工质雾化燃烧技术进展报告共120页

工质雾化燃烧技术2报告提纲前言1液体雾化机理研究2雾化方法类型结构及其雾化机理3雾化特性参数及其影响因素4测试技术5液体燃料喷射燃烧过程数值计算6喷嘴关键技术7结论83第一章前言•应用领域•工质种类•雾化技术4应用领域能源钢铁冶金采暖航空航天推进动力雾化技术提出背景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雾化机理BECDA空气动力干扰说压力振荡说湍流扰动说边界条件突变说空气扰动说第二章液体雾化机理研究121．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。133．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。145．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183.2.1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22StructuralDrawingofSwirlingNozzles23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253.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（Dieselinjectors）、平头喷嘴（PlainOrificeinjectors）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；Ⅰ、Ⅱ-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进油软管二次风管一次风管油管外喷头内喷头内旋流器喷油器外旋流器二次风进口一次风进口乳化油一次风二次风34353637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4142气泡雾化喷嘴优点1.雾滴SMD40Nμm，尺寸分布指数N2；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70゜E；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。565．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。576．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雾化特性参数雾化锥角喷雾射程液雾分布特性雾化颗粒粒度雾化颗粒均匀度雾滴速度分布特性一、雾化特性参数59雾化锥角A.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60°～120°范围内。x雾化角的旧定义60B.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200—250毫米。在距离х毫米处测得条件雾化角用表示，在半径为х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