燃烧学 6液体燃料的燃烧

第四节 燃油喷嘴的雾化特性 一、油珠群的平均直径
算术平均直径：
d m (或 d 1)0 n id i n i
表面积平均直径：
d m ( 或 sd 2)0 n id i2
n1 /2 i
体积平均直径：
d m ( 或 v d 3)0 n id i3 n i1 /3
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第二节 燃油雾化过程 燃油雾化现象
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第二节 燃油雾化过程
燃油雾化过程
1. 液体由喷嘴流出形成液柱或液膜。 2. 由于液体射流本身的初始湍流以及周围气体对
二、离心喷嘴理论
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第三节 燃油雾化装置－喷嘴
二、离心喷嘴理论
空气涡核
离心式喷嘴内理想流体的伯努利方程
p1 2fu x 21 2fu 2p in 1 2fu i2n H 0 co . nst
第三节 燃油雾化装置－喷嘴 离心喷嘴
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前面的计算只考虑导热，未考虑对流等相对运动。考虑相对运动 后，油滴与周围气体间热量和质量交换增强，燃油蒸发加快。
考虑相对运动后，油滴蒸发常数k2：
k2 k1(1 0.3Sc0.33 Re0.5 )
SC—施密特数，即气体介质运动黏度v与扩散系数D的比值； Re—雷诺数，Re=ud0/v，适用于Re=0~200。 不同直径油滴在不同空气温度下的蒸发速率对比见图6-4和表6-1
6.1.1 液体燃料的燃烧方式
对难蒸发或蒸发速率要求高的液体燃料，像柴油、重油等， 采用预热或高压喷射实现雾化；
由于喷雾的动态特性本质 上是大量单一液滴蒸发特 性的统计总和，故深入理 解单液滴的蒸发特性是研 究喷雾的必要前提。
6.1.2 液体燃料的蒸发过程
（1）单个油滴的蒸发
雾化
燃烧
单油滴吸热 温度升高 蒸发（气化） 混合 燃烧
是使液体燃料通过一定的蒸发管道，利用燃烧时放出的一部分 热量加热管中的燃料，使其蒸发，然后再像气体燃料那样进行燃烧。 （4）雾化燃烧
是利用各种形式的雾化器将液体燃料破碎雾化为大量直径为几 微米到几百微米的小液滴，并使它们悬浮在空气中边蒸发边燃烧。
6.1.1 液体燃料的燃烧方式
对不同液体燃烧，根据其蒸发的难易程度采用不同的雾化方式。 易蒸发液体，采用汽化器或低压喷射；
6 液体燃料的燃烧
6.1 液体燃料燃烧原理 6.2 液体燃料的雾化过程及装置 6.3 配风原理及装置 6.4 液体燃料雾化燃烧的组织及布置
6.1 液体燃料燃烧原理
6.1.1 液体燃料的燃烧方式
液体燃料有哪些
液体燃料为什么要雾化?
液体燃料的燃烧方式和过程 ?
雾化
气化
混合
燃烧
根据液体燃料在着火燃烧前发生蒸发与气化的特点 液面燃烧

α
0
α
x
13
1、雾化评价指标
④ 流量密度：单位时间内，
流过垂直于油雾方向的单位面 积上的燃油体积。
3 m q …… r
(m s)
2
14
① 雾化粒度
雾化评价指标
② 雾化油滴均匀性
③ 雾化角： ④ 流量密度：
15
雾化原理
油射流或薄膜由于射流紊流、周围气体的气动力 作用、液体中可能夹杂气体、喷枪的振动及喷嘴 表面不光滑等因素，不可避免地要经受扰动。扰 动使薄膜或射流产生变形，特别是在气动压力和 表面张力作用下，使得表面变形不断加剧，以致 于射流或薄膜产生分裂，形成液滴或不稳定的液 带，液带随之也破裂成液滴。若作用在液滴上的 作用力相当大，足以克服表面张力时，较大的液 滴就会破裂成较小的液滴，这种现象称为“二次 雾化”。
化同时降低油的粘度，故进入喷嘴的燃油粘度越
高时仍能保证雾化质量，采用空气作介质时，空
气压力低，雾化质量较差。
21
22
离心式
– 利用高压泵使油具有很高的压力（ 20~200bar ），并 以一定的角度沿切向方向进入喷嘴的旋转室，或者通 过具有旋转槽的喷嘴芯进入旋转室。 – 油的部分压能转换为动能，液体旋转运动，根据自由 旋涡动量矩守恒定律，旋转速度与旋涡半径成反比， 因此越近轴心，旋转速度越大，静压愈小，结果在喷 嘴中央形成一股压力等于大气压的空气旋流，而液体 则形成使空气芯旋转的环形薄膜从喷嘴喷出，然后液 膜伸长变薄并拉成细丝，最后细丝断裂为小液滴，这 样形成的液雾为空心圆锥形。
32
火焰锋面
O2—C∞
燃烧过程分析
δ
设半径r球面，通过其向内导热 量=油汽化且升温至T所需
dT 4 r qm C p (T T0 ) H dr

Pw—回油压力（回油管上回油调节 阀之前）
一、回油雾化器
设计方法：
Gmin 喷孔有效面积（扣除空气漩涡所占面积） 1、Pwl=0状态： GB 回油孔有效面积（扣除空气漩涡所占面积）
算出最大回油量GB、最小喷油量Gmin，则最大进油量= GB+ Gmin
2、 Gmax（点）由最大负荷决定。
二、蒸汽—机械雾化器
3 2
A的关系见图4-2。
一、机械雾化器
雾化角：出口处油雾两侧 边缘边界切线的交角。
tg

2

(1 ) 8 (2 1 )
一、机械雾化器
对流量系数，经验公式有 : A 东锅： 0.125 (公式适用范围:G 300, 且A 0.5 ~ 3.0) 30 热工所： 0.88 哈锅： 0.815
(4-25)
式中，、 、、 、、均为与雾化器结构有关的常数。 西安热工所试验得到相关经验公式。见（4-24）
Y 形雾化器的雾化粒度、雾化角均由试验确定。
• 据新华社北京奥运专电(记者高鹏) • 北京奥运会“祥云”火炬克服低温、低压、缺氧、 大风等极端不利条件。在珠峰之巅漂亮地燃烧， 举世为之惊叹。在这史无前例的壮举背后，凝聚 着无数智慧与辛劳。早在2001年7月13日北京申 奥成功，航天科工集团就成立了一个科技奥运领 导小组。2006年1月17日，北京奥组委正式致函 航天科工集团。委托其就奥运火炬珠峰燃烧技术 进行科研攻关，迄今已两年多。
wz=常数
一、机械雾化器
喷孔势位流动的中心处是一个空气漩涡，其直径是根据最大流量 的原则来确定的。 根据最大流量原则，就可以定出喷孔截面上扣除空气漩涡后的充 满度：

（2）雾化方法 ）
机械式雾化
燃油在高压下通过雾化片的特殊机械结构将燃油雾化，通过喷油嘴喷出。 燃油在高压下通过雾化片的特殊机械结构将燃油雾化，通过喷油嘴喷出。 按该原理工作的雾化器有：直流式、 按该原理工作的雾化器有：直流式、离心式和转杯式
雾化后的油滴直径随雾化器内油压的增大而减小
介质式雾化
靠附加的雾化介质（蒸气或压缩空气）的能量来雾化的。根据其压力的不 靠附加的雾化介质（蒸气或压缩空气）的能量来雾化的。
油的雾化 三、液体燃料的喷雾燃烧 油滴的蒸发 油滴的燃烧过程 1、油的雾化 、 用雾化器将燃油分裂成许多微小而分散的油滴， 用雾化器将燃油分裂成许多微小而分散的油滴，以增 加燃油单位质量的表面积， 加燃油单位质量的表面积，使其能和周围空间的氧化 剂更好地进行混合，在空间达到迅速和完全的燃烧。 剂更好地进行混合，在空间达到迅速和完全的燃烧。 机械式雾化和 雾化的方法可分为机械式雾化 介质式雾化。 雾化的方法可分为机械式雾化和介质式雾化。
大多数油滴在燃烧室中边 蒸发、边混合。边燃烧， 蒸发、边混合。边燃烧， 在油滴表面附近形成一个 球形火焰面， 球形火焰面，在火焰面上 蒸气与空气相遇而进行燃 烧。如果油滴和周围气体 之间没有相对运动， 之间没有相对运动，那么 在油滴的周围形成一同心 的球状扩散火焰，称为全 的球状扩散火焰，称为全 周焰。 周焰。 当油滴与周围气体之间有 相对运动时， 相对运动时，火焰形状变 为椭圆形， 为椭圆形，而且随着气流 速度增大， 速度增大，椭圆形火焰会 沿着气流方向被拉长， 沿着气流方向被拉长，当 速度继续增大， 速度继续增大，火焰首先 会在油滴的迎风面上熄灭， 会在油滴的迎风面上熄灭， 然后渐向油滴后方转移， 然后渐向油滴后方转移， 直到油滴尾部某个位置为 形成所谓后流焰 后流焰。 止，形成所谓后流焰。

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2013/12/5
油滴蒸发扩散方式： 油气分子扩散 油气以某一速度进行质传递，即对流扩散---斯蒂芬 (Stefan)流
稳态下单个油滴的燃烧模型
• 油滴为均匀对称球体； • 油滴与空气间无相对运动； • 燃烧极快，火焰面薄； • 火焰温度较高，向内向外同时传热， 油滴表面温度接近饱和温度； • 忽略对流与辐射换热；只考虑导热 • 忽略油滴周围的温度场不均匀对热 导率和扩散系数的影响；
式中： λ 、 λr－分别为油蒸汽和油滴的热导率 T－为液滴周围气体的温度
2
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另一方面，油滴燃烧过程中直径不断减小
式中， ρr－油滴密度；
联立后得到：
δ－油滴直径
液滴燃尽时间：
k－蒸发常数
或者改写为：
上式称为油滴燃烧的直径平方-—直线定律，该定律说明： 油滴直径的平方随燃尽时间的变化呈直线关系 当油滴粒径等于0时，表明油滴完全燃尽，此时对应的燃尽 时间为：
一 液体燃料雾化的基本理论
雾化液体燃料的原因:增加液滴进行反应的比表面积，增强 与氧气的混合，强化液体燃料燃烧 雾化方法： • 气体介质雾化：空气、蒸汽以一定的压力，高速冲击油流， 使其雾化。 • 机械雾化：靠液体本身的压力喷入相对静止的空气中或以高 速旋转的方式使油流加强扰动，脉动而破裂，从而被雾化。
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6 . 3 液体燃料的雾化
1ml的燃油，表面积约为245mm2。若雾化成40μ m油滴，油滴 总数为2.99×107个，其表面积为1.5×106 mm2。表面积增大 5090倍。 有了足够大的表面积，有利于导热（吸热）、扩 散。 雾化定义:靠外界作用将连续的液流破碎成雾状的油液滴群 的过程。
一般液体燃料燃烧有液面燃烧, 液雾燃烧。燃烧常发生于气相, 是扩散燃烧, 燃烧速率和液体密度成反比。 液面燃烧：在辐射与对流的作用下，液体表面被加热，导致 蒸发加快，溶液液面上方的燃料蒸气浓度增加并与空气混合 而发生的燃烧。常为灾害或事故燃烧形式。 液雾燃烧：本身又有预蒸发燃烧, 液滴扩散燃烧以及二者的混 合。 对液雾燃烧而言, 研究液滴的蒸发和燃烧是十分重要的。

（4）滴间气体燃烧加液滴蒸发式燃烧：
油滴均匀性差、油滴群密度大，较小油滴预蒸发式燃烧，滴 间蒸发燃烧的大油滴在到达火焰区时未完全蒸发，应避免。
6.1.3 液体燃料的燃烧过程
（四）油滴群燃烧速度常数 与单油滴燃烧速度常数不同，油滴群燃烧速度常
数与压力有关且有所增大；
（五）油滴群燃烧的特点 油滴群燃烧的火焰传播主要借助于油滴的不断着
6.2.3 雾化的方式及常用雾化装置
液体燃料雾化主要有两种方式：机械雾化和介质雾化，还有兼有 这两种方式特点的组合型雾化方式。
6.2.3 雾化的方式及常用雾化装置
6.1.3 液体燃料的燃烧过程
完全燃烧，油滴的燃尽时间：
b

d02 k
油滴燃尽时间与液滴初始直径的平方成正比。
（6-16）
可见，液体燃料雾化质量（液滴尺寸）对燃烧过程具有决定性影响 。
油滴与空气间有相对速度时，燃烧速度常数为：
k2 k(1 0.3Sc0.33 Re0.5 )
（6-17）常
将喷油嘴出口处喷雾炬外包络线的两条 切线之间的夹角定义为出口喷雾角。

雾化角是油喷嘴雾化性能的主要指
标之一。

一般应根据燃烧室的尺寸和燃料
与空气的混合条件来合理选择雾化角。
6.2.2 雾化性能及质量的评定
6.2.2 雾化性能及质量的评定
喷雾锥角和喷孔锥角
dt
dr
RTV
分子扩散项 对流扩散项
dm/dt—单位时间内油滴对周围介质的扩散量（质交换）；
Tv、Pv、ρv—油滴表面附件的燃油蒸汽温度、压力和质量浓度；
D—扩散系数；
r、F—油滴半径和表面积；
u—油蒸汽离开油滴表面的对流速度。

二、雾化方式和喷嘴

按照油的雾化机理，工程上油的雾化方式分 为：压力式、旋转式和气动式等。前两种又 称为机械式雾化。如下图所示。
1、压力式雾化喷嘴

压力式雾化喷嘴又称为离心式机械雾化器。 它可以用在航空喷气发动机、燃气轮机、柴 油机以及锅炉和工业窑炉上。根据使用的对 象、容量以及其它具体情况，这种喷嘴可以 采用不同的结构形式和压力范围，如表6-1所 示，但他们的工作原理是相同的。
雾化过程可分为以下几个阶段： 液体首先由喷嘴流出形成液体柱或液膜； 分离为液体碎片或细丝，液体碎片或细丝收 缩成球形液滴； 大液滴进一步碎裂成小液滴。

液滴的变形和破碎的程度取决于作用在液滴 上的外力和形成液滴的液体表面张力之间的 比值，此值常用维泊（Weber）数（或称破 碎准则）来表示。其定义为：
3、气动式雾化喷嘴


气动式雾化喷嘴又称介质式雾化喷嘴。它利 用压缩空气或高压蒸汽为雾化介质，将其压 力转化为高速气流，使液体喷散成雾状气流。 采用蒸汽为介质的雾化喷嘴又分为纯蒸汽雾 化和蒸汽—机械（压力）综合雾化两类喷嘴。


纯蒸汽雾化的供油压力用得较低，甚至只需 用高位油箱的压头即可，这种喷嘴常用在小 型工业锅炉上。 蒸汽—机械喷嘴则在电站锅炉上用得较多， 其油压、汽压接近，约在0.5~2.0MPa，它依 靠油流和蒸汽具有的能量将燃油破碎成油滴， 故要求的油压可以比机械雾化喷嘴低，汽耗 率也较低。
措施
1、强化液体燃料的蒸发过程 2、强化液体燃料与空气的混合过程 3、防止或减少液体燃料化学热分解（热裂解）
第二节 液体燃料雾化理论

液体燃料的雾化是液体燃料喷雾燃烧过程的 第一步。
一、雾化原理

雾化过程就是把液体燃料破碎成细小液滴群 的过程。

火焰面方向扩散，空气出外向表面方向扩散，油滴表面处的蒸发流为r0v0，油 滴内部燃料浓度ff0为常数。
• 蒸发、燃烧过程为定压、准稳定场(忽略界面内移的影响)。 • 设环境温度比燃料沸点温度高得多，油滴表面温度T0略低于沸点温度Tb0。
基本ห้องสมุดไป่ตู้程
各组分边界条件
物理量变换
物理量变换
重新整理边界条件
• 上式称为液滴燃烧的直径平方——直线定律
– 该定律说明：油滴直径的平方随时间的变化呈直线关 系
– 当油滴粒径等于0时，表明油滴完全燃尽，此时对应的 燃尽时间为：
r
d
2 0
k
4.4液雾燃烧
一、液雾的燃烧
• 工程上液体燃料的燃烧是一群粒度不同的液体组
成的液雾在燃烧
• 有必要掌握液雾燃烧的基本概念 • 了解液雾燃烧过程中配风的基本原则
燃烧学
一、斯蒂芬流定义
• 在液体或固体燃料燃烧过程中，气体与燃料的接触存在相
界面（异相反应），燃料加热气化或燃烧过程中的气体为 多组分气体，这些气体在燃料界面附近产生浓度梯度，形 成各组分相互扩散的物质流，只要在相界面上存在物理或 化学变化（如蒸发或燃烧过程），而且这种变化在不断产 生或消耗物质流，这种物理或化学变化过程与气体组分的 扩散过程的综合作用下，在相界面法线方向产生一股与扩 散物质流有关的总质量流，是一股宏观物质流动。这一现 象是Stefan在研究水面蒸发时首先发现的，故称Stefan流。
二、油滴蒸发模型
二、油滴蒸发模型
• 忽略气体和油滴间的相对流速，油滴为球形，其半径为r0，油滴的蒸发、燃
烧都以球对称进行，故燃烧时的火焰锋面为同心球面。
• 由于油滴表面温度T0比环境温度低使外界热量向油滴表面传递，并忽略辐射

导数项 度。
f1 y
f H2O D0 r0 y 0
为界面上水蒸气沿水面法线方向的浓度梯
f1 y
<0，故J1,0>0 因此水蒸气的扩散是流向水面上方。
二、水蒸发时的斯蒂芬流
二、水蒸发时的斯蒂芬流
200
300
400
d(mm)
4.4.3液体的雾化
F
条件雾化角2a2
• 雾化指标
出口雾化角2a1
– 雾化角 • 出口雾化角：在喷口出口处做雾化锥外边界切线， 两切线间夹角的一半为出口雾化角 • 条件雾化角：以喷口中心线为圆心，距离x为半径 （通常为200mm）作弧，与雾化锥边界线有两个交 点，连接喷口中心线与两个交点获得两个连线，这 两条连线间的夹角的一半称为条件雾化角
二、水蒸发时的斯蒂芬流
• 假设：
– A-A为一水面，水面 上方为大气空间， 水面A-A处为水与空 气的相分界面，在 相界面上只有水蒸 气和空气两种气体 组分，以 f1 和 f2 分别 表示水蒸气和空气 的质量相对浓度。
二、水蒸发时的斯蒂芬流
在相界面处有：
J H2O,0
式中， J1,0为界面处水蒸气的扩散流； D0为分子扩散系数； r0为气体平均密度；
• 设环境温度比燃料沸点温度高得多，油滴表面温度T0略低于沸点温度Tb0。
基本方程
各组分边界条件
物理量变换
物理量变换
重新整理边界条件
基本方程变换为
由方程的相似性变换可得
求解
积分
求解蒸发速度
求解蒸发时间
结果
6.4液滴的燃烧
液滴的燃烧模型
• 单个液滴的燃烧模型，假设：
液滴为均匀对称球体； 液滴随风飘动，与空气间无相对运动； 燃烧及快，火焰面薄； 火焰温度较高，向内向外同时传热， 液滴表面温度接近饱和温度，燃烧温 度等于理论燃烧温度； – 忽略对流与辐射换热； – 忽略液滴周围的温度场不均匀对热导 率和扩散系数的影响； – 忽略斯蒂芬流。 – – – –