燃烧学-第六章-液体燃料的燃烧精课件

燃烧学燃烧学1第6章液体燃料的燃烧第6章液体燃料的燃烧26.1Stefan流6.1Stefan流3一、斯蒂芬流定义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的，故称Stefan流。一、斯蒂芬流定义在液体或固体燃料燃烧过程中，气体与燃料的接触4二、水蒸发时的斯蒂芬流假设：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。二、水蒸发时的斯蒂芬流假设：5燃烧学-第六章-液体燃料的燃烧[精]课件6燃烧学-第六章-液体燃料的燃烧[精]课件7二、水蒸发时的斯蒂芬流二、水蒸发时的斯蒂芬流8二、水蒸发时的斯蒂芬流二、水蒸发时的斯蒂芬流9三、碳燃烧时的斯蒂芬流三、碳燃烧时的斯蒂芬流10二、碳燃烧时的斯蒂芬流二、碳燃烧时的斯蒂芬流11二、碳燃烧时的斯蒂芬流二、碳燃烧时的斯蒂芬流126.2液体燃料燃烧的特点6.2液体燃料燃烧的特点13一、燃烧方式预蒸发型燃烧燃料进入燃烧空间之前蒸发为油蒸气，以不同比例与空气混合后进入燃烧室中燃烧。例如：汽油机装有汽化器，燃气轮机装有蒸发管。此燃烧方式与气体燃料燃烧原理相同。喷雾型燃烧把液体燃料通过喷雾器雾化成一股由微小油滴组成的雾化锥气流，在雾化的油滴周围存在空气，当雾化锥气流在燃烧室被加热，油滴边蒸发，边混合，边燃烧。动力行业多采用此种燃烧方式。一、燃烧方式预蒸发型燃烧14二、喷雾型燃烧的特点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：燃烧速度高油燃烧速度取决于最慢的蒸发速度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缺氧二、喷雾型燃烧的特点液体燃料的沸点低于着火温度，先蒸发后燃烧15三、喷雾型燃烧的要点蒸发良好供氧充分三、喷雾型燃烧的要点蒸发良好166.3油滴的蒸发6.3油滴的蒸发17一、静止气流中的油滴特点一、静止气流中的油滴特点18二、油滴蒸发模型二、油滴蒸发模型19二、油滴蒸发模型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。二、油滴蒸发模型忽略气体和油滴间的相对流速，油滴为球形，其半20基本方程基本方程21各组分边界条件各组分边界条件22物理量变换物理量变换23物理量变换物理量变换24重新整理边界条件重新整理边界条件25基本方程变换为基本方程变换为26由方程的相似性变换可得由方程的相似性变换可得27求解求解28积分积分29求解蒸发速度求解蒸发速度30求解蒸发时间求解蒸发时间31结果结果326.4液滴的燃烧6.4液滴的燃烧33液滴的燃烧模型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；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液滴的燃烧模型单个液滴的燃烧模型，假设：r1r0C0TrT034液滴燃烧模型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液滴燃烧模型推导液滴燃烧时间和液滴尺寸的关系导热率油的流量油35液滴燃烧模型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 4pr2DdC/dr=bqm式中：

D——氧的分子扩散系数；

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：液滴燃烧模型假设火焰锋面之外有一个半径为r的球面，氧从远处通364.3液滴燃烧模型消去r1，得：式中，rr——油密度；

d——液滴直径则：4.3液滴燃烧模型消去r1，得：式中，rr——油密度；则：374.3液滴燃烧模型另一方面，液滴燃烧过程中直径不断减小燃尽时间或者改写为联立后得到4.3液滴燃烧模型另一方面，液滴燃烧过程中直径不断减小燃尽时384.3液滴燃烧模型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粒径等于0时，表明油滴完全燃尽，此时对应的燃尽时间为： 4.3液滴燃烧模型上式称为液滴燃烧的直径平方——直线定律394.4液雾燃烧4.4液雾燃烧40一、液雾的燃烧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一、液雾的燃烧工程上液体燃料的燃烧是一群粒度不同的液体组成的41二、液雾燃烧的特点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，大液滴不易燃尽二、液雾燃烧的特点液滴大小不均匀42三、油雾的燃烧规律轻质油基本符合直径平方——直线定律重质油（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，燃尽时间基本符合直径平方——直线定律关系d2t(s)重油柴油理论三、油雾的燃烧规律轻质油基本符合直径平方——直线定律d2t43四、液体的雾化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：油流高速旋转，脉动而破裂，同时与介质作用，加强雾化。四、液体的雾化雾化液体燃料的原因44四、液体的雾化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）四、液体的雾化影响雾化的因素45四、液体的雾化雾化指标雾化细度质量平均当量直径索太尔平均当量直径上式中， di——液滴粒径

mi——直径为di液滴对应的质量

ni——直径为di液滴对应的个数四、液体的雾化雾化指标464.4.3液体的雾化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4.4.3液体的雾化雾化指标474.4.3液体的雾化d(mm)R100050100200300400雾化液滴粒度分布4.4.3液体的雾化d(mm)R10005010020030484.4.3液体的雾化雾化指标雾化角出口雾化角：在喷口出口处做雾化锥外边界切线，两切线间夹角的一半为出口雾化角条件雾化角：以喷口中心线为圆心，距离x为半径（通常为200mm）作弧，与雾化锥边界线有两个交点，连接喷口中心线与两个交点获得两个连线，这两条连线间的夹角的一半称为条件雾化角出口雾化角2a1条件雾化角2a2F4.4.3液体的雾化雾化指标出口雾化角2a1条件雾化角2a249五、强化油燃烧的途径加强雾化，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，越有利于燃料和空气之间的扩散、混合，加强燃烧及时、适量供风及时供风，避免高温、缺氧造成燃料热分解适量供风，提高燃烧效率供风原则少量一次风送入火焰根部，在着火前与燃料混合，防止油在高温下热分解燃烧中保证油雾与空气强烈混合，气流雾化角与油雾扩散角相适应保证后期混合，提高风速，使射流衰减变慢在着火区制造适当的回流区，保证着火五、强化油燃烧的途径加强雾化，减小油滴直径，选用合适的雾化器50燃烧学燃烧学51第6章液体燃料的燃烧第6章液体燃料的燃烧526.1Stefan流6.1Stefan流53一、斯蒂芬流定义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的，故称Stefan流。一、斯蒂芬流定义在液体或固体燃料燃烧过程中，气体与燃料的接触54二、水蒸发时的斯蒂芬流假设：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。二、水蒸发时的斯蒂芬流假设：55燃烧学-第六章-液体燃料的燃烧[精]课件56燃烧学-第六章-液体燃料的燃烧[精]课件57二、水蒸发时的斯蒂芬流二、水蒸发时的斯蒂芬流58二、水蒸发时的斯蒂芬流二、水蒸发时的斯蒂芬流59三、碳燃烧时的斯蒂芬流三、碳燃烧时的斯蒂芬流60二、碳燃烧时的斯蒂芬流二、碳燃烧时的斯蒂芬流61二、碳燃烧时的斯蒂芬流二、碳燃烧时的斯蒂芬流626.2液体燃料燃烧的特点6.2液体燃料燃烧的特点63一、燃烧方式预蒸发型燃烧燃料进入燃烧空间之前蒸发为油蒸气，以不同比例与空气混合后进入燃烧室中燃烧。例如：汽油机装有汽化器，燃气轮机装有蒸发管。此燃烧方式与气体燃料燃烧原理相同。喷雾型燃烧把液体燃料通过喷雾器雾化成一股由微小油滴组成的雾化锥气流，在雾化的油滴周围存在空气，当雾化锥气流在燃烧室被加热，油滴边蒸发，边混合，边燃烧。动力行业多采用此种燃烧方式。一、燃烧方式预蒸发型燃烧64二、喷雾型燃烧的特点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：燃烧速度高油燃烧速度取决于最慢的蒸发速度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缺氧二、喷雾型燃烧的特点液体燃料的沸点低于着火温度，先蒸发后燃烧65三、喷雾型燃烧的要点蒸发良好供氧充分三、喷雾型燃烧的要点蒸发良好666.3油滴的蒸发6.3油滴的蒸发67一、静止气流中的油滴特点一、静止气流中的油滴特点68二、油滴蒸发模型二、油滴蒸发模型69二、油滴蒸发模型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。二、油滴蒸发模型忽略气体和油滴间的相对流速，油滴为球形，其半70基本方程基本方程71各组分边界条件各组分边界条件72物理量变换物理量变换73物理量变换物理量变换74重新整理边界条件重新整理边界条件75基本方程变换为基本方程变换为76由方程的相似性变换可得由方程的相似性变换可得77求解求解78积分积分79求解蒸发速度求解蒸发速度80求解蒸发时间求解蒸发时间81结果结果826.4液滴的燃烧6.4液滴的燃烧83液滴的燃烧模型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；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液滴的燃烧模型单个液滴的燃烧模型，假设：r1r0C0TrT084液滴燃烧模型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液滴燃烧模型推导液滴燃烧时间和液滴尺寸的关系导热率油的流量油85液滴燃烧模型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 4pr2DdC/dr=bqm式中：

D——氧的分子扩散系数；

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：液滴燃烧模型假设火焰锋面之外有一个半径为r的球面，氧从远处通864.3液滴燃烧模型消去r1，得：式中，rr——油密度；

d——液滴直径则：4.3液滴燃烧模型消去r1，得：式中，rr——油密度；则：874.3液滴燃烧模型另一方面，液滴燃烧过程中直径不断减小燃尽时间或者改写为联立后得到4.3液滴燃烧模型另一方面，液滴燃烧过程中直径不断减小燃尽时884.3液滴燃烧模型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粒径等于0时，表明油滴完全燃尽，此时对应的燃尽时间为： 4.3液滴燃烧模型上式称为液滴燃烧的直径平方——直线定律894.4液雾燃烧4.4液雾燃烧90一、液雾的燃烧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一、液雾的燃烧工程上液体燃料的燃烧是一群粒度不同的液体组成的91二、液雾燃烧的特点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，大液滴不易燃尽二、液雾燃烧的特点液滴大小不均匀92三、油雾的燃烧规律轻质油基本符合直径平方——直线定律重质油（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，燃尽时间基本符合直径平方——直线定律关系d2t(s)重油柴油理论三、油雾的燃烧规律轻质油基本符合直径平方——直线定律d2t93四、液体的雾化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：油流高速旋转，脉动而破裂，同时与介质作用，加强雾化。四、液体的雾化雾化液体燃料的原因94四、液体的雾化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）四