燃烧学-第六章-液体燃料的燃烧.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,燃 烧 学,第6章,液体燃料的燃烧,6.1 Stefan流,一、斯蒂芬流定义,在液体或固体燃料燃烧过程中，气体与燃料的接触存在相界面（异相反应），燃料加热气化或燃烧过程中的气体为多组分气体，这些气体在燃料界面附近产生浓度梯度，形成各组分相互扩散的物质流，只要在相界面上存在物理或化学变化（如蒸发或燃烧过程），而且这种变化在不断产生或消耗物质流，这种物理或化学变化过程与气体组分的扩散过程的综合作用下，在相界面法线方向产生一股与扩散物质流有关的总质量流，是一股宏观物质流动。这一现象是Stefan在研究水面蒸发时首先发现的，故称Stefan流。,二、水蒸发时的斯蒂芬流,在相界面处有：,式中，,J,1,0,为界面处水蒸气的扩散流；,D,0,为分子扩散系数；,r,0,为气体平均密度；,导数项 为界面上水蒸气沿水面法线方向的浓度梯度。,0,因此水蒸气的扩散是流向水面上方。,二、水蒸发时的斯蒂芬流,二、水蒸发时的斯蒂芬流,三、碳燃烧时的斯蒂芬流,二、碳燃烧时的斯蒂芬流,6.2液体燃料燃烧的特点,二、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，总是燃烧其蒸气,燃烧过程分为三步：,蒸发：较慢,混合：油蒸汽与氧相互扩散，较快,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,C,m,H,n,xC,+,yH,2,+,C,m-x,H,n-2y,缺氧,三、喷雾型燃烧的要点,蒸发良好,供氧充分,一、静止气流中的油滴特点,二、油滴蒸发模型,二、油滴蒸发模型,忽略气体和油滴间的相对流速，油滴为球形，其半径为,r,0,，油滴的蒸发、燃烧都以球对称进行，故燃烧时的火焰锋面为同心球面。,由于油滴表面温度,T,0,比环境温度低使外界热量向油滴表面传递，并忽略辐射传热。油滴内部的中心温度为7”，以导热方式向油滴内部传递热量。,燃料蒸气在表面处的浓度,f,fs,大于环境中的浓度,f,f,，故燃料蒸气由y油滴表面向火焰面方向扩散，空气出外向表面方向扩散，油滴表面处的蒸发流为,r,0,v,0,，油滴内部燃料浓度,f,f0,为常数。,蒸发、燃烧过程为定压、准稳定场(忽略界面内移的影响)。,设环境温度比燃料沸点温度高得多，油滴表面温度,T,0,略低于沸点温度,T,b0,。,基本方程,各组分边界条件,物理量变换,重新整理边界条件,基本方程变换为,求解,积分,求解蒸发时间,结果,6.4液滴的燃烧,液滴的燃烧模型,单个液滴的燃烧模型，假设：,液滴为均匀对称球体；,液滴随风飘动，与空气间无相对运动；,燃烧及快，火焰面薄；,火焰温度较高，向内向外同时传热，液滴表面温度接近饱和温度，燃烧温度等于理论燃烧温度；,忽略对流与辐射换热；,忽略液滴周围的温度场不均匀对热导率和扩散系数的影响；,忽略斯蒂芬流。,r,1,r,0,C,0,T,r,T,0,r,dr,液滴燃烧模型,推导液滴燃烧时间和液滴尺寸的关系,对于半径为,r,的球面，由热量平衡可知：,将上式改写，自液滴表面（,r,0,和,T,0,）到火焰锋面（,r,1,和,T,r,）积分,导热率,油的流量,油滴表面温度，假设等于油的饱和温度,油的气化潜热,液滴燃烧模型,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,4,p,r,2,D,d,C,/d,r,=,b,q,m,式中：,D,氧的分子扩散系数；,C,氧的浓度；,b,氧与油的化学计量比。,将上式改写，在无穷远处和火焰锋面之间积分，得：,4.3液滴燃烧模型,消去,r,1,，得：,式中，,r,r,油密度；,d,液滴直径,则：,4.3液滴燃烧模型,另一方面，液滴燃烧过程中直径不断减小,燃尽时间,或者改写为,联立后得到,4.3液滴燃烧模型,上式称为液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：,4.4液雾燃烧,一、液雾的燃烧,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,有必要掌握液雾燃烧的基本概念,了解液雾燃烧过程中配风的基本原则,二、液雾燃烧的特点,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,液滴内温度较低，表面温度未达到饱和温度，升温吸热不能忽略,液滴强烈蒸发，燃烧，在界面上产生向外的质量流，斯蒂芬流，不能忽略,液雾燃烧时，液滴相互靠近，互相传热，同时妨碍氧气扩散，一般使燃烧速度变慢,小液滴易燃尽，大液滴不易燃尽,三、油雾的燃烧规律,轻质油基本符合直径平方直线定律,重质油（重油）燃烧时首先受热产生碳黑壳，接着内部气化、膨胀、破裂，再燃烧，但最终总结果，燃尽时间基本符合直径平方直线定律关系,d,2,t,(,s),重油,柴油,理论,四、液体的雾化,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,雾化原理,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：油流高速旋转，脉动而破裂，同时与介质作用，加强雾化。,四、液体的雾化,影响雾化的因素,油本身压力：油压高，流出速度高，雾化好,介质压力：介质压力高，冲击力强，脉动大，雾化好,雾化喷嘴：喷嘴小，油膜薄，雾化好,旋转强度：旋转强，油膜薄，雾化好,油性质：粘度小，雾化好（油温高，粘度小）,四、液体的雾化,雾化指标,雾化细度,质量平均当量直径,索太尔平均当量直径,上式中，,d,i,液滴粒径,m,i,直径为,d,i,液滴对应的质量,n,i,直径为,d,i,液滴对应的个数,4.4.3液体的雾化,雾化指标,雾化均匀度,定义雾化后液滴直径分布函数,上式中，,S,g,液滴总质量,g,x,大于某个直径,x,的液滴的质量,由试验得到,上式中，,d,0,对应于,R,0,=36.8%的液滴直径,n系数，称为均匀性指数，或均匀度,4.4.3液体的雾化,d,(,m,m),R,100,0,50,100,200,300,400,雾化液滴粒度分布,4.4.3液体的雾化,雾化指标,雾化角,出口雾化角：在喷口出口处做雾化锥外边界切线，两切线间夹角的一半为出口雾化角,条件雾化角：以喷口中心线为圆心，距离,x,为半径（通常为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的一半称为条件雾化角,出口雾化角,2,a,1,条件雾化角,2,a,2,F,五、强化油燃烧的途径,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,及时、适量供风,及时供风，避免高温、缺氧造成燃料热分解,适量供风，提高燃烧效率,供风原则,少量一次风送入火焰根部，在着火前与燃料混合，防止油在高温下热分解,燃烧中保证油雾与空气强烈混合，气流雾化角与油雾扩散角相适应,保证后期混合，提高风速，使射流衰减变慢,在着火区制造适当的回流区，保证着火,