乙醇對棕櫚酸甲酯液滴蒸發(fā)特性的影響研究*

孫文強(qiáng)，姜根柱，薛文華，湯詩婷，王筱蓉

乙醇對棕櫚酸甲酯液滴蒸發(fā)特性的影響研究*

孫文強(qiáng)，姜根柱?，薛文華，湯詩婷，王筱蓉

（江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100）

由于使用化石能源帶來的環(huán)境污染，尋找具有高能量密度的環(huán)保型生物燃料成為研究熱點(diǎn)之一。采用掛滴法研究常壓下溫度為773 K和873 K時含有不同乙醇濃度（10%、20%、30%和40%）的棕櫚酸甲酯混合燃料的蒸發(fā)特性。結(jié)果表明，每種液滴在平穩(wěn)蒸發(fā)階段都符合經(jīng)典d2定律，當(dāng)乙醇濃度達(dá)到40%時，混合燃料液滴的壽命明顯縮短，平均蒸發(fā)率顯著增高，尤其在環(huán)境溫度為873 K時，這種提升更為明顯。

液滴蒸發(fā)；乙醇；棕櫚酸甲酯

0 引 言

內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明和使用標(biāo)志著人類文明更上一個臺階，而其燃料從煤氣發(fā)展到汽油代表著內(nèi)燃機(jī)發(fā)展史上又一次質(zhì)的飛躍。隨著人類生產(chǎn)需求不斷提高，燃料燃燒帶來的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境惡化之間的矛盾變得越來越嚴(yán)重[1-2]。因此，人們對環(huán)保型替代燃料的需求愈發(fā)迫切。在可持續(xù)的環(huán)保燃料研究應(yīng)用上，含醇類添加物的改性燃料提供了一個不錯的參考方案[3-4]。

生物柴油成分中包含多種脂肪酸單酯，棕櫚酸甲酯便是其中含量較高的一種。棕櫚酸甲酯在常溫下是固體，不能直接作為內(nèi)燃機(jī)燃料，一般可以作為模型燃料與其他醇酯類摻混作為新的清潔混合燃料[5]。乙醇是一元醇的有機(jī)分子，由于其高辛烷值和高能量，被認(rèn)為是化石燃料的替代品，其作為能源在發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用研究最為廣泛。較高的含氧量可以促使乙醇的燃燒更充分，降低污染氣體的排放。更重要的是乙醇可由生物質(zhì)發(fā)酵得到，且來源廣泛，因此乙醇是理想的清潔替代能源[6]。但是，乙醇的一些燃燒特性并不適合內(nèi)燃機(jī)，過低的十六烷值不利于其在缸內(nèi)的壓燃，熱值低導(dǎo)致油耗高[7]。雖然不宜直接使用，但是添加乙醇可以改變?nèi)剂系娜紵阅埽ǔ５淖龇ㄊ菍⒁掖寂c汽油燃料混合使用，這樣不僅減少污染物排放還節(jié)約了化石燃料的使用[8]。

一直以來，學(xué)者們對乙醇作為燃料添加劑來改善其他燃料燃燒性能的研究從未停止。孫智勇等[9]對乙醇?柴油混合燃料的燃燒排放特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)乙醇的添加能明顯降低排放顆粒物的質(zhì)量濃度。任毅等[10]在柴油機(jī)上燃用了柴油?乙醇混合燃料，在相同的工況下，乙醇含量的增加會使發(fā)動機(jī)排氣煙度降低。張棟等[11]對生物油?乙醇混合燃料燃燒性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過26%，否則會導(dǎo)致燃料在燃燒段的活化能增大，燃燒性能變差。LI等[12]研究了乙醇?柴油混合燃料的理化性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)混合燃料的十六烷值、運(yùn)動黏度和表面張力相較純柴油均有所降低，而有效熱效率卻明顯提高。

燃油液滴在內(nèi)燃機(jī)中會經(jīng)歷霧化擴(kuò)散、蒸發(fā)、油氣混合和點(diǎn)火燃燒四個階段。研究單個燃油液滴的蒸發(fā)過程也是了解燃料性能的一個重要途徑，在內(nèi)燃機(jī)的壓縮沖程，缸內(nèi)溫度會達(dá)到673 ～ 873 K，無數(shù)燃油液滴在此時蒸發(fā)并與空氣混合，等待下一刻的點(diǎn)火燃燒，液滴蒸發(fā)特性的研究也吸引了大量學(xué)者的興趣。HAN等[13]采用液滴懸浮法研究了丙酮丁醇和柴油混合液滴的蒸發(fā)特性，發(fā)現(xiàn)在723 K和823 K下，隨著丙酮丁醇含量的增加，液滴壽命先縮短后延長。HUANG等[14]在生物柴油?正丙醇混合液滴蒸發(fā)特性的實驗中發(fā)現(xiàn)當(dāng)正丙醇濃度為50%時，液滴的微爆強(qiáng)度、蒸發(fā)速率和微爆延遲時間均達(dá)到最佳值。KIM等[15]在高溫高壓條件下對單個乳化燃料液滴的蒸發(fā)進(jìn)行實驗探究，得到其蒸發(fā)過程分為三個階段，即液滴加熱、充氣/吹氣和純蒸發(fā)。

盡管醇類作為燃料添加劑的液滴蒸發(fā)實驗研究有很多，但是目前尚未有關(guān)于將乙醇添加到棕櫚酸甲酯中，研究混合燃料液滴蒸發(fā)特性的報道。因此，本文設(shè)計了單液滴蒸發(fā)實驗臺，以內(nèi)燃機(jī)壓縮沖程的環(huán)境溫度為參照，通過改變乙醇的摻混濃度，配制了四種不同的混合溶液，在高速攝像機(jī)的幫助下研究乙醇?棕櫚酸甲酯混合燃料液滴在773 K和873 K溫度下的蒸發(fā)特性。

1 實驗部分

1.1 燃料配制

實驗使用的原材料為分析純的乙醇和棕櫚酸甲酯（methyl palmitate, MP）。表1列出了乙醇和棕櫚酸甲酯的一些重要物性參數(shù)，可以看到棕櫚酸甲酯的熔點(diǎn)高于室溫，常溫下為白色固體，不利于混合燃料的配制，因此需要將棕櫚酸甲酯進(jìn)行50℃水浴加熱處理，先使其熔化成液態(tài)。制備混合燃料的步驟如下：使用精確度為0.001 g的電子天平根據(jù)乙醇濃度計算兩者的質(zhì)量并稱取，然后將混合溶液放入磁力攪拌器中攪拌3 min，以保證兩種溶液充分融合在一起。攪拌后沒有出現(xiàn)分層，說明兩者已經(jīng)融合。本次實驗制備的混合溶液所包含的乙醇濃度分別為10%、20%、30%和40%（分別標(biāo)記為E10、E20、E30和E40）。由于乙醇沸點(diǎn)較低，高濃度的乙醇揮發(fā)會嚴(yán)重影響實驗的準(zhǔn)確性，故乙醇濃度不宜過高。

表1 乙醇和棕櫚酸甲酯物性參數(shù)

1.2 實驗裝置

圖1所示為實驗裝置示意圖。

圖1 實驗裝置示意圖

液滴蒸發(fā)試驗臺主要由加熱系統(tǒng)、液滴輸送系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分組成。加熱系統(tǒng)包括蒸發(fā)室和溫控模塊，在蒸發(fā)室中，兩扇石英視窗相對安裝，以提供光學(xué)觀測通道，蒸發(fā)室本體由耐高溫和保溫性能材料制作，通過電磁感應(yīng)進(jìn)行加熱。安裝在內(nèi)部的K型熱電偶實時測量溫度并反饋至比例?積分?微分（proportional integral derivative, PID）溫控模塊，溫控模塊的控制精度為±5 K。液滴輸送系統(tǒng)是依靠步進(jìn)電機(jī)控制器控制步進(jìn)電機(jī)將交叉石英絲送至蒸發(fā)室指定位置，步進(jìn)電機(jī)的移動速度為100 mm/s。利用微量注射器吸取1 μL的燃料液滴，隨后將之移到交叉石英絲上，液滴直徑約為1.4 mm。為防止蒸發(fā)室的熱輻射溫度影響懸浮液滴，在蒸發(fā)室上部開口處還設(shè)有隔熱罩。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的高速攝像機(jī)型號為Photron Fastcam SA4。為了獲得足夠清晰的液滴蒸發(fā)過程信息，將拍攝頻率設(shè)置為2 000 f/s，曝光時間設(shè)置為0.001 s，分辨率設(shè)置為1 024 × 1 024。

1.3 數(shù)據(jù)處理

高速攝像機(jī)捕捉液滴在蒸發(fā)過程中的大小、形態(tài)和微爆的變化，并將這些蒸發(fā)行為的照片傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。為了減少單次實驗帶來的誤差，每種液滴都進(jìn)行3次實驗。在進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理時，為了減少計算成本，先用Photoshop軟件提取感興趣區(qū)域（ROI）。背景中的圖片噪聲會造成計算誤差，因此通過Matlab設(shè)置像素灰度閾值使圖像二值化并填充空洞區(qū)域。最后利用形態(tài)學(xué)腐蝕處理去除石英絲投影，提取液滴投影的像素數(shù)，得到液滴的當(dāng)量面積。圖片數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 棕櫚酸甲酯的蒸發(fā)特性

圖3為常壓下純棕櫚酸甲酯液滴在溫度為773 K和873K時的歸一化平方直徑曲線，可為之后的實驗提供一個空白對照，以比較添加乙醇后對液滴蒸發(fā)行為的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)整個蒸發(fā)過程液滴都沒有出現(xiàn)微爆炸現(xiàn)象，這是由于單一組分的燃料不存在組分間熔沸點(diǎn)的差異。故而可以將整個過程分為兩個階段，即瞬態(tài)加熱階段（11,21）和平穩(wěn)蒸發(fā)階段（12,22）。瞬態(tài)加熱階段中，液滴最開始從外部吸收熱量，蒸發(fā)速率小于其吸熱膨脹速率，液滴直徑逐漸達(dá)到最大（max）。隨著液滴自身溫度達(dá)到極限，液滴發(fā)生相變，此時蒸發(fā)占據(jù)主導(dǎo)地位，液滴直徑不斷變小，歸一化直徑曲線近似線性減小，符合d2定律[16]，定義為平衡蒸發(fā)階段。同時從曲線中也可以明顯看出溫度升高，液滴蒸發(fā)變快。

圖3 棕櫚酸甲酯液滴的歸一化平方直徑曲線

2.2 混合燃料在773 K時的蒸發(fā)特性

圖4所示為含有不同乙醇濃度的棕櫚酸甲酯液滴在773 K時的歸一化平方直徑曲線。與之前純棕櫚酸甲酯液滴的蒸發(fā)不同，由于添加了乙醇，導(dǎo)致組分間存在沸點(diǎn)差異，加熱過程中沸點(diǎn)低的成分會率先氣化并在液滴內(nèi)部聚集成大的氣泡，直至氣泡增大到突破自身表面張力，發(fā)生微爆炸。此時的蒸發(fā)過程被劃分為三個階段，即進(jìn)入加熱室后的瞬態(tài)加熱階段、發(fā)生液滴微爆炸的波動蒸發(fā)階段和蒸發(fā)穩(wěn)定后的平穩(wěn)蒸發(fā)階段。

圖4 燃料液滴在773 K時的歸一化平方直徑曲線

在圖4中可以看到，當(dāng)添加的乙醇質(zhì)量濃度為10%和20%時，曲線與純的棕櫚酸甲酯蒸發(fā)過程類似，沒有較大的波動。因為在較低的乙醇濃度時，混合燃料液滴內(nèi)部產(chǎn)生的乙醇?xì)怏w還不足以突破液滴的表面張力，蒸發(fā)只在液滴表面進(jìn)行。隨著乙醇濃度增加到30%和40%，液滴初始膨脹的體積倍數(shù)會更大，高濃度的乙醇蒸氣從液滴內(nèi)部噴射而出，并發(fā)生多次微爆炸，而且乙醇濃度越高，微爆炸現(xiàn)象也越強(qiáng)烈。圖5是MP + E40燃料液滴發(fā)生多次微爆時的圖片，紅色圈中是因微爆濺射而出的子液滴，此時液滴嚴(yán)重變形，表現(xiàn)在歸一化平方直徑曲線的驟降區(qū)間。

圖5 MP + E40燃料液滴在773 K時的微爆圖片

圖6所示為燃料液滴在773 K時的液滴壽命與平均蒸發(fā)率。液滴壽命定義為液滴蒸發(fā)全部過程所需要的時間，將膨脹到最大液滴直徑max與液滴壽命的比值定義為平均蒸發(fā)率。

圖6 燃料液滴在773 K的液滴壽命與平均蒸發(fā)率

從圖6可以看出，當(dāng)乙醇濃度低于30%時，液滴壽命比純棕櫚酸甲酯還要長，由于低濃度的乙醇不但沒有促進(jìn)液滴微爆，反而提高了混合液滴的氣化潛熱，導(dǎo)致液滴需要從外界吸收更多的熱量來用于自身蒸發(fā)，延長了液滴壽命。當(dāng)乙醇濃度達(dá)到30%以上時，液滴壽命明顯縮短，平均蒸發(fā)率顯著提高，其中乙醇含量為40%時效果最明顯。微爆炸起到了主導(dǎo)作用，促使液滴分解成數(shù)個小液滴，液滴的接觸面積變大，加快了蒸發(fā)進(jìn)程。由此可見，適當(dāng)?shù)卦鰪?qiáng)燃料微爆炸可以縮短液滴壽命，提高蒸發(fā)率。

2.3 混合燃料在873 K時的蒸發(fā)特性

圖7所示是含有不同乙醇濃度的棕櫚酸甲酯在873 K時的歸一化平方直徑曲線。與773 K時相比，蒸發(fā)過程也分為三個階段。相似地，乙醇濃度為10%和20%時，液滴沒有明顯微爆，但是溫度的升高使得液滴膨脹的最大直徑相較于773K更大。當(dāng)乙醇濃度達(dá)到30%以上時，膨脹和微爆炸強(qiáng)度都有很大提高，因為當(dāng)溫度升高時，液滴中乙醇的蒸發(fā)量也會增加，從而增加微爆的強(qiáng)度。但是在平穩(wěn)蒸發(fā)階段各種配比的混合燃油都符合經(jīng)典d2定律。

圖7 燃料液滴在873 K時的歸一化平方直徑曲線

圖8所示為燃料液滴在873 K的液滴壽命與平均蒸發(fā)率?？梢钥吹?，乙醇濃度在30%以下的各組燃料液滴和棕櫚酸甲酯的液滴壽命基本相同。當(dāng)乙醇濃度達(dá)到30 %以上時，觀察到液滴壽命縮短至5 s以內(nèi)。平均蒸發(fā)率與乙醇的含量成正比提高，此時溫度的提高對液滴蒸發(fā)過程的促進(jìn)起主導(dǎo)作用。

圖8 燃料液滴在873 K的液滴壽命與平均蒸發(fā)率

3 結(jié) 論

研究773 K和873 K時，常壓下含不同乙醇濃度的棕櫚酸甲酯液滴的蒸發(fā)特性。得出以下結(jié)論：

（1）含有不同乙醇濃度的棕櫚酸甲酯液滴蒸發(fā)過程被劃分為三個階段，即瞬態(tài)加熱階段、波動蒸發(fā)階段和平穩(wěn)蒸發(fā)階段。

（2）添加的乙醇質(zhì)量濃度為10%和20%時，液滴壽命會延長。而當(dāng)乙醇濃度達(dá)到30%以上時，液滴壽命大大縮短。

（3）在不同溫度下，不同濃度的乙醇對燃料液滴的平均蒸發(fā)率影響不同。在773 K時，含30%和40%乙醇的燃料液滴具有較好的蒸發(fā)速率；在873 K時，平均蒸發(fā)率隨乙醇含量的增大而升高。

（4）環(huán)境溫度顯著影響液滴壽命和平均蒸發(fā)率，且二者成正比關(guān)系。

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Effect of Ethanol on the Evaporation Characteristics of Methyl Palmitate Droplets

SUN Wen-qiang, JIANG Gen-zhu, XUE Wen-hua, TANG Shi-ting, WANG Xiao-rong

(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212100, Jiangsu, China)

Due to the environmental pollution caused by using fossil energy, the search for environmentally friendly biofuels with high energy density has become one of the research hotspots. An experiment using the hanging drop method was carried out to study the evaporation characteristics of methyl palmitate mixed fuel containing different concentrations of ethanol (10%, 20%, 30% and 40%) at 773 K and 873 K under normal pressure. It was determined that each droplet conformed to the classical d2law in the stable evaporation stage. When the ethanol concentration reached 40%, the life of the mixed fuel droplets was significantly shortened, and the average evaporation rate increased significantly, especially when the ambient temperature was 873 K, the improvement was more obvious.

droplet evaporation; ethanol; methyl palmitate

2095-560X（2022）04-0370-05

TK42

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2022.04.010

收稿日期：2022-03-13

2022-05-23

江蘇省研究生創(chuàng)新基金項目（SJCX21_1758)

姜根柱，E-mail：jkdjxxy@163.com

孫文強(qiáng)（1997-），男，碩士研究生，主要從事燃料蒸發(fā)傳熱研究。

姜根柱（1979-），男，碩士，高級實驗師，碩士生導(dǎo)師，主要從事氫能源性能及儲運(yùn)安全機(jī)制研究。