液體燃料的霧化

關(guān)于液體燃料的霧化第1頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三PM2.5PM2.5：particulatematter顆粒物，是指大氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。它的直徑還不到人的頭發(fā)絲粗細(xì)的1/20。根據(jù)PM2.5檢測網(wǎng)的空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)：

優(yōu)：0~35良：35~75輕度污染：75~115中度污染：115~150重度污染：150~250嚴(yán)重污染：250及以上第2頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三12月8日，預(yù)報PM2.5指數(shù)最高值達(dá)到395。圖為記者在濟(jì)南市山大路拍到的街景。（中新社發(fā)邱江波攝）第3頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三第4頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三發(fā)動機(jī)中噴射的汽油和柴油燃料（一）液體燃料燃燒第5頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三（一）液體燃料燃燒航空燃?xì)猓u）輪（發(fā)動）機(jī)第6頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三（一）液體燃料燃燒運載火箭發(fā)動機(jī)（美國阿波羅土星推進(jìn)器，中國神九長征2號運載火箭液體助推器）第7頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三霧化液滴汽化、蒸發(fā)燃料與空氣混合液滴燃燒（一）液體燃料燃燒液體燃料燃燒過程（較氣體復(fù)雜）第8頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三霧化概念及過程霧化概念：用物理方法使液體燃料碎裂成細(xì)小液滴群的過程。

1)液體由噴嘴流出形成液柱或液膜。2)由于液體射流本身的初始湍流以及周圍氣體對射流的作用（脈動、摩擦等），使液體表面產(chǎn)生波動、褶皺，并最終分離出液體碎片或細(xì)絲。3)在表面張力的作用下，液體碎片或細(xì)絲收縮成球形油珠。4)在氣動力作用下，大油珠進(jìn)一步碎裂。注意：霧化是物理過程、霧化后不是氣體霧化過程：第9頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三增加燃料的比表面積有利于燃料與空氣的混合完全燃燒加速燃料的蒸發(fā)汽化液體燃料的霧化作用：第10頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三1、霧化角

αR=100mm霧化角：又稱油霧炬的張角，指噴嘴出口到噴霧炬外包絡(luò)線的兩條切線之間的夾角。液體燃料的霧化特性（評價指標(biāo)）αr條件霧化角：以噴嘴為圓心，r為半徑的圓弧和外包絡(luò)線交點與噴口中心連線的交角。霧化角的大小對燃燒完善程度和經(jīng)濟(jì)性有很大影響，是霧化器設(shè)計的一個重要參數(shù)。第11頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三αR=100mm液體燃料的霧化特性（評價指標(biāo)）αr霧化角對燃燒影響：過大：油滴穿出湍流最強(qiáng)區(qū)域，混合不良，燃燒不完全，降低燃燒效率。過小：液滴不能有效分布在這個燃燒室空間，造成局部過?？諝庀禂?shù)過大，燃燒溫度下降、著火困難、燃燒不良。霧化角對火焰的影響：過大：火焰粗而短；過?。杭?xì)而長。第12頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三液體燃料的霧化特性（評價指標(biāo)）2、霧化液滴細(xì)度Sauter平均直徑：假設(shè)每個液滴直徑相等時，按所測得的所有液滴的總體積V與總表面積S計算出來的液滴直徑。第13頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三液體燃料的霧化特性（評價指標(biāo)）質(zhì)量中間直徑MMD：D50:Mass-median-diameter(MMD).Thelog-normaldistributionmassmediandiameter.TheMMDisconsideredtobetheaverageparticlediameterbymass假設(shè)存在一中間直徑dm，大于與小于dm的油珠的總質(zhì)量相等。第14頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三液體燃料的霧化特性（評價指標(biāo)）3、霧化均勻度Rdin大n均勻度指數(shù)，n=1～4燃料霧化后液滴顆粒尺寸的均勻程度。Rosin-Rammlar分布:特征尺寸R=36.8的液滴直徑R：液滴質(zhì)量(體積)占取樣總質(zhì)量(體積)的百分?jǐn)?shù)

例：R90=32:大于90μm的顆粒占總顆粒的32％第15頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三液體燃料的霧化特性（評價指標(biāo)）4、流量密度分布單位時間內(nèi)在油滴運動的法線方向上，單位面積上通過的油滴的流量。判斷油霧斷面上油量分布的均勻程度。旋流噴嘴油滴流量密度分布曲線00直流噴嘴油滴流量密度分布曲線－R－R＋R流量密度流量密度＋R液滴集中在油霧距軸線附近，燃燒時間長、火焰長液滴分布較均勻，與空氣混合好，燃燒快、火焰短第16頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三液體燃料的霧化特性（評價指標(biāo)）霧化對燃燒影響：

霧化越細(xì)，燒越充分；霧化的好壞，是組織好燃料燃燒的前提。第17頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三油粒的蒸發(fā)與燃燒蒸發(fā)

受熱產(chǎn)生油蒸氣熱解和裂化

油蒸汽高溫下受熱分解，產(chǎn)生固體碳和氫氣。液體油粒也會裂化出較輕的分子，剩下較重的分子。著火燃燒

油蒸汽、熱解和裂化產(chǎn)物與氧接觸、達(dá)到著火溫度時，著火燃燒。氧氣油氣熱解產(chǎn)物裂化產(chǎn)物燃燒產(chǎn)物燃燒前沿含氧介質(zhì)單個液滴的燃燒模型第18頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三油粒燃燒過程特點燃燒反應(yīng)油的蒸發(fā)提供反應(yīng)物質(zhì)提供熱量整個燃燒過程的速度油的蒸發(fā)速度油的燃燒速度油粒的蒸發(fā)與燃燒第19頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三油粒的蒸發(fā)與燃燒油滴的凈導(dǎo)熱量：油滴氣化潛熱：油蒸氣升溫：穩(wěn)定蒸發(fā)過程的熱平衡方程：油滴升溫：穩(wěn)態(tài)時：第20頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三油粒的蒸發(fā)與燃燒邊界條件：蒸發(fā)速率引入傳輸系數(shù)：BT↑，mv↑第21頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三油粒燃燒時間根據(jù)質(zhì)量守恒：蒸發(fā)速率＝液滴單位時間質(zhì)量減少量第22頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三油粒燃燒時間D0↑，τb↑τb

∝D02，用油粒直徑表示：進(jìn)一步簡化：蒸發(fā)速率常數(shù)rs→0燃盡時間τb:第23頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三物性參數(shù)的選擇：第24頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三例題：直徑為500μm的正乙烷（C6H14）在熱的滯止氮氣中蒸發(fā)，壓力為常壓1atm。氮氣溫度850K，確定正乙烷液滴的壽命和蒸發(fā)速率。已知：正乙烷液體密度659kg/m3，蒸汽的定壓比熱容2872J/(kg.k)，導(dǎo)熱系數(shù)0.0464W/(m.k)，汽化潛熱335kJ/(kg.k)，常壓下，正乙烷沸點溫度為342K。第25頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三油霧燃燒(液滴群燃燒)油霧燃燒模型預(yù)蒸發(fā)型燃燒、滴群擴(kuò)散燃燒、復(fù)合燃燒預(yù)蒸發(fā)型燃燒霧化液滴很細(xì)，周圍介質(zhì)溫度高或噴嘴與火焰穩(wěn)定區(qū)間距離長，使液滴進(jìn)入火焰區(qū)前已全部蒸發(fā)完，燃燒完全在無蒸發(fā)的氣相區(qū)中進(jìn)行，這種燃燒情況與氣體燃料的燃燒機(jī)理相同，液滴蒸發(fā)對火焰長度的影響不大。

周圍介質(zhì)溫度低或霧化顆粒較粗，蒸發(fā)性能差，進(jìn)入燃燒區(qū)時油珠基本未蒸發(fā)，形成滴群的擴(kuò)散燃燒。燃燒形式以單顆液滴燃燒形式進(jìn)行。燃燒和蒸發(fā)幾乎同步，蒸發(fā)過程決定整個燃燒過程，反應(yīng)動力學(xué)因素影響不大。

滴群擴(kuò)散燃燒第26頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三油霧燃燒(液滴群燃燒)復(fù)合燃燒介于預(yù)蒸發(fā)型氣體燃燒和滴群擴(kuò)散燃燒之間。如較常見的噴霧液滴燃燒，因噴出的霧滴大小不均勻，其中較小的液滴在火焰區(qū)前方已蒸發(fā)完，形成預(yù)混型氣體火焰，較粗的液滴到達(dá)火焰區(qū)時尚未蒸發(fā)完畢，產(chǎn)生滴群擴(kuò)散火焰。這時蒸發(fā)因素、反應(yīng)動力學(xué)因素、湍流因素都將對燃燒過程產(chǎn)生影響。液滴群燃燒特點；1)液滴群燃燒過程的擴(kuò)展主要是借助于液滴的不斷著火、燃燒；2)液滴群燃燒速度一般比均勻混合氣燃燒速度??；3）液滴群燃燒的著火界限和穩(wěn)定工作范圍較均勻可燃混合氣燃燒寬。第27頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三作業(yè)題：試計算在常壓、960℃的環(huán)境溫度下，直徑為0.1mm的汽油霧滴在相對靜止條件下的完全蒸發(fā)時間。已知：汽油密度820kg/m3，汽化潛熱320kJ/(kg.k)，常壓下，汽油的沸點溫度為342K；油蒸汽定壓比熱容2.48kJ/(kg.k)，油蒸汽導(dǎo)熱系數(shù)3.05×10-5kW/(m.k)。第28頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三(二)固體燃料燃燒煤的燃燒過程：煤－干燥(水分蒸發(fā))－熱解(揮發(fā)分析出)－焦炭燃燒焦炭的燃燒占煤燃盡時間的90%煤燃燒中焦炭的燃燒起決定性作用焦炭成分：固定碳＋礦物質(zhì)

固定碳的燃燒決定了焦炭的燃燒過程第29頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三碳粒燃燒碳粒燃燒過程的5個環(huán)節(jié)：（1）氧分子擴(kuò)散到達(dá)碳的表面（2）氧被碳吸附，形成活化絡(luò)合物CXOY。（3）CXOY在高溫下分解為CO2和CO，也可與氧發(fā)生反應(yīng)形成CO2和CO。（4）燃燒產(chǎn)物（CO2、CO）從固體炭表面解吸（脫離吸附）（5）解析后的燃燒產(chǎn)物（CO2、CO）從固體表面向周圍擴(kuò)散。第30頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三碳粒燃燒碳粒表面氣體消耗速率計算：反應(yīng)氣體向反應(yīng)表面的擴(kuò)散速度：碳表面氣體（氧）燃燒反應(yīng)速度：穩(wěn)定燃燒時：第31頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三碳粒燃燒碳的燃燒速度：g碳/cm2.s碳的燃燒減少量：碳粒燃燒的時間：碳粒燃盡的時間：第32頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三煤的燃燒方式層狀燃燒

燃料放在爐篦或爐排之上，通過爐篦或爐排的縫隙將空氣送入燃燒層，使之進(jìn)行燃燒，高溫燃燒產(chǎn)物進(jìn)入爐膛進(jìn)行換熱，燃盡的灰渣通過爐篦縫隙或排渣口排出。如：工業(yè)鏈條爐。層狀燃燒懸浮燃燒沸騰燃燒旋風(fēng)燃燒燃燒方式第33頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三煤的燃燒方式懸浮燃燒燃料與空氣的混合物噴入燃燒室或爐膛內(nèi)，則燃料將在這個空間內(nèi)以懸浮狀態(tài)完成燃燒過程。例如：大型電站鍋爐固體燃料（煤）

煤粉(25~50μm)磨煤機(jī)

燃燒器爐膛燃燒優(yōu)點：

煤粉體積小，與空氣接觸面積增大，著火條件大大改善，燃燒效率大大提高。第34頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三煤的燃燒方式沸騰燃燒介于層狀燃燒與懸浮燃燒之間的燃燒方式。通過爐排的空氣氣流速度大于煤粉顆粒的沉降速度時，煤粉顆粒上下翻騰運動，