哈尔滨工业大学燃烧工程研究所

1、哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所邱朋华哈尔滨工业大学燃烧工程研究所液体燃料的燃烧哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所在液体或固体燃料燃烧过程中，气体与燃料的接触存在相界面（异相反应），燃料加热气化或燃烧过程中的气体为多组分气体，这些气体在燃料界面附近产生浓度梯度，形成各组分相互扩散的物质流，只要在相界面上存在物理或化学变化（如蒸发或燃烧过程），而且这种变化在不断产生或消耗物质流，这种物理或化学变化过程与气体组分的扩散过程的综合作用下，在相界面法线方向产生一股与扩散物质流有关的总质量流，是一股宏观物质流动。这一现象是Stefan在研究水面蒸发时首先发现

2、的，故称Stefan流。哈尔滨工业大学燃烧工程研究所假设： A-A为一水面，水面上方为大气空间，水面A-A处为水与空气的相分界面，在相界面上只有水蒸气和空气两种气体组分，以f1和f2分别表示水蒸气和空气的质量相对浓度。哈尔滨工业大学燃烧工程研究所在相界面处有：式中，J1,0为界面处水蒸气的扩散流；D0为分子扩散系数；r0为气体平均密度；导数项 为界面上水蒸气沿水面法线方向的浓度梯度。 0因此水蒸气的扩散是流向水面上方。yf1yf122H OH O,0000fJDyr 哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃

3、烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所 预蒸发型燃烧 喷雾型燃烧哈尔滨工业大学燃烧工程研究所液体燃料的沸点低于着火温度，先蒸发后燃烧，总是燃烧其蒸气燃烧过程分为三步： 蒸发：较慢 混合：油蒸汽与氧相互扩散，较快 燃烧：燃烧速度高液体燃烧不同于固体燃烧的异相化学反应，只能在表面蒸发，并在离液滴表面一定距离的火焰面上燃烧，液体表面无火焰，内部无火焰液体燃料燃烧时，如果缺氧，会产生热分解CmHn xC+yH2+Cm-xHn-2y缺氧哈尔滨工业大学燃烧工程研究所 蒸发良好 供氧充分哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工

4、业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所忽略气体和油滴间的相对流速，油滴为球形，其半径为r0，油滴的蒸发、燃烧都以球对称进行，故燃烧时的火焰锋面为同心球面。由于油滴表面温度T0比环境温度低使外界热量向油滴表面传递，并忽略辐射传热。油滴内部的中心温度为7”，以导热方式向油滴内部传递热量。燃料蒸气在表面处的浓度ffs大于环境中的浓度ff，故燃料蒸气由y油滴表面向火焰面方向扩散，空气出外向表面方向扩散，油滴表面处的蒸发流为r0v0，油滴内部燃料浓度ff0为常数。蒸发、燃烧过程为定压、准稳定场(忽略界面内移的影响)。设环境温度比燃料沸点温度高得多，油滴表面温度T0略低于沸点温度Tb0。哈尔滨工

5、业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所单个液滴的燃烧模型，假设： 液滴为均匀对称球体； 液滴随风飘动，与空气间无相对运动； 燃烧及快，火焰面薄； 火焰温度较高，向内向外同时传热，液滴表面温度接近饱和温度，燃烧温度等于理论燃烧温度； 忽略对流与辐射换热；

6、忽略液滴周围的温度场不均匀对热导率和扩散系数的影响； 忽略斯蒂芬流。r1r0C0TrT0rdr哈尔滨工业大学燃烧工程研究所推导液滴燃烧时间和液滴尺寸的关系对于半径为r的球面，由热量平衡可知：将上式改写，自液滴表面（r0和T0）到火焰锋面（r1和Tr）积分HTTCqdrdTrpm024导热率油的流量油滴表面温度，假设等于油的饱和温度油的气化潜热010201ln1144010TTHCrrCqrdrHTTCdTrppmTTrrpr哈尔滨工业大学燃烧工程研究所假设火焰锋面之外有一个半径为r的球面，氧从远处通过这个球面向内扩散的数量等于火焰锋面上所消耗的氧量，即4r2D dC/dr = bqm式中：D氧

7、的分子扩散系数；C氧的浓度；b氧与油的化学计量比。将上式改写，在无穷远处和火焰锋面之间积分，得：DCqrrdrqDdCmCrmbb441021哈尔滨工业大学燃烧工程研究所消去r1，得：brbDCTTHCCkDCTTHCCrqrpprrppm0001ln81ln4式中，rr油密度；d液滴直径4drrmkq则：哈尔滨工业大学燃烧工程研究所另一方面，液滴燃烧过程中直径不断减小dddddddddrdrkkkddkddddddqrrm202220223226燃尽时间或者改写为联立后得到哈尔滨工业大学燃烧工程研究所上式称为液滴燃烧的直径平方直线定律 该定律说明：油滴直径的平方随时间的变化呈直线关系 当油滴

8、粒径等于0时，表明油滴完全燃尽，此时对应的燃尽时间为：kr20d哈尔滨工业大学燃烧工程研究所哈尔滨工业大学燃烧工程研究所工程上液体燃料的燃烧是一群粒度不同的液体组成的液雾在燃烧有必要掌握液雾燃烧的基本概念了解液雾燃烧过程中配风的基本原则哈尔滨工业大学燃烧工程研究所 液滴大小不均匀 液滴有一定速度，处于强迫流动 除导热外，还有对流换热，温度高时还有辐射换热 液滴内温度较低，表面温度未达到饱和温度，升温吸热不能忽略 液滴强烈蒸发，燃烧，在界面上产生向外的质量流，斯蒂芬流，不能忽略 液雾燃烧时，液滴相互靠近，互相传热，同时妨碍氧气扩散，一般使燃烧速度变慢 小液滴易燃尽，大液滴不易燃尽哈尔滨工业大学燃

9、烧工程研究所轻质油基本符合直径平方轻质油基本符合直径平方直线定律直线定律重质油（重油）燃烧时首先受热产生碳黑壳，接着重质油（重油）燃烧时首先受热产生碳黑壳，接着内部气化、膨胀、破裂，再燃烧，但最终总结果，内部气化、膨胀、破裂，再燃烧，但最终总结果，燃尽时间基本符合直径平方燃尽时间基本符合直径平方直线定律关系直线定律关系d 2 s)重油柴油理论哈尔滨工业大学燃烧工程研究所雾化液体燃料的原因 增加液滴进行反应的比表面积，增强与氧气的混合，强化液体燃料燃烧雾化定义 靠外界作用将连续的液流破碎成雾状的油液滴群的过程雾化原理 介质雾化：空气、蒸汽以一定的压力，高速冲击油流，使其雾化。 机械雾化：油流高速

10、旋转，脉动而破裂，同时与介质作用，加强雾化。哈尔滨工业大学燃烧工程研究所影响雾化的因素 油本身压力：油压高，流出速度高，雾化好 介质压力：介质压力高，冲击力强，脉动大，雾化好 雾化喷嘴：喷嘴小，油膜薄，雾化好 旋转强度：旋转强，油膜薄，雾化好 油性质：粘度小，雾化好（油温高，粘度小）哈尔滨工业大学燃烧工程研究所雾化指标 雾化细度iiimmmdd23iiiisnnddd哈尔滨工业大学燃烧工程研究所雾化指标 雾化均匀度定义雾化后液滴直径分布函数上式中， Sg液滴总质量gx大于某个直径x的液滴的质量 由试验得到上式中，d0对应于R0=36.8%的液滴直径n系数，称为均匀性指数，或均匀度100ggRxneR0dd哈尔滨工业大学燃烧工程研究所d(mm)R100050100200300400雾化液滴粒度分布雾化液滴粒度分布哈尔滨工业大学燃烧工程研究所雾化指标 雾化角出口雾化角2a1条件雾化角2a2F哈尔滨工业大学燃烧工程研究所加强雾化，减小油滴直径，选用合适的雾化器加强雾化，减小油滴直径，选用合适的雾化器增加空气与油滴的相对速度。相对速度越大，越有利于燃增加空气与油滴的相对速度。相对速度越大，越有利于燃料和空气之间的扩散、混合，加强燃烧料和空