第七章液体燃料的雾化

1、第七章第七章 颗粒燃料的燃烧颗粒燃料的燃烧刘雪玲天津大学热能工程系PM2.5PM2.5：particulate matter 颗粒物，是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。它的直径还不到人的头发丝粗细的1/20。根据PM2.5检测网的空气质量新标准： 优：035 良：3575 轻度污染：75115 中度污染：115150 重度污染：150250 严重污染：250及以上12月8日，预报PM2.5指数最高值达到395。图为记者在济南市山大路拍到的街景。（中新社发 邱江波 摄）发动机中喷射的汽油和柴油燃发动机中喷射的汽油和柴油燃料料（一）液体燃料燃烧（一）液体燃料燃烧（一）

2、液体燃料燃烧（一）液体燃料燃烧航空燃气（涡）轮（发动）机航空燃气（涡）轮（发动）机（一）液体燃料燃烧（一）液体燃料燃烧运载火箭发动机运载火箭发动机（美国阿波罗土星推（美国阿波罗土星推进器，中国神九长征进器，中国神九长征2号运载火箭液体助推器）号运载火箭液体助推器）雾化雾化液滴汽化、蒸液滴汽化、蒸发发燃料与空气混合燃料与空气混合液滴燃烧液滴燃烧（一）液体燃料燃烧（一）液体燃料燃烧液体燃料燃烧过程液体燃料燃烧过程 （较气体复杂）（较气体复杂）雾化概念及过程雾化概念及过程雾化概念雾化概念：用物理方法使液体燃料碎裂成细小液滴 群的过程。 1) 液体由喷嘴流出形成液柱或液膜。2) 由于液体射流本身的初始

3、湍流以及周围气体对 射流的作用（脉动、摩擦等），使液体表面产 生波动、褶皱，并最终分离出液体碎片或细丝。3) 在表面张力的作用下，液体碎片或细丝收缩成球 形油珠。4)在气动力作用下，大油珠进一步碎裂。注意：雾化是注意：雾化是物理过程物理过程、雾化后不是气体、雾化后不是气体雾化过程：雾化过程：增加燃料的比表面积有利于燃料与空气的混合完全燃烧加速燃料的蒸发汽化液体燃料的雾化液体燃料的雾化作用：作用：1、雾化角、雾化角 R=100mm雾化角：雾化角：又称油雾炬的张角，指喷嘴出口到喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角。液体燃料的雾化特性（评价指标）液体燃料的雾化特性（评价指标）r条件雾化角：条件雾化角：

4、以喷嘴为圆心，r为半径的圆弧和外包络线交点与喷口中心连线的交角。雾化角的大小对燃烧完善程度和经济性有很大影响，是雾化器设计的一个重要参数。R=100mm液体燃料的雾化特性（评价指标）液体燃料的雾化特性（评价指标）r雾化角对燃烧影响：雾化角对燃烧影响：过大：油滴穿出湍流最强区域，混合不良，燃烧不完全，降低燃烧效率。过小：液滴不能有效分布在这个燃烧室空间，造成局部过剩空气系数过大，燃烧温度下降、着火困难、燃烧不良。雾化角对火焰的影响：雾化角对火焰的影响：过大：火焰粗而短；过小：细而长。液体燃料的雾化特性（评价指标）液体燃料的雾化特性（评价指标）2、雾化液滴细度、雾化液滴细度Sauter平均直径：平

5、均直径：假设每个液滴直径相等时，按所测得的所有液滴的总体积V与总表面积S计算出来的液滴直径。iiiidnSdnV236SVdSMD6223366SMDiiSMDiidndnSdndnV液体燃料的雾化特性（评价指标）液体燃料的雾化特性（评价指标） 质量中间直径质量中间直径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假设存在一中间直径dm，大

6、于与小于dm的油珠的总质量相等。dmddmdMM液体燃料的雾化特性（评价指标）液体燃料的雾化特性（评价指标）3、雾化均匀度、雾化均匀度%exp100niddRRdi n大大n 均匀度指数，均匀度指数，n=14燃料雾化后液滴颗粒尺寸的均匀程度。燃料雾化后液滴颗粒尺寸的均匀程度。 Rosin-Rammlar分布分布 :特征尺寸特征尺寸R=36.8的液滴直径dR： 液滴质量液滴质量(体积体积)占取占取样总质量样总质量(体积体积)的百分数的百分数ddi 例：R90=32:大于 90m的颗粒占总颗粒的32液体燃料的雾化特性（评价指标）液体燃料的雾化特性（评价指标）4、流量密度分布、流量密度分布 单位时间

7、内在油滴运动的法线方向上，单位面积上通单位时间内在油滴运动的法线方向上，单位面积上通过的油滴的流量。过的油滴的流量。 判断油雾断面上油量分布的均匀程度。判断油雾断面上油量分布的均匀程度。旋流喷嘴油滴流量密度分布曲线旋流喷嘴油滴流量密度分布曲线00直流喷嘴油滴流量密度分布曲线直流喷嘴油滴流量密度分布曲线RRR流量密度流量密度流量密度流量密度R液滴集中在油雾距轴线附液滴集中在油雾距轴线附近，燃烧时间长、火焰长近，燃烧时间长、火焰长液滴分布较均匀，与空气液滴分布较均匀，与空气混合好，燃烧快、火焰短混合好，燃烧快、火焰短液体燃料的雾化特性（评价指标）液体燃料的雾化特性（评价指标）雾化对燃烧影响：雾化对

8、燃烧影响： 雾化越细，烧越充分；雾化越细，烧越充分；雾化的好坏，是组织好燃料燃烧的前提。雾化的好坏，是组织好燃料燃烧的前提。油粒的蒸发与燃烧油粒的蒸发与燃烧 蒸发蒸发 受热产生油蒸气 热解和裂化热解和裂化 油蒸汽高温下受热分解，产生固体碳和氢气。 液体油粒也会裂化出较轻的分子，剩下较重的分子。 着火燃烧着火燃烧 油蒸汽、热解和裂化产物与氧接触、达到着火温度时，着火燃烧。氧气氧气油气油气热解产物热解产物裂化产物裂化产物燃烧产物燃烧产物燃烧前沿燃烧前沿含氧介质含氧介质单个液滴的燃烧模型单个液滴的燃烧模型油粒燃烧过程特点油粒燃烧过程特点燃烧反应燃烧反应油的蒸发油的蒸发提供反应物质提供热量整个燃烧过程

9、的速度整个燃烧过程的速度油的蒸发速度油的燃烧速度油粒的蒸发与燃烧油粒的蒸发与燃烧油粒的蒸发与燃烧油粒的蒸发与燃烧油滴的净导热量：油滴的净导热量：油滴气化潜热：油滴气化潜热：油蒸气升温：油蒸气升温：drdTrQ214lvLmQ 3)(4LpvTTCmQ稳定蒸发过程的热平衡方程：稳定蒸发过程的热平衡方程：0)(42LpvlvTTCmLmdrdTr油滴升温：油滴升温：dd34132TCrQlls稳态时：稳态时：, 02Q油粒的蒸发与燃烧油粒的蒸发与燃烧lLpvLTTCdTrdrm)(42边界条件：边界条件：TrTrrLsTT，lLppsvLTTCCrm1ln4蒸发速率蒸发速率lLpTLTTCB引入传

10、输系数：BT ， mv T1ln4BCrmpsv油粒燃烧时间油粒燃烧时间TLpBrCddr1lnddrrddmmmLfv24TLgTLgpgBaBcrr1ln)(21ln2,202lLppsvLTTCCrm1ln4根据质量守恒：蒸发速率液滴单位时间质量减少量油粒燃烧时间油粒燃烧时间kDDkDD202202燃烧速度常数初始油珠尺寸220kDbD0，b b D02，用油粒直径表示：进一步简化：蒸发速率常数rs 0 燃尽时间燃尽时间b:TLgpgBcDD1ln8,202TLgpgBck1ln8,物性参数的选择：2/ )()(6 . 0)(4 . 0)(TTTTTkTccboilFgpgpg 例题：

11、直径为500m的正乙烷（C6H14）在热的滞止氮气中蒸发，压力为常压1atm。氮气温度850K，确定正乙烷液滴的寿命和蒸发速率。 已知：正乙烷液体密度659kg/m3， 蒸汽的定压比热容2872J/(kg.k)， 导热系数0.0464W/(m.k)， 汽化潜热335kJ /(kg.k)， 常压下，正乙烷沸点温度为342K。油雾燃烧(液滴群燃烧) 油雾燃烧模型油雾燃烧模型预蒸发型燃烧、滴群扩散燃烧、复合燃烧预蒸发型燃烧预蒸发型燃烧雾化液滴很细，周围介质温度高或喷嘴与火焰稳定区间距离长，使液滴进入火焰区前已全部蒸发完，燃烧完全在无蒸发的气相区中进行，这种燃烧情况与气体燃料的燃烧机理相同，液滴蒸发对

12、火焰长度的影响不大。 周围介质温度低或雾化颗粒较粗，蒸发性能差，进入燃烧区时油珠基本未蒸发，形成滴群的扩散燃烧。燃烧形式以单颗液滴燃烧形式进行。燃烧和蒸发几乎同步，蒸发过程决定整个燃烧过程，反应动力学因素影响不大。 滴群扩散燃烧滴群扩散燃烧油雾燃烧(液滴群燃烧)复合燃烧复合燃烧介于预蒸发型气体燃烧和滴群扩散燃烧之间。如较常见的喷雾液滴燃烧，因喷出的雾滴大小不均匀，其中较小的液滴在火焰区前方已蒸发完，形成预混型气体火焰，较粗的液滴到达火焰区时尚未蒸发完毕，产生滴群扩散火焰。这时蒸发因素、反应动力学因素、湍流因素都将对燃烧过程产生影响。液滴群燃烧特点；液滴群燃烧特点；1)液滴群燃烧过程的扩展主要是

13、借助于液滴的不断着火、燃烧；2)液滴群燃烧速度一般比均匀混合气燃烧速度小；3）液滴群燃烧的着火界限和稳定工作范围较均匀可燃混合气燃烧宽。作业题：作业题： 试计算在常压、960的环境温度下，直径为0.1mm的汽油雾滴在相对静止条件下的完全蒸发时间。 已知：汽油密度820kg/m3， 汽化潜热320kJ /(kg.k)， 常压下，汽油的沸点温度为342K； 油蒸汽定压比热容2.48kJ/(kg.k)， 油蒸汽导热系数3.0510-5kW/(m.k)。(二二)固体燃料燃烧固体燃料燃烧煤的燃烧过程：煤的燃烧过程：煤干燥煤干燥(水分蒸发水分蒸发)热解热解(挥发分析出挥发分析出)焦炭燃烧焦炭燃烧焦炭的燃烧

14、占煤燃尽时间的90%煤燃烧中焦炭的燃烧起决定性作用焦炭成分：固定碳矿物质焦炭成分：固定碳矿物质 固定碳的燃烧决定了焦炭的燃烧过程碳粒燃烧碳粒燃烧碳粒燃烧过程的碳粒燃烧过程的 5个环节：个环节：（1）氧分子扩散到达碳的表面（2）氧被碳吸附，形成活化络合物CXOY。（3）CXOY在高温下分解为CO2和CO，也可与氧发生反应形成CO2和CO。（4）燃烧产物（CO2、CO）从固体炭表面解吸（脱离吸附）（5）解析后的燃烧产物（CO2、CO）从固体表面向周围扩散。碳粒燃烧碳粒燃烧碳粒表面气体消耗速率计算：碳粒表面气体消耗速率计算：bCkW反应气体向反应表面的扩散速度：反应气体向反应表面的扩散速度：bCCW

15、0扩0111CkW碳表面气体（氧）燃烧反应速度：碳表面气体（氧）燃烧反应速度：扩WW 稳定燃烧时：稳定燃烧时：碳粒燃烧碳粒燃烧碳的燃烧速度：0111CkmKCSg碳/cm2.s碳的燃烧减少量：drrdGr24ddrdrdrrKrrCS2244碳粒燃烧的时间：00rrCSrrrCSrKdrKdr碳粒燃尽的时间：000rCSrKdr煤的燃烧方式煤的燃烧方式层状燃烧层状燃烧 燃料放在炉篦或炉排之上，通过炉篦或炉排的缝隙将空气送入燃烧层，使之进行燃烧，高温燃烧产物进入炉膛进行换热，燃尽的灰渣通过炉篦缝隙或排渣口排出。如：工业链条炉。层状燃烧层状燃烧悬浮燃烧悬浮燃烧沸腾燃烧沸腾燃烧旋风燃烧旋风燃烧燃烧燃烧方式方式煤的燃烧方式煤的燃烧方式悬浮燃烧悬浮燃烧 燃料与空气的混合物喷入燃烧室或炉膛内，则燃料将在这个空间内以悬浮状态完成燃烧过程。例如：大型电站锅炉固体燃料（煤） 煤粉(2550m)磨煤机 燃烧器炉膛燃烧优点：优点： 煤粉体积小，与空气接触面积增大，着火条件大大改善，燃烧效率大大提高。煤的燃烧方式煤的燃烧方式沸腾燃烧沸腾燃烧介于层状燃烧与悬浮燃烧之间的燃烧方式。通过炉排的空气气流速度大于煤粉颗粒的沉降速度时，煤粉颗粒上下翻腾运动，呈现处类似开水“沸腾”的状态。例如：沸腾炉、沸腾床属低污染燃烧技术，粉碎的石灰石或白云石送入炉中，脱硫效率达80%，沸腾段燃