Комплексный анализ типов сопел горелок дизельных котлов: выбор правильного типа может повысить эффективность на 30 процентов

В системах сгорания дизельных котлов форсунка служит основным компонентом, отвечающим за распыление топлива и обеспечение эффективности сгорания. Его классификация должна быть определена с учетом принципов распыления, структурной формы и требований применения. Различные типы форсунок демонстрируют значительные различия в эффективности распыления, пригодности к условиям эксплуатации и характеристиках энергопотребления, что напрямую влияет на стабильность работы котла и соответствие экологическим требованиям. Ниже представлен подробный анализ основных типов форсунок, используемых в горелках дизельных котлов, сгруппированных по трем размерам сердечника.

I. Классификация по принципу распыления: основная логика, определяющая образование топливно-воздушной смеси

Принцип распыления служит фундаментальной основой для классификации топливных форсунок, напрямую влияя на то, может ли топливо быть достаточно фрагментировано на мелкие капли для эффективного смешивания и сгорания с воздухом. В настоящее время основные типы форсунок для горелок дизельных котлов можно разделить на два класса в зависимости от принципа распыления:

1. Форсунки для распыления под давлением: основной выбор, отличающийся простой конструкцией и широкими возможностями адаптации.

Форсунки распыления под давлением представляют собой наиболее широко используемый тип горелок дизельных котлов. ИхОсновной принцип использует перепад давления, возникающий при прохождении топлива под высоким давлением через внутренние каналы форсунки, для достижения фрагментации и распыления топлива.. Во время работы насос высокого давления топливной системы котла создает давление дизельного топлива до определенного диапазона (обычно 1,5–3,0 МПа). Попадая в форсунку, дизель высокого давления через внутренние дроссельные отверстия и потоконаправляющие конструкции образует высокоскоростную струю. Когда струя выходит из отверстия сопла, она подвергается сильному столкновению с окружающим воздухом. В то же время присущие топливу силы вязкости и поверхностное натяжение заставляют его дробиться на мелкие капли диаметром 10–50 мкм. Эти капли в конечном итоге смешиваются с воздухом перед воспламенением и сгоранием.

Конструктивно форсунки распыления под давлением состоят из основных компонентов, таких как корпус форсунки, игольчатый клапан, отверстие и пружина. Некоторые модели оснащены направляющими каналами или вихревыми камерами для повышения эффективности распыления. Их преимущества заключаются в простой конструкции, высокой надежности и минимальных требованиях к техническому обслуживанию, поскольку они не требуют дополнительных систем подачи воздуха или пара. Совместимые с обычными марками дизельного топлива, они находят широкое применение в коммерческих отопительных котлах и небольших промышленных паровых котлах. Форсунки распыления под давлением можно дополнительно классифицировать в зависимости от количества отверстий сопла и конструкции проточного канала (например, с одним отверстием, с несколькими отверстиями), чтобы соответствовать требованиям горелок различной номинальной мощности.

2. Двухжидкостные распылительные форсунки: экологически чистый вариант, обеспечивающий высокую эффективность распыления и низкий уровень выбросов.

АОсновной принцип двухжидкостных распылительных форсунок (также известных как пневматические распылительные форсунки) сочетает в себе двойную силу давления топлива и сжатого воздуха (или пара) для достижения более тонкого распыления топлива.. В отличие от распыления под давлением, эти форсунки требуют встроенной системы сжатого воздуха или источника пара. Топливо под высоким давлением (обычно 0,3–1,0 МПа) и воздух под высоким давлением (или пар, 0,5–1,2 МПа) сходятся в камере смешения сопла. Воздух (или пар) сталкивается с топливом в виде высокоскоростной струи, фрагментируя его в ультратонкий туман с диаметром капель 5-20 мкм. Одновременно воздушный поток рассеивает топливный туман, улучшая его равномерное смешивание с окружающим воздухом. Конструктивно двухжидкостные распылительные форсунки состоят из четырех основных компонентов: топливного канала, воздушного (или парового) канала, смесительной камеры и распылительного отверстия. Некоторые модели высокого класса имеют многослойные воздушные каналы для повышения эффективности распыления. Его преимущества заключаются в более мелком распылении частиц и более полном сгорании, в результате чего выбросы оксидов азота (NOx) и твердых частиц (PM) на 30–50 % ниже, чем у инжекторов с распылением под давлением. Он также может работать с топливом низкой вязкости или дизельным топливом низкого качества, предотвращая сбой распыления из-за проблем с качеством топлива. Однако эти инжекторы требуют внешних систем подачи воздуха/пара, имеют относительно сложную конструкцию и требуют более высоких первоначальных инвестиций и затрат на техническое обслуживание. Таким образом, они лучше подходят для крупных промышленных котлов со строгими требованиями к выбросам (например, котлов высокого давления в химической промышленности или производстве электроэнергии) или котельного оборудования, работающего на большой высоте с низким содержанием кислорода.

Классификация по принципу атомизации: таблица сравнения данных

Рисунок распыления относится к форме, создаваемой масляным туманом, выбрасываемым из сопла в пространство. Это напрямую влияет на дальность действия масляного тумана внутри печи и площадь его контакта с воздухом. Выбор должен основываться на размерах топки котла, мощности горелки и требованиях к форме пламени. В зависимости от формы распыла форсунки горелок дизельных котлов в основном подразделяются на три типа:

1. Форсунки со сплошным конусом: подходят для низких скоростей потока, требующих концентрированного пламени и быстрого локального нагрева.

Сплошные конусные форсунки излучаютполный, твердый конический масляный туман. Капли равномерно распределены от центра конуса к его периферии, без заметных полостей. Это создает концентрированный столб пламени с высокими температурами. Их основной структурной особенностью является отсутствие внутри винтовых направляющих канавок или только неглубокие прямые канавки. Топливо выбрасывается непосредственно из круглых отверстий под давлением без принудительного вращения, что приводит к узкому углу распыления (обычно 30–60°).

Преимущества этого типа сопла заключаются в его превосходной концентрации пламени, обеспечивающей быстрое локальное повышение температуры и высокий тепловой КПД. Равномерная плотность топливного тумана сводит к минимуму локальную недостаточность кислорода или потери топлива. Они в первую очередь подходят для горелок с низким расходом и малой мощностью, таких как бытовые настенные дизельные котлы, небольшие коммерческие отопительные котлы (тепловая мощность ≤100 кВт) или технологические котлы, требующие локализованного высокотемпературного нагрева (например, небольшие паровые котлы для пищевой промышленности). Однако из-за ограниченного охвата топливным туманом форсунки со сплошным конусом не подходят для больших котлов со значительным объемом топки, требующих большого охвата пламени.

2. Форсунка с полым конусом: универсальный вариант для тщательного перемешивания и осаждения с низким содержанием углерода.

Топливный туман, выбрасываемый полыми конусными форсунками, образуеттонкостенная форма полого конуса, при этом туман распределяется исключительно по поверхности конуса, создавая при этом отчетливую центральную пустоту. Такая конструкция обеспечивает широкий угол рассеивания тумана (обычно 60–120°). Его основная структура включает внутри спиральные или тангенциальные направляющие каналы, а некоторые модели оснащены отдельными вихревыми камерами. Топливо, попадая в эти каналы, образует высокоскоростные вращающиеся вихри внутри направляющих каналов/камер завихрения. На выходе из отверстия сопла центробежная сила рассеивает топливо наружу, в конечном итоге образуя форму полого конуса.

Основное преимущество форсунок с полым конусом заключается в их большой площади контакта масла с воздухом, что обеспечивает тщательное перемешивание, что эффективно снижает отложения углерода и выбросы загрязняющих веществ. Они также обеспечивают широкий охват пламени, что позволяет адаптировать их к печным камерам различного объема. Форсунки с полым конусом подходят как для малых и средних коммерческих котлов (тепловая мощность 100–500 кВт), так и для средних и крупных промышленных котлов (тепловая мощность >500 кВт). Форсунки с полым конусом особенно хорошо подходят для высокогорных сред с низким содержанием кислорода (где разреженный воздух позволяет широкодисперсному масляному туману более эффективно захватывать воздух) или для сценариев, требующих высокой стабильности горения (например, резервные отопительные котлы в больницах или центрах обработки данных).

​3. Полутвердые конусные форсунки: адаптация к средней и высокой мощности, баланс между прочностью и эффективностью.

Форсунки с полутвердым конусом имеют форму распыла между сплошными и полыми конусами, образуя полутвердую коническую форму **сплошной центр, полая периферия**. В центральной области наблюдается более высокая плотность капель топлива, тогда как периферия постепенно рассеивается в редкий туман без отчетливой полой сердцевины. Угол дисперсии обычно находится в диапазоне от 45° до 90°. Ключ к его конструктивному решению лежит во внутреннем использовании коротких спиральных направляющих канавок (занимающих всего от 1/3 до 1/2 длины тела сопла) или полукасательных неглубоких канавок. Это приводит к снижению интенсивности вращения топлива, что позволяет как обеспечить определенную степень концентрации при выбросе, так и достичь периферийного рассеивания.

Преимущество этого типа форсунок заключается в балансировке интенсивности сгорания (центральный туман высокой плотности обеспечивает локализованную температуру) и эффективности смешивания воздуха (периферийная диффузия повышает однородность). Он подходит для горелок средней и высокой мощности (тепловая мощность 200–1000 кВт), особенно для промышленных котлов с умеренными размерами топки, требующих баланса между скоростью нагрева и полнотой сгорания, например, на текстильных фабриках, фармацевтических заводах. Кроме того, форсунки с полутвердым конусом демонстрируют высокую адаптируемость к колебаниям давления топлива, поддерживая стабильное распыление даже в условиях нестабильного давления в топливной системе, тем самым снижая риск отказа оборудования.

Классификация по форме распыла: таблица сравнения данных

III. Классификация по конструктивной форме: влияние на эффективность впрыска топлива и совместимость

Конструктивная форма определяет способ установки форсунки, возможность регулировки объема впрыска топлива и совместимость с горелкой. По конструктивной форме топливные форсунки горелок дизельных котлов в основном подразделяются на два типа:

1. Форсунки с одним отверстием: компактная конструкция для точного контроля низкого расхода.

Отличительной особенностью форсунок с одним отверстием является иходно распылительное отверстие, обычно диаметром 0,5–2,0 мм, через которые распыляется топливо. Их простая и компактная конструкция сводит к минимуму объем корпуса сопла и требования к пространству для установки. Внутренние пути потока несложны: для направления топлива используются исключительно прямые каналы или базовые направляющие поток конструкции, что приводит к снижению производственных затрат. Форсунки с одним отверстием в первую очередь подходят для горелок с низким расходом, таких как бытовые дизельные котлы с тепловой мощностью ≤50 кВт и небольшие коммерческие водонагреватели. Эти применения требуют высокой точности подачи топлива (для поддержания стабильной тепловой мощности), а конструкция с одним отверстием смягчает проблемы неравномерного распределения топливного тумана. Однако ограниченное количество отверстий ограничивает максимальную мощность подачи топлива, что делает его непригодным для горелок большой мощности. Кроме того, его однородность распыления немного хуже, чем у форсунок с несколькими отверстиями. После длительного использования требуется регулярная очистка отверстий во избежание засорения.

2. Форсунки с несколькими отверстиями: равномерное распыление, высокая эффективность потока для универсального применения.

Отличительной особенностью форсунок с несколькими отверстиями является их конструкция, включающая в себя2–8 тонких отверстий(некоторые модели высокой мощности превышают 10), обычно диаметром от 0,3 до 1,5 мм. Эти отверстия расположены по окружности или симметрично головке сопла. Их внутренние каналы потока более сложны и требуют постоянного давления топлива и скорости потока через все отверстия. Некоторые модели имеют специальные направляющие каналы для каждого отверстия, чтобы обеспечить равномерное распыление.

Преимущества форсунок с несколькими отверстиями заключаются в их превосходной равномерности распыления (одновременное распыление нескольких отверстий обеспечивает более полное покрытие топливным туманом) и широком диапазоне расхода (достижимого за счет увеличения количества отверстий или регулировки их диаметра). Они подходят для горелок средней и высокой мощности (тепловая мощность ≥50 кВт), таких как большие промышленные паровые котлы и судовые дизельные котлы. Кроме того, конструкция с несколькими отверстиями снижает скорость подачи топлива в каждом отдельном отверстии, сводя к минимуму износ и продлевая срок службы. В то же время более мелкие частицы топливного тумана обеспечивают эффективность сгорания на 5–10 % выше, чем у форсунок с одним отверстием, что эффективно снижает расход топлива. Однако сопла с несколькими отверстиями влекут за собой более высокие производственные затраты. Во время установки необходимо обеспечить точное выравнивание между соплом и горелкой, чтобы предотвратить столкновение отверстий с конструкцией печи.

Классификация по структурной форме: таблица сравнения данных​

Классификация форсунок для горелок дизельных котлов принципиально направлена ​​на соответствие различным условиям эксплуатации котлов, требованиям к тепловой мощности и экологическим стандартам. При практическом выборе необходимо учитывать три основных фактора: во-первых,мощность котла и размеры топки(сплошные конусы с одним отверстием для малой мощности, полые конусы с несколькими отверстиями/полусплошные конусы для высокой мощности); Во-вторых,требования к качеству топлива и выбросам(двухжидкостные форсунки для низкосортного дизельного топлива или сред с низким содержанием кислорода; форсунки с полым конусом для строгих экологических стандартов); В-третьих,затраты на обслуживание и сложность системы(распыление под давлением для бюджетных ограничений; двухжидкостное исполнение для высокой эффективности). Только благодаря точному выбору форсунок дизельные котлы могут достичь оптимальной эффективности сгорания, обеспечивая экономию энергии, соблюдение экологических требований и стабильную работу.