柴油-含水乙醇乳化燃料液滴的微爆現(xiàn)象研究

趙建斌，張小卿，徐成佳

(1.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200030；2.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200240；3.上海交通大學(xué)高新船舶與深海裝備開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

0 引言

微爆是用來描述兩種以上不同沸點(diǎn)組分的混合液在受熱蒸發(fā)或燃燒過程中出現(xiàn)的劇烈破碎現(xiàn)象，最早由Ivanov提出。相關(guān)研究表明，微爆現(xiàn)象的存在有利于促進(jìn)混合氣的二次霧化，從而改善燃燒與降低排放。因此，微爆現(xiàn)象從提出后就受到了廣泛的關(guān)注。Lee和Zeng等通過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)微爆可以使噴霧的二次破碎液滴所占的空間更大，從而有利于油氣更充分地混合，進(jìn)一步改善燃燒。Shinjo等研究指出，由于噴霧射流中發(fā)生多次微爆現(xiàn)象，使得噴霧破碎霧化效果明顯改善。Jeong等利用高溫爐懸掛單列液滴群的試驗(yàn)裝置對液滴的微爆現(xiàn)象和自著火性能進(jìn)行了研究。

由于微爆現(xiàn)象的復(fù)雜性，對于微爆數(shù)學(xué)模型的研究相對較少。到目前為止，幾乎還沒有一個(gè)完全通用的數(shù)學(xué)模型可以描述不同混合溶液的微爆現(xiàn)象。Avedisian和Glassman早期提出了一個(gè)微爆數(shù)學(xué)模型，到現(xiàn)在仍然被很多文獻(xiàn)參考應(yīng)用。Zeng等根據(jù)Avedisian-Glassman數(shù)學(xué)模型用數(shù)值分析方法對內(nèi)燃機(jī)中多組分燃料的蒸發(fā)過程進(jìn)行了研究，取得了比較好的研究結(jié)果。但是Li等卻通過試驗(yàn)觀測研究分析，對上述模型提出了質(zhì)疑，指出模型中關(guān)于成核速率的理論值與試驗(yàn)觀測值相差很大。

另外，生物乙醇作為一種碳中性燃料和可再生能源，被認(rèn)為在柴油機(jī)中作為清潔替代燃料具有巨大的潛力。但是，受產(chǎn)量限制，目前生物乙醇主要與化石能源混合后用于發(fā)動(dòng)機(jī)上。而相關(guān)文獻(xiàn)研究指出，提煉獲取含水乙醇比高純度乙醇可以大大節(jié)省成本。但是，由于乙醇具有高親水性，容易導(dǎo)致混合物分層。因此，含水乙醇乳化燃料與柴油進(jìn)行混合時(shí)，需要加入表面活性劑，形成柴油-含水乙醇乳化燃料，研究表明乳化燃料可以較長時(shí)間保持穩(wěn)定狀態(tài)。因此，近年來對柴油-含水乙醇乳化燃料的研究越來越多。

盡管如此，關(guān)于柴油-含水乙醇乳化燃料的微爆現(xiàn)象的研究卻相對較少,也沒有一個(gè)通用的數(shù)學(xué)模型來描述柴油-含水乙醇乳化燃料的微爆現(xiàn)象。文中利用文獻(xiàn)提出的柴油-含水乙醇微爆數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步用水和含水乙醇的過熱極限進(jìn)行乳化燃料計(jì)算并驗(yàn)證，同時(shí)與試驗(yàn)觀測結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了模型的可靠性。最后，還對柴油-含水乙醇乳化燃料微爆的一些其他特性進(jìn)行了研究。

1 微爆數(shù)學(xué)模型

根據(jù)Avedisian-Glassman數(shù)學(xué)模型，液體分子的成核速率可以表示為：

(1)

式中:為成核速率；

為調(diào)整系數(shù)；

為分子數(shù)密度；

K為玻爾茲曼常數(shù)；

為溫度；

為分子碰撞頻率；

Δ為分子自由能。

根據(jù)文獻(xiàn)提出的分子間作用力模型，分子的能量只有在大于吉布斯自由能和分子勢能之和時(shí)，才能掙脫束縛成為活化分子，對應(yīng)的溫度就是過熱極限，模型可表示如下：

(2)

式中：為分子間勢能；

為環(huán)境壓力；

為飽和蒸汽壓；

為分子數(shù)；

為分子的配位數(shù)；

為有效體積。

然而，由于含水乙醇乳化燃料分子結(jié)構(gòu)不規(guī)則，對于式(2)所示模型不適應(yīng)。但是，由于范德華力的能量遠(yuǎn)小于氫鍵的能量，因此其活化能可以用式(2)的分子組氫鍵能量之和來表示。對于含水乙醇乳化燃料，水分子可以形成4個(gè)氫鍵，乙醇分子可以形成3個(gè)氫鍵，總自由能可表示如下：

(3)

式中:為氫鍵鍵能；

為調(diào)整系數(shù)。

將式(3)代入式(1)可以得到修正的數(shù)學(xué)模型如下：

(4)

模型的一些具體參數(shù)的計(jì)算和選取可以參考文獻(xiàn)[24]。表1列出了水和乙醇的熱力學(xué)參數(shù)，如沸點(diǎn)、臨界參數(shù),水和乙醇在飽和狀態(tài)下的熱力學(xué)參數(shù)可參考熱力學(xué)性質(zhì)表。

表1 水和乙醇的熱力學(xué)參數(shù)

2 試驗(yàn)裝置

文中使用的柴油-含水乙醇乳化燃料是以20%的含水乙醇和 #0柴油為原料，以Span80和正丁醇分別為表面活性劑與乳化劑混合配制而成。含水乙醇乳化燃料的配制工藝流程可以參考文獻(xiàn)[21]。文中HE30表示以30%體積分?jǐn)?shù)的含水乙醇與柴油混合配制而成的乳化燃料，此命名規(guī)則同樣適合其他含水乙醇乳化燃料，如后面使用到的HE40。表2給出了HE30的含水乙醇乳化燃料各組分含量以及穩(wěn)定時(shí)間，更多有關(guān)含水乙醇乳化燃料的物化性質(zhì)可以參考文獻(xiàn)[21]。

表2 乳化燃料組分比例及穩(wěn)定性

文中采用掛線法作為液滴發(fā)生裝置，液滴微爆的試驗(yàn)裝置如圖1所示。采用直徑為0.2 cm的鎳絲作為懸掛線絲，含水乙醇液滴是由一個(gè)3 μL的微升注射器產(chǎn)生的，液滴直徑約為1.5 mm。液滴用鎳絲懸掛放置在一個(gè)定容加熱容器中，為了形成較為穩(wěn)定均勻的溫度環(huán)境，定容加熱器四周用銅塊進(jìn)行預(yù)熱，使定容加熱器中的溫度維持在120 ℃。試驗(yàn)開始后，再用熱電偶對液滴進(jìn)行加熱，直到液滴發(fā)生微爆現(xiàn)象或蒸發(fā)完畢。試驗(yàn)將對液滴發(fā)生微爆現(xiàn)象時(shí)的溫度進(jìn)行記錄。而液滴的微爆或蒸發(fā)過程用陰影法高速顯微攝影系統(tǒng)進(jìn)行觀測記錄。其中，相機(jī)采用一臺(tái)1 000 幀/s的高速CMOS攝像機(jī)(NAC HX-6)，配有長距顯微鏡(K2-DistaMax)，試驗(yàn)光源采用氙燈光源(Newport 500W)。每個(gè)測試工況點(diǎn)重復(fù)測量5次。

圖1 液滴微爆的試驗(yàn)裝置

3 結(jié)果與分析

3.1 微爆溫度邊界條件

根據(jù)微爆原理，當(dāng)輕質(zhì)組分達(dá)到過熱極限溫度時(shí)才會(huì)發(fā)生微爆，因此求解微爆的溫度邊界條件就是要求解混合液中輕質(zhì)組分的過熱極限。對于柴油-含水乙醇乳化燃料，主要就是要找到含水乙醇的過熱極限。根據(jù)第1節(jié)中提出的微爆數(shù)學(xué)模型，分別計(jì)算了在常壓下含水乙醇和純水的過熱極限分別為180 ℃和280 ℃，為了驗(yàn)證模型的正確性和精確性，需要把模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對比。

對于純水，可以查純水的熱力參數(shù)性質(zhì)表得到其理論過熱極限為300.5 ℃，而根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果可知其過熱極限為279.5 ℃，如圖2所示。由此可見，此模型跟以往文獻(xiàn)研究結(jié)果非常接近，而跟理論值存在約7%的誤差，這可能跟模型中成核速率和調(diào)整系數(shù)值的選取有關(guān)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型的正確性，文中對柴油-含水乙醇乳化燃料液滴進(jìn)行了微爆觀測試驗(yàn)。根據(jù)不同的含水乙醇乳化燃料分別進(jìn)行觀測試驗(yàn)，其結(jié)果如圖2所示。由圖可知，試驗(yàn)測量結(jié)果與模型計(jì)算值非常接近，兩者相差不到10 ℃。這主要有兩個(gè)方面的原因：①試驗(yàn)裝置中采用熱電偶來測量液滴溫度，數(shù)據(jù)顯示可能存在一些延遲;②采用了鎳細(xì)絲懸掛液滴，可能會(huì)使液滴受熱不均而造成局部非均勻成核，從而降低過熱極限。

圖2 水與含水乙醇乳化燃料(HE30)的過熱極限

由此可見，忽略一些試驗(yàn)條件的影響，由圖2可知模型計(jì)算值與試驗(yàn)值、理論值和文獻(xiàn)參考值相比較，都在誤差可以接受范圍內(nèi)，從而說明此微爆數(shù)學(xué)模型對于計(jì)算含水乙醇乳化燃料是可行的。

由圖2中的虛線可知，含水乙醇乳化燃料的過熱極限值取決于乳化燃料輕質(zhì)組分的類型，而與乳化燃料中各組分的比例無關(guān)。將各試驗(yàn)工況點(diǎn)的過熱極限觀測值擬合成曲線，由曲線可知乳化燃料中不同比例的含水乙醇對過熱極限影響不大。但是，乳狀液中組分的比例可能會(huì)對微爆炸的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

3.2 微爆現(xiàn)象觀測試驗(yàn)

含水乙醇乳化燃料液滴的蒸發(fā)及微爆現(xiàn)象觀測試驗(yàn)過程如圖3所示。以HE30為例，整個(gè)液滴的蒸發(fā)過程可以分為3個(gè)不同階段：第一階段是無水層的形成和成核過程，如圖3(a)所示。在這一階段，可以看到輕質(zhì)組分從液滴外表面迅速逸出。這個(gè)過程與微爆不同，此時(shí)逃逸出液體表面的是輕質(zhì)組分，而微爆炸裂出的是乳化燃料小油滴，是油滴的一部分。此階段逸出的輕質(zhì)組分形成一個(gè)個(gè)很小的球體，呈半透明狀懸浮在環(huán)境中。第二階段是膨脹過程，如圖3(b)和圖3(c)所示。在此階段，液滴內(nèi)部的過熱輕質(zhì)組分液滴分子吸附在第一階段形成的氣核上。隨著加熱過程進(jìn)行，氣泡就不斷地生長，此時(shí)氣泡外的液滴也在渦流的擾動(dòng)下不停運(yùn)動(dòng)，使得氣泡的大小和形狀不斷地發(fā)生變化。當(dāng)擾動(dòng)值達(dá)到臨界值時(shí)，液滴就會(huì)發(fā)生微爆，這就是蒸發(fā)過程的第三階段，如圖3(d)所示。理論上，液滴溫度在達(dá)到輕質(zhì)組分的過熱極限時(shí)就會(huì)發(fā)生微爆。

圖3 含水乙醇乳化燃料(HE30)液滴蒸發(fā)及微爆現(xiàn)象觀測試驗(yàn)過程

如圖3所示，試驗(yàn)過程中觀測到了均勻成核和非均勻成核兩種不同類型的成核過程，它們導(dǎo)致的微爆現(xiàn)象也完全不同。對于均勻成核過程，內(nèi)部氣泡出現(xiàn)在液滴的中心位置，如圖3中的白色實(shí)線圓圈。一旦氣泡形成，就會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速膨脹，達(dá)到過熱極限溫度時(shí)，整個(gè)液滴突然爆炸成小液滴散開，微爆過程也將結(jié)束。對于當(dāng)非均勻成核過程，氣泡出現(xiàn)位置不在液滴的中心，如圖3灰色虛線圓圈所示。由于氣泡離液滴表面較近，通常沒有足夠的時(shí)間發(fā)展成大氣泡，從而導(dǎo)致局部的膨脹過程。

圖4以HE30和HE40為例，表示均勻成核和非均勻成核兩個(gè)不同蒸發(fā)過程的乳化液滴直徑隨蒸發(fā)時(shí)間的變化過程，在此以液滴測量直徑與初始直徑比值作為液滴膨脹程度量度?？梢郧逦乜吹?，對于均勻成核過程液滴直徑在加熱初始階段通常沒有很大變化，而一旦氣泡產(chǎn)生，液滴直徑就會(huì)急劇脹大，然后突然爆裂，這時(shí)直徑變化率很大，表明微爆強(qiáng)度也較大;而對于非均勻成核過程，液滴直徑反復(fù)變化波動(dòng)，表明液滴不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生多次膨脹或局部微爆過程,但每次局部微爆強(qiáng)度與均勻成核過程形成的微爆強(qiáng)度要小很多。

圖4 均勻成核與非均勻成核過程對比

3.3 微爆的影響因素分析

為了研究液滴直徑對微爆發(fā)生的影響，采用兩種不同尺寸的HE30液滴進(jìn)行了試驗(yàn)，一組液滴直徑為1.5 mm，另一組液滴直徑為1.0 mm。每組進(jìn)行5次試驗(yàn)，結(jié)果1.0 mm液滴組全都沒有觀察到微爆現(xiàn)象，而1.5 mm液滴組觀察到了4次微爆現(xiàn)象,試驗(yàn)結(jié)果見表3。試驗(yàn)結(jié)果不能說明小直徑液滴的微爆溫度邊界條件降低，因?yàn)楦鶕?jù)圖2可以看出，對于同一種輕質(zhì)組分的液體，其理論上微爆溫度邊界條件是相同的。這里可以用蒸發(fā)速率的差異來解釋，小液滴的比表面積較大，蒸發(fā)速率快，在液滴內(nèi)部還未達(dá)到過熱極限時(shí)就已經(jīng)蒸發(fā)完畢，因而無法達(dá)到發(fā)生微爆的溫度邊界條件。

表3 兩種不同尺寸的HE30液滴微爆試驗(yàn)觀測結(jié)果

關(guān)于乳化燃料組分對微爆的影響，前面已經(jīng)分析輕質(zhì)組分比例對微爆溫度邊界條件沒有影響，但和文獻(xiàn)研究結(jié)果一樣，乳化燃料的輕質(zhì)組分與重質(zhì)組分的比例對微爆發(fā)生后的強(qiáng)度有重要影響。一般當(dāng)輕質(zhì)組分和重質(zhì)組分的比例接近1∶1時(shí)微爆強(qiáng)度最大。這是因?yàn)槲⒈漠a(chǎn)生需要輕質(zhì)組分達(dá)到過熱極限后迅速膨脹撐破重質(zhì)組分外膜，反過來要求重質(zhì)組分需要有足夠的包裹力，所以無論哪種組分過少，都無法形成劇烈的微爆。

文中在進(jìn)行過熱極限計(jì)算時(shí)忽略了乳化劑的影響。但是在試驗(yàn)過程中明顯可以看出乳化劑對微爆發(fā)生的影響。試驗(yàn)過程對于一些放置時(shí)間很長的乳化液由于分層及乳化劑沉積，這時(shí)上層的乳化液反而更容易發(fā)生微爆。為了進(jìn)一步證實(shí)乳化劑的影響，對未添加乳化劑的含水乙醇與柴油的混合液液滴進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)更容易出現(xiàn)微爆現(xiàn)象。通過分析，可能是乳化劑增加了乳化燃料分子的界面能，使得小分子團(tuán)可以穩(wěn)定存在，這樣就提高了分子汽化時(shí)的自由能，不利于微爆的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

文中利用修正的柴油-含水乙醇乳化燃料的微爆數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了水與含水乙醇的過熱極限，并與試驗(yàn)值進(jìn)行比較。同時(shí)進(jìn)行了微爆觀測試驗(yàn)，分析了微爆發(fā)生的影響因素，得出了以下結(jié)論。

(1)常壓下，水與含水乙醇的過熱極限分別為280 ℃和180 ℃，與試驗(yàn)觀測結(jié)果符合較好，說明含水乙醇乳化燃料微爆溫度邊界條件的修正數(shù)學(xué)模型的有效性。

(2)含水乙醇乳化燃料的過熱極限取決于乳化燃料輕質(zhì)組分的類型，而與乳化燃料中各組分的比例無關(guān)，組分比例只對微爆強(qiáng)度有影響。

(3)試驗(yàn)觀察到了均勻成核和非均勻成核兩種蒸發(fā)過程，均勻成核出現(xiàn)一次典型而強(qiáng)度較大的微爆，而非均勻成核出現(xiàn)多次局部微爆。

(4)液滴大小和乳化劑影響含水乙醇乳化燃料液滴微爆的發(fā)生。通常液滴直徑越小，發(fā)生微爆的可能性越小，同樣添加乳化劑也降低乳化燃料發(fā)生微爆的概率。