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1、第五章第五章 液滴和煤粒燃烧液滴和煤粒燃烧5-15-1液滴蒸发和燃烧液滴蒸发和燃烧-(1)-(1)研究背景研究背景基本现象1:液体燃料燃烧有液面燃烧,液雾燃烧,预蒸发燃烧基本现象2:液体燃料燃烧经常发生于气相,经常是扩散燃烧,燃烧速率和液体密度成反比液雾燃烧本身又有预蒸发燃烧,液滴扩散燃烧以及二者的混合对液雾燃烧而言,研究液滴的蒸发和燃烧是重要的5-1(2)5-1(2)静止空气中液滴的蒸发和燃烧静止空气中液滴的蒸发和燃烧低强度蒸发是常规传热传质5-15-1（3 3）基本方程）基本方程基本假设：准定常；球对称层流有反应流动；无自燃和强迫对流；燃料和氧相遇扩散；无辐射和体积力；热物性为常数基本方程
2、（续）基本方程（续）和纯导热方程的区别：有对流，导热/扩散和反应项；表面处 有斯蒂芬流运用连续方程和内边界条件，以及由表面到任一个半径处积分可得5-1(4)5-1(4)液滴纯蒸发液滴纯蒸发对纯蒸发，反应率为零，将上述一阶微分方程由液滴表面到半径为无限大处积分，可以得到蒸发率表达式此式反映了斯蒂芬流对传热传质的削弱作用5-1(5)5-1(5)有燃烧时的液滴蒸发有燃烧时的液滴蒸发运用Zeldovich转换，得到综合浓度Z的输运方程，其中无反应源项在Le=1时，可以把扩散和能量方程合并，得到有燃烧时的蒸发率表达式G=inv（反应动力学）；Tw近似等于但小于Tb5-25-2强迫对流下的液滴蒸发和燃烧强
3、迫对流下的液滴蒸发和燃烧（1 1）驻膜的概念）驻膜的概念先设无蒸发和燃烧，考察一个驻膜，真实的对流传热等价于其中的导热再考察无对流的驻膜内球对称的液滴蒸发和燃烧5-25-2（2 2）强迫对流下的液滴蒸发率）强迫对流下的液滴蒸发率用驻膜半径来代替无限大外边界，可以得到强迫对流下的，有无燃烧的液滴蒸发率斯蒂芬流削弱传热传质，燃烧增强传热传质5-25-2（3 3）滴径平方的线性递减率）滴径平方的线性递减率SreznevskySreznevsky定律（定律（d d2 2-Law-Law）对同样的燃料，若环境温度和氧浓度不变，忽略Nu的变化，则滴径平方的线性递减率成立轻油在高温空气中蒸发或燃烧，K近于1
4、mm2/s，200微米液滴寿命0.04秒5-25-2（4 4）理论分析的结论）理论分析的结论液滴蒸发率正比于液滴直径和气体导热系数液滴蒸发率正比于ln（1+B）或ln（1+Bf）液滴蒸发率正比于相对速度的平方根无论有无燃烧，液滴蒸发率均与反应动力学无关只有对不变的环境氧浓度，温度和Nu数，滴径平方的线性递减率成立5-25-2（5 5）实验结果）实验结果液滴蒸发和燃烧有四种状态：全包火焰；半包火焰；尾部火焰；纯蒸发蒸发过程大致符合d平方定律。煤油，辛烷，柴油，石蜡烷，重油的蒸发常数为0.96，0.95,0.79,0.7和0.5压力大于1atm时,K和p的0.25次方成正比，小于1atm时，几乎和
5、压力无关全包火焰和纯蒸发时，K和相对速度的1/2次方成正比K和环境温度的关系不是ln（1+B），而是B25-25-2（6 6）液滴着火和灭火的简化分析）液滴着火和灭火的简化分析设 着火首先发生于高温边界，用点燃的零值梯度法进行分析着火由Tg出发，灭火由Tm出发。着火条件：液滴着火和灭火的简化分析（续）液滴着火和灭火的简化分析（续）用类似方法可导出灭火条件也有既不能着火，但燃烧时也不灭火的参数条件Tg比Yox对着火影响强，Yox比Tg 对灭火影响强5-3 5-3 固体燃料燃烧的一般描述固体燃料燃烧的一般描述固体燃料可以是金属，非金属，固体推进剂和化石燃料煤按照不同的生成年代和碳氢比，煤可以分成无
6、烟煤，贫煤，烟煤，褐煤，泥煤等煤的成分可以用元素分析（碳，氢，氧，氮，硫等）工业分析（挥发份，固定碳，水份，灰份），岩相分析来确定固体燃料燃烧方式有装药燃烧，型煤燃烧，固定床燃烧，移动床燃烧，流化床燃烧，悬浮（夹带）燃烧，浆状燃烧（CWM，COM，CWOM）等煤是地球上廉价燃料，主要问题是污染和磨损煤的燃烧过程一般是升温，水份蒸发，热解挥发，挥发份着火燃烧，挥发份和焦炭共同燃烧，焦炭燃烧，后者时间最长，发热的贡献最大5-4 5-4 煤的热解挥发煤的热解挥发-（1 1）一般概念）一般概念煤通常升温到5000到6000左右时开始释放出一氧化碳，碳氢化物，氮，水汽等，称为热解挥发可以认为一个煤颗粒中
7、含有干而无灰的煤（Daf煤），焦炭，灰份和水份。Daf煤热解放出挥发份，焦炭和环境中的氧起异相反应放出一氧化碳和二氧化碳等煤粒的质量损失率等于水份蒸发率加挥发份释放率加焦炭燃烧率煤的热解挥发对着火和火焰稳定有重要作用虽然焦炭燃烧对煤粒燃烧起主要作用，但挥发份释放影响煤的孔隙率，从而间接影响焦炭燃尽过程煤的热解挥发模型有单方程，双方程，多方程模型等。其中目前常用的是双方程模型5-4 5-4 煤的热解挥发煤的热解挥发-（2 2）双方程模型）双方程模型有两个热解挥发反应，一个在常规燃烧温度下起支配作用（相当于工业分析的挥发份）另一个在高温下起支配作用挥发份释放率正比于Daf煤质量，和煤粒温度成指数关
8、系5-5 5-5 碳的异相氧化反应碳的异相氧化反应-（1 1）反应种类）反应种类碳的氧化反应发生于碳表面，为异相反应，因为TbTi碳表面吸附氧分子，再通过解吸放出CO或CO2表面氧化反应生成CO或CO2，还原反应生成CO，CO容积反应生成CO25-5 5-5 碳的异相氧化反应碳的异相氧化反应-(2)(2)反应动力学反应动力学Arrhenius型统观反应动力学，理论上设为一级，实际为0.5级温度小于800时以生成CO2为主,1000到2000之间以CO为主5-5 5-5 碳的异相氧化反应碳的异相氧化反应-(3)-(3)基本方程基本方程球对称一维层流有反应流动,CO和氧相遇扩散5-5(3)5-5(3)基本方程基本方程(续续)表面反应的化学当量比关系5-5(4)5-5(4)单反应模型单反应模型设表面处只有反应1，无 容积反应，驻膜内热物性为常数