液体燃料的燃烧

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的燃烧方式和过程?根据液体燃料在着火燃烧前发生蒸发与气化的特点气化混合燃烧液体燃烧液面燃烧灯芯燃烧蒸发燃烧雾化燃烧雾化液体燃料为什么要雾化?

（1）液面燃烧是指直接在液体表面上发生的燃烧。往往是灾害或事故燃烧的形式。（2）灯芯燃烧是利用灯芯的毛细吸附作用将燃油由容器中抽吸上来，并在灯芯表面生成油蒸气，然后油蒸气与空气混合发生的燃烧。（3）蒸发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液体燃料燃烧原理6.1.1液体燃料的燃烧方式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；6.1.1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

当油滴获得的热量等于蒸发所需的热量，则油滴温度保持不变，蒸发保持平衡，该温度称为油滴蒸发平衡温度，此时蒸发速度等于扩散速度。6.1.2液体燃料的蒸发过程油滴蒸发产生的蒸气通过两种方式向外扩散（质扩散）：油气分子扩散和油气以某一速度作对流扩散（斯蒂芬流）。

斐克方程：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。分子扩散项对流扩散项6.1.2液体燃料的蒸发过程不考虑辐射时，油滴的传热：对流传热导热dq/dt—单位时间内周围气体对油滴的传热；λ、Cp—燃油蒸汽的热导率和定压比热容；r、F—油滴半径和表面积；T、TB—周围气体和油滴表面的温度。6.1.2液体燃料的蒸发过程高温下油滴蒸发模型的简化（6个）假设：1）油滴为球形颗粒rB，被高温球形气体包围rA；2）油滴表面蒸发处于平衡状态；3）蒸发过程是等压的，Cp不变；4）气体均作为理想气体；5）仅考虑导热；6）rA内浓度和温度沿半径方向线性变化。稳态下油滴蒸发的热平衡式：导热量蒸发量即扩散量（6-6）6.1.2液体燃料的蒸发过程油滴的蒸发速度油滴蒸发时间：（6-7）可见，油滴蒸发速度取决于油滴直径（半径）、油滴周围气体温度及该体系的物性。蒸发常数k1：（6-10）油滴完全蒸发时间：可见：蒸发时间与油滴初始直径的平方成正比；因此，要缩短燃油蒸发时间，就要求有较小的雾化细度，即雾化质量。d0——油滴初始直径；6.1.2液体燃料的蒸发过程考虑相对运动后，油滴蒸发常数k2：

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。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6-16.1.2液体燃料的蒸发过程

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6-16.1.2液体燃料的蒸发过程（2）油滴群的蒸发直径d的油滴在经过τ时间蒸发后，剩余油滴的直径和体积分别为：n—均匀性指数；代表液滴颗粒雾化的均匀程度。因此，为了缩短蒸发时间及加快燃烧，应保证油雾具有较好的雾化均匀度。液滴群—粒径大小不等的大量油滴组成；6.1.3液体燃料的燃烧过程一、单个油滴的燃烧过程和燃烧速度小液滴（10μm），喷入后迅速蒸发，接近均匀混合气预混燃烧；大液滴，边蒸发，边混合，边燃烧，在火焰面上形成扩散燃烧；扩散燃烧时气流速度（相对）对火焰形状的影响全周火焰伞状火焰火焰吹熄6.1.3液体燃料的燃烧过程无相对运动时单个液滴的扩散燃烧在平衡蒸发状态，油滴温度接近燃油的沸点。6.1.3液体燃料的燃烧过程油滴扩散燃烧速度完全取决于燃油蒸气由油滴表面向火焰面扩散的速度。在平衡蒸发状态，燃油蒸气扩散速度等于蒸发速度，即油滴扩散燃烧速度由油滴蒸发速度决定。

单个油滴从直径d0燃烧到直径d的时间：

（6-14）燃烧速度常数ρO2—氧气密度；DO2—氧分子的扩散系数；mO2—氧的质量分数；β—氧与燃油的化学计量比。（6-15）DO26.1.3液体燃料的燃烧过程完全燃烧，油滴的燃尽时间：油滴与空气间有相对速度时，燃烧速度常数为：

（6-16）（6-17）油滴燃尽时间与液滴初始直径的平方成正比。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。可见，油滴与空气有相对速度，可大大加速油滴的燃烧过程。6.1.3液体燃料的燃烧过程二、油滴群的燃烧过程（一）油滴群燃烧与单个油滴燃烧的差别油滴群与单个油滴的最大差别在于雾状油滴中各个油滴之间相互发生干扰，特别是油滴之间距离很近时，影响主要有两方面：（1）相邻油滴同时燃烧使它们之间有热量交换，以致减少了油滴的热量损失，使传递给油滴的总热量增加；（促进燃烧）（2）相邻油滴同时燃烧，互相竞争氧气，对氧气扩散到火焰锋面有影响。（阻碍燃烧）6.1.3液体燃料的燃烧过程（二）滴间燃烧与滴状燃烧

根据油滴间的统计平均距离大小，油滴群燃烧可分为滴间燃烧和滴状燃烧。油滴直径<油滴间统计平均距离<油滴火焰面半径，滴间燃烧；油滴间统计平均距离>20倍油滴直径，滴状燃烧；滴间燃烧滴状燃烧6.1.3液体燃料的燃烧过程（1）预蒸发式燃烧：（2）油滴群扩散燃烧：（3）复合式燃烧：（4）滴间气体燃烧加液滴蒸发式燃烧：油滴的蒸发气化速度》》氧的扩散速度，燃烧前油滴群已全部蒸发，近似气体燃料燃烧（三）不同的油雾滴群燃烧模型油滴群中每个油滴均独立进行燃烧，接力式滴状燃烧火焰传播，蒸发过程控制燃烧过程。油滴均匀性差，较小油滴预蒸发式燃烧，较大油滴以油滴群扩散燃烧。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火和燃烧，具有比均匀混合可燃气燃烧更为宽广的着火界限和稳定工作范围。6.2液体燃料的雾化过程及装置6.2.1雾化原理及方法在通过喷嘴时，液体燃料被破碎为大量细小液滴所组成的液滴群，这个过程称为雾化。雾化的目的？

增加燃料的蒸发表面积，以加速燃料气化及与空气混合，使燃烧快速并完全燃烧。雾化是组织液体燃料喷雾燃烧的关键。喷嘴被称为雾化器。主要功能是确保燃料的流量，改善雾化的质量，并有良好的调节范围。6.2液体燃料的雾化过程及装置喷射雾化过程的几个阶段：一是液体在喷嘴内部流动阶段；二是液体喷出后由液柱分裂为雾滴的阶段；三是雾滴在气体中进一步破碎阶段。对喷雾机理，有多种解释：一是空气动力干扰说：射流与周围气体间的气动干扰作用使射流表面产生不稳定波动；二是压力振荡说：供油系统压力震荡对雾化过程影响；三是湍流扰动说：认为射流雾化过程发生在喷嘴内部，而流体本身的湍流度可能起着重要作用；四是空气扰动说：认为喷油系统内穴蚀现象产生的大振幅压力扰动是产生雾化的原因；五是边界条件突变说：认为喷嘴出口处，液体的边界条件（内应力）发生突变，使截面内速度分布骤然改变而产生雾化。6.2.2雾化性能及质量的评定评定液体燃料雾化器的雾化性能及质量的主要指标：流量特性、调节比、雾化角、雾化细度及均匀度、流量密度分布、射程等；对于介质雾化喷嘴，还有气耗率等。一、流量特性流量特性指的是油喷嘴单位时间内喷油量随油压变化的规律，相应的关系曲线称为流量特性曲线（喷油速率曲线）。二、雾化角（喷雾锥角）雾化角即为油雾化炬的张角。通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βα6.2.2雾化性能及质量的评定三、雾化细度和均匀度雾化细度是指燃油雾化后形成的雾化炬中油滴的粗细程度，是表征油喷嘴雾化性能及质量最主要的指标之一。一般用平均直径表示雾化细度，工程上常采用以下两种方法：（1）质量中间直径（d50或dMMD）（2）索太尔平均直径（dSMD）（6-18）（6-19）即油滴群中大于或小于这一直径的两部分液滴的总质量相等。d50越小，雾化粒度越细，雾化质量越好。Ni——直径为di的油滴颗粒数；6.2.2雾化性能及质量的评定雾化均匀度是指燃料雾化后液滴群颗粒尺寸的均匀程度，即液滴群中众颗粒大小相差的悬殊性程度。雾化均匀度一般可用粒数分布曲线和质量分布曲线表示。6.2.2雾化性能及质量的评定雾化均匀度也常用积分曲线和微分曲线表示。积分曲线表示法是将大于某一直径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；微分曲线表示法是将液滴直径在某一范围的所有液滴质量占全部液滴总质量的百分数表示成液滴直径的函数。曲线分布越陡，雾化均匀度越好。6.2.2雾化性能及质量的评定四、流量密度分布流量密度分布特性是指在单位时间内，通过与燃料喷射方向相垂直的单位横截面上燃料质量（或体积）沿半径方向的分布规律。它在一定程度上反映了燃烧空间内的燃料浓度分布。6.2.2雾化性能及质量的评定五、喷雾射程（贯穿距离）油雾化炬（油束）的喷雾射程是指在某个给定的时间内，油喷嘴在喷射方向上喷出的油雾实际能够到达的平面，与油喷嘴喷口之间的距离。六、调节比和气耗率调节比是指在保证雾化质量的前提下，在运行压力范围内油喷嘴的最大质量流量与最小质量流量之比。气耗率是仅对介质雾化喷嘴而言的参数，是指单位时间内雾化介质的质量与喷液质量之比，即气液质量比。BAC6.2.3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一、机械雾化喷嘴

这种喷嘴依靠油泵提高燃油压力，并将其以较高的速度喷入燃烧室。又称压力式雾化油喷嘴。主要应用于各种锅炉、工业设备及动力装置中。二、介质雾化喷嘴

又称气动式雾化喷嘴。工作原理是利用空气或蒸汽作为雾化介质，将其压力能转化为高速气流，使液体燃料喷散为雾化炬。按雾化介质压力的高低，雾化喷嘴可分为两类：低压喷嘴（5~12kPa）和高压喷嘴（300~1200kPa）。主要应用于工业设备中。6.2.3雾化的方式及常用雾化装置6.2.3雾化的方式及常用雾化装置6.2.3雾化的方式及常用雾化装置6.2.3雾化的方式及常用雾化装置6.3配风原理及装置液体（油）燃料燃烧系统主要由燃油喷嘴和配风系统两部分组成。燃油喷嘴的任务是将喷入燃烧系统中燃油雾化成粒度均匀、性能合理的雾化炬，而配风系统的任务是适时供给雾化炬中油滴群以合适的空气量。配风的基本原理是在油滴群不同的燃烧阶段及时、适量地分级供风，以确保燃油在炉内及时着火、燃烧及燃尽。配风的要求和类型与燃烧设备有着很强的相关性。6.4液体燃料雾化燃烧的组织液体燃料雾化燃烧过程包括雾化、蒸发、混合、着火、燃烧与燃尽等阶段。一、确保与主设备匹配的雾化性能油喷嘴的雾化性能应与设备的热功率及区域热负荷相匹配。二、确保良好的雾化质量为了提高雾化质量，应尽量减小阻碍燃油雾化的内力，加大促进燃油雾化的外力。（1）燃油温度提高油温可以显著降低燃油的黏度和表面张力。（2）雾化介质的参数主要影响因素为雾化介质的喷出速度、温度和流量。6.4.1液体燃料雾化燃烧的组织油喷嘴影响雾化质量各因素及可调节参数

传统汽油机喷油嘴直喷汽油机喷油嘴柴油机喷油嘴6.4.1液体燃料雾化燃烧的组织（3）油喷嘴结构主要的结构影响因素有：雾化介质喷口截面积、孔径、孔数及长度；燃油的喷口截面积、孔径、孔数及长度；混合孔的喷口截面积、孔径、孔数，加工精度以及是否旋转及旋向等；油流与气流的交角及相对位置；混合室的大小及长度等。（4）燃油压力

油压越高，油流的速度越大，雾化质量越好。三、加强空气与油雾的混合实现燃烧器中空气利用的最大化。四、合理的稳焰技术第一种方法是在配风器上设置旋流器型稳焰器。第二种方法是在喷嘴的头部设置钝体。五、安全可靠的油系统确保油系统稳定运行，防止漏油、堵塞或结焦。喷油压力和背压的影响（汽油）喷油压力的影响（柴油）喷油背压的影响（柴油）喷孔方案贯穿程度喷雾

流速蒸发状况混合状况湿壁状况湍流强度加工难度孔数直径mm30.22+++++++30.24++———++—++30.26+++——————+++——+++40.17——+++++++++——+++——40.19—++++++—++—喷油器结构的影响喷油压力（MPa）贯穿

程度喷雾

流速蒸发

状况混合

状况湿壁

状况湍流

强度100————+++—120+++++++140+++++++++++160++++++++++++—+++喷油压力的影响51水定压加热汽化过程的p-v图及T-s图一点临界点Criticalpoint两线上界限线(饱和水线)下界限线(饱和蒸汽线)三区液汽液共存汽五态未饱和水饱和水湿蒸汽干饱和蒸汽过热蒸汽水的状态可归纳为饱和水和饱和蒸汽没有区别各种工质均具有类似水的性质临界点是热力学上的一个奇点，超临界状态下的流体具有与亚临界状态截然不同的属性；在超临界状态下，液体与气体之间的界面已经不复存在，液体的表面张力与蒸发潜热都趋于零，故实际