燃烧学讲义2010-第四章液体

西安交通大学能源与动力工程学院1第四章液体燃料的燃烧4.1油燃烧特点4.2油的雾化4.3油滴燃烧过程4.4油雾炬燃烧4.5油燃烧的组织及调风器西安交通大学能源与动力工程学院24.1油燃烧特点雾化燃烧油燃烧是一个复杂的物理化学过程，由于油沸点低于其燃点，因此油滴总是先蒸发成气体，并以气态的方式进行燃烧。西安交通大学能源与动力工程学院3雾化：包含：雾化、受热蒸发、扩散混合、着火燃烧燃料→细滴→油雾炬，雾滴粒径↓，表面积↑有利于油滴的气化过程，同时也有利于与空气的混合，保证燃烧质量。西安交通大学能源与动力工程学院4蒸发：油滴受热后表面开始蒸发→油蒸汽扩散混合：燃油蒸汽与周围空气互相扩散与混合燃烧：油蒸汽与空气混合物达到着火温度后，开始燃烧。在燃烧过程中，油滴内部继续受热蒸发→扩散混合→新油气空气混合物取代已散逸燃烧产物→继续燃烧→油滴燃尽西安交通大学能源与动力工程学院51.油滴2.油蒸汽区3.燃烧区4.外部5.油蒸汽浓度6.氧气浓度7.温度12345671234567西安交通大学能源与动力工程学院6限制油滴燃烧的主要因素是与空气的混合速度，即取决于空气向油滴表面扩散所需的时间，属扩散燃烧。物理化学过程：雾化→三传→受热蒸发→着火→燃尽西安交通大学能源与动力工程学院7雾化效果影响了油燃烧的快慢及燃烧质量，因此油的雾化是其燃烧过程中一个重要因素。4.2油的雾化1、雾化评价指标2、雾化器西安交通大学能源与动力工程学院84.2.1雾化评价指标①雾化粒度：表示油滴颗粒大小的指标(100m)表示油滴颗粒大小的指标，有平均直径，最大直径，中值直径等，常用平均直径法（又包含算术平均法，表面积平均法，体积平均法，质量平均法径等）索太尔平均直径（S.M.D）32iiiindnd（体面积平均直径）西安交通大学能源与动力工程学院9粒度分布的表达形式表格形式（离散）直方图（离散）函数形式（连续）西安交通大学能源与动力工程学院10微分型（频率分布）积分型（累积分布）02468100.000.050.100.150.200.25f(dp)dppppddddFdfdppppdddfdF002468100.00.20.40.60.81.0D(dp)R(dp)F(dp)dp西安交通大学能源与动力工程学院11累积分布又分为筛上分布和筛下分布筛上分布筛下分布R(dp)+D(dp)=1工程破碎过程常使用Rosin-Rammler分布积分分布微分分布npddpedFmaxdpdppppdddfdRdpdppppdddfdDminnpddnnppeddndf1西安交通大学能源与动力工程学院12②雾化油滴均匀性粒度均匀性指标100exp()%nddRdRd：液滴群中，颗粒直径大于d的质量分数n：均匀系数，一般数值2~4。愈大，均匀性好：特征尺度（定义为时油滴直径）d136.7%dRe4.2.1雾化评价指标024681012141618200.00.10.20.30.4n=4n=3n=2f(dp)dp积分分布函数微分分布函数npddpedFnpddnnppeddndf1西安交通大学能源与动力工程学院13③雾化角：•出口雾化角：在喷嘴出口处，做雾化锥边界切线，夹角为出口雾化角。•条件雾化角：离开喷嘴一定距离x处，做垂直于油雾化锥中心线的垂线，与雾化锥边界相交于两点，两点与喷嘴中心相连得两线，夹角为。4.2.1雾化评价指标α0αx西安交通大学能源与动力工程学院14④流量密度：单位时间内，流过垂直于油雾方向的单位面积上的燃油体积。32()rmqms……1、雾化评价指标西安交通大学能源与动力工程学院15①雾化粒度②雾化油滴均匀性③雾化角④流量密度雾化评价指标西安交通大学能源与动力工程学院16雾化原理油射流或薄膜由于射流湍流、周围气体的气动力作用、液体中可能夹杂气体、喷枪的振动及喷嘴表面不光滑等因素，不可避免地要经受扰动。扰动使薄膜或射流产生变形，特别是在气动压力和表面张力作用下，使得表面变形不断加剧，以致于射流或薄膜产生分裂，形成液滴或不稳定的液带，液带随之也破裂成液滴。若作用在液滴上的作用力相当大，足以克服表面张力时，较大的液滴就会破裂成较小的液滴，这种现象称为“二次雾化”。西安交通大学能源与动力工程学院17雾化原理射流雾化：射流的湍流作用在射流表面的气动力起主要作用，形成短波扰动，引起部分流体不断从射流表面剥离而形成细小的液滴。随着射流速度增加，会在波长较短的扰动波作用下产生射流破碎，比低速射流破碎得更快，形成的液滴更细，且液滴从射流表面分离的时间比低速射流时整个流束破碎的时间短得多，几乎是在射流喷出后就立即开始雾化，并在整个射流长度上连续进行。西安交通大学能源与动力工程学院18雾化原理液膜雾化：离心喷嘴喷出空心锥形液膜具有向外扩张的惯性，而表面张力克服不了此惯性，于是液膜继续向外扩张，液膜越来越薄，同时，表面张力形成的表面位能也越来越高，使液膜越不稳定。结果表明，液膜破裂成液丝或液带，并在表面张力作用下继续分裂成液滴；流速较大时，除了表面张力、惯性力及粘性力起作用外，由于相对于周围气体的运动速度加大，气动力对液膜的作用也加大，致使液膜扭曲和起伏形成波纹，再被甩成细丝，继而形成小滴；流速很大时，液体离开喷口便立即被雾化。西安交通大学能源与动力工程学院19控制雾化的准则数——韦伯数Webernumber其中ρ为流体密度，v为特征流速，l为特征长度，σ为流体的表面张力系数。韦伯数代表惯性力和表面张力效应之比，韦伯数愈小代表表面张力愈重要，譬如毛细管现象、肥皂泡、表面张力波等小尺度的问题。一般而言，大尺度的问题，韦伯数远大于1.0，表面张力的作用便可以忽略。2vlW西安交通大学能源与动力工程学院204.2.2雾化器常用的油雾化喷嘴可以简单分为两类：机械式雾化器（离心式，旋杯式等）介质式雾化器（以蒸汽或空气作介质）①机械式雾化器依靠油泵的压力将液体燃料的压力提高，使以较高的压力喷进燃烧室西安交通大学能源与动力工程学院21介质压力越高，破碎的液滴也越细，但消耗的能量也越多。如用蒸汽做雾化介质，则还可以在雾化同时降低油的粘度，故进入喷嘴的燃油粘度越高时仍能保证雾化质量，采用空气作介质时，空气压力低，雾化质量较差。②介质式雾化器西安交通大学能源与动力工程学院22西安交通大学能源与动力工程学院23离心式利用高压泵使油具有很高的压力（20~200bar），并以一定的角度沿切向方向进入喷嘴的旋转室，或者通过具有旋转槽的喷嘴芯进入旋转室。油的部分压能转换为动能，液体旋转运动，根据自由旋涡动量矩守恒定律，旋转速度与旋涡半径成反比，因此越近轴心，旋转速度越大，静压愈小，结果在喷嘴中央形成一股压力等于大气压的空气旋流，而液体则形成使空气芯旋转的环形薄膜从喷嘴喷出，然后液膜伸长变薄并拉成细丝，最后细丝断裂为小液滴，这样形成的液雾为空心圆锥形。西安交通大学能源与动力工程学院24雾化器的性能主要还是通过实验测定来完成的。对于上述简单机械雾化器，其出力调节只能调节进油压力的方法进行，负荷↓必须降低P0↓→雾化质量下降。（回流雾化器就是为解决此问题提出的）。西安交通大学能源与动力工程学院25回油雾化器如图，回油式喷嘴漩流室前后各有一个通道:一个通向喷孔;一个通向回油管.两个简单机械雾化器并联使用.西安交通大学能源与动力工程学院26总油量=喷油+回油进油压力保持不变,则总进油量保持不变.改变回油量,喷油量改变.能保证油在旋流室的旋转强度,进而保证雾化质量.宽负荷调节范围.适宜用于负荷变化大频繁场合.西安交通大学能源与动力工程学院27西安交通大学能源与动力工程学院28气压p1油压p2混合压p3222minmax111()()pppppp西安交通大学能源与动力工程学院29Y型喷嘴油压、汽压均不高，入口油压0.7~2.1MPa，汽压比油压高1MPa左右.单只雾化器喷油量大，且雾化质量好，出力约为3000~7000t/h.调节比大，耗汽量低，一般为0.07~0.14kg(汽)/kg(油),应用在燃油锅炉较多。保养较难,喷口易堵塞。西安交通大学能源与动力工程学院30低压空气雾化喷嘴油压较低,0.03~0.1MPa;空气流速高,80m/s左右,风压2000~7000Pa;出力2~300kg/h雾化质量较好(风压低时差),调节范围广,能耗低.西安交通大学能源与动力工程学院31δr1火焰锋面O2—C∞西安交通大学能源与动力工程学院32①油滴球形，，其周围温度场()，浓度场均匀(D)②油滴随气流而动，与气流间无相对运动（Re=0）③油滴表面温度近似等于饱和温度T0=Tb④火焰锋面向内向外导热传递（忽略辐射），向内导热量=产生的油气量+油气温度升高，且忽略斯蒂芬流（油蒸汽穿过锋面逃逸的量）=0⑤O2从远方扩散而来在锋面上全部消耗掉，锋面O2的C=0，且O2扩散到锋面的量符含化学反应中氧与油的化学计量比4.3油滴燃烧过程假设：02rr西安交通大学能源与动力工程学院33设半径r球面，通过其向内导热量=油汽化且升温至T所需燃烧过程分析204()mpdTrqCTTHdrλ：导热系数常数T：当地（r）处温度T0：油滴表面温度（饱和温度）qm：油流量（汽化量）H：单位质量油汽化潜热δr1火焰锋面O2—C∞西安交通大学能源与动力工程学院34δr1火焰锋面O2—C∞对上式在（r0,T0）到（r1,Tr）积分Tr：锋面火焰温度（燃烧温度）0014ln1()11()pmrpCqTTHCrr(1)100204()rTrmpTrdTdrqCTTHr西安交通大学能源与动力工程学院3524mdCrDqdr∵在∞：O2浓度C∞r=r1,C=02014CmrdrDdCqr1114(0)()mDCqr14mqrDC(2)δr1火焰锋面O2—C∞西安交通大学能源与动力工程学院36联立（1）（2），消掉r1得004ln1()pmrpCDCqrTTCHqm：气化量，扩散火焰单位时间消耗的燃料量4rmkq08ln1()prrpCDCkTTCHk：燃烧常数由试验确定西安交通大学能源与动力工程学院370()rbTDTT↑、↑↓k↑燃烧过程中油颗粒直径变化0：→→03()64rmrdqkd－2dkd西安交通大学能源与动力工程学院2()dk0:0~,:~积分220k220k粒径平方-直线定律38①线性变化②燃尽时间，∴如则（雾化质量是控制燃烧关键）③该定律是针对扩散火焰的。④如果油滴与气体间有相对运动，则两者之间的热质交换都要增强，油滴气化所需热量供应更充足，气化加剧，燃烧强化。2~200rjk→＝0rj西安交通大学能源与动力工程学院39⑤油在扩散到火焰锋面前遇不到氧，不可避免裂解，总是发光火焰。⑥燃油是多种烃混合物，燃烧时，轻质组分先蒸发燃烧，残渣裂解析碳的焦化。甚至残余液滴被半固态粘性外壳包封→受热蒸汽冲破外壳→焦粒按固体燃烧规律燃尽。西安交通大学能源与动力工程学院40①ρr↓→k↑，轻质油的燃烧速度更快。②Cp↓,λ↑→k↑，气体导热性能好，燃烧更快。③H↓→k↑，油的气化潜热少，燃烧更快。④Tr↑→k↑，燃烧环境温度高，燃烧更快。⑤T0↓→k↑，油的饱和温度低，燃烧更快。⑥D↑→k↑，湍流传质能力强，燃烧更快。⑦C∞↑→k↑，环境氧浓度高，燃烧更快。⑧β↓→k↑，单位耗氧量低，燃烧更快。08ln1()prrpCDCkTTCH西安交通大学能源与动力工