一种新型油枪的总体设计及理论分析

摘要:在对燃煤锅炉引燃用燃油的雾化要求大幅提高的背景下,文章提出了一种新型的燃油雾化油枪,给出了总体结构及根据雾化理论的分析结果,并对燃油的雾化效果进行了预估。结果表明,该型油枪的雾化效果良好,液滴平均直径减小明显,使用前景广阔。

关键词:雾化;表面张力;气泡发生器;平均直径

中图分类号:TK223.23文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)14-0008-01

当今社会,能源高度紧缺,环境污染日趋严重。如何能在保护环境的前提下,又好又快的发展经济,已经成为广泛关注的焦点。电力行业是国民经济中不可或缺的支柱行业,同时也是CO2排放大户。随着“低碳”观念的深入人心,电力行业的污染也日益为人们所重视。对于燃煤机组来说,煤粉在燃烧器中的点燃过程是整个燃烧过程的第一步,也是控制污染烟气排放的重要一环,这其中又以油枪对燃油的雾化最为关键。锅炉在冷炉启动时,用于点火的耗油量一般每小时约为锅炉额定燃烧发热量的1/3, 须持续数小时,待炉膛各处均达到高温后,才能切换成烧煤粉,故耗油量相当可观。因此,提高雾化效果,降低排放污染,节约燃油成本,在满足上述要求又不改变锅炉辅机及现有燃烧器总体结构的前提下,我们设计了一种新型的介质式雾化油枪。

1基本形式及总体结构

1.1基本形式

体积为1 cm3的燃油雾化称直径为1 mm的油滴,其表面积为60 cm2,在空气中的燃烬时间为1 s;若将油滴雾化到直径为50 um的小液滴,则表面积变为1 200 cm2,在空气中的燃烬时间变为0.0025 s。由此可见,雾化效果对燃料能否充分利用有着很大的影响。

现有电站锅炉使用的油枪多为简单压力式。随着锅炉功率的增大,需要使用更大油枪,采用更高的油压,这对设备的可靠性提出了更高的要求,同时运行成本也大大增加。而且,简单压力式油枪的在偏离最优工况时,雾化质量严重下降,且调节十分困难。随着油料来源的日渐广泛,劣质燃油和高粘度燃油的良好雾化问题,使简单压力式油枪更加难以胜任。

1.2总体结构

我们设计的新型油枪的总体结构和各部分的名称如图1所示。各部分的作用如下。

{1}汽通道:过热蒸汽的流通通道,本油枪使用过热蒸汽作为雾化介质,过热蒸汽为锅炉产物之一,简单易得,后部收缩段用于加速。

{2}油通道:燃油的流通通道。后部采用渐缩形式,用于加速;而后的扩张段用于增加压差,加大气液相对速度。

油气混合喷嘴:用于的油气混合物的喷出雾化。油气混合物在喉部达到当地音速,后面的扩张段继续用于加速,扩大与外界空气的速度差,有利于雾化。

{3}一次进气口:过热蒸汽第一次进入油通道的入口。雾化介质在这里对燃油进行第一次冲击,进行气液的第一次混合,同时使气液两相流变的更加不稳定,为以后创造条件。

{4}气泡发生器:本油枪的关键部分。气泡发生器的作用是在燃油中充入均匀的过热蒸汽,形成气液两相流;而且,气泡发生器也可以在燃油中注入如LPG等容易气化的液态物质,一举两得。

1.3工作过程

燃油通过油泵进入油通道,过热蒸汽在压气机的加压后分别进入汽通道和气泡发生器。过热蒸汽由气泡发生器喷出,形成均匀的气泡,分布于燃油中。形成气液两相流的燃油在油通道中流动,到达一次进气口后,被过热蒸汽第一次冲击,在混合物内部形成不稳定的两相流,燃油部分雾化。

气液混合物到达油通道的出口时,由于扩压管的存在,混合物的流速减慢,并且在油通道出口位置形成伞状油膜;同时过热蒸汽经过汽通道末段的加速过程,流速加快,相对于油膜的速度加快,撕裂油膜,将燃油撕裂称细小的油滴,第一次雾化过程结束。

细小的油滴随着过热蒸汽在油枪末端的扩张段加速,其速度可以超过当地音速,与外界空气相碰撞。由于其速度过高,而外界空气近似静止,使细小的液滴进一步的碎裂,形成更加微小的液雾。至此,整个雾化过程结束。

2理论分析及雾化效果预估

2.1理论分析

2.1.1压差的作用

从直径为d0的圆孔中向下滴出的液滴,质量为mD=πd0σ/g,直径。其中σ为液体的表面张力,ρl为液体密度。

引入雾化特征数韦伯We=ρgud2D/σ,ud为气液速度差。当We<20时,液滴可视为球体。一般动力设备的雾化装置都可以达到We<20,故将液滴视为球体。

在空气阻力与表面张力的作用下,液滴碎裂的条件为 ■ρgud2=■,临界韦伯数为Wecr=8/CD,其中CD取决于碎裂条件。由以上关系式可以推出液滴的最大稳定直径为Dmax= ■ (1)

或Dmax= C(■)3/5E-2/5(2)

式中,E为单位质量的动能。

由上式可见,在表面张力不变的情况下,增大液滴和空气的相对速度(即增大液滴动能)可以有效的减小液滴的直径。在气液混合物喷出时间较短且温度近似不变的情况下,可以认为表面张力近似不变。由拉普拉斯方程可知,在表面张力不变的情况下,?驻P=■, 其中R为液滴球的半径。

因此在液体内部混有高压气体时为维持液滴不致破裂,就必须减小液滴尺寸,使雾化效果提高。这同时也解释了为什么将LPG添加在管程较长的油枪中雾化效果更好(管程长,气化充分,压差较大)。

2.1.2 密度的作用

根据气液表面张力的经验公式σ1/4 =[P]·(ρl-ρg),其中[P]为等张比容,是一个与温度无关的物性参数,将其带入(1)得:

Dmax=■=CF■ (3)

其中CF=8[P]4/CD 为雾化直径常数。

由于混合了气体,且高压气体经充分的混合后,可以近似的认为均匀地悬浮于液体中,气液混合物可以近似认为是一个均匀的两项系,因此气体的加入,使整个体系的密度由ρl变为ρh ,整个体系的密度减小。由(3)可知,最大直径Dmax减小,雾化效果变好。

2.2 雾化效果预估

2.2.1 体面积平均直径

液滴的体面积平均直径的计算公式:

dvs=■ +597(■)0.45(1000■)1.5 (4)

其中σ为表面张力,由以上分析可知,表面张力近似不变,取σ=46 dyn/cm;μ为粘度,由于混合后粘度变小,取μ1=0.25 cpμ2=0.2 cp;ρl为燃油密度,按200﹟燃油计算,ρ20=0.95 g/cm3 ρ80 =0.917 g/cm3;u为气液相对速度,由于油枪的结构使气液相对速度加快,取u1= 0.5 m/s,u2=30 m/s。

因此u=29.5 m/s;qva和qvl分别为雾化剂和燃油的体积流量,取:(■)1=2.85×10-3,(■)2=1.85×10-3,δ为壁厚,取δ=5 mm。

将以上数据带入(4)得dvs1=1173.52μm,dvs2=659.76 μm,液滴直径减小45.2%。

2.2.2 质量平均直径

液滴的质量平均直径公式:

dcm=2600[(■)■]0.4 (5)

?滋a为气体在喷嘴面上的粘度,取?滋a1=30cp,?滋a2=24cp。

qml/qma为气液质量流量比,因为进气量加大,故取(qml/qma)1(qml/qma)2=1.5。

Ga为气体在喷嘴出口处的质量流率,L为气液间湿润周边的直径。

则由(5)得 液滴质量平均直径减小为:■×100%=22.3%。

3结语

由以上理论分析和对液滴平均直径的预估可以发现,该型油枪的雾化效果是非常不错的,液滴的平均直径减小明显。该型油枪同时具有外混式介质雾化油枪和气泡式油枪的优点,而且在气泡发生器中可以发生气体,也可以向燃油中掺混LPG等物质,在提高雾化效果的同时起到助燃的作用,具有多种作用。同时,该型油枪的使用方式和辅助设备简单,因此应用前景广阔。

参考文献:

[1] 胡荫平.电站锅炉手册[M].北京:中国电力出版社,2005.

[2] 刘文蛟,周孟.煤粉炉微油点火燃烧器设计[J].应用能源技、术,2007,(10):16-19.

[3] 藤新荣.表面物理化学[M].北京:化学工业出版社,2009.

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