实验五 水煤浆滴的燃烧特性

实验五 水煤浆滴的燃烧
一、水煤浆应用背景
石油资源的紧缺使我国相当一部分燃油炉的燃料发生困难。

由于水煤浆与液体燃料在许多方面有相似之处，以水煤浆代替液体燃料的研究得到广泛重视，取得了很大的进展。

在煤粉中加入一定比例的水和少量表面活性剂制成的水煤浆有许多特点。

它可以象石油一样用管道输送，只需改动燃油炉的某些部件，如有水煤浆喷嘴就可在油炉中燃烧。

由于含有水分，燃炉中火焰温度较低，保护了热部件，同时降低了污染等。

近十年来，有关水煤浆燃烧的工业性实验和基础研究取得了一批重要成果。

使人们对这种代用燃料的特性有了一定的认识。

毕竟水煤浆是一种两相非牛顿流体，与纯液体燃料有区别。

目前的研究成果表明，水煤浆滴的燃烧过程大致可以分为以下四个阶段（见图8—1）：
水煤浆滴的加热（OA ）。

这一阶段浆滴温度上升，水份也同时蒸发。

水份蒸发（AB ）。

浆滴温度上升到A 点后，水份继续蒸发，但液滴保持不变，这是浆
滴温度为水的饱和温度，即液体蒸发时的湿球温
度。

煤粒挥发分析出并燃烧（BD ）。

水份蒸发后煤浆
滴呈多孔状干球，温度继续上升；先是挥发份析
出，达到一定浓度后开始着火（C 点），温度继续
上升，直到挥发份燃尽（D 点）。

固体炭的着火和燃烧（DE ）。

挥发份燃尽时，炭
粒温度已经相当高，足以使固定炭着火，温度急
剧上升，然后有较长的稳定燃烧过程，直至固定
炭燃尽（E 点）。

E 点以后出现熄火现象，浆滴温度迅速下降。

从O 点到E 点所需的时间即为水煤浆滴的燃尽时间。

二、实验原理
实验采用人工黑体作热环境，将水煤浆滴挂在热电偶上，记录浆滴初始直径，并描绘出燃烧过程中浆滴温度随时间的变化曲线，由此计算浆滴的燃尽时间。

1、水份蒸发时浆滴平衡温度的计算
由液滴蒸发理论可知，平衡蒸发时，水蒸汽的质量流率可由气相组分方程和连续方程求得： ()()m D B v s
m v
=+41π
ργ
ln , （1）
式中（OD ）为混气的密度与扩散系数乘积，γs 为滴的半径，
B Y Y Y m v w s w w s ,,,,=
--∞
1为蒸发的
质传递函数。

Y w ，s ，Y w ，∞分别为表面和无穷远处水蒸汽的质量百分数。

假定Y w ，∞=0，则上式可简化为
B Y Y m v w s
w s ,,,=
-1 （2）
另一方面，由能量守恒方程可知，
()
m c r B v p s h v
=⎛⎝ ⎫
⎭
⎪+41πλln , （3）
式中λ，C p 分别为混气的导热系数和比热，
()B C T T Q h v s v
,=
∞- （4）
为蒸发的热传递数，Ts ，T ∞分别为表面温度和环境温度。

Q V 为水的蒸发潜热。

当
()L C D e p
==λ
ρ1时，有广义雷诺比拟，
B B m v h v ,,= 即 ()Y Y
C T T Q w s
w s
p s v
,,1-=
-∞ （5）
平衡蒸发时，水蒸汽表面分压P w 遵守Clausius-Claperon 方程，
X P P P P CP Q R T T w w
n v
b n s =
=-⎛⎝ ⎫⎭⎪⎪⎡⎣
⎢⎢⎤⎦
⎥⎥ ∂0
11, 式中X w 为水蒸汽的莫尔百分数。

P 为系统压力，T b n ,为参数压力P n 下的液体沸点。

通常参
数压力取为1大气压，则上式为 X P P P CP Q R T T w w
v b s =
=-⎛⎝ ⎫⎭⎪⎡⎣⎢⎢⎤⎦
⎥⎥1110
∂ （6） 由
Y w s w s w s W s a s ,,,,,=
=+ρρρρρ，结合状态方程，可得到
Y Y P P
P P R R w s
w s
w w a W ,,11-=
-∙⎛⎝ ⎫⎭⎪
（7）
式中R R R a w ,,0
分别为空气，水蒸汽的气体常数以及通用气体常数。

由（5），（6），（7）联立，可求得浆滴平衡蒸发温度。

()1110T T R R R C T T s b v a w v P s =++⎛⎝
⎫
⎭⎪∙-⎡⎣⎢⎢⎤⎦
⎥⎥∞θθln （8） 上式取P=1大气压，由（8）可知，T s <T b ，又由于θv <<R 0
，因此接近，且仅为T s 的
函数。

（8）式计算参数：T b =273.2K ，R 0
=8.314J/gmol ·k ，R a =0.287J/g ·k ，R w =0.462J/g ·k ，
θv =44.46kJ/gmol ·k （273k ），C P 根据T ∞查表求得（取空气值）。

2、用最小二乘法拟合曲线
水煤浆滴直径d 0与燃尽时间t 假定满足以下关系：
t kd n
=0 （9） K 、n 为待定常数，（9）式两边取对数得到
ln ln ln t k n d =+0
（10）
由最小二乘法原理可知，为了拟合实验点的最佳曲线，误差的平方和
()
ln ln ln ln 202
yi t
n d k i
i
i i
∑
∑
=
-- （11）
应为最小。

于是上式对n 和K 的偏导数均应为零，经整理得到
(
)ln ln ln ln t n d k d i i i
i --=∑000
（12）
(
)ln ln ln t n d k i i i
--=∑00
（13）
求解方程（12），（13）得到
()
n N
t d t d N
d s i i i i
i
i i
i i i
i
=
-
∙
-⎛⎝
⎫⎭
⎪
⎪∑
∑
∑
∑∑ln ln ln ln ln ln 0002
02
（14）
K EXP t n
d N
i i
i i
=-⎛⎝
⎫⎭
⎪
⎪
⎪⎪⎪∑
∑
ln ln 0 （15） 式中
i
∑
为对所有实验值求和，N 为实验点数，至少取10个实验点。

三、实验设备与燃料
1) 精密自动交流调压稳压器。

2) 函数记录仪。

3) UJ —36电位差计或万用表。

4) 人工黑体。

5) 镍铬—镍硅热电偶及支架。

6) 调压器。

7) 贫煤（或煤）水煤浆。

8) 暗室及冲洗设备。

9) 读数显微镜。

四、实验步骤
1. 配制水煤浆，贫煤掺水量为30～35%，褐煤为40～45%。

2. 按实验原理图1—2接通线路，检查各仪器工作是否正常，函数记录仪处于非工作状态。

3. 接通电路，调节调压器电压（不超过25V ），对人工黑体进行缓慢加热，大约10分钟
后，温度开始稳定。

可用电位差计进行监测、待温度稳定后，读出电位差计毫伏数，对照电压—温度对应关系表，查出温度即为环境温度T ∞（K ）。

4. 用玻璃棒将水煤浆滴挂接在热电偶丝结点上。

用照相机拍下浆滴直径（选用光圈2，速
度1/15），用背景灯。

5. 使函数记录仪处于工作状态（选择量程5mv/cm ，走纸速度10秒/cm ）。

自动笔开始移
动，小心地将水煤浆滴移入人工黑体内燃烧。

函数记录仪记录下浆滴温度随时间的变化。

6. 温度开始下降后，自动笔抬起，函数记录仪停止工作。

待燃烧完毕后，将残渣移出人
工黑体，用小镊子轻轻地将灰渣夹出。

必须特别仔细，以免损坏热电偶。

7. 用大小不同的浆滴，重复步骤4—6，至少做十次。

8. 切断各电源，清理现场。

9. 在暗室或用暗袋和冲洗罐冲洗胶卷，挂起凉干。

10. 在读数显微镜下读出浆滴初始直径，可读两个互相垂直的直径，然后取平均值。

同时
对照记录纸顺序，确定各次实验的浆滴燃尽时间。

五、实验数据处理
1. 根据环境温度T ∞，查表求得C P 。

用迭代法计算（8）式中水份蒸发时的平衡温度理论值。

与实验值进行比较，计算相对误差。

2. 用最小二乘法拟合曲线，求出（9）式的待定系数n 和K 。

写出拟合公式（9）的表达
式。

3. 以d 0为横坐标，t 为纵坐标，（或以ln d 0为横坐标，ln t 为纵坐标）将各组实验值标在
图上。

用拟合公式（9）或（10）作拟合曲线，即为实验点的最佳曲线。

4. 求实验误差的平方和
l y i
i
2∑。

计算标准误差，实验的标准误差用下式计算（其中n 的
取值范围为n n y σσ=±）：()(
)
σy
i i
i i i
i
N
ly N N
d d =
--⎛⎝
⎫⎭
⎪
⎪⎡
⎣
⎢⎢⎢⎤⎦
⎥⎥⎥∑
∑
∑202
02
2ln ln （16）。