液體燃料的燃燒特點、過程和組織

1、液體燃料的燃燒特點、過程和組織16.1 油燃燒特點 6.2 油的霧化 6.3 油滴燃燒過程 6.4 油霧炬燃燒 6.5 油燃燒的組織及調(diào)風器26.1 油燃燒特點3霧化燃燒 油燃燒是一個復(fù)雜的物理化學過程，由于油沸點低于其燃點，因此油滴總是先蒸發(fā)成氣體，并以氣態(tài)的方式進行燃燒。霧化：4包含：霧化、受熱蒸發(fā)、擴散混合、著火燃燒燃料細滴油霧炬，霧滴，表面積有利于油滴的氣化過程，同時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)油蒸汽擴散混合：燃油蒸汽與周圍空氣互相擴散與混合 燃燒：油蒸汽與空氣混合物達到著火溫度后，開始燃燒 。5在燃燒過程中，油滴內(nèi)部繼續(xù)受熱蒸發(fā)擴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散所需的時間，屬擴散燃燒。7物理化學過程：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程中一個重要因素。6.2 油的霧化81、霧化評價指標2、霧化器6.2.1 霧化評價指標9 霧化粒度：表示油滴顆粒大小的指標 ( 100m )表示油滴顆粒大小的指標，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Rd：液滴群中，顆粒直徑大于d的質(zhì)量分數(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 時油滴直徑） 6.2.1 霧化評價指標積分分布函數(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，兩點與噴嘴中心相連得兩線，夾角為。6.2.1 霧化評價指標 流量密度：單位時間內(nèi)，流過垂直于油霧方向的單位面積上的燃油體積。 15 1、霧化評價指標 霧化粒度 霧化油滴均勻性 霧化角： 流量密度：16霧化評價指標霧化原理油射流或薄膜由于射流紊流、周圍氣體的氣動力作用、液體中可能夾雜氣體、噴槍的振動及噴嘴表面不光滑等因素，不可避免地要經(jīng)受擾動。擾動使薄膜或射流產(chǎn)生變形，特別是在氣動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大，足以克服

5、表面張力時，較大的液滴就會破裂成較小的液滴，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力起主要作用，形成短波擾動，引起部分流體不斷從射流表面剝離而形成細小的液滴。隨著射流速度增加，會在波長較短的擾動波作用下產(chǎn)生射流破碎，比低速射流破碎得更快，形成的液滴更細，且液滴從射流表面分離的時間比低速射流時整個流束破碎的時間短得多，幾乎是在射流噴出后就立即開始霧化，并在整個射流長度上連續(xù)進行。 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)向外擴張，液膜越來越薄，同時，表面張力形成的表面位能也越來越高，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，除了表面張力、慣性力及粘性力起作用外，由于相對于周圍氣體的運動速度加大，氣動力對液膜的作用也加大，致使液膜扭曲和起伏形成波紋，再被甩成細絲，繼而形成小滴；流速很大時，液體離開噴口便立即被霧化。 19控制霧化的準則數(shù)韋伯數(shù)Weber number 其中為流體密度，v為特征流速， l為特征長度， 為流體的表面張力系數(shù)。韋伯數(shù)代表慣性力和表面張力效應(yīng)之比，韋伯數(shù)愈小代表表面張力愈重要，譬如毛細管現(xiàn)象、肥皂泡、表面張力波等小尺度的問題。一般而言，大尺度的問題，韋伯數(shù)遠大于，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單分為兩類：機械式霧化器（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燃燒室 介質(zhì)壓力越高，破碎的液滴也越細，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降低油的粘度，故進入噴嘴的燃油粘度越高時仍能保證霧化質(zhì)量，采用空氣作介質(zhì)時，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入噴嘴的旋轉(zhuǎn)室，或者通過具有旋轉(zhuǎn)槽的噴嘴芯進入旋轉(zhuǎn)室。 油的部分壓能轉(zhuǎn)換為動能，液體旋轉(zhuǎn)運動，根據(jù)自由旋渦動量矩守恒定

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，然后液膜伸長變薄并拉成細絲，最后細絲斷裂為小液滴，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實驗測定來完成的。對于上述簡單機械霧化器，其出力調(diào)節(jié)只能調(diào)節(jié)進油壓力的方法進行，負荷必須降低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通道:一個通向噴孔;一個通向回油管.兩個簡單機械霧化器并聯(lián)使用.總油量=噴油+回油進油壓力保持不變,則總進油量保持不變.改變回油量,

9、噴油量改變.能保證油在漩流室的旋轉(zhuǎn)強度,進而保證霧化質(zhì)量.寬負荷調(diào)節(jié)范圍.適宜用于負荷變化大頻繁場合.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,風壓20007000Pa;出力2300kg/h霧化質(zhì)量較好(風壓低時差),調(diào)節(jié)范圍廣,能耗低.3132油滴球形， ，其周圍溫度場()，

10、濃度場均勻(D)油滴隨氣流而動，與氣流間無相對運動（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（油蒸汽穿過鋒面逃逸的量）=0O2 從遠方擴散而來在鋒面上全部消耗掉，鋒面O2 的C=0，且O2 擴散到鋒面的量符含化學反應(yīng)中氧與油的化學計量比6.3 油滴燃燒過程 33假設(shè)： 設(shè)半徑r球面，通過其向內(nèi)導(dǎo)熱量=油汽化且升溫至T所需34燃燒過程分析 ：導(dǎo)熱系數(shù)常數(shù)；T：當?shù)兀╮）處溫度 T0：油滴表面溫度（飽和溫度）qm：油流量（汽化量）H：單位質(zhì)量油汽化潛熱35對上式在（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，擴散火焰單位時間消耗的燃料量 k：燃燒常數(shù)由試驗確定38k 燃燒過程中油顆粒直徑變化39粒徑平方-直線定律 線性變化 燃盡時間 ，如 則 （霧化質(zhì)量是控制燃燒關(guān)鍵） 該定律是針對擴散火焰的。 如果油滴與氣體間有相對運動，則兩者之間的熱質(zhì)交換都要增強，油滴氣化所需熱量供應(yīng)更充足，氣化加劇，燃燒強化。 40對于Re=0時，對于Re0時， 41（Re=100） 油在擴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，輕質(zhì)組分先蒸發(fā)燃燒，殘渣裂解

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，油滴燃燒時相互很近，一方面它們的擴散燃燒鋒面互相傳熱，另一方面又相互阻礙了氧的擴散，溫度場、濃度場交叉不均勻，O2擴散被屏敝，燃燒反應(yīng)下降。43遵循直徑平方直線定律，要修正k 認為滴群燃燒是以單液滴擴散燃燒進行的，即認為蒸發(fā)與擴散燃燒是同步的，考慮了滴徑分布的不均勻性，忽略油滴與氣體間相對運動。Wm=常數(shù)；滴徑越細越均勻燃燒最好；并非所有油滴在一開始都同時著火，而且在燃盡過程中還有油滴滅火，因此該模型預(yù)測的燃燒速度值大于實際燃燒過程。44物理模型 一維滴群擴散

13、 一維滴間燃燒模型該模型認為：液滴蒸發(fā)時不形成擴散火焰，燃燒是在離滴較遠空間進行，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、燃燒的綜合數(shù)學模型45 總之，油霧炬的燃燒過程中，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燃燒過程中，碳黑的形成：油滴低于飽和溫度時的裂解形成殘?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)風器油霧燃燒基本上屬于擴散火焰，不會回火，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)風器霧化良好合理配風充分的混合50良好的液體燃料燃燒要求： 調(diào)風器的功能：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)風器應(yīng)： 有根部風（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）油料易燃，應(yīng)該及早與氧氣混合 早期混合要強烈擴散燃燒，應(yīng)重點

15、強化空氣與油霧的混合 有一大小位置適當?shù)幕亓鲄^(qū)防止脫火 加強后期混合利于殘余的難燃組分的燃盡51本章總結(jié)油的燃燒特點蒸發(fā)：油滴受熱后表面開始蒸發(fā)油蒸汽擴散混合：燃油蒸汽與周圍空氣互相擴散與混合 燃燒：油蒸汽與空氣混合物達到著火溫度后，開始燃燒 。52在燃燒過程中，油滴內(nèi)部繼續(xù)受熱蒸發(fā)擴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散所需的時間，屬擴散燃燒。54物理化學過程：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霧化評價指標霧化原理油射流或薄膜由于射流紊流、周圍氣體的氣動力作用、液體中可能夾雜氣體、噴槍的振動及噴嘴表面不光滑等因素，不可避免地要經(jīng)受擾動。擾動使薄膜或射流產(chǎn)生變形，特別是在氣動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大，足以克服表面張力時，較大的液滴就會破裂成較小的液滴，這種現(xiàn)象稱為“二次霧化”。 56控制霧化的準則數(shù)韋伯數(shù)Weber number 其中為流體密度，v為特征流速， l為特征長度， 為流體的表面張力系數(shù)。韋伯