工程燃烧学,张启波,液体燃料燃烧的一般特征,液体燃料由于运输，储存方便，热值高，易操作控制，污染少，广泛应用于交通运输、化工、冶金、动力部门液体燃料燃烧的着火温度远高于它的沸点温度（如汽油，干点温度200ºC，着火温度780K） 燃料的活化能远大于气化热(如汽油，1281335 kJ/kg) 因此，液体燃料总是先蒸发后着火的，即燃烧总是在气态下进行的 汽油机为准预混合的燃烧柴油机以扩散燃烧为主 提高扩散速度是提高扩散火焰燃烧的关键工程上采用压力喷射法如柴油机，为200MPa，实现细化柴油机扩散燃烧过程的几个阶段,滞燃期I：混合、焰前反应,急燃期II：多点着火燃烧,缓燃期III：扩散速度控制,后燃期IV：残余混合气 燃烧，对发动机性能不利,第七章 液体燃料的燃烧技术,§7-1 液体燃料的雾化 §7-2 雾化燃烧的过程 §7-3 燃油喷咀 §7-4 液体燃料燃烧装置 §7-5 液体燃料喷咀的设计计算,,,,,,第一节 液体燃料的雾化,§7-1 液体燃料的雾化,燃烧方法： 液体燃料雾化燃烧经历雾化、蒸发、混合、着火和燃烧几个阶段雾化目的：增大液滴的比表面积，加快蒸发速率 燃烧速率取决于蒸发速率蒸发表面积减小滴径雾化 本节主要包括以下内容： 一、雾化方法 二、雾化机理 三、雾化质量指标,,,,§7-1 液体燃料的雾化,一、雾化方法,常用的雾化方法有： 1、机械式-压力式 2、气动式-介质式 3，其它方法,,,,1、机械式雾化,利用油压从喷孔高速喷出，或以旋转方式使油流加强扰动而使油得到雾化。
压力越高，雾化越好，油压一般为1~5MPa， 甚至更高 分直流式、离心式、转杯式三种 利用转杯高速旋转产生的离心力将油流雾化转杯速度一般为3000~6000rpm(转/分）,,,2、气动式-介质式,利用空气或蒸汽作为雾化介质，将喷出的油流雾化分高压、中压、低压三种方式 高压：雾化介质压力在1 105 pa以上，一般使用蒸汽压力要高； 中压：雾化介质压力在1 104 ~ 1 105 pa； 低压：雾化介质压力在3 103 ~ 1 104 pa3、其它方法,对冲式：利用两股高速液体射流互相冲击，或一股高速射流与金属板冲击进行雾化 震动式：利用声波、超声波等作用，使液体震动、分裂而雾化二、雾化过程（机理）,是一物理过程，机理很复杂 主要是油滴受外界空气动力-外力(包括阻力、拉伸力)和液体燃料内力(表面张力和粘性力)相互作用的结果 外力的作用促使油滴扭曲变形，在紊流作用下，凸出部分会脱离油滴主体，分裂成小油滴 外力包括：油压形成的向前推进的力、空气阻力和油粒的重力内力作用是力图阻止扭曲变形，使其保持完整性 因此，当外力超过内力作用时，油滴分裂，一直分裂到各油滴内力与外力达到平衡为止。
二、雾化过程（机理）,雾化的过程实际上就是外力、内力逐渐平衡的过程,例如离心式机械喷咀喷出的油膜上存在两组扰动波第一组沿射流方向发展，第二组沿切线方向发展，它与第一组波相垂直，具有横向运动的特点，这组波力图把油膜分裂成为由喷咀轴线向外分散的扇形射流，并出现环圈状的分裂这种环圈是一种不稳定的运动形式在外力作用下，分裂成液滴随着相对运动速度的增大，不稳定扰动的波长缩短，环圈厚度变薄，获得较细的油滴二、雾化过程（机理）,三、雾化质量指标,1、喷雾锥角（雾化角） 2、喷雾射程 3、燃料的分布特性 4、雾化颗粒细度-平均颗粒 5、雾化颗粒的均匀度 6、雾化颗粒尺寸分布特性,,,,,,,1、喷雾锥角（雾化角）,喷雾锥角： 喷咀出口到喷雾矩外包络线的两条切线之间的夹角，称为雾化角 条件雾化锥角： 以喷口为中心，L为半径的圆弧与外包络线的交点与喷口中心联线的夹角用ij表示L=100mm的条件雾化锥角用100 表示 喷雾锥角对燃烧的影响： 根据燃烧室大小和混合条件决定 (1)燃料与空气不易均匀混合时， 取大一些 这样便于吸入空气，改善颗粒细度1、喷雾锥角（雾化角）,问 题： 过大，燃料会喷射到燃烧室壁面上，造成积灰和结焦。
(2)对小型燃烧室，雾化角不宜过大(500~800) (3)雾化角不宜过小， 当过小时，中心易产生缺氧，形成热分解1、喷雾锥角（雾化角）,2、喷雾射程,喷雾射程： 是指水平方向喷射时，喷射液滴丧失动能时 所能到达的平面与喷口之间的距离 (1)雾化角大和雾化很细的喷雾矩，射程短 (2)密集的喷雾矩，射程长3、燃料的分布特性,燃料的分布特性是指在射流某截面上燃料流量密度沿径向的变化规律 流量密度：单位面积和单位时间内喷射的油量，g/cm2s、cm3/cm2s 燃料的分布特性与喷咀结构、喷射参数有关4、雾化颗粒细度,雾化颗粒细度表示喷雾液滴粗细的程度，采用平均滴径概念 常用的平均粒径有： (1) 索太尔(Sauter)平均直径(SMD) (2) 质量中间直径(MMD),(1)索太尔(Sauter)平均直径(SMD),按平均直径ds计算的液滴群的总体积与总表面积的比值，恰好和实际液滴群的总体积与总表面积的比值相等，即：,(1)索太尔(Sauter)平均直径(SMD),,,(2)质量中间直径(MMD),质量中间直径d0：是一假定直径，即指大于该直径的所有油粒的总质量等于小于该直径的所有油粒的总质量的液滴直径。
最大直径：是指R=5%所对应的液滴的尺寸 试验表明，最大滴径约为中间直径的两倍 雾化液滴的直径，不宜过粗(烧尽时间长，燃烧速度慢)，也不宜过细(穿透力小，形成燃料过浓、过稀区，燃烧不稳定)3)影响油粒平均直径的影响因素,包括：喷嘴结构参数、油的性质参数和工况参数P141 油的性质参数：油温的影响，T提高可以显著降低油的粘度，表面张力也有所减少，可以改善雾化质量； 雾化剂压力和流量的影响：提高雾化剂压力，雾化剂喷出速度将提高，相对速度对雾化直径影响很到，相对速度越大，雾化直径越小 油压的影响：油压决定油的流程速度使用低压雾化剂时时，油压不宜太高，否则油流会穿过雾化剂，得不到良好的雾化高压雾化剂时，油压不宜太低，否则会封嘴对于采用机械式雾化，油压越大，雾化后颗粒的平均直径越小3)影响油粒平均直径的影响因素,包括：喷嘴结构参数、油的性质参数和工况参数P141 喷嘴结构参数：烧嘴结构对雾化质量影响很大，主要包括：雾化剂和油的出口断面；雾化剂和油的交角；旋转角度；雾化剂和油相遇位置等5、雾化颗粒的均匀度,雾化颗粒的均匀度：指雾化后液滴颗粒尺寸的均匀程度 液滴间尺寸差别越小，雾化颗粒均匀度越好 雾化颗粒越均匀越好。
6、雾化颗粒尺寸分布特性,雾化颗粒尺寸分布特性描述液滴直径的分布情况一般是指某一滴径的液滴数量或质量占总液滴数量或质量的百分比，可用数学表达式来描述常用的有： Rosin-Rammler(罗辛-朗姆勒）公式,6、雾化颗粒尺寸分布特性,,6、雾化颗粒尺寸分布特性,,6、雾化颗粒尺寸分布特性,(4)当 一定时，h越大，表明喷雾越均匀 (5)实际的尺寸分布与R-R关系有一定的差距：按R-R关系， ，但实际,,第二节 雾化燃烧的过程,§7-2 雾化燃烧的过程,在工程上，液体燃料的燃烧广泛采用雾化燃烧本节主要介绍以下内容： 一、雾化燃烧过程的组织 二、低质燃料油(渣油，重油)的燃烧 三、乳化燃烧,,,,雾化燃烧经过雾化，蒸发，热解和裂化、混合，着火和燃烧等几个阶段一、雾化燃烧过程的组织,一、雾化燃烧过程的组织,稳定、高效雾化燃烧的条件(主要是控制雾化和混合过程)： 1、保证雾化质量良好 2、油雾与空气混合好 雾化应看作燃烧的先决条件，混合过程也同样重要 稳定和强化重油燃烧的三个基本途径：①改善雾化质量；②供给适量的空气，强化空气与油雾的混合；③保证点化区域和燃烧室的高温一、雾化燃烧过程的组织,1、保证雾化质量良好,要保证雾化质量，必须使雾化颗粒度小，均度好。
雾化好蒸发速率燃烧速率 影响雾化质量的因素： (1)、喷咀结构 (2)、喷油压降 (3)、油的物理性质 (4)、雾化介质的物理性质,,,,,(1)、喷咀结构,结构参数、型式及加工质量对雾化质量影响很大如对离心式机械喷咀，油离开喷嘴时切向速度和径向速度的比值大小对雾化质量有决定性的影响切向速度增大，喷雾锥角增大，射程缩短，卷吸的空气量大，雾化颗粒细度较小2)、喷油压降,提高喷嘴前后压差，可以提高喷油速度，增大喷油量对离心机械喷咀，油压越高，雾化越细油压增加，喷雾锥角增大，但油压也不能过高，否则喷雾锥角反而略有下降 使用低压雾化剂时时，油压不宜太高，否则油流会穿过雾化剂，得不到良好的雾化高压雾化剂时，油压不宜太低，否则会封嘴3)、油的物理性质,影响雾化质量的油的物理性质主要是粘度和表面张力粘度影响最大 提高温度，可以降低粘度和表面张力（降低不大），使雾化质量提高 对离心式机械喷嘴：雾化初始段黏度影响起决定作用；雾化中期，表面张力起主要作用；雾化后期，黏度和表面张力同时起作用4)、雾化介质的物理性质,对采用雾化介质的喷嘴，雾化介质的喷出速度、温度和流量对雾化质量有影响 雾化介质的流速越高，雾化介质和油流的相对速度越大，雾化越细。
增大雾化介质流量，雾化质量变好2、油雾与空气混合好,每千克重油燃烧需要大约10m3以上的空气，需求量大 雾化后油滴或油雾与空气的混合对雾化燃烧有非常重要的影响合理地组织空气流动，加强油雾与空气的混合过程是强化雾化燃烧，以及提高燃烧完全度的一个关键 如果混合速度慢，则火焰拉长，且容易形成不完全燃烧产物雾化燃烧时空气组织的基本原则,(1)早期混合要强烈 (2)有一个合适的回流区 (3)加强后期混合 (4)合理组织空气 (5)燃烧空间有较高的温度水平,,,,,,(1)、早期混合要强烈,由于油雾在缺氧、高温情况下，会发生热分解，生成难燃的炭黑因此，在喷嘴出口到着火之前必须有一部分空气与油雾先混合，而且混合速度要尽可能快 同时要注意空气流和油雾流的扩散角的配合2)、有一个合适的回流区,回流区的大小和位置对着火燃烧有影响，回流区过大，易烧坏喷咀，且不利早期混合，使燃烧恶化；回流区过小，或位置太后，则会推迟着火，火焰拉长，增大不完全燃烧损失 通常用旋转射流或钝体来稳定火焰3)、加强后期混合,由于离开喷嘴的油雾分布不均匀，在油滴集中处易缺氧，产生不完全燃烧产物为了使未完全燃烧产物在炉内完全燃烧，需要加强油滴和空气的混合，因此，应很好的组织空气射流，加强后期混合。
一般用提高二次风速度可加强后期混合4)、合理组织空气,空气流的组织一般通过调风器来实现调风器主要由稳焰器和调风器叶片构成，稳焰器的作用是稳定火焰防止火焰吹脱 稳焰器有旋流器型和稳焰板型两大类 调风器叶片有固定式和可变式两种4)、合理组织空气,,,(5)、燃烧空间有较高的温度水平,保持燃烧空间有较高的温度水平，以保证着火稳定和燃烧完全,,二、低质燃料油的燃烧,低质燃料油燃烧的一些问题 解决低质燃料油燃烧问题的措施,低质燃料油燃烧的一些问题,低质燃料油(重油、渣油)分子结构复杂，粘度大，沸点高，挥发性差，因此，其燃烧存在一些问题： 1、生成不完全燃烧产物 2、喷咀积炭 3、结垢 4、腐蚀,,,,,1、生成不完全燃烧产物,不完全燃烧产物主要是碳黑，还会产生积灰、结焦 (1)渣油属高分子碳氢化合物，在高温缺氧条件下，发生热解，生成不易燃尽的碳黑，常常冒黑烟 (2)渣油粘度大，雾化质量差，油滴大不易烧尽，并积存在壁面上，形成积炭、结焦2、喷咀积炭,喷咀出口处积炭，结焦使燃料和气流受阻，喷雾质量变坏，在气流冲刷作用下会造成周期性的积炭，脱落及生长3、结垢,渣油中含有各种金属元素，在燃烧过程它们形成金属氧化物，低熔点的灰分容易粘结在受热面上形成结垢。
4、腐蚀,由于渣油中含有较多的S，燃烧时形。