Самостоятельная работа по дисциплине
«Топливо и основы теории горения»
Вариант 10
Студент группы 31Е
М.О. Иванова
Руководитель
Профессор кафедры Т
В. Р. Ведрученко
Омск 2012
СОДЕРЖАНИЕ
Введение…………………………………………………………………………….3
1.Назначение области использования, классификация и принципы действий газовых горелок………………………………………………………......4
2.Расчет газовой горелки атмосферного типа.………………………….………...10
3.Эскиз газовой горелки инжекционного типа…………………………………..12
Ответы на контрольные вопросы………………………………………………….13
Заключение.…………….………………...…………………………………………15
Список использованной литературы ………………………………………….......16
ВВЕДЕНИЕ
Эффективное и экономичное сжигание жидкого топлива достигается в результате хорошей предварительной его подготовки, тонкого и однородного распыления, хорошего смешения с воздухом, правильного подвода воздуха, необходимого для горения, высокой температуры топочного пространства, правильного объема и конфигурации топочной камеры, создания условий стабилизации фронта воспламенения и устойчивого факела необходимых формы и направления.
В комплексе устройств, работа которых направлена на рациональное сжигание жидкого топлива, существенную роль играют мазутные форсунки.
Форсункой называется устройство для распыления жидкого топлива и организации его подачи, смешения топлива с воздухом и создания определенного по форме, длине и направлению факела.
Форсунка должна быть сравнительно недорогой, удобной и простой в эксплуатации, а конструкция и монтаж её- несложными.
Конструкция форсунки должна облегчать применение автоматизации тепловых процессов, расход энергии на распыление должен быть по возможности небольшим. В большинстве случаев недостатки форсунок вызывают перерасход топлива и ухудшение производственных процессов.
В связи с этим возникает необходимость усовершенствования существующих и создания новых более совершенных типов форсунок.
1. Назначение, область использования, классификация форсунок
К форсункам предъявляют следующие основные требования:
1) тонкое равномерное распыление топлива;
2) хорошее смесеобразование топлива с воздухом в самой форсунке или непосредственно за нею в фурме до выхода смеси в топочную камеру;
3) тонкое и легкое регулирование расхода топлива с сохранением заданного пропорционирования «топливо- воздух» и максимальным использованием энергии распылителя во все периоды регулирования;
4) устойчивый факел заданной формы и длины;
5) прочность и простота конструкции;
6) надежность и удобство эксплуатации; отсутствие подтеков, незасоряемость; удобство управления и регулирования; легкость и удобство ремонтов, осмотров и чисток.
Существуют типы форсунок, которые лишь частично удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям. Работающие форсунки имеют один или несколько из следующих недостатков:
1) низкий КПД распыления, не превышающий 0,1%;
2) грубое и неравномерное распыливание;
3) недостаточное смесеобразование топлива с воздухом;
4) неустойчивый и неправильно направленный факел;
5) несоответствие формы и размера факела форме и размеру топочного пространства;
6) нарушение пропорционирования «воздух- топливо» при регулировании расходов;
7) снижение эффекта распыления при регулировании;
8) неудовлетворительная работа форсунок низкого давления при автомати-
ческом регулировании тепловых режимов печей котлов;
9) конструктивные и эксплуатационные недостатки, приводящие к засорениям, подтекам, искривлению факела, частным простоям для чисток и ремонтов.
Все форсунки по основным конструктивным признакам и по способу распыливания делятся на четыре группы:
1. механические- форсунки непосредственного распыливания топлива;
2. высокого давления- форсунки с распыливающей средой высокого давления (пар, компрессорный воздух), часто называемые пневматическими;
3. низкого давления- форсунки с распыливанием вентиляторным инжекторным воздухом (пневматического низкого давления);
4. комбинированные, т.е. преимущественно форсунки газомазутные и форсунки комбинированного механического и паровоздушного распыливания.
В механических форсунках распыливание осуществляется главным образом за счет энергии топлива при продавливании его под значительным давлением через малое отверстие – сопло или за счет центробежных сил, создаваемых при закручивании топлива, или при вращении элементов самой форсунки. Дальнейшее размельчение полученных капель происходит под действием давления окружающей среды.
Качество механического распыливания в значительной мере зависит от давления мазута, создаваемого насосом. Обычно мазут поступает к форсункам под давлением 2,0–3,5 МПа. Наличие механических примесей в топливе и малые выходные отверстия форсунок (1,5–3,5 мм) обусловливают необходимость тщательной фильтрации мазута перед сжиганием.
Для механических форсунок вязкость мазута рекомендуется поддерживать около 2,5°ВУ. Для достижения этой вязкости мазут марок 40 и 40В рекомендуется подогревать до 90–100°С, марок 100 и 100В – до 110–120°С.
Форсунки выпускаются нескольких типоразмеров. При давлении мазута перед форсункой 2,0 МПа производительность форсунки (типоразмер ОН-547-02) составляет 0,167 кг/с, а давление 3,5 МПа – 0,22 кг/с. В пределах одного 
типоразмера форсунки выпускаются с длиной ствола от 400 до 4000 мм. К распыливающей головке мазут поступает через ствол, проходит через отверстия распределителя в кольцевой канал, затем по тангенциальным каналам завихрителя попадает в камеру завихрения, приобретая вращательно-поступательное движение, и далее выбрасывается через сопло в топку в виде пленки, имеющей форму гиперболоида вращения – пелены. Взаимодействуя с окружающей газовой средой за счет возникающих пульсаций, пелена распадается на капли, которые в свою очередь от воздействия среды дробятся на мельчайшие капельки.
Производительность механических форсунок регулируют изменением давления мазута перед форсункой, вследствие чего они имеют малый диапазон регулирования.
По сравнению с механическими форсунками и форсунками высокого давления форсунки низкого давления обладают следующими преимуществами:
через них подают весь или почти весь воздух, необходимый для горения, благодаря чему улучшается смесеобразование и создаются наиболее благоприятные условия для сгорания топлива при коэффициенте избытка воздуха, близком к единице;
в распылении участвует весь или почти весь воздух, поэтому, несмотря на более низкое давление распылителя, может быть достигнуто хорошее качество распыления;
факел форсунок низкого давления более короткий и более благоприятный (менее окислительный) для нагреваемого металла, что обусловливается завершением горения на коротком пути и омыванием металла инертными продуктами сгорания; вместе с тем температура горения достаточно высока;
стоимость распыления сравнительно невысока.
Выбор того или иного типа форсунок определяется, во-первых, мощностью котла и диапазоном изменения мощности, во-вторых, – габаритными размерами факела, который должен занимать максимум топочного пространства, но не касаться поверхностей нагрева и обмуровки котла.
Изменение тепловой нагрузки отопительной котельной таково, что она должна обеспечивать высокоэффективную работу в диапазоне 50–110 % от расчетной тепловой мощности котла.
Для эффективного сжигания жидкого топлива в паровых котлах малой мощности рекомендуется использовать ротационные и паромеханические форсунки, для сжигания легкого жидкого топлива – низконапорные пневматические АГНД, ФАЖ и механические ФМ-27. Чем ближе тепловая мощность форсунок к расчетной (номинальной), тем лучше они работают (повышается качество распыливания и смешивания). Однако и ротационные форсунки имеют недостатки: дополнительный расход электроэнергии на привод ротора; уровень шума форсунки часто превышает допустимые значения; при разбалансировке во время эксплуатации возникает вибрация, которая передается через крепежный щит на обмуровку; сложность конструкции снижает надежность работы форсунки и не позволяет производить ремонт в эксплуатационных условиях.
Госты на форсунки
ГОСТ 23689-79 Форсунки механические и паромеханические
ГОСТ 10585-75 Форсунки мазутные
ГОСТ 305-82 Топливо дизельные
ГОСТ 10579-88 Форсунки дизелей
2. Приближенный расчет форсунки низкого давления
В качестве прототипа, как обычно принято, для расчета выбрана форсунка Карабина типа ФК-VII с раздельным регулированием воздуха и топлива, схема которой приведена на рис.1
Табл.1 – Исходные данные
| Вар. | В, кг/ч | QpH, кДж/кг | a | aV0 | р, Н/м3 | r, кг/м3 | mв;mм | рст, Н/м2 |
| 1,17 | 10,4 | 105 | 0,7; 0,35 |
1) Необходимый расход воздуха для нормальных условий, м3/ч,
(1)
2) Учитывая обычное давление р = 105 Н/м3 = 0,1 МН/м3 (1 ат), плотность воздуха rв = 1,25 кг/м3, определяют расход всасываемого вентилятором воздуха, м3/ч:
(2)
3) Потребный диаметр, мм, входного патрубка при принятой предварительно входной скорости воздуха wвх = 20 м/с
(3)
 |
4) Учитывая, что расход V = 300 м3/ч является максимальным, выбирают патрубок dвх = 2,5², что создает местную скорость порядка 22 м/с. Трубопровод, подводящий воздух к форсунке, должен иметь диаметр 4² (100 мм) с плавным конфузорным переходом (угол раствора a £ 15°) к патрубку форсунки.
5) Площадь окна и выходного сечения воздушного сопла форсунки, см2,
(4)
6) Выбирают окна шириной a = 11 мм и высотой b = 20 мм.
7) Число окон n = 6. Площадь окон, см2,
(5)
8) Выходной диаметр воздушного сопла, см,
(6)
9) Площадь выходной щели, мм2, для мазута при р = 105 Н/м2 = 0,1 МН/м2 (1ат) и m = 0,3
(7)
10) Подбирают основные размеры топливного распылителя и иглы: диаметр выходного отверстия топливного распылителя dн = 2,4 мм, угол раскрытия конуса иглы a = 15°, шаг резьбы на игле t = 1 мм. Максимальная производительность достигается двумя оборотами маховичка и иглы, следовательно, полный ход иглы h = 2t = 2×1 = 2 мм.
Совершив полный ход h = 2 мм, игла открывает кольцевую щель между конусом иглы и выходным диаметром dн = 2,4 мм.
11) Внутренний диаметр щели, мм,
(8)
12) Ширина щели, мм,
(9)
13) Площадь кольцевой щели для прохода топлива (при полном открытии), мм2,
(10)
т. е. несколько больше расчетной, что увеличивает производительность и уменьшает коэффициент избытка воздуха a.
14) Отношение выходных площадей для воздуха и топлива:
(11)
15) Шаг круглой резьбы ходового винта и гайки, мм,
(12)
16) Отношение выходных площадей 
и коэффициент избытка воздуха a должны по возможности сохраняться для любой производительности, которая в свою очередь должна изменяться линейно в зависимости от хода винта и иглы, т. е. от угла поворота рукоятки.
Расчетные параметры форсунки, а также поддержание параметров воздуха и мазута на заданном уровне являются обязательным условием сохранения пропорционирующей способности форсунок.
Корректировка производительности форсунки возможна путем изменения давления воздуха и мазута или соответствующего изменения расчетных размеров окон воздушного сопла и иглы.
В форсунке Карабина типа ФК-VII регулирование подачи топлива и воздуха (путем изменения выходных сечений) в пределах от нулевой до максимальной производительности – ручное. Оно дает возможность эффективно использовать напор воздуха и мазута во все периоды регулирования производительности форсунки; скорость выхода воздуха и мазута при этом остается неизменной.
Регулирование подачи мазута осуществляют (см. рис.) поворотом рукоятки 1. Поворотом рукоятки 20 достигается регулирование расхода воздуха путем перекрытия окон золотником. При этом напор воздуха остается прежним.
Ручное раздельное регулирование расхода воздуха и мазута не гарантирует их правильного пропорционирования, так как это зависит от квалификации и внимания обслуживающего персонала.
Приведенный расчет подходит для расчета всех видов форсунок этого типа.
4.Ответы на контрольные вопросы
1) Выбор того или иного типа форсунки определяется, во-первых, тепловой мощностью агрегата и диапазоном изменения этой мощности, во-вторых,- габаритными размерами факела, который должен занимать максимум топочного пространства, но не должен касаться поверхностей нагрева и обмуровки.
При изменении тепловой нагрузки агрегата выбранный тип форсунки должен обеспечивать высокоэффективную работу в диапазоне 50-110% от расчетной тепловой мощности данного агрегата (котла, печи, и т.п.).
На первом этапе, используя классификацию и обобщенные сравнительные характеристики форсунок, после сравнительного анализа области применения, расхода распылителя, преимуществ и недостатков форсунок с учетом типа, типоразмера и характеристик котла, для которого предназначена искомая форсунка, учитывая наличие соответствующего распылителя, намечают три-четыре типа наиболее приемлемых форсунок типовых конструкций.
На втором этапе также предварительно с учетом размеров топки или камеры сгорания выбирают из тех трех-четырех типов лишь два- три типа форсунок, отвечающих лучше других требованиям к характеристикам факела и размерам топки.
На третьем этапе проводят сравнение форсунок по экономичности распыливания и КПД распыливания.
Экономичность форсунок является одним из важных факторов, обусловливающих выбор типа форсунок.
При сравнении форсунок следует суммировать энергию, расходуемую на подачу топлива, распылителя и вторичного воздуха.
2) Для эффективного сжигания жидкого топлива в агрегате малой мощности рекомендуется использовать ротационные и паромеханические форсунки, для сжигания легкого жидкого топлива- низконапорные пневматические АГНД, ФАЖ и механические ФМ-27. Чем ближе тепловая мощность форсунки к расчетной (номинальной), тем лучше они работают (повышается качество распыливания и смешивания).
Однако и ротационные форсунки имеют недостатки: дополнительный расход электроэнергии на привод ротора; уровень шума форсунки часто повышает допустимые значения; при разбалансировке во время эксплуатации возникает вибрация, которая передается через крепежный щит на обмуровку; сложность конструкции снижает надежность работы форсунки и не позволяет производить ремонт в эксплуатационных условиях. Существенное влияние на качество процессов сжигания жидкого топлива в камерах сгорания малой и средней мощности оказывает температурный уровень процесса. Выделение летучих и горение углеводородов происходит сравнительно легко при температурах 250-600
3) Для описания процессов пользуются в первую очередь фундаментальными уравнениями: уравнениями движения потока (уравнение Навье-Стокса), уравнением неразрывности потока, выражающим закон сохранения материи, уравнением распространения тепла (уравнения Фурье-Кирхгофа), уравнением состояния газа, уравнением диффузии, выражающим изменение концепции реагирующего кислорода или другого газового компонента при движении газового потока, уравнением, выражающим закономерность лучистого теплообмена в топке, уравнением скорости протекания химической реакции, стехиометрическим равенством происходящих реакций, уравнением движения отдельных частиц твердого или жидкого топлива с учетом тормозящего сопротивления несущей среды, уравнением прихода и расхода тепла.
Систем уравнений для расчета движения (динамики) частиц (капель) или их совокупности в форме факела с учетом их дробления от микровзрыва для топлива типа эмульсий пока не предложено.
При правильно принятых физических предпосылках решение этих уравнений может отобразить общий ход процесса и силу воздействия отдельных факторов, влияющих на его протекание.
Задаваясь граничными условиями, можно определить пределы вероятного развития процесса и установить потенциальные возможности процесса данного типа по форсировке, устойчивости и экономичности.
Нередко система уравнений используется исследователями для решения отдельных задач и выявления причин роста или снижения отдельных потерь (чаще всего – механического недожога) и сопоставления расчетных данных с данными, полученными путем эксперимента.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В этой работе я изучила различные виды форсунок, их классификацию по разным признакам, а так же их схемы и назначение.
Провела приближенные расчеты форсунки низкого давления. В качестве прототипа для расчетов выбрана форсунка Карабина типа ФК-VII с раздельным регулированием воздуха и топлива. Рассчитала необходимый расход воздуха, потребный диаметр, площадь окна и выходного сечения воздушного сопла. По вычесленным параметрам рассчитала площади окон, выходной щели для для мазута. А так же шаг круглой резьбы ходового винта и гайки
Площадь выходной щели
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ведрученко В.Р, Крайнов В.В. Топливо и основы горения. Форсунки и горелочные устройства котельных установок. ОмГУПС. Омск 2001.
2. Киселев Н.А. Котельные установки. М.: Высшая школа, 1979.
3. Иванов Ю.В. Основы расчета и проектирования газовых горелок. Москва 1963.
4. Винтовкин А.А, Ладыгичев М.Г. Горелочные устройства промышленных печей и топлок. 1999.
5. Арсеев А.В. Опытные характеристики промышленных горелок.