " " 5 мм, прямоточная форсунка 8 4 " " " " " 9 2 " " " " "
10 6 " " 5,5 мм, " "
11 8 " " " " "
12 8 " " 3 мм, " "
На фиг.6 приведена зависимость М_в^см_ых М_в^в_ых от относительного давления Р_вых/Р_а Кривые 1 7 отражают соответственно изменение G_в/G_ж от 0,5 до 3,5 с интервалом 0,5. На фиг.7 приведена зависимость М_вых^см f(G_в/G_ж), а кривые 1-7 отражают соответственно изменение Р_вых/P_а от 1,2 до 2,4 с интервалом 0,2. Кривая 8 соответствует Р_вых/Р_a 3,6. По фиг.6, 7 определены минимальные значения Р_вых/Р_а 2,2 и G_в/G_ж 2 ( δМ_вых^см ± 4-5) для распылителя воздуха, когда сохраняется высокое качество сжигания топлива. С учетом предельных значений Р_вых/Р_а, F_в/G_ж, М_вых^см (по фиг.6 и 7) и ввода поправки на плотность ρ_o^p / ρ_o^в где соответственно ρ_o^p и ρ_o^в- плотность рабочего распылителя и воздуха при нормальных условиях, а также реальных температур и соответствующей им скорости звука распылителя (сжатого воздуха или водяного пара) может быть выполнена оценка нагрузки сечения выхода кольцевого потока по топливу. G_ж/F_вых 190.220 кг/с^.м²
При уменьшении G_ж/F_вых < 190 возрастает удельный расход распылителя G_в/G_ж, а при G_ж/F_вых > 220 резко снижается скорость выхода, качество распыливания и сгорания. Величину G_ж/F_вых 220 кг/с ^. м² следует квалифицировать как предельную нагрузку, составляющую 100% от номинальной. Номинальная нагрузка по топливу составляет (G_ж/F_вых)_ном 220/1,1 220 кг/с^.м² и является масштабным фактором при оценке геометрических характеристик горелочного устройства. Цель изобретения повышение качества сжигания топлива. Указанные отличительные признаки позволяют повысить качество сжигания топлива за счет равномерности перемешивания и выхода смеси в топочный объем. Размещение узла подачи топлива по наружной образующей пламепровода позволяет осуществить равномерность подачи топлива в кольцевую вихревую смесительную камеру через коаксиальный ряд сопел (или кольцевую щель) в зону с минимальным противодавлением. Поскольку в закрученном потоке статическое давление изменяется по радиусу камеры, уменьшается к центру, противодавление топливу минимально, а в отдельных случаях топливо подсасывается в камеру смешения. Кольцевое отверстие для выхода смеси, выполненное в виде равномерной щели или ряда отверстий с примыканием к внутренней стенке корпуса, обеспечивает выход смеси при максимальном статическом давлении, близком к давлению входа распылителя, при максимальном значении скорости выхода W_вых^в. На фиг.8 представлена зависимость отношения абсолютных значений давления выхода Р_вых и входа Р_вх от соотношения сечений кольцевого отверстия F_вых и входных каналов завихрителя F_вх распылителя. Кривая 1 характеризует прямоточную форсунку, а кривая 2 вихревую. Зависимость иллюстрирует отмеченное преимущество вихревой форсунки над прямоточной. Суммарная площадь выходного кольцевого отверстия F_вых, отнесенная к суммарной площади входных каналов завихрителя F_вх ограничена минимальным пределом F_вых/F_вх= 0,1, соответствующим практическому выравниванию давления до и после завихрителя Р_вых/Р_вх ≃ 1), что указывает на вырождение вихревого потока и, соответственно, на снижение равномерности распределения топлива в распылителе. В этом случае прямоточная и вихревая форсунки равноценны. Максимальный предел F_вых/F_вх 0,7 ограничен снижением скорости выхода (фиг. 1). Широкий диапазон соотношения F_вых/F_вх, в котором сохраняется достаточная, для высокого качества сжигания топлива, скорость выхода распылителя, обеспечивает дополнительные преимущества при унификации конструктивных элементов горелочного устройства. При неизменных значениях габаритных размеров, входного сечения завихрителя и удельной нагрузки выходного кольцевого отверстия по топливу (G_ж/F_вых 200 кг/с^.м²) соотношение F_вых/F_вх, а следовательно, и номинальная абсолютная нагрузка по топливу G_ж могут быть изменены семикратно при обеспечении минимального давления распылителя на выходе Р_вых/Р_а2,2. А при изменении входного сечения завихрителя диапазон номинальных значений нагрузки по топливу, при неизменных габаритах горелочного устройства, может быть еще более расширен. Заведение узла подачи топлива в вихревую смесительную камеру позволяет организовать дополнительную поверхность нагрева топлива в момент запуска за счет излучения запального факела. Такой нагрев первой порции топлива крайне необходим при розжиге тяжелого мазута. Установка соосно вокруг вихревой смесительной камеры дополнительной, аналогичной ей кольцевой вихревой смесительной камеры с узлами подачи топлива и распылителя, позволяет выполнить горелочное устройство двухступенчатым. Первая ступень, ближайшая к оси, обеспечивает запуск и работу топочного агрегата в режиме холостого хода (30-50 нагрузки), что важно для упрощения системы автоматизации рабочего процесса мощных агрегатов. На фиг.2 представлен продольный разрез вихревого горелочного устройства с внутренним смешением топлива и распылителя; на фиг.3 разрез А-А на фиг.2; на фиг. 10 продольный разрез горелочного устройства с узлом подачи топлива, заведенным в вихревую камеру смешения; на фиг.11 продольный разрез горелочного устройства на фиг.10 с дополнительной кольцевой вихревой камерой. Горелочное устройство содержит кольцевую вихревую смесительную камеру 1, образованную цилиндрическим корпусом 2 и пламепроводом 3. У входного торца камеры 1 расположен завихритель 4, соединенный с узлом подачи распылителя 5. Завихритель 4 может быть выполнен тангенциальным, аксиальным или аксиально-тангенциальным с проходными каналами, образованными плоскими или объемными лопатками, а также в виде сопел-трубок. Узел 6 подачи топлива расположен вокруг пламепровода 3 и оборудован входом 7 в камеру 1. Узел 6 может быть заведен в камеру 1 (фиг.10) с целью образования дополнительной поверхности нагрева на стенке пламепровода 3 для топлива, поступающего на смешение в камеру 1 через вход 7. Камера 1 оборудована кольцевым отверстием 8 для выхода смеси, выполненным с примыканием к внутренней стенке корпуса 2. Пламепровод 3 является составной частью запального устройства, присоединенного с входного торца (не показано). Мощные горелки выполняют двухступенчатыми (фиг. 11). Вокруг корпуса 2 соосно установлена дополнительная кольцевая вихревая смесительная камера 11 аналогичная камере 1. В камере 11 корпуса 2 камера 1 является осевым каналом 13, в котором располагается первая ступень горелки. Камера 11 оснащена узлом 16 подачи топлива с входом 17, завихрителем 14 и узлом 15 подачи распылителя и кольцевым отверстием 18 для выхода смеси. Суммарное сечение кольцевого отверстия 8, 18 для выхода смеси, отнесенное к суммарной площади проходных сечений входных каналов завихрителя 4,14 равно 0,1-0,7. Направление струй из кольцевого отверстия 8,18, в зависимости от конструкции камеры сгорания, обеспечивают углом наклона выходного торца кольцевой камеры 1,11 относительно оси горелки (фиг.11). Горелочное устройство работает следующим образом. При включении тягодутьевых машин агрегата в пламепроводе 3 возникает разрежение. Включают запальное устройство (не показано) и в камеру сгорания через пламепровод 3 выходит запальный факел. Распылитель подают в камеру 1 через узел 5 и завихритель 4. Топливо подают в узел 6 и далее вход 7 в камеру 1. Закрученный поток распылителя из завихрителя 4 подхватывает и распределяет в своем потоке топливо. Смесь, образовавшаяся в камере 1, через кольцевое отверстие 8 направляется в камеру сгорания, где смешивается с воздухом и воспламеняется от запального факела. В узле 6, заведенном в камеру 1 (фиг. 10), первая порция топлива разогревается от излучения запального факела, проходящего по пламепроводу 3. После воспламенения основного топлива запальное устройство выключают. В мощных горелочных устройствах перечисленные операции обеспечивают вывод агрегата на режим холостого хода (включение первой ступени горелочного устройства). Далее запуск продолжается включением в работу камеры 11 (фиг. 11). Распылитель подают через узел 15 и завихритель 14, а топливо через узел 6 и вход 17. Образовавшаяся в камере 11 смесь поступает в камеру сгорания через кольцевое отверстие 18, где она воспламеняется от факела горящей смеси, приготовленной в кольцевой вихревой камере 1. Экспериментально установлено число ε_Uвх для входных каналов завихрителя 4 (фиг. 9) прямоточной форсунки (кривая 1) и вихревой форсунки (кривая 2), которое может быть использовано при определении скорости распылителя на входе в завихритель по формуле
W_вх м/с
Изобретение иллюстрируется примерами, представленными в таблице.

Формула изобретения

1. Способ сжигания жидкого топлива путем подачи топлива и распылителя соосными кольцевыми струями в зону смешения и вывода смеси в виде кольцевого потока, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сжигания топлива путем улучшения смесеобразования и снижения удельного расхода распылителя, распылитель подают со скоростью, равной 0,1 0,7 скорости на выходе из зоны смешения. 2. Горелочное устройство, содержащее цилиндрический корпус, по оси которого установлен пламепровод с образованием кольцевой вихревой смесительной камеры, снабженной у входного торца узлом подачи топлива и узлом подачи распылителя с завихрителем, а в выходном торце камеры выполнено кольцевое отверстие для выхода смеси, отличающееся тем, что, с целью повышения качества сжигания, узел подачи топлива расположен вокруг пламепровода, а кольцевое отверстие выполнено с примыканием к внутренней стенке корпуса, причем отношение площади проходного сечения кольцевого отверстия к суммарной площади проходных сечений входных каналов завихрителя равно 0,1 0,7. 3. Горелочное устройство по п.2, отличающееся тем, что узел подачи топлива заведен в вихревую смесительную камеру. 4. Горелочное устройство по пп.2 и 3, отличающееся тем, что вокруг вихревой смесительной камеры соосно установлена дополнительная аналогичная ей кольцевая вихревая смесительная камера с узлом подачи топлива и распылителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13