醇酯类燃料液滴蒸发特性的影响研究

2021-07-26张美娟魏衍举

可再生能源 2021年7期

张美娟，魏衍举，王忠

（1.无锡职业技术学院汽车与交通学院，江苏无锡 214121；2.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 212013；3.西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安 710049）

0 引言

柴油机颗粒污染物是雾霾的主要污染源之一，对环境产生了较坏的影响[1]，[2]。柴油机燃用含氧燃料可以改善燃烧过程、降低颗粒物的排放。其中，含氧燃料主要包含了醇、醚、酯等[3]。甲醇可以通过煤制取，是良好的石油燃料的替代品。但是，甲醇的十六烷值较低（只有5），难以压燃，须要通过各种手段来降低甲醇的着火难度。采用添加十六烷值改进剂的方法，可以大幅度地提高燃料的十六烷值，是改善燃料燃烧着火性能的有效手段。其中，硝酸酯类是应用得比较广泛的十六烷值改进剂之一。

柴油机的燃烧本质是燃油液滴的蒸发燃烧过程。要研究柴油机的喷雾燃烧问题，液滴蒸发过程的研究是基础。在液滴的蒸发与燃烧领域，国内外学者开展了许多的研究。黄镇宇在石英管式炉中研究了单个尿素水溶液液滴的蒸发过程，分析了稳态蒸发常数与温度和液滴初始直径之间的关系，研究结果表明，随着温度和液滴初始直径的逐渐增大，蒸发常数呈现出线性增大的趋势，且温度越高，液滴进入蒸发段的时间就越短[4]。马力通过试验研究了单液滴蒸发的影响因素，分析了气流温度、速度以及液滴初始直径等方面的变化对液滴蒸发的影响，研究结果表明:气流速度对液滴蒸发影响有限；当温度和气流速度相同时，液滴的初始直径越大，液滴的存在时间越长[5]。刘松运用高速摄影系统研究了煤油液滴在不同温度和压力下的蒸发过程，研究结果表明:当环境温度为673～773 K时，液滴的直径变化符合D2定律；随着环境压力的升高，液滴的蒸发速率会变慢[6]。Poulard C研究了不同浓度的烷烃对二元烷烃混合物液滴蒸发速率的影响，研究结果表明，正庚烷-辛烷、正己烷-辛烷和正庚烷-壬烷3种混合溶液液滴的蒸发速率均大于纯烷烃液滴[7]。Baek SW在压缩机上研究了正庚烷液滴的蒸发特性，研究结果表明，液滴的蒸发速率随着液滴比热容和环境温度的增加而增大[8]。Banerjee R建立了二元组分液滴蒸发模型，发现液滴内部组分的分布对液滴蒸发速率影响较小，液滴的温度对液滴蒸发速率影响较大[9]。

目前，有关液滴蒸发特性的研究报道较多，关于在甲醇溶液中添加十六烷值改进剂后，研究混合溶液液滴的蒸发特性的报道较少。因此，本文设计了液滴蒸发试验装置，通过改变十六烷值改进剂的掺混比，配制了4种不同的硝酸酯-甲醇溶液，利用高速摄像机和图像处理技术研究了硝酸酯-甲醇溶液液滴的蒸发特性，分析了掺混比和温度等参数对液滴的微观蒸发燃烧特性的影响规律。

1 试验装置及方案

1.1 试验装置

试验时，采用悬挂液滴的方法，试验装置运用相似理论进行设计[10]。图1为试验系统示意图。试验系统主要由光学照明系统、加热保温系统、温度控制系统、液滴悬挂系统和高速摄像系统组成。硝酸酯-甲醇溶液经过泵，在不锈钢注射针的针尖处产生定量的液滴，液滴的控制精度为1μL；通过高温管式炉对硝酸酯-甲醇溶液液滴周围的环境温度进行调节；温度控制系统由XMTD数显调节仪组成，该仪器可以测量管式炉内的温度。高速摄像系统由Phantommiro ex4型高速数字摄像机和装有相机操作软件的电脑组成，高速数字摄像机可以清楚地拍摄到液滴的蒸发过程和燃烧过程。

图1 试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the test system

1.2 试验原理

在柴油机工作时，吸入气缸内的空气会因活塞的运动而受到较高程度的压缩，从而达到500～700℃的高温。燃油以雾状喷入高温空气中，与空气混合形成可燃混合气。在喷入柴油时，柴油液滴与空气之间存在相互运动，由于柴油液滴的运动速度比气体流动的速度快，所以气流会对柴油液滴产生一个阻力，降低柴油液滴的运动速度[11]。随着柴油液滴与空气的不断混合、运动，柴油液滴与气流逐渐达成同步运动，即柴油液滴与空气为相对静止状态。因此，研究燃烧室内运动的柴油液滴与研究静止在空气中的柴油液滴在本质上是相同的。

当液滴相对静止时，不考虑重力的影响，液滴是不断向四周均匀蒸发的，这使得液滴周围的可燃气浓度不断升高。当液滴周围的可燃气浓度达到着火浓度时，会发生燃烧现象。液滴的蒸发性质是喷雾燃烧的基础，文献[12]中指出，蒸发速度决定了燃烧发生的速度，同等条件下，越快的蒸发意味着越快的发生燃烧，反之，越慢的蒸发意味着越慢的发生燃烧乃至不会燃烧。本文通过研究静止在空气中的液滴蒸发速率来进一步得到液滴蒸发燃烧性质的影响规律。

1.3 试验方案

试验时，用甲醇和硝酸酯溶液配制出4种不同掺混比的硝酸酯-甲醇混合溶液（硝酸酯溶液的体积分数分别为0，5%，10%和15%，分别记为纯甲醇、5%硝酸酯-甲醇溶液、10%硝酸酯-甲醇溶液和15%硝酸酯-甲醇溶液）进行对比分析。将样品溶液置于注射器中，通过进样器在针尖端点处滴下体积为1μL的小液滴。打开背光灯，调节背光灯和高速摄像机的位置，使光线穿过液滴所在位置并投射到高速摄像机的镜头上。高速摄像机连接电脑并将接收到的图像呈现在显示器上，微调高速摄影机的位置并将高速摄影机聚焦在液滴上，使液滴图像的轮廓边界尽可能的清晰。图2为纯甲醇液滴蒸发初始状态时，经高速摄像机放大10～50倍拍摄到的外观图形。

图2 纯甲醇液滴的蒸发初始图片Fig.2 Initial picture of methanol droplet evaporation

通过观察液滴外观在蒸发过程中随时间的变化情况，可以研究液滴的蒸发规律。为了分析温度对硝酸酯-甲醇溶液液滴蒸发特性的影响规律，选取10%硝酸酯-甲醇溶液的液滴，分别调节管式炉的温度至100～500℃，记录试验数据。试验前，对注射器针头用改性剂进行疏水化处理，防止针头与液滴间的表面张力过小而导致黏滞，便于液滴悬挂在针头端点处。为减小实验误差，试验在温度为25℃，湿度为54%±1%的环境下进行。每组试验重复3次，试验结果取3次试验的平均值。

2 结果与分析

2.1 蒸发过程的形貌分析

图3为高速摄像机拍摄的硝酸酯-甲醇溶液液滴蒸发时的形貌图。从图3可以看出:随着时间的延长，液滴的直径与形状均发生了变化；在初始阶段，液滴内存在液桥力和表面张力，液滴还受本身重力的影响，使得混合溶液液滴的受力相对平衡，液滴基本呈现为球状；随着时间的延长，液滴不断蒸发，液滴的直径随着蒸发的进行而逐渐减小，其自身重力也不断减小，使得液体的浮力和表面张力不能相互平衡，液滴逐渐从球状转变成椭圆状，直至完全蒸发。考虑到针尖具有一定的直径，因此液滴的直径不会减小到零。

图3 液滴蒸发时的形貌变化Fig.3 Morphology change of droplets during evaporation

2.2 蒸发特性曲线拟合

采用高速摄像机对液滴蒸发过程进行拍摄，利用数据处理软件Adobe Acrobat对液滴的图像进行处理，得到液滴的直径测量值。通过蒸发常数和蒸发速率等特征参数对液滴的蒸发规律进行表征。

分析硝酸酯-甲醇溶液液滴的蒸发特性时，通过计算蒸发常数来对液滴的蒸发特性进行定量分析。图4为不同掺混比的硝酸酯-甲醇溶液液滴在不同温度下的蒸发曲线。如图4所示，将蒸发曲线定义为

图4 硝酸酯-甲醇混合溶液的蒸发曲线Fig.4 Evaporation curves of nitrate methanol mixed solution

式中:K为蒸发常数；D为液滴蒸发末期的直径，mm；D0为液滴初始直径，mm；t为液滴的蒸发时间，s；A为常数。

当液滴处于稳态蒸发阶段时，D2与蒸发时间t呈线性相关，液滴蒸发常数K的计算式为根据蒸发曲线的斜率求得相对应的蒸发常数K的数值。将图4中各温度下的蒸发曲线进行线性拟合，得到图中的关系式，即将式（1）数据化。将获得A和蒸发常数K的数值列于表1。

表1 硝酸酯-甲醇溶液蒸发曲线的拟合公式数值Table 1 Fitting formula of evaporation curve of nitrate methanol solution

从表1可以看出，当温度分别为100，300，500℃时，蒸发常数K分别为9.486 7E-6，5.121 4E-5，9.5 61 4E-5 mm2/s，这表明随着温度的升高，蒸发常数K呈逐渐增大的趋势，即线性拟合曲线的斜率随温度的升高而增大。这是因为温度越高，液滴表面的升温速率越快，液滴表面温度趋于稳定的时间越短。

2.3 温度对蒸发特性的影响

为了分析温度对硝酸酯-甲醇溶液液滴蒸发特性的影响，选取10%硝酸酯-甲醇溶液，设定工况温度为100～500℃，液滴的初始直径为1.7 mm，整个试验在静止条件下进行，即不考虑外界气流流速的影响。

图5为10%硝酸酯-甲醇溶液液滴在不同温度下的蒸发曲线。从图5可以看出:随着温度的升高，液滴的蒸发曲线的斜率随之增大，（D/D0）2的平均值从0.4825mm2/mm2增大到0.5782mm2/mm2，说明液滴的蒸发速率随温度的升高而加快；当温度为300～500℃时，液滴的蒸发曲线较为密集，此时液滴处于温度较高的区域，液滴周围的气态甲醇浓度迅速升高，蒸发速率的变化幅度没有温度为100～200℃时大。液滴刚悬挂时，液滴的表面与周围有较大的温度梯度差，液滴的蒸发速率较快。随着蒸发的进行，蒸汽扩散速度小于液滴蒸发速度，蒸汽在液滴周围大量聚集，使得液滴周围的浓度梯度变小，从而使得液滴蒸发速率变小。度过初始的快速蒸发阶段，液滴会与周围环境的温度梯度达到相对平衡的状态，液滴的蒸发曲线整体上呈现线性变化的趋势，液滴的蒸发满足D2定律。

图5 10%硝酸酯-甲醇溶液液滴在不同温度下的蒸发曲线Fig.5 Evaporation curves of 10%nitrate methanol solution droplets at different temperatures

蒸发常数的试验值与文献[13]中的液滴蒸发模型计算值的对比分析如图6所示。

图6 蒸发常数试验值与计算值的对比Fig.6 Comparison of the experimental value and the calculated value of evaporation constant

从图6中可以看出，随着温度的升高，蒸发常数逐渐增大，蒸发常数的试验值随温度变化的趋势与液滴蒸发模型的计算值相吻合。拟合液滴蒸发的试验值曲线，得到蒸发常数K与温度T的关系式为

图7为10%硝酸酯-甲醇溶液液滴在不同温度下的相对面积随时间的变化曲线。从图7中可以看出，随着温度上升，液滴蒸发时间呈明显的下降趋势，即单位面积液滴的蒸发速率随温度的升高而增大。其原因可能是当液滴所处环境温度升高时，其与周围空气间的温差增大，对流传热系数也相应提高，导致空气与液滴间的热交换剧烈，从而使液滴单位面积蒸发速率加快。各温度下液滴单位面积蒸发速率不同，但液滴相对面积随时间变化的曲线基本可以近似为一条斜率为负数的直线，在同一温度下，液滴单位面积蒸发速率与液滴面积是无关的。

图7 10%硝酸酯-甲醇溶液液滴在不同温度下的相对面积随时间变化曲线Fig.7 The curves of the relative area of 10%nitrate methanol solution drop at different temperatures with time

2.4 掺混比对蒸发特性的影响

液滴的蒸发是一个较为复杂的过程，不但受到外界环境因素的影响，而且受液滴自身特性的影响。为了分析硝酸酯掺混比对混合溶液液滴蒸发特性的影响，对硝酸酯掺混比不同的混合溶液在不同温度下的蒸发曲线进行分析，结果如图8所示。

图8 掺混比不同的混合溶液在不同温度下的蒸发曲线Fig.8 Evaporation curves of mixed solutions with different mixing ratios at different temperatures

从图8（a）可以看出:当温度为100℃时，液滴的蒸发特性与改进剂掺混比有较为密切的联系，当改进剂掺混比为零时（即纯甲醇），液滴的蒸发速率最快；当硝酸酯的掺混比为15%时，混合溶液液滴的蒸发速率最为缓慢；当硝酸酯的掺混比为5%和10%时，两种掺混比的混合溶液液滴的蒸发特性曲线几乎重叠在一起，这与甲醇与硝酸酯的沸点差异有关系。甲醇的沸点为64.8℃，硝酸酯的沸点为210.9℃，当温度为100℃时，已经达到甲醇的沸点，甲醇比较容易蒸发，而硝酸酯由于沸点较高，蒸发速率比甲醇低，所以硝酸酯掺混比较高的混合溶液液滴的蒸发速率较慢。此时，4种溶液的液滴均没有产生燃烧现象。

从图8（b）可以看出:当温度为300℃时，在4种溶液液滴的蒸发特性曲线中，15%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴的蒸发速率最快，纯甲醇液滴的蒸发特性曲线的斜率最小，即纯甲醇液滴的蒸发速率最小；当硝酸酯的掺混比为5%和10%时，两种掺混比的混合溶液液滴的蒸发特性曲线在中前期吻合较好，到了后期，10%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴的蒸发速率小于5%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴的蒸发速率。此时，4种溶液的液滴均没有产生燃烧现象。

从图8（c）可以看出，当温度为400℃时，4种溶液液滴的蒸发特性曲线靠的更近，4条曲线几乎重合在一起，这说明当温度为400℃时，硝酸酯的掺混比对4种溶液液滴蒸发特性的影响很小，4种溶液液滴的蒸发速率几乎一样。此时，15%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴产生了燃烧现象，并产生了明火。与15%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴相比，纯甲醇、5%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴和10%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴均没有产生燃烧现象，这说明在高温下，使用改进剂不仅不会影响液滴的蒸发特性，而且由于提高了液滴的十六烷值，使液滴蒸发出的可燃气更易燃烧。

从图8（d）可以看出，当温度为500℃时，纯甲醇液滴在后半段蒸发较快，但整体来看，它与10%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴、5%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴和15%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴的蒸发速率相差不大，没有明确的规律可循，考虑到试验误差，可认为此时4种溶液液滴的蒸发速率保持一致。此时，15%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴和10%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴均产生了明火，进一步验证了由图8（c）得出的结论。

当温度为100℃时，掺混比不同的混合溶液液滴的相对面积随时间的变化曲线如图9所示。从图9可以看出，纯甲醇液滴的蒸发时间最短，而加入硝酸酯后，混合溶液液滴的蒸发时间随掺混比的增加而升高，这可能是由于硝酸酯的固有理化性质导致，其熔沸点都比甲醇高，所以相同温度下的蒸发速率比甲醇液滴慢。

图9 掺混比不同的混合溶液液滴的相对面积随时间的变化曲线Fig.9 The curves of relative area of droplet with time for mixed solution with different mixing ratio

当温度为400℃时，15%硝酸酯-甲醇混合溶液液滴产生的燃烧现象如图10所示。产生明火的瞬间，火焰面在二维画面中是呈圆形的，也就是在三维环境中，第一时间产生的火焰是呈球形的，这证实了液滴在静止环境中是均匀地向四周散发的，在液滴周围形成了均匀的浓度梯度，当四周的浓度和温度达到液滴燃烧的临界条件时，明火是由液滴周围均匀的可燃气产生的。