甲醇/正辛醇/加氫催化生物柴油單液滴蒸發(fā)與微爆特性研究

玄鐵民,孫中成,,李文豪,,王筱蓉,邵壯,何志霞

(1.江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,212013,江蘇鎮(zhèn)江;2.江蘇大學(xué)能源研究院,212013,江蘇鎮(zhèn)江;3.江蘇科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院,212003,江蘇鎮(zhèn)江;4.山東中科先進(jìn)技術(shù)研究院,250000,濟(jì)南)

由于日益嚴(yán)格的排放法規(guī)和能源危機(jī),近年來許多柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的替代燃料得到廣泛研究和發(fā)展[1-2]。醇類與傳統(tǒng)石化燃油混合燃料可以同時(shí)降低碳煙顆粒物和氮氧化物,近年來受到廣泛關(guān)注。甲醇是一種清潔燃料被譽(yù)為液態(tài)陽光,可通過太陽能利用氫氣和二氧化碳制備而成,將溫室氣體變成能源實(shí)現(xiàn)碳中和。甲醇可大規(guī)模生產(chǎn),其獨(dú)特的理化特性在燃燒過程中可有效降低顆粒物、氮氧化物、未燃碳?xì)浠衔锏纳?成為最具潛力的發(fā)動(dòng)機(jī)清潔替代燃料之一。但是,甲醇因其較高的汽化潛熱、較低的十六烷值和低熱值,直接用于發(fā)動(dòng)機(jī)容易在冷啟動(dòng)階段出現(xiàn)著火困難和燃燒不穩(wěn)定等問題,并且甲醇潤(rùn)滑性差,單獨(dú)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)易造成部件磨損[3-4]。在高效壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中將甲醇與柴油、二甲醚、生物柴油等高活性燃料組合使用[5-8]是實(shí)現(xiàn)可靠著火、清潔燃燒的一條有效技術(shù)途徑。可替代清潔燃料加氫催化生物柴油(HCB)具有不含芳香烴、硫含量低、較高的十六烷值和腐蝕性小等優(yōu)點(diǎn)[9],與甲醇制備出的混合燃料可有效彌補(bǔ)上述甲醇燃料的缺點(diǎn)。此外,混合燃油中的甲醇組分在燃燒過程中易形成羥基自由基,可有效氧化碳煙降低排放;甲醇較高的蒸發(fā)潛熱在汽化過程中還可以抑制局部絕熱火焰溫度,降低氮氧化物的生成[10]。因此,甲醇-HCB混合燃油在壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上具有一定的應(yīng)用潛力。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)是高溫高壓的復(fù)雜環(huán)境工況,燃油液滴的微爆現(xiàn)象可以有效促進(jìn)燃油的二次霧化,直接影響缸內(nèi)噴霧燃燒及排放,因此研究者們對(duì)混合燃料液滴的微爆特性及其主要影響因素進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。Lasheras等指出,混合燃油的各組分揮發(fā)性的差異是影響其微爆特性的關(guān)鍵因素[11],隨后這個(gè)結(jié)論在Wu等[12]對(duì)生物柴油/煤油混合燃油,以及Shinjo等[13]針對(duì)正癸烷/乙醇混合燃料的液滴蒸發(fā)研究中進(jìn)一步得到證實(shí),他們還發(fā)現(xiàn)較高的環(huán)境溫度將導(dǎo)致較大的斯波爾丁傳質(zhì)數(shù),從而增加了液滴的平均蒸發(fā)速率[14]。另外,Jonghan等通過對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)的正癸烷/水混合燃料液滴的燃燒研究,認(rèn)為較大的液滴體積會(huì)導(dǎo)致著火延遲期增加,微爆強(qiáng)度也隨之增加[15]。彭志軍等通過研究不同比例ABE(丙酮、丁醇和乙醇混合溶液)與柴油單液滴的微爆與燃燒特性發(fā)現(xiàn),液滴微爆現(xiàn)象的發(fā)生與組分沸點(diǎn)和濃度都非常相關(guān),ABE在與柴油比例相當(dāng)情況下最容易發(fā)生微爆[16]。吳東垠等通過激光全息和高速攝影技術(shù)對(duì)柴油/甲醇/水三元混合燃料液滴的微爆特性進(jìn)行了研究,他們指出液滴直徑、組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、組分沸點(diǎn)差和環(huán)境工況等都對(duì)微爆現(xiàn)象產(chǎn)生重要影響[17]。在通過丁醇/大豆油、戊醇/大豆油、丁醇/戊醇/大豆油等一系列混合燃油液滴的微爆特性研究后,Coughlim等發(fā)現(xiàn)含有多組分醇類的混合燃油液滴會(huì)表現(xiàn)出更加劇烈的微爆現(xiàn)象[18]。

甲醇和新一代的HCB生物柴油在飽和蒸汽壓、沸點(diǎn)、汽化潛熱等方面理化屬性具有顯著差異,此混合燃油液滴在高溫環(huán)境下的蒸發(fā)可能會(huì)產(chǎn)生鮮明的特點(diǎn),加深對(duì)此混合燃油液滴蒸發(fā)過程的理解,將有助于對(duì)后續(xù)開展此混合燃油噴霧燃燒以及發(fā)動(dòng)機(jī)適用性方面的研究提供幫助。因此,本文基于該混合燃油的理化特性圍繞液滴蒸發(fā)過程開展了相關(guān)基礎(chǔ)研究。首先,應(yīng)用正辛醇作為助溶劑進(jìn)行了甲醇-HCB混合燃油的制備,并對(duì)混合燃油的微尺度結(jié)構(gòu)以及熱重過程進(jìn)行測(cè)試,分析其理化特性。隨后,采用掛滴法結(jié)合高速顯微成像技術(shù)開展混合燃油單液滴的蒸發(fā)特性試驗(yàn),探究了不同甲醇含量和不同環(huán)境溫度下液滴的瞬態(tài)變化特性、微爆特性及其影響因素。

1 混合燃油制備及試驗(yàn)方法

1.1 混合燃油制備

由于極性不同,甲醇與HCB不相溶,本文應(yīng)用正辛醇作為兩者的助溶劑。本研究中采用了兩種不同甲醇體積分?jǐn)?shù)的混合燃油M15(15%甲醇、68% HCB和17%正辛醇)和M25(25%甲醇、58% HCB和17%正辛醇)進(jìn)行試驗(yàn),并以純生物柴油M0(100% HCB)做對(duì)比驗(yàn)證?；旌先加偷呐渲眠^程見參考文獻(xiàn)[19-20],其中甲醇、正辛醇及3種試驗(yàn)燃油的物性參數(shù)如表1所示。

表1 甲醇、正辛醇、M0、M15、M25燃油特性Table 1 Properties of methanol, n-octanol, M0, M15 and M25

1.2 單液滴蒸發(fā)試驗(yàn)裝置及方案

本研究所使用的單液滴蒸發(fā)試驗(yàn)平臺(tái)主要包括液滴輸送系統(tǒng)、加熱恒溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),試驗(yàn)裝置如圖1所示。其中:液滴輸送系統(tǒng)主要包括步進(jìn)電機(jī)及控制器、滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)模塊以及懸掛液滴的支撐桿和雙交叉石英絲等,通過觸發(fā)步進(jìn)電機(jī)控制器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)來驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)模塊,將液滴傳送到容彈內(nèi)的指定位置;試驗(yàn)中液滴以300 mm/s保持勻速運(yùn)動(dòng),總行程為180 mm,液滴從頂蓋表面到達(dá)試驗(yàn)指定位置所需時(shí)間約為0.6 s。容彈加熱系統(tǒng)包括帶有兩個(gè)水平對(duì)稱布置的石英玻璃視窗的定容彈,頂部開有一個(gè)小孔使得液滴的支撐桿剛好進(jìn)入容彈;容彈內(nèi)部為雙層陶瓷,可有效起到隔熱保溫的作用;由溫度控制器控制的電加熱絲均勻環(huán)繞于雙層陶瓷之間,使容彈內(nèi)部溫度保持均勻,彈體內(nèi)部四周裝有若干溫度傳感器,用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)容彈腔內(nèi)的溫度變化。當(dāng)彈體內(nèi)部溫度達(dá)到預(yù)設(shè)試驗(yàn)溫度的95%時(shí),溫度控制系統(tǒng)將加熱絲功率由100%降為60%,經(jīng)多次溫度反饋?zhàn)罱K達(dá)到預(yù)設(shè)試驗(yàn)溫度,從而獲得容彈內(nèi)近乎靜止和穩(wěn)定的熱力學(xué)條件,溫度誤差為±1 K。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括裝配有長(zhǎng)工作距離顯微鏡頭的高速數(shù)碼攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)。

圖1 試驗(yàn)裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

本研究針對(duì)燃油液滴的蒸發(fā)特性采用掛滴法結(jié)合高速顯微成像技術(shù)進(jìn)行研究,具體試驗(yàn)過程為:首先用2 μL微量注射器吸取待測(cè)燃油,然后掛滴于粘有兩根正交的0.15 mm石英玻璃絲交叉中心位置處的液滴懸掛裝置上,通過步進(jìn)電機(jī)調(diào)整液滴懸掛裝置位置使其處于容彈頂部小孔正上方。待容彈內(nèi)部溫度均勻穩(wěn)定并達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定溫度后,啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)將液滴懸掛裝置勻速送入容彈內(nèi)部,同時(shí)觸發(fā)裝有長(zhǎng)焦距顯微鏡頭(QUESTAR,QM-1)的高速數(shù)碼攝像機(jī)(Photron SA-Z)拍攝記錄液滴的蒸發(fā)過程。試驗(yàn)過程中相機(jī)的拍攝信息為:拍攝速度2 000幀/s;分辨率1 024×1 024像素;像素比94.65像素/mm;曝光時(shí)間0.49 ms。本研究中液滴初始直徑約為1.56 mm,環(huán)境壓力為0.1 MPa,設(shè)定環(huán)境溫度分別為427、477、527、577 ℃。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,每個(gè)試驗(yàn)工況重復(fù)3次。

1.3 液滴蒸發(fā)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

本研究中的高速顯微成像技術(shù)主要采用高速數(shù)碼攝像機(jī)加裝長(zhǎng)焦距顯微鏡頭,對(duì)容彈內(nèi)懸掛的燃油液滴的蒸發(fā)過程進(jìn)行記錄。經(jīng)相機(jī)拍攝的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可得到蒸發(fā)過程中液滴和液滴內(nèi)部氣泡的等效直徑及變化情況,具體處理方法如圖2所示。

首先,從原始拍攝圖像(1 024×1 024像素)中選取一個(gè)目標(biāo)圖像處理區(qū)間(470×450像素),如圖2b所示;然后,利用平均背景圖像強(qiáng)度值,將圖像2b中的環(huán)境噪聲及其他影響因素剔除得到圖像2c,再進(jìn)行二值化處理后得到液滴和玻璃絲輪廓明顯的圖像2d;通過利用玻璃絲直徑不變的特點(diǎn)計(jì)算出圖像中玻璃絲直徑的像素值,從而將液滴輪廓外的玻璃絲減去,即可得到液滴輪廓(圖2e)。

(a)原始圖像 (b)目標(biāo)區(qū)域 (c)背景噪聲刪減 (d)圖像二值化處理 (e)去掉玻璃絲 (f)獲得液滴輪廓 (g)捕捉氣泡區(qū)域 (h)氣泡輪廓圖2 單液滴數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.2 Flow chart of image processing

此外,由于混合燃油中甲醇和正辛醇的沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于HCB,液滴內(nèi)部的醇類分散相組分容易受熱汽化形成氣泡,醇類氣泡的大小和存在時(shí)間會(huì)對(duì)液滴的蒸發(fā)和微噴微爆特性產(chǎn)生重要影響。為了研究液滴內(nèi)部醇類分散相形成氣泡的演變情況,本研究提出氣泡比這一概念,即液滴內(nèi)部醇類氣泡歸一化平方直徑與同一時(shí)刻燃油液滴歸一化平方直徑的比值,可通過氣泡與液滴的投影面積比值計(jì)算得出

(1)

式中:D和Db分別表示液滴和液滴中氣泡的等效直徑;A和Ab分別表示液滴和液滴中氣泡的投影面積。氣泡投影面積的處理方法為:通過圖2f中的液滴輪廓可獲取只包含液滴的圖像2g,選取合適的閾值Id將氣泡與液滴區(qū)分開,即可得到氣泡的輪廓,如圖2h所示,進(jìn)而計(jì)算出氣泡的投影面積。閾值的計(jì)算方法為

Id=Imin+α(Imax-Imin)

(2)

式中:Imax和Imin分別表示圖2g中圖像強(qiáng)度的最大值和最小值;α=0.45表示閾值系數(shù)。

2 混合燃油理化特性分析

2.1 混合燃油的分散特性

本研究所配制的混合燃油(M15和M25)放在密封玻璃瓶中靜置6個(gè)月以上均未出現(xiàn)任何分層現(xiàn)象,表現(xiàn)了相對(duì)穩(wěn)定的混合特性,如圖3所示。

圖3 混合6個(gè)月后的M15、M25與M0對(duì)比Fig.3 M15 and M25 blended for 6 months versus M0

為了確定混合燃油的混合狀況及甲醇在HCB生物柴油中的分散特性,采用顯微鏡進(jìn)行微尺度觀測(cè)來獲取混合燃料中的分散相液滴粒徑的大小分布情況及其索特平均粒徑D32[21],進(jìn)而對(duì)混合燃料中分散相的均勻性進(jìn)行評(píng)估,其中D32的計(jì)算方法如下

(3)

式中:i表示混合燃料中分散相液滴的數(shù)目;di表示第i個(gè)分散相液滴粒徑。

圖4為3種燃油在200倍顯微鏡下拍攝到的微觀圖像。M0是純HCB燃油,并不包含甲醇,但圖中依然看到了里面有分散相的存在,分散相液滴很小,數(shù)目非常少且分布均勻,這主要是HCB燃油中或多或少自帶的些許雜質(zhì)粒子呈現(xiàn)的結(jié)果。M15和M25混合燃油中分散相液滴數(shù)目明顯增多,分散相液滴也增大很多,主要是包含了不同量的甲醇。

圖4 3種燃料的分散相液滴在200倍顯微鏡下的分布情況Fig.4 Droplet distributions of three tested fuels

圖5給出了用來表征分散相液滴大小分布情況的概率密度(對(duì)應(yīng)分散相粒徑下液滴數(shù)與總應(yīng)分散液滴數(shù)之比)和體積密度(對(duì)應(yīng)分散相粒徑下液滴體積與總應(yīng)分散液滴體積之比)分布。通過3種燃油中分散相液滴大小的概率密度分布情況可以看出:M0中分散相液滴粒徑尺度主要集中在0.3～8.2 μm,分布較均勻;M15和M25分布情況類似,分散相液滴平均粒徑明顯高于M0,對(duì)應(yīng)的粒徑分布尺度約為1.86～18.89 μm。3種燃油中分散相液滴出現(xiàn)概率密度最大對(duì)應(yīng)的分散相液滴粒徑分別約為1.3、2.5和5.1 μm,且3種燃油分散相液滴出現(xiàn)的概率密度累加之和首次超過90%對(duì)應(yīng)的分散相液滴粒徑分別為5.96、12.56、13.81 μm。此外,為了分析混合燃料中數(shù)量較少、體積較大的分散相液滴對(duì)混合燃料均勻性的影響,引入了分散相液滴體積概率密度。由圖5可以看出,M15和M25相較于M0,對(duì)應(yīng)的較大粒徑的分散相液滴體積占比明顯增加,且隨著甲醇含量的增加,較大分散相液滴粒徑對(duì)應(yīng)的分散相液滴體積占比逐漸增加。

(a)概率密度

(b)體積密度圖5 3種燃油分散相液滴分布的概率密度和體積密度Fig.5 Probability density and volumetric density of three tested fuels’dispersion phase droplets distribution

由于混合燃油中分散相液滴的粒徑大小會(huì)對(duì)燃油的噴霧蒸發(fā)起到重要作用,這里通過上述3種燃油中分散相液滴粒徑分布的概率密度對(duì)3種燃油中分散相液滴的平均粒徑進(jìn)行計(jì)算,M0、M15和M25的D32分別為(8.01±0.74)、(11.49±1.43)和(13.03±1.39) mm。隨著甲醇含量的增加,燃油的D32逐漸增大。其中,M15的D32相較于M0增加了43.49%,M25的D32相較于M0增加了61.74%。較大的分散相液滴粒徑意味著燃油的不穩(wěn)定性增加,在蒸發(fā)過程中有助于產(chǎn)生微爆現(xiàn)象。

2.2 混合燃油揮發(fā)特性

本研究通過采用熱重分析儀(耐馳STA-449-F3)對(duì)3種燃油分別開展了氬氣(純度99.9%)氛圍下的揮發(fā)特性研究。測(cè)試油樣質(zhì)量均取10 mg,進(jìn)氣流量為20 mL/min,吹掃氣流量為60 mL/min。初始溫度為室溫,升溫速率為20 ℃/min,結(jié)束時(shí)溫度為550 ℃。

3種燃油在氬氣環(huán)境中只進(jìn)行蒸發(fā)和熱解,圖6給出了3種燃油的蒸發(fā)特性曲線,并依據(jù)質(zhì)量損失隨溫度的變化速率將蒸發(fā)曲線分成3段。在第Ⅰ階段(25～174 ℃),主要是燃油中輕沸點(diǎn)組分物質(zhì)進(jìn)行蒸發(fā),由于甲醇沸點(diǎn)較低,含甲醇較多的M25最早開始出現(xiàn)質(zhì)量損失現(xiàn)象。相較于M0,M25和M15含有較多的甲醇和正辛醇,所以蒸發(fā)速率明顯高于M0。此外,在第Ⅰ蒸發(fā)階段結(jié)束時(shí),M25、M15、M0的質(zhì)量損失分別為37.8%(A點(diǎn))、32.9%(B點(diǎn))、22%(C點(diǎn)),兩種混合燃油的質(zhì)量損失均小于混合燃油中醇類物質(zhì)的初始質(zhì)量損失,表明M25和M15兩種燃油中此時(shí)仍含有醇類物質(zhì)。第Ⅱ階段為燃油熱解階段(174～252 ℃),在該階段初始位置處,3種燃油的揮發(fā)速率基本一致,此時(shí)3種燃油剩余組分以高沸點(diǎn)物質(zhì)為主,3種燃油的TG曲線均隨著溫度的升高而急劇下降,由于M25和M15燃油中仍含有部分醇類物質(zhì),較高的蒸發(fā)潛熱使這兩種混合燃油的蒸發(fā)速率在第Ⅱ階段前期略小于M0。3種燃油在250 ℃時(shí)質(zhì)量損失基本結(jié)束,到此階段質(zhì)量損失率達(dá)到98%。第Ⅲ階段為碳化階段,3種燃油基本消失殆盡。

圖6 3種燃油的揮發(fā)特性曲線Fig.6 Volatilization curves of three tested fuels

3 混合燃油的蒸發(fā)特性研究

3.1 混合燃油液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)過程

由圖7a可以看出,M0液滴在蒸發(fā)前期形態(tài)并未發(fā)生明顯變化。這是因?yàn)榧僅CB液滴內(nèi)不含醇類等沸點(diǎn)較低的物質(zhì),在蒸發(fā)初始階段,液滴表面受熱蒸發(fā)與液滴吸熱膨脹同時(shí)進(jìn)行,處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),所以液滴的平方直徑不會(huì)發(fā)生明顯變化。由圖7b中M15燃油液滴瞬態(tài)蒸發(fā)圖像可以看出,在蒸發(fā)階段初期0～0.03 s/mm2之間的燃油液滴表現(xiàn)為短暫的吸熱穩(wěn)定蒸發(fā),在0.03 s/mm2之后,液滴開始進(jìn)入波動(dòng)蒸發(fā)階段,在圖8a中也可以看出該燃油液滴的氣泡比在這一階段處于波動(dòng)起伏狀態(tài),從另一個(gè)角度反映了液滴蒸發(fā)時(shí)形態(tài)變化的波動(dòng)情況。波動(dòng)蒸發(fā)階段的液滴蒸發(fā)分為液滴內(nèi)部和液滴表面兩部分,這兩部分同時(shí)進(jìn)行。在液滴表面,由于醇類分散相的沸點(diǎn)較低會(huì)在短時(shí)間內(nèi)快速蒸發(fā),醇類分散相朝向液滴表面的質(zhì)量擴(kuò)散速率小于表面收縮的速率[22]。因此,沸點(diǎn)較高的加氫催化生物柴油會(huì)在液滴表面形成一層油膜。在油膜包裹的液滴內(nèi)部邊緣由于溫度較高引起醇類分散相受熱汽化,開始出現(xiàn)較小的氣泡,隨后燃油液滴內(nèi)由醇類蒸發(fā)形成的小氣泡不斷產(chǎn)生,逐漸膨脹并與周圍的小氣泡進(jìn)行聚合,使燃油液滴直徑逐漸增大,并在0.043 s/mm2時(shí)氣泡直徑達(dá)到最大,與圖8a中第一個(gè)氣泡比峰值位置相對(duì)應(yīng)。在液滴內(nèi)部醇類氣泡膨脹過程中,氣泡與液滴表面會(huì)形成擾動(dòng)波,當(dāng)擾動(dòng)波的振幅超過油膜的厚度時(shí),劇烈膨脹使得氣泡會(huì)沖破燃油液滴表面油膜的束縛發(fā)生破碎[23],出現(xiàn)燃油子液滴噴射出來的微爆現(xiàn)象,隨后燃油液滴急劇收縮,醇類氣泡直徑突然變小,而此時(shí)液滴內(nèi)仍存有部分醇類分散相以及不斷新出現(xiàn)的小氣泡繼續(xù)開始聚合、膨脹;在0.05 s/mm2時(shí)又出現(xiàn)了較大的醇類氣泡以及隨后的第二次微爆現(xiàn)象,并伴隨著大量微米級(jí)的子液滴不斷向外噴射,在0.053 s/mm2時(shí)液滴再次收縮,表明液滴的第二次微爆過程結(jié)束。隨后,燃油液滴繼續(xù)進(jìn)行由醇類分散相所形成氣泡的膨脹聚合、破裂噴射、液滴收縮這一循環(huán)過程,直至液滴內(nèi)部的醇類含量較低,無法形成較大的氣泡使油膜破裂,即進(jìn)入液滴的穩(wěn)定蒸發(fā)階段。

(a)M0

(b)M15

(c)M25圖7 427 ℃環(huán)境溫度下3種燃油的液滴蒸發(fā)瞬態(tài)過程Fig.7 A series of transient droplet photographs for three tested fuels at 427 ℃

當(dāng)甲醇含量較多時(shí),燃油液滴在蒸發(fā)過程中的微爆現(xiàn)象則會(huì)發(fā)生巨大的變化,如圖7c所示的M25燃油液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)圖像,在0～0.066 s/mm2為液滴的吸熱穩(wěn)定蒸發(fā)階段,可見M25這一階段的時(shí)間明顯大于M15。在0.066 s/mm2時(shí)可以看到靠近燃油液滴表面內(nèi)側(cè)處已形成醇類分散相的氣泡,并且氣泡外有一層薄薄的油膜。隨著蒸發(fā)的進(jìn)行,在0.072 s/mm2時(shí)已明顯看到液滴內(nèi)充滿了多個(gè)醇類分散相氣泡,由于受熱在液滴內(nèi)四處游動(dòng),并伴隨著粒徑微小的子液滴向外噴射。在0.074 s/mm2時(shí)由于醇類分散相的氣泡劇烈膨脹沖破液滴表面油膜的束縛發(fā)生破裂,致使燃油液滴發(fā)生明顯變形,并出現(xiàn)子液滴系帶分裂現(xiàn)象,隨后液滴急劇收縮并恢復(fù)球狀,在接下來的波動(dòng)蒸發(fā)過程中,液滴分別在0.081、0.101、0.171 s/mm2處形成了明顯的氣泡,與圖8b中氣泡比的峰值相對(duì)應(yīng),再次驗(yàn)證氣泡比可用來表征微爆強(qiáng)度。

(a)M15

(b)M25圖8 427 ℃環(huán)境溫度下M15和M25液滴的歸一化平方直徑與氣泡比Fig.8 Normalized squared diameter curve and bubble ratio of M15 and M25 at 427 ℃

另外,M25相較于M15表現(xiàn)出的液滴微爆強(qiáng)度也有所不同,M25的醇類分散相吸熱形成氣泡和微爆現(xiàn)象發(fā)生時(shí)刻較晚,但由于液滴內(nèi)醇類含量較高導(dǎo)致微爆發(fā)生前的氣泡體積明顯增大,氣泡破碎后引發(fā)液滴更加劇烈的變形,并且微爆噴射出來的子液滴粒徑較大,比M15高出一個(gè)數(shù)量級(jí),但噴射出來的液滴數(shù)目較少,較高的甲醇含量會(huì)引起更加劇烈的微爆現(xiàn)象;此外,在圖7中通過燃油液滴中氣泡比的變化也可以看出,M25的最大氣泡比約為M15的2.9倍,且隨著蒸發(fā)的進(jìn)行,M25和M15中醇類分散相形成氣泡的能力逐漸減弱,并在0.4 s/mm2之后由于液滴內(nèi)醇類物質(zhì)含量較低,無法形成明顯的氣泡,此刻即認(rèn)為液滴進(jìn)入穩(wěn)定蒸發(fā)階段,與液滴內(nèi)氣泡比的變化基本一致。

3.2 不同環(huán)境溫度下混合燃油液滴蒸發(fā)特性

為了研究不同環(huán)境溫度下不同混合燃油液滴蒸發(fā)過程特性,除了前述427 ℃環(huán)境溫度下的試驗(yàn)結(jié)果外,圖9還給出了477、527、577 ℃三個(gè)環(huán)境溫度下混合燃油液滴平方直徑隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。整體可以看出,3種燃油液滴的壽命隨著環(huán)境溫度的升高而明顯縮短,并且隨著環(huán)境溫度的增加,對(duì)應(yīng)的波動(dòng)蒸發(fā)階段的時(shí)間明顯減少。這主要是由于液滴表面甲醇的快速蒸發(fā),以及液滴內(nèi)部醇類分散相氣泡膨脹破碎引起連續(xù)不斷的微爆作用所致。

(a)427 ℃

(b)477 ℃

(c)527 ℃

(d)577 ℃圖9 3種燃油在不同環(huán)境溫度下的歸一化平方直徑Fig.9 Normalized squared diameter curves of three tested fuels at different temperatures

為進(jìn)一步分析3種燃油的穩(wěn)定蒸發(fā)速率,對(duì)燃油液滴在此階段的平方直徑曲線與時(shí)間進(jìn)行線性擬合,所得到的擬合斜率取平均值即表示為燃油的穩(wěn)定蒸發(fā)速率,如圖10所示,可以看出3種燃油的蒸發(fā)速率隨著環(huán)境溫度的升高均增大。這主要是因?yàn)闇囟壬?分子平均動(dòng)能增加,加快了燃油液滴的蒸發(fā)速率,并且M15和M25的蒸發(fā)速率隨環(huán)境溫度的升高幅度遠(yuǎn)大于M0,相較于427 ℃時(shí)的蒸發(fā)速率,M0、M15、M25在577 ℃時(shí)的蒸發(fā)速率分別增長(zhǎng)了79%、103%、121%。這主要是由于環(huán)境溫度升高加速了液滴內(nèi)部醇類分散相的汽化,含醇類的混合燃油液滴在波動(dòng)蒸發(fā)階段的微爆出現(xiàn)頻率和微爆強(qiáng)度均增加,向外噴射出更多含醇類的子液滴導(dǎo)致燃油液滴內(nèi)部的醇類分散相降低,同時(shí)混合燃油液滴在波動(dòng)蒸發(fā)階段結(jié)束后由于微爆作用也導(dǎo)致燃油液滴體積更小,也能進(jìn)一步加快燃油液滴在穩(wěn)定蒸發(fā)階段的蒸發(fā)速率。

圖10 3種燃油在不同環(huán)境溫度下的蒸發(fā)速率Fig.10 Evaporation rate of three tested fuels at different temperatures

4 結(jié) 論

本研究對(duì)兩種不同甲醇比例的混合燃油M15和M25以及純HCB生物柴油的理化特性、燃油分散相及熱重特性進(jìn)行了分析,并采用掛滴法結(jié)合高速顯微成像技術(shù)對(duì)3種燃油液滴的蒸發(fā)特性進(jìn)行了研究,主要研究結(jié)論如下。

(1)正辛醇作為助溶劑可使甲醇與加氫催化生物柴油均勻穩(wěn)定混合,長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月不分層。甲醇含量越高,混合燃油中分散相液滴越多、體積越大,導(dǎo)致燃油不穩(wěn)定增加,蒸發(fā)速率越快。

(2)相較于純加氫催化生物柴油,混合燃油在蒸發(fā)過程中由于醇類分散相沸點(diǎn)較低易汽化形成氣泡,當(dāng)醇類氣泡劇烈膨脹沖破外圍油膜束縛后,會(huì)發(fā)生微爆現(xiàn)象向外噴射出子液滴,增大液滴與空氣的接觸面積。

(3)在液滴的波動(dòng)蒸發(fā)階段,由于混合燃油中醇類沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于HCB生物柴油,混合燃油液滴不斷進(jìn)行著醇類分散相吸熱汽化成核,醇類氣泡聚合膨脹,膨脹破裂引發(fā)液滴微爆,液滴收縮恢復(fù)等循環(huán)過程。隨著甲醇比例的增加,混合燃油液滴內(nèi)部出現(xiàn)更加劇烈的醇相氣泡膨脹,并發(fā)生噴射微爆現(xiàn)象,使M25微爆后噴射出的子液滴粒徑比M15高出一個(gè)數(shù)量級(jí),縮短了液滴蒸發(fā)時(shí)間。

(4)混合燃油中由于微爆現(xiàn)象的存在,能進(jìn)一步加快燃油液滴的蒸發(fā)時(shí)間。環(huán)境溫度的升高對(duì)液滴蒸發(fā)速率的影響顯著,尤其是混合燃油在較高的環(huán)境溫度下微爆頻率的增加加快了液滴的蒸發(fā)速率。相較于純HCB生物柴油,混合燃油蒸發(fā)速率變化量隨環(huán)境溫度的升高明顯提高。