液体燃料的燃烧
燃烧学 6液体燃料的燃烧
6液体燃料的燃烧6.1液体燃料的燃烧原理✧液体燃料的燃烧方式：主要为扩散燃烧✧液体燃料的燃烧过程：先蒸发气化为油蒸汽，进而进行均相燃烧。
（1、雾化2、蒸发3、掺混4、燃烧）✧液体燃料燃烧特点：1、扩散燃烧2、非均相燃烧✧液体燃料与气体燃料的不同点：液体燃料在与空气混合之前存在着蒸发气化过程✧液体燃料在在着火燃烧前发生蒸发与气化的特点，可将其燃烧分为，液面燃烧、灯芯燃烧、蒸发燃烧、雾化燃烧。
✧燃油雾化燃烧：油的雾化油滴的蒸发油滴的燃烧过程✧雾化燃烧：用雾化器将燃油分裂成许多微小而分散的油滴，以增加燃油单位质量的表面积，使其能和周围空间的氧化剂更好地进行混合，在空间达到迅速和完全的燃烧。
✧雾化的方法可分为机械式雾化和介质式雾化。
✧液体燃料雾化的目的（为什么用雾化、为什么说雾化过程是液体燃料燃烧的关键）：（P185）✧雾化性能及质量的评定主要指标：（P185）✧雾化过程的几个阶段：（P185）✧雾化角等概念（P186-P191好好看看）✧常用雾化方式及装置：①机械雾化、介质雾化、混合式雾化、组合式雾化。
②✧配风器的作用（任务）：P195✧配风原理及配风器应该满足的要求：P196-P197✧合理的稳焰技术：P203✧对于重油燃料，燃烧器应？P204✧加强液体燃料的燃烧方法：P201（1）加强雾化，减小油滴直径，选用合适的雾化器；（2）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；（3）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。
（4）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；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；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。
第四章液体燃料的燃烧理论
2．基本方程及求解
p = const
2
G —总蒸发速率
（液滴与环境无相对速度） 液滴与环境无相对速度）
df i d df i 2 4πr ρv − (4πr Di ρ )=0 dr dr dr
水蒸气蒸发的质量流正好等于总质量流， 水蒸气蒸发的质量流正好等于总质量流，即Stefan流。 流
22
2．碳在纯氧中的燃烧 ．
C + O2 → CO 2
12
碳表面
32
44
f O2 + f CO2 = 1
( ∂f O2 ∂y )0 = −( ∂f CO2 ∂y )0
23
2．碳在纯氧中的燃烧 ．
氧扩散流
（1）液滴与环境无相对速度，只有Stefan流引起 的球对称一维流动； （2）忽略热辐射和热解离（例：CH4→C+2H2）； （3）过程是准定常的，即不考虑液面的内移效应； （4）火焰面为一几何面，火焰面上 f f = f ox = 0 。
28
2．基本方程及求解
基本方程（球坐标下） （1）基本方程
2
—单位质量液体的蒸发热 单位质量液体的蒸发热， q e = L + C l (T0 − Tl ) 单位质量液体的蒸发热
df i 2 − 4πr0 Di 0 ρ 0 ( ) 0 + 4πr0 f i 0 ρ 0 v0 = f il (4πr02 ρ 0 v0 ) dr
气体扩散流 Stefan流 流 携带的该组分 液体蒸发引起的 液滴消耗量
bD = bT = b
bT ≡ C P (T − T∞ ) qe 2
10-液体燃料的蒸发与燃烧
组分守恒和能量守恒方程具有相同的输运方程和相同的边界条件
在r R处 : d s g Dg m , s (即T Ts , w f w f , s ) dr s , g 式中Ts , w f , s 未知, 需要加以补充 在r 处, 0 即 : T T ; w f w f ,
用能量输运律表 示的质量蒸发率
液体组分守恒方程：
dw f s w f ,s m s g Dg m dr
总流量 对流项 扩散项
s, g
意义：在分界面的液体侧传输到油滴表面的质量传输等 于气相对流项（斯蒂芬流）和Fick扩散质量之和
s (w f ,s m
液体油雾火焰的结构 单滴油珠蒸发模型 油珠蒸发 d2定律及油珠寿命 特性参数取值 对流条件下的油珠蒸发 蒸发模型向单个燃烧油滴模型的扩展 油雾燃烧(油滴的相互作用)
第一节 液体油雾的结构
典型的液体喷雾火焰，燃料为庚烷
第二节 单个油珠蒸发模型
两相燃烧 两相扩散燃烧 油雾锥是由许多尺寸不同的单 滴油珠组成。因而单滴油珠在高温 环境的蒸发与燃烧规律是进一步研 究油雾燃烧的基础
随着雷诺数的增大（油滴和气体间的相对速度增 大），Nu增加，h增大，ms也随之增大
第三节 蒸发模型向单个燃烧油滴模型的扩展
对孤立的蒸发油滴，守恒方程可以以下面的形式表示 L(η)=0
其中η可以为质量分数变量，也可以是显焓变量。由于 方程中源项为零，故η为守恒标量，对化学反应情况， ηs可以适当组合成一个守恒标量，则 L(β)=0
s , 需要知道 s ,即需要知道 Ts 或w f , s 为了估算 m 定义 B 交换数 (传热传质驱动 ) - s 由于 0 B - s s 故 m
液体燃料雾化与燃烧概述
液体燃料的燃烧特点概述
一、液体燃料的燃烧过程
燃油槽车 / 油管工厂油罐过滤油泵烧嘴炉膛或燃烧室 ————— 供油系统 ———————— —燃烧装置——
燃油的燃烧过程：沸点低于燃点、受热后先蒸发、汽化、然后燃烧 油的雾化油滴蒸发、高温热解与裂解与空气混合着火燃烧 油的蒸发：提供反应需要的可燃物质 油的燃烧：提供油蒸发所需要的热量 蒸发与混合的速度——燃烧速度 当燃油、空气等条件一定时，控制油的燃烧过程主要控制雾化和混合 过程。
油滴的平均直径小、分布好、有利于蒸发、也有利于形成良好的浓度 场
思考1：
液体燃料的雾化燃烧的具体过程？
液体燃料的物理与化学变化过程
液体燃料喷射
液体燃料破碎
连续大体积液体
火焰
液体燃料蒸发 液滴
气态燃料化学反应
燃油液滴燃烧过程
气体团
思考2：
液体燃料燃烧的主要影响因素？
液态燃油的雾化 液态燃油的蒸发 气态燃油与氧化剂的混合 燃烧过程的化学反应动力学
油机、燃气轮机等) 。 重油和渣油是石油炼制过程中的 残余物，粘度大、杂质多，常温
为固态，先预热，雾化难，
油雾边缘易混合中心难混合通过喷 嘴使油雾化，油的颗粒不均匀， 从几 到500 。大颗粒容易产 生大的烟粒与焦粒。油颗粒燃烬时
间与颗粒直径平方成正比。
雾化装置复杂，用于工业窑炉和锅炉等固定式燃烧设备
讨论点4：关于液雾燃烧模型建立的推演建立过程及当 前存在的不足分析与改进思路。
6. 关于作业与课题讨论内容的思考
算例练习：
表面波失稳案例测试：1）理论解析解的特征分析；2）数 值解对解析解的近似求解；
基于CFD的液雾燃烧算例计算测试与讨论。
燃烧学-第六章
二、雾化方式和喷嘴
• 按照油的雾化机理，工程上油的雾化方式分为：压力式、旋 转式和气动式等。前两种又称为机械式雾化。如下图所示。
压力式雾化喷嘴
压力式雾化喷嘴又称为离心式机械雾化器。它可以用在航空喷气发动机、 燃气轮机、柴油机以及锅炉和工业窑炉上。 燃油在高压下通过雾化片的特殊机械结构将燃油雾化，通过喷油嘴喷出。 按该原理工作的雾化器有：直流式、离心式和转杯式
中间直径法（d50）
是一个假定液滴的直径，即液雾中大于或小于这一直径的两部分 液滴的总质量相等。
索太尔平均直径法（dSMD）
设在特定的液滴群中的滴数为N0 ，且所有液滴的直径都等于
dSMD，而这些液滴的总体积与总面积之比正好等于实际液滴群的总
体积与总面积之比。
18
（2）雾化角
出口雾化角
19
（3）燃料的流量密度分布 单位时间内通过与燃料喷射方向相垂直的单位截面上燃 油质量沿半径的分布规律。
20
（4）喷雾射程 喷嘴水平喷射时，油雾液滴丧失水平方向动能的行程。 不同直径油粒的射程也不同。射程取决于轴向速度和颗 粒度。射程的大小影响火焰长度。
21
（5）雾化均匀度 积分表示法 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。 微分表示法 将直径在d和d＋Δ d之间的所有液滴的质量占全部液 滴总质量的百分数表示成液滴直径的函数。
7
四、雾化燃烧－－重点
1.过程：
破碎 雾化器 液体 小液滴 悬浮 边蒸发边燃烧
燃料的蒸发表面积增加 上千倍
燃烧速度加快
2.关键问题：－－雾化 （1）雾化方式：据液体燃料的蒸发性定 不易蒸发的液体－－喷嘴雾化 （2）易蒸发的液体－－汽化器
液体燃料的燃烧
（b）转杯式机械雾化喷嘴
如图5-38所示，油通过空心轴进入一个高速旋 转(3000~6000转/分)的旋转杯的内壁。在离心力的 作用下，油从旋转杯的四周甩出。由于甩出速度 很高，使油雾化。在旋转杯四周还有一股由一次 风机鼓进的高速气流，同时促进雾化。
（c）蒸汽雾化喷嘴 蒸汽雾化喷嘴可分为纯蒸汽雾化喷嘴和蒸汽机
机械能 动能
航空燃气轮机燃烧室
工作特点：
1、进口气流速度高，组织燃烧困难。 2、燃烧室容积小，且要求在短时间内发出大量的热 3、出口气流温度受到限制 4、要求工作范围宽
航空燃气轮机燃烧室
要求：
1、点火可靠 点火高度：8~9km，补氧后：12~13km
2、燃烧稳定 不熄火 不产生破坏性的振荡燃烧
三、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。 雾化过程及机理 – 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。
④ 加强后期混合——利于残余的 难燃组分的燃尽
雾化喷嘴 调风器
两种燃烧的火焰类型
雾化燃烧：先雾化，然后在空间中一边 气化，一边燃烧。火焰与气体燃烧的扩 散火焰相似
气化燃烧：先气化，再 燃烧。火焰与气体燃烧 的预混火焰相似
典型液体燃料燃烧装置
航空燃气（涡）轮（发动）机
航空燃气（涡）轮（发动）机
（3）使雾化的液滴尽量细。达到迅速蒸发和扩散混合，避 免高温缺氧区的扩大。
4.2 单个液滴燃烧模型
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
高等燃烧学液体燃料的燃烧
dR d(di )
nd
n i
1
dn
exp
di d
n
P ( psi )
第四节 燃油喷嘴的雾化特性 三、油珠群几种典型分布
Nukiyama-Tanasawa:
dN
d(di )
ad
2 i
exp
bdin
a、b为常数
正态分布： dR exp 2 y 2 dy
y ln(di / SMD) 为常数
火箭发动机 冲压发动机
第六节 油雾燃烧 油雾燃烧模型
部分预蒸发型气体燃烧加液滴蒸发 部分小油珠已经蒸发完毕，另一部分液滴进入火焰区时其 直径已过小而着不了火，只能蒸发，因此没有滴群扩散火焰， 只有部分预混的气体火焰。
工业炉
第六节 油雾燃烧 滴群扩散燃烧
Probert滴群扩散燃烧模型：
n,
s
s d 2 /Kf
➢ 油雾中的每一个油珠所处的环境（温度与浓度等）随 时间、空间不断变化
➢ 两颗油珠体系：随着滴间距离的减小，燃烧常数先增 加后减小；多油珠体系：中央燃烧常数高，四周低。
1、相邻油珠释放燃烧热使周围温度增高，燃烧过程加速。 2、油珠周围的氧浓度降低，引起燃烧过程减缓。
第六节 油雾燃烧
油雾燃烧模型
预蒸发型燃烧 滴群扩散燃烧 复合燃烧 气相燃烧加液滴蒸发
第六节 油雾燃烧 油雾燃烧模型
预蒸发型燃烧 雾化液滴很细，周围介质温度高或喷嘴与火焰稳定区
间距离长，使液滴进入火焰区前已全部蒸发完，燃烧完全 在无蒸发的气相区中进行，这种燃烧情况与气体燃料的燃 烧机理相同，液滴蒸发对火焰长度的影响不大。
加力燃烧室
第六节 油雾燃烧 油雾燃烧模型
滴群扩散燃烧 周围介质温度低或雾化颗粒较粗（或蒸发性能差），
乙醇 质量燃烧速率
乙醇质量燃烧速率1.引言1.1 概述乙醇作为一种常见的可再生能源，近年来引起了越来越多的关注。
它不仅可以作为燃料用于汽油替代品，还可以用于化工、医药等诸多领域。
乙醇的燃烧速率是一个重要的研究方向，它对于燃烧过程的理解和优化具有重要的意义。
乙醇的燃烧速率是指乙醇在燃烧过程中单位时间内消耗的燃料质量。
燃烧速率的快慢直接影响燃烧过程的稳定性和效率。
乙醇燃烧速率的研究不仅可以帮助我们更好地了解乙醇在燃烧过程中的行为，还可以为燃烧设备的设计和优化提供指导。
乙醇的燃烧速率受多种因素的影响。
首先，乙醇的化学结构和物理特性会直接影响燃烧速率。
其次，燃烧过程中的温度、压力和氧气浓度等环境条件也会对乙醇的燃烧速率产生重要影响。
此外，乙醇与空气中其他成分的相互作用、燃烧过程中的传质与传热等因素也会对燃烧速率产生影响。
通过对乙醇燃烧速率的研究，我们可以更好地了解乙醇在燃烧过程中的行为，为乙醇燃料的开发利用提供理论依据。
同时，研究乙醇燃烧速率的影响因素也可以为燃烧设备的设计与优化提供参考，提高能源利用效率，减少对环境的影响。
本文将对乙醇的燃烧速率进行深入研究，分析其特性和受影响因素，进而探讨乙醇燃烧速率的意义和应用价值。
通过对乙醇燃烧速率的理论分析与实验验证，我们可以为乙醇燃料的应用和工程实践提供有益的指导和参考。
1.2文章结构文章结构部分的内容应该是对整篇文章的组织和内容进行介绍，以便读者能够更好地理解文章的结构和主要内容。
以下是一个可能的文章结构部分的编写例子：1.2 文章结构本文将按照以下结构进行介绍乙醇质量燃烧速率的相关内容：第二部分是正文部分，将首先介绍乙醇的特性。
我们将对乙醇的物理性质和化学性质进行详细分析，以便更好地理解乙醇在燃烧过程中的行为。
第二部分的第二节将介绍乙醇燃烧速率的影响因素。
我们将探讨影响乙醇燃烧速率的各种因素，包括温度、压力、空气流速等，通过分析这些因素对乙醇燃烧速率的影响机制，可以更好地理解乙醇燃烧的过程与规律。
燃烧学 第六章 液体燃料的燃烧
• 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T0略低于沸点温度Tb0。
基本ห้องสมุดไป่ตู้程
各组分边界条件
物理量变换
物理量变换
重新整理边界条件
• 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：
r
d
2 0
k
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
燃烧学
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、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r0，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T0比环境温度低使外界热量向油滴表面传递，并忽略辐射
第七章液体燃料的雾化
煤的燃烧方式
悬浮燃烧
燃料与空气的混合物喷入燃烧室或炉膛内，则燃料 将在这个空间内以悬浮状态完成燃烧过程。例如： 大型电站锅炉
固体燃料 （煤） 磨煤机 煤粉 (25~50μm) 燃烧器 炉膛 燃烧
燃烧前沿
含氧介质 燃烧产物
油粒的蒸发与燃烧
油粒燃烧过程特点
提供反应物质
燃烧反应
提供热量
油的蒸发
整个燃烧过程的速度 油的蒸发速度 油的燃烧速度
油粒的蒸发与燃烧
dT •油滴的净导热量： Q1 4r dr •油滴升温： Q 4 r 3 C dT1 2 s l l 3 d
2
•油滴气化潜热：Q3 mv Ll •油蒸气升温： Q4 mv C p (T TL )
液体燃料的雾化
作用：
增加燃料的比表面积 加速燃料的蒸发汽化 有利于燃料与空气的混合 完全燃烧
雾化机理
基本原理： 液体表面积不断增大，直到变得不稳定并 破裂。 压力式喷嘴：利用喷嘴进、出口压力差实现液滴 从液体射流中分离。 旋转式喷嘴：利用喷嘴进、出口压差和旋转离心力 使液膜失稳而分离液滴 气动式喷嘴： 利用空气和蒸汽作为雾化介质使液滴 从液体燃料中分离
Q2 0, 稳定蒸发过程的热平衡方程： 稳态时：
dT 4r mv Ll mv C p (T TL ) 0 dr
2
油粒的蒸发与燃烧
mv dr dT 2 C p (T TL ) Ll 4 r
边界条件： r rs， T TL
r ， T T
燃烧学第5章：液体燃料燃烧解读
5、液滴分离的基本原理 液体表面不断增大，直到它变得不稳定并破碎。
图5-3
液滴的分裂过程
液滴从液体产生的过程，依赖于液体在雾化喷嘴中 的流动性质（即是层流还是湍流）、给液体加入能 量的途径、液体的物理性质以及周围气体的性质。
5、控制雾化的量纲一的数——韦伯（Weber）数 液滴的变形和碎裂的程度取决于作用在液滴上的力和形成 液滴的液体表面张力之间的比值。
3、气动式雾化喷嘴
• 气动式雾化喷嘴又称介质式雾化喷嘴。它利用压缩空气或高 压蒸汽为雾化介质，将其压力转化为高速气流，使液体喷散 成雾状气流。 • 采用蒸汽为介质的雾化喷嘴又分为纯蒸汽雾化和蒸汽—机械 （压力）综合雾化两类喷嘴。
三、液体燃料雾化性能
• 一般可用一些特性参数来表征喷嘴的雾化性能。即雾化角、 雾化液滴细度、雾化均匀度、喷雾射程和流量密度分布等。 1、雾化角 喷嘴出口到喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角，也称 为喷雾锥角。 喷嘴出口处的燃料细油滴组成雾化锥， 喷出的雾化气流不断卷吸炉内高温气体并 形成扩展的气流边界。
2 2 ( v v ) d ( v v ) 作用于液滴表面的外力 g l g g 1 l g Weg 液滴内力
g 气体密度（kg/m ） vl、vg 液体、气体速度（m/s） 液体表面张力（N/m） dl 液滴的直径（m）
3
d1
上式表明，燃烧室中的压力增高、相对速度增加以及液体的 表面张力系数减小，均对雾化过程有利。
4. 喷雾射程
喷雾射程指水平方向喷射时，喷雾液滴丧失动能时所 能到达的平面与喷口之间的距离。雾化角大和雾化很 细的喷雾炬，射程比较短；密集的喷雾炬，由于吸入 的空气量较少，射程比较远。一般射程长的喷雾炬所 形成的火焰长度也长。
液体燃料的燃烧方法
液体燃料的燃烧方法液体燃料燃烧时，一般不发生液相反应，它通常是蒸发成为燃料的蒸气，然后蒸气和氧气发生反应而实现燃烧。
因此，根据蒸发方法不同而有如下的燃烧方式：（1）液面燃烧液面燃烧是一种依靠热辐射和热对流原理从附近火焰传热到液面，使液体燃料蒸发，然后在液面的上部进行扩散式燃烧，如煤油的釜式燃烧图5-28就属此种方式。
图5-28 釜式燃烧图5-29 灯芯燃烧(2)灯芯燃烧灯芯燃烧是一种依靠灯芯将燃料从下面的液体燃料贮藏器中吸到灯芯的顶部，并在灯芯的表面蒸发，然后进行扩散式燃烧，如常用的煤油灯燃烧和煤油炉燃烧就属此种燃烧方式(图5-29)。
(3)蒸发燃烧蒸发燃烧是—种利用一部分燃烧热量使液体燃料在蒸发管中受热而蒸发，然后象燃气一样和空气混合进行燃烧的方式。
如燃气轮机的蒸发式燃烧器及加压式燃烧器的燃烧方式就属此类。
图5-30为液体燃料的蒸发燃烧机理示意图。
图5-30 蒸发燃烧(4)喷雾燃烧喷雾燃烧是用喷雾器把液体燃料雾化成无数的直径为几微米至几百微米的微小油滴，然后和空气或氧气混合进行燃烧。
在燃烧过程中，它包含着液体燃料的雾化、喷雾和空气 (或氧气)的混合、油滴的蒸发和燃烧等单元过程所组成。
如柴油发动机和燃油锅炉的燃烧方式就属此类。
图5-31为喷雾燃烧机理示意图。
喷雾燃烧的燃烧工况与燃烧装置大小、所用燃料种类、雾化和混合的方法等有关，通常有以下四种燃烧工况：1)雾化好、油滴小、燃烧用的一次空气量多由于油滴小、蒸发快，而且一开始就有充足的空气量混合进去，故有着和气体燃料预混合燃烧器相类似的燃烧过程。
2)雾化好、一次空气量少仅管油滴的蒸发是快的，但因一次空气量不足，故有着和气体燃料扩散式燃烧相类似的燃烧过程。
3)雾化差、油滴大，一次空气量多由于有充足的空气，整个燃烧过程主要取决于油滴的蒸发速度，而油滴的蒸发快慢除与油滴大小有关外，还取决于液体燃料的种类和特性。
4)雾化差、一次空气量又少此种情况中，油滴的蒸发速度以及从周围的空气的扩散这两个因素同时对燃烧过程起着支配作用。
燃烧学讲义第五章 可燃液体的燃烧
第5章可燃液体的燃烧5.1液体燃料的燃烧特点目前，液体燃料的主体是石油制品，因此讨论液体燃料的燃烧主要涉及燃油的燃烧。
液体燃料的沸点低于其燃点，因此液体燃料的燃烧是先蒸发，生成燃料蒸气，然后与空气相混合，进而发生燃烧。
与气体燃料不同的是，液体燃料在与空气混合前存在蒸发汽化过程。
对于重质液体燃料，还有一个热分解过程，即燃料由于受热而裂解成轻质碳氢化合物和碳黑。
轻质碳氢化合物以气态形态燃烧，而碳黑则以固相燃烧形式燃烧。
根据液体燃料蒸发与汽化的特点，可将其燃烧形式分为液面燃烧、灯芯燃烧、蒸发燃烧和雾化燃烧四种。
液面燃烧是直接在液体燃料表面上发生的燃烧。
若液体燃料容器附近有热源或火源，则在辐射和对流的影响下，液体表面被加热，导致蒸发加快，液面上方的燃料蒸汽增加。
当其与周围的空气形成一定浓度的可燃混合气、并达到着火温度时，便可以发生燃烧。
在液面燃烧过程中，若燃料蒸汽与空气的混合状况不好，将导致燃料严重热分解，其中的重质成分通常并发生燃烧反应，因而冒出大量黑烟，污染严重。
它往往是灾害燃烧的形式，例如油罐火灾、海面浮油火灾等。
在工程燃烧中不宜采用这种燃烧方式。
灯芯燃烧是利用的吸附作用将燃油从容器中吸上来在灯芯表面生成蒸汽然后发生的燃烧。
这种燃烧方式功率小，一般只用于家庭生活或其它小规模的燃烧器，例如煤油炉、煤油灯等。
蒸发燃烧是令液体燃料通过一定的蒸发管道，利用燃烧时所放出的一部分热量（如高温烟气）加热管中的燃料，使其蒸气，然后再像气体燃料那样进行燃烧。
蒸发燃烧适宜于粘度不太大、沸点不太高的轻质液体燃料，在工程燃烧中有一定的应用。
雾化燃烧是利用各种形式的雾化器把液体燃料破碎成许多直径从几微米到几百微米的小液滴，悬浮在空气中边蒸发边燃烧。
由于燃料的蒸发表面积增加了上千倍，因而有利于液体燃料迅速燃烧。
雾化燃烧是液体燃烧工程燃烧的主要方式。
对于不同的液体燃料，应依据其蒸发的难易程度不同的雾化方式。
易蒸发液体燃料的雾化（例如汽油）往往采用“汽化器”来实现。
液体燃料的燃烧
•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
如何防止和减轻高温下燃料油的热裂解？ （1）以一定的空气量从喷嘴周围送入，防止火焰根部高温、 缺氧而产生热裂解。 （2）使雾化气流出口区域的温度适当降低，即使产生热裂 解，也能形成对称性的分解产物。 （3）使雾化的液滴尽量细。达到迅速蒸发和扩散混合，避 免高温缺氧区的扩大。
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）
三、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 δ i---液滴粒径 mi---直径为δ i液滴对应的质量 ni---直径为δ i液滴对应的个数
三、液体的雾化
雾化角 出口雾化角：在喷口处做雾化锥外边界线,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r为半径作弧,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,这两条连线的夹角的一半称为条件雾化角。
雾化喷嘴
（a）离心式机械雾化喷嘴 它也叫做离心式喷嘴。机械雾化喷嘴有很多种型式，图 5-37所示是应用最广泛 的切向槽式简单机械雾化喷嘴。如 图所示，它的主要零件是分流片3、旋流片2和雾化片1。油
第四章
液体燃料的燃烧
4.1 液体燃料燃烧的特点
一、燃烧方式
（1） 预蒸发型燃烧 • 燃料进入燃烧空间之前蒸发为油蒸气，以不同比例与空气混 合后进入燃烧室中燃烧。例如：汽油机装有汽化器，燃气轮 机装有蒸发管。 • 此燃烧方式与气体燃料燃烧原理相同。 （2）喷雾型燃烧 • 把液体燃料通过喷雾器雾化成一股由微小油滴组成的雾化锥 气流，在雾化的油滴周围存在空气，当雾化锥气流在燃烧室 被加热，油滴边蒸发，边混合，边燃烧。 • 动力行业多采用此种燃烧方式。
采矿专业燃烧学—第5章1
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
29
表5-6
液体燃料
正己烷 正庚烷
苯 甲苯 邻二甲苯 间二甲苯 对二甲苯 乙苯 航空汽油 裂化汽油
《燃烧学》--第三章
液体燃料在不同温度下的扩散系数
扩散系数D/（cm2/s）
0℃
15℃
20℃
30℃
－
－
－
0.0755
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
6
《燃烧学》--第三章
燃料蒸发的程度，决定于逸出液面的分子数 与重新被吸回液面的分子数之差。
燃料的蒸发速度则不仅决定于该燃料的气化 和凝结过程，而且和逸出分子的扩散过程有密 切关系。
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
7
《燃烧学》--第三章
液体分子蒸发的条件
m 表 示 液 体 分 子 的 质 量 ， ux 表 示 垂 直 于液面的x轴上分子运动的速度分量（即 法向分量），ε为液体分子逸出表面层所 作的功，则可以看出，液体分子蒸发时必 须满足下列条件：
12.4
C5H9（CH3）3
99.2
32.2
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
24
表5-4
《燃烧学》--第三章
几种常见燃料的沸点范围
液体燃料
沸点范围/℃
液体燃料
℃
航空汽油（79号、95 号）
车用汽油
40～180 35～205
轻柴油（-35号，专用及 直馏）
燃料油（重油）
180～350 300以上
C5H9C2H5
103.5
24.3
C6H11CH3
100.9
27.0
液体燃烧
二、其它液体燃料
2.其他合成液体燃料
• 合成液体燃料是由煤、油页岩、油砂、天然气等
经过一系列不同的加工方法得到的一类液体燃料。 合成液体燃料的生产过程较复杂，生产费用较高， 而原油(天然石油)的开采和加工费用较低，故各 种液体燃料大都来源于天然石油。随着天然石油 资源的逐渐减少，合成液体燃料作为一种替代或 补充能源将有其发展前景。
前推进力、气体的阻力和液滴本身的重力所组成。一般因液滴质量较小，重力往往可 略去不计；二是内力，有内摩擦力(宏观的表现是粘度)和表面张力，这两种力都将液滴 维持原状。当液滴直径较大且飞行较快时，外力大于内力，液滴发生变形。因外力沿 液滴周围分布是不均匀的，故变形首先从液滴被压扁开始，这样液滴就有可能被分离 成小液，如分裂出来的小液滴所受到的力仍然是外力大于内力，则还可继续分裂下去。 随着分裂过程的进行，液滴直径不断减小，质量和表面积也就不断减少，这就意味着 外力不断减小而内力(表面张力)不断增加。最后内外力达到平衡时雾化过程就停止了。
油的凝固点对油在低温下的流动性能有影响。 在低温下输送凝固点高的油时，应给予加热或采 取必要的防冻措施。
一. 油类燃料特性
• (2)沸点 ：燃料油也没有一个恒定的沸点，而只有
一个温度范围，它的沸腾从某一温度开始，随着 温度升高而连续变化。实际上石油蒸馏时，就是 收集不同沸点的馏出物。
• (3)比重： t℃时油的重度和4℃时纯水的重度之比
一. 油类燃料特性
• (10)燃点 ： 当燃料气体一旦被点火火焰点着，火
焰就能连续不断维持下去的温度称为液体燃料的 着火点或燃点(通常连续燃烧的时间≮5s)。例如某 种原油的闪点为39℃，其燃点为54℃；某种重油 的闪点为222℃，其燃点为282℃。着火以后表面 蒸发和气相燃烧相互支持而继续，液体表面从火 焰表面接受热量，反过来又提供更多的蒸汽去燃 烧，至稳定状态时，蒸发速度即等于燃烧速度。 此时，液体表面温度高于闪点，接近但稍低于沸 点。
燃烧学第六章
将上式改写，自液滴表面（r0和T0）到火焰锋面（r1和Tr） T r dr 积分 dT
r
T0
4
C p T T0 H
1
r0
r2
Cp 4 Tr T0 qm ln 1 1 1 H Cp r r 0 1
2013-7-13
三 斯蒂芬流例题
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哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
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三 斯蒂芬流例题
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哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
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6.2 液滴的蒸发
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哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
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一、静止气流中的油滴特点 6.2 液滴的蒸发
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哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
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三、油雾的燃烧规律 6.4 液雾燃烧
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40
四、液体的雾化 6.4 液雾燃烧
• 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。
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46
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
液体燃料完全燃烧放出热量的公式
液体燃料完全燃烧放出热量的公式液体燃料的完全燃烧可不是个简单的事儿，听起来就像是烧水那么简单，但其实其中的学问可不少。
大家都知道，燃料一旦点燃，哇哦，那可真是个大场面！想象一下，火焰呼啸而出，热量像火箭一样蹿上天，给我们带来温暖，真是让人热血沸腾。
不过，咱们要知道，这背后可藏着一整套公式和计算。
液体燃料在燃烧时，释放的热量可以通过一个公式来计算。
这个公式就像是一把钥匙，能打开能量的宝藏！具体来说，咱们常用的公式是Q = m * ΔH，其中 Q 代表释放的热量，m 是燃料的质量，ΔH 是燃料的焓变。
听起来复杂？其实不然，就像炒菜一样，材料搭配得当，才能做出美味佳肴。
咱们得聊聊燃料的质量。
燃料的质量越大，释放的热量自然也就越多。
想象一下，你去烧烤，肉多了，火自然也旺。
这就像是液体燃料，量大才会热闹。
焓变这个东西，听上去高大上，实际上就是燃料在完全燃烧时所能释放的热量。
不同的燃料焓变可是不一样的，像是汽油、柴油、酒精，各有各的特点。
大家可能会问，燃烧过程中发生了什么呢？液体燃料在燃烧时，分子之间的碰撞不断，释放出热量和光。
这就好比你在派对上，随着音乐的节拍，大家都兴奋地跳起来，热量瞬间在空气中传播。
别小看这热量，它可是我们日常生活的基础，没了它，咱们可就得穿上厚厚的棉衣，瑟瑟发抖了。
再来说说燃料的效率。
有些燃料燃烧得特别干净，释放的热量也特别多，这种燃料就像是天上掉下来的馅饼，能让你笑到最后。
而有些燃料则不那么给力，燃烧时不仅热量少，还容易产生废气，简直就是“拖后腿”的典范。
所以，选择合适的燃料，就像挑选朋友，得有眼光。
在液体燃料的世界里，科学和生活密不可分。
我们的车子、飞机，甚至是家里的热水器，都是依赖这些燃料运转的。
想象一下，没有了燃料，生活会变得多无趣，可能连咖啡都要用手摇了。
对吧？所以，燃料的燃烧不仅关乎热量，还关乎我们的生活质量。
不仅如此，随着环保意识的增强，大家也越来越关注燃料的可持续性。
07液体燃料的燃烧解读
闪点计算
（1）波道查公式；
t f 0.6946 tb 73.7
（2）利用液体分子中的碳原子数
(t f 277.3) 10410 nc
2
5、 粘度与凝固点
燃烧方式
液体蒸发成燃料蒸汽，再与氧气完 成扩散燃烧过程：蒸发是关键。 预蒸发燃烧； 表面燃烧； 雾化燃烧。
预蒸发燃烧
表面燃烧
液体燃料的燃烧
蒸发 液体
气体 ＋ O2 燃烧
液体燃料的性质
1、蒸气压：
在给定温度下，液体和其蒸气处于 平衡状态时，蒸气所具有的压力， 称为饱和蒸气压（蒸气压）。
蒸气压主要由液体的性质（液体分子间的 作用力）和温度决定。 克劳修斯-克拉佩龙方程（与温度的关系）：
LV ln P C RT
kJ / m 2 sec
kJ / m 2 sec
即
d T W g ( ) dr Q W Lg g d CPS T ( ) dt Q
g ∵ Lg g CPg
∴
• 以下是传质速度的求解过程：
定义无因次温度
bT
CPS (T T ) Q
dbT dr dYF ) D F dr
∵T 为常数
∴
W L g g
（3）
同理，对组分 F 的通量按 Stefen 流考虑
W YFR W YFw ( g
即
W g
YF d ( DF dr YFw YFR )
定义无因次浓度
YF YF bD YFw YFR
∴
W gD F
液体在一个设定的表面蒸发，然后完成扩 散燃烧过程。 ——煤油灯； ——煤油炉； ——蜡烛。
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同理，对组分 F 的通量按 Stefen 流考虑
W YFR
W YFw
(g
DF
dYF dr
)
即
W
g
DF
d dr
( YF YFw YFR
)
（3）
➢定义无因次浓度
bD
YF YF YFw YFR
∴
W
g D F
dbD dr
W
W f YF 率）与温度梯度与组分梯度有关。
上述两个方程、三个未知数，需要补充方程求解。 求解思路：首先找出传质速度W// 的表达式。
求解传质数的思路是：液体燃料流出的总热量与导入表面的热通量相等。
B.C：在壁面处（r R ），蒸发单位质量的燃料蒸气所需吸入热量
Q CP (Tw TR ) L kJ / kg
W (kg / m2 s)
闪点测定
测定方法：缓慢加热试验容器中的可燃液体； 向可燃液体的蒸发空间引入火源；在液面上首 先出现闪燃时，可燃液体所具有的温度就是闪 点。
测定方法分类：开杯式闪点测定仪一般适用于 测定闪点高于100℃的液体，闭杯式适用于闪点 低于100℃的液体。
混合液体的闪点
完全互溶的可燃液体的混合液体的闪点：这类 混合液体的闪点一般低于各组分的闪点算术平 均值，并且接近于含量大的组分的闪点。 可燃液体与不可燃液体混合液体的闪点：在可 燃液体中掺入互溶的不燃液体，其闪点随着不 燃液体含量增加而升高，当不燃组分含量达一 定值时，混合液体不再发生闪燃。
2、蒸发潜热
在给定的温度（或压力）下， 单位质量的液体蒸发所吸收的 热量。
3、沸点
液体的饱和蒸气压与外界压力相 等时，液体所具有的温度。 沸点与外压的关系：外压越低， 沸点越低。
4、 闪燃与闪点
闪燃：可燃液体遇火源后，在其表面上产生 的一间即灭的燃烧现象。是可燃液体着火的 前奏或火险的警告。 闪燃原因：在较低的温度下，可燃液体的蒸 发速度较慢时，当其小于蒸气燃烧时的消耗 速度时，遇火源就只能维持瞬时燃烧。 闪点：在规定的试验条件下，可燃液体表面 上能产生间燃时，可燃液体的最低温度。
d dr
(W
4
r2
CPgT
)
0
导热率在dr 范围的增量＝对流通量的增量
（1）
组分方程
d dr
(g
D g 4 r2
dYF dr
)
d dr
(W 4 r2 YF )
0
（2）
扩散率在dr 范围的增量＝组分对流通量的增量
按连续流
div( ) 0 ，即W 4 r 2 const
（S/S）
其中W 、YF 、T 为未知量，且W f YF ,T 。需根据 B.C 确定。
导入常用傅立叶定律
q
g
(
dT dr
)
∴
W
Q
g
(
dT dr
)
即
W
g
d dr
(T ) Q
kJ / m2 sec
kJ / m2 sec
∵
Lg
g g CPg
∴
W
Lg g
d dt
(CPS T Q
)
• 以下是传质速度的求解过程：
定义无因次温度
bT
CPS (T T ) Q
∵T 为常数
∴
W
Lg g
dbT dr
• 耦合能量与组分方程，将(1)(2)改写
• 成统一形式：
gLg
d (r2 dr
dbT dr
)
W
R2
dbT dr
0
（5）
gDF
d dr
(r2
dbD dr
)
W
R2
dbD dr
0
B.C：当 r R 时
（6）
T Tw
bT
CPS (T T ) Q
bTw
YF YFw
bD
YF YF YFw YFR
——煤油灯； ——煤油炉； ——蜡烛。
雾化燃烧
喷雾燃烧的关键因素
蒸发良好 供氧充分
斯蒂芬流
由
液滴的蒸发
• 低温蒸发 • 高温蒸发
单个球形液滴的 低温温蒸发
物理模型
• 基本假定
• 环境温度与液滴温度接近；液滴的蒸发 驱动力式液体蒸汽的浓度梯度；
• 液滴为球形，悬浮在稳定静止的介质环 境中；
• 液滴表面为饱和蒸汽状态，且可以处理 为理想气体
数学描述与求解
• 球坐标中的扩散方程 • 稳态条件 • 边界条件 • 蒸发率——（langmuir公式）
单个球形液滴的 高温蒸发
• 稳定蒸发时，液相区为初温TR，浓度 YFR=1 • 气相区无穷远处燃料的浓度 YF∞=0 • 基本方程：组分守恒 、 能量守恒
液体燃料的燃烧
液体
蒸发
气体 ＋ O2
燃烧
液体燃料的性质
1、蒸气压：
在给定温度下，液体和其蒸气处于 平衡状态时，蒸气所具有的压力， 称为饱和蒸气压（蒸气压）。
蒸气压主要由液体的性质（液体分子间的 作用力）和温度决定。 克劳修斯-克拉佩龙方程（与温度的关系）：
ln P0 LV C RT
lg P0 LV C 2.303RT
db dr
W R2
b
C1
（*）
将式（3）代入，初值条件壁面
C1 g Lg R2 (Ww/ g Lg ) WwR2 bw
∴式（*）为：
g Lg r 2
dbw dr
W R2 (b bw 1) 0
积分，并用r→ ∞时的B.C条件
n
bbbbww11
WwR2
gLg
1 r
（**）
• b∞=0, 但b∞ - bw 称传质数，在形式上 仍保留（令B= b∞ - bw= - bw ）。
• 当r→ w 时， b= bw 。
•∴
（***）
Ww
gLg
R
nB 1
bDw
Ww gD
• 当r→ ∞ 时
T T
YF YF 0
bT bT 0 bD b 0
L Le
/
g
DF
1
从边界条件分析，若
，则两方
程变得同义。热边界层厚度与传质边界层厚度相
等。
（7）
b bT bD
gLg
d dr
(r 2
db dr
)
W
R
2
db dr
0
• 作一次积分
g Lg r 2
• 为求解蒸发速度，必须知道液相及气相的温 度与组分分布
• 这是一个典型的耦合了热量与 质量传递的Stefen流问题：
• 温差（T ∞ －TW）引起热传递； • 浓度差（YFW- YF∞ ）引起质量
扩散
1．控制方程（忽略表面力、体积力作功所转换成的能量）
能量方程
d dr
( g 4
r2
dT dr
)
闪点计算
（1）波道查公式；
t f 0.6946 tb 73.7
（2）利用液体分子中的碳原子数
(t f 277.3)2 10410nc
5、 粘度与凝固点
燃烧方式
液体蒸发成燃料蒸汽，再与氧气完 成扩散燃烧过程：蒸发是关键。
预蒸发燃烧； 表面燃烧； 雾化燃烧。
预蒸发燃烧
表面燃烧
液体在一个设定的表面蒸发，然后完成扩 散燃烧过程。