RU2066422C1 - Мазутная форсунка - Google Patents

Abstract

Использование: в устройствах для сжигания мазута в нефтеперерабатывающей, нефтехимической промышленности, энергетике, металлургии. Сущность изобретения: форсунка содержит цилиндрическую продольную камеру 1 смешения с торцовыми стенками, перпендикулярными ее оси, снабженную радиальными отверстиями 11 к трубопроводу подачи распылителя, радиальным отверстием 7 к трубопроводу подачи топлива, подключенную на входе к трубопроводу подачи распылителя и снабженную на выходе трубопроводом 15 вывода смеси с сопловым насадком 16, при этом конструктивные размеры форсунки связаны определенными зависимостями. 2 ил.

Description

Изобретение относится к области смещения и сжигания физических смесей мазута с воздухом в целях производства тепла в нефтеперерабатывающей, нефтехимической промышленности, энергетике, металлургии. Известно устройство, использующее способ распыливания мазута с помощью насыщенного водяного пара, давлением 2,0 МПа и реализованное в паромазутных горелках (Трубчатые печи. Н.Р. Ентус. М. Химия, М. 1977 г, с. 48, рис. 11-5).

Устройство имеет недостатки: на распыливание мазута расходуется 2-3% от произведенного пара при расходе 0,3-0,5 кг на 1 кг топлива, который, являясь балластом, снижает температуру факела, приводит к потере тепла с уходящими топочными газами, усиливает коррозию деталей печей при использовании высокосернистого топлива. Устройство использует для распыливания струй мазута кинетическую энергию потока водяного пара, производную массы потока на скорость потока, но так как масса потока незначительна, процесс идет на низком энергетическом уровне, в связи с чем дисперсность смеси не выше капельной, контакт молекул водорода, содержащегося в мазуте в значительных количествах, и молекул кислорода более случаен чем закономерен, при явлениях недожога топлива, сажеобразования, потерь тепла и низкой температуре пламени.

Известным устройством, наиболее близким заявленному, является мазутная форсунка по А.С. N 587298, М кл. P 23 D 11/10, 1976, содержащая продольную камеру смещения, снабженную в средней части радиальными отверстиями, верхнее из которых подключено к топливопроводу, и подключенному на входе к трубопроводу подачи распылителя, а на выходе к трубопроводу вывода смеси с выходным сопловым насадком. Устройство использует для распыливания мазута кинетическую энергию потока распылителя, но так как масса потока незначительна, а скорость движения низка, процесс идет на низком энергетическом уровне, в связи с чем дисперсность смесей не выше капельной, смеси при горении малоактивны, с недожогом топлива, значительном сажеобразованием и потерей тепла.

Цель заявляемого устройства является производство тонкодисперсных, на уровне размера твердых частиц мазута и на уровне молекул водорода и кислорода, химически активных при горении, аэрозольных мазутных и газовоздушных смесей, для их сжигании в потоке с единой ударной волной и подавленной струйностью потока топлива и воздуха, единообразных по содержанию твердых частиц топлива, водорода и воздуха в единице объема, увеличение скорости горения смеси, повышение температуры пламени, при полном выгорании топлива.

Указанная цель достигается тем, что кинетическое взаимодействие струй жидкого топлива и струй воздуха, выраженное в соударении струй и их завихривании, возникающего при наличии кинетической энергии движения потоков жидкостей и воздуха при затухании кинематической волны, потери энергии движения и остановки потоков, осуществляют диффузионно-волновое взаимодействие жидкостей и газов; компоненты смеси: азот и кислород первичного и вторичного воздуха; жидкие и твердые и газообразные составляющие мазута, включая обязательную балластную воду, подвергают расчетному нагреву и принудительно давлением, подают в камеру волнового смещения, имеющую геометрические формы определенные волновой физикой и размеры, длины и диаметра, кратные длине рабочей гидравлической волны потока, где подвергаются внутрикамеpному давлению, в результате чего происходит совмещение волновых признаков скорости и длины волны потока азота воздуха и воды мазута; кислорода воздуха и водорода мазута, в кратные резонансные цепочки, ввиду чего волновые границы потоков и струй в потоках исчезают струи сливаются; естественная механическая ультразвуковая вибрация резонанса волн жидкостей и газов рвет старые молекулярные связи воздуха и мазута; воздух, создавая условия для образования новых временных связей по кислороду и водороду мазута, взаимодействуя с поверхностно-активными веществами, какими являются остаточные нефтяные смолы, тяжелые и легкие углеводороды, вода разрывает массу вязкого топлива на мельчайшие частицы, окружает их воздушной прослойкой, в результате чего материал теряет вязкость и приобретает подвижность, а каждая твердая частица топлива приобретает свой кислород. Естественная диффузия газов и жидкостей завершает процесс смешения газомазутной смеси, и состояние, определенное целью изобретения.

На фиг. 1 изображена мазутная форсунка; на фиг. 2 камера смещения и трубопровод смеси мазутной форсунки в волновом соотношении размеров.

В состоянии статики аппарат имеет элементы конструкции и связи: продольная камера смещения 1 цилиндрическая пустотелая полость, снабженная перпендикулярными ее продольной оси торцовыми стенками с отверстиями, подключенными через пневмодроссель 2, запорное устройство 3 к трубопроводу 3 подачи распылителя; подвод подогретого мазута произведен давлением, топливопроводом 5 через запорное устройство 6 и впускное отверстие 7 в кольцевом ряду радиальных отверстий, выполненных в средней части боковой стенки камеры; остальные радиальные отверстия подключены через запорное устройство 8 к трубопроводу 9, сообщенному с источником сжатого воздуха, трубчатое полукольцо-коллектор 10 и три пневмопускных отверстия 11 (два из них симметричны). Камера подключена на входе, через запорное устройство 12 к трубопроводу 13 подачи распылителя, под кожух теплообменника 14 и с целью стабилизации теплового режима форсунки вдоль ствола форсунки в прямом и обратном направлениях. Камера смещения подключена к трубопроводу 15 вывода смеси с выходным сопловым насадком 16.

Первичный сжатый воздух поступает через пневмодроссель 2, камеру смещения 1, трубопровод смеси 15 и сопло 16, преодолевая сопротивление тракта топливной смеси форсунки, в топку. В связи с тем, что сопротивление тракта топливной смеси незначительно, в камере отмечается расчетное падение пневматического давления относительно номинала давления перед форсункой. Перепад давления в открытой системе вызывает движение потока поток несет физическую кинетическую волну. Камера, имеющая волновые признаки, пустотелая, продольная, открытая с обеих сторон полость, с прямолинейной геометрической осью, с торцовыми отражательными плоскостями, перпендикулярными геометрической оси, с подводом основной волны пневматического потока и выводом смеси по геометрической оси имея проходимую кинетическую волну становится генератором собственных колебаний волны 1 (фиг. 2), равной удвоенной длине камеры λ₁=2 l, но из общеволновой зависимости

или

, откуда V 2l • f', где V оптимальная, расчетная физическая регулируемая скорость воздушного потока;
f'- переменная, зависимая от скорости потока и длины камеры величина - частота пульсации камеры (для тяжелой системы мазут- воздух оптимальная расчетная f'≅10_нz).

Волна 1, залегая по форме 1 (фиг. 2), при которой узел волны расположен в средней части камеры, что определяет волновое падение давления в зоне точки Р камеры. Поток мазута, используя свое давление и местное, в зоне Р камеры падение давления, через трубопровод 5 и впускное отверстие 7 заполняет, за время импульса падения давления, определенный неизменный объем камеры. Внедренная в поток сжатого воздуха доза мазута, содержащего в числе других компонентов и воду, сдвигается в зону острого резонанса P₁, где подвергается воздействию высокочастотной объемной механической вибрации резонанса волн потоков и затем этим же импульсом вытесняется в трубопровод смеси. Оптимальная расчетная производительность камеры в объемах смеси определяется частотой импульсов камеры, исходя из того, что частота пульсации

зависима от скорости воздушного потока, ввиду чего от "0" скорости потока V орtcm, ограниченной оптимально-расчетной f'≅10_нz, горелка управляема от 0 до 100% оптимально расчетной производительности тепла.

v(0_→ 0 ptim) = 2l•f′(0_→ 10_нZ).
В потоке азота сжатого воздуха действует основная, наиболее интенсивная
пневматическая волна 2 (фиг. 2 длиною

,
где С₂ скорость звуковой волны в азоте воздуха (0^oС; 101325 Па);
f₂ частота периодов волны, задаваемая источником сжатого воздуха.

При соударении воздушного потока и потока мазута возбуждается гидравлическая волна 3 (фиг. II)

где C₃ скорость звуковой волны в воде (0^oС; 101325 Па) и ее обертоны, в том числе l-й обертон 4 (фиг. 2)

при f₄ 2f₂ и II-й обертон 5 (фиг. 2)

при f₅ 4f₂.

Острый резонанс волн потоков возможен при совмещении волновых параметров волн потоков согласно общеволновому закону кратностей. Для заявленного изобретения предпочтительнее λ₂:λ₃=1:4 или 4λ₂=1λ₃ или

или 4C₂ 1<C₃.

Скорости звуковой волны в жидкостях и газах являются физическими постоянными (для определенных условий) величинами и изменяются при изменении температуры и давления среды обитания.

С целью получения топочного мазута в текучей жидкой консистенции его подвергают предварительному нагреву, в связи с чем

где K $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{1}}{\text{т}}$ коэффициент изменения скорости волны при повышении температуры на 1^oС для воды;
t¹ температура балластной воды мазута;
f² частота периодов волны источника сжатого воздуха.

Для введения системы в резонанс воздух, первичный и вторичный, подвергают нагреву, в связи с чем

K_т коэффициент изменения скорости волны при повышении температуры на 1^oС для азота воздуха;
t температура азота сжатого атмосферного воздуха.

Исходя из 4C₂ 1<C₃ находим температуру подогрева воздуха t. Импульсное волновое давление с большей амплитудой интенсивности волны (min - max) меняет условия среды обитания и расстраивает рассчитанную по температурному воздействию систему, вводя ее в диссонанс в двух случаях на один период волны, в связи с чем при

, при частоте периодов f₂, но II-й обертон гидравлической

.

Пpи λ₅=λ₂ наступает волновая резонансная связь между пневматической и гидравлической волной, в связи с чем вся система раскачивается до частоты f₅ 4f₂. На один период волны приходится два импульса включения механической вибрации, в связи с чем этот параметр находится в пределах ультразвуковых частот. Это резонансное волновое явление становится физической основой эффекта волновых горелок и цели изобретения. Аэромазутные смеси создаются в особых условиях температуры и давлений в иных условиях - недолговечны и требуют коротких путей транспортирования и стабилизации режима по температуре и давлению по пути следования, в связи с чем стабилизация определенного теплового режима трубопровода смеси производится через воздухоохлаждающий контур трубопровода смеси продувкой первичного подогретого воздуха. Стабилизация режима по давлению обеспечивается подбором минимальной, резонансной длины цилиндрического, постоянного сечения трубопровода смеси, в связи с чем на срезе сопла горелки создается зона Р₃ повышенного, относительно номинала, волнового давления, создающая подбор по тракту топливной смеси.

Обоснование выбора соотношения размеров.

В связи с тем, что источник сжатого воздуха, магистральный воздухопровод, пневмогидравлический контур аэромазутной форсунки волнового смещения имеют единую волновую связь, выбор размеров элементов конструкции форсунки ведется в соотношении к длине λ₃ рабочей гидравлической волны 3. По условиям резонанса длина колебательных элементов системы должна быть равна длине полуволны рабочей гидравлической или же ее кратной. Для аэромазутной форсунки высокого давления (0,6 МПа) по воздуху, при оптимальной расчетной скорости потока в камере V; при оптимальной расчетной частоте пульсации камеры - f¹; подобрана камера, имеющая зону пониженного давления Р и зону острого резонанса P₁ и размеры: длину камеры -l = 1/2λ₃ (кратная 1/2). Ввиду того, что интенсивность волны снижается пропорционально квадрату радиуса камеры, ее диаметр для заявленной тяжелой системы равен D = 1/16 λ₃ (кратная 1/16). Длина трубопровода смеси совместно с соплом форсунки l₁= 1λ₃ (кратная 1).

Подвод мазута осуществляется в зону низкого давления Р равноудаленную от торцовых отражающих стенок на расстоянии l₂= 1/4 λ₃. Подвод вторичного воздуха произведен в плоскости подвода мазута с целью создания активной поперечной энергетической резонансной зоны.

Claims (1)

1. Мазутная форсунка, содержащая продольную камеру смешения, снабженную в средней части боковой стенки кольцевым рядом радиальных отверстий, одно из которых подключено к топливопроводу, и подключенную на входе к трубопроводу подачи распылителя, а на выходе к трубопроводу вывода смеси с выходным сопловым насадкам, отличающаяся тем, что пустотелая камера выполнена цилиндрической и снабжена перпендикулярными ее продольной оси торцевыми стенками с отверстиями, подключенными соответственно к трубопроводу подачи распылителя, трубопроводу вывода смеси, остальные радиальные отверстия подключены к трубопроводу подачи распылителя, сообщенному с источником сжатого воздуха, причем камера выполнена длиной l = 1/2 λ₃ и и диаметром D = 1/16 λ₃, радиальные отверстия выполнены на расстоянии от торцевых стенок, составляющем l₂ = 1/4 λ₃, а трубопровод вывода смеси с выходным сопловым насадком выполнен длиной l₁ = λ₃, где λ₃ длина волны в балластной воде подогретого мазута, определяемая из соотношения
   

   

   
   где c₃ скорость волны в воде (при 0^oC 101325Па);
   K'_т коэффициент изменения скорости волны при повышении температуры балластной воды мазута на 1^oC;
   t'- температура балластной воды мазута;
   f₂ частота периодов волны подводимого от источника сжатого воздуха, при выполнении соотношения λ₃= 4λ₂, где λ₂ длина волны в азоте подогретого сжатого воздуха, определяемая из соотношения
   

   

   
   где с₂ скорость волны в азоте атмосферного воздуха (0°С, 101325 Па);
   К_т коэффициент изменения скорости волны при повышении температуры азота атмосферного воздуха на 1°С;
   t температура подогретого сжатого атмосферного воздуха.

Images