燃燒學(xué)第六章液體燃料的燃燒精課件

1、燃 燒 學(xué)第6章液體燃料的燃燒6.1 Stefan流一、斯蒂芬流定義在液體或固體燃料燃燒過(guò)程中，氣體與燃料的接觸存在相界面（異相反應(yīng)），燃料加熱氣化或燃燒過(guò)程中的氣體為多組分氣體，這些氣體在燃料界面附近產(chǎn)生濃度梯度，形成各組分相互擴(kuò)散的物質(zhì)流，只要在相界面上存在物理或化學(xué)變化（如蒸發(fā)或燃燒過(guò)程），而且這種變化在不斷產(chǎn)生或消耗物質(zhì)流，這種物理或化學(xué)變化過(guò)程與氣體組分的擴(kuò)散過(guò)程的綜合作用下，在相界面法線方向產(chǎn)生一股與擴(kuò)散物質(zhì)流有關(guān)的總質(zhì)量流，是一股宏觀物質(zhì)流動(dòng)。這一現(xiàn)象是Stefan在研究水面蒸發(fā)時(shí)首先發(fā)現(xiàn)的，故稱(chēng)Stefan流。二、水蒸發(fā)時(shí)的斯蒂芬流假設(shè)：A-A為一水面，水面上方為大氣空間，水面

2、A-A處為水與空氣的相分界面，在相界面上只有水蒸氣和空氣兩種氣體組分，以f1和f2分別表示水蒸氣和空氣的質(zhì)量相對(duì)濃度。二、水蒸發(fā)時(shí)的斯蒂芬流二、水蒸發(fā)時(shí)的斯蒂芬流三、碳燃燒時(shí)的斯蒂芬流二、碳燃燒時(shí)的斯蒂芬流二、碳燃燒時(shí)的斯蒂芬流6.2液體燃料燃燒的特點(diǎn)一、燃燒方式預(yù)蒸發(fā)型燃燒燃料進(jìn)入燃燒空間之前蒸發(fā)為油蒸氣，以不同比例與空氣混合后進(jìn)入燃燒室中燃燒。例如：汽油機(jī)裝有汽化器，燃?xì)廨啓C(jī)裝有蒸發(fā)管。此燃燒方式與氣體燃料燃燒原理相同。噴霧型燃燒把液體燃料通過(guò)噴霧器霧化成一股由微小油滴組成的霧化錐氣流，在霧化的油滴周?chē)嬖诳諝猓?dāng)霧化錐氣流在燃燒室被加熱，油滴邊蒸發(fā)，邊混合，邊燃燒。動(dòng)力行業(yè)多采用此種燃燒

3、方式。二、噴霧型燃燒的特點(diǎn)液體燃料的沸點(diǎn)低于著火溫度，先蒸發(fā)后燃燒，總是燃燒其蒸氣燃燒過(guò)程分為三步：蒸發(fā)：較慢混合：油蒸汽與氧相互擴(kuò)散，較快燃燒：燃燒速度高油燃燒速度取決于最慢的蒸發(fā)速度液體燃燒不同于固體燃燒的異相化學(xué)反應(yīng)，只能在表面蒸發(fā)，并在離液滴表面一定距離的火焰面上燃燒，液體表面無(wú)火焰，內(nèi)部無(wú)火焰液體燃料燃燒時(shí)，如果缺氧，會(huì)產(chǎn)生熱分解CmHn xC+yH2+Cm-xHn-2y缺氧三、噴霧型燃燒的要點(diǎn)蒸發(fā)良好供氧充分6.3油滴的蒸發(fā)一、靜止氣流中的油滴特點(diǎn)二、油滴蒸發(fā)模型二、油滴蒸發(fā)模型忽略氣體和油滴間的相對(duì)流速，油滴為球形，其半徑為r0，油滴的蒸發(fā)、燃燒都以球?qū)ΨQ(chēng)進(jìn)行，故燃燒時(shí)的火焰鋒面

4、為同心球面。由于油滴表面溫度T0比環(huán)境溫度低使外界熱量向油滴表面?zhèn)鬟f，并忽略輻射傳熱。油滴內(nèi)部的中心溫度為7”，以導(dǎo)熱方式向油滴內(nèi)部傳遞熱量。燃料蒸氣在表面處的濃度f(wàn)fs大于環(huán)境中的濃度f(wàn)f，故燃料蒸氣由y油滴表面向火焰面方向擴(kuò)散，空氣出外向表面方向擴(kuò)散，油滴表面處的蒸發(fā)流為r0v0，油滴內(nèi)部燃料濃度f(wàn)f0為常數(shù)。蒸發(fā)、燃燒過(guò)程為定壓、準(zhǔn)穩(wěn)定場(chǎng)(忽略界面內(nèi)移的影響)。設(shè)環(huán)境溫度比燃料沸點(diǎn)溫度高得多，油滴表面溫度T0略低于沸點(diǎn)溫度Tb0?；痉匠谈鹘M分邊界條件物理量變換物理量變換重新整理邊界條件基本方程變換為由方程的相似性變換可得求解積分求解蒸發(fā)速度求解蒸發(fā)時(shí)間結(jié)果6.4液滴的燃燒液滴的燃燒模型

5、單個(gè)液滴的燃燒模型，假設(shè)：液滴為均勻?qū)ΨQ(chēng)球體；液滴隨風(fēng)飄動(dòng)，與空氣間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)；燃燒及快，火焰面?。换鹧鏈囟容^高，向內(nèi)向外同時(shí)傳熱，液滴表面溫度接近飽和溫度，燃燒溫度等于理論燃燒溫度；忽略對(duì)流與輻射換熱；忽略液滴周?chē)臏囟葓?chǎng)不均勻?qū)釋?dǎo)率和擴(kuò)散系數(shù)的影響；忽略斯蒂芬流。r1r0C0TrT0rdr液滴燃燒模型推導(dǎo)液滴燃燒時(shí)間和液滴尺寸的關(guān)系對(duì)于半徑為r的球面，由熱量平衡可知：將上式改寫(xiě)，自液滴表面（r0和T0）到火焰鋒面（r1和Tr）積分導(dǎo)熱率油的流量油滴表面溫度，假設(shè)等于油的飽和溫度油的氣化潛熱液滴燃燒模型假設(shè)火焰鋒面之外有一個(gè)半徑為r的球面，氧從遠(yuǎn)處通過(guò)這個(gè)球面向內(nèi)擴(kuò)散的數(shù)量等于火焰鋒面上所

6、消耗的氧量，即4pr2D dC/dr = bqm式中：D氧的分子擴(kuò)散系數(shù)；C氧的濃度；b氧與油的化學(xué)計(jì)量比。將上式改寫(xiě)，在無(wú)窮遠(yuǎn)處和火焰鋒面之間積分，得：4.3液滴燃燒模型消去r1，得：式中，rr油密度；d液滴直徑則：4.3液滴燃燒模型另一方面，液滴燃燒過(guò)程中直徑不斷減小燃盡時(shí)間或者改寫(xiě)為聯(lián)立后得到4.3液滴燃燒模型上式稱(chēng)為液滴燃燒的直徑平方直線定律該定律說(shuō)明：油滴直徑的平方隨時(shí)間的變化呈直線關(guān)系當(dāng)油滴粒徑等于0時(shí)，表明油滴完全燃盡，此時(shí)對(duì)應(yīng)的燃盡時(shí)間為：4.4液霧燃燒一、液霧的燃燒工程上液體燃料的燃燒是一群粒度不同的液體組成的液霧在燃燒有必要掌握液霧燃燒的基本概念了解液霧燃燒過(guò)程中配風(fēng)的基本

7、原則二、液霧燃燒的特點(diǎn)液滴大小不均勻液滴有一定速度，處于強(qiáng)迫流動(dòng)除導(dǎo)熱外，還有對(duì)流換熱，溫度高時(shí)還有輻射換熱液滴內(nèi)溫度較低，表面溫度未達(dá)到飽和溫度，升溫吸熱不能忽略液滴強(qiáng)烈蒸發(fā)，燃燒，在界面上產(chǎn)生向外的質(zhì)量流，斯蒂芬流，不能忽略液霧燃燒時(shí)，液滴相互靠近，互相傳熱，同時(shí)妨礙氧氣擴(kuò)散，一般使燃燒速度變慢小液滴易燃盡，大液滴不易燃盡三、油霧的燃燒規(guī)律輕質(zhì)油基本符合直徑平方直線定律重質(zhì)油（重油）燃燒時(shí)首先受熱產(chǎn)生碳黑殼，接著內(nèi)部氣化、膨脹、破裂，再燃燒，但最終總結(jié)果，燃盡時(shí)間基本符合直徑平方直線定律關(guān)系d 2t (s)重油柴油理論四、液體的霧化霧化液體燃料的原因增加液滴進(jìn)行反應(yīng)的比表面積，增強(qiáng)與氧氣的

8、混合，強(qiáng)化液體燃料燃燒霧化定義靠外界作用將連續(xù)的液流破碎成霧狀的油液滴群的過(guò)程霧化原理介質(zhì)霧化：空氣、蒸汽以一定的壓力，高速?zèng)_擊油流，使其霧化。機(jī)械霧化：油流高速旋轉(zhuǎn)，脈動(dòng)而破裂，同時(shí)與介質(zhì)作用，加強(qiáng)霧化。四、液體的霧化影響霧化的因素油本身壓力：油壓高，流出速度高，霧化好介質(zhì)壓力：介質(zhì)壓力高，沖擊力強(qiáng)，脈動(dòng)大，霧化好霧化噴嘴：噴嘴小，油膜薄，霧化好旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度：旋轉(zhuǎn)強(qiáng)，油膜薄，霧化好油性質(zhì)：粘度小，霧化好（油溫高，粘度?。┧?、液體的霧化霧化指標(biāo)霧化細(xì)度質(zhì)量平均當(dāng)量直徑索太爾平均當(dāng)量直徑上式中，di液滴粒徑mi直徑為di液滴對(duì)應(yīng)的質(zhì)量ni直徑為di液滴對(duì)應(yīng)的個(gè)數(shù)4.4.3液體的霧化霧化指標(biāo)霧化均勻度

9、定義霧化后液滴直徑分布函數(shù)上式中，Sg液滴總質(zhì)量gx大于某個(gè)直徑x的液滴的質(zhì)量由試驗(yàn)得到上式中，d0對(duì)應(yīng)于R0=36.8%的液滴直徑n系數(shù)，稱(chēng)為均勻性指數(shù)，或均勻度4.4.3液體的霧化d(mm)R100050100200300400霧化液滴粒度分布4.4.3液體的霧化霧化指標(biāo)霧化角出口霧化角：在噴口出口處做霧化錐外邊界切線，兩切線間夾角的一半為出口霧化角條件霧化角：以噴口中心線為圓心，距離x為半徑（通常為200mm）作弧，與霧化錐邊界線有兩個(gè)交點(diǎn)，連接噴口中心線與兩個(gè)交點(diǎn)獲得兩個(gè)連線，這兩條連線間的夾角的一半稱(chēng)為條件霧化角出口霧化角2a1條件霧化角2a2F五、強(qiáng)化油燃燒的途徑加強(qiáng)霧化，減小油滴直徑，選用合適的霧化器增加空氣與油滴的相對(duì)速度。相對(duì)速度越大，越有利于燃料和空氣之間的擴(kuò)散、混