Горелки и форсунки для сжигания жидкого топлива. Типы, устройство горелок.
Форсунки и горелки для сжигания жидкого топлива
Форсунки и горелки - это устройства, используемые для подготовки жидкого топлива к горению, которая заключается в доведении топлива до такого состояния, в котором оно легко перемешивается с воздухом (окислителем). Для подготовки к горению топливо измельчается путем распыления или испаряется за счет нагревания. Поэтому есть два класса топливных форсунок - распыливающие и испарительные. Последние называются также горелками. Подготовленное топливо подводится в зону горения, причем форсуночное устройство должно обеспечивать одновременную подачу нужных количеств топлива и воздуха и их равномерное перемешивание.
Автоматические топливные форсунки и горелки, которые используются, например, в системах отопления и бытовых теплонагревающих агрегатах, регулируются в соответствии с командами системы управления. Они поджигают перемешанную смесь топлива с воздухом и поддерживают горение до тех пор, пока от системы управления не поступит команда на отключение.
Рис. 24. Устройство горелки для сжигания жидкого топлива
Рис. 25. Горелки для сжигания жидкого и газообразного топлива
Рис.26. Схема горелки для сжигания жидкого топлива
1. Особенности применения топливных форсунок
Топливные форсунки находят применение повсюду, где могут быть использованы нефтепродукты, пригодные для сгорания. Наибольшее применение топливные форсунки находят в теплоэнергетике и промышленных технологических процессах. При сгорании нефтепродуктов образуются газы, состоящие главным образом из двуокиси углерода, водяного пара и азота, которые химически неактивны и не оставляют золы. По этой причине топливные форсунки и горелки могут применяться в процессах тонкой химической технологии, связанных с подводом теплоты. При использовании высокоэффективных топливных форсунок и подходящих топлив продукты сгорания, приходя в соприкосновение с пищевыми продуктами, не загрязняют их. Так, работающие на жидком топливе зерносушилки производят сушку большей части годового урожая зерна, причем в таких сушильных камерах получают более высококачественное зерно и с меньшей долей брака, чем зерно, подвергнутое сушке в естественных условиях.
Распыливающие форсунки
Подготовка топлива в распыливающей форсунке представляет собой измельчение топлива и превращение его в аэрозоль. Существуют различные типы форсунок, из которых наиболее часто применяют пневматические струйные, вихревые и с вращающимся распылителем.
Пневматические форсунки
В типичную систему подачи пневматического форсуночного устройства высокого давления входят воздушный нагнетатель, топливный насос, фильтр и клапан регулирования давления. При запуске системы насос выкачивает топливо из бака и через фильтр подводит его к клапану регулирования давления, который открывается, когда давление достигает заданного уровня (для форсунок и горелок - 0,7 МПа), и топливо поступает в распылитель форсуночного устройства. Распылитель форсунки высокого давления имеет от двух до шести тангенциальных топливных каналов в зависимости от производительности агрегата. Через каналы топливо поступает в полость распылителя, закручивается и выбрасывается через сопло. Топливо распыляется, образуя туман из мелких капелек, и поступает в зону горения, куда подается и воздух. Искровое устройство воспламенения генерирует разряд, который воспламеняет смесь воздуха с топливом. При этом внутри камеры сгорания со стенками, изготовленными из жаростойкого материала, образуется факел пламени, а поток продуктов сгорания используется в соответствующей теплогенерирующей установке.
Пневматические форсунки низкого давления по конструкции аналогичны уже описанным, а их принцип действия почти аналогичен работе краскопульта. Давление, при котором жидкое топливо поступает в распылитель, обычно не намного выше атмосферного.
Форсунки с вращающимся распылителем обеспечивают закручивание топлива при вращении корпуса распылителя. При выбрасывании топлива через радиальные сопла чашечного распылителя в воздушный поток образуется кольцевой плоский фронт пламени. В трубчатом распылителе топливо рассеивают параллельно оси форсунки и воздушного потока, образуя удлиненный факел. Форсуночные устройства этого типа обычно используют в промышленных установках. В зависимости от тепловой мощности агрегата расход топлива может быть от нескольких литров в час до нескольких сотен и даже тысяч литров в час.
2. Форсунки испарительного типа (горелки)
В форсунках испарительного типа (горелках) топливо перед сжиганием нагревается до испарения в капиллярных фитилях или на металлической поверхности.
Капиллярные горелки
В капиллярных горелках имеется регулируемый фитиль, помещенный в перфорированную металлическую оболочку. Нижний конец фитиля погружают в емкость с жидким топливом (керосином). Под действием капиллярных сил топливо поднимается к верхнему концу фитиля. Пламя от спички, поднесенной к концу фитиля, испаряет топливо и вызывает его воспламенение. Требуемый размер факела горения регулируется выдвижением фитиля. Горелки капиллярного типа наиболее широко используются в портативных нагревателях и в небольших печах для выпечки теста. Зажигание и регулирование пламени осуществляются вручную.
Капсульные горелки
В горелках капсульного типа используется фитиль из асбестового волокна, имеющий трубчатую форму. Конец фитиля погружен в канал с жидким топливом. Оболочка каждого из этих каналов выполнена в виде капсулы из термостойкого металла. Эти капсулы образуют блоки. Чтобы такая горелка начала работать, убирают заслонку, открывая доступ жидкому топливу из трубопровода в каналы горелки, и топливо насыщает фитильные трубки. Затем горелка зажигается, и постепенно внутри капсул аккумулируется теплота. Скорость испарения топлива при этом увеличивается, и пламя заполняет все пространство между капсулами, образуя сплошной фронт горения над ними. Наилучшим топливом для капсульных горелок также является керосин. Зажигание и регулирование пламени осуществляются вручную.
Горелки бачкового типа
Горелки бачкового типа являются наиболее универсальными. Они не имеют фитилей с присущими им недостатками, менее чувствительны к качеству топлива и позволяют существенно расширить диапазон тепловой мощности. Такая горелка работает как перегонный куб, в котором подводимая жидкость, в данном случае топливо, испаряется, а пар горит. Горелки бачкового типа широко используются для поджигания топлива в печах и в системах автономного отопления небольших зданий. Зажигание и регулирование пламени в таких горелках могут осуществляться как вручную, так и автоматически.
3. Управление форсунками и горелками, их регулирование
Для регулирования работы форсуночного устройства распылительного типа, используемого в системах отопления и теплоснабжения жилых помещений, обычно применяют термореле, которое устанавливают внутри квартиры, ограничитель, которым оборудуется водонагревательный котел, и регулятор, который обычно размещают в вытяжной трубе на выходе из бойлера или печи. Эти три устройства представляют собой минимум средств, обеспечивающих удовлетворительную работу нагревательного устройства. Комнатный терморегулятор (термореле) служит для включения отопления, когда температура воздуха в помещении снизится ниже установленной нормы, и для выключения отопления после того, как температура станет нормальной.
Ряд примеров управления горелками показан на рис. 27-30.
Рис.27. Использование и регулирование жидкостной горелки в автомобиле
Рис. 28. Использование жидкостной горелки для нагрева воды
Рис. 29. Пример регулирования работы жидкостной горелки
Рис. 30. Использование и регулирование работы жидкостной горелки
12. Сжигание мазута и печного топлива в топках
Жидкое топливо, сжигаемое в топках, предварительно распыляют с помощью форсунки, являющейся элементом горелки. Под горелкой в обычно понимается агрегат, включающий кроме форсунки воздухонаправляющий аппарат, запальное устройство и механизм управления.
Качественное сжигание жидкого топлива определяется размером частиц, на которые оно распыляется. Для этой цели используют форсунки, которые, кроме того, обеспечивают необходимый диапазон регулирования расхода топлива и устойчивое зажигание смеси.
В зависимости от способа распыления топлива форсунки подразделяются на четыре класса: механические, паровые, воздушные (пневматические) и комбинированные. На рис. 31 показаны принципиальные схемы форсунок, применяемых для сжигания мазута.
Форсунки с механическим распылением можно разделить на прямоструйные, центробежные и ротационные. В прямоструйных форсунках (рис. 31, а) дробление струи топлива на мельчайшие капли происходит при его продавливании под значительным давлением (12 МПа) через сопло малого диаметра.
Рис. 31. Принципиальные схемы мазутных форсунок: 1 - топливо; 2 - воздух; 3 - пар
В центробежных форсунках (рис. 31, б, в) топливо распыляется под действием центробежных сил, возникающих при закручивании топливного потока. Вращательное движение топливу сообщается путем тангенциального подвода его к вихревой камере форсунки (рис. 31, б) или специальным завихрителем, устанавливаемым на выходе из форсунки (рис. 31, в).
В ротационных форсунках (рис. 31, г) топливо подается внутрь быстро вращающегося распыливающего стакана, где оно растекается под действием центробежных сил, образуя тонкую пленку. На выходной кромке стакана тонкая пленка подхватывается подводимым первичным воздухом.
Паровые и пневматические форсунки можно объединить в один класс - форсунки с распыливающей средой. В паровых форсунках (рис. 31, д) в качестве такой среды используют водяной пар с давлением 0,4-1,6 МПа. Мазут к форсунке подается под давлением 0,3-0,4 МПа. Чем больше скорость струи пара, тем более тонко распыляется топливо. У большинства форсунок достигается критическая скорость пара.
Паровые форсунки по конструкции проще механических, но из-за большого расхода пара (0,30-0,35 кг пара на 1 кг мазута) и сильного шума применяются в котлоагрегатах производительностью до 3,3 кг/с.
Пневматические форсунки, в которых распыливающей средой является воздух, можно разделить на форсунки высокого и низкого давлений. К первой группе относятся форсунки, в которых давление дутьевого воздуха составляет 0,2-1 МПа и выше, ко второй - форсунки, в которых давление воздуха равно 0,002-0,008 МПа (рис. 24, е).
В форсунках высокого давления воздух на распыление подается от компрессора в количестве 10-15 % общего его расхода. В форсунках низкого давления воздух подается вентилятором и количество его, поступающее на распыление, составляет 40-100 % от общего расхода.
Рис. 32. Устройство мазутной форсунки: 1, 2 - трубы для пара и мазута; 3 - корпус; 4 - подводящий ствол с распределительными дисками; 5 - насадка; 6 - сопло
При сравнении достоинств пневматических форсунок высокого и низкого давлений предпочтение следует отдать последним. Во-первых, они обеспечивают более высокое качество распыления топлива вследствие большого удельного расхода воздуха; во-вторых, создаются более благоприятные условия для сжигания топлива в результате интенсификации процесса смесеобразования. Кроме того, при этом работают низконапорные топливные насосы и вентиляторы, что ведет к снижению расхода энергии на электропривод. К недостаткам пневматических форсунок низкого давления следует отнести значительные габариты, которые возрастают с увеличением их производительности.
Широкое распространение получили также паро- и пневмомеханические форсунки, которые относятся к классу комбинированных. При номинальном (расчетном) расходе топлива комбинированные форсунки работают как механические, т. е. с большим давлением топлива, а при малых расходах - с подачей распыливающего агента (пара или воздуха). В таких форсунках вращательное движение топлива создается путем тангенциального его подвода или с помощью завихрителей различных конструкций. Для обеспечения более тонкого распыления мазута уменьшают его вязкость, предварительно подогревая. В зависимости от марки мазута и типа форсунки температура его подогрева принимается различной. Например, для воздушных форсунок температуры подогрева мазутов марок 40, 100 и 200 соответственно равны 363 К, 380 К и 403 К; для механических форсунок эти температуры имеют значения 376 К, 388 К и 413 К, а для паровых - 348 К, 371 К и 388 К. Печное топливо не требует предварительного подогрева вследствие его малой вязкости даже при низкой температуре (до 263 К).
13. Сжигание жидкого топлива в печах разного назначения
Принцип действия горелок с газификацией жидкого топлива (рис. 33, 34) основан на предварительном нагреве топлива до температуры кипения и последующем полном его испарении.
Рис. 33. Горелка с газификацией жидкого топлива при ее работе
При этом энергия паровой топливной струи используется для инжекции (подсоса) воздуха в горелку. Таким образом, для газификационной горелки не требуется вентилятор, подающий воздух в топку. Это существенное достоинство горелки, однако, для возможности инжекции необходимого объема воздуха необходимо, чтобы топливные пары поступали к соплу горелки под значительным давлением. Значительное избыточное давление в топливном тракте и связанная с ним повышенная пожарная опасность - специфический недостаток газификационных горелок.
Рис. 34. Газификационная горелка для сжигания жидкого топлива
На рис. 34 показана газификационная горелка, а на рис. 35 - ее общая схема, согласно которой топливо из бака поступает в кожух горелки, в котором нагревается до температуры парообразования и испаряется. Образовавшиеся пары, выходя с высокой скоростью из сопла, инжектируют атмосферный воздух в смеситель и сгорают в топке.
Рис. 35. Газификационная горелка: а - общая схема: 1 - топливный бак; 2 - кожух горелки; 3 - сопло; 4 - смеситель; б - конструктивная схема: 1 - баллон; 2 - трубопровод для топлива; 3, 5 - игольчатый клапан; 4 - паровая трубка; 6 - фильтр; 7 - кожух; 8 - смесительная камера; 9 - отражатель; 10 - лоток для розжига; 11 - насос; 12 - сопло; 13 - поддон
Давление в топливной системе создается ручным воздушным насосом, смонтированным в топливном баллоне. Нагрев горелки при розжиге производится путем разведения огня в лотке для розжига. Для защиты испарителя от загрязнений на входном патрубке устанавливается топливный фильтр 6. Поддон служит для сбора не испарившихся топливных капель, выпавших из паровой струи.
Для эффективной инжекции воздуха целесообразно повышать давление топлива в системе, однако это вызывает увеличение температуры нагрева топлива, его термическое разложение с образованием смолы и кокса. Твердые отложения загрязняют испаритель и горелка выходит из строя. Для повышения срока службы горелки необходимо снижать давление топлива в испарителе без ухудшения процесса горения. В значительной мере этого можно достичь, направляя поток подсасываемого воздуха по касательной. При этом существенно снижаются гидравлические потери в смесителе за счет уменьшения потерь на удар. Как показали экспериментальные работы, применение горелок с таким принципом смесеобразования позволяет снизить давление в системе и значительно уменьшить пиролиз топлива и отложение кокса в испарителе и в отверстии сопла.
Несмотря на указанное улучшение, в газификационных горелках рекомендуется использовать только легкие сорта жидкого топлива - керосин и легкие (зимние) марки дизельного топлива.
Наиболее универсальными горелками для сжигания жидкого топлива в отопительных и отопительно-варочных печах являются испарительные горелки (рис. 36).
Рис. 36. Испарительные горелки: а - открытая: 1 - фланец; 2 - воздухораспределительная колонка; 3 - отражатель; 4 - сетка; 5 - кожух; 6 - подвод топлива; 7 - вход воздуха; 8 - сливная трубка; б - закрытая: 1 - фланец; 2 - топливная трубка; 3 - лопатки; 4 - воздушная трубка; 5, 7 - паровая труба; 6 - нижняя крышка; 8 - корпус; 4 - камера сгорания; 10 - верхняя крышка; 11 - ребро
В испарительных горелках также, как и в газификационных, осуществляется испарение топлива, но не внутри испарительной камеры, а с открытой поверхности топливного слоя. Поэтому для этих горелок не требуется топливный насос. Из-за отсутствия избыточного давления температура испарения топлива снижена по сравнению с газификаци- онными горелками, что уменьшает опасность пиролиза и крекинга тяжелых фракций топлива.
Различают испарительные горелки открытого типа, в которых поверхность горящего слоя топлива открыта со стороны топки и испарение осуществляется за счет передачи теплоты излучением от открытого пламени, и горелки закрытого типа, в которых слой топлива отделен от топки и нагревается за счет передачи теплоты через ее стенки.
Испарительные горелки могут работать как с принудительной, так и с естественной подачей дутьевого воздуха. На дно горелки топливо подается самотеком из напорного топливного бачка. Воздух от вентилятора (или за счет естественной тяги) попадает в кожух горелки через центральное отверстие в колонке, а затем (меняя направление) - на зеркало горящего топлива. Здесь он смешивается с парами топлива и топливо-воздушная смесь поднимается в цилиндр, где и происходит горение.
Рис. 37. Горение жидкого топлива в испарительной горелке
Для нормальной работы горелки требуется точная установка ее в горизонтальной плоскости, при эксплуатации необходимо постоянно наблюдать за тем, чтобы не было переполнения горелки топливом, так как перелив его может послужить причиной возникновения пожара.
В меньшей степени подвержены этим недостаткам горелки закрытого типа. Их особенностью является то, что зеркало испарения топлива перекрыто крышкой, защищающей его от топочного объема. Горелка состоит из корпуса, камеры сгорания, образованной двумя усеченными конусами, диффузора с ребрами для завихрения воздуха, воздушного патрубка с фланцем для крепления вентилятора, трубки подвода топлива, паровых труб, нижней и верхней крышек корпуса и ребер для передачи теплоты из камеры сгорания в испаритель.
Работает горелка следующим образом. При пуске топливо подается в запальную форсунку, откуда эжектируется завихренной ребрами струей воздуха, распыливается и выбрасывается в камеру сгорания, где воспламеняется электросвечой или факелом.
После достижения устойчивого горения открывается кран рабочего топлива и обеспечивается подача топлива в испаритель. Поскольку через стенки камеры сгорания передается теплота, температура в испарителе достигает 300-400 °С, что достаточно для испарения жидкого топлива. Топливные пары через патрубки, и кольцевой канал попадают в камеру сгорания, где воспламеняются от факела пускового топлива. После выхода на рабочий режим подачу топлива в запальную форсунку прекращают. Закрытая горелка может работать только с дутьевым вентилятором низкого давления.
Система подачи топлива в испарительную горелку действует следующим образом. Топливо самотеком поступает в горелку из топливного бака, расположенного выше ее. При таком способе питания требуется точное регулирование поступления топлива в горелку, так как при нечеткой работе регулирующих вентилей возможен перелив (переполнение) ее топливом, что представляет опасность в пожарном отношении. Это явление тем более вероятно потому, что испарительные горелки работают с очень небольшими расходами топлива, составляющими 0,5-1,5 кг/ч. Поэтому для испарительных горелок применяют специальную систему подачи топлива из бака через поплавковую камеру, в которой устанавливается дозатор (рис. 38).
Рис. 38. Дозатор подачи жидкого топлива в горелку: 1 - терморегулятор; 2 - клапан; 3 - рычаг; 4 - игольчатый клапан; 5 - поплавок; в - датчик; 7 - жиклер; 8 - капельница
Когда поплавковая камера пуста, поплавок находится в нижней ее точке. По мере заполнения поплавковой камеры топливом из бака поплавок всплывает и с помощью клапана перекрывает поступление топлива в камеру из бака. При снижении уровня топлива в камере поплавок опускается, клапан открывает проход и камера вновь заполняется топливом из бака. Из поплавковой камеры топливо по каналам поступает в промежуточный колодец. Игольчатым клапаном можно перекрыть доступ горючего из поплавковой камеры в промежуточный колодец с помощью рычага вручную.
При открытом игольчатом клапане топливо из промежуточного колодца поступает в колодец терморегулятора. Терморегулятор служит для регулирования подачи топлива (нагрузки) на горелку при ее использовании, например, для отопления жилых и общественных помещений.
При низких температурах (до 15 °С) игольчатый клапан терморегулятора полностью открыт и топливо из колодца через канал поступает в колодец К и далее через капельницу 8 по трубопроводу подачи топлива поступает в горелку. Система отопления при этом работает с более значительным расходом топлива (1,5 кг/ч).
По мере нагревания окружающего воздуха в помещении терморегулятор начинает расширяться и своим нижним концом давит на клапан. При температуре 25 °С клапан полностью перекрывает проход и топливо из промежуточного колодца к капельнице проходят через жиклер с малым расходом. Таким образом устанавливается определенный режим работы системы отопления, поддерживающей температуру воздуха в отапливаемом помещении в пределах 20-25 °С.
В случае срыва пламени в горелке топливо из горелки по трубопроводу поступает в сливной бачок. При заполнении топливом на бачок опрокидывается и через систему рычагов перекрывает шариковым клапаном подачу топлива из бака в поплавковую камеру.
Если по какой-либо причине бачок не опрокинется, то топливо из него по аварийной трубке будет отводиться в специальный резервуар, вместимость которого не менее вместимости расходного топливного бака.
Розжиг описанной выше горелки осуществляется вручную помощью огневого факела, а это довольно продолжительная и малоудобная операция. Поэтому в некоторых испарительных горелках предусматривают специальные пусковые горелки. Примером такого рода является горелка, разработанная в ЦНИИЭП инженерного оборудования (рис. 39). Устройство состоит из основной горелки и вспомогательной, служащей для обогрева испарителя топлива основной горелки. Испарительное устройство включает в себя три образные топливные трубки, обогреваемые вспомогательной горелкой. Питание горелки осуществляется из топливного бака по трубопроводу через поплавковую камеру и патрубок. Поплавок поддерживает постоянный уровень топлива в сепараторе пара. Горелка снабжается дутьевым вентилятором низкого давления. Запуск вспомогательной горелки производится включением электроиспарителя; образовавшиеся топливные пары из сепаратора направляются к соплу; топливовоздушная смесь сгорает в смесителе и обогревает U-образные трубки испарителя. После разогрева этих трубок количество паров увеличивается и большая их часть идет через перегреватель к соплу основной горелки, в смесителе которой и происходит сгорание основной массы топлива. Подача жидкого топлива к горелке осуществляется самотеком из бака.
Рис. 39. Горелка для печей
Рис. 40. Схема монтажа горелок для сжигания жидкого топлива в печь: 1 - топливник; 2 - горелка; 3 - топливный бак
На рис. 40 показана схема монтажа испарительных и газифика- ционных горелок в отопительной печи. При монтаже демонтируют колосники и зольниковые дверки. В образовавшийся проем вмуровывают переходной фланец так, чтобы его торец оказался заподлицо с плоскостью печи, а нижняя точка его отстояла от пола на расстоянии не менее 150 мм. Розжиг производится через специальное смотровое отверстие на фланце электроискровой зажигалкой с длинной ручкой (не менее 300 мм).
Горелочное устройство модели ГУЖ-8 (рис. 41) используется в теплоемких отопительных и отопительно-варочных печах при переводе их с твердого топлива на жидкое. В нем можно выделить три основных узла: горелку, блок управления и топливный бак (емкость 15 л). Горелка испарительного типа состоит из корпуса, двух смесительных колец и рассекателя воздуха. В блок управления входят двухскоростной вентилятор и дозатор, который автоматически поддерживает заданный расход топлива независимо от изменения уровня его в баке. Последний с помощью проушин крепится на стену. Монтаж горелочного устройства в печи прост и не требует специальных материалов и инструментов. Для розжига надо включить вентилятор, затем, открыв выпускной клапан дозатора, подать топливо в горелку и поджечь его через конфорку горящим тампоном. Масса горелки - 19 кг. На рис. 41 также показана установка устройства ГУЖ-8 в топливнике печи.
Рис. 41. Горелочное устройство ГУЖ-8: 1- топливный бак; 2 - блок управления; 3 - горелка; 4 - пламярассекатель; 5 - проем; 6 - вентилятор; 7 - поплавковое устройство; 8 - топливопровод; 9 - корпус печи
При эксплуатации бытовых печей, работающих на жидком топливе, надо соблюдать следующие меры пожарной безопасности.
Топливный бак должен быть герметично закрыт и иметь пароотводную трубку, сообщающуюся с атмосферой через дыхательный и огнепреграждающий клапаны (при температуре вспышки топлива ниже 45 °С). Бак должен иметь трубу для аварийного перелива топлива в основной топливный бак, находящийся за пределами помещения. Трубопровод от бака к форсунке должен быть цельнометаллическим, сварным (для керосина) или фланцевым (для более тяжелого топлива); на нем должно быть не менее двух вентилей: один перед форсункой, другой у топливного бака. Запрещается использование бензина как самостоятельно, так и для добавления к основному топливу.
При эксплуатации (перед розжигом горелки) проверяется количество топлива в расходном баке. Бак следует периодически промывать, не допускать попадания воды в топливо. При случайном разливе топлива необходимо посыпать его сухим песком и удалить. В том случае, если горелка работает с вентилятором, перед розжигом необходимо продуть топку печи воздухом.