第七章液體燃料的霧化

1、第七章第七章 顆粒燃料的燃燒顆粒燃料的燃燒劉雪玲天津大學(xué)熱能工程系PM2.5PM2.5：particulate matter 顆粒物，是指大氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。它的直徑還不到人的頭發(fā)絲粗細(xì)的1/20。根據(jù)PM2.5檢測(cè)網(wǎng)的空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)： 優(yōu)：035 良：3575 輕度污染：75115 中度污染：115150 重度污染：150250 嚴(yán)重污染：250及以上12月8日，預(yù)報(bào)PM2.5指數(shù)最高值達(dá)到395。圖為記者在濟(jì)南市山大路拍到的街景。（中新社發(fā) 邱江波 攝）發(fā)動(dòng)機(jī)中噴射的汽油和柴油燃發(fā)動(dòng)機(jī)中噴射的汽油和柴油燃料料（一）液體燃料燃燒（一）液體燃料燃燒（一）

2、液體燃料燃燒（一）液體燃料燃燒航空燃?xì)猓u）輪（發(fā)動(dòng)）機(jī)航空燃?xì)猓u）輪（發(fā)動(dòng)）機(jī)（一）液體燃料燃燒（一）液體燃料燃燒運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（美國(guó)阿波羅土星推（美國(guó)阿波羅土星推進(jìn)器，中國(guó)神九長(zhǎng)征進(jìn)器，中國(guó)神九長(zhǎng)征2號(hào)運(yùn)載火箭液體助推器）號(hào)運(yùn)載火箭液體助推器）霧化霧化液滴汽化、蒸液滴汽化、蒸發(fā)發(fā)燃料與空氣混合燃料與空氣混合液滴燃燒液滴燃燒（一）液體燃料燃燒（一）液體燃料燃燒液體燃料燃燒過(guò)程液體燃料燃燒過(guò)程 （較氣體復(fù)雜）（較氣體復(fù)雜）霧化概念及過(guò)程霧化概念及過(guò)程霧化概念霧化概念：用物理方法使液體燃料碎裂成細(xì)小液滴 群的過(guò)程。 1) 液體由噴嘴流出形成液柱或液膜。2) 由于液體射流本身的初始

3、湍流以及周圍氣體對(duì) 射流的作用（脈動(dòng)、摩擦等），使液體表面產(chǎn) 生波動(dòng)、褶皺，并最終分離出液體碎片或細(xì)絲。3) 在表面張力的作用下，液體碎片或細(xì)絲收縮成球 形油珠。4)在氣動(dòng)力作用下，大油珠進(jìn)一步碎裂。注意：霧化是注意：霧化是物理過(guò)程物理過(guò)程、霧化后不是氣體、霧化后不是氣體霧化過(guò)程：霧化過(guò)程：增加燃料的比表面積有利于燃料與空氣的混合完全燃燒加速燃料的蒸發(fā)汽化液體燃料的霧化液體燃料的霧化作用：作用：1、霧化角、霧化角 R=100mm霧化角：霧化角：又稱油霧炬的張角，指噴嘴出口到噴霧炬外包絡(luò)線的兩條切線之間的夾角。液體燃料的霧化特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）液體燃料的霧化特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）r條件霧化角：條件霧化角：

4、以噴嘴為圓心，r為半徑的圓弧和外包絡(luò)線交點(diǎn)與噴口中心連線的交角。霧化角的大小對(duì)燃燒完善程度和經(jīng)濟(jì)性有很大影響，是霧化器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。R=100mm液體燃料的霧化特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）液體燃料的霧化特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）r霧化角對(duì)燃燒影響：霧化角對(duì)燃燒影響：過(guò)大：油滴穿出湍流最強(qiáng)區(qū)域，混合不良，燃燒不完全，降低燃燒效率。過(guò)小：液滴不能有效分布在這個(gè)燃燒室空間，造成局部過(guò)剩空氣系數(shù)過(guò)大，燃燒溫度下降、著火困難、燃燒不良。霧化角對(duì)火焰的影響：霧化角對(duì)火焰的影響：過(guò)大：火焰粗而短；過(guò)?。杭?xì)而長(zhǎng)。液體燃料的霧化特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）液體燃料的霧化特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）2、霧化液滴細(xì)度、霧化液滴細(xì)度Sauter平均直徑：平

5、均直徑：假設(shè)每個(gè)液滴直徑相等時(shí)，按所測(cè)得的所有液滴的總體積V與總表面積S計(jì)算出來(lái)的液滴直徑。iiiidnSdnV236SVdSMD6223366SMDiiSMDiidndnSdndnV液體燃料的霧化特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）液體燃料的霧化特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)） 質(zhì)量中間直徑質(zhì)量中間直徑MMD：D50: Mass-median-diameter (MMD). The log-normal distribution mass median diameter. The MMD is considered to be the average particle diameter by mass假設(shè)存在一中間直徑dm，大

6、于與小于dm的油珠的總質(zhì)量相等。dmddmdMM液體燃料的霧化特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）液體燃料的霧化特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）3、霧化均勻度、霧化均勻度%exp100niddRRdi n大大n 均勻度指數(shù)，均勻度指數(shù)，n=14燃料霧化后液滴顆粒尺寸的均勻程度。燃料霧化后液滴顆粒尺寸的均勻程度。 Rosin-Rammlar分布分布 :特征尺寸特征尺寸R=36.8的液滴直徑dR： 液滴質(zhì)量液滴質(zhì)量(體積體積)占取占取樣總質(zhì)量樣總質(zhì)量(體積體積)的百分?jǐn)?shù)的百分?jǐn)?shù)ddi 例：R90=32:大于 90m的顆粒占總顆粒的32液體燃料的霧化特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）液體燃料的霧化特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）4、流量密度分布、流量密度分布 單位時(shí)間

7、內(nèi)在油滴運(yùn)動(dòng)的法線方向上，單位面積上通單位時(shí)間內(nèi)在油滴運(yùn)動(dòng)的法線方向上，單位面積上通過(guò)的油滴的流量。過(guò)的油滴的流量。 判斷油霧斷面上油量分布的均勻程度。判斷油霧斷面上油量分布的均勻程度。旋流噴嘴油滴流量密度分布曲線旋流噴嘴油滴流量密度分布曲線00直流噴嘴油滴流量密度分布曲線直流噴嘴油滴流量密度分布曲線RRR流量密度流量密度流量密度流量密度R液滴集中在油霧距軸線附液滴集中在油霧距軸線附近，燃燒時(shí)間長(zhǎng)、火焰長(zhǎng)近，燃燒時(shí)間長(zhǎng)、火焰長(zhǎng)液滴分布較均勻，與空氣液滴分布較均勻，與空氣混合好，燃燒快、火焰短混合好，燃燒快、火焰短液體燃料的霧化特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）液體燃料的霧化特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）霧化對(duì)燃燒影響：霧化對(duì)

8、燃燒影響： 霧化越細(xì)，燒越充分；霧化越細(xì)，燒越充分；霧化的好壞，是組織好燃料燃燒的前提。霧化的好壞，是組織好燃料燃燒的前提。油粒的蒸發(fā)與燃燒油粒的蒸發(fā)與燃燒 蒸發(fā)蒸發(fā) 受熱產(chǎn)生油蒸氣 熱解和裂化熱解和裂化 油蒸汽高溫下受熱分解，產(chǎn)生固體碳和氫氣。 液體油粒也會(huì)裂化出較輕的分子，剩下較重的分子。 著火燃燒著火燃燒 油蒸汽、熱解和裂化產(chǎn)物與氧接觸、達(dá)到著火溫度時(shí)，著火燃燒。氧氣氧氣油氣油氣熱解產(chǎn)物熱解產(chǎn)物裂化產(chǎn)物裂化產(chǎn)物燃燒產(chǎn)物燃燒產(chǎn)物燃燒前沿燃燒前沿含氧介質(zhì)含氧介質(zhì)單個(gè)液滴的燃燒模型單個(gè)液滴的燃燒模型油粒燃燒過(guò)程特點(diǎn)油粒燃燒過(guò)程特點(diǎn)燃燒反應(yīng)燃燒反應(yīng)油的蒸發(fā)油的蒸發(fā)提供反應(yīng)物質(zhì)提供熱量整個(gè)燃燒過(guò)程

9、的速度整個(gè)燃燒過(guò)程的速度油的蒸發(fā)速度油的燃燒速度油粒的蒸發(fā)與燃燒油粒的蒸發(fā)與燃燒油粒的蒸發(fā)與燃燒油粒的蒸發(fā)與燃燒油滴的凈導(dǎo)熱量：油滴的凈導(dǎo)熱量：油滴氣化潛熱：油滴氣化潛熱：油蒸氣升溫：油蒸氣升溫：drdTrQ214lvLmQ 3)(4LpvTTCmQ穩(wěn)定蒸發(fā)過(guò)程的熱平衡方程：穩(wěn)定蒸發(fā)過(guò)程的熱平衡方程：0)(42LpvlvTTCmLmdrdTr油滴升溫：油滴升溫：dd34132TCrQlls穩(wěn)態(tài)時(shí)：穩(wěn)態(tài)時(shí)：, 02Q油粒的蒸發(fā)與燃燒油粒的蒸發(fā)與燃燒lLpvLTTCdTrdrm)(42邊界條件：邊界條件：TrTrrLsTT，lLppsvLTTCCrm1ln4蒸發(fā)速率蒸發(fā)速率lLpTLTTCB引入傳

10、輸系數(shù)：BT ， mv T1ln4BCrmpsv油粒燃燒時(shí)間油粒燃燒時(shí)間TLpBrCddr1lnddrrddmmmLfv24TLgTLgpgBaBcrr1ln)(21ln2,202lLppsvLTTCCrm1ln4根據(jù)質(zhì)量守恒：蒸發(fā)速率液滴單位時(shí)間質(zhì)量減少量油粒燃燒時(shí)間油粒燃燒時(shí)間kDDkDD202202燃燒速度常數(shù)初始油珠尺寸220kDbD0，b b D02，用油粒直徑表示：進(jìn)一步簡(jiǎn)化：蒸發(fā)速率常數(shù)rs 0 燃盡時(shí)間燃盡時(shí)間b:TLgpgBcDD1ln8,202TLgpgBck1ln8,物性參數(shù)的選擇：2/ )()(6 . 0)(4 . 0)(TTTTTkTccboilFgpgpg 例題：

11、直徑為500m的正乙烷（C6H14）在熱的滯止氮?dú)庵姓舭l(fā)，壓力為常壓1atm。氮?dú)鉁囟?50K，確定正乙烷液滴的壽命和蒸發(fā)速率。 已知：正乙烷液體密度659kg/m3， 蒸汽的定壓比熱容2872J/(kg.k)， 導(dǎo)熱系數(shù)0.0464W/(m.k)， 汽化潛熱335kJ /(kg.k)， 常壓下，正乙烷沸點(diǎn)溫度為342K。油霧燃燒(液滴群燃燒) 油霧燃燒模型油霧燃燒模型預(yù)蒸發(fā)型燃燒、滴群擴(kuò)散燃燒、復(fù)合燃燒預(yù)蒸發(fā)型燃燒預(yù)蒸發(fā)型燃燒霧化液滴很細(xì)，周圍介質(zhì)溫度高或噴嘴與火焰穩(wěn)定區(qū)間距離長(zhǎng)，使液滴進(jìn)入火焰區(qū)前已全部蒸發(fā)完，燃燒完全在無(wú)蒸發(fā)的氣相區(qū)中進(jìn)行，這種燃燒情況與氣體燃料的燃燒機(jī)理相同，液滴蒸發(fā)對(duì)

12、火焰長(zhǎng)度的影響不大。 周圍介質(zhì)溫度低或霧化顆粒較粗，蒸發(fā)性能差，進(jìn)入燃燒區(qū)時(shí)油珠基本未蒸發(fā)，形成滴群的擴(kuò)散燃燒。燃燒形式以單顆液滴燃燒形式進(jìn)行。燃燒和蒸發(fā)幾乎同步，蒸發(fā)過(guò)程決定整個(gè)燃燒過(guò)程，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素影響不大。 滴群擴(kuò)散燃燒滴群擴(kuò)散燃燒油霧燃燒(液滴群燃燒)復(fù)合燃燒復(fù)合燃燒介于預(yù)蒸發(fā)型氣體燃燒和滴群擴(kuò)散燃燒之間。如較常見的噴霧液滴燃燒，因噴出的霧滴大小不均勻，其中較小的液滴在火焰區(qū)前方已蒸發(fā)完，形成預(yù)混型氣體火焰，較粗的液滴到達(dá)火焰區(qū)時(shí)尚未蒸發(fā)完畢，產(chǎn)生滴群擴(kuò)散火焰。這時(shí)蒸發(fā)因素、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素、湍流因素都將對(duì)燃燒過(guò)程產(chǎn)生影響。液滴群燃燒特點(diǎn)；液滴群燃燒特點(diǎn)；1)液滴群燃燒過(guò)程的擴(kuò)展主要是

13、借助于液滴的不斷著火、燃燒；2)液滴群燃燒速度一般比均勻混合氣燃燒速度小；3）液滴群燃燒的著火界限和穩(wěn)定工作范圍較均勻可燃混合氣燃燒寬。作業(yè)題：作業(yè)題： 試計(jì)算在常壓、960的環(huán)境溫度下，直徑為0.1mm的汽油霧滴在相對(duì)靜止條件下的完全蒸發(fā)時(shí)間。 已知：汽油密度820kg/m3， 汽化潛熱320kJ /(kg.k)， 常壓下，汽油的沸點(diǎn)溫度為342K； 油蒸汽定壓比熱容2.48kJ/(kg.k)， 油蒸汽導(dǎo)熱系數(shù)3.0510-5kW/(m.k)。(二二)固體燃料燃燒固體燃料燃燒煤的燃燒過(guò)程：煤的燃燒過(guò)程：煤干燥煤干燥(水分蒸發(fā)水分蒸發(fā))熱解熱解(揮發(fā)分析出揮發(fā)分析出)焦炭燃燒焦炭燃燒焦炭的燃燒

14、占煤燃盡時(shí)間的90%煤燃燒中焦炭的燃燒起決定性作用焦炭成分：固定碳礦物質(zhì)焦炭成分：固定碳礦物質(zhì) 固定碳的燃燒決定了焦炭的燃燒過(guò)程碳粒燃燒碳粒燃燒碳粒燃燒過(guò)程的碳粒燃燒過(guò)程的 5個(gè)環(huán)節(jié)：個(gè)環(huán)節(jié)：（1）氧分子擴(kuò)散到達(dá)碳的表面（2）氧被碳吸附，形成活化絡(luò)合物CXOY。（3）CXOY在高溫下分解為CO2和CO，也可與氧發(fā)生反應(yīng)形成CO2和CO。（4）燃燒產(chǎn)物（CO2、CO）從固體炭表面解吸（脫離吸附）（5）解析后的燃燒產(chǎn)物（CO2、CO）從固體表面向周圍擴(kuò)散。碳粒燃燒碳粒燃燒碳粒表面氣體消耗速率計(jì)算：碳粒表面氣體消耗速率計(jì)算：bCkW反應(yīng)氣體向反應(yīng)表面的擴(kuò)散速度：反應(yīng)氣體向反應(yīng)表面的擴(kuò)散速度：bCCW

15、0擴(kuò)0111CkW碳表面氣體（氧）燃燒反應(yīng)速度：碳表面氣體（氧）燃燒反應(yīng)速度：擴(kuò)WW 穩(wěn)定燃燒時(shí)：穩(wěn)定燃燒時(shí)：碳粒燃燒碳粒燃燒碳的燃燒速度：0111CkmKCSg碳/cm2.s碳的燃燒減少量：drrdGr24ddrdrdrrKrrCS2244碳粒燃燒的時(shí)間：00rrCSrrrCSrKdrKdr碳粒燃盡的時(shí)間：000rCSrKdr煤的燃燒方式煤的燃燒方式層狀燃燒層狀燃燒 燃料放在爐篦或爐排之上，通過(guò)爐篦或爐排的縫隙將空氣送入燃燒層，使之進(jìn)行燃燒，高溫燃燒產(chǎn)物進(jìn)入爐膛進(jìn)行換熱，燃盡的灰渣通過(guò)爐篦縫隙或排渣口排出。如：工業(yè)鏈條爐。層狀燃燒層狀燃燒懸浮燃燒懸浮燃燒沸騰燃燒沸騰燃燒旋風(fēng)燃燒旋風(fēng)燃燒燃燒燃燒方式方式煤的燃燒方式煤的燃燒方式懸浮燃燒懸浮燃燒 燃料與空氣的混合物噴入燃燒室或爐膛內(nèi)，則燃料將在這個(gè)空間內(nèi)以懸浮狀態(tài)完成燃燒過(guò)程。例如：大型電站鍋爐固體燃料（煤） 煤粉(2550m)磨煤機(jī) 燃燒器爐膛燃燒優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 煤粉體積小，與空氣接觸面積增大，著火條件大大改善，燃燒效率大大提高。煤的燃燒方式煤的燃燒方式沸騰燃燒沸騰燃燒介于層狀燃燒與懸浮燃燒之間的燃燒方式。通過(guò)爐排的空氣氣流速度大于煤粉顆粒的沉降速度時(shí)，煤粉顆粒上下翻騰運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)處類似開水“沸騰”的狀態(tài)。例如：沸騰爐、沸騰床屬低污染燃燒技術(shù)，粉碎的石灰石或白云石送入爐中，脫硫效率達(dá)80%，沸騰段燃