燃烧学讲义7-液体燃料的燃烧

二、重油燃烧过程
重油油滴的燃烧特点，既不同于轻油， 重油油滴的燃烧特点，既不同于轻油，又有 别于煤粉，而介于这两者之间． 别于煤粉，而介于这两者之间．因此过程比 较复杂。 较复杂。 当重油油滴进入高温炉膛空间后， 当重油油滴进入高温炉膛空间后，油滴被烟 气加热。 气加热。当油滴温度未达到重油的沸腾温度 时，蒸发出来的重油蒸汽主要靠浓度差进行 扩散，即服从费克定律。 扩散，即服从费克定律。
图6-1 重油旋转气流燃烧过程
对一般油滴直径为200µm的重油，通常单个 的重油， 对一般油滴直径为 的重油 油滴的燃烧时间约为0.2s左右，比油滴在炉膛 左右， 油滴的燃烧时间约为 左右 内停留时间约2s左右短数倍以上 左右短数倍以上。 内停留时间约 左右短数倍以上。但由于氧 浓度、温度、风速、 浓度、温度、风速、紊流等多种复杂因素影 响重油燃烧，存在着参数分布不均匀现象， 响重油燃烧，存在着参数分布不均匀现象， 故重油仍存在燃烧不完全热损失， 故重油仍存在燃烧不完全热损失，需要采取 措施来减少这些热损失。 措施来减少这些热损失。
（1）以一定空气量从喷嘴周围送入，防止火焰 ）以一定空气量从喷嘴周围送入， 根部高温、缺氧而产生热分解。 根部高温、缺氧而产生热分解。 （2）使雾化气流出口区域的温度适当降低，即 ）使雾化气流出口区域的温度适当降低， 使产生热分解也能形成对称的分解产物－ 使产生热分解也能形成对称的分解产物－轻 质碳氢化合物。 质碳氢化合物。 （3）使雾化的液滴尽量细，达到迅速蒸发和扩 ）使雾化的液滴尽量细， 散混合，避免高温缺氧区的扩大。 散混合，避免高温缺氧区的扩大。
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。雾化过程是极为复杂的物理过程， 的过程。雾化过程是极为复杂的物理过程， 它与流体的紊流扩散、液滴穿越气体介质时 它与流体的紊流扩散、 所受到的空气阻力等因素有关。研究表明， 所受到的空气阻力等因素有关。研究表明， 液体燃料射流与周围空气间的相对速度和雾 化喷嘴前后的压差是影响雾化过程的重要参 压差越大、相对速度越大， 数。压差越大、相对速度越大，雾化过程进 行得越快，液滴群的尺寸也就越细。 行得越快，液滴群的尺寸也就越细。雾化过 程是通过液体的破碎来实现的。 程是通过液体的破碎来实现的。

燃烧学
——液体的燃烧过程 及燃烧形式
燃烧学
1
液体的特性 液体的燃烧过程 液体的燃烧形式
燃烧学
燃烧学
【Q】为什么能闻到香味？液体放在容器里，为什么会变少？
液体都具有挥发性，在一定温度下，液体都会 由液态转变为气态。液体蒸发的速度取决于液体的 性质和温度。
燃烧学
将液体置于密闭容器中，液体表面能量大的分子克服邻近分子 的吸引力，脱离液面进入空间成为蒸气分子。蒸气分子由于运动撞 到液体表面或器壁被凝结。
初始状态，由于空间中无蒸气分子，蒸发速度最大，凝结速度 为零。随着蒸发过程的继续，蒸气分子增加，凝结速度增加。
燃烧学
【Q】蒸发和凝结过程会停止吗？
不会。最终，液体和气体会达到气液平衡状态。 这种平衡是一种动态平衡，液面分子仍在蒸发，蒸 气分子仍在凝结，只是蒸发速度和凝结速度相等。
燃烧学
➢ 蒸发热
因此，不同分子因分子间引力不同，其蒸发热也不同。一 般地说，液体分子间引力越大，其蒸发热越大。
燃烧学
➢ 饱和蒸气压
在一定温度下，液体和它的蒸气处于平衡状态时，蒸气 所具有的压力即为饱和蒸气压。
液体的饱和蒸气压与液体的性质和温度有关。相同温度 下，液体分子间引力越强，蒸气压越低；同一液体，温度不 同时，温度升高，饱和蒸气压增大。
燃烧学
【例】已知某油罐储存原油10000t，油温30℃，发生了 火灾，罐内有40根立柱，每根立柱横截面积0.25m2，罐长 48m宽48m，原油密度0.9t/m3，含水量1%，原油燃烧线速 度0.1m/h，热波传播速度0.78m/h。试预计该油罐着火着火 后可能发生喷溅的时间。
燃烧学
解：油面高度为
燃烧学
➢ 液体的沸点
是指液体的饱和蒸气压与外界压力相等时的温度。在此 温度时，汽化在整个液体中进行，即为沸腾；而在低于此温 度时的汽化，仅在液面上进行。

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

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。
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。 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、离心式和转杯式
中间直径法（d50）
是一个假定液滴的直径，即液雾中大于或小于这一直径的两部分 液滴的总质量相等。
索太尔平均直径法（dSMD）
设在特定的液滴群中的滴数为N0 ，且所有液滴的直径都等于
dSMD，而这些液滴的总体积与总面积之比正好等于实际液滴群的总
体积与总面积之比。
18
（2）雾化角
出口雾化角
19
（3）燃料的流量密度分布 单位时间内通过与燃料喷射方向相垂直的单位截面上燃 油质量沿半径的分布规律。
20
（4）喷雾射程 喷嘴水平喷射时，油雾液滴丧失水平方向动能的行程。 不同直径油粒的射程也不同。射程取决于轴向速度和颗 粒度。射程的大小影响火焰长度。
21
（5）雾化均匀度 积分表示法 将大于某一直径d的所有液滴的质量占全部液滴质量的 百分数表示成液滴直径的函数。 微分表示法 将直径在d和d＋Δ d之间的所有液滴的质量占全部液 滴总质量的百分数表示成液滴直径的函数。
7
四、雾化燃烧－－重点
1.过程：
破碎 雾化器 液体 小液滴 悬浮 边蒸发边燃烧
燃料的蒸发表面积增加 上千倍
燃烧速度加快
2.关键问题：－－雾化 （1）雾化方式：据液体燃料的蒸发性定 不易蒸发的液体－－喷嘴雾化 （2）易蒸发的液体－－汽化器

由η 的一些定义（以及由 Le = 1 ⇒ ρ g Dg = ρ gα g ）就能得出：组分守恒和能量守恒方程
具有相同的输运方程和相同的边界条件。
在 r = R 处：
•
ms = ρ g Dg (dη dr) s,g η = ηs （亦即T = Ts；Yf = Yf ,s ）
其中 Ts 、 Y f ,s 未知
算，
•
mtotal = 4πRρ g Dg ln(1 + B) = −ρ L (dVdroplet dt)
180
其中： ρ L 为液体燃料密度。
而V droplet = (4 3)πR 3 = πD 3 6
− ρ L D(dD dt) = 4ρ g Dg ln(1 + B)
或者
dD2 dt = −(8ρ g Dg ρ L ) ln(1 + B)将油滴温度从 T0 加到 Ts 并蒸发所需的总能量
定义：
ηT ≡ cpg (T − T∞ ) / Q
其中： c p 为气相定压比热； T∞ 为环境温度。 g
这样就有：
液体组分守恒方程可以写为：
•
ms = ρg ag (dηT dr)s,g
•
•
m s = Y f ,s ms − ρ g Dg (dY f dr) s,g
Yf ,s = f (Ts ) 的形式。但是，我们需要 Y f ,s 与 Ts 之间的另一个方程来封闭求解。假设油滴表
面处于相平衡状态，调用克拉珀龙方程可以得到它们之间的关系方程，
Pf ,s = Pf ,sat (Ts ) = X f ,s P = Y f ,s (M / M f )P = C1 exp(− h fg RTs )
因为η∞ = 0 ⇒ B = −ηs ，得

（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。

17
雾化原理
• 液膜雾化：离心喷嘴喷出空心锥形液膜具有向外 扩张的惯性，而表面张力克服不了此惯性，于是 液膜继续向外扩张，液膜越来越薄，同时，表面 张力形成的表面位能也越来越高，使液膜越不稳 定。结果表明，液膜破裂成液丝或液带，并在表 面张力作用下继续分裂成液滴；流速较大时，除 了表面张力、惯性力及粘性力起作用外，由于相 对于周围气体的运动速度加大，气动力对液膜的 作用也加大，致使液膜扭曲和起伏形成波纹，再 被甩成细丝，继而形成小滴；流速很大时，液体 离开喷口便立即被雾化。
0.1
布函数
F d e
dp d
n
p
Rd 100exp(dd)n%
0.0
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20
d p
Rd：液滴群中，颗粒直径大于d的质量分数
n：均匀系数，一般数值2~4。 愈大，均匀性好
d
：特征尺度（定义为
Rd
1 e
36.7%
时油滴直径）
12
6.2.1 雾化评价指标
③ 雾化角：
qr……m3 (m2 s)
14
雾化评价指标
① 雾化粒度 ② 雾化油滴均匀性 ③ 雾化角： ④ 流量密度：
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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”。

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。

液面燃烧:
由于液体燃料的蒸发在其自由表面上产生一
层蒸汽 ,这些燃油蒸汽与空气混合并被加热着
一是外力，它是由液体压力形成的向前推进力、气体的阻力和液滴本身的重力所组成；
火燃烧,形成火焰,液体表面从火焰中吸收热量, 压力差越大，相对速度越大，雾化过程进行得越快，液滴群尺寸也就越细。
液滴在气体介质中飞行受到的力：
促使其蒸发大大加速,提供更多的燃料蒸汽,使 在这些因素中, 增加它与空气的接触表面积是一个关键因素,利用雾化装置(喷油嘴等)把液体燃料雾化成为很细的滴群,就是增大蒸发表面
积,提高燃烧速度的重要手段。 1、液体由喷嘴流出形成液体柱或液膜 影响参数：液体燃料射流与周围的气体间的相对速度和雾化喷嘴前后得压力差是影响雾化过程得重要参数。
大幅度地增高。 因外力沿液滴周围分布是不均匀的，故变形首先从液滴被压扁开始，这样液滴就有可能被分离成小液滴，如分裂出来的小液滴所受到 的力仍然是外力大于内力，则还可继续分裂下去。
雾化燃烧:就是用雾化器将燃油碎成微粒,再
蒸发后燃烧,雾化燃烧在工程中应用最广泛。
雾化燃烧是一个涉及同时发生热量、质量 和动量交换以及化学反应的复杂过程,由于过 程的复杂性,难于用直接研究雾化的办法来得 出液体燃料燃烧的详细而精确的资料,正是由 于遇到这些困难,所以目前研究的方法是:
第六章液体燃烧
显然,液体燃料的燃烧时间应由蒸发、 扩散混合和 化学反应这三部分组成,由于化学反应非常迅速,蒸发 过程是最为缓慢的环节,所以说,液体燃料的燃烧速度 就主要取决于蒸发速度的大小, 提高蒸发速度就会有 效地提高燃烧速度,那么怎样才能提高蒸发速度呢?一 般地说, 液体燃料的蒸发速度取决于它和周围空气之 间的接触表面积、温度差、浓度差和燃料扩散系数 大小等因素。在这些因素中, 增加它与空气的接触表 面积是一个关键因素,利用雾化装置(喷油嘴等)把液 体燃料雾化成为很细的滴群,就是增大蒸发表面积,提 高燃烧速度的重要手段。

G=vρ=0.15×750 kg/(m2･h)=112.5 kg/(m2･h)
燃烧学
➢ 液体燃烧速度的影响 因素
• 燃烧区传给液体的热量
液体要维持稳定燃烧，液面需不断从燃烧区吸收 热量，保持一定的蒸发速度。
• 液体初始温度
液体初始温度越高，蒸发速度越快，可燃蒸气浓 度越高，燃烧速度越快。
燃烧学
• 储罐液面高度
燃烧学
可燃性 液体燃
烧
蒸发
闪燃
沸溢和喷 溅
蒸发热 沸点
蒸气压 闪点计
算
蒸发热 沸溢 喷溅
燃烧学
【例】已知大气压力为101325Pa，试求甲苯
（C7H8） 的闪点。
解：甲苯的燃烧反应式
C7H8+9O2=7CO2+4H2O 则N=18，带入公式计算苯在闪燃时的饱和蒸气压
为
P饱
1.01325 105 1 4.76 (18 1)
• 线燃烧速度
单位时间内燃烧的液体层厚度，即
v H t
式中：v—燃烧线速度(m/h)；H—燃烧的液体 层厚度(m)；t—液体燃烧的时间(h)。
燃烧学
• 质量燃烧速度
单位时间内单位面积燃烧的液体的质量，即
G m Ft
式中：G—质量燃烧速度[ kg/(m2·h) ]；m—燃烧 的液体质量 (kg)； t—液体燃烧的表面积(m2) ；t—液 体燃烧的时间(h)。
燃烧学
➢ 油面燃烧
若大面积的水面 上一层较薄的浮油， 这层浮油燃烧时引起 的火灾即为油面火灾。
燃烧学
【Q】 油 池 火 灾 和 油 面 火 灾 维 持 燃 烧 的 方 式有什么区别？
油池火集中在油池有限的范围内，主要靠火焰 的热量不断蒸发火焰下方的可燃液体来维持燃烧； 油面火则是不断向四周传播，不断扩大的过程。

三、液体旳闪点
▪ 液体旳闪点是指在要求旳试验条件下，液 体表面上能产生闪燃旳最低温度。（在闭 杯试验条件，何谓闭杯，是指在封闭旳小 杯中）
1、液体闪点旳变化规律
▪ 在闪点温度下，液体只能闪燃而不能连续 燃烧，它旳燃烧速度并不快，蒸气量较少， 生成旳蒸气仅能维持一刹那旳燃烧，还将 来得及供给新旳蒸气继续燃烧下去，所以 只能发生闪燃。闪燃往往是着火旳先兆。 注意，液体在闪燃时形成旳蒸气浓度即是 该液体旳爆炸极限下限。其变化规律如下：
应用
▪ 在使用空汽油桶时，我们一定要注意，这 是因为空汽油桶往往因为不可能完全倒净 而残留某些汽油，这时空油桶也会存在处 于爆炸极限范围之内旳可燃性混合气体， 所以空汽油桶亦应尤其注意防火，动火焊 接也必须进行严格旳清洗置换，并分析合 格。
4、沸溢或喷溅式燃烧
▪ 原油及某些石油产品等沸程较宽旳混合液体，在 连续燃烧旳过程中，其中沸点较低旳轻质部分首 先被蒸发离开液面进入燃烧区，而沸点较高旳重 质部分则携带接受来旳热量向液体深层沉降，或 者形成一种热旳锋面对液体深层传播，逐渐进一 步加热冷旳液层，这一现象称为液体旳热波特征， 热旳锋面称为热波。这种现象往往造成致沸溢喷 溅式燃烧。原油，重油，沥青油等具有水分旳黏 度加拿大旳重质石油产品发生燃烧时，都有可能 产生沸溢现象和喷溅现象。

2、闪点对消防工作旳意义
▪ （1）根据液体旳闪点区别可燃液体火灾危险性 旳大小；
▪ （2）闪点是可燃液体火灾危险分类旳根据。我 国《建筑设计防火规范》按液体旳高下将可燃液 体分为甲、乙、丙三类。其中，闪点<28℃旳液 体为甲类；闪点≥28℃至<60℃旳液体为乙类； 闪点≥60℃旳液体为丙类。
▪ （3）闪点是选择灭火剂供给强度旳根据。一般 是闪点越低，灭火剂供给强度越大。