工质雾化燃烧技术进展报告.ppt

工质雾化燃烧技术,2,报告提纲,3,第一章 前言,应用领域 工质种类 雾化技术,4,应用领域,5,燃烧设备上的应用 （1）工业炉 燃烧炉和电炉 （2）热能动力装置 包括发动机和锅炉 （3）民用燃烧设备 城市采暖锅炉 非燃烧设备上的应用 （1）喷雾干燥设备 催化造粒、食品加工 （2）表面清理及涂装设备 喷丸、粉末静电喷涂 （3）钢铁生产中的应用 粉末冶金 （4）农业生产中的应用 农药喷洒、灌溉 （5）纳米材料制备 液相法（含雾化干燥法、雾化水解法、雾化焙烧法）,6,喷雾工质种类 （1）气态工质 天然气、人工煤气、液化石油气、油制气、生物气等 （2）液态工质 石油系液体燃料、新型液体燃料（醇类，植物油，奥里油） （3）固态工质 煤粉、喷涂粉料、清除设备砂料、丸料 （4）两相工质 煤浆、料浆、涂料（油漆）,7,工业上除了用煤作为燃料外，液体燃料也普遍应用。例如煤油、汽油、柴油、重油等液体燃料已广泛用于锅炉、内燃机、燃气轮机、冶金炉及喷气技术中，其消耗量相当可观，因而进行液体燃料燃烧的研究，对节约能源，减少环境污染具有重要意义。,8,下面主要针对液体燃料的雾化技术进行介绍。 液体燃料喷嘴技术的进展（三次创新）： 1空气雾化技术的产生 2压力雾化与空气雾化相结合 3气泡雾化喷嘴技术,雾化技术,9,理论与实践均已证明，为了获得高强度、高效率的燃烧效果，必须将液体燃料粉碎成小滴。这就是液体燃料的雾化过程。液体燃料雾化，可增加每单位重量燃料的表面积，促使雾化流向适当的方向分散，促进与周围空气的混合，这是提高燃烧强度和燃烧效率的重要途径。,喷嘴的作用就是使液体燃料雾化成直径很小的液雾，并且使其在燃烧室里分布均匀，以增加与周围介质的接触面积，达到快速蒸发、掺混和燃烧的目的。喷嘴设计的好坏对液体燃料的雾化效果乃至燃烧强度和效率影响很大。,10,随着激光、微电子及计算机技术的飞速发展和广泛应用，以激光为光源，利用激光散射、干涉原理，人们开发许多新的测试技术：如激光多普勒技术、激光散射技术、激光阴影技术、激光全息技术和激光CT技术等等。这些测试技术实现了喷雾测量的三维性和实时性，为深入研究喷嘴提供了强有力的测试手段。新型综合性能试验台的开发为喷嘴的设计优化提供了便利条件。电子计算机的出现使得燃烧学研究和燃烧装置的工程设计计算中的复杂问题有了快速求解的可能。,11,第二章 液体雾化机理研究,12,1空气动力干扰说,该说认为，由于射流与周围气体间的气动干扰作用，使射流表面产生不稳定波动。 随速度增加，不稳定波所作用的表面长度越来越短。,2压力振荡说,该说是观察到液体供给系统压力振荡对雾化过程有一定影响。由此根据一般喷射系统中普遍存在压力振荡，因此认为它对雾化起重要作用。,13,3湍流扰动说,该说认为射流雾化过程发生在喷嘴内部，而流体本身的湍流度可能起着重要作用。也有人认为作为湍流管流运动的喷嘴内流体的径向分速会在喷嘴出口处立即引起扰动，从而产生雾化。,4空气扰动说,该说对湍流扰动说持相反态度，认为喷油系统内穴蚀现象所产生的大振幅压力扰动是产生雾化的原因。,14,5边界条件突变说,喷嘴出口处，液体的边界条件（内应力）突变；或者是层流射流突出失去喷嘴壁面约束，使截面内速度分布骤然改变而产生雾化。,15,目前国内外对燃油喷射雾化机理的研究主要从两方面进行：一是利用数值计算技术建立多种假说模型进行数值模化研究；另一方面则利用先进的光电测试技术去捕获雾化过程的细节，以便为某种或综合的假说提供支持。 在理论研究方面，有人将喷射雾化过程分为三个阶段：一是液体在喷嘴内部流动阶段；二是液体喷出后由液柱分裂为雾滴的阶段；三是雾滴在气体中进一步破碎阶段。 其中第二阶段是主要的，可用空气动力干扰说解释。,3.1 雾化方法,第三章 雾化方法 喷嘴类型、结构及其雾化机理,(5) 静电喷雾型或电磁力雾化等。,(4) 超声波喷雾型；,(3) 离心式和旋转喷雾；,(2) 介质喷雾型；,(1) 压力式喷雾型；,17,圆柱形喷嘴 扇形喷嘴 导形喷嘴,形 状,3.2 喷嘴类型及其雾化机理,孔 数,单孔喷嘴 多孔喷嘴,压 力,低压喷嘴 高压喷嘴 超高压喷嘴,工作 原理,机械雾化喷嘴 介质雾化喷嘴 旋转式雾化喷嘴 对冲式喷嘴 振动式喷嘴,雾化介质,空气雾化喷嘴 蒸汽雾化喷嘴,非单相流体混合位置,内混型喷嘴 外混型喷嘴,18,3.2.1 机械雾化喷嘴,1直射式喷嘴,直射式喷嘴,1982年狄塞尔首先在柴油机上使用这种喷嘴。 燃油在压力差作用下产生高速射流，使燃油雾化。 对油压的要求较高；雾化细度与喷嘴直径关系很大；流量调节范围较小。,19,借助于水射流侧向推力造成喷嘴自动旋转,借助于两股射流互击形成的撞击波雾化,20,离心式喷油嘴的基本结构,离心式喷油嘴的工作原理,2离心式喷油嘴,21,工作中的压力旋流喷嘴图,22,Structural Drawing of Swirling Nozzles,23,离心式喷嘴的雾化效果要优于直射式喷嘴，但离心式喷嘴同样需要很高的供油压力，流量的调节范围也比较小。直射式和离心式喷嘴都不适合雾化高粘性燃油直射式和离心式喷嘴都不适合雾化高粘性燃油。,24,影响离心式喷嘴雾化的因素,燃油性质,喷嘴压力降,空气流速,喷嘴几何尺寸,空气压力,25,3. 压力式雾化喷嘴,高效燃油柔性喷嘴装配图,由针形阀、旋流芯和环形喷孔三个关键结构构成。从喷嘴油气入口到喷口依次分为：油气进料管段、针形阀控制段、油气混和段、气动雾化段、环形喷孔等部分。,高效燃油柔性喷嘴整体图,26,该类型通过小孔将液体喷出，实现压力能向动能的转换，从而获得相对于周围气体的较高的流动速度，通过气液之间强烈的剪切作用来实现液体的雾化。 如：柴油机喷嘴（Diesel injectors）、平头喷嘴（Plain Orifice injectors）等。,27,转杯式机械雾化喷油嘴,4转杯式喷油嘴,1-空心轴；2-旋杯；3-一次风导流片；4-一次风机叶轮；5-电动机；6-传动带轮；7-轴承；、- 一、二次风,28,转杯式静电喷枪上的旋杯,1-空心轴；2-顶丝；3-本体；4-叶轮；5-轴承；6-垫片；7、12-螺钉；8-盖子；9-杯座；10-旋杯；11-甩漆帽；13-气管接头；14-漆管接头,29,转盘式雾化器的常用结构,5转盘式雾化喷嘴,1-圆盘；2-喷管 1-盘盖；2-铆钉；3-盘盖,30,离心甩油盘的工作原理,(a)阿都斯特； 1-输油轴； 2-离心甩油盘； (b)透默； (c)J69； 1-输油轴； 2-离心甩油盘； 3-盖子；,31,(1)内雾型 (2)外雾型 气动雾化喷嘴,2.2.2 介质雾化喷嘴,1气动雾化喷嘴,32,气动雾化喷嘴的雾化机理及优点,气动雾化的雾化机理是利用高速气流的能量，克服反应液体（原料油）的表面张力和粘度的约束，使原料油破碎成微细颗粒。主要受以下几个方面的制约： 1. 表面张力和液滴的破碎 2. 雷诺数的影响 3. 撞击对液滴破碎的作用,优点：可以在较低的供油压力下获得良好的雾化效果；使用高粘度燃油时仍然可以获得较高的雾化质量；工作状况可以在较大的范围内调节。,33,34,35,36,37,气泡雾化喷嘴雾化机理,气泡雾化利用气泡形成和气泡破裂过程，将气体低速注入到喷嘴出口上游液体流动中，形成气泡流。很明显，气泡雾化最好的利用了雾化气的能量，即要求将气体注入液体中，在液体中形成尺寸均匀、分布均匀的气泡，并使产生的气泡在高速流动中因膨胀而炸裂，从而产生均匀的液雾。通过克服液体的表面张力，来达到雾化目的。对于液体燃料，如轻柴油、重柴油、重油、油渣等。它们的粘度虽然差很大，但表面张力却处于同一数量级，因此气泡雾化对粘度变化不敏感。,2. 气泡雾化喷嘴,38,泡状流在喷嘴出口处的雾化示意图,39,几种气泡雾化喷嘴结构示意图,平行注气 垂直注气,40,国内及国外的气泡雾化喷嘴示意图,41,42,气泡雾化喷嘴优点,1. 雾滴SMD2； 2. 雾化效果对油粘度及表面张力影响不敏感，可使用的油粘度70E； 3. 喷嘴不堵塞，不结焦； 4. 雾化介质耗量少； 5. 火焰尺寸可调； 6. 燃烧完全，不冒烟，节油率溅以上。 据介绍：气动雾化主要是靠克服液体的粘性力雾化，气泡雾化主要是克服液体的表面张力达到雾化的目的。,43,影响气泡雾化喷嘴雾化性能的主要因素,1. 均匀泡状流的形成； 2. 高速膨胀过程中气泡不聚结； 3. 气泡大小和数量。 上列三因素不仅与液体特性有关，也与喷嘴的结构形式、孔口尺寸、供气方式及参数等有关。,44,超声波雾化喷嘴示意图,3.2.3 特殊喷嘴 1超声波雾化喷嘴,(a) 1-内管；2-外管；3-隔离器；4-超声波发生器；5-锁紧压盖；6-油雾喷出口；(b) 1-汽(气)室；2-环环间隙；3-喷嘴头(谐振腔)；4-喷油口,45,液哨式超声波雾化喷嘴结构示意图,1-接管；2-外壳；3-接头；4-气环；5-调整垫片；6-端盖；7-调整内环；8-中间环；9-调整外环；10-垫片；11-喷头；12-螺母；13-分流片；14-垫片；15、18-密封圈；16-芯管；17-套管；,46,哈德曼式喷嘴结构示意图,1-壳体；2-气环；3-调节环；4-外环； 5-分流片；6-喷头；7-气芯；8-套管,燃油通过旋流室和雾化片先进行一级机械雾化，在雾化室出口处外围有一环形共振腔槽。蒸汽或压缩空气流过环形腔体时，高速气流产生超声波振动，对油雾作二级雾化。,47,压电晶体超声波喷嘴示意图,1- 压电晶体2 - 共鸣室,磁致伸缩超声波振荡示意图,48,超声波加湿器采用超声波高频振荡的原理，将水雾化为1-5微米的超微粒子。,49,水磁化喷嘴有效提高喷雾降尘率,2水磁化喷嘴,50,临界流文丘利喷嘴作为标淮的负压法气体流量标准装置，或在线检测天然气流量。,3文丘利喷嘴,音速文丘利喷嘴原理图,圆环式临界流文丘利喷嘴图,51,产生自激振荡射流的方法很多，目前常用的有风琴管和亥姆霍兹两种自激振荡喷嘴，它们产生振荡射流的过程可用框图表示：,4自激振荡喷嘴,52,风琴管和亥姆霍兹振动腔都是根据瞬态流和水声学中的流体谐振激励的原理诱发产生自激振荡。当稳定的流体通过风琴管或亥姆霍兹振动腔的出口收缩断面的声谐振管时产生振动，这种压力扰动反射回谐振管入口处，与来流本身的压力脉动叠加。当扰动激振频率与射流木身的固有频率匹配时则产生谐振，并形成驻波，从而在谐振管内产生流体自激振荡。,53,风琴管式振动腔,改进的亥姆霍兹脉动喷嘴结构,54,本试验室设计的自激振荡腔体结构,自激振荡理论分析： 1. 剪切层不稳定性是产生振荡的决定因素； 2. 利用水电比拟流体网络理论得到了自激振荡腔固有频率计算公式； 3. 只有结构参数和操作参数相匹配时才能够产生有效的激振。,55,试验低压脉冲射流示意图,1. 从涡激励的角度去解析这种现象是不完善的； 2. 腔内产生了大小周期性变化的一圈轴对称气囊； 3. 圆形线涡做周期性缩张 。,56,5静电雾化喷嘴,在静电喷涂中，受到高压静电场的作用，涂料液滴被分裂成细小微粒的现象称为静电雾化。施加在喷枪上的电压越高，电场的裂化作用越强，静电雾化效果越好。 静电雾化在涂料雾化设备中总是与其他雾化方式联合使用，仅是辅助方式。 如：转杯式静电喷枪。,57,6复合型,哈德曼式喷嘴为机械雾化与超声波雾化相结合喷嘴。 超声波与静电雾化结合。,小喷量充圆锥形BIJM液体加压式,小喷量空圆锥形BIMK虹吸式,产品： 均与介质雾化方式结合,58,第四章 雾化特性参数及其影响因素,一、雾化特性参数,59,雾化锥角,出口雾化角 在喷嘴的出口，作雾化边界的切线，两条切线的夹角即为出口雾化角，用表示。出口雾化角的数值与理论计算比较接近。 一般雾化锥角在60120范围内。,雾化角的旧定义,60,条件雾化角 在离喷嘴一定距离处，作一垂直于雾化中心的垂线，或以喷嘴出口中心为圆心作一圆弧，它们与雾化边界得到两个交点，该两点和喷口中心相连，两连线的夹角即为条件雾化角。国内常用的距离或半径为200250毫米。在距离毫米处测得条件雾化角用表示，在半径为毫米处测得条件雾化角用表示。 条件雾化角小于出口雾化角，相差有时可达20以上。条件雾化角随所取的距离或半径而变，是有条件性的，它便于测量，能更真实地反映雾滴的运动方向，因此实验时常常采用条件雾化角。,61,中国航空工业608研究所燃油喷嘴性能试验标准编写组于2000年在中国航空学会动力专业分会上建议。 以前的定义中喷雾包线介面不清，切线位置不准确，带来较大误差；一些单位常用切点（Z）与喷嘴端面中心点联线所形成的角为喷雾锥角，专家认为这样定义更有利于测量。,雾化角的新定义,锥角,62,喷雾射程,喷雾射程指的是当喷嘴在水平方向喷射时，喷雾炬顶部实际到达的那个平面与喷嘴喷口之间相隔的距离。喷雾射程是直接影响喷雾空间中液雾分布特性的一个重要指标。,63,液雾分布特性,液雾分布特性就是在与液体的喷射方向垂直的横截面上，液体质量的分布密度（即单位面积上分布到的液体量）沿半径方向的变化规律。它在一定程度上反映了喷雾空间的液体分配情况。有关实验表明，测量截面离喷口越远，液雾的分布特性就越趋均匀。,64,雾化颗粒粒度,在油雾中，油滴的大小是不均匀的，最大的与最小的可能差50100倍，因此只能用平均直径来表示雾化粒度。 其中Ni表示第个粒径区间的粒子数目；Di表示第i个粒径区间的中位粒径；a、b为任意整数。 为了满足不同工程应用的需要，前人在大量研究的基础上，提出了各种形式的平均尺寸，在工程实用中，通常采用以下两种平均方法：,65,1质量中间直径D0.5（d50、dm、MMD）。它的定义是：大于或小于这个直径的雾滴的质量各占50%，D0.5质量中间直径比SMD大1520%，其值可以从雾滴尺寸的R-R分布（Rosin-Ramler）曲线上查取 。 2容积表面平均直径D32（d32、SMD、索尔太平均直径）。它的定义是：假定一群雾滴大小均相同，其直径为，这群假定油滴的表面积和体积与真实雾滴的表面积和体积之比相等，即,66,式中 ni 直径 di 的滴数； Ns平均直径ds 的雾滴数。,67,液滴分布均匀性指数是评价雾滴尺寸均匀程度的一个重要指标。在如下的R-R（Rosin-Rammler）分布中,雾化颗粒均匀性,其中D为液滴尺寸分布中的某个特征尺寸；n为液滴尺寸分布的均匀性指数，表明液滴分布的均匀性，与分布范围的宽窄有关，通常1.8n4。n越大，分布越均匀；Q为尺寸小于某个D值的所有液滴的体积占总的液雾的体积百分比。显然 D 越大，雾化粒度越粗。,68,当液雾中的颗粒尺寸按Rosin-Rammler关系分布时，描写雾化颗粒粒度的Sauter平均直径SMD、质量中间直径MMD可以进一步表示为：,式中：-不完全概率积分的函数；N-喷雾均匀度指数； -特征直径，与液滴分布的峰值位置或平均直径有关。这样，就建立了雾化颗粒粒度与雾化颗粒尺寸分布特性间的联系。,69,各种不同的工艺过程对雾滴速度的要求并不一致，为此，需对雾滴出口速度进行检测，在保证雾化质量的前提下，将雾滴速度控制在合适的范围内。 目前，先进的监测仪可以对单个雾滴速度进行逐个测量并给出一定速度下雾滴的数目，或给定直径下雾滴速度及其平均值。,雾滴速度分布特性,70,二、影响雾化质量因素,雾化效果,71,喷嘴结构,根据液体雾化机理可知：液体离开喷嘴时所具有的切向速度和径向速度的大小，对于喷雾特性有决定性的影响，在整个喷射过程中若能增大这两种速度的分量，那么喷雾锥角就比较大，射程比较远，而液体则能分布到比较广阔的空间中去，能够使更多数量的外界空气参与雾化过程。由此可见，喷嘴的结构参数和型式对喷油中切向速度分量的大小密切关系，同时对油流流经喷嘴的紊流扰动强度有很大影响，因此喷嘴的结构是一种影响雾化特性的重要因素。,72,原料物性,液体物性对雾化的影响主要是指液体粘性力和表面张力的影响。研究表明，粘性力会抑制液体表面上波的形成，并阻止由细丝进一步变成颗粒，因此液体粘性力增加，将会导致产生具有较大尺寸的颗粒。表面张力由于会阻止液体表面的扰动或变形，因而可以阻碍雾化过程的进行，并阻止表面波的生成，延缓丝条的形成过程，随着表面张力的增加，雾化质量会严重恶化。,73,工作参数,喷嘴工作参数包括气压、油压、气液比及油流量等，气压、油压决定着空气速度和燃油速度的大小，影响着两者相对速度的高低，从而影响喷嘴的雾化质量，相对速度越高，雾化质量越好。气液比则通过空气速度的改变和参与雾化能量的多少来影响喷嘴雾化质量，一般来说，随着气液比的增强，雾化液滴直径变细，增加到一定值后，对改善雾化的效果不明显。,74,第五章 测试技术,常 规 喷 嘴 性 能,喷雾锥角,流量特性,流量分布不均匀度,雾 化 质 量,雾滴尺寸,雾滴尺寸分布均匀性,75,常规喷嘴性能测试 速度测量 节流法测速 互相关技术测速 热线风速仪测速 LDV（激光多普勒测速）技术测速 PIV（粒子成像测速）技术测速 流量测量 喷雾锥角 雾化质量测试 雾化粒径测量,76,5.1 常规喷嘴性能的测试 5.1.1 速度的测量 1节流法测速,流体通过节流件时会产生压降，由流量与压降的关系即可测得流量。文丘里管是测量法是当前使用最多的多相流量测量法。皮托管是测量单相流中流体速度的经典设备。将探头正对物流就可以测得与当地流体静压相应的动压，由此可计算出速度。使用皮托管测量局部速度的主要问题是它只适用于流动均匀且两相流速几乎相等的情况。,77,常用于稳态流动。瞬态中可采用自适应互相关法。用互相关技术只能测一个速度量。,2互相关技术测速,如果在流动的上下游各布置一个传感器，就可以获得脉动从一处到另一处所需的时间。若脉动随流体以流体速度迁移，就可以把脉动当作示踪物。其相关函数为：,对足够长的时间取平均，因而R12()在m处到最大，于是流动速度为：,78,其中 a、b为与流体参数及探头结构有关的常数；n为与流速有关的常数；tw为热线温度；tf为流体温度。,3使用热线风速仪测速,基本原理：利用通电的热线探头在气流中的热量散失强度与气流速度大小之间的关系来测定流速。.,测量流速的基本方程式为,优点：探头尺寸小、反应快、灵敏度高。,79,4LDV（激光多普勒测速）技术测速,激光多普勒技术已迅速地在很多场合得到应用，不仅可以用于测量速度，还可以用以测量微粒直径。LDV（Laser Doppler Velocimetry）就是应用该技术设计的流场测量仪器之一。 测速基本原理：当激光照射到跟随流体运动的示踪粒子时，产生的散射光频率与入射光频率之间的偏差与流体速度成正比，因而只要测出多普勒频移即可确定示踪粒子即流体的速度及浓度分布。,80,优点：a.不接触式，对流动不会产生扰动；b.不受流体成分和密度影响；c.能辨方向；d.测速范围广，零到超音速均可；e.精度高，可重复性好；f.易扩展功能；g.实现了仪器的计算机化，可实现实时信号处理。 限制：只能对空间逐点测量，不能在瞬间测量整个流场。,81,测量粒径基本原理：当激光照射到跟随流体运动的示踪粒子时，产生的散射光与入射光之间的多普勒相位差（或称相移）与粒子大小成正比，因而只要测出多普勒相移即可确定示踪粒子的大小。,相位粒径的关系式为,多普勒频移表达式为,其中PDi为两个检测器接收到的相位信号差，它与粒子直径成正比；FPDi(m)为转移函数，当光学布局确定后只与粒子材料折射率m有关；dp为粒子直径。,82,LDV系统组成,FIND 软件 数据处理系统 多普勒信号处理器 接收光学单元 入射光学单元 + 坐标行进机构,83,APV系统组成,FIND 软件 数据处理系统 多普勒信号处理器 入射光学单元 + 坐标行进机构,激光器,接收光学单元,84,利用APV测试喷雾场实验照片,利用APV测量该喷嘴的内部流场和外部雾化场；包括速度值和粒径值。,85,优点：不受流体成分密度影响、可测粒径范围广、操作简便，测量精度高。,相位多普勒粒子分析仪 （Phase Doppler Particle Analysis，简称PDPA或Phase Doppler Size Analyzer，简称PDSA）； 可适性相位多普勒激光测速仪 （Adaptive Phase/Doppler Velocimetry，简称 APV）,应用相位多普勒技术的仪器：,86,5使用PIV（粒子成像测速）技术测速,优点：不干扰流场，具有较高的时间和空间分辨率，精度高，实现全流场流动和定量测试。,基本原理：示踪粒子对光的散射作用，光学方法记录不同时刻的位置，得到粒子在各时间间隔上的位移。同时，基于粒子对流场的跟随性而测出流体在粒子所处位置瞬时的运动参数。,本质上讲，PIV技术采用粒子跟随技术进行流场显示和定时测试。,87,5.1.2 流量的测量,测量流体流量的仪表有压差式流量计、容积式流量计和质量流量计等。这些流量计有一个缺点：干扰流体的流动。 运用现代新技术可以进行不干扰流动测量，如辐射技术、激光技术、超声波技术、微波技术、新兴示踪技术、相关技术和过程层析成像技术等。 上面提到： LDV可测粒子的相对浓度。粒子的相对浓度分布即代表流体的流量分布。,88,5.1.3 喷雾锥角,一般采用高速摄像机或照相机拍照，然后计算雾化角。,条件雾化角中X的取值一般20mm。,小流量喷嘴: x=4080mm 大流量的喷嘴: x=100250mm,89,5.2 雾化质量的测试,雾化粒径的测量：,1直接测量法,A.浸渍法,B.印痕法,3间接测量法,2代用液体法,缺点：成本低，耗人力和时间,石蜡法， 氮气加压,雾滴直径不同，则物性不同,缺点： 碰撞 误差,4现代光学测雾法,无干扰、精度高、测范围广、数采,雾化粒径已知后，雾滴直径分布均匀度即可知。,90,可得到喷雾三维图像 比显微照相的探测区大 可测雾滴尺寸、速度 分辨率m,类 别,原 理,仪器（方法）,功 能 特 点,成 像 法,激光显微照相,激光显微照相机,可测量雾滴尺寸及速度 可测5m以上雾滴 靠近喷嘴端面区不太适用 系统分辨率4m,激光全息照相,91,测雾滴尺寸、速度和浓度 可测0.2-200m，200m/s的雾滴,类 别,原 理,仪器（方法）,功 能 特 点,非 成 像 法,激光多普勒效应，即反射或折射光干涉原理,LDV,可测雾滴速度 比显微照相的探测区大 速度范围广，0到超音速 测量快，10000个秒点/秒 精度高,PDPA或APV,光强叠加技术仪(PCSV),功能广，可测雾滴尺寸，分布速度，雾滴数密度 可测尺寸范围广, 其余同上,（续）,92,此方法不太成熟,类 别,原 理,仪器（方法）,功 能 特 点,非 成 像 法,绕射散射光原理,道宾斯方法（Dobbins）,仅限于测SMD测分布误差大,马尔文粒子分析仪(Malvere)国产FAM仪,光强比例方法(Hod Kin Son),测雾滴尺寸、分布 测1-1800m,速度快重复性好，精度高,93,马尔文粒子分析仪的光路图,1- He-Ne激光器；2-光束放大器；3-空气进口；4-燃油管；5-接收镜头；6- 光电检测器；7-晶体开关；8-放大器；9-模数转换；10-数字转换；11-算机接口；12-计算机；13-打印机；14-校准仪表；15-试验段出口,94,目前国内外已有喷嘴综合性能试验台，对单个喷嘴在一次性试验中，可以同时检测流量、喷雾锥角及周向流量分布不均匀度三项指标。只要改变供油压力，则可录取完整的喷嘴性能。,1-CCD2；2-排阀； 3-量杯组；4-分布盘； 5-光源；6-喷嘴安装座 7-喷嘴；8-CCD1； 9-荧屏；10-单向阀； 11-涡轮流量计； 12-电磁阀,B304燃油喷嘴通用试验台的示意图,95,EXPERIMENTAL SETUP (optical setup:LS-2000 laser granularity meter ),LS-2000分体式激光喷雾粒度分析仪测量图,LS-2000激光粒度分析仪是基于激光颗粒前向散射原理。,96,LS-2000分体式激光喷雾粒度分析仪测量原理图,97,概述 燃烧技术研究方法 数值模拟步骤及其功能 燃料喷射燃烧过程数值计算 液体燃料喷雾燃烧模型 喷雾破碎模型 喷雾蒸发模型 喷雾碰壁模型 湍流两相（多相）流模型,第六章 液体燃料喷射燃烧过程数值计算,98,6.1 概述,一类是通过对喷嘴下游已经雾化完毕的液滴群在实际流场中的运动状态的模拟进行研究。 一类是通过模拟喷嘴内部流动过程，进行雾化过程的仿真。 这种模拟研究的技术要点在于建立准确描述液体介质变形过程、液体与气体作用过程及液体离散化为液滴的过程模型。,6.1.1 燃烧技术研究方法 1物理模拟 2工程应用 现场技术改造、设备更新 3数值模拟,99,6.1.2 数值模拟步骤及其功能 1建立基本守恒方程组 流体力学、传热学、燃烧学等基本原理；连续方程、动量方程、能量方程、组分方程、湍能方程等基本守恒方程 2确定边界条件或初始条件 3选择数学模型或封闭方法 4建立有限差分方程组 5制定求解方法 6编写计算程序和调试程序,100,6.1.3 燃料喷射燃烧过程数值计算 可以准确反映燃烧室内两相并存和相互影响的复杂流动。 下面将以燃料的喷射和燃烧作为纵线介绍数值计算。,101,燃油的喷射、雾化（破碎）和蒸发及其与空气的混合对燃烧装置的燃烧和排放具有关键性作业，然而喷雾的数值模拟却是一个极其困难的课题。,6.2 液体燃料喷雾燃烧模型,6.2.1 喷雾破碎模型 目前通常使用的模拟燃油破碎过程有两种模型： 1TAB模型：TAB模型是Taylor将雾滴振动及变形与弹性质量系统比拟的基础上得到的。 2WAVE模型：WAVE模型认为雾滴的破碎是由于液滴表面的不稳定的增长。,102,1强迫对流下有燃烧和无燃烧时雾滴的蒸发 强迫对流和静止介质中雾滴蒸发都是基于单液滴常压蒸发/燃烧模型，并且引入了大量假设。两种工况中模型的差别主要是前者按二维轴对称流动来处理。边界层厚度采用折算薄膜理论。 2 液滴的高压蒸发 假定液滴在强迫对流的惰性介质中蒸发，过程也是球对称进行，液滴内部具有均匀的物理状态，边界层的厚度采用折算薄膜理论。,6.2.2 喷雾蒸发模型,103,由于燃烧室空间限制，特别是对中小型柴油机，燃油喷雾与室壁发生碰撞是常见现象。 1 We5时，表面张力相对较大，粘附模式； 2 5We 80时， 碰壁入射速度大，反弹模型； 3 We80时，射流液滴沿壁滑行，部分飞溅，称飞溅附壁射流。,6.2.3 喷雾碰壁模型,两相流数值模拟的关键在于颗粒相的模拟，基于它们具有连续介质及分散粒子群的双重性，对颗粒相的模拟，目前有两类处理观点：,6.2.4 湍流两相（多相）流模型,104,一类是在拉格朗日坐标下描述颗粒运动，即离散体系模型，将流体或气体当作连续介质，而颗粒相作为离散体系，研究颗粒或颗粒群在流场中的动力学和热力学特性，包括单颗粒动力模型、确定型轨道模型、随机型轨道模型； 另一类是在欧拉坐标下描述颗粒运动，即连续介质模型。将流体或气体与颗粒作为共存且相互渗透的连续介质，将颗粒相视为拟连续介质或拟流体，包括无滑移模型（单流体模型）、小滑移模型、多流体模型（工程上采用较多）。,105,喷嘴关键技术,第七章 喷嘴关键技术,106,7.2.1 抗腐蚀喷嘴 1采用耐磨材料（碳化硅SiC、氮化硅SiN或人造宝石）； 2高速差雾化原理，采用高速气流降低流体和喷嘴固体壁的相对速度； 3采用对喷口不敏感的雾化技术，如内混式或气泡雾化喷嘴。,7.2 工作参数产生关键技术,107,7.2.2 其他工质关键技术问题 主要针对气、固燃料 1低热值气体燃料的燃烧稳定性问题 2燃用煤粉、水煤浆时主要面临问题 降低排气污染物（如SO2/NOx） 燃煤净化技术（渣、尘收集）,108,7.2 工作参数产生技术关键 7.2.1 工作参数产生技术关键 1非常大流量重油喷嘴：流量大，流体散布是关键 2非常小流量燃油喷嘴：保证管路畅通、不堵塞 3耐高温喷嘴：航空燃气轮机燃烧室喷嘴、小性能燃气轮机（带回热循环）喷嘴、喷粉冶金喷枪 4高反压喷嘴：影响油雾穿透、雾滴蒸发性能不同常压,109,7.3 节能燃烧技术及其喷嘴 7.3.1 节能迫切性 资源有限，高效利用能源 7.3.2 节能燃烧技术一般原理 燃烧设备将化学能转换为热能而加以利用。 其中：Ql 为有效利用热量；Qr 为单位时间内所消耗燃料的输入热量。,110,7.3.3 节能燃烧技术装置 平焰烧嘴、高速烧嘴、表面燃烧（CFB）烧嘴、富氧燃烧、脉冲燃烧、自身预热烧嘴、蓄热式换热陶瓷喷嘴（高温燃烧技术）、高压气（汽）内混雾化、超声波雾化、气沧雾化、分级燃烧、辐射式烧嘴、浸没式烧嘴、脉冲燃烧器 7.4 其他燃烧技术及其喷嘴 7.4.1 低污染燃烧技术 掺水燃烧技术燃烧：水分在燃烧过程中吸热，降低了燃烧区温度，抑制了热力NO的生成量。 如乳化油、喷水燃烧、水煤浆等。 在节能、降污方面具有广阔前景。,111,7.4.2 分级燃烧技术 原理：可以通过空气或燃料分级供入燃烧装置，控制燃烧区油气比，即火焰温度，以达到抑制燃烧过程中三种氮化物（燃料NO、瞬发NO、热力NO）中主要的热力NO。 一级的空气过量系数小于1。燃油时为0.8，燃气时为0.7，燃煤时为0.80.9，富态燃烧。二级燃烧区为贫燃区。 空气分级：工业炉、锅炉、汽油（柴油）内燃机、工业燃机 燃料分级：工业炉、锅炉、燃机（含航空）,112,7.4.3 浓淡燃烧技术 在一台炉内将数个烧嘴分成两组，一组为燃料过剩（浓）即O2不足而抑制Nox的生成量；另一组为燃料不足（淡）即空气过剩，降低火焰温度而抑制NOx的生成，两组烧嘴燃烧产物在炉内互补达到完全燃烧所要求的总的空气系数。 与一般烧嘴相比， Nox的生成量可降低2040。 7.4.4 烟气再循环燃烧技术 实质是降低助燃空气中含氧量（低于21O2），以降低NOx排量。 在工业炉和锅炉上已经广泛采用的自身烟气再循环烧嘴或风机引入烟气再循环燃烧系统已经收到节能和低污染双重效果。,113,7.4.5 催化燃烧技术 原理：多相反应中的完全氧化反应，可燃气体（或混气）借助催化剂的作用，使反应的活化能降低，加速反应速度，能在低温下完全氧化。即催化燃烧是一种“弱火焰”过程，允许燃烧氧化在低于正常贫油火焰稳定极限的油气比对应温度下进行。 早期的催化剂：白金。 目前 ：a.采用高温合金作载体的催化剂； b.用无机氧化物作为载体的催化剂。 要技术问题：催化剂的老化,114,7.4.6 贫油预混预蒸发燃烧技术 贫油预混预蒸发（LPP）燃烧室针对常规燃烧室内燃料与空气未均匀混合的问题，借助于燃烧区上游的燃料与空气均匀预混，供入燃烧区的完全均相油气混合物，加之燃烧区工作在接近贫油熄火和稳定燃烧极限当量比的窄小范围内。 7.4.7 改进喷嘴结构 主要着眼于改善燃料的雾化质量，与空气的均匀混合，以及供给方式等方面。人们在喷嘴的许多细微结构等方面采取措施，对降低排气污染及改善燃烧性能等方面收到了很好的效果。,115,如：脉动注水器中采用了改进的亥姆霍兹脉动喷嘴结构后，取得了明显降压增注效果。,改进的亥姆霍兹脉动喷嘴结构,116,第八章 总结,工业技术的进步和发展是喷嘴技术进步的主要动力；节能和环保要求日益提高是促进喷嘴技术不断创新和完善的另一个动力。 喷嘴技术的发展突出表现在喷雾方式、结构的多样化和多适应性；另外也表现在喷雾质量的评定指标的扩展和检测手段的发展和完善。 我国在雾化和燃烧各个领域中跟踪了世界先进技术，大多也已经掌握和应用，并且也有所创新。但是与国外先进水平的差距还是较大的。仅以工业炉和锅炉用燃烧器为例，突出表现在以下几个主要方面：,117,1各类燃烧装置的能耗高于国外先进水平，即热效率低于国外水平，与我国能源短缺形势很不相称。 2各类燃烧装置的污染物排放指标也高于国际标准，在低污染燃烧及喷嘴技术研究开发不够有力。 3大量低耗、低污染、高性能燃烧装置还需要从国外进口。例如锅炉用全自动燃油、燃气燃烧器的95是从国外进口，国内尚无形成大批量生产能力的公司与之抗衡。甚至连相配的喷嘴配件也来自国外，与燃烧器相配的调控元器件也来自世界上几家知名专业公司。这主要由于国内同类产品的质量、价格及可靠性等缺乏竞争力，此种状况不久总会改变的。,118,因此，我国的燃烧及喷嘴雾化技术发展还只能是在技术上以借鉴与创新相结合中求发展，在产品开发中以高技术、高起点、高投入，形成规模生产，以节能、环保和形成独立自主产业而发挥作用。,119,Thank You !,