第6章(液体燃料燃烧)(4)

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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
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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。
由上式表明：油滴完全燃烧所需要的时间与油粒直径的平方成 正比。因此油雾化越细，燃烧速度越快。 另外油滴燃烧速度与介质温度有关，周围介质温度越高， 蒸 发常数k越大，越有利于加速油的燃烧。
c 8 ln 1 r p (T T0 ) H k CP r
实际工程中为了强化油的燃烧，应将油雾化成细小的颗粒，另 外还要保证燃烧室中的高温。
影响油粒燃烧速度的因素： 1. 油粒雾化程度 雾化好： δ0↓， τ ↓ 燃烧速度快 2. 周围介质温度 传热大： T ↑， τ ↓ 3. 油的蒸发潜热 易汽化： H↓， τ ↓ 4. 油的密度 ρr ↓， τ ↓ 5. 油的导热系数 λr ↑， τ ↓
强化油燃烧的途径（针对某种油）
加强雾化，减小油滴直径，选用合适的雾化器 增加空气与油滴的相对速度。相对速度越大，越有利于 燃料和空气之间的扩散、混合，加强燃烧；（扩散燃烧） 及时、适量供风，及时供风可以避免缺氧造成燃料热分 解，适量供风可以提高燃烧效率； 保证点火区域和燃烧室中一定的高温
一般来说，由于二次风作用，外缘着火点会比油雾锥内迟些。 在重油炬尾部，油气已烧得差不多，主要是碳黑，特别是油滴 的焦碳残核的燃烧(其中还有一些大油滴未蒸发完毕)，这里温 度水平仍足够高，但氧浓度较低(主要是燃烧产物)，因此加强 尾部混合对重油火炬的燃料仍十分重要。
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 液雾燃烧的特点：（与油滴燃烧比较） • 液滴大小不均匀 • 液滴有一定速度，处于强迫流动 • 除导热外，还有对流换热，温度高时还有辐射换热
燃烧方式： 预蒸发型燃烧：燃料进入燃烧空间之前蒸发为油蒸气，以 不同比例与空气混合后进入燃烧室中燃烧。此燃烧方式与气 体燃料预混燃烧原理相同。 喷雾型燃烧：把液体燃料通过喷雾器雾化成一股由微小油 滴组成的雾化锥气流，在雾化的油滴周围存在空气，雾化锥 气流在燃烧室中被加热，油滴边蒸发，边混合，边燃烧，动 力行业多采用此种燃烧方式。（扩散燃烧）
油滴燃烧时间和油滴尺寸的关系
对于半径为r 的球面，由热量平衡可知：
质量平衡
假设火焰锋面之外有一个半径为r的球面，氧从远处通过这个 球面向内扩散的数量等于火焰锋面上所消耗的氧量，即
D－氧的分子扩散系数； C－氧的浓度； β－氧与油的化学计量比。
令 将上式改写，在无穷远处和火焰锋面之间积分，得：
c 8 ln 1 r p (T T0 ) H k CP r
油雾火炬的燃烧过程
油自喷嘴喷出后，形成一个高速流动的液雾，在高速气流 引射的作用下，产生高温回流区，对油炬进行点燃，但所 有油滴不可能同时着火，而是根据其不同的温度和流动条 件逐渐地着火，着火后，在气流作用下，有些油滴周围具 有稳定的火焰。由于油滴直径小，辐射传热只占总传热量 5~10%左右，首先使油雾锥内部(与回流区交界表面)油滴 蒸发，着火，然后在回流区形成一个稳定的点火源。 马鞍形，在离心力作用下，较大的油滴被甩至外缘，中心区 主要是细油滴，较易蒸发。在油火炬的外边界，由于射流的 作用，对周围的高温烟气亦有强烈的抽吸作用，因此油雾外 缘在高温烟气作用下亦可强烈蒸发及着火. 通常油雾化时，在一次风旋转的作用下，油流量密度分布为
1. 机械雾化机理
在油压式雾化条件下，液体燃料以高压由小孔喷出，这时， 液体本身将产生强烈的脉动，与此同时，在周围介质相对 运动中，也受到周围气体的摩擦作用。液体燃料流股的强 烈脉动能使它产生很大的径向分力和波浪式运动，加上周 围介质对它附加的外力，从而使液体燃料流股的连续性遭 到破坏而分散成细颗粒。
喷雾型燃烧的特点：
液体燃料的沸点低于着火温度，先蒸发后燃烧，其燃烧过程 分为三步： 蒸发：速度较慢，蒸发良好 混合：油蒸气与氧相互扩散，速度较快，供氧充分 燃烧：燃烧速度高 油燃烧速度取决于最慢的蒸发速度。液体燃烧不同于固体燃 烧的异相化学反应，只能在表面蒸发，并在离液滴表面一定 距离的火焰面上燃烧，液体表面无火焰，内部无火焰。液体 燃料燃烧时，如果缺氧，会产生热分解。
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作用于油珠表面的气动力 油珠内压力
We>14，油滴破碎
ห้องสมุดไป่ตู้
2.气体介质雾化机理
应用气体介质作雾化剂的过程中，雾化剂以较大的速度和质 量喷出，当和液体燃料相遇时，气体便对油表面产生冲击和 摩擦，使油表面受到外力的作用。这种外力大于油的内力时， 油股便会破碎成分散的油粒。气体介质雾化过程中在气间形 成液膜越薄，雾化效果越好。雾化介质一般是压缩空气和蒸 汽，从雾化角度看，两种气体无明显区别。从燃烧效率的角 度考虑，空气优于蒸汽。
液体燃料燃烧过程由液体燃料雾化、燃料液滴的蒸发、燃料 与空气的混合、燃料液滴燃烧四个过程组成。前三个过程是 物理过程，第四个过程是化学过程。油雾的燃烧火焰比气体 燃料长，不易达到完全燃烧。 液体的雾化过程是液体燃料燃烧的前提，一般通过雾化喷嘴 来完成。雾滴粒径为数十或数百微米。雾滴粒径越小，蒸发 所需时间越短，燃烧速度越快。
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6.2
液体燃料燃烧的基本过程
液体燃料的蒸发过程是液体燃料燃烧的必经阶段。由于燃 料的着火温度高于液体沸点，因此燃烧之前必然存在蒸发 过程。 混合过程包括液体燃料液滴与空气的混合、燃油蒸汽与空 气的混合、以及碳粒的挥发分与空气的混合。混合过程的 速度与喷嘴的特性、进气方式、燃烧室内的湍流度有关。
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二. 雾化特性
从前面的分布可知，衡量一个喷嘴的性能，主 要用其空间分布(雾化角)，液滴粒径分布特性 及雾化细度、油雾射程等指标来表示。
雾化角
喷雾形成的油束一般是各种大小不同的油滴组成的圆锥体， 该圆锥体组成的夹角即喷雾锥角即雾化角，即油雾的张角。 雾化角大时，形成短而粗的火焰，反之则形成细而长的火焰。 雾化炬的雾化角，取决于喷口的设计、喷射压力和周围介质 的背压。实验表明，当喷射压力增加时，喷雾炬的雾化角增 加，在高喷射速度达到一定范围后，对于一定的喷口直径， 当喷射速度增加时，雾化角几乎不变。
• 出口雾化角：在喷口出口处做雾化锥外边界切线，两切线间 夹角为出口雾化角。 • 条件雾化角(某一距离处)：以喷口中心线为圆心，距离x为半 径，（通常为100mm～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 条连线间的夹角称为条件雾化角。
如果油的蒸气与氧的混合燃烧过程十分强烈，此时只要有油 蒸气，便能立即烧掉。那么整个燃烧过程的速度就取决于油 的蒸发速度。 相反，如果油的蒸发速度很快，而油蒸气与氧的混合反应 速度较慢，则整个过程的速度便取决于油蒸气的均相燃烧速 度。 所以油滴的燃烧不仅存在均相燃烧，而且存在液滴表面的传 热、传质过程，即异相反应。
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旋转强度愈大，回流区尺寸及高温烟气回流量愈大，因 此外缘着火点会逐渐提前。但过大的烟气回流量可能会 产生如下问题：第一，着火过分接近燃烧器，使燃烧器 处于不利的高温区工作。第二，由于蒸发强烈，大量油 气在高温缺氧区出现，很易分解成碳黑。因此，这里火 炬的辐射能力最强，再加上高温，使火焰的辐射热流密 度很大，局部的锅炉水冷壁工作条件恶化。
两种雾化机理的比较
• 机械雾化需要很高的油压以产生较高的液体喷出速度，从而 产生较高的气动力和摩擦力，实现雾化。油压越高，雾化效 果越好。一般要求油压较高。 • 介质雾化是靠外部介质的冲击摩擦产生雾化，对油压要求不 高。一般介质雾化效果优于机械雾化效果，但需要其他雾化 介质。一般雾化介质压力越高，雾化效果越好。 气体介质雾化的另一个优点是细颗粒均匀地被散布在气 流中，整个雾炬流型和状态维持良好，易于控制，在不 同条件下也不会有大的变化，这样温度分布也优于机械 雾化。燃料与空气的混合也大大改善，另外喷嘴还可得 到良好的冷却。