燃燒學(xué)第5章：液體燃料燃燒課件

1第五章液體燃料燃燒5.1液體燃料的特性5.2液體燃料的霧化5.3液滴的蒸發(fā)5.4液滴燃燒第二節(jié)液體燃料的霧化一、霧化過程及機(jī)理1、霧化過程：液體燃料碎裂成細(xì)、小液滴群的過程。2、影響因素：（1）流體的湍流擴(kuò)散（2）液滴穿越氣體介質(zhì)時(shí)所受到的空氣阻力3、重要參數(shù)：（1）液體燃料射流與周圍氣體間的相對(duì)速度（2）霧化噴嘴前后的壓力差液體液體柱或液膜液體碎片或細(xì)絲球形液滴進(jìn)一步碎裂4、四個(gè)階段：圖5-3液滴的分裂過程5、液滴分離的基本原理液體表面不斷增大，直到它變得不穩(wěn)定并破碎。液滴從液體產(chǎn)生的過程，依賴于液體在霧化噴嘴中的流動(dòng)性質(zhì)（即是層流還是湍流）、給液體加入能量的途徑、液體的物理性質(zhì)以及周圍氣體的性質(zhì)。45、控制霧化的量綱一的數(shù)——韋伯（Weber）數(shù)液滴的變形和碎裂的程度取決于作用在液滴上的力和形成液滴的液體表面張力之間的比值。上式表明，燃燒室中的壓力增高、相對(duì)速度增加以及液體的表面張力系數(shù)減小，均對(duì)霧化過程有利。5（1）提高液體燃料的噴射壓力，壓力越高，霧化得越細(xì)6、強(qiáng)化液體燃料霧化的方法（2）降低液體燃料的粘度與表面張力，如提高燃油的溫度可降低燃油的粘度與其表面張力（3）提高液滴對(duì)空氣的相對(duì)速度。而且增強(qiáng)液體本身的湍流擾動(dòng)也可提高霧化效果二、霧化方式和噴嘴按照油的霧化機(jī)理，工程上油的霧化方式分為：壓力式、旋轉(zhuǎn)式和氣動(dòng)式等。前兩種又稱為機(jī)械式霧化。如下圖所示。1、壓力式霧化噴嘴壓力式霧化噴嘴又稱為離心式機(jī)械霧化器。它可以用在航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)以及鍋爐和工業(yè)窯爐上。工作原理：液體燃料在一定壓力差作用下沿切向孔（或槽）進(jìn)入噴嘴旋流室，在其中產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)獲得轉(zhuǎn)動(dòng)量，這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)量可以保持到噴嘴出口。當(dāng)燃油流出孔口時(shí)，壁面約束突然消失，于是在離心力作用下射流迅速擴(kuò)展，從而霧化成許多小液滴。2、旋轉(zhuǎn)式霧化噴嘴壓力油流通過空心軸進(jìn)入噴嘴頭部高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯內(nèi)，其轉(zhuǎn)速約為3000~6000rpm，高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，使油流從轉(zhuǎn)杯內(nèi)壁向出口四周的切線方向甩出，因速度較高使油膜被空氣霧化成細(xì)滴。旋轉(zhuǎn)杯式噴嘴的結(jié)構(gòu)示于圖6-5所示。

圖5-6中間回油式機(jī)械噴嘴

1—二次風(fēng)嘴2—一次風(fēng)嘴3—轉(zhuǎn)杯4—風(fēng)機(jī)

5—轉(zhuǎn)軸6—進(jìn)油管7—進(jìn)油體8—電動(dòng)機(jī)3、氣動(dòng)式霧化噴嘴氣動(dòng)式霧化噴嘴又稱介質(zhì)式霧化噴嘴。它利用壓縮空氣或高壓蒸汽為霧化介質(zhì)，將其壓力轉(zhuǎn)化為高速氣流，使液體噴散成霧狀氣流。采用蒸汽為介質(zhì)的霧化噴嘴又分為純蒸汽霧化和蒸汽—機(jī)械（壓力）綜合霧化兩類噴嘴。三、液體燃料霧化性能一般可用一些特性參數(shù)來表征噴嘴的霧化性能。即霧化角、霧化液滴細(xì)度、霧化均勻度、噴霧射程和流量密度分布等。1、霧化角噴嘴出口到噴霧炬外包絡(luò)線的兩條切線之間的夾角，也稱為噴霧錐角。圖5-9霧化角示意圖噴嘴出口處的燃料細(xì)油滴組成霧化錐，噴出的霧化氣流不斷卷吸爐內(nèi)高溫氣體并形成擴(kuò)展的氣流邊界。條件霧化角。以噴口為圓心，距離r為半徑（大流量噴嘴r取100~150mm；小流量噴嘴r取40~80mm）作弧，與邊界線得兩交點(diǎn)，連接噴口中心與兩邊界線交點(diǎn)的連線，這兩連線間的夾角稱為條件霧化角，可用

表示。2、霧化液滴細(xì)度：表示噴霧炬液滴粗細(xì)程度。由于霧化后的液滴大小是不均勻的，因此只能用液滴的平均直徑來表示液滴的細(xì)度。（1）索太爾平均直徑（SMD）（2）質(zhì)量中間直徑（MMD）大于或等于這一直徑的所有液滴的總質(zhì)量與小于或等于這一直徑的所有液滴的總質(zhì)量相等。3、霧化均勻度：燃料霧化后液滴顆粒尺寸的均勻程度。用均勻性指數(shù)n來衡量均勻性指數(shù)n可從羅辛－拉姆勒（Rosin-Rammler）分布函數(shù)中求得R：液滴群中，顆粒直徑大于dli的質(zhì)量分?jǐn)?shù)n：均勻系數(shù)，一般數(shù)值2~4。愈大，均勻性好：特征尺度（相當(dāng)于時(shí)油滴直徑）

dli：與R相應(yīng)的液滴直徑霧化均勻度較差，則大液滴數(shù)目較多，這對(duì)燃燒是不利的。但是，過分均勻也是不相宜的，因?yàn)檫@會(huì)使大部分液滴直徑集中在某一區(qū)域，使燃燒穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)性變差。最有利的霧化分布應(yīng)根據(jù)燃燒設(shè)備類型、構(gòu)造和氣流情況等具體條件而定。4.噴霧射程噴霧射程指水平方向噴射時(shí)，噴霧液滴喪失動(dòng)能時(shí)所能到達(dá)的平面與噴口之間的距離。霧化角大和霧化很細(xì)的噴霧炬，射程比較短；密集的噴霧炬，由于吸入的空氣量較少，射程比較遠(yuǎn)。一般射程長(zhǎng)的噴霧炬所形成的火焰長(zhǎng)度也長(zhǎng)。5.流量密度分布圖5-11燃料分布特性

a)、b)離心式機(jī)械霧化噴嘴>c)直流式機(jī)械霧化噴嘴單位時(shí)間內(nèi)，通過與燃料噴射方向相垂直的單位橫截面上燃料液體質(zhì)量（或體積）沿半徑方向的分布規(guī)律。第三節(jié)液滴的蒸發(fā)一、液滴蒸發(fā)時(shí)的斯蒂芬流

二、相對(duì)靜止環(huán)境中液滴的蒸發(fā)

三、強(qiáng)迫氣流中液滴的蒸發(fā)

四、液滴群的蒸發(fā)一、液滴蒸發(fā)時(shí)的斯蒂芬流1、蒸發(fā)過程液滴周圍成分分布圖5-12液體周圍成分分布

wxg—空氣中空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)

wlg—空氣中燃料蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

wxgs—液滴表面的燃料蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)

wlgs—液滴表面的空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)第三節(jié)液滴的蒸發(fā)2、斯蒂芬（Stefan）流

由于含量梯度的存在，使燃料蒸氣不斷地從表面向外擴(kuò)散；相反地，空氣x則從外部環(huán)境不斷地向液滴表面擴(kuò)散。在液滴表面，空氣力圖向液滴內(nèi)部擴(kuò)散，然而空氣既不能進(jìn)入液滴內(nèi)部，也不在液滴表面凝結(jié)。因此，為平衡空氣的擴(kuò)散趨勢(shì)，必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向流動(dòng)。根據(jù)質(zhì)量平衡定理，在液滴表面這個(gè)反向流動(dòng)的氣體質(zhì)量正好與向液滴表面擴(kuò)散的空氣質(zhì)量相等。這種氣體在液滴表面或任一對(duì)稱球面以某一速度vg離開的對(duì)流流動(dòng)被稱為斯蒂芬（Stefan）流。

假設(shè)液滴為規(guī)則球體，半徑為r1，由于斯蒂芬流引起的燃料蒸汽向外對(duì)流，其數(shù)量為：上式表明，在蒸發(fā)液滴外圍的任意對(duì)稱球面上，由斯蒂芬流引起的空氣質(zhì)量遷移正好與分子擴(kuò)散引起的空氣質(zhì)量遷移相抵消，因此空氣的總質(zhì)量遷移為0。實(shí)際上不存在x組分的宏觀流動(dòng)，真的存在的流動(dòng)是由于斯蒂芬流動(dòng)引起燃料蒸氣向外對(duì)流。二、相對(duì)靜止環(huán)境中液滴的蒸發(fā)1、在相對(duì)靜止環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率圖5-13高溫下液滴蒸發(fā)的能量平衡圖高溫氣流中液滴的蒸發(fā)蒸發(fā)模型假設(shè)(1)液滴是球形的，由一高溫球面所包圍，相當(dāng)于包圍燃燒油滴的狹窄燃燒區(qū)，見圖所示；(2)蒸發(fā)是穩(wěn)定過程；(3)蒸發(fā)率決定于液滴的加熱速率；(4)蒸發(fā)率的大小能滿足液滴表面處蒸氣和液體處于平衡的條件；(5)通過傳熱和擴(kuò)散，液滴達(dá)到稍低于液體沸點(diǎn)的溫度；(6)蒸發(fā)過程是等壓的；(7)燃料蒸發(fā)和周圍介質(zhì)氣體滿足理想氣體定律；(8)導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度而改變；(9)不考慮輻射和對(duì)流熱損失；(10)在液滴附近，燃料濃度和溫度隨離開液滴中心的距離作線性變化。液滴表面的燃料蒸氣比流速率液滴表面和火焰前鋒之間任意半徑球面的蒸氣比流速率（5-15）則式（5-15）可改寫為邊界條件相對(duì)靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率2、液滴已達(dá)蒸發(fā)平衡溫度后的蒸發(fā)速率邊界條件導(dǎo)熱量蒸氣升溫需熱量液滴蒸發(fā)需潛熱液滴內(nèi)部溫度均勻T1所需熱量液滴達(dá)到平衡蒸發(fā)溫度后若液滴周圍氣體混合物（5-24）對(duì)比式（5-24）和式（5-18）可知，當(dāng)平衡蒸發(fā)，且Le=1，應(yīng)有（5-18）（5-24）相對(duì)靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率相對(duì)靜止的高溫環(huán)境中液滴已達(dá)蒸發(fā)平衡溫度后的蒸發(fā)速率相對(duì)靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率相對(duì)靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率相對(duì)靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率相對(duì)靜止的高溫環(huán)境中液滴已達(dá)蒸發(fā)平衡溫度后的蒸發(fā)速率相對(duì)靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率（5-24）相對(duì)靜止的高溫環(huán)境中液滴已達(dá)蒸發(fā)平衡溫度后的蒸發(fā)速率相對(duì)靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率（5-24）相對(duì)靜止的高溫環(huán)境中液滴已達(dá)蒸發(fā)平衡溫度后的蒸發(fā)速率相對(duì)靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率（5-18）（5-24）相對(duì)靜止的高溫環(huán)境中液滴已達(dá)蒸發(fā)平衡溫度后的蒸發(fā)速率相對(duì)靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率對(duì)比式（5-24）和式（5-18）可知，當(dāng)平衡蒸發(fā)，且Le=1，應(yīng)有（5-18）（5-24）相對(duì)靜止的高溫環(huán)境中液滴已達(dá)蒸發(fā)平衡溫度后的蒸發(fā)速率相對(duì)靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率對(duì)比式（5-24）和式（5-18）可知，當(dāng)平衡蒸發(fā)，且Le=1，應(yīng)有（5-18）（5-24）相對(duì)靜止的高溫環(huán)境中液滴已達(dá)蒸發(fā)平衡溫度后的蒸發(fā)速率相對(duì)靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率對(duì)比式（5-24）和式（5-18）可知，當(dāng)平衡蒸發(fā)，且Le=1，應(yīng)有（5-18）（5-24）相對(duì)靜止的高溫環(huán)境中液滴已達(dá)蒸發(fā)平衡溫度后的蒸發(fā)速率相對(duì)靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率3、蒸發(fā)時(shí)間－液滴完全蒸發(fā)所需時(shí)間對(duì)于半徑為r1的液滴邊界條件積分在相對(duì)靜止氣氛中液滴完全蒸發(fā)時(shí)間第四節(jié)液滴燃燒液滴的燃燒模型單個(gè)液滴的燃燒模型，假設(shè)：液滴為均勻?qū)ΨQ球體；液滴隨風(fēng)飄動(dòng)，與空氣間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)；燃燒極快，火焰面薄；火焰溫度較高，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；忽略液滴周圍的溫度場(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)于液滴表面與火焰鋒面之間半徑為r的球面，由熱量平衡可知：將上式改寫，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r1r0C0TrT0rdr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)處通過這個(gè)球面向內(nèi)擴(kuò)散的數(shù)量等于火焰鋒面上所消耗的氧量，即

式中：

D——氧的分子擴(kuò)散系數(shù)；

C——氧的濃度；

β——氧與油的化學(xué)計(jì)量比。將上式改寫，在無(wú)窮遠(yuǎn)處和火焰鋒面之間積分，得：r1r0C0TrT0rdr液滴燃燒模型消