燃烧学讲义7-液体燃料的燃烧.ppt

第七讲第七讲 液体燃料的燃烧液体燃料的燃烧任课教师：黄镇宇教授任课教师：黄镇宇教授燃烧学讲义燃烧学讲义.7-1 液体燃料的特性液体燃料的特性7-2 液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧7-3 相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧7-4 油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧7-5 油雾火炬的燃烧过程油雾火炬的燃烧过程1234152.一、液体燃料一、液体燃料石油石油7-1液体燃料的特性液体燃料的特性石油中的碳氢化合物和胶状沥青物质石油中的碳氢化合物和胶状沥青物质碳氢化合物碳氢化合物胶状沥青物质胶状沥青物质烷类烷类CnH2n+2环烷类环烷类CnH2n芳香族芳香族CnH2n-6含有含有C、H及及O、S、N的高分子化合物的高分子化合物，其中绝大部分留在石油残渣中。含量，其中绝大部分留在石油残渣中。含量最大一类是是胶状沥青最大一类是是胶状沥青3.二、石油的元素组成二、石油的元素组成7-1液体燃料的特性液体燃料的特性 碳（C）含量占8487%氢（H）含量占1114%氧（O）含量占0.11%氮（N）含量0.2%硫（S）与石油种类有关 金属（极微量）主要有钒、镍、铁、铝、钙、钠、镁、钴、铜等。非金属（极微量）主要有氯、硅、磷、硒、砷等。硫是石油的重要指标之一，越少越好。硫是石油的重要指标之一，越少越好。2%为高硫煤。为高硫煤。4.三、如何炼制石油三、如何炼制石油7-1液体燃料的特性液体燃料的特性即按石油中各组分不同的沸点，将其分成若干馏分，每种馏分包含了沸点相近的各种烃类。5.三、如何炼制石油三、如何炼制石油7-1液体燃料的特性液体燃料的特性温度温度分馏产物分馏产物40180汽油汽油120230重汽油重汽油150300煤油煤油200350柴油柴油剩余的高沸点重质油剩余的高沸点重质油常压重油（塔底常压重油（塔底排出）排出）在常压下在常压下,直接对石油直接对石油加热加热(300325左右左右)分馏分馏,石油中各馏石油中各馏分按其沸点分按其沸点高低先后馏高低先后馏出。出。6.7-1液体燃料的特性液体燃料的特性图图5-1直馏流程图直馏流程图这是燃料油炼制直馏流这是燃料油炼制直馏流程图，在石油化工行业，程图，在石油化工行业，还有其它流程，例如：还有其它流程，例如：生产石蜡的，生产润滑生产石蜡的，生产润滑油的，生产乙烯的等。油的，生产乙烯的等。因不在本课程范围，就因不在本课程范围，就不一一列举了不一一列举了7.四、减压蒸馏的办法四、减压蒸馏的办法7-1液体燃料的特性液体燃料的特性把高沸点的常压重油再加热到把高沸点的常压重油再加热到400以上，是可以继续分馏以上，是可以继续分馏出各种重质油来。出各种重质油来。一般采用更为简单的减压蒸馏的办法一般采用更为简单的减压蒸馏的办法(图图7-2)来提取。来提取。即根据气压降低、沸点下降的原理，把常压重油即根据气压降低、沸点下降的原理，把常压重油加热到加热到400左右送入到减压蒸馏塔中，其中压力左右送入到减压蒸馏塔中，其中压力约在约在0.01MPa以下，这样重油中烃的沸点可降低以下，这样重油中烃的沸点可降低200多，把原来沸点约多，把原来沸点约700以下的各种烃都可以下的各种烃都可分馏出来。分馏出来。8.四、减压蒸馏的办法四、减压蒸馏的办法7-1液体燃料的特性液体燃料的特性塔顶塔顶塔侧塔侧塔底塔底常压重油和减压重油常压重油和减压重油两者统称为直馏重两者统称为直馏重油。油。9.7-1液体燃料的特性液体燃料的特性图图5-2减压蒸馏流程图减压蒸馏流程图10.五、燃油的主要技术特点五、燃油的主要技术特点u凝固点凝固点将燃油冷却，使燃油将燃油冷却，使燃油45倾倾斜，油面一分钟保持不变的温度斜，油面一分钟保持不变的温度u沸点沸点油品从液态转变为气态的温油品从液态转变为气态的温度度u比重比重t时油的重度和时油的重度和4时水的时水的重度之比。重度之比。kr见表见表5-17-1液体燃料的特性液体燃料的特性u发热量发热量油的油的Qnet，ar大约在大约在38.544MJ/kg，不同油品，不同油品，略有不同。一般来说，油越重，略有不同。一般来说，油越重，H越少，发热量也越低越少，发热量也越低问题：为什么柴油车动力问题：为什么柴油车动力比汽油车好？比汽油车好？回答：汽、柴密度不同，回答：汽、柴密度不同，汽油汽油720-740，柴油，柴油820-86011.五、燃油的主要技术特点五、燃油的主要技术特点u比热比热Ct=1.737+0.0025tu粘度粘度粘度分动力粘度粘度分动力粘度和运动粘度和运动粘度二者的关系二者的关系=*常与受力分析挂钩，常与受力分析挂钩，常与运动状态相关。常与运动状态相关。工程上常用恩氏粘度工程上常用恩氏粘度Et度量度量换算关系换算关系t=7.31 Et-6.31/Etu导热系数导热系数u表面张力表面张力7-1液体燃料的特性液体燃料的特性12.六、国产燃料油的主要质量指标六、国产燃料油的主要质量指标7-1液体燃料的特性液体燃料的特性重油牌号以粘度命名重油牌号以粘度命名13.7-1 液体燃料的特性液体燃料的特性7-2 液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧7-3 相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧7-4 油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧7-5 油雾火炬的燃烧过程油雾火炬的燃烧过程12341514.一、液体燃料滴的燃烧一、液体燃料滴的燃烧7-2液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧预预蒸蒸发发型型球球面面燃燃烧烧液液雾雾燃燃烧烧单油滴燃烧是液雾燃烧的基础单油滴燃烧是液雾燃烧的基础15.7-2液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧图图5-3油滴燃烧模型油滴燃烧模型16.二、影响重油燃烧的各种因素二、影响重油燃烧的各种因素7-2液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧1氧氧浓浓度度的的影影响响根部（？）根部（？）缺氧的情况，油气会热分解缺氧的情况，油气会热分解CnHmnC+（1/2)mH2CnHmxC+yH2+Cn-xHm-2y可见：可见：根部缺氧会产生根部缺氧会产生自由氢和自由氢和自由碳自由碳（炭黑）（炭黑）温度越高，热分解越快（温度温度越高，热分解越快（温度增增10，速度增速度增1倍倍）自由碳（炭黑）一旦形成，就无法完全燃烧自由碳（炭黑）一旦形成，就无法完全燃烧（最不利）（最不利）要避免根部缺风。要避免根部缺风。问题：什么叫根部问题：什么叫根部17.二、影响重油燃烧的各种因素二、影响重油燃烧的各种因素7-2液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧1氧氧浓浓度度的的影影响响根部不缺氧的情况，油气会氧化成醇类（根部不缺氧的情况，油气会氧化成醇类（CH3OH）和醛类（和醛类（CH3CHO）然后，氧化成甲醛：然后，氧化成甲醛：CH3OH+（1/2）O2HCHO+H2OCH3CHO+O2HCHO+CO+H2O若此时，若此时，O2耗尽，则甲醛进一步分解为：耗尽，则甲醛进一步分解为：HCHOCO+H21C4H只要只要2O2C4H只要只要3O此过程耗氧很少此过程耗氧很少18.二、影响重油燃烧的各种因素二、影响重油燃烧的各种因素7-2液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧1氧氧浓浓度度的的影影响响若此时，还有部分若此时，还有部分O2，则：，则：HCHO+（1/2)O2CO+H2O如果如果O2充分，则充分，则:HCHO+O2CO2+H2O只要根部不缺只要根部不缺O2，此后不论是否缺，此后不论是否缺O2，都不会都不会产生炭黑（根部风非常重要）产生炭黑（根部风非常重要）19.二、影响重油燃烧的各种因素二、影响重油燃烧的各种因素7-2液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧1氧氧浓浓度度的的影影响响图图5-4氧浓度对燃烧速度的影响氧浓度对燃烧速度的影响残余焦炭的燃烧速度，与残余焦炭的燃烧速度，与O2浓度有较大的关系浓度有较大的关系（5-7）O2浓度越低，燃烧时间越浓度越低，燃烧时间越长，速度越低。长，速度越低。原因：原因：O2扩散速度制约燃扩散速度制约燃烧速度烧速度20.二、影响重油燃烧的各种因素二、影响重油燃烧的各种因素7-2液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧温温度度的的影影响响2着火前，温度高易热解，产生炭黑。不易燃尽；着火前，温度高易热解，产生炭黑。不易燃尽；温度低些，与温度低些，与O2混合后燃烧，可避免炭黑产生。混合后燃烧，可避免炭黑产生。残炭燃烧期，温度高有利燃尽。残炭燃烧期，温度高有利燃尽。加热速度：油滴加热快，会产生爆裂，形成二次雾化，加热速度：油滴加热快，会产生爆裂，形成二次雾化，有利燃尽。有利燃尽。二者有矛盾吗？二者有矛盾吗？理论上可以通过强化传热，充分理论上可以通过强化传热，充分供给供给根部风来解决。实际上这个根部风来解决。实际上这个矛盾是存在的。矛盾是存在的。21.图图5-6流速对油滴燃烧的影响流速对油滴燃烧的影响7-2液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧3风速的影响风速的影响22.二、影响重油燃烧的各种因素二、影响重油燃烧的各种因素7-2液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧风风速速的的影影响响3理想情况下：理想情况下：风速等于零，液滴的蒸发和燃烧风速等于零，液滴的蒸发和燃烧是球对称的；是球对称的；即油滴对称地蒸发，在油滴直径即油滴对称地蒸发，在油滴直径5至至10倍处（环倍处（环境境O2浓度浓度21%）形成一球形燃烧表面；）形成一球形燃烧表面；油滴的燃烧速度主要取决于蒸发速度，燃烧直油滴的燃烧速度主要取决于蒸发速度，燃烧直径取决于径取决于O2的扩散速度；的扩散速度；过程非常复杂，互相影响：过程非常复杂，互相影响：a、环境、环境O2浓度低，使燃烧直径增加浓度低，使燃烧直径增加b、燃烧直径增加，对油滴加热减小，蒸发减慢，、燃烧直径增加，对油滴加热减小，蒸发减慢，使燃烧直径减小。使燃烧直径减小。反之亦然。反之亦然。23.二、影响重油燃烧的各种因素二、影响重油燃烧的各种因素7-2液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧风风速速的的影影响响3实际情况：实际情况：自然对流原因，会出现燃烧球面变自然对流原因，会出现燃烧球面变形；形；有风速时：有风速时：或油滴与气流有相对运动时，油滴或油滴与气流有相对运动时，油滴迎风面上，油气边界层开始变薄；迎风面上，油气边界层开始变薄；被吹至油滴尾部并出现有回流区，一般回流区被吹至油滴尾部并出现有回流区，一般回流区长度为油滴直径的长度为油滴直径的1.21.3倍；倍；风速高时：风速高时：油滴没有火焰，而在油滴后不远处油滴没有火焰，而在油滴后不远处存在火焰；存在火焰；氧浓度越低，越易出现这种现象。氧浓度越低，越易出现这种现象。24.图图5-7相对速度和温度对燃烧速度的影响相对速度和温度对燃烧速度的影响7-2液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧临界风速时：临界风速时：油滴的油滴的蒸发速度出现一个临蒸发速度出现一个临界拐点；界拐点；此时火焰离开油滴，此时火焰离开油滴，油滴温度下降油滴温度下降3风速的影响风速的影响二、影响重油燃烧的各种因素二、影响重油燃烧的各种因素25.二、影响重油燃烧的各种因素二、影响重油燃烧的各种因素7-2液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧从表中可见：温度对油滴蒸发速度的影响也是很明显的从表中可见：温度对油滴蒸发速度的影响也是很明显的26.图图5-8温度、液滴径、氧浓度对火焰临界中断速度温度、液滴径、氧浓度对火焰临界中断速度cr的影响的影响说明：此处的速度说明：此处的速度均指油滴与气流的均指油滴与气流的相对速度相对速度27.二、影响重油燃烧的各种因素二、影响重油燃烧的各种因素u燃料中燃料中碳氢比例碳氢比例(C/H)愈大愈大，在炉内产生的碳黑，在炉内产生的碳黑愈多；愈多；u燃料的燃料的粘度愈小，雾化的颗粒度越细粘度愈小，雾化的颗粒度越细，燃烧越，燃烧越完全。完全。若重油粘度太高若重油粘度太高，可用加热办法来降低，可用加热办法来降低粘度；粘度；u应该指出，出现碳黑烟囱冒黑烟，其危害在于应该指出，出现碳黑烟囱冒黑烟，其危害在于“产生污染产生污染”，对燃烧热，对燃烧热损失并不严重损失并不严重。燃燃料料的的特特性性47-2液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧28.二、影响重油燃烧的各种因素二、影响重油燃烧的各种因素采采用用蒸蒸汽汽雾雾化化，汽汽耗耗率率一一般般均均为为2%以以上上，增增加加部部分分水水蒸蒸汽汽对对燃燃烧烧是是否否有有好好处处?目目前前还还未未有有肯肯定定的的结结论论，一一般般认认为为加加入入部部分分水水蒸蒸汽汽可可以以使使重重油油火炬中碳黑减少，火炬变短，其反应可能如下火炬中碳黑减少，火炬变短，其反应可能如下:特别是特别是低氧燃烧低氧燃烧，容易出现炭黑时，采用蒸汽雾，容易出现炭黑时，采用蒸汽雾化有一定好处，其蒸汽雾化细度往往较机械雾化化有一定好处，其蒸汽雾化细度往往较机械雾化为优，较易适应于低氧燃烧。为优，较易适应于低氧燃烧。5蒸蒸汽汽雾雾化化的的影影响响7-2液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧29.二、影响重油燃烧的各种因素二、影响重油燃烧的各种因素重油中加水的目的重油中加水的目的A.使炉子有适使炉子有适应低氧燃烧应低氧燃烧B.提高燃烧效提高燃烧效率率,节省燃节省燃油油C.减少污染减少污染并不是所有加水燃烧的炉子都能并不是所有加水燃烧的炉子都能同时满足上述三个目的，目前同时满足上述三个目的，目前的实践方向往往主要针对一个的实践方向往往主要针对一个目的进行。目的进行。6重重油油加加水水的的影影响响7-2液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧30.二、影响重油燃烧的各种因素二、影响重油燃烧的各种因素u重油中加入乳化水重油中加入乳化水（一种粒径极微的液滴群）（一种粒径极微的液滴群）；u高温下，水分急剧蒸发：高温下，水分急剧蒸发：a：油滴爆裂，二次雾化；：油滴爆裂，二次雾化；b：蒸发吸热，减缓油滴升温，延迟着火：蒸发吸热，减缓油滴升温，延迟着火（给（给O2混合时间）混合时间）；u有利减少炭黑，提高燃烧效率；有利减少炭黑，提高燃烧效率；u但水不能燃烧，会影响热效率；但水不能燃烧，会影响热效率；重重油油加加水水的的影影响响67-2液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧31.7-1 液体燃料的特性液体燃料的特性7-2 液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧7-3 相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧7-4 油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧7-5 油雾火炬的燃烧过程油雾火炬的燃烧过程12341532.一、相对静止液滴蒸发和燃烧一、相对静止液滴蒸发和燃烧7-3相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧在理想化的在理想化的情况情况下：下：图图5-3油滴燃烧模型油滴燃烧模型33.二、油滴在静止气流中的蒸发二、油滴在静止气流中的蒸发A.燃烧的速度燃烧的速度B.火焰的位置火焰的位置C.火焰的温度火焰的温度最重要的参数最重要的参数取决于蒸发速度取决于蒸发速度k(蒸发常数蒸发常数)蒸发常数蒸发常数k可由已被实验证可由已被实验证实的表达式来确定实的表达式来确定7-3相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧（5-9）考虑油滴的考虑油滴的蒸发与燃烧蒸发与燃烧，着重关注，着重关注34.预备知识预备知识 油滴在静止气流中的低温蒸发油滴在静止气流中的低温蒸发 油滴在油滴在静止气流中的静止气流中的燃烧燃烧 油滴在气流作用下的扩散蒸发油滴在气流作用下的扩散蒸发油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧实际情况的对比实际情况的对比123415油滴燃烧模型的渐进层级油滴燃烧模型的渐进层级6由于油滴燃由于油滴燃烧模型分布烧模型分布在在2节内讲节内讲特意增加这特意增加这张层级表张层级表同学们在内同学们在内容把握上会容把握上会跟不上节奏跟不上节奏35.三、预备知识三、预备知识7-3相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧油燃烧油燃烧雾化成雾滴雾化成雾滴雾滴受雾滴受热汽化热汽化雾滴汽化雾滴汽化平衡温度平衡温度水水、液液、油油混用混用本讲中本讲中123蒸发多用蒸发多用水水、液液燃烧多用燃烧多用油油主要讲解物主要讲解物理概念理概念数学推导由数学推导由学生课后自学生课后自学学油滴燃烧油滴燃烧气相！气相！发生在发生在36.预备知识预备知识 油滴在静止气流中的低温蒸发油滴在静止气流中的低温蒸发 油滴在油滴在静止气流中的静止气流中的燃烧燃烧 油滴在气流作用下的扩散蒸发油滴在气流作用下的扩散蒸发油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧实际情况的对比实际情况的对比123415油滴燃烧模型的渐进层级油滴燃烧模型的渐进层级638.三、液滴的低温蒸发三、液滴的低温蒸发当周围介质的温度与液滴的温度几乎相等时，当周围介质的温度与液滴的温度几乎相等时，即介质温度低于液体燃料的沸点时，即介质温度低于液体燃料的沸点时，蒸发过蒸发过程实际上是一个扩散过程程实际上是一个扩散过程。7-3相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧球坐标下的标准方程是：球坐标下的标准方程是：C是介质浓度，是介质浓度，r为半径，为半径，D为扩为扩散系数散系数（5-10）球体的非稳态导热公式：球体的非稳态导热公式：39.三、液滴的低温蒸发三、液滴的低温蒸发7-3相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧r，C=C0rr0，C=Cs稳定条件下，稳定条件下，得到：得到：5-11积分得：积分得：5-12质量蒸发量：质量蒸发量：5-13采用蒸汽分压的形式：采用蒸汽分压的形式：5-14（兰穆尔公式）（兰穆尔公式）40.四、斯蒂芬四、斯蒂芬(Stefan)流流水面蒸发水面蒸发源、汇的概念源、汇的概念（汽产于（汽产于“源源”而收于而收于“汇汇”）液滴液滴在高温环境下在高温环境下(如在火焰包围下如在火焰包围下)蒸发蒸发，不仅与浓度，不仅与浓度差差有关，还有关，还与液与液滴的周围介质的温差有关滴的周围介质的温差有关。蒸发蒸发过程过程实质上是实质上是传热传质的综合传热传质的综合过程过程。液滴中心相当于液滴中心相当于“汽源汽源”7-3相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧41.四、斯蒂芬四、斯蒂芬(Stefan)流流水面蒸发水面蒸发水水面面蒸蒸发发（续续2）水的蒸发率是水汽总质量流，不是水汽扩散流。水汽总质量流等于水汽扩散流加上混合气整体流动所携带的水汽质量流部分。水的蒸发率在数值上又等于表面处混合气的总质量流，也就是Stefan流。7-3相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧问题：总质量流包括水汽扩散流吗？问题：总质量流包括水汽扩散流吗？42.四、斯蒂芬四、斯蒂芬(Stefan)流流水面蒸发水面蒸发如图所示蒸发面：设在蒸发面上，蒸汽不断蒸发，相如图所示蒸发面：设在蒸发面上，蒸汽不断蒸发，相对浓度为对浓度为Cf，下标，下标s表示在蒸发表面上的参数。下标表示在蒸发表面上的参数。下标0表示在远离蒸发面处的参数表示在远离蒸发面处的参数,下标下标m表示任意点的参数。表示任意点的参数。7-3相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧图图5-15液面蒸发时的浓液面蒸发时的浓度分布度分布蒸发时，在蒸发面处蒸汽蒸发时，在蒸发面处蒸汽的浓度的浓度Cfs由最高往外逐渐由最高往外逐渐减少。相反，其它气体减少。相反，其它气体X(如氧气如氧气)，在蒸发面处的，在蒸发面处的分压力为分压力为pxs。43.四、斯蒂芬四、斯蒂芬(Stefan)流流水面蒸发水面蒸发 Stefan流的数学表达式为：7-3相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧CxsCxoX组分的气体必然向蒸发面扩散组分的气体必然向蒸发面扩散定常流，向内扩散量与向外宏观流量相等。定常流，向内扩散量与向外宏观流量相等。由蒸发、凝结以及因化学反应而增加或减少分子数所引起的物质由蒸发、凝结以及因化学反应而增加或减少分子数所引起的物质源或汇等等原因所引起的宏观性质的物质流就是所谓源或汇等等原因所引起的宏观性质的物质流就是所谓Stefan流。流。其物理意义：X组分的扩散流=x组分宏观流5-1644.四、斯蒂芬四、斯蒂芬(Stefan)流流水面蒸发水面蒸发u由于向内扩散和向外流动数量上由于向内扩散和向外流动数量上大小相等，方向相反，因此从宏大小相等，方向相反，因此从宏观数量上相互抵消。实际上不存观数量上相互抵消。实际上不存在在X组分的宏观流动，真正存在组分的宏观流动，真正存在的流动是燃料蒸汽不断向外蒸发，的流动是燃料蒸汽不断向外蒸发，其数量上为：其数量上为：gf表示蒸发速率表示蒸发速率7-3相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧5-17下标下标s和和m分别表示分别表示“表面表面”和和“任一点任一点”45.四、斯蒂芬四、斯蒂芬(Stefan)流流水面蒸发水面蒸发在液面稳定蒸发时，其质量守恒方程为在液面稳定蒸发时，其质量守恒方程为7-3相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧5-18扩散流的变化扩散流的变化+宏观流动变宏观流动变化化=0物理意义物理意义46.四、斯蒂芬四、斯蒂芬(Stefan)流流水面蒸发水面蒸发推导过程略，参见推导过程略，参见p171很明显当不考虑很明显当不考虑Stefan流的影响时流的影响时7-3相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧5-245-25结果是结果是5-13式：式：gf=-4rsD(Cs-C0)47.五、油滴温度及蒸发浓度的决定五、油滴温度及蒸发浓度的决定要计算蒸发速率要计算蒸发速率gf，要知道表面的燃料蒸汽浓度，要知道表面的燃料蒸汽浓度Cfs；假设蒸发过程温度的变化范围内燃料滴的假设蒸发过程温度的变化范围内燃料滴的蒸发潜热蒸发潜热L为为常数，则按常数，则按Clausius-Clapeyren方程：方程：7-3相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧Ts-液滴表面温度，液滴表面温度，Tk-p压力下液滴沸腾温度压力下液滴沸腾温度5-2748.五、油滴温度及蒸发浓度的决定五、油滴温度及蒸发浓度的决定为了确定燃料滴表面温度为了确定燃料滴表面温度TS，需要能量平衡方程求解，需要能量平衡方程求解,传给燃料滴的热量为：传给燃料滴的热量为：此热量应该是燃料滴的吸热平衡：此热量应该是燃料滴的吸热平衡：Qn为液滴由温度为液滴由温度te升至升至ts时所耗热量：时所耗热量：7-3相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧5-28（蒸发热（蒸发热+温升热温升热-表面汽带走热）表面汽带走热）5-29（导入热（导入热+辐射辐射-汽带走热）汽带走热）5-3049.五、油滴温度及蒸发浓度的决定五、油滴温度及蒸发浓度的决定7-3相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧推导过程略，参见推导过程略，参见p173得到用表面温度表达得到用表面温度表达的液滴蒸发公式的液滴蒸发公式5-445-39并将并将5-39简化为简化为50.五、油滴温度及蒸发浓度的决定五、油滴温度及蒸发浓度的决定Spalding把系数把系数B称为无因次迁移势差或称为传质数称为无因次迁移势差或称为传质数B值的物理意义值的物理意义通常传热是靠温差发生迁移，传质是靠浓度梯度产生物通常传热是靠温差发生迁移，传质是靠浓度梯度产生物质迁移，但在蒸发和燃烧过程中，出现了质迁移，但在蒸发和燃烧过程中，出现了Stefan流后，流后，就需用无因次迁移势来考虑，只有当就需用无因次迁移势来考虑，只有当Brc时，O2的质量守恒方程式5-89和通过火焰rc向油滴加热的能量方程式5-95稳态时，在火焰面向内和向外导出热量=化学反应热5-96Tg的确定7-3相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧60.八、油滴在静止气流中的扩散燃烧油滴在静止气流中的扩散燃烧油滴的发热量Qnet用于油滴的加热、蒸发、使油气从Ts升温到Ta（Ta为理论燃烧温度）、燃烧所需空气y/Co2(kg)从温度T0升至Ta，即：5-99将上几式联立求解，并简化，得到：5-96 这是反应瞬时完成得到的结果，实际上火焰燃烧是在一定厚度的容积内反 应Tg的确定7-3相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧61.八、油滴在静止气流中的扩散燃烧油滴在静止气流中的扩散燃烧令5-94和5-104rc的确定5-87相等并整理，得7-3相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧62.八、油滴在静止气流中的扩散燃烧油滴在静止气流中的扩散燃烧将Tg和rc代入式5-87，并令与式5-53相等，得：即5-106a燃烧速度和燃尽时间的确定5-105其中：5-1057-3相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧63.八、油滴在静止气流中的扩散燃烧油滴在静止气流中的扩散燃烧这样：油滴燃烧时间：燃烧速度和燃尽时间的确定5-107油滴完全燃烧时间：7-3相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧64.7-1 液体燃料的特性液体燃料的特性7-2 液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧7-3 相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧7-4 油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧7-5 油雾火炬的燃烧过程油雾火炬的燃烧过程12341565.预备知识预备知识 油滴在静止气流中的低温蒸发油滴在静止气流中的低温蒸发 油滴在油滴在静止气流中的静止气流中的燃烧燃烧 油滴在气流作用下的扩散蒸发油滴在气流作用下的扩散蒸发油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧实际情况的对比实际情况的对比123415油滴燃烧模型的渐进层级油滴燃烧模型的渐进层级666.一、折算薄膜理论一、折算薄膜理论7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧折算薄膜理论折算薄膜理论u把一个真实的三维轴对称的对把一个真实的三维轴对称的对流传热、传质问题转化为一个流传热、传质问题转化为一个假想的假想的等值球对称的导热与扩等值球对称的导热与扩散问题。散问题。不考虑蒸发和燃烧，实现等值球转化；不考虑蒸发和燃烧，实现等值球转化；不考虑对流的存在，研究假象球的球壳内的不考虑对流的存在，研究假象球的球壳内的蒸发和燃烧。蒸发和燃烧。第一步第一步第第二二步步67.图图5-6流速对油滴燃烧的影响流速对油滴燃烧的影响7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧一、折算薄膜理论一、折算薄膜理论u右边的火炬呈非球型火炬，右边的火炬呈非球型火炬，外面的轮廓线表示火焰的外面的轮廓线表示火焰的锋面；锋面；u假设气流的作用仅仅影响假设气流的作用仅仅影响火炬的形状；火炬的形状；u火炬锋面内部，是油滴蒸火炬锋面内部，是油滴蒸发的发的stefan流为主；流为主；u虽然这个假设很粗糙，但虽然这个假设很粗糙，但通过这个假设，可以把不通过这个假设，可以把不规则的火炬形状简化为球规则的火炬形状简化为球形火炬；形火炬；68.图图5-28在气流作用下油滴的燃烧模型在气流作用下油滴的燃烧模型7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧一、折算薄膜理论一、折算薄膜理论u这样在液滴周围就形这样在液滴周围就形成二个边界；成二个边界；u一个是流动折算膜边一个是流动折算膜边界界rsup；u另一个是燃烧火焰锋另一个是燃烧火焰锋面半径面半径rc；u因为燃烧过程在因为燃烧过程在=1的面上进行，所以的面上进行，所以rcrsup；u当气流速度增加时，当气流速度增加时，rc和和rsup同时减少。同时减少。69.二、油滴在气流作用下的蒸发二、油滴在气流作用下的蒸发油滴在静止状态下的热平衡：油滴在静止状态下的热平衡：7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧5-565-57物理意义：对流传热表达为导热传热物理意义：对流传热表达为导热传热当和气流有相对速度时，但不考虑蒸发时，用折算薄膜当和气流有相对速度时，但不考虑蒸发时，用折算薄膜边界来替代边界来替代其中其中t0和和tp-折算边界层温度及油滴温度折算边界层温度及油滴温度70.二、油滴在气流作用下的蒸发二、油滴在气流作用下的蒸发简化上述方程：简化上述方程：7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧5-585-59当当rsup，得到，得到Nu=2。即微小液滴在静止气流中的传。即微小液滴在静止气流中的传热热Nusselt准则极限值。准则极限值。由于实际有燃烧过程，要求将油雾化成极细的雾滴，由于实际有燃烧过程，要求将油雾化成极细的雾滴，这样就简化了问题。这样就简化了问题。这就是前面说的这就是前面说的“第一步第一步”，至此，我们没有考虑蒸，至此，我们没有考虑蒸发和燃烧。发和燃烧。71.二、油滴在气流作用下的蒸发二、油滴在气流作用下的蒸发实际上油滴燃烧过程存在实际上油滴燃烧过程存在stefan流，将式流，将式5-59代入式代入式5-39：7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧5-395-59并将并将rs用用1/(1/rs-1/rsup)代入，得到：代入，得到：72.热平衡时，热平衡时，Qn=0，忽略辐射热，忽略辐射热，Qf=0。边界条件为：。边界条件为：r=rs:t=tk，Cf=Cfsr=rsup:t=t0，Cf=C二、油滴在气流作用下的蒸发二、油滴在气流作用下的蒸发可见，确定了可见，确定了Nu，即可确定油滴的蒸发速度。确定，即可确定油滴的蒸发速度。确定Nu数的数的最有效的方法是通过实验确定，下面通过质量守恒和能量最有效的方法是通过实验确定，下面通过质量守恒和能量守恒来求解。守恒来求解。假定温度梯度主要存在于油滴折算边界层内，能量平衡方假定温度梯度主要存在于油滴折算边界层内，能量平衡方程式为：程式为：7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧5-6173.二、油滴在气流作用下的蒸发二、油滴在气流作用下的蒸发经过一系列的推导（过程略，参见经过一系列的推导（过程略，参见p177），得到：），得到：7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧5-795-73而折算薄膜半径表达式为：而折算薄膜半径表达式为：随着气流速度的增加，随着气流速度的增加，Re数增加，数增加，Nu也增加，折算薄膜也增加，折算薄膜半径半径rsup就减小就减小74.预备知识预备知识 油滴在静止气流中的低温蒸发油滴在静止气流中的低温蒸发 油滴在油滴在静止气流中的静止气流中的燃烧燃烧 油滴在气流作用下的扩散蒸发油滴在气流作用下的扩散蒸发油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧实际情况的对比实际情况的对比123415油滴燃烧模型的渐进层级油滴燃烧模型的渐进层级675.三、油滴在气流作用下的扩散燃烧三、油滴在气流作用下的扩散燃烧油气向外扩散油气向外扩散O2向内扩散向内扩散燃烧在一个球火焰面上完成燃烧在一个球火焰面上完成7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧火焰面上火焰面上Cfc=CO2=0产生的热量部分传给油滴产生的热量部分传给油滴与油滴在静与油滴在静止气流中燃止气流中燃烧一样烧一样新增新增流动折算边界层厚度流动折算边界层厚度rsup燃烧折算边界层厚度燃烧折算边界层厚度rcrcrsup76.三油滴在气流作用下的扩散燃烧三油滴在气流作用下的扩散燃烧类似于液滴在静止气流中的蒸发速率式类似于液滴在静止气流中的蒸发速率式5-94，将外边界层从将外边界层从变为变为rsup，就得到：，就得到：127-4油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧5-1135-114同样可以得到油滴在气流中的燃烧速度为：同样可以得到油滴在气流中的燃烧速度为：77.三油滴在气流作用下的扩散燃烧三油滴在气流作用下的扩散燃烧将式将式5-113和式和式5-114联立求解，并根据一些实联立求解，并根据一些实验数据修正，合理近似简化，得到油滴燃烧时验数据修正，合理近似简化，得到油滴燃烧时的蒸发速度：的蒸发速度：7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧5-117和液滴在气流中蒸发公式相比，在燃烧中，和液滴在气流中蒸发公式相比，在燃烧中，用温差（用温差（Tg-Ts）代替（）代替（T0-Ts）。）。78.三油滴在气流作用下的扩散燃烧三油滴在气流作用下的扩散燃烧其中其中Kw-有气流作用下的油滴燃烧常数，为：有气流作用下的油滴燃烧常数，为：7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧5-119对于重油、渣油等燃烧过对于重油、渣油等燃烧过程中，滴径变化小，密度程中，滴径变化小，密度变化大的液滴，其燃烧时变化大的液滴，其燃烧时间为：间为：及及5-1205-12179.预备知识预备知识 油滴在静止气流中的低温蒸发油滴在静止气流中的低温蒸发 油滴在油滴在静止气流中的静止气流中的燃烧燃烧 油滴在气流作用下的扩散蒸发油滴在气流作用下的扩散蒸发油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧实际情况的对比实际情况的对比123415油滴燃烧模型的渐进层级油滴燃烧模型的渐进层级680.图图5-29燃烧区有一定厚度时油燃烧区有一定厚度时油滴的燃烧模型滴的燃烧模型7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧四、实际与理论的偏差四、实际与理论的偏差燃烧不是瞬间完成，有燃烧不是瞬间完成，有一个反应区；一个反应区；Cf=0和和Co2=0不在同一个不在同一个位置；位置；因辐射和导热传热，反因辐射和导热传热，反应区应区TgTa；1、燃烧区有厚度、燃烧区有厚度81.7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧四、实际与理论的偏差四、实际与理论的偏差二个原因：二个原因：1、燃烧区有厚度、燃烧区有厚度原因一：混合问题原因一：混合问题1、油气和、油气和O2的反应的反应很快，中间区域浓度很快，中间区域浓度已经很低；已经很低；2、分子扩散模式，混、分子扩散模式，混合相对较慢合相对较慢原因二：活化能原因二：活化能1、化学反应要有一定的活化、化学反应要有一定的活化能；能；2、不是每个分子都是高活化、不是每个分子都是高活化能；能；3、蒸发活化能可以认为是分、蒸发活化能可以认为是分子的动能大；子的动能大；4、反应活化能可以认为是才、反应活化能可以认为是才能彼此打开各自的分子结构。能彼此打开各自的分子结构。82.7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧四、实际与理论的偏差四、实际与理论的偏差2、未考虑湍流影响、未考虑湍流影响湍流增加湍流增加混合区域增加混合区域增加风速增加风速增加燃烧温度下降燃烧温度下降火焰变形火焰变形火焰脱离火焰脱离圆球状火焰圆球状火焰熄火熄火风速增加风速增加风速再增加风速再增加风速再增加风速再增加83.7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧四、实际与理论的偏差四、实际与理论的偏差3、燃重质燃料油时，、燃重质燃料油时，Tk会变，密度会变，直径不按线性规会变，密度会变，直径不按线性规律变化律变化会引起油滴升温，油蒸发量减少；会引起油滴升温，油蒸发量减少；4、油滴燃烧会出现膨胀，出现一段直径增加的阶段、油滴燃烧会出现膨胀，出现一段直径增加的阶段84.图图5-32半径平方与时间关系（燃烧时）半径平方与时间关系（燃烧时）7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧应该说基本上是符合应该说基本上是符合直线规律的，但已明直线规律的，但已明显偏离直线规律。显偏离直线规律。5、半径平方与时间不成完全、半径平方与时间不成完全线性关系线性关系85.液滴受各种外力的作用各种外力的作用(如重力、阻力、转动引起的Maguus升力、压力梯度力、热泳力等)其行为就更显复杂更显复杂，液滴，液滴会变形。会变形。考虑稳态阻力作用考虑稳态阻力作用，液滴速度衰减很快。，液滴速度衰减很快。较小的液滴，相对速度很快较小的液滴，相对速度很快0；较大的液滴，以较大的液滴，以50%的初速的初速继续运动。继续运动。7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧四、实际与理论的偏差四、实际与理论的偏差6、未考虑油滴与空气相对速度变化、未考虑油滴与空气相对速度变化86.图图5-34不同尺寸的液滴在其运动轨迹上速度的减小情况不同尺寸的液滴在其运动轨迹上速度的减小情况7-4油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧87.7-1 液体燃料的特性液体燃料的特性7-2 液体燃料滴的燃烧液体燃料滴的燃烧7-3 相对静止液滴蒸发和燃烧相对静止液滴蒸发和燃烧7-4 油滴在气流作用下的扩散燃烧油滴在气流作用下的扩散燃烧7-5 油雾火炬的燃烧过程油雾火炬的燃烧过程12341588.一、油雾火炬的燃烧过程一、油雾火炬的燃烧过程燃油火炬燃烧过程描述及组织燃油火炬燃烧过程描述及组织燃油火炬燃烧的物理模式燃油火炬燃烧的物理模式7-5油雾火炬的燃烧过程油雾火炬的燃烧