第七章液体燃料的雾化

D02
8 g cp,g L
ln1 BT
进一步简化：
D2 D02 k
rs →0 燃尽时间τb:
D2 D02 k
蒸发速率常数
g
k 8
cp,g L
ln1 BT
b
D02 k
初始油珠尺寸2 燃烧速度常数
τb ∝D02， D0↑，τb ↑
物性参数的选择：
cpg cpg (T )
kg 0.4F (T ) 0.6 (T )
雾化角对火焰的影响： 过大：火焰粗而短； 过小：细而长。
α αr
液体燃料的雾化特性（评价指标）
2、雾化液滴细度
Sauter平均直径：假设每个液滴直径相等时，按所测得的 所有液滴的总体积V与总表面积S计算出来的液滴直径。
V 6
ni
d
3 i
S
ni
d
2 i
d SMD
6V S
V 6
ni
d
形油珠。 4)在气动力作用下，大油珠进一步碎裂。
注意：雾化是物理过程、雾化后不是气体
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
液体燃料的雾化特性（评价指标）
1、雾化角
雾化角：又称油雾炬的张角，指喷嘴出口到 喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角。
条件雾化角：以喷嘴为圆心，r为半径的圆 弧和外包络线交点与喷口中心连线的交角。 α
4r 2
dT dr
mv Ll
mvCp (T
TL )
0
油粒的蒸发与燃烧
mv dr
dT
4 r 2 C p (T TL ) Ll
边界条件： r rs，T TL
r ，T T
蒸发速率
mv
4rs
Cp
ln 1
Cp T TL
Ll
引入传输系数：
BT
Cp T TL
Ll
mv
4rs
Cp
ln 1
• 热解和裂化 油蒸汽高温下受热 分解，产生固体碳和 氢气。 液体油粒也会裂化出 较轻的分子，剩下较 重的分子。
• 着火燃烧 油蒸汽、热解和裂 化产物与氧接触、达 到着火温度时，着火 燃烧。
氧气
热解产物 裂化产物
油气
燃烧前沿
燃烧产物
含氧介质
单个液滴的燃烧模型
油粒的蒸发与燃烧
油粒燃烧过程特点
提供反应物质
αr
雾化角的大小对燃烧完善程度 和经济性有很大影响，是雾化 器设计的一个重要参数。
液体燃料的雾化特性（评价指标）
雾化角对燃烧影响： 过大：油滴穿出湍流最强区域，混合不良， 燃烧不完全，降低燃烧效率。
过小：液滴不能有效分布在这个燃烧室空 间，造成局部过剩空气系数过大，燃烧温 度下降、着火困难、燃烧不良。
3 i
n 6
d
3 SMD
S
ni
d
2 i
nd
2 SMD
液体燃料的雾化特性（评价指标）
质量中间直径MMD： D50: Mass-median-diameter (MMD). The log-normal distribution mass median diameter. The MMD is considered to be the average particle diameter by mass
燃烧反应
油的蒸发
提供热量
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
•油滴的净导热量：
Q1
4r 2
dT dr
•油滴升温：
Q2
4 3
rs3
l
Cl
dT1
d
•油滴气化潜热：Q3 mv Ll
•油蒸气升温： Q4 mvC p (T TL )
稳态时：Q2 0, 稳定蒸发过程的热平衡方程：
BT
BT ↑， mv ↑
油粒燃烧时间
根据质量守恒：蒸发速率＝液滴单位时间质量减少量
mv
mf
dm
d
L
4r
2
dr
d
mv
4rs
Cp
ln 1
Cp T TL
Ll
dr
d
rC p L
ln1 BT
r2
r02
2
g cp,g L
ln 1
BT
2a( g L
) ln1
BT
油粒燃烧时间
用油粒直径表示：D2
第七章 颗粒燃料的燃烧
刘雪玲 天津大学热能工程系
PM2.5
PM2.5：particulate matter 颗粒物，是指大气中直径小于 或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。它的直 径还不到人的头发丝粗细的1/20。
根据PM2.5检测网的空气质量新标准： 优：0~35 良：35~75 轻度污染：75~115 中度污染：115~150 重度污染：150~250 严重污染：250及以上
• d:特征尺寸R=36.8的液滴直径
•n 均匀度指数，n=1～4
di
例：R90=32:大于 90μm的颗粒占总颗粒的32％
液体燃料的雾化特性（评价指标）
4、流量密度分布
• 单位时间内在油滴运动的法线方向上，单位面积上通 过的油滴的流量。
• 判断油雾断面上油量分布的均匀程度。
流量密度
流量密度
－R
0
12月8日，预报PM2.5指数最高值达到395。 图为记者在济南市山大路拍到的街景。（中 新社发 邱江波 摄）
（一）液体燃料燃烧
发动机中喷射的汽油和柴油燃料
（一）液体燃料燃烧
航空燃气（涡）轮（发动）机
（一）液体燃料燃烧
运载火箭发动机（美国阿波罗土星推
进器，中国神九长征2号运载火箭液体助推器）
＋R
直流喷嘴油滴流量密度分布曲线
液滴集中在油雾距轴线附 近，燃烧时间长、火焰长
－R
0
＋R
旋流喷嘴油滴流量密度分布曲线
液滴分布较均匀，与空气
混合好，燃烧快、火焰短
液体燃料的雾化特性（评价指标）
雾化对燃烧影响： 雾化越细，烧越充分； 雾化的好坏，是组织好燃料燃烧的前提。
油粒的蒸发与燃烧
• 蒸发 受热产生油蒸气
假设存在一中间直径dm，大于与小于dm的油珠的总质 量相等。
Mddm Mddm
液体燃料的雾化ຫໍສະໝຸດ Baidu性（评价指标）
3、雾化均匀度
燃料雾化后液滴颗粒尺寸的均匀程度。
Rosin-Rammlar分布
R
R
100
exp
di
n
%
d
n大
•R：di d 液滴质量(体积)占取 样总质量(体积)的百分数
T (Tboil T ) / 2
• 例题： 直径为500μm的正乙烷（C6H14）在热的滞止
（一）液体燃料燃烧
液体燃料燃烧过程 （较气体复杂）
•雾化 •液滴汽化、蒸发 •燃料与空气混合 •液滴燃烧
雾化概念及过程
雾化概念：用物理方法使液体燃料碎裂成细小液滴 群的过程。
雾化过程：
1) 液体由喷嘴流出形成液柱或液膜。 2) 由于液体射流本身的初始湍流以及周围气体对
射流的作用（脉动、摩擦等），使液体表面产 生波动、褶皱，并最终分离出液体碎片或细丝。 3) 在表面张力的作用下，液体碎片或细丝收缩成球