空气预热温度对生物柴油火焰特性影响研究*

陈莲瑛，蒋绍坚，王传余，蒋勇，姚昆

（中南大学能源科学与工程学院，长沙 410083）

空气预热温度对生物柴油火焰特性影响研究*

陈莲瑛，蒋绍坚†，王传余，蒋勇，姚昆

（中南大学能源科学与工程学院，长沙 410083）

利用高速摄影法及数字图像处理技术得到生物柴油燃烧火焰图像，幵通过Matlab软件求取火焰长度和面积，研究了空气预热温度对火焰形态、长度、面积的影响。实验中共设定了9个空气温度：20℃、80℃、140℃、220℃、290℃、350℃、400℃、450℃和 500℃。结果表明：空气预热温度较低时，生物柴油火焰结构分散、主要燃烧区（火焰亮度较高区域）面积较小且连续性差；空气预热温度升高后，火焰结构更紧凑、主要燃烧区面积增大、亮度明显增加、连续性变好。各个工况下火焰长度和面积不是一个定值，而是在一定范围内剧烈地震荡，随着空气预热温度的升高，火焰平均长度和平均面积有相近的变化趋势：先明显减小，再逐渐上升。

生物柴油；火焰特性；空气预热温度；数字图像处理技术

0 前 言

生物柴油（Biodiesel）是以油料作物、动物油脂、餐饮废油、工程微藻等为原料，经酯化反应制得[1]。它是一种理想的矿物燃油替代品，具有可再生和环境友好两大优势。目前对生物柴油的研究主要集中在其制备斱法[2,3]及内燃机上的应用研究[4,5]，在工业炉窑上的应用研究较少。

研究工业炉窑燃烧中的火焰特性对组织燃烧和燃烧器设计等有很大帮助。曾卫民[6]利用图像处理技术和非线性时间序列分析斱法研究了生物柴油喷射火焰的燃烧不稳定性。de Souza等[7]在火管锅炉上实验研究得出生物柴油的火焰温度可达1100℃，比柴油的火焰温度要低 100℃左右；其火焰明亮且无炭黑出现。在炉窑燃烧中，空气预热温度影响火焰温度、结构、稳定性等，进而影响炉窑的热效率、燃料消耗量等[8]，然而火焰的形状、结构总是不停变化[9]，肉眼和一般的数码相机很难捕捉到火焰形态在短时间内的变化情况。高速摄影技术能在不破坏火焰结构的情况下以极高的采集频率完成对目标的采集，可以得到更多常规手段难以发现的火焰特性[10]。本文利用高速摄影仪结合数字图像处理技术分析了不同空气预热温度对生物柴油火焰形态、长度、面积等特性的影响。

1 实 验

1.1 实验原料与实验装置

本实验所用生物柴油原材料是餐饮废油，其热值和元素分析如表1。

表1 生物柴油元素分析和热值Table 1 Elemental analysis and heat value of biodiesel

实验装置如图1所示。该实验平台由供油系统、送风系统、空气预热系统、燃烧系统、排烟系统、图像采集系统等组成。

图1 生物柴油燃烧特性实验平台系统流程图Fig. 1 Diagram of the experimental devices of the combustion characteristics of biodiesel

燃烧系统使用自制的燃烧器，全长442 mm，油枪内径1.5 mm，空气管道内径50 mm。选用丹麦Danfoss公司生产的S60型雾化喷嘴，为机械实心雾化。空气旋流叶片直径为48 mm，分为内外两层，两层旋向相同，且分别有18片大小相同的叶片，每片旋流叶片与本体有30°左右的夹角。使用电加热器对助燃空气进行预热，加热器外壳由铸铁制成，配 6根加热管，每根加热管电阻为60 Ω，最大额定功率8 kW，承受温度800℃。选用美国REDLAKE公司的MotionPro X3TM型高速摄影仪对火焰图像进行采集，其拍摄频率与图像的分辨率成反比，通过调节图像分辨率可以调节图像的拍摄频率，最大拍摄频率为64 000幅/秒。

实现非内混式喷嘴雾化最有效的途径是提高液滴与周围空气之间的相对速度[11]。本实验中，流经旋流叶片的空气同时具有向前运动的轴向速度和沿圆周运动的切向速度，这使气流沿轴向和切向的扰动增强，高速气流在喷嘴外部与液体混合，促进了液滴的碎裂和雾化，提高了雾化效果。燃烧器结构如图2所示。

1.2 实验方法

实验中，根据空气加热器的性能，在其安全温度范围内，选择了20℃、80℃、140℃、220℃、290℃、350℃、400℃、450℃和500℃共9个空气预热温度。油泵压力为 1.4 Mpa，生物柴油的体积流量为32.5 ml/min，空气流量为17.86 m3/h，空气过量系数为1.1。利用电火花点火器对雾化的生物柴油进行点火。高速摄影仪的光圈设定为F8.0，拍摄分辨率为1280 × 1024，拍摄频率为1000幅/秒。当空气温度达到设定值十分钟后拍摄火焰图片，每个工况连续拍摄了3272张火焰图片。

2 实验结果

2.1 空气预热温度对火焰形态的影响

图3所示为9个工况下的火焰图。由图可见：每个工况下的火焰依次呈现整体连续、形成前端、前端脱离、前端燃烬四个状态。所有工况下，火焰中心颜色较亮，说明温度较高；边缘颜色较暗，说明温度较低。火焰尾端有一定的上扬趋势，这是温度较高的火焰受到周围温度较低的气体浮力作用的结果。

图3还显示空气预热温度为20℃时，火焰结构分散，火焰前端有破碎，虽然火焰面积和长度均比较大，但是主要燃烧区（即火焰亮度较高区域）面积较小且连续性差。空气预热温度升高至80℃时，火焰长度较常温下的火焰显得更粗短，火焰更紧凑且火焰主要燃烧区面积较大。随着空气预热温度的继续升高，火焰长度和面积均增加，连续性更好，结构更紧凑，亮度也明显提高。另外，空气预热温度较低时，火焰高温区域距离喷嘴出口较远；空气预热温度升高，火焰的高温区域向喷嘴延伸。

图3 生物柴油燃烧火焰图Fig. 3 Shape of biodiesel flame with high-speed photography

2.2 空气预热温度对火焰长度和火焰面积的影响

2.2.1 图像处理过程

对高速摄影仪拍摄的火焰原始彩色图像进行分割，确定火焰边界，从而计算火焰图片的长度和面积。图像分割的斱法主要有灰度阈值分割法、边缘检测分割法、区域分割法和彩色图像分割法[12]，本文采用灰度阈值分割法。任取一张火焰图片，使用Matlab软件，将原始彩色图像转为灰度图像，再进行去噪，按照“最大斱差阈值法”的算法，使用Matlab编程，确定阈值，得到二值化的火焰图像[13]。处理过程如图4所示。

图4 生物柴油燃烧火焰图像处理过程Fig. 4 Image processing of biodiesel flame

2.2.2 火焰长度和面积计算方法

数字图像中的火焰长度是一个像素差，不是火焰的实际长度[14]。实验中以燃烧器出口处直径为参考长度，经测量，燃烧器出口处的直径x为50 mm，出口上下两侧边缘的坐标值分别为A（45, 575.5），B（45, 347.5），则像素差p= 228，因此单位像素差值代表的实际长度：β=x/p，计算得β值为0.219298 mm/单位像素差值。火焰实际长度计算公式为：

式中：

L—火焰实际长度；

lp—火焰的像素长度；

c—图像中火焰最远点像素横坐标；

a—燃烧器出口处像素横坐标。

火焰图像是一个不规则图形，难以用常规的测量斱法计算出其精确面积。对于不规则图形，常用的数字图像处理斱法有轮廓法[15]、二值图像法[16]等。本文采用二值图像法。

对于一张二值化图片，其灰度只有1和0两种灰度级，二值化后火焰区域的灰度级为 1，背景区域的灰度级为 0。通过计算一张二值化图片中的灰度级为1的像素的个数，即能获得火焰的面积[17]。通过得出像素个数仅能计算出一张图片的像素面积，不是火焰的实际面积。由β= 0.219298 mm/单位像素差值，可以计算出每个像素所代表的面积：s=β2= 4.8092 × 10-2mm2/单位像素。火焰面积的计算公式如下：

式中：S表示需要计算的火焰区域，f(x,y)为像素值。

2.2.3 火焰长度和面积计算结果及分析

火焰长度、面积及它们的变化是判断燃料燃烧情况最重要、最直观的技术指标[18]。高速摄影仪以高频率采集图像，每幅图像仅能代表某一瞬间的长度和面积，而火焰的长度和面积是震荡变化的。以空气预热温度为 80℃时的工况为例，任取连续的250张图片的火焰长度绘制变化曲线，如图5。

图5 空气预热温度80℃时0.25 s内火焰长度变化曲线Fig. 5 Change of flame length in 0.25 s when the preheated air temperature is 80℃

由图5可知，火焰长度不是一个固定值，而是在一定范围内快速地突增和突降，且突增过程相对突降过程缓慢一些。原因是：如图3所示，火焰最前沿部分在燃尽阶段会脱离火焰主体，然后燃烧殆尽，同时后面的火焰主体会逐渐增长，当脱离主体部分的火焰燃烧殆尽之后火焰主体最前沿处会有另一部分火焰脱离火焰主体。且从最前沿部分火焰准备脱离火焰主体时开始到这部分火焰燃烧殆尽的过程中，火焰长度呈现突增的现象，这段过程时间相对较长，即相对缓慢一些；而当脱离火焰主体的这部分火焰燃烧殆尽瞬间，火焰区域突然减少，火焰长度呈现突降的现象，这段过程时间很短，即十分迅速。

为了研究火焰长度和面积随空气预热温度的变化，需要计算每个工况下火焰长度和面积的平均值。利用 Matlab软件编程，对每个工况下采集的 3272张图片逐个计算长度，然后求取算术平均值，火焰面积同理计算。

按照上述斱法，求得各工况下的火焰平均长度和平均面积，如图6和图7所示。

图6 火焰平均长度随空气预热温度变化曲线Fig. 6 Mean length of flame at different temperatures

图7 火焰平均面积随空气预热温度变化曲线Fig. 7 Mean area of flame at different temperatures

由图6、图7看出，火焰平均长度和平均面积随空气预热温度的变化趋势相近：随着空气预热温度的升高，火焰平均长度和平均面积先明显下降，再持续上升，且火焰平均长度基本呈线性增长，火焰平均面积基本沿着二次拟合线增长。

空气预热温度由常温逐渐升高，火焰长度和面积先减小的原因是：空气预热温度升高时，会在燃烧器中对生物柴油加热，造成生物柴油粘度及表面张力降低，更易雾化，喷雾更易受周围气体的卷吸，向径向发展，减弱了喷雾在轴向的贯穿距离，因此，粘度降低会使雾化锥角变大同时射程降低[19]。同时，粘度降低使生物柴油雾化液滴变细小，根据液滴蒸发的 D2定律，液滴的寿命与初始直径的平斱成正比，它能在更短的空间内完成燃烧，且燃烧更充分，因此火焰结构变得紧凑，亮度提高。

随着空气预热温度的继续升高，生物柴油的粘度趋于稳定，造成火焰变化的主要因素是助燃空气温度：温度升高时，等量的助燃空气体积变大，空气质量流量不变，因此流经空气旋流器的气体切向速度和轴向速度增大，促使雾化的生物柴油液滴在沿着轴线和垂直轴线斱向推进，生物柴油火焰的长度和宽度增加，面积也必然增加。另外，预热后空气体积增加，密度减小，使得单位体积内的氧分子数量减小，所以生物柴油若要完全燃烧，必须向远离喷嘴出口处和距离喷嘴轴线较远的地斱扩散，表现为燃烧火焰的长度和面积增加。然而，燃料液滴会在喷嘴附近一定的空间内完全燃烧，即随着预热温度的提高，火焰面积和长度不会无限增大，即火焰不会充斥整个炉膛，而是如图 3，由喷嘴出口处开始由小变大，具有基本稳定的形状。

另外，助燃空气速度的增加会加强空气与生物柴油液滴的混合，加快燃烧速度；助燃空气温度的增加使炉膛温度升高，生物柴油燃烧条件变更好，火焰结构更紧凑、亮度明显提高，即燃烧火焰温度更高。

3 结 论

在本研究的实验条件下，空气预热温度影响生物柴油燃烧火焰特性，主要呈现出如下特点：

（1）空气预热温度为常温时，火焰结构分散，连续性差，主要燃烧区面积较小；随着空气预热温度的升高，火焰结构变紧凑，连续性更好，主要燃烧区面积逐渐增大，亮度明显提高。

（2）各个工况下火焰长度和面积不是一个固定值，而是在一定范围内剧烈地突增和突降。火焰平均长度和平均面积随空气预热温度的变化趋势相近：随着空气预热温度的升高，火焰平均长度和平均面积先明显下降，再持续上升，且火焰平均长度基本呈线性增长，火焰平均面积基本沿着二次拟合线增长。

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Research on the Effects of Preheated Air Temperature on Flame Characteristics of Biodiesel

CHEN Lian-ying, JIANG Shao-jian, WANG Chuan-yu, JIANG Yong, YAO Kun

(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

The flame images of biodiesel were obtained by using high-speed photography method and digital image processing technique, and the length and area of the flame were calculated by Matlab software. The effects of preheated air temperature on shape, length as well as area of the flame were discussed. 9 preheated air temperatures were set up in the experiment: 20oC, 80oC, 140oC, 220oC, 290oC, 350oC, 400oC, 450oC and 500oC. Results show that at low preheated air temperature, the flame of biodiesel has a dispersed format and poor continuity and the main combustion area, that is the high brightness area, is small. As the preheated air temperature increases, the flame is more compact and in good continuity, the main combustion area is larger and the brightness increases significantly. The length and area of flame vibrate intensely at each working condition, the mean length and area of flame have the same trend: with the increase of temperature, the mean length and area first decrease obviously, and then increase gradually.

biodiesel; flame characteristics; preheated air temperature; digital image processing technique

2095-560X（2014）01-0013-05

TK6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.01.003

2013-11-27

2014-02-16

国家科技支撑计划资助项目（2007BAD41B05）

† 通信作者：蒋绍坚，E-mail：sjjiang@mail.csu.edu.cn

陈莲瑛（1988-），女，硕士研究生，主要从事生物柴油和石化燃料油混烧燃烧器的研究。

蒋绍坚（1963-），男，硕士，教授，主要从事低碳能源技术（包括高效清洁燃烧技术、生物质能利用技术、流程工业节能环保技术等）研究。