液體燃料的燃燒

6液體燃料的燃燒6.1液體燃料燃燒原理6.2液體燃料的霧化過(guò)程及裝置6.3配風(fēng)原理及裝置6.4液體燃料霧化燃燒的組織及布置6.1液體燃料燃燒原理6.1.1液體燃料的燃燒方式液體燃料有哪些液體燃料的燃燒方式和過(guò)程?根據(jù)液體燃料在著火燃燒前發(fā)生蒸發(fā)與氣化的特點(diǎn)氣化混合燃燒液體燃燒液面燃燒燈芯燃燒蒸發(fā)燃燒霧化燃燒霧化液體燃料為什么要霧化?

（1）液面燃燒是指直接在液體表面上發(fā)生的燃燒。往往是災(zāi)害或事故燃燒的形式。（2）燈芯燃燒是利用燈芯的毛細(xì)吸附作用將燃油由容器中抽吸上來(lái)，并在燈芯表面生成油蒸氣，然后油蒸氣與空氣混合發(fā)生的燃燒。（3）蒸發(fā)燃燒是使液體燃料通過(guò)一定的蒸發(fā)管道，利用燃燒時(shí)放出的一部分熱量加熱管中的燃料，使其蒸發(fā)，然后再像氣體燃料那樣進(jìn)行燃燒。（4）霧化燃燒是利用各種形式的霧化器將液體燃料破碎霧化為大量直徑為幾微米到幾百微米的小液滴，并使它們懸浮在空氣中邊蒸發(fā)邊燃燒。6.1液體燃料燃燒原理6.1.1液體燃料的燃燒方式6.1.1液體燃料的燃燒方式對(duì)不同液體燃燒，根據(jù)其蒸發(fā)的難易程度采用不同的霧化方式。易蒸發(fā)液體，采用汽化器或低壓噴射；6.1.1液體燃料的燃燒方式對(duì)難蒸發(fā)或蒸發(fā)速率要求高的液體燃料，像柴油、重油等，采用預(yù)熱或高壓噴射實(shí)現(xiàn)霧化；由于噴霧的動(dòng)態(tài)特性本質(zhì)上是大量單一液滴蒸發(fā)特性的統(tǒng)計(jì)總和，故深入理解單液滴的蒸發(fā)特性是研究噴霧的必要前提。6.1.2液體燃料的蒸發(fā)過(guò)程（1）單個(gè)油滴的蒸發(fā)

霧化燃燒單油滴吸熱

溫度升高

蒸發(fā)（氣化）

混合

燃燒

當(dāng)油滴獲得的熱量等于蒸發(fā)所需的熱量，則油滴溫度保持不變，蒸發(fā)保持平衡，該溫度稱為油滴蒸發(fā)平衡溫度，此時(shí)蒸發(fā)速度等于擴(kuò)散速度。6.1.2液體燃料的蒸發(fā)過(guò)程油滴蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸氣通過(guò)兩種方式向外擴(kuò)散（質(zhì)擴(kuò)散）：油氣分子擴(kuò)散和油氣以某一速度作對(duì)流擴(kuò)散（斯蒂芬流）。

斐克方程：dm/dt—單位時(shí)間內(nèi)油滴對(duì)周圍介質(zhì)的擴(kuò)散量（質(zhì)交換）；Tv、Pv、ρv—油滴表面附件的燃油蒸汽溫度、壓力和質(zhì)量濃度；D—擴(kuò)散系數(shù)；r、F—油滴半徑和表面積；u—油蒸汽離開油滴表面的對(duì)流速度。分子擴(kuò)散項(xiàng)對(duì)流擴(kuò)散項(xiàng)6.1.2液體燃料的蒸發(fā)過(guò)程不考慮輻射時(shí)，油滴的傳熱：對(duì)流傳熱導(dǎo)熱dq/dt—單位時(shí)間內(nèi)周圍氣體對(duì)油滴的傳熱；λ、Cp—燃油蒸汽的熱導(dǎo)率和定壓比熱容；r、F—油滴半徑和表面積；T、TB—周圍氣體和油滴表面的溫度。6.1.2液體燃料的蒸發(fā)過(guò)程高溫下油滴蒸發(fā)模型的簡(jiǎn)化（6個(gè)）假設(shè)：1）油滴為球形顆粒rB，被高溫球形氣體包圍rA；2）油滴表面蒸發(fā)處于平衡狀態(tài)；3）蒸發(fā)過(guò)程是等壓的，Cp不變；4）氣體均作為理想氣體；5）僅考慮導(dǎo)熱；6）rA內(nèi)濃度和溫度沿半徑方向線性變化。穩(wěn)態(tài)下油滴蒸發(fā)的熱平衡式：導(dǎo)熱量蒸發(fā)量即擴(kuò)散量（6-6）6.1.2液體燃料的蒸發(fā)過(guò)程油滴的蒸發(fā)速度油滴蒸發(fā)時(shí)間：（6-7）可見(jiàn)，油滴蒸發(fā)速度取決于油滴直徑（半徑）、油滴周圍氣體溫度及該體系的物性。蒸發(fā)常數(shù)k1：（6-10）油滴完全蒸發(fā)時(shí)間：可見(jiàn)：蒸發(fā)時(shí)間與油滴初始直徑的平方成正比；因此，要縮短燃油蒸發(fā)時(shí)間，就要求有較小的霧化細(xì)度，即霧化質(zhì)量。d0——油滴初始直徑；6.1.2液體燃料的蒸發(fā)過(guò)程考慮相對(duì)運(yùn)動(dòng)后，油滴蒸發(fā)常數(shù)k2：

前面的計(jì)算只考慮導(dǎo)熱，未考慮對(duì)流等相對(duì)運(yùn)動(dòng)?？紤]相對(duì)運(yùn)動(dòng)后，油滴與周圍氣體間熱量和質(zhì)量交換增強(qiáng)，燃油蒸發(fā)加快。SC—施密特?cái)?shù)，即氣體介質(zhì)運(yùn)動(dòng)黏度v與擴(kuò)散系數(shù)D的比值；Re—雷諾數(shù)，Re=ud0/v，適用于Re=0~200。不同直徑油滴在不同空氣溫度下的蒸發(fā)速率對(duì)比見(jiàn)圖6-4和表6-16.1.2液體燃料的蒸發(fā)過(guò)程

不同直徑油滴在不同空氣溫度下的蒸發(fā)速率對(duì)比見(jiàn)圖6-4和表6-16.1.2液體燃料的蒸發(fā)過(guò)程（2）油滴群的蒸發(fā)直徑d的油滴在經(jīng)過(guò)τ時(shí)間蒸發(fā)后，剩余油滴的直徑和體積分別為：n—均勻性指數(shù)；代表液滴顆粒霧化的均勻程度。因此，為了縮短蒸發(fā)時(shí)間及加快燃燒，應(yīng)保證油霧具有較好的霧化均勻度。液滴群—粒徑大小不等的大量油滴組成；6.1.3液體燃料的燃燒過(guò)程一、單個(gè)油滴的燃燒過(guò)程和燃燒速度小液滴（10μm），噴入后迅速蒸發(fā)，接近均勻混合氣預(yù)混燃燒；大液滴，邊蒸發(fā)，邊混合，邊燃燒，在火焰面上形成擴(kuò)散燃燒；擴(kuò)散燃燒時(shí)氣流速度（相對(duì)）對(duì)火焰形狀的影響全周火焰?zhèn)銧罨鹧婊鹧娲迪?.1.3液體燃料的燃燒過(guò)程無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)單個(gè)液滴的擴(kuò)散燃燒在平衡蒸發(fā)狀態(tài)，油滴溫度接近燃油的沸點(diǎn)。6.1.3液體燃料的燃燒過(guò)程油滴擴(kuò)散燃燒速度完全取決于燃油蒸氣由油滴表面向火焰面擴(kuò)散的速度。在平衡蒸發(fā)狀態(tài)，燃油蒸氣擴(kuò)散速度等于蒸發(fā)速度，即油滴擴(kuò)散燃燒速度由油滴蒸發(fā)速度決定。

單個(gè)油滴從直徑d0燃燒到直徑d的時(shí)間：

（6-14）燃燒速度常數(shù)ρO2—氧氣密度；DO2—氧分子的擴(kuò)散系數(shù)；mO2—氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；β—氧與燃油的化學(xué)計(jì)量比。（6-15）DO26.1.3液體燃料的燃燒過(guò)程完全燃燒，油滴的燃盡時(shí)間：油滴與空氣間有相對(duì)速度時(shí)，燃燒速度常數(shù)為：

（6-16）（6-17）油滴燃盡時(shí)間與液滴初始直徑的平方成正比?？梢?jiàn)，液體燃料霧化質(zhì)量（液滴尺寸）對(duì)燃燒過(guò)程具有決定性影響?？梢?jiàn)，油滴與空氣有相對(duì)速度，可大大加速油滴的燃燒過(guò)程。6.1.3液體燃料的燃燒過(guò)程二、油滴群的燃燒過(guò)程（一）油滴群燃燒與單個(gè)油滴燃燒的差別油滴群與單個(gè)油滴的最大差別在于霧狀油滴中各個(gè)油滴之間相互發(fā)生干擾，特別是油滴之間距離很近時(shí)，影響主要有兩方面：（1）相鄰油滴同時(shí)燃燒使它們之間有熱量交換，以致減少了油滴的熱量損失，使傳遞給油滴的總熱量增加；（促進(jìn)燃燒）（2）相鄰油滴同時(shí)燃燒，互相競(jìng)爭(zhēng)氧氣，對(duì)氧氣擴(kuò)散到火焰鋒面有影響。（阻礙燃燒）6.1.3液體燃料的燃燒過(guò)程（二）滴間燃燒與滴狀燃燒

根據(jù)油滴間的統(tǒng)計(jì)平均距離大小，油滴群燃燒可分為滴間燃燒和滴狀燃燒。油滴直徑<油滴間統(tǒng)計(jì)平均距離<油滴火焰面半徑，滴間燃燒；油滴間統(tǒng)計(jì)平均距離>20倍油滴直徑，滴狀燃燒；滴間燃燒滴狀燃燒6.1.3液體燃料的燃燒過(guò)程（1）預(yù)蒸發(fā)式燃燒：（2）油滴群擴(kuò)散燃燒：（3）復(fù)合式燃燒：（4）滴間氣體燃燒加液滴蒸發(fā)式燃燒：油滴的蒸發(fā)氣化速度》》氧的擴(kuò)散速度，燃燒前油滴群已全部蒸發(fā)，近似氣體燃料燃燒（三）不同的油霧滴群燃燒模型油滴群中每個(gè)油滴均獨(dú)立進(jìn)行燃燒，接力式滴狀燃燒火焰?zhèn)鞑?，蒸發(fā)過(guò)程控制燃燒過(guò)程。油滴均勻性差，較小油滴預(yù)蒸發(fā)式燃燒，較大油滴以油滴群擴(kuò)散燃燒。油滴均勻性差、油滴群密度大，較小油滴預(yù)蒸發(fā)式燃燒，滴間蒸發(fā)燃燒的大油滴在到達(dá)火焰區(qū)時(shí)未完全蒸發(fā)，應(yīng)避免。6.1.3液體燃料的燃燒過(guò)程（四）油滴群燃燒速度常數(shù)

與單油滴燃燒速度常數(shù)不同，油滴群燃燒速度常數(shù)與壓力有關(guān)且有所增大；（五）油滴群燃燒的特點(diǎn)

油滴群燃燒的火焰?zhèn)鞑ブ饕柚谟偷蔚牟粩嘀鸷腿紵?，具有比均勻混合可燃?xì)馊紵鼮閷拸V的著火界限和穩(wěn)定工作范圍。6.2液體燃料的霧化過(guò)程及裝置6.2.1霧化原理及方法在通過(guò)噴嘴時(shí)，液體燃料被破碎為大量細(xì)小液滴所組成的液滴群，這個(gè)過(guò)程稱為霧化。霧化的目的？

增加燃料的蒸發(fā)表面積，以加速燃料氣化及與空氣混合，使燃燒快速并完全燃燒。霧化是組織液體燃料噴霧燃燒的關(guān)鍵。噴嘴被稱為霧化器。主要功能是確保燃料的流量，改善霧化的質(zhì)量，并有良好的調(diào)節(jié)范圍。6.2液體燃料的霧化過(guò)程及裝置噴射霧化過(guò)程的幾個(gè)階段：一是液體在噴嘴內(nèi)部流動(dòng)階段；二是液體噴出后由液柱分裂為霧滴的階段；三是霧滴在氣體中進(jìn)一步破碎階段。對(duì)噴霧機(jī)理，有多種解釋：一是空氣動(dòng)力干擾說(shuō)：射流與周圍氣體間的氣動(dòng)干擾作用使射流表面產(chǎn)生不穩(wěn)定波動(dòng)；二是壓力振蕩說(shuō)：供油系統(tǒng)壓力震蕩對(duì)霧化過(guò)程影響；三是湍流擾動(dòng)說(shuō)：認(rèn)為射流霧化過(guò)程發(fā)生在噴嘴內(nèi)部，而流體本身的湍流度可能起著重要作用；四是空氣擾動(dòng)說(shuō)：認(rèn)為噴油系統(tǒng)內(nèi)穴蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的大振幅壓力擾動(dòng)是產(chǎn)生霧化的原因；五是邊界條件突變說(shuō)：認(rèn)為噴嘴出口處，液體的邊界條件（內(nèi)應(yīng)力）發(fā)生突變，使截面內(nèi)速度分布驟然改變而產(chǎn)生霧化。6.2.2霧化性能及質(zhì)量的評(píng)定評(píng)定液體燃料霧化器的霧化性能及質(zhì)量的主要指標(biāo)：流量特性、調(diào)節(jié)比、霧化角、霧化細(xì)度及均勻度、流量密度分布、射程等；對(duì)于介質(zhì)霧化噴嘴，還有氣耗率等。一、流量特性流量特性指的是油噴嘴單位時(shí)間內(nèi)噴油量隨油壓變化的規(guī)律，相應(yīng)的關(guān)系曲線稱為流量特性曲線（噴油速率曲線）。二、霧化角（噴霧錐角）霧化角即為油霧化炬的張角。通常將噴油嘴出口處噴霧炬外包絡(luò)線的兩條切線之間的夾角定義為出口噴霧角。霧化角是油噴嘴霧化性能的主要指標(biāo)之一。一般應(yīng)根據(jù)燃燒室的尺寸和燃料與空氣的混合條件來(lái)合理選擇霧化角。6.2.2霧化性能及質(zhì)量的評(píng)定6.2.2霧化性能及質(zhì)量的評(píng)定噴霧錐角和噴孔錐角βα6.2.2霧化性能及質(zhì)量的評(píng)定三、霧化細(xì)度和均勻度霧化細(xì)度是指燃油霧化后形成的霧化炬中油滴的粗細(xì)程度，是表征油噴嘴霧化性能及質(zhì)量最主要的指標(biāo)之一。一般用平均直徑表示霧化細(xì)度，工程上常采用以下兩種方法：（1）質(zhì)量中間直徑（d50或dMMD）（2）索太爾平均直徑（dSMD）（6-18）（6-19）即油滴群中大于或小于這一直徑的兩部分液滴的總質(zhì)量相等。d50越小，霧化粒度越細(xì)，霧化質(zhì)量越好。Ni——直徑為di的油滴顆粒數(shù)；6.2.2霧化性能及質(zhì)量的評(píng)定霧化均勻度是指燃料霧化后液滴群顆粒尺寸的均勻程度，即液滴群中眾顆粒大小相差的懸殊性程度。霧化均勻度一般可用粒數(shù)分布曲線和質(zhì)量分布曲線表示。6.2.2霧化性能及質(zhì)量的評(píng)定霧化均勻度也常用積分曲線和微分曲線表示。積分曲線表示法是將大于某一直徑d的所有液滴的質(zhì)量占全部液滴質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)表示成液滴直徑的函數(shù)；微分曲線表示法是將液滴直徑在某一范圍的所有液滴質(zhì)量占全部液滴總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)表示成液滴直徑的函數(shù)。曲線分布越陡，霧化均勻度越好。6.2.2霧化性能及質(zhì)量的評(píng)定四、流量密度分布流量密度分布特性是指在單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)與燃料噴射方向相垂直的單位橫截面上燃料質(zhì)量（或體積）沿半徑方向的分布規(guī)律。它在一定程度上反映了燃燒空間內(nèi)的燃料濃度分布。6.2.2霧化性能及質(zhì)量的評(píng)定五、噴霧射程（貫穿距離）油霧化炬（油束）的噴霧射程是指在某個(gè)給定的時(shí)間內(nèi)，油噴嘴在噴射方向上噴出的油霧實(shí)際能夠到達(dá)的平面，與油噴嘴噴口之間的距離。六、調(diào)節(jié)比和氣耗率調(diào)節(jié)比是指在保證霧化質(zhì)量的前提下，在運(yùn)行壓力范圍內(nèi)油噴嘴的最大質(zhì)量流量與最小質(zhì)量流量之比。氣耗率是僅對(duì)介質(zhì)霧化噴嘴而言的參數(shù)，是指單位時(shí)間內(nèi)霧化介質(zhì)的質(zhì)量與噴液質(zhì)量之比，即氣液質(zhì)量比。BAC6.2.3霧化的方式及常用霧化裝置

液體燃料霧化主要有兩種方式：機(jī)械霧化和介質(zhì)霧化，還有兼有這兩種方式特點(diǎn)的組合型霧化方式。6.2.3霧化的方式及常用霧化裝置一、機(jī)械霧化噴嘴

這種噴嘴依靠油泵提高燃油壓力，并將其以較高的速度噴入燃燒室。又稱壓力式霧化油噴嘴。主要應(yīng)用于各種鍋爐、工業(yè)設(shè)備及動(dòng)力裝置中。二、介質(zhì)霧化噴嘴

又稱氣動(dòng)式霧化噴嘴。工作原理是利用空氣或蒸汽作為霧化介質(zhì)，將其壓力能轉(zhuǎn)化為高速氣流，使液體燃料噴散為霧化炬。按霧化介質(zhì)壓力的高低，霧化噴嘴可分為兩類：低壓噴嘴（5~12kPa）和高壓噴嘴（300~1200kPa）。主要應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備中。6.2.3霧化的方式及常用霧化裝置6.2.3霧化的方式及常用霧化裝置6.2.3霧化的方式及常用霧化裝置6.2.3霧化的方式及常用霧化裝置6.3配風(fēng)原理及裝置液體（油）燃料燃燒系統(tǒng)主要由燃油噴嘴和配風(fēng)系統(tǒng)兩部分組成。燃油噴嘴的任務(wù)是將噴入燃燒系統(tǒng)中燃油霧化成粒度均勻、性能合理的霧化炬，而配風(fēng)系統(tǒng)的任務(wù)是適時(shí)供給霧化炬中油滴群以合適的空氣量。配風(fēng)的基本原理是在油滴群不同的燃燒階段及時(shí)、適量地分級(jí)供風(fēng)，以確保燃油在爐內(nèi)及時(shí)著火、燃燒及燃盡。配風(fēng)的要求和類型與燃燒設(shè)備有著很強(qiáng)的相關(guān)性。6.4液體燃料霧化燃燒的組織液體燃料霧化燃燒過(guò)程包括霧化、蒸發(fā)、混合、著火、燃燒與燃盡等階段。一、確保與主設(shè)備匹配的霧化性能油噴嘴的霧化性能應(yīng)與設(shè)備的熱功率及區(qū)域熱負(fù)荷相匹配。二、確保良好的霧化質(zhì)量為了提高霧化質(zhì)量，應(yīng)盡量減小阻礙燃油霧化的內(nèi)力，加大促進(jìn)燃油霧化的外力。（1）燃油溫度提高油溫可以顯著降低燃油的黏度和表面張力。（2）霧化介質(zhì)的參數(shù)主要影響因素為霧化介質(zhì)的噴出速度、溫度和流量。6.4.1液體燃料霧化燃燒的組織油噴嘴影響霧化質(zhì)量各因素及可調(diào)節(jié)參數(shù)

傳統(tǒng)汽油機(jī)噴油嘴直噴汽油機(jī)噴油嘴柴油機(jī)噴油嘴6.4.1液體燃料霧化燃燒的組織（3）油噴嘴結(jié)構(gòu)主要的結(jié)構(gòu)影響因素有：霧化介質(zhì)噴口截面積、孔徑、孔數(shù)及長(zhǎng)度；燃油的噴口截面積、孔徑、孔數(shù)及長(zhǎng)度；混合孔的噴口截面積、孔徑、孔數(shù)，加工精度以及是否旋轉(zhuǎn)及旋向等；油流與氣流的交角及相對(duì)位置；混合室的大小及長(zhǎng)度等。（4）燃油壓力

油壓越高，油流的速度越大，霧化質(zhì)量越好。三、加強(qiáng)空氣與油霧的混合實(shí)現(xiàn)燃燒器中空氣利用的最大化。四、合理的穩(wěn)焰技術(shù)第一種方法是在配風(fēng)器上設(shè)置旋流器型穩(wěn)焰器。第二種方法是在噴嘴的頭部設(shè)置鈍體。五、安全可靠的油系統(tǒng)確保油系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，防止漏油、堵塞或結(jié)焦。噴油壓力和背壓的影響（汽油）噴油壓力的影響（柴油）噴油背壓的影響（柴油）噴孔方案貫穿程度噴霧

流速蒸發(fā)狀況混合狀況濕壁狀況湍流強(qiáng)度加工難度孔數(shù)直徑mm30.22+++++++30.24++———++—++30.26+++——————+++——+++40.17——+++++++++——+++——40.19—++++++—++—噴油器結(jié)構(gòu)的影響噴油壓力（MPa）貫穿

程度噴霧

流速蒸發(fā)

狀況混合

狀況濕壁

狀況湍流

強(qiáng)度100————+++—120+++++++140+++++++++++160++++++++++++—+++噴油壓力的影響51水定壓加熱汽化過(guò)程的p-v圖及T-s圖一點(diǎn)臨界點(diǎn)Criticalpoint兩線上界限線(飽和水線)下界限線(飽和蒸汽線)三區(qū)液汽液共存汽五態(tài)未飽和水飽和水濕蒸汽干飽和蒸汽過(guò)熱蒸汽水的狀態(tài)可歸納為飽和水和飽和蒸汽沒(méi)有區(qū)別各種工質(zhì)均具有類似水的性質(zhì)臨界點(diǎn)是熱力學(xué)上的一個(gè)奇點(diǎn)，超臨界狀態(tài)下的流體具有與亞臨界狀態(tài)截然不同的屬性；在超臨界狀態(tài)下，液體與氣體之間的界面已經(jīng)不復(fù)存在，液體的表面張力與蒸發(fā)潛熱都趨于零，故實(shí)際