第七章液体燃料的雾化报告
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
007 第七章 液体燃料燃烧
©
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
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
A 1 2 1
A 1 2 1
m
2
rm (r0 ra ) / 2
07液体燃料的燃烧解读
闪点计算
（1）波道查公式；
t f 0.6946 tb 73.7
（2）利用液体分子中的碳原子数
(t f 277.3) 10410 nc
2
5、 粘度与凝固点
燃烧方式
液体蒸发成燃料蒸汽，再与氧气完 成扩散燃烧过程：蒸发是关键。 预蒸发燃烧； 表面燃烧； 雾化燃烧。
预蒸发燃烧
表面燃烧
液体燃料的燃烧
蒸发 液体
气体 ＋ O2 燃烧
液体燃料的性质
1、蒸气压：
在给定温度下，液体和其蒸气处于 平衡状态时，蒸气所具有的压力， 称为饱和蒸气压（蒸气压）。
蒸气压主要由液体的性质（液体分子间的 作用力）和温度决定。 克劳修斯-克拉佩龙方程（与温度的关系）：
LV ln P C RT
kJ / m 2 sec
kJ / m 2 sec
即
d T W g ( ) dr Q W Lg g d CPS T ( ) dt Q
g ∵ Lg g CPg
∴
• 以下是传质速度的求解过程：
定义无因次温度
bT
CPS (T T ) Q
dbT dr dYF ) D F dr
∵T 为常数
∴
W L g g
（3）
同理，对组分 F 的通量按 Stefen 流考虑
W YFR W YFw ( g
即
W g
YF d ( DF dr YFw YFR )
定义无因次浓度
YF YF bD YFw YFR
∴
W gD F
液体在一个设定的表面蒸发，然后完成扩 散燃烧过程。 ——煤油灯； ——煤油炉； ——蜡烛。
液体燃料的蒸发与燃烧
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
10-液体燃料的蒸发与燃烧
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 : d s g Dg m , s (即T Ts , w f w f , s ) dr s , g 式中Ts , w f , s 未知, 需要加以补充 在r 处, 0 即 : T T ; w f w f ,
用能量输运律表 示的质量蒸发率
液体组分守恒方程：
dw f s w f ,s m s g Dg m dr
总流量 对流项 扩散项
s, g
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
s (w f ,s m
液体油雾火焰的结构 单滴油珠蒸发模型 油珠蒸发 d2定律及油珠寿命 特性参数取值 对流条件下的油珠蒸发 蒸发模型向单个燃烧油滴模型的扩展 油雾燃烧(油滴的相互作用)
第一节 液体油雾的结构
典型的液体喷雾火焰，燃料为庚烷
第二节 单个油珠蒸发模型
两相燃烧 两相扩散燃烧 油雾锥是由许多尺寸不同的单 滴油珠组成。因而单滴油珠在高温 环境的蒸发与燃烧规律是进一步研 究油雾燃烧的基础
随着雷诺数的增大（油滴和气体间的相对速度增 大），Nu增加，h增大，ms也随之增大
第三节 蒸发模型向单个燃烧油滴模型的扩展
对孤立的蒸发油滴，守恒方程可以以下面的形式表示 L(η)=0
其中η可以为质量分数变量，也可以是显焓变量。由于 方程中源项为零，故η为守恒标量，对化学反应情况， ηs可以适当组合成一个守恒标量，则 L(β)=0
s , 需要知道 s ,即需要知道 Ts 或w f , s 为了估算 m 定义 B 交换数 (传热传质驱动 ) - s 由于 0 B - s s 故 m
6液体燃料的燃烧课件
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
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
D02
8 g cp,g L
ln1 BT
进一步简化：
D2 D02 k
rs →0 燃尽时间τb:
D2 D02 k
蒸发速率常数
g
k 8
cp,g L
ln1 BT
b
D02 k
初始油珠尺寸2 燃烧速度常数
τb ∝D02， D0↑，τb ↑
物性参数的选择：
cpg cpg (T )
kg 0.4F (T ) 0.6 (T )
4r 2
dT dr
mv Ll
mvCp (T
TL )
0
油粒的蒸发与燃烧
mv dr
dT
4 r 2 C p (T TL ) Ll
边界条件： r rs，T TL
r ，T T
蒸发速率
mv
4rs
Cp
ln 1
Cp T TL
Ll
引入传输系数：
BT
Cp T TL
Ll
mv
4rs
Cp
ln 1
BT
BT ↑， mv ↑
油粒燃烧时间
根据质量守恒：蒸发速率＝液滴单位时间质量减少量
mv
mf
dm
d
L
4r
2
dr
d
mv
4rs
Cp
ln 1
Cp T TL
Ll
dr
d
rC p L
ln1 BT
r2
r02
2
g cp,g L
ln 1
BT
2a( g L
) ln1
BT
油粒燃烧时间
用油粒直径表示：D2
• 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
－R
0
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。
Mddm Mddm
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
R
R
100
exp
di
n
%
d
n大
•R：di d 液滴质量(体积)占取 样总质量(体积)的百分数
3 i
n 6
d
3 SMD
S
ni
d
2 i
nd
2 SMD
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
T (Tboil T ) / 2
• 例题： 直径为500μm的正乙烷（C6H14）在热的滞止
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）
燃烧反应
油的蒸发
提供热量
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
•油滴的净导热量：
Q1
4r 2
dT dr
•油滴升温：
Q2
4 3
rs3
l
Cl
dT1
d
•油滴气化潜热：Q3 mv Ll
•油蒸气升温： Q4 mvC p (T TL )
稳态时：Q2 0, 稳定蒸发过程的热平衡方程：
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
• 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
热解产物 裂化产物
油气
燃烧前沿
燃烧产物
含氧介质
单个液滴的燃烧模型
油粒的蒸发与燃烧
油粒燃烧过程特点
提供反应物质
（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
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。
液体燃料的雾化特性（评价指标）
雾化角对燃烧影响： 过大：油滴穿出湍流最强区域，混合不良， 燃烧不完全，降低燃烧效率。
过小：液滴不能有效分布在这个燃烧室空 间，造成局部过剩空气系数过大，燃烧温 度下降、着火困难、燃烧不良。
＋R
直流喷嘴油滴流量密度分布曲线
液滴集中在油雾距轴线附 近，燃烧时间长、火焰长
－R
0
＋R
旋流喷嘴油滴流量密度分布曲线
液滴分布较均匀，与空气
混合好，燃烧快、火焰短
液体燃料的雾化特性（评价指标）
雾化对燃烧影响： 雾化越细，烧越充分； 雾化的好坏，是组织好燃料燃烧的前提。
油粒ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ蒸发与燃烧
• 蒸发 受热产生油蒸气
形油珠。 4)在气动力作用下，大油珠进一步碎裂。
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。 α
雾化角对火焰的影响： 过大：火焰粗而短； 过小：细而长。
α αr
液体燃料的雾化特性（评价指标）
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
ni
d
3 i
S
ni
d
2 i
d SMD
6V S
V 6
ni
d