液體燃料的霧化

液體燃料的霧化第1頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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(cè)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(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一12月8日，預(yù)報(bào)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(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第4頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一發(fā)動(dòng)機(jī)中噴射的汽油和柴油燃料（一）液體燃料燃燒第5頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（一）液體燃料燃燒航空燃?xì)猓u）輪（發(fā)動(dòng)）機(jī)第6頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（一）液體燃料燃燒運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（美國(guó)阿波羅土星推進(jìn)器，中國(guó)神九長(zhǎng)征2號(hào)運(yùn)載火箭液體助推器）第7頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一霧化液滴汽化、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(guò)程（較氣體復(fù)雜）第8頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一霧化概念及過(guò)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(guò)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?chē)鷼怏w對(duì)射流的作用（脈動(dòng)、摩擦等），使液體表面產(chǎn)生波動(dòng)、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(dòng)力作用下，大油珠進(jìn)一步碎裂。注意：霧化是物理過(guò)程、霧化后不是氣體霧化過(guò)程：第9頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、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(píng)價(jià)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(diǎn)與噴口中心連線的交角。霧化角的大小對(duì)燃燒完善程度和經(jīng)濟(jì)性有很大影響，是霧化器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。第11頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一αR=100mm液體燃料的霧化特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）αr霧化角對(duì)燃燒影響：過(guò)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(guò)?。阂旱尾荒苡行Х植荚谶@個(gè)燃燒室空間，造成局部過(guò)?？諝庀禂?shù)過(guò)大，燃燒溫度下降、著火困難、燃燒不良。霧化角對(duì)火焰的影響：過(guò)大：火焰粗而短；過(guò)?。杭?xì)而長(zhǎng)。第12頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一液體燃料的霧化特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）2、霧化液滴細(xì)度Sauter平均直徑：假設(shè)每個(gè)液滴直徑相等時(shí)，按所測(cè)得的所有液滴的總體積V與總表面積S計(jì)算出來(lái)的液滴直徑。第13頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一液體燃料的霧化特性（評(píng)價(jià)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(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一液體燃料的霧化特性（評(píng)價(jià)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(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一液體燃料的霧化特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）4、流量密度分布單位時(shí)間內(nèi)在油滴運(yùn)動(dòng)的法線方向上，單位面積上通過(guò)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(shí)間長(zhǎng)、火焰長(zhǎng)液滴分布較均勻，與空氣混合好，燃燒快、火焰短第16頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一液體燃料的霧化特性（評(píng)價(jià)指標(biāo)）霧化對(duì)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(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一油粒的蒸發(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(huì)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(shí)，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(gè)液滴的燃燒模型第18頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一油粒燃燒過(guò)程特點(diǎn)燃燒反應(yīng)油的蒸發(fā)提供反應(yīng)物質(zhì)提供熱量整個(gè)燃燒過(guò)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(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一油粒的蒸發(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(guò)程的熱平衡方程：油滴升溫：穩(wěn)態(tài)時(shí)：第20頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一油粒的蒸發(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(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一油粒燃燒時(shí)間根據(jù)質(zhì)量守恒：蒸發(fā)速率＝液滴單位時(shí)間質(zhì)量減少量第22頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一油粒燃燒時(shí)間D0↑，τb↑τb

∝D02，用油粒直徑表示：進(jìn)一步簡(jiǎn)化：蒸發(fā)速率常數(shù)rs→0燃盡時(shí)間τb:第23頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一物性參數(shù)的選擇：第24頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例題：直徑為500μm的正乙烷（C6H14）在熱的滯止氮?dú)庵姓舭l(fā)，壓力為常壓1atm。氮?dú)鉁囟?50K，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(diǎn)溫度為342K。第25頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一油霧燃燒(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?chē)橘|(zhì)溫度高或噴嘴與火焰穩(wěn)定區(qū)間距離長(zhǎng)，使液滴進(jìn)入火焰區(qū)前已全部蒸發(fā)完，燃燒完全在無(wú)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(duì)火焰長(zhǎng)度的影響不大。

周?chē)橘|(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(shí)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(guò)程決定整個(gè)燃燒過(guò)程，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素影響不大。

滴群擴(kuò)散燃燒第26頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一油霧燃燒(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(jiàn)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(shí)尚未蒸發(fā)完畢，產(chǎn)生滴群擴(kuò)散火焰。這時(shí)蒸發(fā)因素、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素、湍流因素都將對(duì)燃燒過(guò)程產(chǎn)生影響。液滴群燃燒特點(diǎn)；1)液滴群燃燒過(guò)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小；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(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一作業(yè)題：試計(jì)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(duì)靜止條件下的完全蒸發(fā)時(shí)間。已知：汽油密度820kg/m3，汽化潛熱320kJ/(kg.k)，常壓下，汽油的沸點(diǎn)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(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(二)固體燃料燃燒煤的燃燒過(guò)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(shí)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(guò)程第29頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一碳粒燃燒碳粒燃燒過(guò)程的5個(gè)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?chē)鷶U(kuò)散。第30頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期一碳粒燃燒碳粒表面氣體消耗速率計(jì)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(shí)：第31頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，