柴油-麻風(fēng)樹生物柴油混合燃油的微爆特性研究

張 璇, 姜根柱

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

化石能源的日益受限和生活環(huán)境的日益惡化推動(dòng)了人們對(duì)內(nèi)燃機(jī)替代能源的研究[1-4]。可再生生物燃料憑借其原材料廣泛、燃燒產(chǎn)生的NOx低等優(yōu)勢(shì),為日益增長(zhǎng)的能源需求提供了一種選擇[5-6]。生物油催化脫氧法生產(chǎn)的生物燃料具有熱值高、黏度低、結(jié)構(gòu)與石油燃料相似等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。麻風(fēng)樹耐干旱和貧瘠,種子出油率高達(dá)30%～50%。雖然麻風(fēng)樹油不可食用[9-10],但其十六烷值高于柴油,可直接在發(fā)動(dòng)機(jī)中使用,故麻風(fēng)樹油為一種可替代的燃料。目前對(duì)于麻風(fēng)樹油特性的研究,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的工作。Wardana等[11]研究了含水麻風(fēng)樹油滴在高溫下的燃燒特性,發(fā)現(xiàn)水解反應(yīng)發(fā)生在含水麻風(fēng)樹油滴的燃燒過程中,油滴經(jīng)歷了兩個(gè)燃燒階段:脂肪酸燃燒和甘油燃燒,微爆炸發(fā)生在第二階段的開始,隨著油溫的升高,微爆炸變得更加頻繁。Satyanarayana等[12]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):溫度從40 ℃升至80 ℃時(shí),黏度可以從38.4 Pa·s降至11.2 Pa·s,降低的黏度使麻風(fēng)樹油在柴油機(jī)上得到了滿意的燃燒性能。Wang等[13]研究了麻風(fēng)樹純植物油液滴膨化和蒸發(fā)特性,發(fā)現(xiàn)高溫下可觀察到液滴變形、氣泡生成和膨脹、微爆炸,并提出微爆炸發(fā)生的原因是液滴中揮發(fā)性成分在高溫下形成氣泡使液滴發(fā)生微爆。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)麻風(fēng)樹油研究均集中于液滴燃油噴霧燃燒或純麻風(fēng)樹油液滴的蒸發(fā),對(duì)麻風(fēng)樹油與柴油的混合燃料的蒸發(fā)特性的研究很少,因此有必要對(duì)柴油-麻風(fēng)樹混合燃油的蒸發(fā)特性進(jìn)行研究。

本研究采用掛滴技術(shù),分析不同環(huán)境溫度下麻風(fēng)樹生物柴油與柴油不同混合比例的混合燃油液滴的微爆特性,并研究液滴微爆對(duì)蒸發(fā)的影響,從而達(dá)到將麻風(fēng)樹油-柴油混合使用時(shí)能在柴油缸內(nèi)穩(wěn)定燃燒的目標(biāo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

柴油,購(gòu)自中國(guó)石油天然氣有限公司;麻風(fēng)樹生物柴油(JME),實(shí)驗(yàn)室自制[14],由選自中國(guó)江蘇的麻風(fēng)樹籽為原料,經(jīng)電動(dòng)榨油機(jī)榨機(jī)提取和氫氧化鉀、甲醇?jí)A性酯化,分離甘油后制得;甲醇、氫氧化鉀,均為市售分析純;本試驗(yàn)樣品的品質(zhì)數(shù)據(jù)由西南石油大學(xué)化工學(xué)院測(cè)定,如表1所示。

表1 燃料理化特性

1.2 混合燃料微爆實(shí)驗(yàn)

1.2.1實(shí)驗(yàn)裝置 圖1為單液滴蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置原理示意圖。在熱電偶線的焊接處懸掛一個(gè)液滴。該熱電偶線的直徑為0.127 mm。這種直徑的熱電偶幾乎不影響蒸發(fā)過程[15-17]。將液滴推到電爐中,高速攝像機(jī)記錄蒸發(fā)過程。液滴蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)由4個(gè)主要部分組成:蒸發(fā)室系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、圖像溫度采集系統(tǒng)和液滴傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要安裝石英玻璃窗,為攝像頭和背光提供窗口,爐前、爐后各安裝一個(gè)。汽化彈體為3層,最外層為不銹鋼外殼,不銹鋼外殼內(nèi)有兩層陶瓷內(nèi)膽。電阻加熱絲環(huán)繞在兩層陶瓷之間以保持溫度均勻。 N2用作惰性氣體以防止液滴在蒸發(fā)過程中燃燒。溫度控制器可以控制爐溫。K型熱電偶溫度傳感器用作傳感器。該爐最高溫度在1 000 K左右,控溫精度在±5 K左右。為了保證爐溫的穩(wěn)定,還對(duì)爐子進(jìn)行了調(diào)試。高速攝像頭聚焦于液滴中心位置,拍攝頻率設(shè)置為500幀/s,分辨率為1 024×1 024。爐頂位置放置一個(gè)直徑為8 mm的小孔。液滴將準(zhǔn)確出現(xiàn)在高速相機(jī)對(duì)焦位置。為防止液滴在進(jìn)入冷卻室前受蒸發(fā)室高溫影響產(chǎn)生損耗,所以在通孔周圍設(shè)置了冷卻夾套。

圖1 液滴蒸發(fā)過程測(cè)試裝置示意Fig.1 Schematic diagram of a device principle, droplet evaporation process test device

1.2.2實(shí)驗(yàn)過程 麻風(fēng)樹生物柴油具有良好的混合性[18-19],無需融合劑便可與柴油混合,且混合效果較好。本研究按照麻風(fēng)樹生物柴油占混合油的比例為10%、 20%、 50%(質(zhì)量比)將麻風(fēng)樹生物柴油與柴油進(jìn)行混合,標(biāo)記為JME10、JME20和JME50,通過液滴蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)對(duì)混合油進(jìn)行蒸發(fā)特性研究。

1.3 數(shù)據(jù)及圖像處理

首先用HALCON軟件提取液滴的像素。然后用縮減域運(yùn)算符提取需要的區(qū)域(ROI)。相機(jī)使用單個(gè)通道捕獲圖像,因此無需進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換。根據(jù)前背景灰度的差異,通過灰度直方圖來提取前景部分并進(jìn)行閾值分割。由于液滴大約是圓形的,利用HALCON軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理。首先,通過圓形結(jié)構(gòu)元件蝕刻并擴(kuò)大所提取的前景部分的形狀,并根據(jù)石英線的粗細(xì)設(shè)定圓形結(jié)構(gòu)元件的直徑,可以完美較好地去除周圍的石英線部分。當(dāng)考慮液滴的膨脹時(shí),在液滴內(nèi)部產(chǎn)生的白色氣泡易于在閾值劃分時(shí)被捕捉到。然后對(duì)圖像進(jìn)行二值化,使用填充運(yùn)算符填充前景感興趣(ROI)區(qū)域,最后用區(qū)域中心運(yùn)算符提取并獲得液滴的面積。提取面積后根據(jù)石英線的直徑可以計(jì)算出液滴的投影當(dāng)量面積,經(jīng)過形態(tài)學(xué)處理后液滴直徑的不確定度可以降低到4.35%,極大減少了計(jì)算投影面積的誤差。確定液滴直徑的誤差后,就可以利用初始液滴直徑(d0)對(duì)液滴直徑(d)和液滴蒸發(fā)時(shí)間(t)進(jìn)行歸一化處理[20]。

為了減小實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差,每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同混合比例的混合燃油液滴微爆特性

JME10、JME20、JME50和JME在環(huán)境溫度723 K下的液滴微爆過程詳見圖2,其主要過程分為初始狀態(tài)、微爆、蒸發(fā)結(jié)束,JME20存在特殊過程——二次微爆。

1.初始狀態(tài)initial state; 2.微爆microburst; 2′.二次微爆secondary microburst; 3.微爆后after microburst;3′.二次微爆后after the secondary microburst; 4.蒸發(fā)結(jié)束end of evaporation

由圖2可知,初始狀態(tài)下,液滴靜止于熱電偶中心位置,隨著時(shí)間變化,由于氣泡內(nèi)的蒸汽壓小于液滴的表面壓力,液滴內(nèi)部有氣泡產(chǎn)生導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)透明區(qū)域,JME10與JME20圖像透明區(qū)域較為明顯,且JME20膨脹體積大。實(shí)驗(yàn)中JME10、JME20、JME50和JME液滴微爆時(shí)對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間分別為1.169、 0.779、 0.935和4.714 s/mm2,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同混合比例的燃料與不同延遲時(shí)間的關(guān)系擬合于拋物線。觀察圖像發(fā)現(xiàn),JME20存在二次微爆,微爆延遲時(shí)間為2.857 s/mm2,其余幾種混合燃油未發(fā)生二次微爆,僅有少量的波動(dòng)與噴氣現(xiàn)象,這表明JME20發(fā)生二次微爆對(duì)燃油與空氣的混合有促進(jìn)作用。觀察微爆與微爆后兩個(gè)狀態(tài)下的液滴狀態(tài)直徑,對(duì)比發(fā)現(xiàn)JME20的微爆強(qiáng)度最大,JME的微爆效果最小。經(jīng)計(jì)算,723 K下各混合燃油JME10、JME20、JME50和JME的歸一化液滴直徑平方值分別為0.737、 1.134、 0.829、 0.611。對(duì)歸一化液滴直徑平方值進(jìn)行微爆強(qiáng)度計(jì)算,液滴初始狀態(tài)時(shí)直徑為1,混合燃料中JME為20%時(shí)的液滴(JME20)的微爆強(qiáng)度為1.065略高于液滴直徑初始值,說明JME20微爆效果最佳;而JME10、JME50與JME的微爆強(qiáng)度分別為0.858、 0.909和0.783,均小于1,這說明液滴在微爆發(fā)生時(shí)已經(jīng)幾乎完全蒸發(fā),該時(shí)刻液滴破碎較差,在實(shí)際應(yīng)用中不能很好地提高噴霧質(zhì)量。對(duì)微爆延遲與微爆強(qiáng)度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)混合油JME20液滴的微爆效果最佳。

2.2 不同環(huán)境溫度對(duì)液滴微爆特性的影響

2.2.1對(duì)混合燃油JME10液滴微爆特性的影響 JME10在環(huán)境溫度723和873 K下的蒸發(fā)微爆歷程見圖3。由圖可知,在微爆過程中,液滴內(nèi)部出現(xiàn)透明區(qū)域,對(duì)比發(fā)現(xiàn),873 K下的液滴內(nèi)部透明區(qū)域較大,這說明JME10在環(huán)境溫度為873 K下微爆強(qiáng)度更劇烈。觀察蒸發(fā)微爆歷程,液滴自初始狀態(tài)靜止于熱電偶中心位置,隨時(shí)間變化,液滴內(nèi)部劇烈運(yùn)動(dòng)逐漸偏離中心位置,且在873 K下的偏離更明顯。723和873 K下的微爆延遲時(shí)間分別為1.169和1.039 s/mm2,兩者相差較小。

1.初始狀態(tài)initial state; 2.微爆microburst; 3.微爆后after microburst; 4.蒸發(fā)結(jié)束end of evaporation

對(duì)圖3 JME10液滴蒸發(fā)進(jìn)行歸一化直徑平方,液滴直徑值變化如下:723 K溫度下,分別為1.004、 0.699、 0.443和0.226;873 K溫度下,分別為1.000、 1.860、 0.354和0.207。由數(shù)據(jù)可知,723 K下,液滴從初始狀態(tài)至蒸發(fā)結(jié)束,液滴歸一化直徑平方呈線性下降。微爆時(shí)刻,JME10在873 K下的歸一化直徑平方遠(yuǎn)高于723 K時(shí)的歸一化直徑平方。計(jì)算微爆強(qiáng)度,873 K微爆強(qiáng)度(1.389)遠(yuǎn)大于723 K(0.815),說明873 K下的微爆效果更好。相比于723 K,微爆時(shí)873 K下的液滴直徑較高,而微爆后873 K下略低,同樣說明873 K時(shí)的微爆效果更好。由此得出結(jié)論:環(huán)境溫度的提高,對(duì)提高JME10燃油液滴的微爆質(zhì)量有促進(jìn)效果,同時(shí)也促進(jìn)液滴破碎效果,但對(duì)微爆延遲的影響較小。

2.2.2對(duì)混合燃油JME20液滴微爆特性的影響 JME20在環(huán)境溫度723和873 K下的蒸發(fā)微爆歷程見圖4。JME20的蒸發(fā)微爆歷程與JME10相似但又不同,相似處為液滴受熱產(chǎn)生核變化與氣泡,液滴內(nèi)部體積膨脹到一定程度發(fā)生微爆,且微爆延遲時(shí)間相近,分別為0.779與0.701 s/mm2,這說明溫度升高對(duì)微爆延遲時(shí)間的影響較小。JME20在723 K時(shí)有二次微爆,而在873 K時(shí)未出現(xiàn)該現(xiàn)象,原因可能是873 K下燃料已被徹底蒸發(fā),不足以形成二次微爆。

1.初始狀態(tài)initial state; 2.微爆microburst; 2′.二次微爆secondary microburst; 3.微爆后after microburst;3′.二次微爆后after the secondary microburst; 4.蒸發(fā)結(jié)束end of evaporation

對(duì)圖4 JME20液滴蒸發(fā)歷程進(jìn)行歸一化直徑平方,液滴直徑值變化如下:723 K溫度下,分別為1.000、 1.109、 0.558、 0.670、 0.432和0.165;873 K溫度下,分別為1.000、 1.194、 0.469和0.155。在微爆發(fā)生時(shí),723 K溫度下液滴歸一化直徑平方略低于873 K溫度下的,對(duì)其進(jìn)行微爆強(qiáng)度計(jì)算,873 K下的微爆強(qiáng)度(1.092)略高于723 K(1.052),說明微爆時(shí)液滴直徑與初始直徑相差不大,微爆效果好。微爆后,液滴直徑變小,但723 K下的液滴直徑略大于873 K下的液滴直徑,這說明液滴在873 K下燃油與空氣混合效果更好,微爆效果更好。故得出結(jié)論:提高溫度可以實(shí)現(xiàn)促進(jìn)JME20液滴微爆效果,縮短蒸發(fā)時(shí)間,但是對(duì)微爆延遲時(shí)間的影響不大。

2.2.3對(duì)JME液滴微爆特性的影響 環(huán)境溫度723和873 K下JME燃油液滴的微爆歷程見圖5。液滴在環(huán)境溫度為723 K下微爆時(shí)無透明區(qū)域,微爆延遲時(shí)間為4.714 s/mm2,無二次微爆。而873 K下液滴微爆有明顯透明區(qū)域,第一次微爆延遲時(shí)間為2.545 s/mm2,液滴在2.649 s/mm2時(shí)發(fā)生2次微爆,此后又發(fā)生4次微爆,原因是高溫使液滴內(nèi)部分子劇烈運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致液滴運(yùn)動(dòng)偏離熱電偶中心位置。同時(shí)液滴可能因?yàn)榕c熱電偶傳熱作用發(fā)生受熱不均,導(dǎo)致多次微爆。

1.初始狀態(tài)initial state; 2.微爆microburst; 2′.二次微爆secondary microburst; 2″.三次微爆three microburst; 2?.四次微爆four microburst; 2″″.五次微爆five microburst;3.微爆后after microburst; 3′.二次微爆后after secondary microburst; 3″.三次微爆后after three microburst; 3?.四次微爆后after four microburst; 3″″.五次微爆后after five microburst; 4.蒸發(fā)結(jié)束end of evaporation

計(jì)算兩種環(huán)境溫度下的微爆強(qiáng)度,873 K下的微爆強(qiáng)度(1.244)遠(yuǎn)大于723 K下的(0.783),原因是燃油沸點(diǎn)低于873 K,液滴在環(huán)境溫度873 K下,由于內(nèi)部溫度過高,內(nèi)部產(chǎn)生核變化與氣泡。蒸發(fā)結(jié)束時(shí)發(fā)現(xiàn),723 K下的歸一化直徑平方大于873 K下的歸一化直徑平方,這表明723 K燃油不能徹底蒸發(fā),JME不是理想的燃油。

對(duì)圖6 JME液滴進(jìn)行歸一化直徑平方,液滴直徑值變化如下:723 K溫度下,分別為0.999、 0.612、 0.563和0.233;873 K溫度下,分別為0.999、 1.550、 1.040、 1.350、 0.960、 1.230、 0.850、 1.030、 0.730、 0.800、 0.323和0.123。微爆時(shí),溫度為873 K的直徑平方值遠(yuǎn)高于723 K的,通過計(jì)算,873 K下的微爆強(qiáng)度為1.244,遠(yuǎn)大于723 K下的微爆強(qiáng)度0.783。原因是燃油沸點(diǎn)低于873 K,液滴在環(huán)境溫度873 K下,由于內(nèi)部溫度過高,內(nèi)部產(chǎn)生核變化與氣泡。微爆后873 K下的液滴直徑平方值仍大于723 K下的,這說明雖然高溫能提高液滴的微爆強(qiáng)度,但是在873 K下JME不能徹底微爆,會(huì)殘留大量的燃油液滴并發(fā)生多次微爆。蒸發(fā)結(jié)束時(shí)發(fā)現(xiàn),723 K下JME液滴的歸一化直徑值大于873 K下的,這表明723 K時(shí)燃油不能徹底蒸發(fā),JME不是理想的燃油。因此,由結(jié)果可知: JME作為燃油,其微爆強(qiáng)度與破碎效果會(huì)隨著環(huán)境溫度的增大而提高,并在一定程度上增加其微爆次數(shù),促進(jìn)液滴的蒸發(fā)效果,縮短蒸發(fā)時(shí)間。但就數(shù)據(jù)而言,相對(duì)于混合燃油而言,JME并不是理想的燃油。

3 結(jié) 論

3.1將不同質(zhì)量比的麻風(fēng)樹生物柴油(JME)與柴油混合,以混合燃油為研究對(duì)象,利用熱電偶掛滴技術(shù)對(duì)混合燃油蒸發(fā)微爆進(jìn)行研究,分析了不同環(huán)境溫度下不同混合比例的混合燃油的微爆特性。環(huán)境溫度為723 K時(shí),微爆發(fā)生時(shí),液滴混合比例與微爆延遲時(shí)間之間存在類似于拋物線函數(shù)的關(guān)系,JME20(即JME質(zhì)量占混合燃油質(zhì)量的20%)液滴的微爆延遲時(shí)間最短,有利于燃燒前燃油與空氣的充分混合。與柴油相比,混合燃油在蒸發(fā)過程中,微爆強(qiáng)度不斷變化,JME20的微爆強(qiáng)度最高。在第一次微爆結(jié)束后,JME20會(huì)發(fā)生二次微爆,增大液滴內(nèi)部破碎程度,促進(jìn)燃油與空氣混合,使液滴蒸發(fā)更徹底。因此,JEM20是較為理想促進(jìn)微爆與蒸發(fā)的混合燃油。

3.2提高環(huán)境溫度,會(huì)促使液滴內(nèi)部形成更大的透明區(qū)域,即液滴內(nèi)部成核及氣泡生長(zhǎng)作用增強(qiáng)。微爆強(qiáng)度更大,破碎效果更好,提高環(huán)境溫度會(huì)增強(qiáng)液滴內(nèi)部氣泡的劇烈運(yùn)動(dòng)。

3.3JME作為燃油,高溫時(shí)液滴可能存在多次微爆,微爆提高了液滴微爆強(qiáng)度,減少蒸發(fā)時(shí)間,實(shí)現(xiàn)燃油的徹底蒸發(fā),相對(duì)于混合燃油而言,JME并不是理想的燃油。