第七章液体燃料的雾化
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动力与电气工程：燃烧学测试题三
动力与电气工程：燃烧学测试题三1、填空题粉尘爆炸应同时具备三个条件：（1）（）；（2）（）；（3）（）。
正确答案：粉尘本身是可燃的；以一定的浓度悬浮在空气中；有一定强度的点火源2、填空题液体的自燃点受（）（（江南博哥））（）（）（）因素的影响。
正确答案：压力；蒸气浓度；氧含量；催化剂；容器特性3、填空题（）和（）对爆轰波的波速有影响正确答案：混气的密度；混气的混合比4、名词解释阿累尼乌斯定律正确答案：阿累尼乌斯通过对反应过程中浓度随时间的变化关系的研究发现，温度对反应速率的影响，集中反映在反应速率常数k上，即阿累尼乌斯定律说明了燃料本身的活性与反应温度对化学反应速度的影响。
阿累尼乌斯定律是实验得出的结果，并不是所有的化学反应都符合阿累尼乌斯定律。
5、填空题高闪点液体的引燃方式有两种一种方法是（），另一种方法是（）。
正确答案：对液体进行整体加热；灯芯点火6、问答题影响湍流扩散火焰长度的主要因素有哪些？如何保证其稳定性？正确答案：主要因素：湍流扩散火焰的长度主要取决于煤气的种类和燃烧器的结构尺寸。
热值高的燃料，燃烧时所需的理论空气需要量越大，火焰越长；当喷口尺寸增加时，火焰长度增加，因为如果流量一定，则流速减小，燃气与氧化剂的扩散混合减弱，火焰变长，流速一定，煤气流量增加，必然需要更长的路程才能与所需要的空气量混合，火焰长度增加；旋流火焰长度比不旋流的短，其减少的数值与旋流数成正比。
湍流扩散火焰的稳定性问题主要是脱火问题。
煤气或空气的流出速度过大，喷口直径过小，都会产生脱火。
因此必须采取稳定火焰的措施，如高温燃烧产物回流、旋转气流、采用稳焰器等。
在提高扩散火焰的燃烧强度的时候，必须保证火焰的稳定性。
7、名词解释闪燃正确答案：在一定的温度范围内，可燃液体蒸气与空气的混合物遇火源产生的一闪即灭的燃烧现象。
8、名词解释射流外边界正确答案：射流外侧速度为零点的包络线9、填空题爆轰波的波速相对于波前气体是（），且混气密度下降，爆轰波的波速（）。
ATOMIZATIONOFLIQUIDFUELS：液体燃料的雾化
ATOMIZATION OF LIQUID FUELSCOMBUSTION AND FUELSTHE PRINCIPLE OF LIQ UI DS ATOMIZATIONAtomization is the processwhereby bulk liquid is transformed into acollection of drops.This transformation goes throughthe break-up of liquid jet into a numberof filaments, which in turn transform intodroplets.COMBUSTION AND FUELSMECHANISMS OF LIQU I DS ATOMIZATION Three mechanisms:Disintegration of a liquid jet into a number of filaments, and then into small droplets, requires the surface tension forces of liquid to be overcome. It may happen on the three ways:–by surface tension between moving liquid jet and steady air which destabilise the jet and causes its disintegration into filaments,–by centrifugal forces of swirled liquid jet,–outer mechanical and electrostatic forces and by supersonic acoustic.COMBUSTION AND FUELSFLUID ATOMIZATION WITH DIFFERENT ENERGYCOMBUSTION AND FUELSJETS DISINTEGRATION AND DROPLETS BREAKUPPrimary liquid jetdisintegrationDroplets break-upCOMBUSTION AND FUELSRANGE OF LIQUID ATOMIZATIONRe = (UL)/νWe = (U2L)/σσ-the surface tensioncoefficientCOMBUSTION AND FUELS5 bars10 bars15 barsTORCH OF PLAIN-ORIFICE ATOMIZED OILCOMBUSTION AND FUELSLIQUID SHEET BREAKUPSwirled jetCOMBUSTION AND FUELSTYPES OF OIL INJECTORS/ATOMIZERSTypes of atomizers:-pressure-pneumatics-rotating plain-orifice swirl typeY typewith x-cross shape flowCOMBUSTION AND FUELSPRESSURE INJECTORS COMBUSTION AND FUELSPLAIN-ORIFICE ATOMIZER> 0.5 mmDo∆p = 0.3-1(5) MPaα= 5-15oSimple construction,Low quality of atomizationCOMBUSTION AND FUELSSWIRL ATOMIZERS COMBUSTION AND FUELSHOW A SWIRL NOZZLE WORKS COMBUSTION AND FUELSSWIRL NOZZLE:DESIGNd= 2-6 mmo∆p = 0.6-1.0 MPaα= 45-90oSimple constructionHigh reliabilityHigh quality of atomizationLow energy consumptionCOMBUSTION AND FUELSSWIRL NOZZLE: AN EXAMPLE COMBUSTION AND FUELSCOMPACT SWIRL ATOMIZER COMBUSTION AND FUELSTYPE OF FUEL CONESDelavanCOMBUSTION AND FUELSSWIRL ATOMIZER IN OPERATIONDispersed oil jetCOMBUSTION AND FUELSPNEUMATIC ATOMIZERS COMBUSTION AND FUELSCOMBUSTION AND FUELS PNEUMATIC ATOMIZER: PRINCIPLE OF OPERATIONConsumption of atomizing medium:δ=0.06-0,1 kg/kgatomizing mediumair / steamrecirculating small dropletsair jetlayer of fuel around theatomizing mediumabout 5 x diameter ofatomizing nozzleabout 40 x diameter ofatomizing nozzleliquid fuel small droplets formedoutside of the stream dispersion of the streamsmall droplets formedfrom the stream big droplets formed fromthe disintegration of thestreamdeformation wave of fuelPNEUMATIC ATOMIZER OF Y TYPE Pneumatic atomizer of Y type:1 –oil,2 –gas,3 –atomizing head,4 –nozzlesCOMBUSTION AND FUELSPNEUMATIC ATOMIZER OF CROSS-SHAPE FLOW TYPE Pneumatic atomizer of the cross-shape flow type:1 –oil,2 –gas,3 –oil injection,4 –gas injection,5 –mixing chamber,6 -nozzlesCOMBUSTION AND FUELSROTATING ATOMI Z ERS COMBUSTION AND FUELSOIL BURNER WITH ROTATING ATOMI Z ERCOMBUSTION AND FUELSCONTROL OF OIL FLOW RATECOMBUSTION AND FUELSATOMIZATION PRESSURE VARIATION 1.The simplest way for oiloutput/consumption control is variation of pressure of atomization.2.Disadvantage of this method of outputcontrol is loss of atomization quality due to reduction of atomization pressure.Rate of oil output ∼(∆p)0.5COMBUSTION AND FUELSTwo-step control of oil flow rateScheme of single chamber two-step oilatomizer:1 –valve, 2, 3 –recalculating pipesCOMBUSTION AND FUELSCOMBUSTION AND FUELS CIRCLE MECHANICAL (RETURN-FLOW) ATOMIZER Fuel nozzleOil tankNozzle Pump ValveCIRCLE OIL ADJUSTING VALVE1 –VALVE,2 –SWIRL CHAMBER,3 –OIL CIRCLE HOLESCOMBUSTION AND FUELSTWO-NOZZLES ATOMIZERI –nozzleII -nozzleCOMBUSTION AND FUELSQUALITY OF ATOMIZATION COMBUSTION AND FUELSPARAMETERS OF ATOMIZATION–output,kg/s–angle of dispersion, deg–droplets distribution,–mean diameter of dispersion, m.COMBUSTION AND FUELSCHARACTERISTICS OF ATOMIZING NOZZLECOMBUSTION AND FUELSOUTPUT of PRESSURE ATOMIZERSOutput m of pressure atomizers is defined as follows:∆p)0,5m= µA(2ρcwhere: A is the area of the nozzle output,p is pressure and µis the outflow coefficient.COMBUSTION AND FUELSDROP SIZE DISTRIBUTIONDrop sizedistribution curves COMBUSTION AND FUELSCHARACTERISTIC OF DROPLETS SIZEMean drop size:mean drop sizeMDS= [(ΣnD3/ΣnD)]0,5,Sauter mean drop sizeSMDS= ΣnD3/ΣnD2.COMBUSTION AND FUELS。
内燃机燃烧基础课件(液体燃料的雾化和蒸发)
R
2
]
dbD dr
0
bT bTW
bD
bDW
WW
g g
dbT dr
W
WW g Dg
dbD dr
W
bT bD
bT bD
0 0
方程的求解
求解二阶常微分方程需要两个条件，另外还有界面传质速
度和温度两个未知量，需要四个边界条件，前面的边界条
件提供了三个，另外一个可以从液面处气液两相平衡的热
力学关系得出，即利用饱和蒸汽压和温度的函数关系给出
补充条件
假设Le=1，即 g DF ，对求坐标下的蒸发能量方程式
（7-30）进行积分，得：
ggr 2
db dr
[WWR2 ]b
cons(与r无关的常数）
利用壁面处的边界条件求出该常数
下面的这些关于热气体中液滴蒸发的假设经常会 用到，因为它们能极大的简化问题，主要原因是 排除了处理质量传递的必要，而且仍与实验结果 符合得很好。
1、液滴在静止、无穷大的介质中蒸发。 2、蒸发过程是准稳态的。这意味着蒸发过程在任一 时 刻都可以认为是稳态的。这一假设去掉了处理偏 微分方程的必要。 3、燃料是单成份液体，且其气体溶解度为零。
B cg (T TW ) (wF wFW ) l cl (TW TR ) (wFW wFR )
1
1
0
Nu
h0d kg
2
0.6
ud vg
2
vg
g
3
s R
h0d 2 kg
h0 kg s
第七讲 液体燃烧
第一节 液体燃料的雾化
§7-1 液体燃料的雾化
• 燃烧方法：
蒸发燃烧：汽油 接近均相燃烧（单相扩散燃烧） 雾化燃烧：柴油，重油 非均相燃烧（多相扩散燃烧）
• 液体燃料雾化燃烧经历雾化、蒸发、混合、 着火和燃烧几个阶段。
§Hale Waihona Puke -1 液体燃料的雾化• 雾化目的：增大液滴的比表面积，加快蒸发 速率。 • 燃烧速率取决于蒸发速率蒸发表面积减 小滴径雾化 • 本节主要包括以下内容： • 一、雾化方法 • 二、雾化机理 • 三、雾化质量指标
(3)、油的物理性质
• 影响雾化质量的油的物理性质主要是粘度和 表面张力。粘度影响最大。 • 提高温度，可以降低粘度和表面张力（降低 不大），使雾化质量提高。 • 对离心式机械喷嘴：雾化初始段黏度影响起 决定作用；雾化中期，表面张力起主要作用； 雾化后期，黏度和表面张力同时起作用。
(4)、雾化介质的物理性质
(1)、喷咀结构
• 结构参数、型式及加工质量对雾化质量影响 很大。如对离心式机械喷咀，油离开喷嘴时 切向速度和径向速度的比值大小对雾化质量 有决定性的影响。切向速度增大，喷雾锥角 增大，射程缩短，卷吸的空气量大，雾化颗 粒细度较小。
(2)、喷油压降
• 提高喷嘴前后压差，可以提高喷油速度，增 大喷油量。对离心机械喷咀，油压越高，雾 化越细。油压增加，喷雾锥角增大，但油压 也不能过高，否则喷雾锥角反而略有下降。 • 使用低压雾化剂时时，油压不宜太高，否则 油流会穿过雾化剂，得不到良好的雾化。高 压雾化剂时，油压不宜太低，否则会封嘴。
(3)影响油粒平均直径的影响因素
• 包括：喷嘴结构参数、油的性质参数和工况参数P141。
• 油的性质参数：油温的影响，T提高可以显著降低油的 粘度，表面张力也有所减少，可以改善雾化质量； • 雾化剂压力和流量的影响：提高雾化剂压力，雾化剂喷 出速度将提高，相对速度对雾化直径影响很到，相对速 度越大，雾化直径越小。 • 油压的影响：油压决定油的流程速度。使用低压雾化剂 时时，油压不宜太高，否则油流会穿过雾化剂，得不到 良好的雾化。高压雾化剂时，油压不宜太低，否则会封 嘴。对于采用机械式雾化，油压越大，雾化后颗粒的平 均直径越小。
007 第七章 液体燃料燃烧
3. 喷嘴处于最大流量状态工作。
©
中南大学能源科学与工程学院
第三节 燃油烧嘴
三、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
1 1 1 2 2 2 p f u x f u pin f u in H 0 const . 2 2 2
根据连续方程，燃油在切向孔内的流动速度为
©
中南大学能源科学与工程学院
雾化质量的评定
di d di d m d dm R 36.8% R 50%
1 n
ln2
1 lg ln R n di lg d
©
1 1 lg ln lg ln R R 1 2 n lgd1 lgd 2
按调节或控制方法 按可使用的油质 按形成的火焰形状 按助燃空气的温度 按雾化方法： 气体介质雾化油烧嘴 油压式烧嘴 转杯式油烧嘴
©
中南大学能源科学与工程学院
第三节 燃油烧嘴
三、离心喷嘴理论
1944年前苏联的阿勃拉莫维奇教授提出了离心喷 嘴理论： 基本假设： 1. 流体为无粘性的理想流体；
2. 不计喷嘴内部流动的径向分速度；
1
流量
2 0
为轴向速度系数
2 0
m f u x r f r
2H f
1/
A 1 2 1
为流量系数
m f r
©
2 0
2 H f
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第三节 燃油烧嘴
三、离心喷嘴理论
A 1 2 1
A 1 2 1
m
2
rm (r0 ra ) / 2
©
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第三节 燃油烧嘴
三、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
1 1 1 2 2 2 p f u x f u pin f u in H 0 const . 2 2 2
根据连续方程，燃油在切向孔内的流动速度为
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雾化质量的评定
di d di d m d dm R 36.8% R 50%
1 n
ln2
1 lg ln R n di lg d
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1 1 lg ln lg ln R R 1 2 n lgd1 lgd 2
按调节或控制方法 按可使用的油质 按形成的火焰形状 按助燃空气的温度 按雾化方法： 气体介质雾化油烧嘴 油压式烧嘴 转杯式油烧嘴
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第三节 燃油烧嘴
三、离心喷嘴理论
1944年前苏联的阿勃拉莫维奇教授提出了离心喷 嘴理论： 基本假设： 1. 流体为无粘性的理想流体；
2. 不计喷嘴内部流动的径向分速度；
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流量
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为轴向速度系数
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为流量系数
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第三节 燃油烧嘴
三、离心喷嘴理论
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m
2
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山东大学工程燃烧学考点整理
第一章：可能出的概念题：1.什么是燃烧？燃烧的分类？每种分类的特征？燃烧是指氧化剂与可燃物混合发生的剧烈化学反应，其过程一般伴随传热传质、发光发烟等现象。
燃烧可分为气相燃烧与固相燃烧，气相燃烧又分为预混燃烧与扩散燃烧，气相燃烧中可燃物与氧化剂均为气体，固相燃烧为表面燃烧，无火焰。
预混燃烧可燃物与氧化剂已提充分混合，燃烧过程只取决于可燃混合气的化学动力过程，扩散燃烧是可燃物在燃烧时才与氧化剂混合，取决于摻混速度。
此外还可以分为表面燃烧、阴燃、蒸发燃烧、分解燃烧等等2.什么是火焰？火焰的分类有哪些？火焰是指发生燃烧反应的气体所占据的空间区域。
火焰可分为预混火焰与扩散火焰等等3.热力学第一定律表达式？简单表述：Q=U+W4.热效应的概念？其中应重点注重的条件有哪些？热效应是指，在定容定压条件下，物质进行反应时不做非体积功，且产物与反应物温度相同，这种情况下反应放出的热量。
重点注意定容定压（体积功=0）、不做非体积功（Wa=0）、产物反应物温度相同（不因为比热容吸收热量）5.生成焓、反应焓、燃烧焓的概念？并注意其中的条件？生产焓是指稳定单质或元素在定压条件下反应生成1mol化合物时的热效应。
反应焓是指某些化合物与化合物或元素在任意温度下进行单位反应产物和反应物的焓差（注意，这些概念末尾的写法都是有说法有讲究的）。
燃烧焓是指1mol化合物完全燃烧时对应的焓差。
注意：因为反应焓与燃烧焓的反应物与产物有可能都是化合物，所以要说焓差，而生成焓的反应物是单质，单质的生产焓为0，故说“热效应”。
*6.拉瓦锡——拉普拉斯定律解释？化学反应的生成焓等于分解焓，符号相反。
*7.盖斯定律描述？无论化学反应是分一步还是多步进行的，其热效应相同。
*8.基尔霍夫定律描述？（写公式）这一定律表明了什么的关系？表明了反应焓随温度的变化规律9.热力学第二定律的两种表述？何为孤立系统熵增原理？克劳修斯表述：热量不可能从低温物体传向高温物体而不产生其他任何影响。
液体燃料的蒸发与燃烧
即: T T ; w f w f ,
L( )输运方程是二阶的，故需要两个边界条件；尽管提供
了三个边界条件( d
dr
,s , )，但是由于油滴表面的边界条件
s,g
又另外两个未知量(ms和Ts或wf ,s )。这样方程仍然不封闭。
求解过程如下： （1）对L(η)求一次积分，得到
ms R2
g
Dg
r
2
d
dr
const
ms R2s
g
Dg
r
2
d
dr
s,g
(3)
需估计油滴表面的常数
（2）对油滴表面（r=R）应用如下边界条件：
d ms dr s,g g Dg 方程(3)中常数变为 ms R2 (s 1)
方r
2
d
dr
ms R2 (
s
1)
0
（3）对方程分离变量，并从r=R到r ∞求积分，得到
液体组分守恒方程：
ms
wf ,sms
g
Dg
dw f dr
s,g
总流量 对流项
扩散项
意义：在分界面的液体侧传输到油滴表面的质量传输等 于气相对流项（斯蒂芬流）和Fick扩散质量之和
ms (wf ,s
1)
g
Dg
dw f dr
s,g
定义 :
f
wf wf , wf ,s 1
则有 :
ms
g
Dg
情况2： Tsbp， wf,s1,故有Bf∞，ms≈ρfvf
即扩散带走的质量可以忽略，油蒸汽主要由斯蒂芬流动（即 气相对流项）输运
此时有：
油滴加热蒸发时所 需的能量
B BT
c p,g (T Tbp ) Q
L( )输运方程是二阶的，故需要两个边界条件；尽管提供
了三个边界条件( d
dr
,s , )，但是由于油滴表面的边界条件
s,g
又另外两个未知量(ms和Ts或wf ,s )。这样方程仍然不封闭。
求解过程如下： （1）对L(η)求一次积分，得到
ms R2
g
Dg
r
2
d
dr
const
ms R2s
g
Dg
r
2
d
dr
s,g
(3)
需估计油滴表面的常数
（2）对油滴表面（r=R）应用如下边界条件：
d ms dr s,g g Dg 方程(3)中常数变为 ms R2 (s 1)
方r
2
d
dr
ms R2 (
s
1)
0
（3）对方程分离变量，并从r=R到r ∞求积分，得到
液体组分守恒方程：
ms
wf ,sms
g
Dg
dw f dr
s,g
总流量 对流项
扩散项
意义：在分界面的液体侧传输到油滴表面的质量传输等 于气相对流项（斯蒂芬流）和Fick扩散质量之和
ms (wf ,s
1)
g
Dg
dw f dr
s,g
定义 :
f
wf wf , wf ,s 1
则有 :
ms
g
Dg
情况2： Tsbp， wf,s1,故有Bf∞，ms≈ρfvf
即扩散带走的质量可以忽略，油蒸汽主要由斯蒂芬流动（即 气相对流项）输运
此时有：
油滴加热蒸发时所 需的能量
B BT
c p,g (T Tbp ) Q
液体燃料雾化与燃烧概述
液体燃料雾化与燃烧理论
液体燃料的燃烧特点概述
一、液体燃料的燃烧过程
燃油槽车 / 油管工厂油罐过滤油泵烧嘴炉膛或燃烧室 ————— 供油系统 ———————— —燃烧装置——
燃油的燃烧过程：沸点低于燃点、受热后先蒸发、汽化、然后燃烧 油的雾化油滴蒸发、高温热解与裂解与空气混合着火燃烧 油的蒸发：提供反应需要的可燃物质 油的燃烧：提供油蒸发所需要的热量 蒸发与混合的速度——燃烧速度 当燃油、空气等条件一定时，控制油的燃烧过程主要控制雾化和混合 过程。
油滴的平均直径小、分布好、有利于蒸发、也有利于形成良好的浓度 场
思考1：
液体燃料的雾化燃烧的具体过程？
液体燃料的物理与化学变化过程
液体燃料喷射
液体燃料破碎
连续大体积液体
火焰
液体燃料蒸发 液滴
气态燃料化学反应
燃油液滴燃烧过程
气体团
思考2：
液体燃料燃烧的主要影响因素？
液态燃油的雾化 液态燃油的蒸发 气态燃油与氧化剂的混合 燃烧过程的化学反应动力学
油机、燃气轮机等) 。 重油和渣油是石油炼制过程中的 残余物，粘度大、杂质多，常温
为固态，先预热，雾化难，
油雾边缘易混合中心难混合通过喷 嘴使油雾化，油的颗粒不均匀， 从几 到500 。大颗粒容易产 生大的烟粒与焦粒。油颗粒燃烬时
间与颗粒直径平方成正比。
雾化装置复杂，用于工业窑炉和锅炉等固定式燃烧设备
讨论点4：关于液雾燃烧模型建立的推演建立过程及当 前存在的不足分析与改进思路。
6. 关于作业与课题讨论内容的思考
算例练习：
表面波失稳案例测试：1）理论解析解的特征分析；2）数 值解对解析解的近似求解；
基于CFD的液雾燃烧算例计算测试与讨论。
液体燃料的燃烧特点概述
一、液体燃料的燃烧过程
燃油槽车 / 油管工厂油罐过滤油泵烧嘴炉膛或燃烧室 ————— 供油系统 ———————— —燃烧装置——
燃油的燃烧过程：沸点低于燃点、受热后先蒸发、汽化、然后燃烧 油的雾化油滴蒸发、高温热解与裂解与空气混合着火燃烧 油的蒸发：提供反应需要的可燃物质 油的燃烧：提供油蒸发所需要的热量 蒸发与混合的速度——燃烧速度 当燃油、空气等条件一定时，控制油的燃烧过程主要控制雾化和混合 过程。
油滴的平均直径小、分布好、有利于蒸发、也有利于形成良好的浓度 场
思考1：
液体燃料的雾化燃烧的具体过程？
液体燃料的物理与化学变化过程
液体燃料喷射
液体燃料破碎
连续大体积液体
火焰
液体燃料蒸发 液滴
气态燃料化学反应
燃油液滴燃烧过程
气体团
思考2：
液体燃料燃烧的主要影响因素？
液态燃油的雾化 液态燃油的蒸发 气态燃油与氧化剂的混合 燃烧过程的化学反应动力学
油机、燃气轮机等) 。 重油和渣油是石油炼制过程中的 残余物，粘度大、杂质多，常温
为固态，先预热，雾化难，
油雾边缘易混合中心难混合通过喷 嘴使油雾化，油的颗粒不均匀， 从几 到500 。大颗粒容易产 生大的烟粒与焦粒。油颗粒燃烬时
间与颗粒直径平方成正比。
雾化装置复杂，用于工业窑炉和锅炉等固定式燃烧设备
讨论点4：关于液雾燃烧模型建立的推演建立过程及当 前存在的不足分析与改进思路。
6. 关于作业与课题讨论内容的思考
算例练习：
表面波失稳案例测试：1）理论解析解的特征分析；2）数 值解对解析解的近似求解；
基于CFD的液雾燃烧算例计算测试与讨论。
6液体燃料的燃烧课件
（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。
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。
第七章液体燃料的雾化
燃料放在炉篦或炉排之上，通过炉篦或炉排的缝隙将空 气送入燃烧层，使之进行燃烧，高温燃烧产物进入炉膛进 行换热，燃尽的灰渣通过炉篦缝隙或排渣口排出。如：工 业链条炉。
煤的燃烧方式
悬浮燃烧
燃料与空气的混合物喷入燃烧室或炉膛内，则燃料 将在这个空间内以悬浮状态完成燃烧过程。例如： 大型电站锅炉
固体燃料 （煤） 磨煤机 煤粉 (25~50μm) 燃烧器 炉膛 燃烧
燃烧前沿
含氧介质 燃烧产物
油粒的蒸发与燃烧
油粒燃烧过程特点
提供反应物质
燃烧反应
提供热量
油的蒸发
整个燃烧过程的速度 油的蒸发速度 油的燃烧速度
油粒的蒸发与燃烧
dT •油滴的净导热量： Q1 4r dr •油滴升温： Q 4 r 3 C dT1 2 s l l 3 d
2
•油滴气化潜热：Q3 mv Ll •油蒸气升温： Q4 mv C p (T TL )
液体燃料的雾化
作用：
增加燃料的比表面积 加速燃料的蒸发汽化 有利于燃料与空气的混合 完全燃烧
雾化机理
基本原理： 液体表面积不断增大，直到变得不稳定并 破裂。 压力式喷嘴：利用喷嘴进、出口压力差实现液滴 从液体射流中分离。 旋转式喷嘴：利用喷嘴进、出口压差和旋转离心力 使液膜失稳而分离液滴 气动式喷嘴： 利用空气和蒸汽作为雾化介质使液滴 从液体燃料中分离
Q2 0, 稳定蒸发过程的热平衡方程： 稳态时：
dT 4r mv Ll mv C p (T TL ) 0 dr
2
油粒的蒸发与燃烧
mv dr dT 2 C p (T TL ) Ll 4 r
边界条件： r rs， T TL
r ， T T
煤的燃烧方式
悬浮燃烧
燃料与空气的混合物喷入燃烧室或炉膛内，则燃料 将在这个空间内以悬浮状态完成燃烧过程。例如： 大型电站锅炉
固体燃料 （煤） 磨煤机 煤粉 (25~50μm) 燃烧器 炉膛 燃烧
燃烧前沿
含氧介质 燃烧产物
油粒的蒸发与燃烧
油粒燃烧过程特点
提供反应物质
燃烧反应
提供热量
油的蒸发
整个燃烧过程的速度 油的蒸发速度 油的燃烧速度
油粒的蒸发与燃烧
dT •油滴的净导热量： Q1 4r dr •油滴升温： Q 4 r 3 C dT1 2 s l l 3 d
2
•油滴气化潜热：Q3 mv Ll •油蒸气升温： Q4 mv C p (T TL )
液体燃料的雾化
作用：
增加燃料的比表面积 加速燃料的蒸发汽化 有利于燃料与空气的混合 完全燃烧
雾化机理
基本原理： 液体表面积不断增大，直到变得不稳定并 破裂。 压力式喷嘴：利用喷嘴进、出口压力差实现液滴 从液体射流中分离。 旋转式喷嘴：利用喷嘴进、出口压差和旋转离心力 使液膜失稳而分离液滴 气动式喷嘴： 利用空气和蒸汽作为雾化介质使液滴 从液体燃料中分离
Q2 0, 稳定蒸发过程的热平衡方程： 稳态时：
dT 4r mv Ll mv C p (T TL ) 0 dr
2
油粒的蒸发与燃烧
mv dr dT 2 C p (T TL ) Ll 4 r
边界条件： r rs， T TL
r ， T T
航空发动机燃烧学_ 液体燃料的雾化、蒸发与燃烧_63 雾化特性参数_
-1-
西北工业大学
航空发动机燃烧学课程组
《航空发动机燃烧学》
雾化特性参数
CONTENTS
-2-
1雾化细度
2液滴尺寸分部
3雾化锥角
4雾化均匀度
5流量密度分布
6雾化射程
质量中间直径(MMD d
m )
1
•液雾中大于这一直径的所有液滴的总质量恰好等于小于这一直径的所有液滴的总质量；
•MMD越小，真实液雾中的小颗粒所占的比例越大
雾化炬颗粒尺寸分布特性曲线
d m与d32可能存在很大的差别，它
们之间存在一定的关系。
•雾化细度并不是越小越好。
•对于强化燃烧过程，雾化过细，
马上被气流带走，在某一区域形
成过浓的混合物；而在油滴无法
喷射到的地方，混合物的浓度却
很稀。
要求液滴直径在20~200 µm之间，且液滴的中间直径不大于75~100 µm
液滴的尺寸分布。
燃烧学(8)
V=π/6·ΣNidi3 F=πΣNidi2 dSMD=V/F
雾化细度的选择
雾化细度越好，雾化质量越好 雾化细度并非越小越好
易被气流带走 造成局部燃料浓度过高或过小，造成燃烧不稳
32
雾化均匀度
衡量雾化后液滴之间的尺寸差异 雾化均匀度指标：均匀性指数n
罗森-兰姆分布：Yd=exp[-(d/dm)n] dm：对应d/dm=1 机械雾化器：n=1~4 求导以后得到粒度分布
24
流量系数和雾化角
机械雾化器
简单离心式
在通常压力下具有较好的雾化质量 能耗低，运行经济性好 结构简单，制造、安装、维护保养方便 自动控制简单 负荷降低时雾化质量恶化：油压降低 负荷调节范围小：
可调离心式
25
简单离心式喷嘴流量计算
1944年阿勃拉莫维奇对离心喷嘴的流量 系数和雾化角计算进行了求解
57
滴状燃烧：
油雾燃烧
实验发现，油雾燃烧过程中，油滴燃尽仍旧 服从直径平方-直线规律，但燃烧速度常数约 增加40% 其他研究发现，燃烧速度常数与压力有关
d02-d2=-f(p)Kcτ f(p)<1
油雾燃烧速度与滴群蒸发速度求解相似，但 需将蒸发速度常数改成燃烧速度常数
58
油雾燃烧中速度常数的增加
d0 2 K
44
实际应用中液滴蒸发时间修正
实际应用中，液滴与环境气流之间存在 相对速度，蒸发速度将加快，需要对蒸 发时间进行修正 蒸发常数：
K1’=K1(1+a1ScsRen) Sc：ν/D a1=0.3;s=1/3;n=1/2
雾化细度的选择
雾化细度越好，雾化质量越好 雾化细度并非越小越好
易被气流带走 造成局部燃料浓度过高或过小，造成燃烧不稳
32
雾化均匀度
衡量雾化后液滴之间的尺寸差异 雾化均匀度指标：均匀性指数n
罗森-兰姆分布：Yd=exp[-(d/dm)n] dm：对应d/dm=1 机械雾化器：n=1~4 求导以后得到粒度分布
24
流量系数和雾化角
机械雾化器
简单离心式
在通常压力下具有较好的雾化质量 能耗低，运行经济性好 结构简单，制造、安装、维护保养方便 自动控制简单 负荷降低时雾化质量恶化：油压降低 负荷调节范围小：
可调离心式
25
简单离心式喷嘴流量计算
1944年阿勃拉莫维奇对离心喷嘴的流量 系数和雾化角计算进行了求解
57
滴状燃烧：
油雾燃烧
实验发现，油雾燃烧过程中，油滴燃尽仍旧 服从直径平方-直线规律，但燃烧速度常数约 增加40% 其他研究发现，燃烧速度常数与压力有关
d02-d2=-f(p)Kcτ f(p)<1
油雾燃烧速度与滴群蒸发速度求解相似，但 需将蒸发速度常数改成燃烧速度常数
58
油雾燃烧中速度常数的增加
d0 2 K
44
实际应用中液滴蒸发时间修正
实际应用中，液滴与环境气流之间存在 相对速度，蒸发速度将加快，需要对蒸 发时间进行修正 蒸发常数：
K1’=K1(1+a1ScsRen) Sc：ν/D a1=0.3;s=1/3;n=1/2
液体燃料雾化与燃烧概述共25页
液体燃料雾化与燃烧概述
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 3、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 3、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
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• 蒸发 受热产生油蒸气 • 热解和裂化 油蒸汽高温下受热 分解，产生固体碳和 氢气。 液体油粒也会裂化出 较轻的分子，剩下较 重的分子。 • 着火燃烧 油蒸汽、热解和裂 化产物与氧接触、达 到着火温度时，着火 燃烧。 氧气
油气 热解产物 裂化产物
燃烧前沿
含氧介质 燃烧产物
单个液滴的燃烧模型
油粒的蒸发与燃烧
煤的燃烧方式
旋风燃烧
燃料悬浮于旋转空气中的燃烧方式。
旋风炉燃烧特点
改善了空气和燃料混合条件，延长了燃料在燃烧室内逗留时 间，燃烧强度达，燃烧温度高，炉温达1600~1700℃； 液体排渣，飞灰大大减少； 积灰严重； 液态灰渣热损大。
油雾燃烧(液滴群燃烧)
• 油雾燃烧模型
预蒸发型燃烧、滴群扩散燃烧、复合燃烧
预蒸发型燃烧
雾化液滴很细，周围介质温度高或喷嘴与火焰稳定 区间距离长，使液滴进入火焰区前已全部蒸发完，燃烧 完全在无蒸发的气相区中进行，这种燃烧情况与气体燃 料的燃烧机理相同，液滴蒸发对火焰长度的影响不大。
滴群扩散燃烧
周围介质温度低或雾化颗粒较粗，蒸发性能差，进入 燃烧区时油珠基本未蒸发，形成滴群的扩散燃烧。燃烧形 式以单颗液滴燃烧形式进行。燃烧和蒸发几乎同步，蒸发 过程决定整个燃烧过程，反应动力学因素影响不大。
3
液体燃料的雾化特性（评价指标）
质量中间直径MMD： D50: Mass-median-diameter (MMD). The log-normal distribution mass median diameter. The MMD is considered to be the average particle diameter by mass 假设存在一中间直径dm，大于与小于dm的油珠的总质 量相等。
C p T TL mv 4rs ln 1 Cp Ll
dr ln 1 BT d rC p L
g r r 2 ln1 BT 2a( ) ln1 BT c p, g L L
2 2 0
g
油粒燃烧时间
4r r dr dr K r 2 4r d d r dr r0 dr 碳粒燃烧的时间： r r0 K SC r r K SC r0 dr 碳粒燃尽的时间： 0 r C 0 K S
C S
煤的燃烧方式
层状燃烧
燃烧 方式 悬浮燃烧
沸腾燃烧
旋风燃烧
R
n大
• d :特征尺寸R=36.8的液滴直径 •n 均匀度指数，n=1～4
di
例：R90=32:大于 90μm的颗粒占总颗粒的32％
液体燃料的雾化特性（评价指标）
4、流量密度分布
• 单位时间内在油滴运动的法线方向上，单位面积上通 过的油滴的流量。 • 判断油雾断面上油量分布的均匀程度。
流量密度
流量密度
磨煤机 煤粉 (25~50μm)
燃烧器
炉膛 燃烧
优点： 煤粉体积小，与空气接触面积增大，着火条 件大大改善，燃烧效率大大提高。
煤的燃烧方式
沸腾燃烧
介于层状燃烧与悬浮燃烧之间的燃烧方式。通过炉排的空气 气流速度大于煤粉颗粒的沉降速度时，煤粉颗粒上下翻腾运 动，呈现处类似开水“沸腾”的状态。例如：沸腾炉、沸腾 床
油雾燃烧(液滴群燃烧)
复合燃烧
介于预蒸发型气体燃烧和滴群扩散燃烧之间。如较常见的 喷雾液滴燃烧，因喷出的雾滴大小不均匀，其中较小的液滴在 火焰区前方已蒸发完，形成预混型气体火焰，较粗的液滴到达 火焰区时尚未蒸发完毕，产生滴群扩散火焰。这时蒸发因素、 反应动力学因素、湍流因素都将对燃烧过程产生影响。
(二)固体燃料燃烧
煤的燃烧过程：
煤－干燥(水分蒸发)－热解(挥发分析出)－ 焦炭燃烧 焦炭的燃烧占煤燃尽时间的90% 煤燃烧中焦炭的燃烧起决定性作用 焦炭成分：固定碳＋矿物质 固定碳的燃烧决定了焦炭的燃烧过程
碳粒燃烧
碳粒燃烧过程的 5个环节：
（1）氧分子扩散到达碳的表面
（2）氧被碳吸附，形成活化络合物CXOY。 （3）CXOY在高温下分解为CO2和CO，也可与氧发生 反应形成CO2和CO。 （4）燃烧产物（CO2、CO）从固体炭表面解吸（脱 离吸附） （5）解析后的燃烧产物（CO2、CO）从固体表面向 周围扩散。
M
d dm
M d dm
液体燃料的雾化特性（评价指标）
3、雾化均匀度
燃料雾化后液滴颗粒尺寸的均匀程度。 Rosin-Rammlar分布
di n R 100exp % d
di d 液滴质量(体积)占取 •R： 样总质量(体积)的百分数
τb ↑ τb ∝D02， D0↑，
物性参数的选择：
c pg c pg (T ) k g 0.4F (T ) 0.6 (T ) T (Tboil T ) / 2
• 例题： 直径为500μ m的正乙烷（C6H14）在热的滞止 氮气中蒸发，压力为常压1atm。氮气温度850K， 确定正乙烷液滴的寿命和蒸发速率。 已知：正乙烷液体密度659kg/m3， 蒸汽的定压比热容2872J/(kg.k)， 导热系数0.0464W/(m.k)， 汽化潜热335kJ /(kg.k)， 常压下，正乙烷沸点温度为342K。
用油粒直径表示：D 2 D 2 8 0 进一步简化：
g
c p,g L
ln1 BT
D 2 D02 k D 2 D02 k
蒸发速率常数 k 8
g
c p, g L
ln1 BT
rs →0 燃尽时间τb:
D02 初始油珠尺寸 2 b k 燃烧速度常数
（一）液体燃料燃烧
液体燃料燃烧过程 （较气体复杂）
•雾化 •液滴汽化、蒸发 •燃料与空气混合 •液滴燃烧
雾化概念及过程
雾化概念：用物理方法使液体燃料碎裂成细小液滴 群的过程。 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 射流的作用（脉动、摩擦等），使液体表面产 生波动、褶皱，并最终分离出液体碎片或细丝。 3) 在表面张力的作用下，液体碎片或细丝收缩成球 形油珠。 4)在气动力作用下，大油珠进一步碎裂。
液滴群燃烧特点；
1)液滴群燃烧过程的扩展主要是借助于液滴的不断着火、燃烧； 2)液滴群燃烧速度一般比均匀混合气燃烧速度小； 3）液滴群燃烧的着火界限和稳定工作范围较均匀可燃混合气燃 烧宽。
作业题： 试计算在常压、960℃的环境温度下，直径为 0.1mm的汽油雾滴在相对静止条件下的完全蒸 发时间。 已知：汽油密度820kg/m3， 汽化潜热320kJ /(kg.k)， 常压下，汽油的沸点温度为342K； 油蒸汽定压比热容2.48kJ/(kg.k)， 油蒸汽导热系数3.05×10-5kW/(m.k)。
第七章 颗粒燃料的燃烧
刘雪玲 天津大学热能工程系
PM2.5
PM2.5：particulate matter 颗粒物，是指大气中直径小于 或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。它的直 径还不到人的头发丝粗细的1/20。
根据PM2.5检测网的空气质量新标准： 优：0~35 良：35~75 轻度污染：75~115 中度污染：115~150 重度污染：150~250 严重污染：250及以上
层状燃烧
燃料放在炉篦或炉排之上，通过炉篦或炉排的缝隙将空 气送入燃烧层，使之进行燃烧，高温燃烧产物进入炉膛进 行换热，燃尽的灰渣通过炉篦缝隙或排渣口排出。如：工 业链条炉。
煤的燃烧方式
悬浮燃烧
燃料与空气的混合物喷入燃烧室或炉膛内，则燃料 将在这个空间内以悬浮状态完成燃烧过程。例如： 大型电站锅炉
固体燃料 （煤）
碳粒燃烧
碳粒表面气体消耗速率计算：
W k Cb
反应气体向反应表面的扩散速度：
W扩 C0 Cb
稳定燃烧时：
W W扩
W 1 1 k 1 C0
碳表面气体（氧）燃烧反应速度：
碳粒燃烧
C 碳的燃烧速度： KS m
1 1 k
2
1
C0
g碳/cm2.s
碳的燃烧减少量：dG 4r 2 r dr
沸腾炉燃烧特点
•属低污染燃烧技术，粉碎的石灰石或白云石送入炉中，脱硫效 率达80%，沸腾段燃烧温度800～900℃之间，NOx排放量少 •沸腾燃烧中风速较高，颗粒运动强烈，强化了换热效果； •烟气中飞灰含量增大，受热面磨损、电耗增大； •循环流化床锅炉，设置分离器将未燃尽的颗粒重新送回沸腾段， 烟气中飞灰含量降低，燃烧效率提高。
注意：雾化是物理过程、雾化后不是气体
液体燃料的雾化
作用：
增加燃料的比表面积 加速燃料的蒸发汽化 有利于燃料与空气的混合 完全燃烧
液体燃料的雾化特性（评价指标）
1、雾化角
雾化角：又称油雾炬的张角，指喷嘴出口到 喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角。 条件雾化角：以喷嘴为圆心，r为半径的圆 弧和外包络线交点与喷口中心连线的交角。 αr 雾化角的大小对燃烧完善程度 和经济性有很大影响，是雾化 器设计的一个重要参数。 α
12月8日，预报PM2.5指数最高值达到395。 图为记者在济南市山大路拍到的街景。（中 新社发 邱江波 摄）
（一）液体燃料燃烧
发动机中喷射的汽油和柴油燃料
（一）液体燃料燃烧
航空燃气（涡）轮（发动）机
（一）液体燃料燃烧
运载火箭发动机（美国阿波罗土星推
进器，中国神九长征2号运载火箭液体助推器）
2、雾化液滴细度
Sauter平均直径：假设每个液滴直径相等时，按所测得的 所有液滴的总体积V与总表面积S计算出来的液滴直径。
V
6
3 n d i i
S ni d 2 i
油气 热解产物 裂化产物
燃烧前沿
含氧介质 燃烧产物
单个液滴的燃烧模型
油粒的蒸发与燃烧
煤的燃烧方式
旋风燃烧
燃料悬浮于旋转空气中的燃烧方式。
旋风炉燃烧特点
改善了空气和燃料混合条件，延长了燃料在燃烧室内逗留时 间，燃烧强度达，燃烧温度高，炉温达1600~1700℃； 液体排渣，飞灰大大减少； 积灰严重； 液态灰渣热损大。
油雾燃烧(液滴群燃烧)
• 油雾燃烧模型
预蒸发型燃烧、滴群扩散燃烧、复合燃烧
预蒸发型燃烧
雾化液滴很细，周围介质温度高或喷嘴与火焰稳定 区间距离长，使液滴进入火焰区前已全部蒸发完，燃烧 完全在无蒸发的气相区中进行，这种燃烧情况与气体燃 料的燃烧机理相同，液滴蒸发对火焰长度的影响不大。
滴群扩散燃烧
周围介质温度低或雾化颗粒较粗，蒸发性能差，进入 燃烧区时油珠基本未蒸发，形成滴群的扩散燃烧。燃烧形 式以单颗液滴燃烧形式进行。燃烧和蒸发几乎同步，蒸发 过程决定整个燃烧过程，反应动力学因素影响不大。
3
液体燃料的雾化特性（评价指标）
质量中间直径MMD： D50: Mass-median-diameter (MMD). The log-normal distribution mass median diameter. The MMD is considered to be the average particle diameter by mass 假设存在一中间直径dm，大于与小于dm的油珠的总质 量相等。
C p T TL mv 4rs ln 1 Cp Ll
dr ln 1 BT d rC p L
g r r 2 ln1 BT 2a( ) ln1 BT c p, g L L
2 2 0
g
油粒燃烧时间
4r r dr dr K r 2 4r d d r dr r0 dr 碳粒燃烧的时间： r r0 K SC r r K SC r0 dr 碳粒燃尽的时间： 0 r C 0 K S
C S
煤的燃烧方式
层状燃烧
燃烧 方式 悬浮燃烧
沸腾燃烧
旋风燃烧
R
n大
• d :特征尺寸R=36.8的液滴直径 •n 均匀度指数，n=1～4
di
例：R90=32:大于 90μm的颗粒占总颗粒的32％
液体燃料的雾化特性（评价指标）
4、流量密度分布
• 单位时间内在油滴运动的法线方向上，单位面积上通 过的油滴的流量。 • 判断油雾断面上油量分布的均匀程度。
流量密度
流量密度
磨煤机 煤粉 (25~50μm)
燃烧器
炉膛 燃烧
优点： 煤粉体积小，与空气接触面积增大，着火条 件大大改善，燃烧效率大大提高。
煤的燃烧方式
沸腾燃烧
介于层状燃烧与悬浮燃烧之间的燃烧方式。通过炉排的空气 气流速度大于煤粉颗粒的沉降速度时，煤粉颗粒上下翻腾运 动，呈现处类似开水“沸腾”的状态。例如：沸腾炉、沸腾 床
油雾燃烧(液滴群燃烧)
复合燃烧
介于预蒸发型气体燃烧和滴群扩散燃烧之间。如较常见的 喷雾液滴燃烧，因喷出的雾滴大小不均匀，其中较小的液滴在 火焰区前方已蒸发完，形成预混型气体火焰，较粗的液滴到达 火焰区时尚未蒸发完毕，产生滴群扩散火焰。这时蒸发因素、 反应动力学因素、湍流因素都将对燃烧过程产生影响。
(二)固体燃料燃烧
煤的燃烧过程：
煤－干燥(水分蒸发)－热解(挥发分析出)－ 焦炭燃烧 焦炭的燃烧占煤燃尽时间的90% 煤燃烧中焦炭的燃烧起决定性作用 焦炭成分：固定碳＋矿物质 固定碳的燃烧决定了焦炭的燃烧过程
碳粒燃烧
碳粒燃烧过程的 5个环节：
（1）氧分子扩散到达碳的表面
（2）氧被碳吸附，形成活化络合物CXOY。 （3）CXOY在高温下分解为CO2和CO，也可与氧发生 反应形成CO2和CO。 （4）燃烧产物（CO2、CO）从固体炭表面解吸（脱 离吸附） （5）解析后的燃烧产物（CO2、CO）从固体表面向 周围扩散。
M
d dm
M d dm
液体燃料的雾化特性（评价指标）
3、雾化均匀度
燃料雾化后液滴颗粒尺寸的均匀程度。 Rosin-Rammlar分布
di n R 100exp % d
di d 液滴质量(体积)占取 •R： 样总质量(体积)的百分数
τb ↑ τb ∝D02， D0↑，
物性参数的选择：
c pg c pg (T ) k g 0.4F (T ) 0.6 (T ) T (Tboil T ) / 2
• 例题： 直径为500μ m的正乙烷（C6H14）在热的滞止 氮气中蒸发，压力为常压1atm。氮气温度850K， 确定正乙烷液滴的寿命和蒸发速率。 已知：正乙烷液体密度659kg/m3， 蒸汽的定压比热容2872J/(kg.k)， 导热系数0.0464W/(m.k)， 汽化潜热335kJ /(kg.k)， 常压下，正乙烷沸点温度为342K。
用油粒直径表示：D 2 D 2 8 0 进一步简化：
g
c p,g L
ln1 BT
D 2 D02 k D 2 D02 k
蒸发速率常数 k 8
g
c p, g L
ln1 BT
rs →0 燃尽时间τb:
D02 初始油珠尺寸 2 b k 燃烧速度常数
（一）液体燃料燃烧
液体燃料燃烧过程 （较气体复杂）
•雾化 •液滴汽化、蒸发 •燃料与空气混合 •液滴燃烧
雾化概念及过程
雾化概念：用物理方法使液体燃料碎裂成细小液滴 群的过程。 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 射流的作用（脉动、摩擦等），使液体表面产 生波动、褶皱，并最终分离出液体碎片或细丝。 3) 在表面张力的作用下，液体碎片或细丝收缩成球 形油珠。 4)在气动力作用下，大油珠进一步碎裂。
液滴群燃烧特点；
1)液滴群燃烧过程的扩展主要是借助于液滴的不断着火、燃烧； 2)液滴群燃烧速度一般比均匀混合气燃烧速度小； 3）液滴群燃烧的着火界限和稳定工作范围较均匀可燃混合气燃 烧宽。
作业题： 试计算在常压、960℃的环境温度下，直径为 0.1mm的汽油雾滴在相对静止条件下的完全蒸 发时间。 已知：汽油密度820kg/m3， 汽化潜热320kJ /(kg.k)， 常压下，汽油的沸点温度为342K； 油蒸汽定压比热容2.48kJ/(kg.k)， 油蒸汽导热系数3.05×10-5kW/(m.k)。
第七章 颗粒燃料的燃烧
刘雪玲 天津大学热能工程系
PM2.5
PM2.5：particulate matter 颗粒物，是指大气中直径小于 或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。它的直 径还不到人的头发丝粗细的1/20。
根据PM2.5检测网的空气质量新标准： 优：0~35 良：35~75 轻度污染：75~115 中度污染：115~150 重度污染：150~250 严重污染：250及以上
层状燃烧
燃料放在炉篦或炉排之上，通过炉篦或炉排的缝隙将空 气送入燃烧层，使之进行燃烧，高温燃烧产物进入炉膛进 行换热，燃尽的灰渣通过炉篦缝隙或排渣口排出。如：工 业链条炉。
煤的燃烧方式
悬浮燃烧
燃料与空气的混合物喷入燃烧室或炉膛内，则燃料 将在这个空间内以悬浮状态完成燃烧过程。例如： 大型电站锅炉
固体燃料 （煤）
碳粒燃烧
碳粒表面气体消耗速率计算：
W k Cb
反应气体向反应表面的扩散速度：
W扩 C0 Cb
稳定燃烧时：
W W扩
W 1 1 k 1 C0
碳表面气体（氧）燃烧反应速度：
碳粒燃烧
C 碳的燃烧速度： KS m
1 1 k
2
1
C0
g碳/cm2.s
碳的燃烧减少量：dG 4r 2 r dr
沸腾炉燃烧特点
•属低污染燃烧技术，粉碎的石灰石或白云石送入炉中，脱硫效 率达80%，沸腾段燃烧温度800～900℃之间，NOx排放量少 •沸腾燃烧中风速较高，颗粒运动强烈，强化了换热效果； •烟气中飞灰含量增大，受热面磨损、电耗增大； •循环流化床锅炉，设置分离器将未燃尽的颗粒重新送回沸腾段， 烟气中飞灰含量降低，燃烧效率提高。
注意：雾化是物理过程、雾化后不是气体
液体燃料的雾化
作用：
增加燃料的比表面积 加速燃料的蒸发汽化 有利于燃料与空气的混合 完全燃烧
液体燃料的雾化特性（评价指标）
1、雾化角
雾化角：又称油雾炬的张角，指喷嘴出口到 喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角。 条件雾化角：以喷嘴为圆心，r为半径的圆 弧和外包络线交点与喷口中心连线的交角。 αr 雾化角的大小对燃烧完善程度 和经济性有很大影响，是雾化 器设计的一个重要参数。 α
12月8日，预报PM2.5指数最高值达到395。 图为记者在济南市山大路拍到的街景。（中 新社发 邱江波 摄）
（一）液体燃料燃烧
发动机中喷射的汽油和柴油燃料
（一）液体燃料燃烧
航空燃气（涡）轮（发动）机
（一）液体燃料燃烧
运载火箭发动机（美国阿波罗土星推
进器，中国神九长征2号运载火箭液体助推器）
2、雾化液滴细度
Sauter平均直径：假设每个液滴直径相等时，按所测得的 所有液滴的总体积V与总表面积S计算出来的液滴直径。
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