液体燃料的蒸发与燃烧
内燃机燃烧基础课件(液体燃料的雾化和蒸发)
R
2
]
dbD dr
0
bT bTW
bD
bDW
WW
g g
dbT dr
W
WW g Dg
dbD dr
W
bT bD
bT bD
0 0
方程的求解
求解二阶常微分方程需要两个条件，另外还有界面传质速
度和温度两个未知量，需要四个边界条件，前面的边界条
件提供了三个，另外一个可以从液面处气液两相平衡的热
力学关系得出，即利用饱和蒸汽压和温度的函数关系给出
补充条件
假设Le=1，即 g DF ，对求坐标下的蒸发能量方程式
（7-30）进行积分，得：
ggr 2
db dr
[WWR2 ]b
cons(与r无关的常数）
利用壁面处的边界条件求出该常数
下面的这些关于热气体中液滴蒸发的假设经常会 用到，因为它们能极大的简化问题，主要原因是 排除了处理质量传递的必要，而且仍与实验结果 符合得很好。
1、液滴在静止、无穷大的介质中蒸发。 2、蒸发过程是准稳态的。这意味着蒸发过程在任一 时 刻都可以认为是稳态的。这一假设去掉了处理偏 微分方程的必要。 3、燃料是单成份液体，且其气体溶解度为零。
B cg (T TW ) (wF wFW ) l cl (TW TR ) (wFW wFR )
1
1
0
Nu
h0d kg
2
0.6
ud vg
2
vg
g
3
s R
h0d 2 kg
h0 kg s
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
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。
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
燃气蒸发器的基本原理
燃气蒸发器的基本原理
燃气蒸发器是一种用于将液态燃料转变为燃气形式的装置。
它的基本原理是通过提供热量使燃料从液态转变为气态。
燃气蒸发器通常由以下几个主要部分组成：
1. 液体燃料进入：液态燃料通过管道或喷嘴进入蒸发器。
2. 热源：燃气蒸发器需要一个热源，通常是来自发动机冷却系统的冷却液或者电加热元件。
热源提供所需的热量以使燃料蒸发。
3. 蒸发室：液态燃料进入蒸发室，在这里受到热源的热量作用下，燃料开始蒸发并转变为气态。
4. 气体燃料输出：蒸发后的燃气通过管道或喷嘴输出，用于供给燃烧系统，如发动机或燃气炉。
在燃气蒸发器中，液态燃料通过加热转变为气态燃料，这样做的目的是为了方便储存、输送和燃烧。
通过蒸发器，液态燃料可以更加高效地转化为可燃燃气，以满足不同设备和系统的能源需求。
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7章液滴的蒸发与燃烧
7.4 扩展到对流条件
· 对于强制对流下液滴的燃烧，可使用下面的关 系式来计算：
· 其中Reynolds数Re基于液滴直径和相对速度。 为了简单起见，热物理属性可以用平均温度处 的参数据来计算（方程10.76d）。
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7.4 扩展到对流条件
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7.2 液滴蒸发的简单模型
· 采用以上公式可以很简单地预测液滴的蒸发。然而，在 分析中，我们假定cpg和kg都是常数。而实际上从液滴表 面到气流，它们的变化很大，我们面临的问题是如何合 理地确定cpg和kg。Law & Williams关于燃烧液滴的论述 中，建议由下面方法近似：
· 我们希望求解的问题是任一时刻液滴表面燃料的蒸发速 率，这样，我们就可以计算液滴半径关于时间的函数以 及液滴寿命。
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7.2 液滴蒸发的简单模型
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7.2 液滴蒸发的简单模型
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7.2 液滴蒸发的简单模型
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❏ 系统简单，便于分析物理现象之间的联系
❏ 可以得到封闭的解析解
❏ 研究液滴尺寸和环境条件等因素对液滴蒸发或燃烧时 间的影响。
❏ 液滴气化速度和液滴寿命很重要。
燃烧学
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7.1 应用背景
燃烧学
图10.8 液体射流的雾化过程：液膜→ 液带→ 液滴。
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），
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
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。
航空发动机燃烧学_ 液体燃料的雾化、蒸发与燃烧_63 雾化特性参数_
-1-
西北工业大学
航空发动机燃烧学课程组
《航空发动机燃烧学》
雾化特性参数
CONTENTS
-2-
1雾化细度
2液滴尺寸分部
3雾化锥角
4雾化均匀度
5流量密度分布
6雾化射程
质量中间直径(MMD d
m )
1
•液雾中大于这一直径的所有液滴的总质量恰好等于小于这一直径的所有液滴的总质量；
•MMD越小，真实液雾中的小颗粒所占的比例越大
雾化炬颗粒尺寸分布特性曲线
d m与d32可能存在很大的差别，它
们之间存在一定的关系。
•雾化细度并不是越小越好。
•对于强化燃烧过程，雾化过细，
马上被气流带走，在某一区域形
成过浓的混合物；而在油滴无法
喷射到的地方，混合物的浓度却
很稀。
要求液滴直径在20~200 µm之间，且液滴的中间直径不大于75~100 µm
液滴的尺寸分布。
第十章%20液体燃料的蒸发与燃烧
= 0.145 ×
78.108 = 0.3147 35.99
176
由理想气体状态方程可计算出试管内气体的平均密度
MW =
1 1 ( MWmix.i + MWmix ,∞ ) = (35.99 + 28.85) = 32.42 2 2 P 101,325 ρ= = = 1.326kg / m3 ⎛ 8315 ⎞ Ru MW ⎜ ⎟ 298 ⎝ 32.42 ⎠
气液界面的平均分子量为：
Psat (Tliq ,i ) P
=
0.145 = 0.145 1
MWmix ,i = 0.145 × 78.108 + (1 − 0.145 ) × 28.85 = 35.99 kg kmol
气液界面处苯的质量分数为
YC6 H 6 ,i = xC6 H 6 ,i
MWC6 H 6 MWmix ,i
179
在很多实际应用的装置中， 特别是燃气涡轮和柴油机， 高温下液滴的蒸发显得非常重要。 在这些装置中， 液滴蒸发常常发生在液滴进入压缩的热空气中或有燃烧反应的燃烧室中。 在 火花点火的发动机中，吸气系统的温度接近环境温度，压力稍低于大气压力。在大多数情况 下，强制对流对蒸发过程有重要影响。 考虑直径 500 μ m 的正己烷（ C6 H14 ）液滴在热的滞止氮气中蒸发，压力为 1atm。 氮气温度为 850 K 。假设液滴温度处于沸点，确定正己烷液滴的寿命。 解： 液滴寿命 td 可根据下式估算
c pg = c pC6 H14 (T ) = 2872 J kg − K
k F = kC6 H14 (T ) = 0.0495W m − K k∞ = k N 2 (T ) = 0.0444 W m − K
热传导率的平均值根据以下近似公式计算：
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。
醇油灶头的燃烧原理
醇油灶头的燃烧原理
醇油灶头是一种使用醇类液体燃料进行燃烧的灶具。
其燃烧原理如下：
1. 醇类液体燃料（如乙醇、甲醇等）加入到燃烧器中，通常在燃烧器底部设有一个供液口，可以通过注入或倒入的方式添加燃料。
2. 在燃烧器内部，通常有一个燃烧腔室，用于容纳燃料。
在燃烧腔室内部，通常还安装有一个燃烧器头，类似于火焰喷嘴，用于控制燃料的喷出。
3. 当点燃醇类液体燃料时，首先需要将燃料蒸发成为可燃气体。
这一过程通常通过加热燃烧腔室内的燃料实现，例如，可以使用点火器或火柴引燃燃料。
4. 一旦燃料被点燃，产生的火焰从燃烧器头中喷射出来，并形成一个火焰圈。
5. 火焰圈的形成需要醇类液体燃料和空气的适当比例。
燃料和空气混合后，在火焰圈内发生燃烧反应，产生高温气体和水蒸气。
6. 产生的高温气体和水蒸气释放出大量的热量，使得灶具上的锅具或食物加热。
需要注意的是，醇油灶头在燃烧时会产生火焰和烟雾，因此在使用时需要确保充分通风，并注意防范火灾和中毒的风险。
同时，燃烧产生的废气含有一定的二氧
化碳和一氧化碳等有毒气体，需要及时排出。
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
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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
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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。
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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
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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
液化气罐燃烧的原理
液化气罐燃烧的原理
液化气罐燃烧的原理是液体燃料与空气发生化学反应产生燃烧的热能。
液化气罐中通常存储着液化石油气（LPG，主要成分为丙烷和丁烷）、液化天然气（LNG，主要成分为甲烷）等。
液化气槽中的液体燃料具有较高的蒸气压力，当容器内部的压力减小时，液体燃料会蒸发生成气体。
同时，通过打开罐体中的气阀，空气可以进入罐内与燃料气混合。
在空气中，液化气得到氧气的供应并达到可燃条件。
然后，在适当的点火源下，液化气与空气中的氧气发生化学反应，由于燃烧反应产生的热能，燃料气会继续燃烧。
燃烧的焰温高，释放出大量的热能。
液化气罐燃烧的过程中主要反应是燃料气的氧化反应，其反应方程式可以简化为：燃料气（液体燃料蒸发后的气态燃料）+ 氧气→二氧化碳+ 水+ 热能。
另外，液化气罐燃烧还可能伴随着不完全燃烧的情况，不完全燃烧条件下，燃料气没有完全与氧气反应生成二氧化碳和水，还会产生一些有害物质，例如一氧化碳和氮氧化物。
因此，正确使用液化气罐，保证足够的氧气供应和适当的燃烧条件，是非常重要的。
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L( )输运方程是二阶的，故需要两个边界条件；尽管提供
了三个边界条件( d
dr
,s , )，但是由于油滴表面的边界条件
s,g
又另外两个未知量(ms和Ts或wf ,s )。这样方程仍然不封闭。
求解过程如下： （1）对L(η)求一次积分，得到
ms R2
g
Dg
r
2
d
dr
const
ms R2s
g
Dg
r
2
d
dr
s,g
(3)
需估计油滴表面的常数
（2）对油滴表面（r=R）应用如下边界条件：
d ms dr s,g g Dg 方程(3)中常数变为 ms R2 (s 1)
方r
2
d
dr
ms R2 (
s
1)
0
（3）对方程分离变量，并从r=R到r ∞求积分，得到
液体组分守恒方程：
ms
wf ,sms
g
Dg
dw f dr
s,g
总流量 对流项
扩散项
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
ms (wf ,s
1)
g
Dg
dw f dr
s,g
定义 :
f
wf wf , wf ,s 1
则有 :
ms
g
Dg
情况2： Tsbp， wf,s1,故有Bf∞，ms≈ρfvf
即扩散带走的质量可以忽略，油蒸汽主要由斯蒂芬流动（即 气相对流项）输运
此时有：
油滴加热蒸发时所 需的能量
B BT
c p,g (T Tbp ) Q
油滴加热蒸发时环 境中可用的每单位 质量能量
2 d2定律及油珠寿命
ms
g Dg
R
B
ms
w
f
,s ms
g
Dg
dwf dr
s,g
g
Dg
dw f dr
s,g
此时油滴的蒸发速度十分慢，以至于可以忽略斯蒂芬流动 （气相对流项），油蒸汽主要由Fick扩散传送
B=Bf≈wf,s(T∞)-wf, ∞ 其中wf,s(T∞)的压力为p，温度T=T ∞时的燃料质量分数的饱和 值
即：在半径r处的质量流量=油珠表面的质量蒸发率(kg/m2*s) 若求解则需要给能量守恒与组分守恒方程定义边界条件
在油珠表面：wf=1（液体）
油珠表面能量守恒方程：
ms[hfg cL (Ts T0 )] g (dT / dr)s,g
其中: hfg为压力p下液体蒸发潜热;cL液体比热; Ts油滴表面温度，一般为常数;T0液体初温;
d f
dr
s,g
由于Le 1 g Dg g DT ,g
用组分输运律表 示的质量蒸发率
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 :
ms
g
Dg
d
dr
,
s,g
s
(即T Ts , wf
wf ,s )
式中Ts , w f ,s未知,需要加以补充
在r 处, 0
燃烧学
10-液体燃料的蒸发与燃 烧
存在液体燃料燃烧的燃烧装置：直喷式活塞发动机； 飞机燃气轮机；燃烧炉；锅炉
液体燃料的燃烧过程：雾化成油污蒸发燃油蒸汽 在气态扩散火焰中燃烧
本章主要研究内容： 描述液体燃料喷雾火焰的结构 建立单滴油珠（蒸发、燃烧）的模型 把单滴油珠模型由很多油滴组成的油雾中
液体油雾火焰的结构 单滴油珠蒸发模型
质量守恒方程：
(v) 0 1 d (r 2v) 0
(1)
r 2 dr
vr2 const svs R2
组分（能量）守恒方程：
纯蒸发无反应
L() (v D) RR 0
1 d[(r 2v) Dr2 (d / dr)]
(r2 )
dr
(2)
从方程(1)得到
qm'' (r)(4r 2 ) ms (4R2 ) C
由于 0 B -s
故
ms
g Dg
R
ln(1
B)
(4)
其中
B
BT
T ,s
c p,g (T Q
Ts )
B Bf
f ,s
wf ,s wf , 1 wf ,s
由于η(r)对于ηT和ηf来说是一样的，因此有： ηT,s=ηf,s BT=Bf
方程的形式变为：
wf,s=f(Ts) 这里需要wf,s与Ts的另一个方程来封闭求解 假设油滴表面处于相平衡状态，调用克拉伯龙方程得到它们 之间的关系方程：
s
d
/(
s
1)
R
(ms R
2
/
g
Dg
)dr
/
r
2
假设g Dg为常数，得到方程的解如下 :
ln(1 s
)
ms R
g Dg
整理得到
ms＝
g Dg R
ln(1 s )
式中ms为单位面积上的液体蒸发率(kg / m2 s)
为了估算ms ,需要知道s ,即需要知道Ts或wf ,s
定义 B 交换数(传热传质驱动) -s
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
g 气相导热系数
若Q为将油滴从温度T0加热到Ts并蒸发所需的总能量(单位质量)
Q h f ,g cL (Ts T0 )
定义 :
T
c p,g (T T ) Q
式中: c p,g为气相定压比热;T为环境温度
则有 :
ms
g DT ,g
( dT
dr
)s,g
用能量输运律表 示的质量蒸发率
式中: DT ,g为热扩散系数
Pf ,s
Pf ,s (Ts )
X
f ,s p
wf ,s
Mr M r, f
p
c1
exp
hf ,g RTs
(5)
做出这两个B值随着Ts的函数曲线，则其交点表示的就是所 需的边界条件
注意：
当TsTbp（沸点温度）时，由于wf,s1，所以Bf∞ 存在两种极限情况：
（1）T ∞<<Tbp（如室温下空气中的水珠情况） （2）T ∞>>Tbp（如油滴在热的燃烧产物中的情况） 情况1： TsT∞， Bf0，即wf,s0,方程(4)变为：
1 液态燃料燃烧重要过程——油雾中的油滴蒸发
模拟在静止环境中（即没有自由和强迫对流）半径 为R的孤立单滴油珠的蒸发，求质量蒸发速率与燃 料特性以及环境状况的函数关系
假设条件：
（1）油珠球对称（一维）；
（2）过程为准稳态（气相传输速率>>dR/dt，后者为油 滴半径的变化速率），即气相守恒方程中的时间偏导数项 可以忽略，采用球坐标来表示气相稳态传输方程：