燃烧学西安交大液体燃料的燃烧课件.pptx

1、石油化工工艺过程中分离出来的渣油等统称为重油.燃料油的化学组成是烃类，烃集聚于液相，燃烧时蒸发成蒸汽，烃蒸汽与空气中氧形成扩散火焰。雾化是液体燃料燃烧最经济、高效的途径。雾化烃蒸汽转化为气体燃料，符合上一章的规律。气体燃烧是单相燃烧，液体燃烧时助燃体为气体，但燃料为液相。第一节雾化 一、机械雾化器一、机械雾化器 液体切向进入漩涡室，高速旋转并由中心孔喷出。设计方法：“最大流量理论”+一定的修正 漩涡室流动为势位流动，因此：w r 常数一、机械雾化器一、机械雾化器 0rwR w假设油无粘性，则根据动量矩守恒定律：式中：r某一点半径；R切向进口槽中心线所处切圆半径；某一点切向速度；切向进口槽的流速

2、。w0w 势位流动中，伯努利定律可对任一点切向速度适用：22wp常数式中：p某点的静压：油的密度。（4-2）一、机械雾化器一、机械雾化器 假设油无粘性，因此伯努利定律对任一点都适用；在喷口处，油的径向速度为零。2222zwwp 常数（4-3）根据式（4-2）和式（4-3）可知对喷孔出口截面上各点轴向速度数值是均匀的，即：wz=常数一、机械雾化器一、机械雾化器 油的流动截面喷孔截面积 喷孔势位流动的中心处是一个空气漩涡，其直径是根据最大流量的原则来确定的。根据最大流量原则，就可以定出喷孔截面上扣除空气漩涡后的充满度：0312r RAAf，或 式中：A结构特性系数；r0喷孔半径；f切向进口槽总截面

3、积。轴向速度wz与 成反比，除wz等于乘以 ；动量矩臂为r0，则旋流强度：一、机械雾化器一、机械雾化器 1fR切向速度动量矩臂A等同油的旋流强度。（旋流强度=切向动量矩/轴向动量矩）分析：进口动量矩=切向速度动量矩臂Rf进口动量矩由于动量矩守恒，因此：出口动量矩=进口动量矩20r20r002001()zRRr RffAAAwrfrr问题：雾化为何要表面精加工？喷口有毛刺会有何影响？问题2：决定雾化效果最重要的因素有？P、A、r0一、机械雾化器一、机械雾化器 2002Grp雾化器喷油量：式中：流量系数；p0油的入口压力。32A 的关系见图4-2。一、机械雾化器一、机械雾化器 雾化角：出口处油雾两

4、侧边缘边界切线的交角。(1)8(21)tg2一、机械雾化器一、机械雾化器:0.125(300,0.5 3.0)300.880.815AGA 对流量系数，经验公式有东锅：公式适用范围:且热工所：哈锅：(1)80.87(21)对雾化角：热工所：tg2一、回油雾化器一、回油雾化器 变负荷下，油量要减少，就要减小油压，就会恶化雾化质量。开发：回油雾化器：在简单雾化器漩涡室端壁上开一些小孔，进行回油。按照开孔位置分为：集中大孔回油（在中心）；分散小孔回油（在半径稍大些圆上）。CA曲线：喷口油量曲线BA曲线：进油量曲线Gwl回油量Pw回油压力（回油管上回油调节 阀之前）一、回油雾化器一、回油雾化器 设计方

5、法：1、Pwl=0状态：算出最大回油量GB、最小喷油量Gmin，则最大进油量=GB+Gmin2、Gmax（点）由最大负荷决定。minBGG喷孔有效面积（扣除空气漩涡所占面积）回油孔有效面积（扣除空气漩涡所占面积）二、蒸汽二、蒸汽机械雾化器机械雾化器 211113222223213111222232()42()4()dppdppppddpp11221212G喷气量G、喷油量G 与气耗比分别等于：GGGGG雾化好、调节比大、能耗阻力小。1212123ddppp式中：、分别为气和油的流量系数；、分别为气孔和油孔的直径。、分别为蒸气、油、环境压力。1、甲烷裂解时水蒸汽对析碳影响 CH4=C+2H2+7

6、5kJ C+H2O=CO+H2-131kJ+)CH4+H2O=CO+3H2-207kJ 2、加速油滴蒸发气化作用。水的饱和温度低。水先气化带动油滴破碎气化。温度426537565595706816926982H2O/CH40.891.351.381.41.11.99.97.95转化反应的最小水碳比神雾燃烧器原理二、蒸汽二、蒸汽机械雾化器机械雾化器 13112223pppidemppp 对于相似工况（即当时），、在任意一工况中都是一样的。因此相似喷油量为：222idemndp2GA=1221122()GGidemdd相似气耗为：B=式中：n油孔和气孔的套数。(4-17)(4-18)二、蒸汽二、蒸

7、汽机械雾化器机械雾化器 2212222221111222()1()()1ppGndppGdpGd经验修正公式：Y形雾化器的雾化粒度、雾化角 均由试验确定。式中，、均为与雾化器结构有关的常数。西安热工所试验得到相关经验公式。见（4-24）(4-25)据新华社北京奥运专电(记者高鹏)北京奥运会“祥云”火炬克服低温、低压、缺氧、大风等极端不利条件。在珠峰之巅漂亮地燃烧，举世为之惊叹。在这史无前例的壮举背后，凝聚着无数智慧与辛劳。早在2001年7月13日北京申奥成功，航天科工集团就成立了一个科技奥运领导小组。2006年1月17日，北京奥组委正式致函航天科工集团。委托其就奥运火炬珠峰燃烧技术进行科研攻关

8、，迄今已两年多。双火焰原理：一个火“冲锋”，一个火“值班”从以往奥运火炬来看。火炬燃料_般有固态、液态和固液混合三种。研制团队最初选定丙烷作为火炬燃料。燃烧系统设计为避免“祥云”火炬重蹈火炬突然熄灭的覆辙，研制团队运用航空发动机的双火焰原理，设计 了预混火焰与扩散火焰的“双火焰”燃烧方案，即一个火焰在外面“冲锋”，一个火焰在里面“值班”。2006年9月，科工集团火炬研发部自掏腰包奔赴西藏珠峰大本营进行实地试验。结果发现液态丙烷火炬在实际低压环境下燃烧时间太短。达不到要求。返回北京后。研制团队放弃了液态丙烷火炬的方案。将研制重点转向固液组合火炬和固态燃料火炬。三、烃的燃烧反应（烷燃烧为例）（为，

9、此外，烷基又可看成）22nnC HRHR21nnC H21nnC H2RCH、有下的反应：2、缺下的反应：OH基为活化中心三、烃的燃烧反应 21nnC H、有、有下的反应：下的反应：2222()()RHOHRH ORORORORHCOOHRHCORRCORHRCORCO醛低一级烷合成：22()RHORHCOH O低一级烷高一级的烷同一级的醛低一级的烷甲醛2222HCHOOCOH OHCHOCOH 燃烧分解高一级的烷同一级的醛低一级的烷高一级的烷同一级的醛低一级的烷甲醛甲醛甲醛甲醛-燃烧燃烧 分解分解 闪点：甲醛200-300左右，发出浅蓝色光-冷焰 第一次出现冷焰的温度：闪点 冷焰一般不爆炸，

10、超闪点后禁止遇明火。三、烃的燃烧反应 、缺氧2()2m nm nCH2()2()m nm nCHH烯脱氢222()()nnmmC HC H烯烷断链乙烯：高温下9001100 中温下 500 242222222()C HC HHC HCH 脱氢焦2466266233()6()3C HC HHC HCH 脱氢多环芳香烃焦CH比越大，那么析碳越多。析碳：1.C/H越大，析碳可能性越大；不饱和烃（烯、炔）比饱和烃（烷）更易 渣油重油轻油汽油液化石油气天然气 燃料试验曾遇“爆燃”意外 2007年1月。一支由10多名研制人员组成的试验队奔赴祖国最北端的黑龙江漠河。对这两种火炬在低温、大风条件下的性能进行实

11、地测试。在那里，研制团队遭遇了意外“爆燃”。一天夜晚。固态燃料火炬点燃后，燃料猛地一下喷了出来，幸好当时没有试验队员正对着火炬，否则后果不堪设想。工艺改良后。“爆燃”现象再未发生过。2007年5月7日。登山队员带着固态燃料火炬和固液组合火炬开始登顶测试。5月9日，登山队员成功登顶，并顺利点燃了携带的3支固态燃料火炬。考虑到固态燃料火炬操作更为简便。研制团队将固态燃料火炬确定为珠峰火炬燃烧系统最终设计方案。悉尼水下奥运火炬设计？第二节油雾滴的燃烧过程 模型假设：假设油滴为球形，直径（=2r0）油滴与气体无相对运动；火焰锋面的热量全由传导传递，火焰锋面对油滴的对流、辐射换热忽略；高温下油滴温度已达

12、到饱和温度，导来的热全部用于蒸发；油滴周围有一稳定球形火焰锋面，此处油气与O2达到当量比；忽略温度场不均匀对热导率、扩散系数等的影响（a、D）均匀；不考虑油滴表面生成的油蒸汽向外扩散引起的向外流动的那股质量流（斯蒂芬流）；这个油滴不受周围油滴的影响，周围油滴不影响O2向该油滴均匀扩散。油雾滴的燃烧过程油雾滴的燃烧过程 分析：1、热量交换：向内传导热量=油滴汽化潜热+油滴升温204()mpdTrqc TTHdr式中：热导率（假设为一常数）；T当地温度；qm油滴表面的气化量（油滴半径为r0）；T0油滴表面温度，设等于油的表面温度；H每单位质量油的气化潜热。将式（4-40）自由滴表面（ro、T0）到

13、火焰锋面（r1、Tr）积分得：0014ln1()11()pmrpcqTTHcrr（4-41）（4-40）油雾滴的燃烧过程油雾滴的燃烧过程 2、质量交换（氧的扩散）：氧从远处向火焰锋面扩散量=火焰锋面消耗量设化学反应当量比：油气：O2=1:24mdCr Dqdr式中：D氧的分子扩散系数；C氧浓度。从远处至火焰锋面积分：（C、）锋面（0、r2）112044CmmrqdrDdCqrrDC（4-43）油雾滴的燃烧过程油雾滴的燃烧过程 联立（4-41）与（4-43）得：048ln1()rmprrpkqkcDCkTTcH 式中：比例常数。讨论：由公式可看出、D、Tr越大，qm越大；T0越小，qm越大。（T

14、0减小或者 Tr增大时，k增大）水的T0小、油的To大。（4-45）油雾滴的燃烧过程油雾滴的燃烧过程 3、油滴燃烧中，直径减小与气化量的关系：23()62rmrddqdd 将式（4-45）、（4-47）联立得：22 dkddkd 因此由直径0的油滴烧到直径所需的时间：220k或者可以写成：220k（油滴燃烧的直径平方直线定律）（4-48）（4-47）油雾滴的燃烧过程油雾滴的燃烧过程=0时油滴燃尽，由式（4-48）知燃尽时间为：20rk燃尽时间与 成正比，可见雾化的重要性。讨论：与2成正比；只适合纯扩散火焰。若油滴与气体存在相对运动（炉内），则热量与质量交换都要加强；当相对Re=0200时有：2

15、011322(1 0.3Re)rNup即比静止时（Nu=2)时大了 倍。11320.3Rerp油雾滴的燃烧过程油雾滴的燃烧过程 讨论：讨论：若油滴与气体存在相对运动（炉内），则热量与质量交换都要加强；当相对Re=0200时有：11322(1 0.3Re)rNup即比静止时（Nu=2)时大了 倍。11320.3Rerp油雾滴的燃烧过程油雾滴的燃烧过程 一些油滴蒸发气化但不一下子燃烧，如非常细的油滴喷入炉膛后迅速蒸发气化，并与空气预混再受热着火，此时用煤气、空气预混燃烧 规律来分析（第三章）。一些油滴逸入缺氧区。缺氧条件下，不能形成各自的球形扩散火焰锋面，较多油滴受周围高温介质加热，蒸发气化，然后

16、再与空气混合形成扩散火焰，此时可用第三章煤气扩散火焰规律来分析。这种一时不能燃烧或来不及燃烧的油滴，直径也在减小。相当于火焰锋面在远处，r1=，因此，由（4-41）式得：04ln1()pmpcqTTcHT其中，远处温度。0014ln1()11()pmrpcqTTHcrr004ln1()pmpcrqTTcHT其中，远处温度。（4-41）（4-52）r1=代入，可推得：油雾滴的燃烧过程油雾滴的燃烧过程 其蒸发气化过程中的直径平方变化规律为：22008ln1()prpkckTTcH 实际燃料油燃烧过程：（不均质，先烧轻质油，后烧重质油）燃料油为多种烃的混合物，分子量很大，油滴燃烧室，轻质组分先蒸发和

17、燃烧，残渣再裂解析碳而焦化再燃烧，直至燃尽。解释：燃料油中加入适量水并混均匀，雾化燃烧效果更好，原因？热油锅中倒入水，热油会爆出油滴而飞溅，为什么？油雾滴的燃烧过程油雾滴的燃烧过程 实际燃料油燃烧过程：（不均质，先烧轻质油，后烧重质油）燃料油为多种烃的混合物，分子量很大，油滴燃烧室，轻质组分先蒸发和燃烧，残渣再裂解析碳而焦化再燃烧，直至燃尽。问题1：燃料油中加入适量水并混均匀，雾化燃烧效果更好，原因？问题2：热油锅中倒入水，热油会爆出油滴而飞溅，为什么？第三节油雾矩的燃烧过程 一、机械雾化器一、机械雾化器1、实际油雾矩：油雾中的油滴粒度（）并不相等；油滴的扩散燃烧锋面相互传热；相互妨碍氧扩散到

18、它们的火焰锋面（各个油滴周围氧浓度有较大不同）；燃料与空气在喷口处原始浓度及速度分布不均匀（直接影响雾矩中分布特性）220()f p k式中：f(p)是压力p的函数，f(p)1说明：因为压力p决定油滴粒径分布，也影响油雾扩展角，与空气的混合程度等，但应注意不只是与压力有关，与结构系数A、炉膛结构、温度场都有关。二、油雾的计算模型二、油雾的计算模型2.1 蒸发气化模型由式（4-35）、（4-37）求出油雾矩中的各种粒径分布；exp()dRbdR某一直径 以上的余留量。式中的 一般等于1；对于机械雾化器=2.5，对于Y形雾化器=4。0136.7%Re式中，特性直径（时的油滴直径）；n指数，通常为2

19、30100exp()%nR用油滴的分布特性曲线表示：完全仿照煤粉而采用余留量，则：（4-35）（4-37）二、油雾的计算模型二、油雾的计算模型2.1、蒸发气化模型按（4-46）、（4-49）求出不同粒径下油滴燃尽过程。08ln1()prrpcDCkTTcH20k2（4-46）（4-49）模型缺点：未考虑油雾与空气射流的混合造成油滴浓度与氧浓度不均的问题。二、油雾矩的计算模型二、油雾矩的计算模型2.2 湍流混合扩散火焰模型计算方法1：气流混合燃烧先得到雾滴中的浓度分布和氧的浓度分布；用射流理论或模型试验来确定。求出火焰锋面及火焰长度。找出油与氧的浓度比符合化学反应规定的当量比点，并连线。二、油雾

20、矩的计算模型二、油雾矩的计算模型2.2 湍流混合扩散火焰模型计算方法2：蒸发气化燃烧 计算雾矩射流中各根流线，再计算油滴的位移和时间关系，对照（4-48）、（4-50）所计算的油滴燃尽时间r，就可确定油滴流到哪一点才烧完。在方法2计算中，氧浓度分布和变化、油滴颗粒群的颗粒分布还只是简单假定。220k20rk二、油雾矩的计算模型二、油雾矩的计算模型2.2 湍流混合扩散火焰模型缺点：方法1只考虑气流混合，方法2只考虑油滴蒸发气化这点，因此，算出的 火焰长度都比实际的小。最好是用上两步分别计算，火焰长度计算结果较大的相对可信。当射流尺寸很小，喷射速度大，油滴粗时，肯定蒸发气化及燃烧对实际燃烧影响最大

21、；反之，射流尺寸大，喷射速度小，油滴很细时，气流混合成为决定性环节。燃气轮机中，火焰长度是由气流混合和油滴气化燃烧两者控制，作用权重接近；工业炉中油雾滴气化燃烧过程是决定环节。第四节油与空气的分配和调风器 尽量解决喷口处原始的油与空气的速度分布均匀性问题、浓度分布均匀性问题、温度分布均匀性问题。风箱设计：风箱入口截面上空气流速应低些，1012m/s；风箱中避免流动涡流区；在直风道中装调风器。第五节稳焰 稳焰措施：造成一个回流区，如钝体尾迹；旋转射流；边界层脱离所引起的死滞漩涡区等。钝体稳焰模型：1、着火温度模型分析：回流区内燃烧产热：20exp()4nwlwl wlEQk Cd l QRT0e

22、xp()EkRT反应常数，温度取为出回流区时的温度T；C回流区内的燃料和氧浓度；n化学反应级数；Q燃料发热量；dwl回流区直径；lwl回流区长度。（4-56）钝体稳焰模型：1、着火温度模型反应放热使回流区气体温度从T1升高到T，即1()4wlwlpQwdc TT式中：wwl回流区内平均回流速度；T离开回流区时的气体温度；T1流入回流区时的气体温度。（4-57）钝体稳焰模型：1、着火温度模型两股气流混合，可写成：01101(1)()pppc Txc Tx c TTTx TT式中：x回流气体与主流气体的比例。综合（4-56）、（4-57）、（4-59），消去Qwl、T后得：10exp()nwlwl

23、pExkC l QRTTTwc（4-59）（4-60）钝体稳焰模型：1、着火温度模型讨论：当主气流速度 回流速度wwl也 混合后T1，当T1下降到着火温度以下时，回流区内气体不能再燃烧，气流就脱火。脱火临界条件计算：由于浓度C和密度与压力p成比例，回流速度wwl与主气流速度w成比例，以及回流区长度lwl与钝体稳焰器直径d成比例，因此，可将（4-60）简化为：1exp()nwEApdRT（4-62）A式中，为常数。脱火判别：气体来流速度大于（4-62）、（4-63）中计算值w时，发生脱火。钝体稳焰模型：1、着火温度模型 由（4-62）和2exp()nmmcewEwpuRTp、21cenwA up

24、d脱火临界条件钝体稳焰模型：1、着火温度模型 由式（4-63）参考图3-18曲线，可绘出图4-10。判别：曲线以下是稳焰的正常工作区；曲线以上工况时，发 生脱火。钝体稳焰模型：2、气流混合与反应模型气流混合曲线由式（4-58）得：0111TxTTxx上式绘于图4-11曲线2。钝体稳焰模型：2、气流混合与反应模型回流区内气体温升速率：0exp()npEdTk C QcRTd式中，回流区逗留时间。cpp将、代入得：1exp()ndTZpdERT010TT在总逗留时间（）与温度上下限积分：110exp()TnTdTZpERT111010(nnTf TZpTZp、），即回流区温度是主燃烧区温度 与的函数。钝体稳焰模型：2、气流混合与反应模型分析：、当T1很低时，几乎不进行化学反应，此时T=T1，沿450直线走；、当T1TZH，燃烧反应发生，使得TT1，曲线开始偏离450线；、当T1足够大，在主流区反应与回流区反应一样快时，T=T1,回到450线。