丁醇-麻瘋樹生物柴油混合液滴蒸發(fā)特性實驗研究

姜熠豪　姜根柱　薛文華　任貴龍

摘 要：為了提高燃油的蒸發(fā)效率，研究混合燃料的蒸發(fā)過程與機理，搭建液滴懸掛式蒸發(fā)試驗裝置對丁醇-麻瘋樹生物柴油混合液滴進行實驗， 利用高速攝像機記錄BUT00，BUT20，BUT40和BUT60 4種丁醇-麻瘋樹生物柴油混合液滴蒸發(fā)過程形態(tài)和直徑的變化，探究丁醇摻混比例對液滴蒸發(fā)特性的影響，并采用MATLAB代碼處理液滴圖像。針對試驗過程中可能產(chǎn)生的誤差，進行不確定度分析，驗證數(shù)據(jù)的重復(fù)性，消除統(tǒng)計誤差。實驗結(jié)果表明：在環(huán)境溫度873 K下，麻瘋樹生物柴油（JME）的液滴壽命為5.989 s/mm²，隨著丁醇質(zhì)量分數(shù)的增加，液滴壽命相應(yīng)減少，BUT00液滴壽命約為BUT60液滴壽命的1.43倍；混合液滴的平均蒸發(fā)率K會隨著摻醇比例的提高而顯著增大，BUT60摻混比例的混合液滴對液滴的蒸發(fā)速率促進作用更明顯，因此將該摻混比例的燃料應(yīng)用于內(nèi)燃機中，可以更好地實現(xiàn)空氣-燃料混合，提高內(nèi)燃機的燃燒效率。研究結(jié)果為丁醇-麻瘋樹生物柴油混合液滴在燃燒裝置中的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐，對于優(yōu)化發(fā)動機設(shè)計具有重要意義。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機工程;丁醇；麻瘋樹生物柴油；液滴蒸發(fā)；微爆

中圖分類號：TK428.9文獻標識碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2023yx03002

Experimental study on evaporation characteristics of

butanol-jatropha biodiesel mixture droplets

JIANG Yihao， JIANG Genzhu， XUE Wenhua， REN Guilong

（Faculty of Mechanical Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang，Jiangsu 212003， China）

Abstract：In order to improve the evaporation efficiency of fuel oil and study the evaporation process and mechanism of mixed fuel， a droplet suspension evaporation test device was built to experiment on butanol/jatropha biodiesel mixed droplets. High-speed cameras were used to record the morphology and diameter changes of fuel droplets with four different butanol mass fractions， BUT00， BUT20， BUT40 and BUT60. The influence of butanol blending ratio on the droplet evaporation characteristics was explored， and the droplet images were processed by MATLAB code. Uncertainty analysis was performed for possible errors during the test to verify the repeatability of the data and eliminate statistical errors.The results show that at an ambient temperature of 873 K， the droplet life time of JME is 5.989 s/mm². As the mass fraction of butanol increases， the droplet life time decreases accordingly. The droplet life time of BUT00 is about1.43 times that of BUT60. The average evaporation rate K of the mixed droplets will significantly increase with the increase of alcohol blending ratio. The droplet with BUT60 mixing ratio has more obvious promoting effect on the droplets evaporation rate， and the fuel with this mixing ratio can better realize the air-fuel mixing and improve the combustion efficiency of the internal combustion engine. Reaearch on the evaporation characteristics of butanol-jatropha biodiesel mixture droplets is of great significance for studying its application in combustion devices and optimizing engine design.

Keywords：internal combustion engine engineering; butanol; jatropha biodiesel; evaporation of droplets; micro-explosion

化石燃料的過度使用導(dǎo)致了許多問題，如原油短缺、環(huán)境污染和設(shè)備惡化等[1-2]。由不同的三酰甘油基生物質(zhì)組成的生物油，如向日葵、油菜籽、荷荷巴、麻瘋樹和卡拉尼亞，被認為是化石燃料替代的理想替代燃料之一[3]。與其他生物油相比，麻瘋樹植物油具有可觀的產(chǎn)量和優(yōu)異的總熱值，并且不會對食用油構(gòu)成威脅[4]。這些優(yōu)勢確保了麻瘋樹植物油在交通和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[5]可被用作替代燃料，尤其是在交通領(lǐng)域，化石燃料一直在其領(lǐng)域扮演著重要的角色，如今生物柴油的出現(xiàn)，撼動了化石燃料的地位，而麻瘋樹油（JME）就是其理想的替代品之一，麻瘋樹油可以使用額外的化學(xué)技術(shù)進行轉(zhuǎn)化，以制造生物柴油，其性能與柴油相當。

PREMNATH等[6] 在3種不同的噴射壓力下，使用柴油和麻瘋樹甲酯混合物，在改進后的凹入式燃燒室中，研究柴油發(fā)動機的性能和排放特性，發(fā)現(xiàn)其性能和排放特性與發(fā)動機的傳統(tǒng)燃料運行相比，有害污染物減少。姜根柱等[7]采用熱電偶掛滴技術(shù)，研究在623 K和873 K環(huán)境溫度下，不同摻混比例麻瘋樹油的蒸發(fā)特性，結(jié)果表明，隨著JME摻混比例的增大，液滴蒸發(fā)壽命也隨之延長，高溫下相較于低溫下的混合液滴蒸發(fā)壽命明顯減短。MENG等[8]研究了乙醇和生物柴油混合燃料液滴的膨脹、噴射和微爆炸現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)隨著混合液滴中乙醇比例的增加，點火延遲時間先顯著減少，然后保持不變，而燃盡時間先減少，然后增加。HASHIMOTO等[9]在3種不同壓縮比工況下，將麻瘋樹生物柴油與柴油分別加入燃燒室中試驗，與其他生物柴油相比，麻瘋樹生物柴油表現(xiàn)出更高的熱性能。盡管麻瘋樹生物柴油的密度和黏度相對較高，但由于高黏度，它在汽缸中的蒸發(fā)和霧化問題也很嚴重。因此可以在燃料中加入丁醇，以減少黏度和煙塵排放。與此同時，丁醇的來源豐富，可以利用農(nóng)業(yè)廢棄物或各種來源的植物根莖大量生產(chǎn)丁醇[10-12]。其次，丁醇具有較低的蒸氣壓力和較高的能量密度，這使它能夠與生物柴油有效結(jié)合，改善發(fā)動機的燃燒排放[13-14]。此外，由于丁醇和生物柴油的沸點有明顯的差異，因此丁醇會在生物柴油之前提前達到沸點并蒸發(fā)，部分液滴中會產(chǎn)生氣泡，膨脹，緊接著產(chǎn)生微爆現(xiàn)象[15-16]，加快液滴的蒸發(fā)速率，實現(xiàn)更好的油汽混合，燃燒更充分。通過將丁醇與生物柴油混合，有可能提高燃料的霧化和可燃性[17]，并大大降低柴油機排放的污染量。HSIEH等[18]研究了航空煤油替代燃料和丁醇混合物的液滴蒸發(fā)在不同環(huán)境溫度下的蒸發(fā)特性。結(jié)果表明，隨著丁醇含量的增加，液滴蒸發(fā)速率增加，更容易發(fā)生微氣泡現(xiàn)象。羅會利 [19]針對麻瘋樹油，在673 K和873 K環(huán)境溫度下，摻入不同質(zhì)量分數(shù)的醇類來研究其混合液滴的蒸發(fā)特性。隨著醇類含量的增加，液滴壽命逐漸降低，表明醇類含量越多，越能促進液滴的蒸發(fā)。

目前，國內(nèi)外關(guān)于丁醇-麻瘋樹生物柴油混合燃料的研究大多集中在發(fā)動機測試和燃料噴射燃燒方面，還沒有關(guān)于丁醇-麻瘋樹生物柴油混合燃料液滴蒸發(fā)特性的研究報道。因此本文重點研究在873 K環(huán)境溫度下，麻瘋樹生物柴油摻入不同質(zhì)量分數(shù)的丁醇時，其混合液滴的蒸發(fā)特性，建立微爆炸強度和膨脹強度2個維度研究液滴的微爆炸特性，揭示微爆炸強度、膨脹強度和蒸發(fā)持續(xù)時間之間的關(guān)系，探討不同微爆炸強度的發(fā)生機理，確定丁醇的最佳含量范圍，為相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域提供更多有用的信息。

1 實驗部分

1.1 燃料理化特性及其配制

麻瘋樹生物柴油的物理和化學(xué)特性在燃料液滴的蒸發(fā)燃燒中起著重要作用，因為它的化學(xué)成分很復(fù)雜。表1為標準柴油、麻瘋樹油和麻瘋樹生物柴油的理化特性。本試驗樣品品質(zhì)數(shù)據(jù)由西南石油大學(xué)化工學(xué)院測定。

從表1可以看出，在常溫下，麻瘋樹油、標準柴油和麻瘋樹生物柴油的黏度分別為47.30，4.37和8.45 Pa·s，麻瘋樹生物柴油的黏度比柴油大，但比麻瘋樹油的黏度小很多，具有良好的霧化特性，因此其可以成為柴油的良好替代品。其次，麻瘋樹油和麻瘋樹生物柴油的熱值相近。因為麻瘋樹生物柴油的熱值比柴油低，所以會損失一些熱能。然而，用麻瘋樹制成的生物柴油具有較高的氧含量，可以改善燃料的燃燒，提高熱效率，彌補了部分損失的功率。最后，麻瘋樹生物柴油閃點為170 ℃，大于100 ℃，不屬于危險品，證明了麻瘋樹生物柴油的安全性。與此同時，基于參考文獻[19]，麻瘋樹生物柴油相比于標準柴油，其排放PM，CO及HC等污染物的量明顯減少，是典型的清潔、可再生“綠色能源”，是石油等不可再生資源的理想替代品。

從上述分析可知，由麻瘋樹制成的生物柴油，相較于柴油具有更高的運動黏度和潤滑性，且其閃點比柴油高，總體上更安全。通過添加適量的丁醇，可以提高麻瘋樹生物柴油的含氧量，有利于改善發(fā)動機的燃燒和排放性能。因此，研究丁醇-麻瘋樹生物柴油的蒸發(fā)性能是非常重要的。

在制備丁醇-麻瘋樹生物柴油的過程中，由于丁醇和麻瘋樹生物柴油具有良好的混溶性，因此兩者可以直接按不同比例混合，得到混合生物質(zhì)燃料。制備混合燃料的步驟如下：用精度為0.001 g的電子天平稱量出由丁醇質(zhì)量分數(shù)計算的兩者質(zhì)量，然后將混合溶液放入磁力攪拌器中，攪拌3 min，確保2種溶液完全融合。攪拌后沒有出現(xiàn)分層現(xiàn)象，說明兩者已經(jīng)融合。本次實驗制備的混合溶液所包含的丁醇質(zhì)量分數(shù)（下同）分別為0，20%，40%和 60%（分別標記為BUT00，BUT20，BUT40和BUT60）。

1.2 實驗裝置

圖1為單液滴蒸發(fā)實驗裝置原理示意圖，從圖中可以清楚地看到該實驗臺主要由3個部分組成，分別是加熱系統(tǒng)、液滴輸送系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

加熱系統(tǒng)包括高溫爐、溫度調(diào)節(jié)器和氮氣罐。蒸發(fā)室是一個不銹鋼室，前后有2個石英玻璃窗，可實時觀察液滴的蒸發(fā)狀態(tài)。加熱桿安裝在加熱室底部，總功率為3 000 W，最大調(diào)節(jié)溫度可達1 000 K。加熱室的溫度由溫度調(diào)節(jié)器控制，通過控制加熱桿進行加熱，在實驗期間溫度保持穩(wěn)定，并在允許的調(diào)整范圍內(nèi)（-5～5 K）。

液滴輸送系統(tǒng)主要包括步進電機、位置控制器、懸架和石英玻璃燈絲。首先使用1 μL的微量調(diào)節(jié)注射器將燃料液滴懸掛在石英玻璃絲上，然后控制步進電機，將懸掛的燃料液滴快速垂直移動到指定拍攝位置，液滴的運動距離約為190 mm，傳送速度約為300 mm/s，能在0.3 s內(nèi)完成液滴向加熱爐內(nèi)傳送的動作，對液滴蒸發(fā)過程的影響極小，可忽略不計。圖像采集系統(tǒng)包括高速攝像機和計算機。為了確保在液滴蒸發(fā)過程中獲得的圖像具有高清晰度，拍攝頻率設(shè)置為500 fps，分辨率設(shè)置為1 024×1 024 px。為了盡量減少實驗數(shù)據(jù)誤差，每組實驗重復(fù)3次。表2列出了相關(guān)實驗條件。

1.3 數(shù)據(jù)處理與誤差分析

使用MATLAB代碼處理液滴圖像以獲得液滴直徑。根據(jù)研究，有3種主要類型的液滴圖像處理方法，本工作通過投影面積計算液滴等效直徑。圖2顯示了本工作中圖像處理步驟的示意圖。第一，從原始圖像（1 024×1 024 px）中提取感興趣區(qū)域（ROI，400×400 px）。第二，進行二值化處理，檢測液滴和纖維的邊緣。對于蒸氣云中的液滴，當ROI圖像經(jīng)過二值化處理，實現(xiàn)了拍攝目標和背景的高度黑白區(qū)分，并確保了液滴大小和形狀與原始圖像基本一致。經(jīng)典的Otsu方法用于獲得區(qū)域每個部分的最佳閾值。Otsu方法是一種有效的圖像二值化算法。該方法可以通過自適應(yīng)閾值實現(xiàn)背景和拍攝目標的分離，因此可以很容易地去除液滴周圍的蒸氣云。第三，執(zhí)行空穴填充操作以填充液滴中的空穴。第四，利用形態(tài)學(xué)圖像處理技術(shù)切割液滴周圍的支撐纖維。最后，通過等效面積法獲得液滴直徑。經(jīng)計算，D²/D²₀的不確定度為2.98%。此外，對每個測試條件進行至少3次實驗，以驗證數(shù)據(jù)的重復(fù)性，消除統(tǒng)計誤差。在數(shù)據(jù)提取過程中，會出現(xiàn)液滴直徑平方的不確定性。本研究的誤差分析基于參考文獻[21]提供的Kline誤差分析方法。物理值R由式（1）表示：

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗裝置的一致性驗證

在正式實驗之前，為了最終結(jié)果的準確性，對實驗系統(tǒng)的一致性和可靠性進行驗證，結(jié)果見圖3。其中：t為液滴蒸發(fā)時間；D0為初始液滴直徑；D為某一時刻液滴直徑。以柴油為研究對象，在環(huán)境溫度873 K下進行2次實驗，并將2次結(jié)果進行對比。

結(jié)果表明2個實驗顯示出良好的一致性，實驗的最大偏差為1.6%。與WANG等[17]的實驗數(shù)據(jù)相比，該實驗數(shù)據(jù)與之前的實驗數(shù)據(jù)基本一致，證明了實驗設(shè)置的一致性和可靠性。

2.2 丁醇-麻瘋樹生物柴油混合液滴的直徑變化

1.130。因此BUT00和BUT20混合液滴的蒸發(fā)過程在環(huán)境溫度為873 K下可分為2個階段：1）瞬態(tài)加熱階段（t11/t12）；2）平衡蒸發(fā)階段（t21/t22）。而隨著丁醇摻混質(zhì)量分數(shù)的提升，在蒸發(fā)初期，BUT40和BUT60混合液滴的體積膨脹明顯，其膨脹值分別為1.259和1.155，BUT40混合液滴的膨脹值最大。隨著時間的推移，液滴內(nèi)的低沸點組（丁醇）在873 K的環(huán)境溫度下會迅速蒸發(fā)，液滴內(nèi)蒸氣壓增高，使得氣泡在液滴內(nèi)劇烈運動，產(chǎn)生噴氣微爆現(xiàn)象，加速了液滴的蒸發(fā)，無量綱直徑平方顯著波動，而不符合d²定律。該階段被稱為波動蒸發(fā)階段。因此，圖4 c）、圖4 d）是BUT40和BUT60丁醇-麻瘋樹生物柴油混合液滴的歸一化曲線圖，在873 K的環(huán)境溫度下，混合液滴的蒸發(fā)過程可分為3個階段：1）瞬態(tài)加熱階段（t31/t41）；2）波動蒸發(fā)階段（t32/t42）；3）平衡蒸發(fā)階段（t33/t43）。

3 摻醇比例對混合液滴蒸發(fā)特性的影響

3.1 摻醇比例對混合液滴蒸發(fā)壽命的影響

3.2 摻醇比例對混合液滴蒸發(fā)速率的影響

為了確定燃料液滴的直徑演變，研究瞬態(tài)蒸發(fā)速率。圖7顯示了4種混合燃料的瞬態(tài)蒸發(fā)速率K_inst。BUT40和BUT60混合液滴瞬態(tài)蒸發(fā)速率呈凸性，而BUT00與BUT20混合液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率相近，均呈一條直線。BUT60混合液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率最大，其次是BUT40。由此可見隨著丁醇質(zhì)量分數(shù)的增加，混合液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率變大。與此同時，BUT40和BUT60混合燃油液滴的瞬態(tài)蒸發(fā)速率相似，均呈現(xiàn)先線性增大，再逐漸趨于平緩。該現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是因為混合燃料液滴在蒸發(fā)中期液滴出現(xiàn)了膨脹微爆，增加了液滴的蒸發(fā)速率，而平衡階段時液滴狀態(tài)相對穩(wěn)定，其瞬態(tài)蒸發(fā)速率相對于中期有所減慢。

平均蒸發(fā)速率（K）是液滴蒸發(fā)性能的評估標準，定義為初始液滴體積與蒸發(fā)時間的比率。實驗測量了873 K條件下?lián)交觳煌|(zhì)量分數(shù)丁醇的麻瘋樹生物柴油混合液滴的平均蒸發(fā)速率，如圖8所示，并根據(jù)結(jié)果進行比較。在873 K的環(huán)境溫度時，BUT20，BUT40和BUT60的K分別為0.227，0.332和0.346 mm²/s，分別比純麻瘋樹生物柴油（BUT00）高了10.19%，61.16%和67.96%，其中BUT60燃油的蒸發(fā)速率最大。從中可以發(fā)現(xiàn)，

3.3 混合液滴微爆特性及機理研究

在蒸發(fā)過程中，混合燃料液滴可能會經(jīng)歷一個短暫的波動蒸發(fā)階段，在此階段中，液滴稍微膨脹，然后穩(wěn)定蒸發(fā)。然而，這種現(xiàn)象在BUT40和BUT60混合燃料液滴蒸發(fā)過程中較明顯。由于液滴膨脹和微爆的可重復(fù)性和隨機性，采用膨脹強度（I）和微爆強度（J）定量評估了波動蒸發(fā)階段的蒸發(fā)，其定義如式（12）、式（13）所示：

圖10顯示了丁醇和麻瘋樹生物柴油燃料液滴蒸發(fā)和微爆炸的概念模型。首先，含有丁醇和麻瘋樹生物柴油的混合物液滴在蒸發(fā)過程中具有不同的沸點，輕組分易于揮發(fā)。在混合物加熱期間，當溫度達到低沸點組分的過熱極限時，輕組分開始蒸發(fā)。但是由于摻醇含量不同，液滴的膨脹和微爆強度也有所區(qū)別。當丁醇的質(zhì)量分數(shù)小于40%時，氣泡產(chǎn)生較少，微爆炸較少，隨著蒸發(fā)的進行，更多的麻瘋樹生物柴油形成油膜，完成油膜的蒸發(fā)需要更長的時間。蒸發(fā)時間延長，液滴的蒸發(fā)速率降低。當丁醇的質(zhì)量分數(shù)大于40%時，液滴氣泡的形成和破裂得到加強，并產(chǎn)生更多的氣泡。液滴容易聚集更多能量，以突破油膜的表面張力，實現(xiàn)更強的微爆。蒸發(fā)時間減小，液滴的蒸發(fā)速率增加。

4 結(jié) 語

本文采用液滴懸掛式蒸發(fā)試驗裝置，研究了摻入不同質(zhì)量分數(shù)丁醇的麻瘋樹生物柴油混合液滴的蒸發(fā)過程和微爆機理，研究結(jié)果可為提升燃料在內(nèi)燃機中的燃燒效率提供參考依據(jù)，實現(xiàn)更好的空氣-燃料混合，所得結(jié)論如下。

1）在873 K環(huán)境溫度下，純麻瘋樹生物柴油和BUT20混合燃料液滴的蒸發(fā)相對穩(wěn)定，可分為瞬態(tài)加熱和平衡蒸發(fā)階段。在蒸發(fā)過程中，液滴直徑的變化符合經(jīng)典的d²定律。而BUT40和BUT60混合燃料液滴出現(xiàn)微爆現(xiàn)象，無量綱直徑平方顯著波動，且不符合d²定律。因此蒸發(fā)過程分為3個階段：瞬態(tài)加熱階段、波動蒸發(fā)階段和平衡蒸發(fā)階段。

2）丁醇加入麻瘋樹生物柴油會促進混合燃油的蒸發(fā)，隨著丁醇摻混比例的增加，蒸發(fā)速率、液滴壽命也相應(yīng)增加，BUT60混合液滴的蒸發(fā)壽命最短，蒸發(fā)速率最快。

3）在873 K環(huán)境溫度下，隨著丁醇摻混比例的增加，混合燃料液滴在波動蒸發(fā)階段的D²/D²₀曲線波動越來越大，BUT60的膨脹強度和微爆強度最大。

研究結(jié)果表明在高溫環(huán)境下，丁醇的加入可促進液滴的蒸發(fā)，而BUT60混合液滴促進作用更為明顯。本研究不足之處在于常壓下的丁醇-麻瘋樹生物柴油混合液滴的蒸發(fā)特性與實際內(nèi)燃機內(nèi)蒸發(fā)環(huán)境有一定的差別，因此未來將對實驗裝置進行改進，對高溫高壓下的燃料蒸發(fā)特性進行實驗研究。

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