燃燒學(xué)西安交大液體燃料的燃燒課件

石油化工工藝過(guò)程中分離出來(lái)的渣油等統(tǒng)稱為重油.燃料油的化學(xué)組成是烴類，烴集聚于液相，燃燒時(shí)蒸發(fā)成蒸汽，烴蒸汽與空氣中氧形成擴(kuò)散火焰。霧化是液體燃料燃燒最經(jīng)濟(jì)、高效的途徑。霧化烴蒸汽轉(zhuǎn)化為氣體燃料，符合上一章的規(guī)律。氣體燃燒是單相燃燒，液體燃燒時(shí)助燃體為氣體，但燃料為液相。石油化工工藝過(guò)程中分離出來(lái)的渣油等統(tǒng)稱為重油.1第一節(jié)霧化

一、機(jī)械霧化器

液體切向進(jìn)入漩渦室，高速旋轉(zhuǎn)并由中心孔噴出。設(shè)計(jì)方法：“最大流量理論”+一定的修正漩渦室流動(dòng)為勢(shì)位流動(dòng)，因此：

第一節(jié)霧化一、機(jī)械霧化器2一、機(jī)械霧化器

假設(shè)油無(wú)粘性，則根據(jù)動(dòng)量矩守恒定律：式中：r—某一點(diǎn)半徑；

R—切向進(jìn)口槽中心線所處切圓半徑；

—某一點(diǎn)切向速度；

—切向進(jìn)口槽的流速。

勢(shì)位流動(dòng)中，伯努利定律可對(duì)任一點(diǎn)切向速度適用：式中：p—某點(diǎn)的靜壓：

—油的密度。（4-2）一、機(jī)械霧化器假設(shè)油無(wú)粘性，則根據(jù)動(dòng)量矩守恒定律：式中：r—3一、機(jī)械霧化器

假設(shè)油無(wú)粘性，因此伯努利定律對(duì)任一點(diǎn)都適用；在噴口處，油的徑向速度為零。（4-3）

根據(jù)式（4-2）和式（4-3）可知對(duì)噴孔出口截面上各點(diǎn)軸向速度數(shù)值是均勻的，即：wz=常數(shù)一、機(jī)械霧化器假設(shè)油無(wú)粘性，因此伯努利定律對(duì)任一點(diǎn)都適用；（4一、機(jī)械霧化器

噴孔勢(shì)位流動(dòng)的中心處是一個(gè)空氣漩渦，其直徑是根據(jù)最大流量的原則來(lái)確定的。根據(jù)最大流量原則，就可以定出噴孔截面上扣除空氣漩渦后的充滿度：式中：A—結(jié)構(gòu)特性系數(shù)；

r0—噴孔半徑；∑f—切向進(jìn)口槽總截面積。一、機(jī)械霧化器噴孔勢(shì)位流動(dòng)的中心處是一個(gè)空氣5②軸向速度wz與成反比，除wz等于乘以；動(dòng)量矩臂為r0，則旋流強(qiáng)度：

一、機(jī)械霧化器

A等同油的旋流強(qiáng)度。（旋流強(qiáng)度=切向動(dòng)量矩/軸向動(dòng)量矩）分析：①進(jìn)口動(dòng)量矩=切向速度×動(dòng)量矩臂由于動(dòng)量矩守恒，因此：出口動(dòng)量矩=進(jìn)口動(dòng)量矩②軸向速度wz與成反比，除wz等于乘以6問(wèn)題：霧化為何要表面精加工？噴口有毛刺會(huì)有何影響？問(wèn)題2：決定霧化效果最重要的因素有？

P、A、ρ、r0問(wèn)題：霧化為何要表面精加工？噴口有毛刺會(huì)有何影響？7一、機(jī)械霧化器

霧化器噴油量：

式中：—流量系數(shù)；

p0—油的入口壓力。一、機(jī)械霧化器霧化器噴油量：式中：—流量系數(shù)；8一、機(jī)械霧化器

霧化角：出口處油霧兩側(cè)邊緣邊界切線的交角。

一、機(jī)械霧化器霧化角：出口處油霧兩側(cè)邊緣邊界切線的交角。9一、機(jī)械霧化器

一、機(jī)械霧化器10一、回油霧化器

變負(fù)荷下，油量要減少，就要減小油壓，就會(huì)惡化霧化質(zhì)量。開發(fā)：回油霧化器：在簡(jiǎn)單霧化器漩渦室端壁上開一些小孔，進(jìn)行回油。按照開孔位置分為：集中大孔回油（在中心）；分散小孔回油（在半徑稍大些圓上）。C—A曲線：噴口油量曲線B—A曲線：進(jìn)油量曲線Gwl—回油量Pw—回油壓力（回油管上回油調(diào)節(jié)閥之前）一、回油霧化器變負(fù)荷下，油量要減少，就要減小油壓，就會(huì)惡化霧11一、回油霧化器

設(shè)計(jì)方法：1、Pwl=0狀態(tài)：算出最大回油量GB、最小噴油量Gmin，則最大進(jìn)油量=GB+Gmin2、Gmax（點(diǎn)）由最大負(fù)荷決定。一、回油霧化器設(shè)計(jì)方法：12二、蒸汽—機(jī)械霧化器

霧化好、調(diào)節(jié)比大、能耗阻力小。二、蒸汽—機(jī)械霧化器霧化好、調(diào)節(jié)比大、能耗阻力小。131、甲烷裂解時(shí)水蒸汽對(duì)析碳影響CH4==C+2H2+75kJC+H2O===CO+H2-131kJ+)CH4+H2O===CO+3H2-207kJ2、加速油滴蒸發(fā)氣化作用。水的飽和溫度低。水先氣化帶動(dòng)油滴破碎氣化。溫度426537565595706816926982H2O/CH40.891.351.381.41.11.99.97.95轉(zhuǎn)化反應(yīng)的最小水碳比神霧燃燒器原理1、甲烷裂解時(shí)水蒸汽對(duì)析碳影響溫度426537565595714二、蒸汽—機(jī)械霧化器

式中：n—油孔和氣孔的套數(shù)。(4-17)(4-18)二、蒸汽—機(jī)械霧化器式中：n—油孔和氣孔的套數(shù)。(4-17)15二、蒸汽—機(jī)械霧化器

經(jīng)驗(yàn)修正公式：(4-25)二、蒸汽—機(jī)械霧化器經(jīng)驗(yàn)修正公式：(4-25)16燃燒學(xué)西安交大液體燃料的燃燒課件17據(jù)新華社北京奧運(yùn)專電(記者高鵬)北京奧運(yùn)會(huì)“祥云”火炬克服低溫、低壓、缺氧、大風(fēng)等極端不利條件。在珠峰之巔漂亮地燃燒，舉世為之驚嘆。在這史無(wú)前例的壯舉背后，凝聚著無(wú)數(shù)智慧與辛勞。早在2001年7月13日北京申奧成功，航天科工集團(tuán)就成立了一個(gè)科技奧運(yùn)領(lǐng)導(dǎo)小組。2006年1月17日，北京奧組委正式致函航天科工集團(tuán)。委托其就奧運(yùn)火炬珠峰燃燒技術(shù)進(jìn)行科研攻關(guān)，迄今已兩年多。據(jù)新華社北京奧運(yùn)專電(記者高鵬)18雙火焰原理：一個(gè)火“沖鋒”，一個(gè)火“值班”從以往奧運(yùn)火炬來(lái)看?；鹁嫒剂蟔般有固態(tài)、液態(tài)和固液混合三種。研制團(tuán)隊(duì)最初選定丙烷作為火炬燃料。燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)為避免“祥云”火炬重蹈火炬突然熄滅的覆轍，研制團(tuán)隊(duì)運(yùn)用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的雙火焰原理，設(shè)計(jì)了預(yù)混火焰與擴(kuò)散火焰的“雙火焰”燃燒方案，即一個(gè)火焰在外面“沖鋒”，一個(gè)火焰在里面“值班”。2006年9月，科工集團(tuán)火炬研發(fā)部自掏腰包奔赴西藏珠峰大本營(yíng)進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)液態(tài)丙烷火炬在實(shí)際低壓環(huán)境下燃燒時(shí)間太短。達(dá)不到要求。返回北京后。研制團(tuán)隊(duì)放棄了液態(tài)丙烷火炬的方案。將研制重點(diǎn)轉(zhuǎn)向固液組合火炬和固態(tài)燃料火炬。雙火焰原理：19三、烴的燃燒反應(yīng)

（烷燃燒為例）（為，此外，烷基又可看成）

１、有Ｏ２下的反應(yīng)：

2、缺Ｏ２下的反應(yīng)：OH基為活化中心三、烴的燃燒反應(yīng)（烷燃燒為例）（為，此外，烷基又20三、烴的燃燒反應(yīng)

１、有Ｏ２下的反應(yīng)：合成：高一級(jí)的烷同一級(jí)的醛低一級(jí)的烷……甲醛三、烴的燃燒反應(yīng)１、有Ｏ２下的反應(yīng)：合成：高一級(jí)的烷同21高一級(jí)的烷同一級(jí)的醛低一級(jí)的烷……甲醛甲醛----燃燒分解高一級(jí)的烷同一級(jí)的醛低一級(jí)的烷……甲醛甲醛-22閃點(diǎn)：甲醛200-300℃左右，發(fā)出淺藍(lán)色光---冷焰第一次出現(xiàn)冷焰的溫度：閃點(diǎn)冷焰一般不爆炸，超閃點(diǎn)后禁止遇明火。閃點(diǎn)：23三、烴的燃燒反應(yīng)

２、缺氧脫氫斷鏈乙烯：高溫下900~1100℃中溫下>500℃比越大，那么析碳越多。三、烴的燃燒反應(yīng)２、缺氧脫氫斷鏈乙烯：比越大，那24析碳：1.C/H越大，析碳可能性越大；不飽和烴（烯、炔）比飽和烴（烷）更易渣油>重油>輕油>汽油>液化石油氣>天然氣析碳：25’燃料試驗(yàn)曾遇“爆燃”意外2007年1月。一支由10多名研制人員組成的試驗(yàn)隊(duì)奔赴祖國(guó)最北端的黑龍江漠河。對(duì)這兩種火炬在低溫、大風(fēng)條件下的性能進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。在那里，研制團(tuán)隊(duì)遭遇了意外——“爆燃”。一天夜晚。固態(tài)燃料火炬點(diǎn)燃后，燃料猛地一下噴了出來(lái)，幸好當(dāng)時(shí)沒(méi)有試驗(yàn)隊(duì)員正對(duì)著火炬，否則后果不堪設(shè)想。工藝改良后。“爆燃”現(xiàn)象再未發(fā)生過(guò)?！剂显囼?yàn)曾遇“爆燃”意外262007年5月7日。登山隊(duì)員帶著固態(tài)燃料火炬和固液組合火炬開始登頂測(cè)試。5月9日，登山隊(duì)員成功登頂，并順利點(diǎn)燃了攜帶的3支固態(tài)燃料火炬?？紤]到固態(tài)燃料火炬操作更為簡(jiǎn)便。研制團(tuán)隊(duì)將固態(tài)燃料火炬確定為珠峰火炬燃燒系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)方案。悉尼水下奧運(yùn)火炬設(shè)計(jì)？2007年5月7日。登山隊(duì)員帶著固態(tài)燃料火炬和固液組合火炬開27第二節(jié)油霧滴的燃燒過(guò)程

模型假設(shè)：假設(shè)油滴為球形，直徑δ

（δ=2r0）①油滴與氣體無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)；②火焰鋒面的熱量全由傳導(dǎo)傳遞，火焰鋒面對(duì)油滴的對(duì)流、輻射換熱忽略；③高溫下油滴溫度已達(dá)到飽和溫度，導(dǎo)來(lái)的熱全部用于蒸發(fā)；④油滴周圍有一穩(wěn)定球形火焰鋒面，此處油氣與O2達(dá)到當(dāng)量比；⑤忽略溫度場(chǎng)不均勻?qū)釋?dǎo)率、擴(kuò)散系數(shù)等的影響（a、D）均勻；⑥不考慮油滴表面生成的油蒸汽向外擴(kuò)散引起的向外流動(dòng)的那股質(zhì)量流（斯蒂芬流）；⑦這個(gè)油滴不受周圍油滴的影響，周圍油滴不影響O2向該油滴均勻擴(kuò)散。第二節(jié)油霧滴的燃燒過(guò)程模型假設(shè)：假設(shè)油滴為球形，直徑δ28油霧滴的燃燒過(guò)程

分析：1、熱量交換：向內(nèi)傳導(dǎo)熱量=油滴汽化潛熱+油滴升溫式中：λ—熱導(dǎo)率（假設(shè)為一常數(shù)）；

T—當(dāng)?shù)販囟龋?/p>

qm—油滴表面的氣化量（油滴半徑為r0）；

T0—油滴表面溫度，設(shè)等于油的表面溫度；

H—每單位質(zhì)量油的氣化潛熱。將式（4-40）自由滴表面（ro、T0）到火焰鋒面（r1、Tr）積分得：（4-41）（4-40）油霧滴的燃燒過(guò)程分析：式中：λ—熱導(dǎo)率（假設(shè)為一常數(shù)）；（29油霧滴的燃燒過(guò)程

2、質(zhì)量交換（氧的擴(kuò)散）：氧從遠(yuǎn)處向火焰鋒面擴(kuò)散量=火焰鋒面消耗量設(shè)化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量比：油氣：O2=1:β式中：D—氧的分子擴(kuò)散系數(shù)；

C—氧濃度。從遠(yuǎn)處至火焰鋒面積分：（C∞、∞）→鋒面（0、r2）（4-43）油霧滴的燃燒過(guò)程2、質(zhì)量交換（氧的擴(kuò)散）：式中：D—氧的分30油霧滴的燃燒過(guò)程

聯(lián)立（4-41）與（4-43）得：討論：由公式可看出λ、D、Tr越大，qm越大；T0越小，

qm越大。（T0減小或者Tr增大時(shí)，k增大）水的T0小、油的To大。（4-45）油霧滴的燃燒過(guò)程聯(lián)立（4-41）與（4-43）得：討論：由31油霧滴的燃燒過(guò)程

3、油滴燃燒中，直徑減小與氣化量的關(guān)系：將式（4-45）、（4-47）聯(lián)立得：因此由直徑δ0的油滴燒到直徑δ所需的時(shí)間：或者可以寫成：（油滴燃燒的直徑平方—直線定律）（4-48）（4-47）油霧滴的燃燒過(guò)程3、油滴燃燒中，直徑減小與氣化量的關(guān)系：將32油霧滴的燃燒過(guò)程

δ=0時(shí)油滴燃盡，由式（4-48）知燃盡時(shí)間為：燃盡時(shí)間與成正比，可見(jiàn)霧化的重要性。討論：τ與δ2成正比；只適合純擴(kuò)散火焰。①若油滴與氣體存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)（爐內(nèi)），則熱量與質(zhì)量交換都要加強(qiáng)；當(dāng)相對(duì)Re=0~200時(shí)有：即比靜止時(shí)（Nu=2)時(shí)大了倍。油霧滴的燃燒過(guò)程δ=0時(shí)油滴燃盡，由式（4-48）知燃盡時(shí)33油霧滴的燃燒過(guò)程

討論：①若油滴與氣體存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)（爐內(nèi)），則熱量與質(zhì)量交換都要加強(qiáng)；當(dāng)相對(duì)Re=0~200時(shí)有：即比靜止時(shí)（Nu=2)時(shí)大了倍。油霧滴的燃燒過(guò)程即比靜止時(shí)（Nu=2)時(shí)大了34油霧滴的燃燒過(guò)程

②一些油滴蒸發(fā)氣化但不一下子燃燒，如非常細(xì)的油滴噴入爐膛后迅速蒸發(fā)氣化，并與空氣預(yù)混再受熱著火，此時(shí)用煤氣、空氣預(yù)混燃燒規(guī)律來(lái)分析（第三章）。③一些油滴逸入缺氧區(qū)。缺氧條件下，不能形成各自的球形擴(kuò)散火焰鋒面，較多油滴受周圍高溫介質(zhì)加熱，蒸發(fā)氣化，然后再與空氣混合形成擴(kuò)散火焰，此時(shí)可用第三章煤氣擴(kuò)散火焰規(guī)律來(lái)分析。這種一時(shí)不能燃燒或來(lái)不及燃燒的油滴，直徑也在減小。相當(dāng)于火焰鋒面在遠(yuǎn)處，r1=∞，因此，由（4-41）式得：油霧滴的燃燒過(guò)程②一些油滴蒸發(fā)氣化但不一下子燃燒，如非常細(xì)35（4-41）（4-52）r1=∞代入，可推得：（4-41）（4-52）r1=∞代入，可推得：36油霧滴的燃燒過(guò)程

其蒸發(fā)氣化過(guò)程中的直徑平方變化規(guī)律為：實(shí)際燃料油燃燒過(guò)程：（不均質(zhì)，先燒輕質(zhì)油，后燒重質(zhì)油）燃料油為多種烴的混合物，分子量很大，油滴燃燒室，輕質(zhì)組分先蒸發(fā)和燃燒，殘?jiān)倭呀馕鎏级够偃紵?，直至燃盡。解釋：燃料油中加入適量水并混均勻，霧化燃燒效果更好，原因？熱油鍋中倒入水，熱油會(huì)爆出油滴而飛濺，為什么？油霧滴的燃燒過(guò)程其蒸發(fā)氣化過(guò)程中的直徑平方變化規(guī)律為：實(shí)際37油霧滴的燃燒過(guò)程

實(shí)際燃料油燃燒過(guò)程：（不均質(zhì)，先燒輕質(zhì)油，后燒重質(zhì)油）燃料油為多種烴的混合物，分子量很大，油滴燃燒室，輕質(zhì)組分先蒸發(fā)和燃燒，殘?jiān)倭呀馕鎏级够偃紵?，直至燃盡。

油霧滴的燃燒過(guò)程實(shí)際燃料油燃燒過(guò)程：（不均質(zhì)，先燒輕質(zhì)油，38問(wèn)題1：燃料油中加入適量水并混均勻，霧化燃燒效果更好，原因？問(wèn)題2：熱油鍋中倒入水，熱油會(huì)爆出油滴而飛濺，為什么？問(wèn)題1：燃料油中加入適量水并混均勻，霧化燃燒效果更好，原因？39第三節(jié)油霧矩的燃燒過(guò)程

一、機(jī)械霧化器1、實(shí)際油霧矩：①油霧中的油滴粒度（δ）并不相等；②油滴的擴(kuò)散燃燒鋒面相互傳熱；③相互妨礙氧擴(kuò)散到它們的火焰鋒面（各個(gè)油滴周圍氧濃度有較大不同）；④燃料與空氣在噴口處原始濃度及速度分布不均勻（直接影響霧矩中分布特性）式中：f(p)是壓力p的函數(shù)，f(p)≤1說(shuō)明：因?yàn)閴毫決定油滴粒徑分布，也影響油霧擴(kuò)展角，與空氣的混合程度等，但應(yīng)注意不只是與壓力有關(guān)，與結(jié)構(gòu)系數(shù)A、爐膛結(jié)構(gòu)、溫度場(chǎng)都有關(guān)。第三節(jié)油霧矩的燃燒過(guò)程一、機(jī)械霧化器式中：f(p)是壓力40二、油霧的計(jì)算模型2.1蒸發(fā)氣化模型①由式（4-35）、（4-37）求出油霧矩中的各種粒徑分布；用油滴的分布特性曲線表示：完全仿照煤粉而采用余留量，則：（4-35）（4-37）二、油霧的計(jì)算模型用油滴的分布特性曲線表示：完全仿照煤粉而采41二、油霧的計(jì)算模型2.1、蒸發(fā)氣化模型②按（4-46）、（4-49）求出不同粒徑下油滴燃盡過(guò)程。（4-46）（4-49）模型缺點(diǎn)：未考慮油霧與空氣射流的混合造成油滴濃度與氧濃度不均的問(wèn)題。二、油霧的計(jì)算模型（4-46）（4-49）模型缺點(diǎn)：未考慮油42二、油霧矩的計(jì)算模型2.2湍流混合擴(kuò)散火焰模型計(jì)算方法1：氣流混合燃燒①先得到霧滴中的濃度分布和氧的濃度分布；用射流理論或模型試驗(yàn)來(lái)確定。②求出火焰鋒面及火焰長(zhǎng)度。找出油與氧的濃度比符合化學(xué)反應(yīng)規(guī)定的當(dāng)量比點(diǎn)，并連線。二、油霧矩的計(jì)算模型43二、油霧矩的計(jì)算模型2.2湍流混合擴(kuò)散火焰模型計(jì)算方法2：蒸發(fā)氣化燃燒計(jì)算霧矩射流中各根流線，再計(jì)算油滴的位移和時(shí)間關(guān)系，對(duì)照（4-48）、（4-50）所計(jì)算的油滴燃盡時(shí)間τr

，就可確定油滴流到哪一點(diǎn)才燒完。在方法2計(jì)算中，氧濃度分布和變化、油滴顆粒群的顆粒分布還只是簡(jiǎn)單假定。二、油霧矩的計(jì)算模型44二、油霧矩的計(jì)算模型2.2湍流混合擴(kuò)散火焰模型缺點(diǎn)：方法1只考慮氣流混合，方法2只考慮油滴蒸發(fā)氣化這點(diǎn)，因此，算出的火焰長(zhǎng)度都比實(shí)際的小。最好是用上兩步分別計(jì)算，火焰長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果較大的相對(duì)可信。當(dāng)射流尺寸很小，噴射速度大，油滴粗時(shí)，肯定蒸發(fā)氣化及燃燒對(duì)實(shí)際燃燒影響最大；反之，射流尺寸大，噴射速度小，油滴很細(xì)時(shí)，氣流混合成為決定性環(huán)節(jié)。燃?xì)廨啓C(jī)中，火焰長(zhǎng)度是由氣流混合和油滴氣化燃燒兩者控制，作用權(quán)重接近；工業(yè)爐中油霧滴氣化燃燒過(guò)程是決定環(huán)節(jié)。二、油霧矩的計(jì)算模型45第四節(jié)油與空氣的分配和調(diào)風(fēng)器

盡量解決噴口處原始的油與空氣的速度分布均勻性問(wèn)題、濃度分布均勻性問(wèn)題、溫度分布均勻性問(wèn)題。風(fēng)箱設(shè)計(jì)：①風(fēng)箱入口截面上空氣流速應(yīng)低些，10~12m/s；②風(fēng)箱中避免流動(dòng)渦流區(qū)；③在直風(fēng)道中裝調(diào)風(fēng)器。第四節(jié)油與空氣的分配和調(diào)風(fēng)器盡量解決噴口46第五節(jié)穩(wěn)焰

穩(wěn)焰措施：①造成一個(gè)回流區(qū)，如鈍體尾跡；②旋轉(zhuǎn)射流；③邊界層脫離所引起的死滯漩渦區(qū)等。第五節(jié)穩(wěn)焰穩(wěn)焰措施：47鈍體穩(wěn)焰模型：1、著火溫度模型分析：①回流區(qū)內(nèi)燃燒產(chǎn)熱：反應(yīng)常數(shù)，溫度取為出回流區(qū)時(shí)的溫度T；C—回流區(qū)內(nèi)的燃料和氧濃度；n—化學(xué)反應(yīng)級(jí)數(shù)；Q—燃料發(fā)熱量；dwl—回流區(qū)直徑；lwl—回流區(qū)長(zhǎng)度。（4-56）鈍體穩(wěn)焰模型：反應(yīng)常數(shù)，溫度取為出回流區(qū)時(shí)的溫度T；C—回流48鈍體穩(wěn)焰模型：1、著火溫度模型②反應(yīng)放熱使回流區(qū)氣體溫度從T1升高到T，即式中：wwl—回流區(qū)內(nèi)平均回流速度；

T—離開回流區(qū)時(shí)的氣體溫度；

T1—流入回流區(qū)時(shí)的氣體溫度。（4-57）鈍體穩(wěn)焰模型：式中：wwl—回流區(qū)內(nèi)平均回流速度；（4-5749鈍體穩(wěn)焰模型：1、著火溫度模型③兩股氣流混合，可寫成：式中：x—回流氣體與主流氣體的比例。綜合（4-56）、（4-57）、（4-59），消去Q