甲醇柴油微乳化液滴蒸發(fā)微爆特性研究

胡佳康,許俊峰,楊偉,馬富康,鄒潤,李峰

(中北大學能源與動力工程學院,山西 太原 030051)

柴油機具有良好的動力性、經(jīng)濟性和耐久性,因而得到廣泛應用。但隨著排放法規(guī)日益嚴苛,以及面臨原油對外依存度超過70%警戒線的巨大壓力,尋找清潔的柴油機替代燃料迫在眉睫。甲醇作為一種含氧型生物質(zhì)燃料,其理化性質(zhì)能夠滿足內(nèi)燃機使用條件。在柴油中添加甲醇可以減少PM和NOx排放,且對發(fā)動機性能無顯著影響[1]。且甲醇具有使用、存儲和運輸方便的特點,在多煤少氣貧油的中國產(chǎn)量豐富,優(yōu)勢巨大。甲醇與柴油在少量乳化劑作用下,通過機械攪拌、超聲混合形成的乳化燃油可直接在柴油機內(nèi)燃燒[2]。甲醇和柴油沸點的差異導致液滴在蒸發(fā)過程中會發(fā)生“微爆”現(xiàn)象[3]。微爆誘發(fā)油滴變成粒徑更小的液滴,促進燃油霧化,進而改善柴油機內(nèi)部混合氣質(zhì)量。為加快乳化甲醇柴油工程化應用,因而急需探明微乳化甲醇柴油液滴的蒸發(fā)微爆特性。

近年來,眾多研究者分別研究了不同條件下雙組分液滴蒸發(fā)特性。D. V. Antonov等[4]研究了雙組分液滴在不同傳熱方式下的微爆表現(xiàn),發(fā)現(xiàn)不僅熱通量影響雙組分液滴蒸發(fā)過程,且液滴成分以及液滴形成方式(油包水、水包油)對蒸發(fā)過程也有較大影響。Zhang Yu等[5]試驗發(fā)現(xiàn),雙組分液滴中混合物含量影響其蒸發(fā)模式,丁醇含量為25%的液滴為表面蒸發(fā)模式,當丁醇含量提高至75%時,表面模式和核心模式共同存在。韓愷等[6]研究了不同甲醇體積分數(shù)、不同初始直徑對乳化燃油液滴微爆特性的影響,分析了不同氣泡位置對局部微爆和整體微爆發(fā)生的影響。Jonghan Won等[7]試驗發(fā)現(xiàn),由于液滴表面蒸發(fā)和液滴內(nèi)部汽化的共同作用,乳化燃料液滴燃燒時,燃料含水量不會導致液滴平均燃燒速率變化,而當環(huán)境溫度改變時,微爆強度的變化明顯。Wang Lintao等[8]研究了不同溫度下大豆油滴的微爆特性,發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高,大豆油微爆延遲時間縮短,微爆強度升高。王兆文等[9]研究了不同溫度下?lián)剿榛裼偷恼舭l(fā)特性,發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高,液滴成核位置由單一位置轉(zhuǎn)變?yōu)槎帱c成核,總體微爆隨之改變。雙組分液滴蒸發(fā)微爆現(xiàn)象是由多種影響因素共同作用的結(jié)果,深入研究多影響因素對微爆發(fā)生的影響更有助于揭示微爆發(fā)生機理,實現(xiàn)可控微爆。

針對微乳化甲醇柴油的微爆現(xiàn)象,研究了甲醇柴油單液滴蒸發(fā)過程。首先使用油酸作為乳化劑制備了甲醇柴油乳化液,隨后采用掛滴法和高速攝影技術開展了單液滴蒸發(fā)特性試驗,探究不同初始液滴體積、不同環(huán)境溫度下液滴形態(tài)變化、蒸發(fā)特性和微爆特性。

1 試驗裝置和試驗方法

1.1 甲醇柴油乳化液制備

微乳化液是指向油相中摻入水相后仍保持穩(wěn)定的分散體系[10]。由于油相和水相互不相溶,需要通過乳化劑才能使二者均勻穩(wěn)定混合。本試驗采用甲醇和柴油作為水相和油相,油酸作為乳化劑,通過機械、超聲共同作用的方式制備穩(wěn)定的乳化液。試驗材料主要理化性質(zhì)[11]如表1所示。

表1 柴油、甲醇理化性質(zhì)

本試驗主要采用甲醇體積分數(shù)20%乳化液,其中乳化劑占比3%,此時甲醇乳化柴油體系穩(wěn)定度高。通過顯微鏡觀察配油結(jié)束后與蒸發(fā)試驗結(jié)束后甲醇相分散程度相差不超5%,即認為制備了穩(wěn)定的乳化油。

1.2 試驗裝置

圖1示出液滴蒸發(fā)試驗系統(tǒng)示意。該試驗系統(tǒng)由可視化加熱系統(tǒng)、液滴傳送系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。高溫蒸發(fā)彈體上方有直徑10 mm的小孔供液滴進入,為保證液滴進入彈體前不會受熱,在液滴進入前小孔處于關閉狀態(tài)。彈體四周安裝有石英觀察窗,用于高速相機拍攝以及提供各個方向的光源。彈體底部有3 kW的加熱爐,提供彈體內(nèi)的高溫環(huán)境,通過控制加熱爐功率調(diào)節(jié)彈體內(nèi)溫度,最高可以將彈體內(nèi)溫度調(diào)節(jié)到500 ℃并保持穩(wěn)定。通過步進電機控制液滴進入蒸發(fā)彈體內(nèi),可以保證每次液滴下落到彈體內(nèi)同一高度。微量進取器可以量取0～2 μL的液滴,生成不同大小的液滴,將其掛在0.25 mm的K型熱電偶絲上。相機選千眼狼5KF10高速攝像機,試驗畫幅大小為464×608,拍攝幀率為500 幀/s,微量進取器最大量程為2 μL,溫度傳感器使用K型鎧裝WRNK-191熱電偶,通過DAQ970a溫度采集卡記錄溫度。試驗操作步驟:通過控制加熱爐使爐內(nèi)溫度到達理想溫度,量取規(guī)定體積的液滴懸掛于熱電偶絲上,開啟蒸發(fā)彈體上方小孔,啟動步進電機,按下相機快門對液滴蒸發(fā)過程進行記錄。本試驗中液滴初始大小分別為0.8,1.2,1.6 μL,環(huán)境壓力為0.1 MPa,設定環(huán)境溫度分別為703,733,763 K。為保證試驗結(jié)果可靠性,每個試驗工況重復3次。

1—溫度采集卡;2—計算機;3—LED燈;4—高速相機;5—剛玉管;6—蒸發(fā)彈體;7—熱電偶;8—K型熱電偶絲;9—步進電機;10—電機控制器;11—導軌;12—溫控儀。

2 圖像處理及參數(shù)定義

本試驗通過Matlab圖像處理程序獲取液滴蒸發(fā)過程投影面積變化,流程如圖2所示。為了獲得有效區(qū)域,提高數(shù)據(jù)處理效率,首先對相機采集的原始圖像(608×464 pixels)進行裁剪,獲得目標區(qū)域(120×120 pixels),進而對目標區(qū)域進行二值化處理。為了使液滴部分二值化區(qū)域像素值為1,對二值化圖片進行非運算,液滴中心反光區(qū)域填充,得到圖像中像素和。根據(jù)剛玉管尺寸確定單個像素點投影面積,由像素和運算得到液滴投影面積,根據(jù)拍攝圖片中液滴投影面積變化分析液滴蒸發(fā)過程。

圖2 圖片處理過程

以初始體積為0.8 μL的液滴在703 K常壓下的蒸發(fā)過程為例對特征參數(shù)進行表征,其歸一化面積隨時間變化曲線如圖3所示。蒸發(fā)分為波動和穩(wěn)定兩個階段進行,Ta為液滴微爆結(jié)束時刻,結(jié)束前為波動階段,結(jié)束后為穩(wěn)定階段。微爆強度I是液滴發(fā)生微爆時的面積損失量與液滴微爆前面積之比,其表達式為

圖3 微爆強度I、蒸發(fā)速率K、膨脹速率p參數(shù)定義

穩(wěn)定蒸發(fā)階段的曲線斜率絕對值為液滴蒸發(fā)速率K,液滴微爆前曲線斜率為膨脹速率p。

3 結(jié)果與討論

3.1 微乳化甲醇柴油液滴蒸發(fā)微爆過程

圖4示出液滴投影面積隨時間的變化曲線。由圖4知,甲醇柴油液滴蒸發(fā)過程分為兩個階段:0～0.392 s為波動蒸發(fā)階段,由于甲醇和柴油蒸發(fā)速率不同而發(fā)生微爆導致曲線波動,0.338 s時液滴投影面積斷崖式下降,液滴破碎;0.392～8 s為穩(wěn)定蒸發(fā)階段,液滴投影面積線性減小,滿足D2定律。7.384 s后曲線幾乎保持不變,視為蒸發(fā)過程結(jié)束,熱電偶上存在雜質(zhì),曲線不規(guī)則細微波動。圖5示出初始體積為0.8 μL的液滴在703 K環(huán)境溫度下蒸發(fā)形態(tài)變化(定義液滴進入高溫環(huán)境且穩(wěn)定后為0時刻)。從0到0.336 s,甲醇汽化并產(chǎn)生氣泡,隨著氣泡生長,內(nèi)部壓力大于表面張力與環(huán)境壓力之和,0.338 s液滴破碎,破碎伴有小液滴飛出,此時液滴形狀極其不規(guī)則,在表面張力作用下,0.342 s液滴恢復球形,一個完整的微爆周期在0.336～0.34 s完成。0.5～7.384 s液滴蒸發(fā)處于穩(wěn)定階段,液滴面積線性減小,直到電熱偶絲完全顯現(xiàn)。此過程液滴內(nèi)部仍有甲醇水核,但無法形成大氣泡產(chǎn)生微爆,隨著蒸發(fā)進行到液滴表面汽化。

圖4 0.8 μL,703 K時的液滴蒸發(fā)曲線

圖5 0.8 μL,703 K時的液滴蒸發(fā)時序圖

3.2 不同環(huán)境溫度下的蒸發(fā)規(guī)律

圖6示出不同溫度下液滴投影面積隨時間的變化曲線。如圖6所示,隨著溫度升高,液滴微爆發(fā)生時間提前,相應微爆強度也減弱,703 K時微爆強度為0.092 7,733 K時微爆強度為0.063。這是因為隨著蒸發(fā)進行,液滴表面的低沸點甲醇完全蒸發(fā),剩余高沸點柴油未蒸發(fā)形成液膜,液膜存在時內(nèi)部甲醇氣泡生長,當內(nèi)部氣泡壓力大于液膜表面張力時,液滴破碎形成微爆。溫度升高導致液滴吸熱速率變快,內(nèi)部甲醇快速達到蒸發(fā)過熱度,甲醇氣體在液滴內(nèi)部快速成核,微爆發(fā)生時刻提前,液膜快速蒸發(fā)厚度減小,微爆強度變?nèi)?。由于液滴初始大小較小,在一次微爆之后,大量低沸點甲醇逸散,液滴內(nèi)部剩余甲醇二次蒸發(fā)無法聚合成可以形成二次微爆的氣核,因此波動蒸發(fā)持續(xù)時間變短。當溫度繼續(xù)增加至763 K時,柴油與甲醇同時蒸發(fā),外部液膜生存時間變短,液滴內(nèi)部未形成可以突破表面張力的氣核,整個蒸發(fā)過程均為穩(wěn)定蒸發(fā),無波動蒸發(fā)出現(xiàn)。圖7表明,波動蒸發(fā)持續(xù)時間隨溫度的上升而下降,703 K時波動蒸發(fā)持續(xù)時間為0.536 s,低溫時液滴內(nèi)部甲醇需要長時間吸熱以蒸發(fā)形成氣核,同時液膜也無法快速蒸發(fā),滿足氣泡生長條件。高溫時,兩個過程速度加快,耦合下導致波動蒸發(fā)持續(xù)時間變短,733 K時只持續(xù)了0.372 s,763 K時無波動蒸發(fā)出現(xiàn)。

圖6 不同溫度下0.8 μL液滴的蒸發(fā)曲線

圖7 不同溫度下液滴蒸發(fā)持續(xù)時間

圖8示出不同環(huán)境溫度下的蒸發(fā)速率。由圖8可知,隨著溫度升高,蒸發(fā)速率曲線斜率逐漸增大,液滴蒸發(fā)速率不斷變快。763 K時液滴蒸發(fā)速率較733 K、703 K時大幅提高。763 K環(huán)境液滴蒸發(fā)曲線圖內(nèi)表現(xiàn)為無波動蒸發(fā)出現(xiàn),原因為0.8 μL大小液滴蒸發(fā)過程中內(nèi)部甲醇蒸氣生成速率慢于液滴表面蒸發(fā)速率,在液滴內(nèi)部分散的甲醇蒸氣聚集成核形成較大的氣泡。隨著蒸發(fā)過程繼續(xù),液滴尺寸不斷減小,氣泡未成核便出現(xiàn)在液滴表面,直至液滴蒸發(fā)結(jié)束也無法出現(xiàn)微爆現(xiàn)象。

圖8 不同環(huán)境溫度下的蒸發(fā)速率

3.3 不同初始液滴體積下的蒸發(fā)規(guī)律

本節(jié)中不同初始液滴體積下蒸發(fā)時間為歸一化時間。圖9a示出溫度763 K時不同初始體積的液滴蒸發(fā)曲線圖。隨著初始液滴體積增加,甲醇柴油液滴微爆次數(shù)增加,1.2 μL和1.6 μL液滴在蒸發(fā)過程中均發(fā)生了多次微爆現(xiàn)象。1.6 μL液滴在前3次微爆發(fā)生時,均出現(xiàn)液滴膨脹現(xiàn)象(如圖9b所示),在第2、3次微爆發(fā)生前,液滴投影面積不斷上升,隨著微爆發(fā)生,小液滴隨著微爆發(fā)生被帶出,液滴投影面積出現(xiàn)斷崖式下降。原因為大液滴在蒸發(fā)過程中可形成較厚的高沸點液膜,且液滴內(nèi)部可成核甲醇氣體較多,外部液膜提供較大的表面張力可支撐內(nèi)部氣泡形成,當這種平衡被打破時,微爆發(fā)生。在第4、5次微爆發(fā)生前,液滴投影面積曲線緩慢下降到達液滴微爆發(fā)生時刻,原因為液滴變小后,液膜厚度變小、液滴內(nèi)部可成核甲醇變少,無宏觀上液滴膨脹現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖9 不同初始體積液滴在763 K溫度下的蒸發(fā)曲線

1.6 μL液滴膨脹速率如圖10所示。第2、3次微爆發(fā)生時,膨脹速率為正,液滴投影面積逐漸增加,此時液滴內(nèi)部汽化起主要作用,即液滴內(nèi)氣泡生長速率快于液滴表面蒸發(fā)速率。液滴發(fā)生第4、5次微爆發(fā)生時,膨脹速率為負,液滴投影面積逐漸減小,此時液滴表面蒸發(fā)起主要作用,即液滴表面蒸發(fā)速率快于液滴內(nèi)氣泡生長速率。1.2,1.6 μL大小液滴微爆強度見圖11,首次微爆發(fā)生強度最大,氣泡破碎會帶走更多小液滴,后續(xù)微爆強度逐次減小。液滴蒸發(fā)持續(xù)時間如圖12所示,1.6 μL液滴多次微爆使得其波動蒸發(fā)持續(xù)時間達1.570 9 s/mm2,而0.8 μL液滴無微爆發(fā)生,原因為液滴尺寸變小后,液膜持續(xù)時間變短,無法達到內(nèi)部甲醇成核所需時間,整個蒸發(fā)過程均為穩(wěn)定蒸發(fā)。大液滴甲醇蒸氣成核更多,容易形成大氣泡,出現(xiàn)液滴膨脹現(xiàn)象。待到氣泡破碎后液滴恢復形狀,繼續(xù)進行后續(xù)微爆。波動蒸發(fā)后期微爆現(xiàn)象發(fā)生前投影面積曲線變化平緩,此時液滴內(nèi)部氣泡膨脹速率與液滴表面蒸發(fā)速率相等,氣泡在膨脹時期液滴尺寸同時在縮小,所以曲線表現(xiàn)為平緩或略有下降。

圖10 液滴膨脹速率

圖11 液滴微爆強度

圖12 波動蒸發(fā)持續(xù)時間

3.4 環(huán)境溫度與初始液滴體積的耦合影響

圖13示出不同初始液滴體積、不同蒸發(fā)環(huán)境溫度下液滴的蒸發(fā)曲線,相同條件下重復3次試驗。由圖可知,0.8 μL液滴在環(huán)境溫度703 K時微爆發(fā)生時刻均值為0.447 s,微爆強度均值為0.102;環(huán)境溫度升高至733 K時,微爆發(fā)生時刻均值為0.319 s,微爆強度均值為0.075;環(huán)境溫度繼續(xù)升高時無微爆發(fā)生。隨著環(huán)境溫度升高,微爆強度逐漸減弱,微爆發(fā)生時刻提前。1.2 μL液滴在環(huán)境溫度703 K時蒸發(fā)曲線無波動,當溫度繼續(xù)升高,曲線出現(xiàn)波動,溫度升高至763 K時出現(xiàn)了多次微爆現(xiàn)象。

圖13 不同條件下液滴的蒸發(fā)曲線

圖14示出不同條件下微爆發(fā)生時間曲線。由圖14知,0.8 μL液滴在溫度不斷升高過程中,微爆發(fā)生時刻不斷提前,直至763 K無微爆發(fā)生,而1.2 μL液滴在溫度不斷上升過程中,微爆發(fā)生時刻不斷延遲。由此可知,當液滴較小時,低溫下更容易發(fā)生微爆現(xiàn)象。原因為溫度升高時,小液滴蒸發(fā)速率變快,液滴外部形成的柴油液膜存在時間變短,無法為氣泡生長提供時間,宏觀上表現(xiàn)為氣泡成核速率慢于液膜蒸發(fā)速率。當液滴較大時,比表面積變小,吸熱速率降低。低溫無法滿足液滴內(nèi)甲醇蒸發(fā)所需過熱度,液滴內(nèi)甲醇隨著液滴尺寸減小一起蒸發(fā);當溫度升高滿足液滴內(nèi)部甲醇蒸發(fā)所需過熱度時,內(nèi)部甲醇成核生成氣泡會導致蒸發(fā)波動出現(xiàn),繼續(xù)升溫,液滴內(nèi)便出現(xiàn)了多次微爆現(xiàn)象。

圖14 不同條件下微爆發(fā)生時間曲線

4 結(jié)論

a) 雙組分液滴蒸發(fā)過程分為波動蒸發(fā)和穩(wěn)定蒸發(fā)階段,一次完整液滴微爆周期包括初期甲醇氣化、氣泡成核,中期液滴膨脹、氣泡破碎,后期子液滴逃逸、主液滴恢復;

b) 隨著環(huán)境溫度的升高,微爆發(fā)生時刻提前,微爆強度減弱,甲醇汽化速度變快導致快速形成氣泡,同時柴油蒸發(fā)速率加快,氣泡生長時間不足,導致更高溫度下0.8 μL液滴無微爆現(xiàn)象發(fā)生;

c) 隨著初始液滴體積增大,微爆次數(shù)增加,單次微爆強度逐漸減弱,液滴內(nèi)氣泡有充分的生長時間,氣泡破碎時刻不同導致一次蒸發(fā)有多次微爆發(fā)生;

d) 在液滴蒸發(fā)過程中,當液滴較小時,低溫條件易促使其發(fā)生微爆現(xiàn)象;當液滴較大時,高溫條件易促使其發(fā)生微爆現(xiàn)象。