液體燃料的燃燒特點(diǎn)、過(guò)程和組織

1、液體燃料的燃燒特點(diǎn)、過(guò)程和組織16.1 油燃燒特點(diǎn) 6.2 油的霧化 6.3 油滴燃燒過(guò)程 6.4 油霧炬燃燒 6.5 油燃燒的組織及調(diào)風(fēng)器26.1 油燃燒特點(diǎn)3霧化燃燒 油燃燒是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，由于油沸點(diǎn)低于其燃點(diǎn)，因此油滴總是先蒸發(fā)成氣體，并以氣態(tài)的方式進(jìn)行燃燒。霧化：4包含：霧化、受熱蒸發(fā)、擴(kuò)散混合、著火燃燒燃料細(xì)滴油霧炬，霧滴，表面積有利于油滴的氣化過(guò)程，同時(shí)也有利于與空氣的混合，保證燃燒質(zhì)量。蒸發(fā)：油滴受熱后表面開始蒸發(fā)油蒸汽擴(kuò)散混合：燃油蒸汽與周圍空氣互相擴(kuò)散與混合 燃燒：油蒸汽與空氣混合物達(dá)到著火溫度后，開始燃燒 。5在燃燒過(guò)程中，油滴內(nèi)部繼續(xù)受熱蒸發(fā)擴(kuò)散混合新油氣空氣混

2、合物取代已散逸燃燒產(chǎn)物繼續(xù)燃燒油滴燃盡61.油滴 2.油蒸汽區(qū) 3.燃燒區(qū) 4.外部5.油蒸汽濃度 6.氧氣濃度 7.溫度5 限制油滴燃燒的主要因素是與空氣的混合速度，即取決于空氣向油滴表面擴(kuò)散所需的時(shí)間，屬擴(kuò)散燃燒。7物理化學(xué)過(guò)程：霧化三傳受熱蒸發(fā)著火燃盡 霧化效果影響了油燃燒的快慢及燃燒質(zhì)量，因此油的霧化是其燃燒過(guò)程中一個(gè)重要因素。6.2 油的霧化81、霧化評(píng)價(jià)指標(biāo)2、霧化器6.2.1 霧化評(píng)價(jià)指標(biāo)9 霧化粒度：表示油滴顆粒大小的指標(biāo) ( 100m )表示油滴顆粒大小的指標(biāo)，有平均直徑，最大直徑，中值直徑等，常用平均直徑法（又包含算術(shù)平均法，表面積平均法，體積平均法，質(zhì)量平均法徑等）索太爾

3、平均直徑（） （體面積平均直徑） 粒度分布的表達(dá)形式表格形式（離散）直方圖（離散）函數(shù)形式（連續(xù)）10微分型（頻率分布） 積分型（累積分布）11累積分布又分為篩上分布和篩下分布 篩上分布 篩下分布 R(dp)+D(dp)=1工程破碎過(guò)程常使用Rosin-Rammler分布積分分布 微分分布12 霧化油滴均勻性13粒度均勻性指標(biāo)Rd：液滴群中，顆粒直徑大于d的質(zhì)量分?jǐn)?shù)n：均勻系數(shù)，一般數(shù)值24。 愈大，均勻性好 ：特征尺度（定義為 時(shí)油滴直徑） 6.2.1 霧化評(píng)價(jià)指標(biāo)積分分布函數(shù)微分分布函數(shù) 霧化角：14 出口霧化角：在噴嘴出口處，做霧化錐邊界切線，夾角為出口霧化角。 條件霧化角：離開噴嘴一定

4、距離x處，做垂直于油霧化錐中心線的垂線，與霧化錐邊界相交于兩點(diǎn)，兩點(diǎn)與噴嘴中心相連得兩線，夾角為。6.2.1 霧化評(píng)價(jià)指標(biāo) 流量密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，流過(guò)垂直于油霧方向的單位面積上的燃油體積。 15 1、霧化評(píng)價(jià)指標(biāo) 霧化粒度 霧化油滴均勻性 霧化角： 流量密度：16霧化評(píng)價(jià)指標(biāo)霧化原理油射流或薄膜由于射流紊流、周圍氣體的氣動(dòng)力作用、液體中可能夾雜氣體、噴槍的振動(dòng)及噴嘴表面不光滑等因素，不可避免地要經(jīng)受擾動(dòng)。擾動(dòng)使薄膜或射流產(chǎn)生變形，特別是在氣動(dòng)壓力和表面張力作用下，使得表面變形不斷加劇，以致于射流或薄膜產(chǎn)生分裂，形成液滴或不穩(wěn)定的液帶，液帶隨之也破裂成液滴。若作用在液滴上的作用力相當(dāng)大，足以克服

5、表面張力時(shí)，較大的液滴就會(huì)破裂成較小的液滴，這種現(xiàn)象稱為“二次霧化”。 17霧化原理射流霧化：射流的紊流作用在射流表面的氣動(dòng)力起主要作用，形成短波擾動(dòng)，引起部分流體不斷從射流表面剝離而形成細(xì)小的液滴。隨著射流速度增加，會(huì)在波長(zhǎng)較短的擾動(dòng)波作用下產(chǎn)生射流破碎，比低速射流破碎得更快，形成的液滴更細(xì)，且液滴從射流表面分離的時(shí)間比低速射流時(shí)整個(gè)流束破碎的時(shí)間短得多，幾乎是在射流噴出后就立即開始霧化，并在整個(gè)射流長(zhǎng)度上連續(xù)進(jìn)行。 18霧化原理液膜霧化：離心噴嘴噴出空心錐形液膜具有向外擴(kuò)張的慣性，而表面張力克服不了此慣性，于是液膜繼續(xù)向外擴(kuò)張，液膜越來(lái)越薄，同時(shí)，表面張力形成的表面位能也越來(lái)越高，使液膜越

6、不穩(wěn)定。結(jié)果表明，液膜破裂成液絲或液帶，并在表面張力作用下繼續(xù)分裂成液滴；流速較大時(shí)，除了表面張力、慣性力及粘性力起作用外，由于相對(duì)于周圍氣體的運(yùn)動(dòng)速度加大，氣動(dòng)力對(duì)液膜的作用也加大，致使液膜扭曲和起伏形成波紋，再被甩成細(xì)絲，繼而形成小滴；流速很大時(shí)，液體離開噴口便立即被霧化。 19控制霧化的準(zhǔn)則數(shù)韋伯?dāng)?shù)Weber number 其中為流體密度，v為特征流速， l為特征長(zhǎng)度， 為流體的表面張力系數(shù)。韋伯?dāng)?shù)代表慣性力和表面張力效應(yīng)之比，韋伯?dāng)?shù)愈小代表表面張力愈重要，譬如毛細(xì)管現(xiàn)象、肥皂泡、表面張力波等小尺度的問(wèn)題。一般而言，大尺度的問(wèn)題，韋伯?dāng)?shù)遠(yuǎn)大于，表面張力的作用便可以忽略。 206.2.2

7、霧化器常用的油霧化噴嘴可以簡(jiǎn)單分為兩類：機(jī)械式霧化器（離心式，旋杯式等）介質(zhì)式霧化器（以蒸汽或空氣作介質(zhì)）21 機(jī)械式霧化器依靠油泵的壓力將液體燃料的壓力提高，使以較高的壓力噴進(jìn)燃燒室 介質(zhì)壓力越高，破碎的液滴也越細(xì)，但消耗的能量也越多。如用蒸汽做霧化介質(zhì)，則還可以在霧化同時(shí)降低油的粘度，故進(jìn)入噴嘴的燃油粘度越高時(shí)仍能保證霧化質(zhì)量，采用空氣作介質(zhì)時(shí)，空氣壓力低，霧化質(zhì)量較差。22介質(zhì)式霧化器23 離心式利用高壓泵使油具有很高的壓力（20200bar），并以一定的角度沿切向方向進(jìn)入噴嘴的旋轉(zhuǎn)室，或者通過(guò)具有旋轉(zhuǎn)槽的噴嘴芯進(jìn)入旋轉(zhuǎn)室。 油的部分壓能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，液體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)自由旋渦動(dòng)量矩守恒定

8、律，旋轉(zhuǎn)速度與旋渦半徑成反比，因此越近軸心，旋轉(zhuǎn)速度越大，靜壓愈小，結(jié)果在噴嘴中央形成一股壓力等于大氣壓的空氣旋流，而液體則形成使空氣芯旋轉(zhuǎn)的環(huán)形薄膜從噴嘴噴出，然后液膜伸長(zhǎng)變薄并拉成細(xì)絲，最后細(xì)絲斷裂為小液滴，這樣形成的液霧為空心圓錐形。2425霧化器的性能主要還是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定來(lái)完成的。對(duì)于上述簡(jiǎn)單機(jī)械霧化器，其出力調(diào)節(jié)只能調(diào)節(jié)進(jìn)油壓力的方法進(jìn)行，負(fù)荷必須降低Po霧化質(zhì)量下降。（回流霧化器就是為解決此問(wèn)題提出的）?；赜挽F化器26如圖，回油式噴嘴漩流室前后各有一個(gè)通道:一個(gè)通向噴孔;一個(gè)通向回油管.兩個(gè)簡(jiǎn)單機(jī)械霧化器并聯(lián)使用.總油量=噴油+回油進(jìn)油壓力保持不變,則總進(jìn)油量保持不變.改變回油量,

9、噴油量改變.能保證油在漩流室的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度,進(jìn)而保證霧化質(zhì)量.寬負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍.適宜用于負(fù)荷變化大頻繁場(chǎng)合.272829氣壓 p1油壓 p2混合壓 p3Y型噴嘴油壓、汽壓均不高，入口油壓，汽壓比油壓高1MPa左右.單只霧化器噴油量大，且霧化質(zhì)量好，出力約為30007000t/h.調(diào)節(jié)比大，耗汽量低，一般為0.070.14kg(汽) / kg(油),應(yīng)用在燃油鍋爐較多。保養(yǎng)較難,噴口易堵塞。30低壓空氣霧化噴嘴油壓較低,0.030.1MPa;空氣流速高,80m/s左右,風(fēng)壓20007000Pa;出力2300kg/h霧化質(zhì)量較好(風(fēng)壓低時(shí)差),調(diào)節(jié)范圍廣,能耗低.3132油滴球形， ，其周圍溫度場(chǎng)()，

10、濃度場(chǎng)均勻(D)油滴隨氣流而動(dòng)，與氣流間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)（Re=0）油滴表面溫度近似等于飽和溫度T0=Tb火焰鋒面向內(nèi)向外導(dǎo)熱傳遞（忽略輻射），向內(nèi)導(dǎo)熱量=產(chǎn)生的油氣量+油氣溫度升高，且忽略斯蒂芬流（油蒸汽穿過(guò)鋒面逃逸的量）=0O2 從遠(yuǎn)方擴(kuò)散而來(lái)在鋒面上全部消耗掉，鋒面O2 的C=0，且O2 擴(kuò)散到鋒面的量符含化學(xué)反應(yīng)中氧與油的化學(xué)計(jì)量比6.3 油滴燃燒過(guò)程 33假設(shè)： 設(shè)半徑r球面，通過(guò)其向內(nèi)導(dǎo)熱量=油汽化且升溫至T所需34燃燒過(guò)程分析 ：導(dǎo)熱系數(shù)常數(shù)；T：當(dāng)?shù)兀╮）處溫度 T0：油滴表面溫度（飽和溫度）qm：油流量（汽化量）H：?jiǎn)挝毁|(zhì)量油汽化潛熱35對(duì)上式在（r0,T0）到（r1,Tr）積分T

11、r：鋒面火焰溫度（燃燒溫度） (1)36在：O2濃度C r=r1,C=0 (2)聯(lián)立（1）（2），消掉r1得37qm：氣化量，擴(kuò)散火焰單位時(shí)間消耗的燃料量 k：燃燒常數(shù)由試驗(yàn)確定38k 燃燒過(guò)程中油顆粒直徑變化39粒徑平方-直線定律 線性變化 燃盡時(shí)間 ，如 則 （霧化質(zhì)量是控制燃燒關(guān)鍵） 該定律是針對(duì)擴(kuò)散火焰的。 如果油滴與氣體間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則兩者之間的熱質(zhì)交換都要增強(qiáng)，油滴氣化所需熱量供應(yīng)更充足，氣化加劇，燃燒強(qiáng)化。 40對(duì)于Re=0時(shí)，對(duì)于Re0時(shí)， 41（Re=100） 油在擴(kuò)散到火焰鋒面前遇不到氧，不可避免裂解，總是發(fā)光火焰。 燃油是多種烴混合物，燃燒時(shí)，輕質(zhì)組分先蒸發(fā)燃燒，殘?jiān)呀?/p>

12、析碳的焦化。甚至殘余液滴被半固態(tài)粘性外殼包封受熱蒸汽沖破外殼焦粒按固體燃燒規(guī)律燃盡。426.4 油霧炬燃燒 油霧由許多粒度不同油滴組成，油滴燃燒時(shí)相互很近，一方面它們的擴(kuò)散燃燒鋒面互相傳熱，另一方面又相互阻礙了氧的擴(kuò)散，溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)交叉不均勻，O2擴(kuò)散被屏敝，燃燒反應(yīng)下降。43遵循直徑平方直線定律，要修正k 認(rèn)為滴群燃燒是以單液滴擴(kuò)散燃燒進(jìn)行的，即認(rèn)為蒸發(fā)與擴(kuò)散燃燒是同步的，考慮了滴徑分布的不均勻性，忽略油滴與氣體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)。Wm=常數(shù)；滴徑越細(xì)越均勻燃燒最好；并非所有油滴在一開始都同時(shí)著火，而且在燃盡過(guò)程中還有油滴滅火，因此該模型預(yù)測(cè)的燃燒速度值大于實(shí)際燃燒過(guò)程。44物理模型 一維滴群擴(kuò)散

13、 一維滴間燃燒模型該模型認(rèn)為：液滴蒸發(fā)時(shí)不形成擴(kuò)散火焰，燃燒是在離滴較遠(yuǎn)空間進(jìn)行，并假設(shè)：燃燒室中氣速溫度不變，液滴與氣體速度相同，初始粒徑分布均勻。 考慮了霧炬混合、輸運(yùn)、燃燒的綜合數(shù)學(xué)模型45 總之，油霧炬的燃燒過(guò)程中，燃料與空氣的分布及混合，油滴的氣化、燃燒以及油滴的顆粒特性都是應(yīng)考慮的影響因素。46燃燒過(guò)程中，碳黑的形成：油滴低于飽和溫度時(shí)的裂解形成殘?zhí)夹吞己?；已蒸發(fā)的油氣在缺氧下氣相高溫裂解形成氣相出型碳黑。殘?zhí)夹停?0300m），氣相折出型（2050nm）47K試驗(yàn)結(jié)果， Re=0酒精 2/s柴油 煤油 苯 柴油規(guī)律好（輕質(zhì)油）重油 ：初期 油滴受熱膨脹， 穩(wěn)定期 輕質(zhì)部分受熱蒸發(fā)

14、，規(guī)律好 后期 重質(zhì)部分包覆， 破裂，486.5 油燃燒的組織及調(diào)風(fēng)器油霧燃燒基本上屬于擴(kuò)散火焰，不會(huì)回火，也不易脫火。保持火焰穩(wěn)定性主要防止脫火：使用鈍體、穩(wěn)焰器，或者值班火焰也不應(yīng)使得火焰根部過(guò)于接近噴嘴，這樣容易引起噴嘴積碳（霧化質(zhì)量下降）甚至燒壞噴嘴。496.5 油燃燒的組織及調(diào)風(fēng)器霧化良好合理配風(fēng)充分的混合50良好的液體燃料燃燒要求： 調(diào)風(fēng)器的功能：使空氣均勻分配，并可調(diào)節(jié)；使油霧空氣混合良好；穩(wěn)定火焰；油燃燒器有旋流，平流兩種調(diào)風(fēng)器應(yīng)： 有根部風(fēng)（在油還未著火燃燒之前，在油霧根部已有一部分空氣混入油霧中，1530%一次風(fēng)）油料易燃，應(yīng)該及早與氧氣混合 早期混合要強(qiáng)烈擴(kuò)散燃燒，應(yīng)重點(diǎn)

15、強(qiáng)化空氣與油霧的混合 有一大小位置適當(dāng)?shù)幕亓鲄^(qū)防止脫火 加強(qiáng)后期混合利于殘余的難燃組分的燃盡51本章總結(jié)油的燃燒特點(diǎn)蒸發(fā)：油滴受熱后表面開始蒸發(fā)油蒸汽擴(kuò)散混合：燃油蒸汽與周圍空氣互相擴(kuò)散與混合 燃燒：油蒸汽與空氣混合物達(dá)到著火溫度后，開始燃燒 。52在燃燒過(guò)程中，油滴內(nèi)部繼續(xù)受熱蒸發(fā)擴(kuò)散混合新油氣空氣混合物取代已散逸燃燒產(chǎn)物繼續(xù)燃燒油滴燃盡531.油滴 2.油蒸汽區(qū) 3.燃燒區(qū) 4.外部5.油蒸汽濃度 6.氧氣濃度 7.溫度1234567 限制油滴燃燒的主要因素是與空氣的混合速度，即取決于空氣向油滴表面擴(kuò)散所需的時(shí)間，屬擴(kuò)散燃燒。54物理化學(xué)過(guò)程：霧化三傳受熱蒸發(fā)著火燃盡 霧化粒度 霧化油滴均勻性 霧化角： 流量密度：55霧化評(píng)價(jià)指標(biāo)霧化原理油射流或薄膜由于射流紊流、周圍氣體的氣動(dòng)力作用、液體中可能夾雜氣體、噴槍的振動(dòng)及噴嘴表面不光滑等因素，不可避免地要經(jīng)受擾動(dòng)。擾動(dòng)使薄膜或射流產(chǎn)生變形，特別是在氣動(dòng)壓力和表面張力作用下，使得表面變形不斷加劇，以致于射流或薄膜產(chǎn)生分裂，形成液滴或不穩(wěn)定的液帶，液帶隨之也破裂成液滴。若作用在液滴上的作用力相當(dāng)大，足以克服表面張力時(shí)，較大的液滴就會(huì)破裂成較小的液滴，這種現(xiàn)象稱為“二次霧化”。 56控制霧化的準(zhǔn)則數(shù)韋伯?dāng)?shù)Weber number 其中為流體密度，v為特征流速， l為特征長(zhǎng)度， 為流體的表面張力系數(shù)。韋伯