0 引言
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]。
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。
Table 1 Physical parameters of ethanol and methyl palmitate表1 乙醇和棕榈酸甲酯物性参数 |
| 物质名称 | 化学式 | 熔点 / ℃ | 沸点 / ℃ | 闪点 / ℃ |
|---|---|---|---|---|
| 乙醇 | C2H6O | -114 | 78 | 12 |
| 棕榈酸甲酯 | C17H34O2 | 28 | 332 | 152 |
1.2 实验装置
图1所示为实验装置示意图。
Fig. 1 Schematic diagram of the experimental setup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（region of interest, 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。
Fig. 2 Schematic diagram of data processing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873 K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（t11, t21）和平稳蒸发阶段（t12, t22）。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（Dmax）。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。
Fig. 3 Normalized square diameter curve of methyl palmitate droplets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。
Fig. 4 Normalized square diameter curve of fuel droplets at 773 K图4 燃料液滴在773 K时的归一化平方直径曲线 |
Fig. 5 Microexplosion pictures of MP + E40 fuel droplets at 773 K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Dmax与液滴寿命的比值定义为平均蒸发率。
Fig. 6 Droplet lifetime and average evaporation rate of fuel droplets at 773 K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773 K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。
Fig. 7 Normalized square diameter curve of fuel droplets at 873 K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。
Fig. 8 Droplet lifetime and average evaporation rate of fuel droplets at 873 K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。
