熱動(dòng)燃燒學(xué)第6章 燃燒與燃燒設(shè)備

第6章燃燒與燃燒設(shè)備

6.1氣體燃料的燃燒

引言擴(kuò)散火焰的特點(diǎn):燃燒之前燃料和氧化劑是分開的一邊混合、一邊燃燒，燃燒過程主要受擴(kuò)散過程控制工程中的應(yīng)用：工業(yè)爐窯\鍋爐\燃?xì)廨啓C(jī)\柴油機(jī)\本生燈日常生活中的應(yīng)用：蠟燭火焰\煤爐研究擴(kuò)散燃燒的目的提高燃燒設(shè)備的熱強(qiáng)度擴(kuò)大穩(wěn)定運(yùn)行的范圍提高燃燒效率合理控制燃燒產(chǎn)物的成分射流擴(kuò)散火焰：從管口噴出的氣體燃料的火炬火焰燃燒天然氣管道泄露引起的災(zāi)害性火焰燃燒開口油池表面燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)中的射流燃燒氣體燃料射流擴(kuò)散燃燒過程:氣體燃料與氧化劑的混合混合物的加熱\著火混合物的燃燒1、射流擴(kuò)散火焰氣體燃料射流擴(kuò)散燃燒的分類:射向空間情況自由射流火焰\受限射流火焰噴嘴氣流結(jié)構(gòu)直噴射流火焰\旋轉(zhuǎn)射流火焰噴嘴之間的幾何關(guān)系平行射流火焰\相交射流火焰環(huán)形射流火焰\同軸射流火焰按照噴嘴幾何形狀平面射流火焰\圓柱射流火焰按照流動(dòng)狀態(tài)分類層流射流火焰\湍流射流火焰自由射流和自由射流擴(kuò)散燃燒的特征自由射流（如圖所示）速度\溫度\燃料組分\氧氣組分質(zhì)量份數(shù)分布曲線自由射流火焰結(jié)構(gòu)（如圖所示）任意橫斷面的速度\溫度\組分分布擴(kuò)散火焰呈圓錐形由于DI數(shù)很大，可以把火焰前沿厚度視為0火焰前沿表面對(duì)燃料和氧化劑都是不可滲透的，在燃料側(cè)不存在氧氣，在氧氣側(cè)不存在燃料uTYFYOXd0uTYFYOXd0自由射流自由射流擴(kuò)散火焰uTYFYOXd0uTYFYOXd0層流擴(kuò)散火焰前沿位置必定在化學(xué)當(dāng)量比處：理想情況下，火焰面上不可能有過剩空氣，也不可能有過剩燃料，否則火焰前沿位置將不可能穩(wěn)定假定在火焰前沿有過剩燃料：過剩燃料將擴(kuò)散到火焰前沿外側(cè)，遇到氧化劑將繼續(xù)燃燒，消耗掉擴(kuò)散進(jìn)來的氧化劑，使火焰前沿面的氧化劑減少火焰前沿面上的燃料則更加過剩，火焰前沿位置勢(shì)必不可能穩(wěn)定，而要向外移動(dòng)假定在火焰前沿處有過?？諝猓夯鹧媲把貏t要向內(nèi)移動(dòng)層流射流擴(kuò)散火焰只有在燃料和氧化劑組成化學(xué)當(dāng)量比的位置上才能穩(wěn)定層流射流擴(kuò)散火焰任意橫斷面的火焰結(jié)構(gòu)（即斷面速度\濃度\溫度分布）射流軸線上燃料濃度最大，沿徑向逐漸下降，至火焰前沿面處燃料濃度為0環(huán)境處氧化劑濃度最大沿著軸向逐漸下降，至火焰前沿處氧化劑濃度為0火焰前沿是反應(yīng)中心，溫度最高，為燃料的理論燃燒溫度uTYFYOXd0實(shí)際射流擴(kuò)散火焰：火焰前沿有一定的厚度，燃料和氧化劑的反應(yīng)速度不是無限快在火焰前沿內(nèi)，燃料和氧化劑濃度分布曲線呈交叉狀反應(yīng)在有限空間內(nèi)發(fā)生，有散熱，燃燒達(dá)到的最高溫度低于理論燃燒溫度火焰前沿靠近燃料一側(cè)，燃料濃度比氧化劑濃度大很多，在高溫缺氧條件下將產(chǎn)生熱分解，生成固體碳，在火焰前沿內(nèi)固體碳呈明亮的淡黃色火焰，有較高的輻射強(qiáng)度火焰類型隨氣流速度的變化：隨噴嘴流速的增加，層流射流擴(kuò)散火焰過渡到湍流射流擴(kuò)散火焰(下頁圖)射流速度比較低,火焰保持層流狀態(tài),火焰前沿光滑\穩(wěn)定\明亮,隨射流速度增加,火焰高度增加,直到最大值,此時(shí)火焰仍然保持層流如果再增大射流速度，火焰頂部開始出現(xiàn)顫動(dòng)\皺折\破裂由于湍流影響,湍流擴(kuò)散混合加快,燃燒速度增加,火焰高度縮短如果繼續(xù)增加噴射速度,開始顫動(dòng)\皺折\破裂的點(diǎn)向噴口方向移動(dòng),直到破裂點(diǎn)靠近噴口,此時(shí)火焰達(dá)到完全湍流狀態(tài)在湍流射流擴(kuò)散燃燒的范圍內(nèi),增加射流速度，開始破裂的位置不變,火焰高度趨于定值,噪音增加如果過分增加射流速度,火焰會(huì)脫離噴口,直至吹熄層流射流擴(kuò)散火焰:噴口一定時(shí),增加射流速度,火焰高度幾乎呈線性增加當(dāng)射流速度一定時(shí),火焰高度隨噴口直徑的增加而增加層流射流擴(kuò)散火焰高度與燃料的容積流量成正比層流火焰過度區(qū)湍流火焰火焰高度火焰的高度包絡(luò)線分裂長度射流速度圖4-17火焰的類型隨氣流速度的變化吹升曲線與層流相比，湍流射流擴(kuò)散火焰的特點(diǎn):湍流射流擴(kuò)散火焰前沿為顫動(dòng)的\皺折的\破裂的不易測(cè)定火焰高度目前的數(shù)據(jù)多不準(zhǔn)確湍流射流擴(kuò)散火焰前沿厚度較寬,并處于激烈脈動(dòng)之中如果采用時(shí)間平均值繪制某橫斷面的溫度\速度\濃度分布,圖形與圖2類似湍流射流擴(kuò)散火焰高度與射流速度無關(guān),僅與噴口直徑成正比設(shè)計(jì)一個(gè)短的燃燒室,只能減小噴嘴直徑如熱負(fù)荷很大,為了獲得短的火焰,只能用若干個(gè)小的噴嘴工業(yè)窯爐,為了沿爐長方向能均勻傳熱,常要求很長的火焰,通常由單個(gè)噴嘴送入燃料一股熱氣體燃料,經(jīng)噴嘴以自由射流形式噴入靜止的冷空氣中假設(shè):噴嘴是光滑的\無摩擦的\不能滲透的\和絕熱的噴口處：燃料的初始溫度\速度\和質(zhì)量份數(shù)的時(shí)間平均值分別為：T0\

u0\

YF,0因此在x=0處射流截面上

T0\

u0\

YF,0為均勻分布靜止空間：氧化劑初溫\速度\和質(zhì)量份數(shù)的時(shí)間平均值分別為:T

\

u\

YOX,2、湍流自由射流由于射流摩擦阻力,使周圍空氣卷吸到運(yùn)動(dòng)的射流中去由于沿軸向混合，射流速度逐漸減慢，溫度下降，組分質(zhì)量份數(shù)降低，x=時(shí)，射流的影響消失射流斷面的最大速度\溫度和組分質(zhì)量份數(shù)，出現(xiàn)在r=0的軸線上，分別為：Tm\

um\

YF,m射流分為兩個(gè)區(qū)域：初始段和基本段初始段：初始段內(nèi)軸向速度\溫度和組分質(zhì)量份數(shù)保持初始值初始段長度常常是噴口直徑的4~6倍基本段：基本段的軸向速度、溫度、組分質(zhì)量份數(shù)沿軸向逐漸衰減射流基本段，速度分布具有相似性如果用任意軸向速度與距離噴口距離為x處的軸向最大速度之比u/um和r/x

作圖，其曲線重合，且近似正態(tài)分布濃度與溫度分布也與速度分布類似r/xu/umYF/YFm(TT)/(TmT)1.00.50u0初始段基本段d0rxabcdef2babcdefru0應(yīng)用于：燃?xì)廨啓C(jī)/沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)/鍋爐/工業(yè)爐的燃燒室受限射流火焰的分類：a）橫向受限射流火焰燃料射流射入的方向和空氣流的方向相互垂直b）縱向受限射流火焰燃料射流射入的方向和空氣流的方向相平行常見的是縱向受限射流火焰，它有兩種可能的流線型式（下頁圖）：a）在射流的周圍存在大量的可以卷吸的空氣，射流在擴(kuò)展到爐壁之前,卷吸量不受阻礙，此時(shí)流線僅稍有偏斜b）射流周圍空氣比射流可能引射的量少，以致在射流下游產(chǎn)生回流區(qū)。它對(duì)擴(kuò)散火焰的穩(wěn)定和燃燒長度均有影響由于受限射流混合過程十分復(fù)雜，所以受限射流火焰存在著一系列還沒有完全弄清的問題3、受限射流擴(kuò)散火焰縱向受限射流火焰兩種可能的流線型式：a）在射流的周圍存在大量可以卷吸的空氣，射流擴(kuò)展到爐壁之前，卷吸量不受阻礙，此時(shí)流線僅稍有偏斜(下圖上半部分)b）射流周圍空氣比射流可能引射的量少，在射流下游產(chǎn)生回流區(qū)。(下圖下半部分)D0d0xNxCCPNx與自由射流相比,旋轉(zhuǎn)射流具有如下基本特征:在旋轉(zhuǎn)射流中，除了具有自由射流中存在的軸向分速度和徑向分速度外，還有切向分速度，而且其徑向分速度在噴嘴出口附近比自由射流的徑向分速度大得多由于旋轉(zhuǎn)的原因，使得在軸向和徑向都建立了壓力梯度，這兩個(gè)壓力梯度又反過來影響流場(chǎng).隨著旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)弱不同，會(huì)產(chǎn)生不同的流旋轉(zhuǎn)射流的擴(kuò)展角一般都比自由射流的擴(kuò)展角大，而且它也隨旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)弱而變化4、旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰一、旋流強(qiáng)度通常用旋流強(qiáng)度(又稱旋流數(shù))來表征流體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)弱的程度，用無量綱數(shù)s來表示。旋流強(qiáng)度定義為切向旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩M和軸向動(dòng)量I與特征尺寸r0乘積之比，即：

s=M/(I

r0)其中切向旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩為：軸向動(dòng)量I等于:式中u和w為任意橫斷面的軸向速度和切向速度；p為任意橫斷面的靜壓力；R為噴嘴出口半徑。(78)(79)(80)由于精確測(cè)量旋轉(zhuǎn)射流斷面速度和靜壓力有一定的困難，在工程上為簡單起見，往往用燃燒器的幾何結(jié)構(gòu)特征來表示旋流強(qiáng)度，這樣(79)\(80)可以寫成下面形式：其中V為空氣的容積流量;ū和?分別為旋流器中平均軸向速度和切向速度;Rs為旋轉(zhuǎn)射流的旋轉(zhuǎn)半徑工程中根據(jù)不同類型旋流器的結(jié)構(gòu)，可以計(jì)算出相應(yīng)的ū\?\V\Rs值，代入(81)\(82)和(78)中，求出不同結(jié)構(gòu)旋流器的旋流強(qiáng)度公式關(guān)于這些計(jì)算，在各國之間也有一些差別(81)(82)根據(jù)旋轉(zhuǎn)射流流場(chǎng)的特征，旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰可以分為兩類：弱旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰使氣流旋轉(zhuǎn)的方法主要有三種：使氣流(或部分氣流)切向進(jìn)入圓柱形通道在軸向管流中放置導(dǎo)向葉片用轉(zhuǎn)動(dòng)葉片\葉柵等機(jī)械裝置使氣流旋轉(zhuǎn)切向進(jìn)氣導(dǎo)向葉片機(jī)械裝置二、弱旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰當(dāng)旋流強(qiáng)度小于一定值時(shí)，軸向速度到處為正值，不會(huì)出現(xiàn)軸向逆流，即不存在回流區(qū)的旋轉(zhuǎn)射流叫做弱旋轉(zhuǎn)射流，在這種條件下產(chǎn)生的火焰稱為弱旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰弱旋轉(zhuǎn)射流根據(jù)軸向速度分布有兩種形式：一種是旋流強(qiáng)度很小，軸向速度分布與自由射流相仿，呈高斯型，并具有相似性Chigier

和Chervinsky

用切向進(jìn)氣旋流器做的實(shí)驗(yàn)曲線：s值小于0.416時(shí)，速度分布呈高斯型在x

/d0=2時(shí)，速度分布就出現(xiàn)相似性，比自由射流更靠近噴口原因是旋轉(zhuǎn)射流的勢(shì)核區(qū)(初始段)破壞的更快旋轉(zhuǎn)射流的軸向速度分布可用指數(shù)方程表示：Ku為隨旋流強(qiáng)度s而變的分布常數(shù)由經(jīng)驗(yàn)公式Ku=92/(1+6s)確定a為射流原點(diǎn)跟噴口的距離a另一種是當(dāng)旋流強(qiáng)度增加到某一值時(shí)，軸向速度最大值離開射流軸線，而形成雙峰形速度分布如果再增加旋流強(qiáng)度，就會(huì)開始產(chǎn)生回流在速度最大值離開射流曲線到重新收斂于軸線為止的這一段徑向距離內(nèi)，軸向速度分布沒有相似性如圖所示，當(dāng)s>0.5，達(dá)到0.6時(shí)開始出現(xiàn)雙峰，破壞了相似性，但軸向速度始終為正值當(dāng)x/d0>

4時(shí)，其軸線上的軸線上的最大速度沿軸線按照雙曲線規(guī)律衰減：卷吸量由下式確定:射流擴(kuò)展角

由u=um/2的等速線確定，并隨旋流強(qiáng)度而增加對(duì)弱旋轉(zhuǎn)射流，有：

=4.8+14s在

x/d0>2時(shí)，弱旋轉(zhuǎn)射流的切向速度分布是相似的其分布圖的中央核心區(qū)一部分幾乎是線性的，相當(dāng)于固體旋轉(zhuǎn)，即相當(dāng)于具有角速度

的強(qiáng)迫流動(dòng)因此旋轉(zhuǎn)射流斷面的切向速度分布可以用下式表示： rn=常數(shù)式中n值在-1~1之間通過理論分析及實(shí)驗(yàn)研究證明：對(duì)弱旋轉(zhuǎn)射流來說，其軸向速度的衰減隨旋流強(qiáng)度的增加而加快但切向速度的衰減與旋流強(qiáng)度沒有顯著關(guān)系(87)(86)Chigier

和Chervinsky

用切向進(jìn)氣旋流器所做的實(shí)驗(yàn)曲線u/ums=0.234s=0.416s=0.500s=0.640弱旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰幾乎在整個(gè)火焰長度上，均有比較冷的核心區(qū)存在，而反應(yīng)區(qū)處于冷核心區(qū)和環(huán)境空氣流之間的某區(qū)域內(nèi)冷核心區(qū)溫度沿x方向逐漸升高，這是由于冷核心區(qū)的氣體和反應(yīng)區(qū)的燃燒產(chǎn)物湍流混合的結(jié)果弱旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰的應(yīng)用范圍并不廣，因?yàn)樗鼪]有穩(wěn)定火焰的特征三、強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰當(dāng)旋轉(zhuǎn)射流的旋流強(qiáng)度增加時(shí)，沿軸向的反向壓力梯度大到足以發(fā)生反向流動(dòng)，并建立起內(nèi)部回流區(qū)，這時(shí)的旋轉(zhuǎn)射流叫做強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流所產(chǎn)生的火焰稱為強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰這種具有回流區(qū)的旋轉(zhuǎn)射流在穩(wěn)定火焰方面起著重要作用在燃燒技術(shù)中應(yīng)用很廣強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流的流線及速度分布如圖所示（下頁）由于環(huán)流旋渦的存在，使射流外邊界迅速膨脹這種最初的膨脹不同于自由射流(下頁)圖中流線對(duì)應(yīng)于s=1.57，它有一個(gè)明顯的回流區(qū)s=1.57時(shí)旋轉(zhuǎn)射流的流線圖強(qiáng)、弱旋轉(zhuǎn)射流的比較：強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流u、v、w的衰減規(guī)律為：軸向u和徑向速度v按1/x衰減；切向速度w按1/x2規(guī)律衰減；壓力p按1/x4規(guī)律衰減而弱旋轉(zhuǎn)射流軸向u的衰減隨旋流強(qiáng)度的增加而加快；切向速度w的衰減與旋流強(qiáng)度沒有顯著的關(guān)系；大多數(shù)情況下，由實(shí)驗(yàn)得出：對(duì)弱旋轉(zhuǎn)射流，當(dāng)x/d0>10時(shí)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)已基本消失對(duì)強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流，當(dāng)x/d0>20時(shí)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才基本消失旋流強(qiáng)度對(duì)旋轉(zhuǎn)射流空氣動(dòng)力特性的影響：隨著旋流強(qiáng)度增大，射流擴(kuò)張角增大，卷吸量增加，從而使軸向、切向、徑向速度衰減也加快回流區(qū)長度、寬度隨旋流強(qiáng)度的增加而增大下圖是在具有鈍體的環(huán)形噴嘴中測(cè)得的回流區(qū)邊界回流區(qū)尺寸和旋流強(qiáng)度之間的關(guān)系s=0.390.781.04s=1.43旋流器油槍即使沒有旋流，由于鈍體的影響，在其尾流中也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向流動(dòng)區(qū)即當(dāng)s=0.39時(shí)的回流區(qū)尺寸就是有鈍體，s=0時(shí)的情況噴嘴幾何形狀對(duì)強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流空氣動(dòng)力特性的影響附加的擴(kuò)口和噴嘴的阻塞結(jié)構(gòu)（圓管或圓盤）對(duì)旋轉(zhuǎn)射流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)有較大的影響。研究表明：噴嘴加裝擴(kuò)張段后，可以增加回流區(qū)尺寸和回流量回流區(qū)的尺寸和速度分布也受阻塞結(jié)構(gòu)的影響在旋流強(qiáng)度較低時(shí)，阻塞是建立回流區(qū)的一種手段當(dāng)旋流強(qiáng)度較高時(shí)，阻塞對(duì)回流區(qū)尺寸的影響就變成次要了當(dāng)旋流強(qiáng)度超過某一極限，以及噴口擴(kuò)張段為大張角時(shí)，由于離心力增大和回流區(qū)擴(kuò)大，使射流徑向充分?jǐn)U張，形成貼壁射流，此時(shí)氣流呈平展?fàn)?。產(chǎn)生的火焰也是貼壁的，稱做平面火焰這時(shí)的擴(kuò)張段起兩個(gè)作用：利用氣流貼壁流動(dòng)效應(yīng)使之形成平展氣流在內(nèi)部建立回流區(qū)，保證火焰的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰大體上有三種形式：旋流強(qiáng)度很低的擴(kuò)散火焰：外形與自由射流擴(kuò)散火焰類似火焰在噴口一定距離處穩(wěn)定由于氣流旋轉(zhuǎn)，射流膨脹，卷吸空氣混合加強(qiáng)，使燃燒速度加快與自由射流擴(kuò)散火焰相比，旋轉(zhuǎn)射流火焰長度要短一些，寬一些火焰前沿面呈波動(dòng)狀隨著湍流強(qiáng)度的增加，與自由射流火焰的差異明顯增大中等或高的旋流強(qiáng)度下：由于產(chǎn)生了回流區(qū)，增加了火焰的穩(wěn)定性，使著火點(diǎn)靠近噴口，甚至在擴(kuò)張段內(nèi)就形成了火焰。由于旋流強(qiáng)度大，射流擴(kuò)張相應(yīng)加大，卷吸量增加，混合更強(qiáng)烈，燃燒強(qiáng)度更高，結(jié)果形成更短、更寬的火焰旋流強(qiáng)度更高，并具有擴(kuò)張段時(shí)：火焰將貼在擴(kuò)張段及爐壁上，呈平面火焰此時(shí)噴口的幾何形狀對(duì)徑向貼壁流動(dòng)的影響很大如果采用喇叭形、大張角、短長度、發(fā)散型噴嘴，甚至在中等的旋流強(qiáng)度水平下，就能產(chǎn)生平面火焰套筒式燒嘴燒嘴簡單，氣體流動(dòng)阻力小，火焰長，空氣和煤氣需要壓力低（784~980Pa）低壓渦流式燒嘴空氣和煤氣混合好，火焰短，設(shè)計(jì)煤氣壓力800Pa，空氣壓力2000Pa適合清潔的發(fā)生爐煤氣，混合煤氣和焦?fàn)t煤氣，以及天然氣5、主要有焰燒嘴介紹低壓渦流燒嘴的燃燒能力P152表13-1下列情況燃燒能力要修正：（1）煤氣壓力變化（2）煤氣或空氣預(yù)熱扁縫渦流式燒嘴空氣和煤氣混合好，火焰很短，為出口直徑的6~8倍。燒嘴前煤氣和空氣壓力為1500~2000Pa，出口速度10~12m/s。適合發(fā)生爐煤氣和混合煤氣燃燒能力見表13-3環(huán)縫渦流式燒嘴適合混合煤氣、發(fā)生爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和天然氣煤氣和空氣壓力約為2000~4000Pa，出口速度控制在10~20m/s?；鹧骈L度可調(diào)式燒嘴工作原理是改變煤氣與空氣的混合。燒臟煤氣的燒嘴防止煤氣噴口堵塞，斷面較大天然氣燒嘴空氣需要量大，要求混合好平焰燒嘴圓盤形火焰，強(qiáng)化輻射換熱，改善加熱質(zhì)量，提高生產(chǎn)率和降低燃料消耗。高速燒嘴自身預(yù)熱式燒嘴定型的燒嘴可以根據(jù)其使用性能和尺寸選用現(xiàn)成的產(chǎn)品，但在下列兩種情況下，要通過計(jì)算來確定燒嘴的尺寸和性能。（1）設(shè)計(jì)新燒嘴在設(shè)計(jì)新燒嘴前，需要知道的參數(shù)有：煤氣熱值；煤氣工作壓力；燒嘴燃燒能力。計(jì)算內(nèi)容有：煤氣噴口、空氣噴口和混合氣體噴口尺寸；燒嘴前空氣壓力6、有焰燒嘴的計(jì)算（2）驗(yàn)算舊燒嘴主要內(nèi)容有：根據(jù)已知燒嘴尺寸和煤氣壓力計(jì)算燒嘴燃燒能力；根據(jù)已知的燒嘴尺寸和所需燃燒能力計(jì)算應(yīng)有的煤氣和空氣壓力有焰燒嘴計(jì)算表見P165表13-5在進(jìn)行燒嘴計(jì)算時(shí)，所需煤氣壓力和空氣壓力，必須根據(jù)燒嘴的最大負(fù)荷來確定，并保留15~20%的后備壓力，燒嘴的最大負(fù)荷一般取為正常燃燒能力的2.5倍。6.2液體燃料的燃燒1、引言液體燃料化石燃料:煤油/柴油/汽油/重油代用燃料:乙醇/甲醇/植物油/燃燒液體燃料的燃燒設(shè)備鍋爐/內(nèi)燃機(jī)/冶金爐/噴氣技術(shù)液體燃料的消耗占總能量消耗的比例:中國:20%左右美國:42.6%世界:41%研究液體燃料的意義：節(jié)約能源/提高燃燒效率減少環(huán)境污染/通過對(duì)燃燒過程的控制減少污染物的形成，完全燃燒是減少污染物的內(nèi)容之一提高燃燒強(qiáng)度/需要將液滴破碎成小液滴理論與實(shí)踐均證明：將液體燃料粉碎成小滴可以獲得高強(qiáng)度、高效率的燃燒效果液體燃料的霧化過程就是將液體燃料粉碎成小滴霧化質(zhì)量的優(yōu)劣直接對(duì)燃燒過程起著重要作用液滴表面積正比于直徑，表面積增大將大大提高燃燒速度直徑1mm的油滴在空氣中的燃燒時(shí)間約1s直徑100m的油滴在空氣中的燃燒時(shí)間約0.01s直徑50m的油滴在空氣中的燃燒時(shí)間約0.0025s人們對(duì)霧化過程進(jìn)行了大量的研究，取得了大量的有用的結(jié)果由于霧化過程的復(fù)雜性，至今還沒有一套完整的理論，其研究結(jié)果多數(shù)屬于半經(jīng)驗(yàn)性的噴嘴—使液體燃料霧化的裝置稱為霧化器或噴嘴根據(jù)霧化的原理不同，分為：直流式噴嘴離心式噴嘴氣動(dòng)式噴嘴旋轉(zhuǎn)式噴嘴撞擊式噴嘴燃料d0l燃料氣體氣體旋轉(zhuǎn)燃料燃料燃料Rcrar0Rsrin空氣核燃料離心式噴嘴：原理：依靠油壓在噴嘴內(nèi)部造成強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的液體從噴嘴口噴出時(shí)，由于離心力的作用，使液體燃料粉碎成小液滴優(yōu)點(diǎn)：這種噴嘴使用方便，霧化角大，與旋流器配合效果更好，常用于燃?xì)廨啓C(jī)、動(dòng)力鍋爐及渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室中缺點(diǎn)：由于小流量時(shí)油壓太低，因此霧化不好為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，經(jīng)常將噴嘴做成雙噴嘴，其中一個(gè)專門對(duì)付小油量，稱為副油路，這又會(huì)引起噴嘴結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性Rcrar0Rsrin空氣核燃料旋轉(zhuǎn)燃料氣動(dòng)式噴嘴：霧化原理：是依靠高速流動(dòng)的氣動(dòng)力的作用將液體粉碎優(yōu)點(diǎn)：其霧化質(zhì)量不受油量大小的影響，霧化質(zhì)量也較高用途：許多燃?xì)廨啓C(jī)就是采用這種噴嘴旋轉(zhuǎn)噴嘴：霧化原理：依靠高速旋轉(zhuǎn)的圓盤或杯產(chǎn)生很大的慣性力優(yōu)點(diǎn)：可以使粘性較高的燃料霧化用途：重油等粘性較大的燃料采用這種噴嘴燃料氣體氣體撞擊式噴嘴：霧化原理：依靠兩股高速射出的液體射流相互撞擊而使液體霧化優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)非常簡單，但是要求兩種反應(yīng)物（燃料和氧化劑）必須都是液態(tài)的情況下才能使用，例如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)就是如此直噴式噴嘴：依靠高壓油壓是液體燃料從噴嘴中快速噴出，空氣卷吸等作用使液滴粉碎結(jié)構(gòu)并不簡單，霧化質(zhì)量與噴嘴關(guān)系很大本章主要討論各種噴嘴的一些主要特征燃料氧化劑燃料d0l被霧化的油霧與燃燒室中的空氣混合形成油-氣兩相混合物，它在燃燒室中的合理分布對(duì)燃燒過程有著重大的影響，不僅影響效率，而且影響燃燒穩(wěn)定性，因此，預(yù)制燃燒室中燃油濃度分布是一個(gè)重要的問題由于燃燒室的流動(dòng)狀況及霧化過程的復(fù)雜性，至盡沒有建立起完整的計(jì)算方法只是對(duì)于某些簡單條件下的燃油濃度分布，已建立了一些簡化理論或數(shù)值計(jì)算方法氣-液兩相燃燒（或稱液霧燃燒）過程很復(fù)雜，但它在燃燒實(shí)踐中卻占有重要位置，因而引起許多世界一流科學(xué)家的重視至今雖然沒有建立起系統(tǒng)完整的理論，但是已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，這些工作對(duì)研究燃燒機(jī)理很有用

2、液霧燃燒在實(shí)際燃燒系統(tǒng)中，液體燃料總是以液霧狀態(tài)出現(xiàn)的幾種典型的燃燒系統(tǒng)如圖所示這些燃燒系統(tǒng)的燃燒過程都是十分復(fù)雜的，因?yàn)橐红F燃燒并不是單個(gè)油滴的蒸發(fā)或燃燒的簡單疊加，而它們會(huì)產(chǎn)生相互作用z加力燃燒室火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室工業(yè)爐內(nèi)燃機(jī)根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，認(rèn)為液霧燃燒可能存在以下幾種模型：a）預(yù)蒸發(fā)型燃燒例如，當(dāng)進(jìn)口空氣溫度很高，液霧較細(xì)就屬于這種情況加力燃燒室中的液霧燃燒就接近于這種形式b）滴群擴(kuò)散燃燒當(dāng)進(jìn)口溫度很低，液霧不太細(xì)（或揮發(fā)性不好），達(dá)到燃燒區(qū)前蒸發(fā)量較少，就形成滴群擴(kuò)散燃燒例如內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中的燃燒就接近于這種情況c）復(fù)合燃燒液霧中較細(xì)的液滴在燃燒區(qū)前方預(yù)先蒸發(fā)掉，形成一定預(yù)混程度的氣體火焰，而比較細(xì)的液滴到達(dá)燃燒區(qū)前尚未蒸發(fā)完畢，繼續(xù)進(jìn)行滴群擴(kuò)散燃燒例如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的燃燒就接近于著種情況d）部分預(yù)蒸發(fā)氣體燃燒加上液滴蒸發(fā)這時(shí)，一部分小滴已經(jīng)蒸發(fā)完畢，而有一部分液滴進(jìn)入火焰區(qū)時(shí)其直徑已過小而著不了火，只能蒸發(fā)，這時(shí)沒有滴群擴(kuò)散火焰，只有滴間空間中部分預(yù)混的氣體火焰以上幾種不同的液霧火焰結(jié)構(gòu)有不同的特點(diǎn)，例如：第一種火焰結(jié)構(gòu)類似于氣體湍流燃燒第二種火焰結(jié)構(gòu)中燃燒與蒸發(fā)同步，蒸發(fā)是起控制作用的，而反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素不起作用第三、第四種情況，則蒸發(fā)因素、湍流因素、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素都起作用在各種燃燒裝置中，由于工作條件不同，液霧燃燒會(huì)有不同的火焰結(jié)構(gòu)3、油的霧化構(gòu)成液體燃料射流破碎的霧化過程主要有：1）射流在長度和寬度上發(fā)展2）射流由于碰撞和摩擦而破裂3）表面張力所引起的破裂4）在射流內(nèi)部所產(chǎn)生的湍流運(yùn)動(dòng)所引起的破裂5）液滴由于碰撞而聚合和破裂我們分析油滴在氣體介質(zhì)中飛行時(shí)受到的力，可分為：（見P192~193）一、外力，是由油壓形成的向前推進(jìn)力、氣體的阻力，油滴本身的重力作用組成。其作用是使油滴變形。二、內(nèi)力，是由內(nèi)摩擦力（宏觀表現(xiàn)為粘性）和表面張力。其作用是使油滴維持原狀。當(dāng)內(nèi)力和外力達(dá)到平衡時(shí)霧化過程終止?？梢钥闯鎏岣哽F化品質(zhì)的方法有：（1）要求燃油具有一定的噴射壓力，壓力越高霧化越細(xì)；（2）要求燃油具有較小的粘度和表面張力。提高油溫，可降低燃油的粘度和表面張力，燃油預(yù)熱是在使用粘度較大重質(zhì)燃油時(shí)提高霧化質(zhì)量的必要措施。（3）要有一定的氣體阻力，提高油滴相對(duì)空氣的運(yùn)動(dòng)速度。霧化質(zhì)量的評(píng)定1、霧化角就是霧化錐的張角。重要參數(shù)。R=100mmα2、霧化細(xì)度霧化后產(chǎn)生的油滴的大小。由于霧化后液滴的大小極不均勻，最大和最小相差50~100倍，我們只能用液滴的平均直徑表示液滴的顆粒細(xì)度。質(zhì)量中間直徑d50

或dm：大于和小于直徑d50的顆粒質(zhì)量各占50%。索太爾平均直徑d32或dSMD：3、霧化均勻度表示霧化后油滴粒徑的分布。目前使用較多的是Rossin-Rammler關(guān)系式：式中：R：尺寸大于di的油滴占全部油滴質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)：尺寸常數(shù)

n：均勻性指數(shù)4、流量密度分布是指在單位時(shí)間內(nèi)通過以燃料噴射方向相垂直的單位截面上燃油質(zhì)量（容積）沿半徑的分布規(guī)律。重要指標(biāo)，決定與空氣的混合。見P190圖14-75、噴霧炬長度油霧射程（不能等同于火焰長度）假設(shè)：噴霧炬是具有半球形推進(jìn)鋒面的錐形噴霧；噴霧炬是固定不變的；在噴射期間，噴射壓力和液體在噴口處的速度不變。霧化方式按照用于破碎液體射流的一次能源的不同劃分：1）機(jī)械霧化噴嘴2）氣體介質(zhì)霧化噴嘴3）機(jī)械氣動(dòng)混合型噴嘴4）旋轉(zhuǎn)式噴嘴4、燃油燒嘴離心式機(jī)械霧化器的設(shè)計(jì)計(jì)算（1）霧化器出口截面上切向速度分布12rarc假設(shè)：燃油無粘性，看作理想流體；在霧化器內(nèi)流動(dòng)時(shí)無摩擦損耗，且與外界無熱交換。霧化器進(jìn)出口兩截面的伯努力方程為：

…①根據(jù)無摩擦損耗的理想流體動(dòng)量矩守恒可知：

…………②分析方程①②，當(dāng)r→0，如果2截面充滿流體，wt→∞，則P2→-∞，不可能，P2只能降到周圍介質(zhì)的壓力P0，如果低于P0

，周圍氣體會(huì)擠入噴口中心部位流體的位置，形成半徑為ra的空氣旋渦，其壓力為P0

。燃油是從空氣旋渦和噴口內(nèi)圓之環(huán)狀截面噴出，這是離心式機(jī)械噴嘴的一個(gè)主要工作特點(diǎn)。噴口有效截面系數(shù)：rc→ra，wt逐漸增大，取平均：（2）霧化器出口截面軸向速度分布在噴口截面取一寬度為dr的微元圓環(huán)，其內(nèi)外兩側(cè)單位面積上壓力差dp由離心力產(chǎn)生：另對(duì)伯努力方程求導(dǎo)：（3）噴油量計(jì)算由于噴口截面任一半徑處燃油軸向速度為定值，對(duì)于已知結(jié)構(gòu)特性的霧化器的噴油量：式中和wa為未知量，利用進(jìn)出口伯努利方程r1w1a：流量系數(shù)A：霧化器的幾何特性參數(shù)對(duì)一定結(jié)構(gòu)尺寸的霧化器，A為一確定值；是的函數(shù)，為未知數(shù)。當(dāng)取某一值時(shí)，最大，在給定噴油壓差和結(jié)構(gòu)尺寸條件下，噴油量也為最大值，也就是最大流量工作狀態(tài)。最大流量工作狀態(tài)最穩(wěn)定，過大或過小的值都會(huì)使流量不穩(wěn)定，而有自動(dòng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢(shì)。這就是最大流量原理。此時(shí)：穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，

、可由A確定（4）霧化角的確定引入平均霧化角的概念：按噴口截面平均半徑處的切向分速計(jì)算霧化角。式中wtm為半徑rm=(rc+ra)/2處切向分速。（5）考慮到燃油的粘性的影響，實(shí)際噴油量和霧化角比理論計(jì)算值要小。工程設(shè)計(jì)中，一般是在霧化器設(shè)計(jì)制造完成后，實(shí)驗(yàn)測(cè)定、和其它特性，對(duì)理論計(jì)算校正。5、燃油碳黑燃燒液體燃料，極容易產(chǎn)生碳黑，從能源的角度看是一種能源浪費(fèi)，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生對(duì)大氣、土壤產(chǎn)生污染，對(duì)人的身體健康造成損害。1、種類生成的碳黑一般認(rèn)為有以下兩種形態(tài)：1）是由于爐內(nèi)高溫部位以及油滴周圍的傳熱，燃料油蒸發(fā)時(shí)，在低于蒸發(fā)溫度的條件下分解而形成的碳黑，稱為殘?zhí)夹吞己?）是已經(jīng)蒸發(fā)的燃料氣，在空氣不足的狀態(tài)下升至高溫，由氣相分解而形成的碳黑，稱為氣相析出型碳黑。2、碳黑特性殘?zhí)夹吞己?，直徑?0~300微米，近似球狀，空隙率大于96%；氣相析出型碳黑非常細(xì)小，近似球狀，0.02~0.05微米，這種粒子連接成帶，相互交織，形成棉狀碳黑，空隙率達(dá)98%以上。化學(xué)組成一般認(rèn)為是碳元素，實(shí)際上是由多種成分組成，例如燃燒重油從煙囪排出的碳黑成雪片狀，分析其成分：C：20~50%、H：<1%、SO3：20~30%、灰分：20~30%。3、影響碳黑形成的因素燃燒重質(zhì)燃料油必然形成輝焰，這種情況下一定有碳黑的生成，如果有足夠的時(shí)間和溫度，碳黑可以燃燒，得到碳黑含量較少的燃燒氣體。1）壓力影響P↑，促進(jìn)碳?xì)浠衔锏目s合，碳黑↑。2）空氣消耗系數(shù)n影響當(dāng)空氣消耗系數(shù)減少到接近1時(shí)，碳黑產(chǎn)生量顯著增加。3）油滴的大小dm影響油滴完全燃燒所需時(shí)間與油滴本身直徑的平方成比例，直徑50微米油滴燃燒需0.002秒，而300微米油滴需0.072秒，因此霧化不好，粒徑大時(shí)，易出現(xiàn)不完全燃燒產(chǎn)生碳黑。4）空氣和燃料的混合速度的影響擴(kuò)散燃燒由空氣和燃料的混合特性所決定，對(duì)碳黑的產(chǎn)生有重要影響，特別是在離噴口一定距離的火焰高溫區(qū)，如果混合不好，處于空氣不足狀態(tài)下，碳黑便會(huì)顯著發(fā)生。4、防止碳黑產(chǎn)生的措施1）加強(qiáng)空氣和燃料的混合2）足夠的空氣3）提高燃燒溫度4）確保足夠的燃燒時(shí)間6.3固體燃料的燃燒

引言人類燃燒燃料的歷史：木材煤炭石油煤炭生物質(zhì)固體燃料固體燃料18世紀(jì)和19世紀(jì)上半葉：木材為主之后，工業(yè)發(fā)達(dá)國家，煤炭開始取代木材50年代末，煤炭成了能源的主要支柱80年代，石油成為了能源的主要來源石油可用50~100年，總有一天會(huì)耗盡，煤炭儲(chǔ)量大些，還可以開采300年左右，以后的能源是什么?世界上，每年由于光合作用產(chǎn)生的生物質(zhì)量是目前年能源消耗量的8倍，但分散\能量密度低\利用效率不高如何高效利用生物質(zhì)，是目前較有前途的研究方向之一1、固體燃料的層狀燃燒層狀燃燒的特征是把燃料放在爐篦上，空氣通過爐篦下方爐篦孔穿過燃料層并與燃料進(jìn)行燃燒反應(yīng)，生成高溫燃燒產(chǎn)物離開燃燒層進(jìn)入爐膛。干燥層干餾層還原層氧化層灰渣層層狀燃燒的優(yōu)缺點(diǎn)：燃燒過程穩(wěn)定；燃燒強(qiáng)度低。1、影響層狀固體燃料燃燒的一些因素：1）燃料塊或顆粒的大小以及他們?cè)谌剂蠈又械奈恢?）穿過燃料層的氣流結(jié)構(gòu)和成分3）空氣和煙氣在燃料顆粒之間的流動(dòng)條件4）空氣流的初始溫度5）空氣或煙氣停留在燃料塊間的時(shí)間6）燃料層中氧化反應(yīng)區(qū)和還原反應(yīng)區(qū)的結(jié)構(gòu)7）燃燒過程中的傳熱和傳質(zhì)8）燃料各成分的物理化學(xué)性質(zhì)9）固體燃料中的不同礦物成分2、常見的幾種層狀燃燒室1）人工加煤燃燒室2）絞煤機(jī)3）拋煤機(jī)4）振動(dòng)爐排5）往復(fù)爐排6）鏈?zhǔn)綘t排2、粉煤燃燒法1、粉煤燃燒法是將煤磨細(xì)到一定細(xì)度（20~70微米），用空氣噴到爐內(nèi)，使其在懸浮狀態(tài)下完成燃燒過程，形成象氣體燃料那樣具有明顯輪廓的火炬，所以又稱為煤粉的火炬燃燒。（P144，P224）用來輸送煤粉的空氣叫一次空氣，一般占全部助燃空氣量的15~20%，其余的空氣叫二次空氣，沿另外的管道單獨(dú)送到爐內(nèi)。粉煤燃燒的優(yōu)點(diǎn)：1）最大優(yōu)點(diǎn)是可以大量使用劣質(zhì)煤，可以摻入部分無煙煤和焦煤屑2）燃燒速度快，完全燃燒程度高。爐溫可以很高3）二次空氣可以預(yù)熱到較高溫度，有利于回收余熱和節(jié)約燃料4）爐溫容易調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制5）減低體力勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件。2、煤粉的主要特征之一是它的細(xì)度，一般用篩分法求得，用篩余量來R%表示：篩號(hào)80#目數(shù)200目粒徑75可磨性系數(shù)K磨3、煤粉氣流的流動(dòng)