醇酯類燃料液滴蒸發(fā)特性的影響研究

張美娟，魏衍舉，王 忠

（1.無錫職業(yè)技術(shù)學院 汽車與交通學院，江蘇 無錫 214121；2.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.西安交通大學 能源與動力工程學院，陜西 西安 710049）

0 引言

柴油機顆粒污染物是霧霾的主要污染源之一，對環(huán)境產(chǎn)生了較壞的影響[1]，[2]。柴油機燃用含氧燃料可以改善燃燒過程、降低顆粒物的排放。其中，含氧燃料主要包含了醇、醚、酯等[3]。甲醇可以通過煤制取，是良好的石油燃料的替代品。但是，甲醇的十六烷值較低（只有5），難以壓燃，須要通過各種手段來降低甲醇的著火難度。采用添加十六烷值改進劑的方法，可以大幅度地提高燃料的十六烷值，是改善燃料燃燒著火性能的有效手段。其中，硝酸酯類是應(yīng)用得比較廣泛的十六烷值改進劑之一。

柴油機的燃燒本質(zhì)是燃油液滴的蒸發(fā)燃燒過程。要研究柴油機的噴霧燃燒問題，液滴蒸發(fā)過程的研究是基礎(chǔ)。在液滴的蒸發(fā)與燃燒領(lǐng)域，國內(nèi)外學者開展了許多的研究。黃鎮(zhèn)宇在石英管式爐中研究了單個尿素水溶液液滴的蒸發(fā)過程，分析了穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)常數(shù)與溫度和液滴初始直徑之間的關(guān)系，研究結(jié)果表明，隨著溫度和液滴初始直徑的逐漸增大，蒸發(fā)常數(shù)呈現(xiàn)出線性增大的趨勢，且溫度越高，液滴進入蒸發(fā)段的時間就越短[4]。馬力通過試驗研究了單液滴蒸發(fā)的影響因素，分析了氣流溫度、速度以及液滴初始直徑等方面的變化對液滴蒸發(fā)的影響，研究結(jié)果表明:氣流速度對液滴蒸發(fā)影響有限；當溫度和氣流速度相同時，液滴的初始直徑越大，液滴的存在時間越長[5]。劉松運用高速攝影系統(tǒng)研究了煤油液滴在不同溫度和壓力下的蒸發(fā)過程，研究結(jié)果表明:當環(huán)境溫度為673～773 K時，液滴的直徑變化符合D2定律；隨著環(huán)境壓力的升高，液滴的蒸發(fā)速率會變慢[6]。Poulard C研究了不同濃度的烷烴對二元烷烴混合物液滴蒸發(fā)速率的影響，研究結(jié)果表明，正庚烷-辛烷、正己烷-辛烷和正庚烷-壬烷3種混合溶液液滴的蒸發(fā)速率均大于純烷烴液滴[7]。Baek SW在壓縮機上研究了正庚烷液滴的蒸發(fā)特性，研究結(jié)果表明，液滴的蒸發(fā)速率隨著液滴比熱容和環(huán)境溫度的增加而增大[8]。Banerjee R建立了二元組分液滴蒸發(fā)模型，發(fā)現(xiàn)液滴內(nèi)部組分的分布對液滴蒸發(fā)速率影響較小，液滴的溫度對液滴蒸發(fā)速率影響較大[9]。

目前，有關(guān)液滴蒸發(fā)特性的研究報道較多，關(guān)于在甲醇溶液中添加十六烷值改進劑后，研究混合溶液液滴的蒸發(fā)特性的報道較少。因此，本文設(shè)計了液滴蒸發(fā)試驗裝置，通過改變十六烷值改進劑的摻混比，配制了4種不同的硝酸酯-甲醇溶液，利用高速攝像機和圖像處理技術(shù)研究了硝酸酯-甲醇溶液液滴的蒸發(fā)特性，分析了摻混比和溫度等參數(shù)對液滴的微觀蒸發(fā)燃燒特性的影響規(guī)律。

1 試驗裝置及方案

1.1 試驗裝置

試驗時，采用懸掛液滴的方法，試驗裝置運用相似理論進行設(shè)計[10]。圖1為試驗系統(tǒng)示意圖。試驗系統(tǒng)主要由光學照明系統(tǒng)、加熱保溫系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、液滴懸掛系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)組成。硝酸酯-甲醇溶液經(jīng)過泵，在不銹鋼注射針的針尖處產(chǎn)生定量的液滴，液滴的控制精度為1μL；通過高溫管式爐對硝酸酯-甲醇溶液液滴周圍的環(huán)境溫度進行調(diào)節(jié)；溫度控制系統(tǒng)由XMTD數(shù)顯調(diào)節(jié)儀組成，該儀器可以測量管式爐內(nèi)的溫度。高速攝像系統(tǒng)由Phantommiro ex4型高速數(shù)字攝像機和裝有相機操作軟件的電腦組成，高速數(shù)字攝像機可以清楚地拍攝到液滴的蒸發(fā)過程和燃燒過程。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test system

1.2 試驗原理

在柴油機工作時，吸入氣缸內(nèi)的空氣會因活塞的運動而受到較高程度的壓縮，從而達到500～700℃的高溫。燃油以霧狀噴入高溫空氣中，與空氣混合形成可燃混合氣。在噴入柴油時，柴油液滴與空氣之間存在相互運動，由于柴油液滴的運動速度比氣體流動的速度快，所以氣流會對柴油液滴產(chǎn)生一個阻力，降低柴油液滴的運動速度[11]。隨著柴油液滴與空氣的不斷混合、運動，柴油液滴與氣流逐漸達成同步運動，即柴油液滴與空氣為相對靜止狀態(tài)。因此，研究燃燒室內(nèi)運動的柴油液滴與研究靜止在空氣中的柴油液滴在本質(zhì)上是相同的。

當液滴相對靜止時，不考慮重力的影響，液滴是不斷向四周均勻蒸發(fā)的，這使得液滴周圍的可燃氣濃度不斷升高。當液滴周圍的可燃氣濃度達到著火濃度時，會發(fā)生燃燒現(xiàn)象。液滴的蒸發(fā)性質(zhì)是噴霧燃燒的基礎(chǔ)，文獻[12]中指出，蒸發(fā)速度決定了燃燒發(fā)生的速度，同等條件下，越快的蒸發(fā)意味著越快的發(fā)生燃燒，反之，越慢的蒸發(fā)意味著越慢的發(fā)生燃燒乃至不會燃燒。本文通過研究靜止在空氣中的液滴蒸發(fā)速率來進一步得到液滴蒸發(fā)燃燒性質(zhì)的影響規(guī)律。

1.3 試驗方案

試驗時，用甲醇和硝酸酯溶液配制出4種不同摻混比的硝酸酯-甲醇混合溶液（硝酸酯溶液的體積分數(shù)分別為0，5%，10%和15%，分別記為純甲醇、5%硝酸酯-甲醇溶液、10%硝酸酯-甲醇溶液和15%硝酸酯-甲醇溶液）進行對比分析。將樣品溶液置于注射器中，通過進樣器在針尖端點處滴下體積為1μL的小液滴。打開背光燈，調(diào)節(jié)背光燈和高速攝像機的位置，使光線穿過液滴所在位置并投射到高速攝像機的鏡頭上。高速攝像機連接電腦并將接收到的圖像呈現(xiàn)在顯示器上，微調(diào)高速攝影機的位置并將高速攝影機聚焦在液滴上，使液滴圖像的輪廓邊界盡可能的清晰。圖2為純甲醇液滴蒸發(fā)初始狀態(tài)時，經(jīng)高速攝像機放大10～50倍拍攝到的外觀圖形。

圖2 純甲醇液滴的蒸發(fā)初始圖片F(xiàn)ig.2 Initial picture of methanol droplet evaporation

通過觀察液滴外觀在蒸發(fā)過程中隨時間的變化情況，可以研究液滴的蒸發(fā)規(guī)律。為了分析溫度對硝酸酯-甲醇溶液液滴蒸發(fā)特性的影響規(guī)律，選取10%硝酸酯-甲醇溶液的液滴，分別調(diào)節(jié)管式爐的溫度至100～500℃，記錄試驗數(shù)據(jù)。試驗前，對注射器針頭用改性劑進行疏水化處理，防止針頭與液滴間的表面張力過小而導(dǎo)致黏滯，便于液滴懸掛在針頭端點處。為減小實驗誤差，試驗在溫度為25℃，濕度為54%±1%的環(huán)境下進行。每組試驗重復(fù)3次，試驗結(jié)果取3次試驗的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸發(fā)過程的形貌分析

圖3為高速攝像機拍攝的硝酸酯-甲醇溶液液滴蒸發(fā)時的形貌圖。從圖3可以看出:隨著時間的延長，液滴的直徑與形狀均發(fā)生了變化；在初始階段，液滴內(nèi)存在液橋力和表面張力，液滴還受本身重力的影響，使得混合溶液液滴的受力相對平衡，液滴基本呈現(xiàn)為球狀；隨著時間的延長，液滴不斷蒸發(fā)，液滴的直徑隨著蒸發(fā)的進行而逐漸減小，其自身重力也不斷減小，使得液體的浮力和表面張力不能相互平衡，液滴逐漸從球狀轉(zhuǎn)變成橢圓狀，直至完全蒸發(fā)。考慮到針尖具有一定的直徑，因此液滴的直徑不會減小到零。

圖3 液滴蒸發(fā)時的形貌變化Fig.3 Morphology change of droplets during evaporation

2.2 蒸發(fā)特性曲線擬合

采用高速攝像機對液滴蒸發(fā)過程進行拍攝，利用數(shù)據(jù)處理軟件Adobe Acrobat對液滴的圖像進行處理，得到液滴的直徑測量值。通過蒸發(fā)常數(shù)和蒸發(fā)速率等特征參數(shù)對液滴的蒸發(fā)規(guī)律進行表征。

分析硝酸酯-甲醇溶液液滴的蒸發(fā)特性時，通過計算蒸發(fā)常數(shù)來對液滴的蒸發(fā)特性進行定量分析。圖4為不同摻混比的硝酸酯-甲醇溶液液滴在不同溫度下的蒸發(fā)曲線。如圖4所示，將蒸發(fā)曲線定義為

圖4 硝酸酯-甲醇混合溶液的蒸發(fā)曲線Fig.4 Evaporation curves of nitrate methanol mixed solution

式中:K為蒸發(fā)常數(shù)；D為液滴蒸發(fā)末期的直徑，mm；D0為液滴初始直徑，mm；t為液滴的蒸發(fā)時間，s；A為常數(shù)。

當液滴處于穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)階段時，D2與蒸發(fā)時間t呈線性相關(guān)，液滴蒸發(fā)常數(shù)K的計算式為根據(jù)蒸發(fā)曲線的斜率求得相對應(yīng)的蒸發(fā)常數(shù)K的數(shù)值。將圖4中各溫度下的蒸發(fā)曲線進行線性擬合，得到圖中的關(guān)系式，即將式（1）數(shù)據(jù)化。將獲得A和蒸發(fā)常數(shù)K的數(shù)值列于表1。

表1 硝酸酯-甲醇溶液蒸發(fā)曲線的擬合公式數(shù)值Table 1 Fitting formula of evaporation curve of nitrate methanol solution

從表1可以看出，當溫度分別為100，300，500℃時，蒸發(fā)常數(shù)K分別為9.486 7E-6，5.121 4E-5，9.5 61 4E-5 mm2/s，這表明隨著溫度的升高，蒸發(fā)常數(shù)K呈逐漸增大的趨勢，即線性擬合曲線的斜率隨溫度的升高而增大。這是因為溫度越高，液滴表面的升溫速率越快，液滴表面溫度趨于穩(wěn)定的時間越短。

2.3 溫度對蒸發(fā)特性的影響

為了分析溫度對硝酸酯-甲醇溶液液滴蒸發(fā)特性的影響，選取10%硝酸酯-甲醇溶液，設(shè)定工況溫度為100～500℃，液滴的初始直徑為1.7 mm，整個試驗在靜止條件下進行，即不考慮外界氣流流速的影響。

圖5為10%硝酸酯-甲醇溶液液滴在不同溫度下的蒸發(fā)曲線。從圖5可以看出:隨著溫度的升高，液滴的蒸發(fā)曲線的斜率隨之增大，（D/D0）2的平均值從0.4825mm2/mm2增大到0.5782mm2/mm2，說明液滴的蒸發(fā)速率隨溫度的升高而加快；當溫度為300～500℃時，液滴的蒸發(fā)曲線較為密集，此時液滴處于溫度較高的區(qū)域，液滴周圍的氣態(tài)甲醇濃度迅速升高，蒸發(fā)速率的變化幅度沒有溫度為100～200℃時大。液滴剛懸掛時，液滴的表面與周圍有較大的溫度梯度差，液滴的蒸發(fā)速率較快。隨著蒸發(fā)的進行，蒸汽擴散速度小于液滴蒸發(fā)速度，蒸汽在液滴周圍大量聚集，使得液滴周圍的濃度梯度變小，從而使得液滴蒸發(fā)速率變小。度過初始的快速蒸發(fā)階段，液滴會與周圍環(huán)境的溫度梯度達到相對平衡的狀態(tài)，液滴的蒸發(fā)曲線整體上呈現(xiàn)線性變化的趨勢，液滴的蒸發(fā)滿足D2定律。

圖5 10%硝酸酯-甲醇溶液液滴在不同溫度下的蒸發(fā)曲線Fig.5 Evaporation curves of 10%nitrate methanol solution droplets at different temperatures

蒸發(fā)常數(shù)的試驗值與文獻[13]中的液滴蒸發(fā)模型計算值的對比分析如圖6所示。

圖6 蒸發(fā)常數(shù)試驗值與計算值的對比Fig.6 Comparison of the experimental value and the calculated value of evaporation constant

從圖6中可以看出，隨著溫度的升高，蒸發(fā)常數(shù)逐漸增大，蒸發(fā)常數(shù)的試驗值隨溫度變化的趨勢與液滴蒸發(fā)模型的計算值相吻合。擬合液滴蒸發(fā)的試驗值曲線，得到蒸發(fā)常數(shù)K與溫度T的關(guān)系式為

圖7為10%硝酸酯-甲醇溶液液滴在不同溫度下的相對面積隨時間的變化曲線。從圖7中可以看出，隨著溫度上升，液滴蒸發(fā)時間呈明顯的下降趨勢，即單位面積液滴的蒸發(fā)速率隨溫度的升高而增大。其原因可能是當液滴所處環(huán)境溫度升高時，其與周圍空氣間的溫差增大，對流傳熱系數(shù)也相應(yīng)提高，導(dǎo)致空氣與液滴間的熱交換劇烈，從而使液滴單位面積蒸發(fā)速率加快。各溫度下液滴單位面積蒸發(fā)速率不同，但液滴相對面積隨時間變化的曲線基本可以近似為一條斜率為負數(shù)的直線，在同一溫度下，液滴單位面積蒸發(fā)速率與液滴面積是無關(guān)的。

圖7 10%硝酸酯-甲醇溶液液滴在不同溫度下的相對面積隨時間變化曲線Fig.7 The curves of the relative area of 10%nitrate methanol solution drop at different temperatures with time

2.4 摻混比對蒸發(fā)特性的影響

液滴的蒸發(fā)是一個較為復(fù)雜的過程，不但受到外界環(huán)境因素的影響，而且受液滴自身特性的影響。為了分析硝酸酯摻混比對混合溶液液滴蒸發(fā)特性的影響，對硝酸酯摻混比不同的混合溶液在不同溫度下的蒸發(fā)曲線進行分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 摻混比不同的混合溶液在不同溫度下的蒸發(fā)曲線Fig.8 Evaporation curves of mixed solutions with different mixing ratios at different temperatures

從圖8（a）可以看出:當溫度為100℃時，液滴的蒸發(fā)特性與改進劑摻混比有較為密切的聯(lián)系，當改進劑摻混比為零時（即純甲醇），液滴的蒸發(fā)速率最快；當硝酸酯的摻混比為15%時，混合溶液液滴的蒸發(fā)速率最為緩慢；當硝酸酯的摻混比為5%和10%時，兩種摻混比的混合溶液液滴的蒸發(fā)特性曲線幾乎重疊在一起，這與甲醇與硝酸酯的沸點差異有關(guān)系。甲醇的沸點為64.8℃，硝酸酯的沸點為210.9℃，當溫度為100℃時，已經(jīng)達到甲醇的沸點，甲醇比較容易蒸發(fā)，而硝酸酯由于沸點較高，蒸發(fā)速率比甲醇低，所以硝酸酯摻混比較高的混合溶液液滴的蒸發(fā)速率較慢。此時，4種溶液的液滴均沒有產(chǎn)生燃燒現(xiàn)象。

從圖8（b）可以看出:當溫度為300℃時，在4種溶液液滴的蒸發(fā)特性曲線中，15%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴的蒸發(fā)速率最快，純甲醇液滴的蒸發(fā)特性曲線的斜率最小，即純甲醇液滴的蒸發(fā)速率最??；當硝酸酯的摻混比為5%和10%時，兩種摻混比的混合溶液液滴的蒸發(fā)特性曲線在中前期吻合較好，到了后期，10%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴的蒸發(fā)速率小于5%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴的蒸發(fā)速率。此時，4種溶液的液滴均沒有產(chǎn)生燃燒現(xiàn)象。

從圖8（c）可以看出，當溫度為400℃時，4種溶液液滴的蒸發(fā)特性曲線靠的更近，4條曲線幾乎重合在一起，這說明當溫度為400℃時，硝酸酯的摻混比對4種溶液液滴蒸發(fā)特性的影響很小，4種溶液液滴的蒸發(fā)速率幾乎一樣。此時，15%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴產(chǎn)生了燃燒現(xiàn)象，并產(chǎn)生了明火。與15%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴相比，純甲醇、5%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴和10%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴均沒有產(chǎn)生燃燒現(xiàn)象，這說明在高溫下，使用改進劑不僅不會影響液滴的蒸發(fā)特性，而且由于提高了液滴的十六烷值，使液滴蒸發(fā)出的可燃氣更易燃燒。

從圖8（d）可以看出，當溫度為500℃時，純甲醇液滴在后半段蒸發(fā)較快，但整體來看，它與10%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴、5%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴和15%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴的蒸發(fā)速率相差不大，沒有明確的規(guī)律可循，考慮到試驗誤差，可認為此時4種溶液液滴的蒸發(fā)速率保持一致。此時，15%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴和10%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴均產(chǎn)生了明火，進一步驗證了由圖8（c）得出的結(jié)論。

當溫度為100℃時，摻混比不同的混合溶液液滴的相對面積隨時間的變化曲線如圖9所示。從圖9可以看出，純甲醇液滴的蒸發(fā)時間最短，而加入硝酸酯后，混合溶液液滴的蒸發(fā)時間隨摻混比的增加而升高，這可能是由于硝酸酯的固有理化性質(zhì)導(dǎo)致，其熔沸點都比甲醇高，所以相同溫度下的蒸發(fā)速率比甲醇液滴慢。

圖9 摻混比不同的混合溶液液滴的相對面積隨時間的變化曲線Fig.9 The curves of relative area of droplet with time for mixed solution with different mixing ratio

當溫度為400℃時，15%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴產(chǎn)生的燃燒現(xiàn)象如圖10所示。產(chǎn)生明火的瞬間，火焰面在二維畫面中是呈圓形的，也就是在三維環(huán)境中，第一時間產(chǎn)生的火焰是呈球形的，這證實了液滴在靜止環(huán)境中是均勻地向四周散發(fā)的，在液滴周圍形成了均勻的濃度梯度，當四周的濃度和溫度達到液滴燃燒的臨界條件時，明火是由液滴周圍均勻的可燃氣產(chǎn)生的。

圖10 15%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴在400℃下的燃燒現(xiàn)象Fig.10 Combustion of 15%nitrate methanol mixture at 400℃

3 結(jié)論

本文通過在甲醇中加入不同體積分數(shù)的硝酸酯改進劑，研究了純甲醇和加入不同體積分數(shù)的硝酸酯-甲醇混合溶液液滴在不同溫度下以及同一溫度下的蒸發(fā)特性，得出以下結(jié)論。

①液滴的蒸發(fā)符合D2定律，（D/D0）2-t圖基本呈現(xiàn)線性變化，并且蒸發(fā)常數(shù)隨著溫度的升高而增大。

②對于同種液滴，隨著溫度的升高，液滴蒸發(fā)速率不斷升高。當溫度較低時，液滴蒸發(fā)速率隨溫度的變化更明顯；當溫度較高時，液滴蒸發(fā)速率隨溫度的變化不是很劇烈。

③當溫度較低時，由于甲醇和硝酸酯沸點的差異，在甲醇中添加硝酸酯改進劑會減慢甲醇液滴的蒸發(fā)速率；當溫度較高時，在甲醇中添加硝酸酯改進劑基本不會對甲醇液滴的蒸發(fā)特性造成影響，同時能增加液滴的自燃性。