乙醇对棕榈酸甲酯液滴蒸发特性的影响研究*

孙文强，姜根柱，薛文华，汤诗婷，王筱蓉

乙醇对棕榈酸甲酯液滴蒸发特性的影响研究*

孙文强，姜根柱†，薛文华，汤诗婷，王筱蓉

（江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江 212100）

由于使用化石能源带来的环境污染，寻找具有高能量密度的环保型生物燃料成为研究热点之一。采用挂滴法研究常压下温度为773 K和873 K时含有不同乙醇浓度（10%、20%、30%和40%）的棕榈酸甲酯混合燃料的蒸发特性。结果表明，每种液滴在平稳蒸发阶段都符合经典d2定律，当乙醇浓度达到40%时，混合燃料液滴的寿命明显缩短，平均蒸发率显著增高，尤其在环境温度为873 K时，这种提升更为明显。

液滴蒸发；乙醇；棕榈酸甲酯

0 引 言

内燃机的发明和使用标志着人类文明更上一个台阶，而其燃料从煤气发展到汽油代表着内燃机发展史上又一次质的飞跃。随着人类生产需求不断提高，燃料燃烧带来的经济效益与环境恶化之间的矛盾变得越来越严重[1-2]。因此，人们对环保型替代燃料的需求愈发迫切。在可持续的环保燃料研究应用上，含醇类添加物的改性燃料提供了一个不错的参考方案[3-4]。

生物柴油成分中包含多种脂肪酸单酯，棕榈酸甲酯便是其中含量较高的一种。棕榈酸甲酯在常温下是固体，不能直接作为内燃机燃料，一般可以作为模型燃料与其他醇酯类掺混作为新的清洁混合燃料[5]。乙醇是一元醇的有机分子，由于其高辛烷值和高能量，被认为是化石燃料的替代品，其作为能源在发动机中的应用研究最为广泛。较高的含氧量可以促使乙醇的燃烧更充分，降低污染气体的排放。更重要的是乙醇可由生物质发酵得到，且来源广泛，因此乙醇是理想的清洁替代能源[6]。但是，乙醇的一些燃烧特性并不适合内燃机，过低的十六烷值不利于其在缸内的压燃，热值低导致油耗高[7]。虽然不宜直接使用，但是添加乙醇可以改变燃料的燃烧性能，通常的做法是将乙醇与汽油燃料混合使用，这样不仅减少污染物排放还节约了化石燃料的使用[8]。

一直以来，学者们对乙醇作为燃料添加剂来改善其他燃料燃烧性能的研究从未停止。孙智勇等[9]对乙醇−柴油混合燃料的燃烧排放特性进行了研究，发现乙醇的添加能明显降低排放颗粒物的质量浓度。任毅等[10]在柴油机上燃用了柴油−乙醇混合燃料，在相同的工况下，乙醇含量的增加会使发动机排气烟度降低。张栋等[11]对生物油−乙醇混合燃料燃烧性能进行研究，发现乙醇质量分数不宜超过26%，否则会导致燃料在燃烧段的活化能增大，燃烧性能变差。LI等[12]研究了乙醇−柴油混合燃料的理化性质，发现混合燃料的十六烷值、运动黏度和表面张力相较纯柴油均有所降低，而有效热效率却明显提高。

燃油液滴在内燃机中会经历雾化扩散、蒸发、油气混合和点火燃烧四个阶段。研究单个燃油液滴的蒸发过程也是了解燃料性能的一个重要途径，在内燃机的压缩冲程，缸内温度会达到673 ～ 873 K，无数燃油液滴在此时蒸发并与空气混合，等待下一刻的点火燃烧，液滴蒸发特性的研究也吸引了大量学者的兴趣。HAN等[13]采用液滴悬浮法研究了丙酮丁醇和柴油混合液滴的蒸发特性，发现在723 K和823 K下，随着丙酮丁醇含量的增加，液滴寿命先缩短后延长。HUANG等[14]在生物柴油−正丙醇混合液滴蒸发特性的实验中发现当正丙醇浓度为50%时，液滴的微爆强度、蒸发速率和微爆延迟时间均达到最佳值。KIM等[15]在高温高压条件下对单个乳化燃料液滴的蒸发进行实验探究，得到其蒸发过程分为三个阶段，即液滴加热、充气/吹气和纯蒸发。

尽管醇类作为燃料添加剂的液滴蒸发实验研究有很多，但是目前尚未有关于将乙醇添加到棕榈酸甲酯中，研究混合燃料液滴蒸发特性的报道。因此，本文设计了单液滴蒸发实验台，以内燃机压缩冲程的环境温度为参照，通过改变乙醇的掺混浓度，配制了四种不同的混合溶液，在高速摄像机的帮助下研究乙醇−棕榈酸甲酯混合燃料液滴在773 K和873 K温度下的蒸发特性。

1 实验部分

1.1 燃料配制

实验使用的原材料为分析纯的乙醇和棕榈酸甲酯（methyl palmitate, MP）。表1列出了乙醇和棕榈酸甲酯的一些重要物性参数，可以看到棕榈酸甲酯的熔点高于室温，常温下为白色固体，不利于混合燃料的配制，因此需要将棕榈酸甲酯进行50℃水浴加热处理，先使其熔化成液态。制备混合燃料的步骤如下：使用精确度为0.001 g的电子天平根据乙醇浓度计算两者的质量并称取，然后将混合溶液放入磁力搅拌器中搅拌3 min，以保证两种溶液充分融合在一起。搅拌后没有出现分层，说明两者已经融合。本次实验制备的混合溶液所包含的乙醇浓度分别为10%、20%、30%和40%（分别标记为E10、E20、E30和E40）。由于乙醇沸点较低，高浓度的乙醇挥发会严重影响实验的准确性，故乙醇浓度不宜过高。

表1 乙醇和棕榈酸甲酯物性参数

1.2 实验装置

图1所示为实验装置示意图。

图1 实验装置示意图

液滴蒸发试验台主要由加热系统、液滴输送系统和数据采集系统三部分组成。加热系统包括蒸发室和温控模块，在蒸发室中，两扇石英视窗相对安装，以提供光学观测通道，蒸发室本体由耐高温和保温性能材料制作，通过电磁感应进行加热。安装在内部的K型热电偶实时测量温度并反馈至比例−积分−微分（proportional integral derivative, PID）温控模块，温控模块的控制精度为±5 K。液滴输送系统是依靠步进电机控制器控制步进电机将交叉石英丝送至蒸发室指定位置，步进电机的移动速度为100 mm/s。利用微量注射器吸取1 μL的燃料液滴，随后将之移到交叉石英丝上，液滴直径约为1.4 mm。为防止蒸发室的热辐射温度影响悬浮液滴，在蒸发室上部开口处还设有隔热罩。数据采集系统使用的高速摄像机型号为Photron Fastcam SA4。为了获得足够清晰的液滴蒸发过程信息，将拍摄频率设置为2 000 f/s，曝光时间设置为0.001 s，分辨率设置为1 024 × 1 024。

1.3 数据处理

高速摄像机捕捉液滴在蒸发过程中的大小、形态和微爆的变化，并将这些蒸发行为的照片传输到计算机。为了减少单次实验带来的误差，每种液滴都进行3次实验。在进行数据后处理时，为了减少计算成本，先用Photoshop软件提取感兴趣区域（ROI）。背景中的图片噪声会造成计算误差，因此通过Matlab设置像素灰度阈值使图像二值化并填充空洞区域。最后利用形态学腐蚀处理去除石英丝投影，提取液滴投影的像素数，得到液滴的当量面积。图片数据处理流程如图2所示。

图2 数据处理示意图

2 结果与讨论

2.1 棕榈酸甲酯的蒸发特性

图3为常压下纯棕榈酸甲酯液滴在温度为773 K和873K时的归一化平方直径曲线，可为之后的实验提供一个空白对照，以比较添加乙醇后对液滴蒸发行为的影响。从图中可以发现整个蒸发过程液滴都没有出现微爆炸现象，这是由于单一组分的燃料不存在组分间熔沸点的差异。故而可以将整个过程分为两个阶段，即瞬态加热阶段（11,21）和平稳蒸发阶段（12,22）。瞬态加热阶段中，液滴最开始从外部吸收热量，蒸发速率小于其吸热膨胀速率，液滴直径逐渐达到最大（max）。随着液滴自身温度达到极限，液滴发生相变，此时蒸发占据主导地位，液滴直径不断变小，归一化直径曲线近似线性减小，符合d2定律[16]，定义为平衡蒸发阶段。同时从曲线中也可以明显看出温度升高，液滴蒸发变快。

图3 棕榈酸甲酯液滴的归一化平方直径曲线

2.2 混合燃料在773 K时的蒸发特性

图4所示为含有不同乙醇浓度的棕榈酸甲酯液滴在773 K时的归一化平方直径曲线。与之前纯棕榈酸甲酯液滴的蒸发不同，由于添加了乙醇，导致组分间存在沸点差异，加热过程中沸点低的成分会率先气化并在液滴内部聚集成大的气泡，直至气泡增大到突破自身表面张力，发生微爆炸。此时的蒸发过程被划分为三个阶段，即进入加热室后的瞬态加热阶段、发生液滴微爆炸的波动蒸发阶段和蒸发稳定后的平稳蒸发阶段。

图4 燃料液滴在773 K时的归一化平方直径曲线

在图4中可以看到，当添加的乙醇质量浓度为10%和20%时，曲线与纯的棕榈酸甲酯蒸发过程类似，没有较大的波动。因为在较低的乙醇浓度时，混合燃料液滴内部产生的乙醇气体还不足以突破液滴的表面张力，蒸发只在液滴表面进行。随着乙醇浓度增加到30%和40%，液滴初始膨胀的体积倍数会更大，高浓度的乙醇蒸气从液滴内部喷射而出，并发生多次微爆炸，而且乙醇浓度越高，微爆炸现象也越强烈。图5是MP + E40燃料液滴发生多次微爆时的图片，红色圈中是因微爆溅射而出的子液滴，此时液滴严重变形，表现在归一化平方直径曲线的骤降区间。

图5 MP + E40燃料液滴在773 K时的微爆图片

图6所示为燃料液滴在773 K时的液滴寿命与平均蒸发率。液滴寿命定义为液滴蒸发全部过程所需要的时间，将膨胀到最大液滴直径max与液滴寿命的比值定义为平均蒸发率。

图6 燃料液滴在773 K的液滴寿命与平均蒸发率

从图6可以看出，当乙醇浓度低于30%时，液滴寿命比纯棕榈酸甲酯还要长，由于低浓度的乙醇不但没有促进液滴微爆，反而提高了混合液滴的气化潜热，导致液滴需要从外界吸收更多的热量来用于自身蒸发，延长了液滴寿命。当乙醇浓度达到30%以上时，液滴寿命明显缩短，平均蒸发率显著提高，其中乙醇含量为40%时效果最明显。微爆炸起到了主导作用，促使液滴分解成数个小液滴，液滴的接触面积变大，加快了蒸发进程。由此可见，适当地增强燃料微爆炸可以缩短液滴寿命，提高蒸发率。

2.3 混合燃料在873 K时的蒸发特性

图7所示是含有不同乙醇浓度的棕榈酸甲酯在873 K时的归一化平方直径曲线。与773 K时相比，蒸发过程也分为三个阶段。相似地，乙醇浓度为10%和20%时，液滴没有明显微爆，但是温度的升高使得液滴膨胀的最大直径相较于773K更大。当乙醇浓度达到30%以上时，膨胀和微爆炸强度都有很大提高，因为当温度升高时，液滴中乙醇的蒸发量也会增加，从而增加微爆的强度。但是在平稳蒸发阶段各种配比的混合燃油都符合经典d2定律。

图7 燃料液滴在873 K时的归一化平方直径曲线

图8所示为燃料液滴在873 K的液滴寿命与平均蒸发率。可以看到，乙醇浓度在30%以下的各组燃料液滴和棕榈酸甲酯的液滴寿命基本相同。当乙醇浓度达到30 %以上时，观察到液滴寿命缩短至5 s以内。平均蒸发率与乙醇的含量成正比提高，此时温度的提高对液滴蒸发过程的促进起主导作用。

图8 燃料液滴在873 K的液滴寿命与平均蒸发率

3 结 论

研究773 K和873 K时，常压下含不同乙醇浓度的棕榈酸甲酯液滴的蒸发特性。得出以下结论：

（1）含有不同乙醇浓度的棕榈酸甲酯液滴蒸发过程被划分为三个阶段，即瞬态加热阶段、波动蒸发阶段和平稳蒸发阶段。

（2）添加的乙醇质量浓度为10%和20%时，液滴寿命会延长。而当乙醇浓度达到30%以上时，液滴寿命大大缩短。

（3）在不同温度下，不同浓度的乙醇对燃料液滴的平均蒸发率影响不同。在773 K时，含30%和40%乙醇的燃料液滴具有较好的蒸发速率；在873 K时，平均蒸发率随乙醇含量的增大而升高。

（4）环境温度显著影响液滴寿命和平均蒸发率，且二者成正比关系。

[1] BERGTHORSON J M, THOMSON M J. A review of the combustion and emissions properties of advanced transportation biofuels and their impact on existing and future engines[J]. Renewable and sustainable energy reviews, 2015, 42: 1393-1417. DOI: 10.1016/j.rser.2014.10.034.

[2] GAFFNEY J S, MARLEY N A. The impacts of combustion emissions on air quality and climate - from coal to biofuels and beyond[J]. Atmospheric environment, 2009, 43(1): 23-36. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2008.09.016.

[3] ZHU M M, SETYAWAN H Y, ZHANG Z Z, et al. Effect of-butanol addition on the burning rate and soot characteristics during combustion of single droplets of diesel–biodiesel blends[J]. Fuel, 2020, 265: 117020. DOI: 10.1016/j.fuel.2020.117020.

[4] MENG K S, FU W, LEI Y Y, et al. Study on micro-explosion intensity characteristics of biodiesel, RP-3 and ethanol mixed droplets[J]. Fuel, 2019, 256: 115942. DOI: 10.1016/j.fuel.2019.115942.

[5] 陈韬, 谢辉, 吴志新, 等. 车用柴油机燃用生物柴油的排放特性[J]. 环境工程学报, 2017, 11(11): 5972-5977. DOI: 10.12030/j.cjee.201608173.

[6] KUMAR S, CHO J H, PARK J, et al. Advances in diesel-alcohol blends and their effects on the performance and emissions of diesel engines[J]. Renewable and sustainable energy reviews, 2013, 22: 46-72. DOI: 10.1016/j.rser.2013.01.017.

[7] 曹运齐, 刘云云, 胡南江, 等. 燃料乙醇的发展现状分析及前景展望[J]. 生物技术通报, 2019, 35(4): 163-169. DOI: 10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2018-1002.

[8] 李浔, 谢丹, 王艳宜, 等. 柴油-生物柴油-乙醇溶解性及其调和燃料特性的研究[J]. 应用化工, 2011, 40(3): 376-380, 386. DOI: 10.3969/j.issn.1671-3206.2011.03.002.

[9] 孙智勇, 魏明锐, 刘近平, 等. 乙醇-柴油混合燃料燃烧和颗粒尺寸分布[J]. 内燃机学报, 2017, 35(2): 125-130. DOI: 10.16236/j.cnki.nrjxb.201702018.

[10] 任毅, 黄佐华, 李蔚, 等. 柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料的性能与排放研究[J]. 西安交通大学学报, 2007, 41(3): 285-290. DOI: 10.3321/j.issn:0253-987X.2007.03.005.

[11] 张栋, 朱锡锋. 生物油/乙醇混合燃料燃烧性能研究[J].燃料化学学报, 2012, 40(2): 190-196. DOI:10.3969/j. issn.0253-2409.2012.02.010.

[12] LI D G, HUANG Z, LŬ X C, et al. Physico-chemical properties of ethanol–diesel blend fuel and its effect on performance and emissions of diesel engines[J]. Renewable energy, 2005, 30(6): 967-976. DOI: 10.1016/j.renene. 2004.07.010.

[13] HAN K, PANG B, ZHAO C L, et al. An experimental study of the puffing and evaporation characteristics of acetone- butanol-ethanol (ABE) and diesel blend droplets[J]. Energy, 2019, 183: 331-340. DOI: 10.1016/j.energy.2019.06.068.

[14] HUANG X Y, WANG J G, WANG Y X, et al. Experimental study on evaporation and micro-explosion characteristics of biodiesel/n-propanol blended droplet[J]. Energy, 2020, 205: 118031. DOI: 10.1016/j.energy.2020. 118031.

[15] KIM H, WON J, BAEK S W. Evaporation of a single emulsion fuel droplet in elevated temperature and pressure conditions[J]. Fuel, 2018, 226: 172-180. DOI: 10.1016/j.fuel.2018.04.010.

[16] JIANG G Z, YAN J, WANG G, et al. Effect of nanoparticles concentration on the evaporation characteristics of biodiesel[J]. Applied Surface Science, 2019, 492: 150-156. DOI:10.1016/j.apsusc.2019.06.118.

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

江苏省研究生创新基金项目（SJCX21_1758)

姜根柱，E-mail：jkdjxxy@163.com

孙文强（1997-），男，硕士研究生，主要从事燃料蒸发传热研究。

姜根柱（1979-），男，硕士，高级实验师，硕士生导师，主要从事氢能源性能及储运安全机制研究。