丁醇和油酸混合物蒸發(fā)特性研究

湯詩婷,姜根柱,孫文強

(江蘇科技大學 機械工程學院, 鎮(zhèn)江 212100)

化石能源短缺、環(huán)境惡化等問題限制人類社會的進一步發(fā)展,因此可再生的生物燃料成為能源研究者們的研究重點[1-2].文獻[3]對麻瘋樹油/重油混合燃料進行缸內(nèi)蒸發(fā)與燃燒試驗發(fā)現(xiàn)添加麻風樹油可以有效改善重油燃燒積碳的現(xiàn)象,提高燃燒效率.

研究單個液滴在高溫高壓下的作用是研究燃料蒸發(fā)的基礎(chǔ).多組分油滴蒸發(fā)涉及液滴傳熱傳質(zhì)效應(yīng)[4].為了研究蒸發(fā),進行了許多單一、孤立的多組分燃料液滴的特性實驗,包括化石燃料,酒精燃料,生物燃料、乳劑燃料和納米流體燃料.

油酸作為生物柴油的一種,可從動植物中提取,但其高粘度、高閃點、高沸點不利于液滴的蒸發(fā),丁醇沸點低、粘度低等物化特性可以中和油酸固有的缺陷,提高混合燃料液滴的蒸發(fā)速率.生物丁醇由于揮發(fā)性低、能量密度高、與燃油的配伍性好等優(yōu)點,其發(fā)展?jié)摿σ呀?jīng)超越生物乙醇[5].

文獻[6]認為在液滴蒸發(fā)過程中存在一個最佳體的積混合比,當高于這個混合比的時候,液滴的蒸發(fā)時間將會延長.文獻[7]發(fā)現(xiàn)液滴中摻混丁醇可以促進蒸發(fā),微爆現(xiàn)象也更容易發(fā)生.

在多組分液滴蒸發(fā)過程中,液滴有膨脹的趨勢,并突然破碎成微液滴,這種現(xiàn)象就是微爆.微爆是能夠提高燃油效率的重要現(xiàn)象,它是由燃料成分之間沸點的差異引起的.微爆產(chǎn)生的破碎液滴有利于提高蒸發(fā)效率,但液滴只會在一定條件下出現(xiàn)微爆.

文獻[8]的研究中,生物柴油/正丙醇混合液滴在673 K和773 K的環(huán)境溫度下能夠觀察到微爆強度隨著溫度的升高而增大.文獻[9]通過在673 K和873 K溫度下麻風樹直餾植物油的單滴蒸發(fā)實驗,發(fā)現(xiàn)液滴在蒸發(fā)過程中產(chǎn)生強烈的微爆炸.

為了觀察到明顯的微爆現(xiàn)象,文中選擇的實驗環(huán)境溫度為773 K和873 K.運用摻混質(zhì)量百分比為0,10%,20%,30%,40%正丁醇與油酸混合燃料,通過直徑平方的歸一化時間曲線研究比較不同濃度混合液滴的蒸發(fā)速率、液滴持續(xù)蒸發(fā)時間、液滴壽命,研究混合燃料中丁醇的最佳質(zhì)量百分比.此外,探究了環(huán)境溫度與燃料組分對液滴微爆的影響,發(fā)現(xiàn)適當提高環(huán)境溫度,有利于提高液滴微爆強度,改善混合液滴的蒸發(fā)性能.

1 實驗方法與誤差分析

1.1 實驗燃料制備

表1為常溫常壓下油酸和丁醇的基本物理特性.實驗按質(zhì)量分數(shù)配比O100(純油酸)、OB10(90%油酸和10%丁醇混合)、OB20(80%油酸和20%丁醇混合)、OB30(70%油酸和30%丁醇混合)以及和OB40(60%油酸和40%的丁醇混合)5種燃料來探究不同溫度及濃度的丁醇/油酸混合燃油蒸發(fā)特性.

表1 實驗燃料物理參數(shù)

1.2 實驗裝置

圖1為實驗裝置原理圖.裝置總體可分為3個主要模塊:加熱系統(tǒng)、燃料輸送系統(tǒng)以及圖片拍攝和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng).

圖1 實驗裝置原理圖

加熱系統(tǒng)由高溫加熱爐、加熱絲、隔熱板、溫度傳感器(K型熱電偶)以及溫度控制器構(gòu)成.工作原理是通過溫度控制器設(shè)定溫度,由加熱爐上下兩處的加熱絲為加熱爐加熱.加熱爐上下兩處空間都設(shè)置了熱電偶溫度傳感器以保證整個空間內(nèi)的加熱溫度.實驗前需在加熱爐中通入氮氣防止燃料在高溫下燃燒.加熱爐的入口需要用隔熱板封住保溫.

燃料輸送系統(tǒng)由步進電機、步進電機控制器、懸架以及液滴懸掛裝置構(gòu)成.液滴懸掛裝置上需粘上兩個十字交叉的石英絲,將液滴通過微量注射器推出并掛在交叉絲中間.步進電機控制器控制步進電機的進給量和進給速度.

在圖像采集和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,高速攝像機負責拍攝圖像,然后通過數(shù)據(jù)傳輸裝置保存到電腦中.

實驗采用的石英絲直徑為0.3 mm,液滴體積為0.8 μL,設(shè)置的加熱爐的溫度為773 K和873 K.實驗過程中,圖像采集所用的高速攝像機型號為FASTCAM SA-Z,設(shè)置分辨率為1 024×1 024.

1.3 圖像處理

圖2是圖像處理流程.利用Matlab的圖像處理功能對ROI圖像進行二值化處理.用形態(tài)學的圖像處理方法,剪切掉圖像中的石英絲區(qū)域,將圖像余留部分等效為圓形,計算圓形區(qū)域的像素點面積,進而等價得出圓形圖像直徑[10].

圖2 圖像處理流程

1.4 誤差分析

為了保證圖像的數(shù)據(jù)處理精度,比較了不同環(huán)境溫度下液滴的實驗結(jié)果.經(jīng)過6次測試發(fā)現(xiàn),各組(d/d0)2(d為液滴直徑,d0為初始液滴直徑)數(shù)據(jù)的偏差為1.3%～1.9%,偏差均小于5%.然后在6組實驗數(shù)據(jù)中選取3組相似的實驗數(shù)據(jù)進行計算,忽略偏差較大的實驗數(shù)據(jù).因此可以認為獲取圖像數(shù)據(jù)的重復性好,測試數(shù)據(jù)的精度一致.

文中誤差分析采用文獻[11]的方法.若物理值R為:

R=(X1,X2,…,X3)

(1)

則R相對不確定度可推導為:

(2)

(3)

采用加工精度很高的直徑為1.5 mm的陶瓷管用于標定,在拍攝圖像中陶瓷管所占像素值為60,利用公式a=L/N計算每個像素點所占實際大小,其中L為實際物理值,N為像素值,a為每個像素值的物理值.計算得a=0.025 mm.

文中液滴的體積為0.8 μL,液滴近似于球形,由式(3)推導出液滴的誤差度為:

(4)

(5)

計算液滴圖像等效體積并與液滴實際大小對比,求得誤差最高為4.26%,在允許誤差范圍5%以內(nèi).

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 773 K溫度下的蒸發(fā)特性研究

圖3是773 K的環(huán)境溫度下,不同濃度的油酸和丁醇混合燃料液滴直徑平方的歸一化時間曲線,展現(xiàn)5種濃度共混燃料液滴在不同時刻的蒸發(fā)歷程.

圖3 773 K時不同濃度的油酸和丁醇混合燃料的蒸發(fā)過程曲線

其中,OB10和 OB20的液滴壽命比純油酸短,而OB30和OB40的液滴壽命均比純油酸長.可見丁醇濃度不大于20%可有效促進液滴蒸發(fā),大于20%在一定程度上延緩液滴蒸發(fā).

773 K溫度下的液滴蒸發(fā)過程可分為兩個階段:瞬時加熱階段(t01/t11/t21/t31/t41)和平衡蒸發(fā)階段(t03/t13/t23/t33/t43).

在瞬時加熱階段,燃料液滴吸收熱量使得液滴體積迅速膨脹.此時,液滴蒸發(fā)速率小于液滴膨脹速率,所以液滴瞬時直徑大于初始直徑.

值得注意的是純油酸液滴直徑在t/d02=2.054 s/mm2時達到峰值,OB10在t/d02=1.127 s/mm2時達到峰值,OB20在t/d02=4.002 s/mm2達到峰值.而OB30和OB40在瞬時加熱階段呈現(xiàn)平穩(wěn)態(tài)勢,沒有出現(xiàn)明顯的峰值.

當OB10在t/d02=1.686 s/mm2時,液滴在加熱階段的曲線波動幅度最大,OB20在t/d02=3.4～4.976 s/mm2之間,液滴迅速膨脹和蒸發(fā),液滴直徑出現(xiàn)波動變化,蒸發(fā)壽命僅比OB10長.而OB30和OB40在瞬時蒸發(fā)階段的蒸發(fā)持續(xù)時間相近.

這是因為在773 K環(huán)境溫度下,丁醇屬于輕組分物質(zhì),油酸屬于重組分.在物化性質(zhì)上兩者有巨大差異,丁醇的運動粘度較低,油酸的粘度較高.在油酸中混合丁醇可以使液滴表面張力減弱.在混合液滴加熱過程中輕組分先蒸發(fā)形成氣泡然后持續(xù)受熱直至突破液滴的表面張力形成微爆.液滴發(fā)生微爆會增大液滴與周圍空氣的接觸面積,進一步加速液滴蒸發(fā).但混合液滴中丁醇濃度為30%及以上時,高濃度丁醇由于其高汽化潛熱值吸收了大量的熱量,維持了液滴的穩(wěn)定蒸發(fā).

在平衡蒸發(fā)階段,5種燃料的蒸發(fā)基本都保持平穩(wěn)狀態(tài),符合d2法則.圖4為不同濃度的油酸/丁醇共混燃料在773 K下各個蒸發(fā)階段的蒸發(fā)持續(xù)時間占比.

其中純油酸燃料O100在瞬時加熱階段t01的時間占蒸發(fā)時間比重最多,達到61.2%,OB20的瞬時加熱階段t21在蒸發(fā)時間的占比也比較大,達到56.2%.然而OB10、OB30、以及OB40在瞬時加熱階段的占比相對較小,分別是39.6%、37.2%和38.3%.結(jié)果表明高濃度的丁醇會相對減少燃料的瞬時加熱時間,促使燃料提前進入平衡蒸發(fā)階段.這是因為丁醇有較高的汽化潛熱值,隨著組分中丁醇含量占比的提高,丁醇吸收的熱量也就越多,瞬時加熱階段結(jié)束時間越早.

在773 K的溫度下,低濃度的丁醇可以提高液滴蒸發(fā)速率,但不利于液滴的穩(wěn)定蒸發(fā),高濃度的丁醇雖然有利于穩(wěn)定液滴蒸發(fā),但會延緩混合燃料的蒸發(fā)時間,延長液滴的壽命.

為了探究液滴在特定時間的蒸發(fā)階段,圖5為混合燃料在773 K時的液滴蒸發(fā)圖像.在液滴蒸發(fā)和液滴直徑收縮期間,OB10在蒸發(fā)時間內(nèi)基本穩(wěn)定,但在蒸發(fā)前,體積膨脹明顯,在t/d0=0.978 s/mm2時達到最大值.從OB20燃料的液滴變化來看,與t/d0=3.4 s/mm2相比,t/d0=3.976 s/mm2的液滴表現(xiàn)出顯著的體積膨脹,然后液滴尺寸縮小.

這是因為燃油的表面張力以及粘度隨溫度的升高而減小,當溫度升高時,液體分子的動能增大,分子運動加快,減小了分子間作用力.

2.2 873 K溫度下的蒸發(fā)特性研究

圖6為873 K環(huán)境溫度下不同濃度的油酸和丁醇共混燃料液滴的歸一化直徑平方曲線.

圖6 環(huán)境溫度為873 K時不同濃度的油酸和丁醇混合燃料的蒸發(fā)過程曲線

O100和OB10兩種燃料的蒸發(fā)階段較為平穩(wěn),沒有出現(xiàn)明顯的微爆現(xiàn)象,所以將這兩種燃料的蒸發(fā)階段分為:瞬時加熱階段(t01/t11)和平衡蒸發(fā)階段(t03/t13).OB20、OB30和OB40的蒸發(fā)過程出現(xiàn)急劇波動的直徑變化,所以將它們分為3個蒸發(fā)階段:瞬態(tài)加熱階段(t21/t31/t41)、波動蒸發(fā)階段(t22/t32/t42)以及平衡蒸發(fā)階段(t23/t33/t43).

O100液滴的蒸發(fā)特性在773 K和873 K溫度下的蒸發(fā)特性相似,蒸發(fā)曲線符合d2法則,并且液滴的蒸發(fā)過程也更加平穩(wěn),但是液滴在瞬時加熱階段的歸一化直徑平方(d/d0)2的峰值為1.064,小于773 K時的歸一化直徑平方的峰值.這表明隨著溫度的升高,油酸的運動粘度降低,加劇了燃料液滴中分子的運動,提升了液滴蒸發(fā)速率.

OB10在873 K時的蒸發(fā)特性也與773 K相似,但是OB10在瞬時加熱階段的歸一化直徑平方(d/d0)2的峰值為1.417,高于773 K時的歸一化直徑平方的峰值.所以在油酸中混合10%的丁醇能夠加快液滴對于熱量的吸收,促進液滴受熱膨脹.

與773 K環(huán)境溫度相比,環(huán)境溫度為873 K時,在OB20、OB30和OB40的瞬時蒸發(fā)過程中都出現(xiàn)了微爆現(xiàn)象.隨著丁醇濃度的提高,OB20、OB30和OB40的加熱時間均在減少且進入波動蒸發(fā)階段后都出現(xiàn)了劇烈的蒸發(fā)波動.隨著丁醇濃度的提高,液滴的蒸發(fā)過程波動也越來越密集,微爆程度也更劇烈.

可以觀察到OB10液滴壽命最短,而OB30和OB40的液滴壽命相較之下更長,這表明低濃度的丁醇會促進油酸的蒸發(fā),而高濃度的則會相對抑制油酸蒸發(fā).與在773 K環(huán)境溫度下不同的是,該組實驗中OB20的蒸發(fā)壽命最長.這是由于蒸發(fā)過程中的微爆發(fā)生在t/d02=3.4～4.976 s/mm2,液滴在波動蒸發(fā)階段持續(xù)時間短,故延長了液滴整體的蒸發(fā)壽命.

此外,OB40蒸發(fā)壽命短于OB20與OB30,且最早出現(xiàn)微爆現(xiàn)象.這表明在873 K環(huán)境溫度下,丁醇濃度越高,液滴內(nèi)部形成的氣泡越劇烈,且快速突破液滴表面油酸層的張力,促使油酸丁醇混合燃料液滴提前微爆,并且波動蒸發(fā)階段持續(xù)的時間更長.這還說明環(huán)境溫度可以改變液滴的微爆強度,提高液滴的蒸發(fā)速率.在873 K環(huán)境溫度下,微爆發(fā)生越早則液滴壽命越短.微爆發(fā)生的瞬間提高了液滴的能量密度,高能量微爆會使部分子液滴從液滴中脫落,有利于液滴快速蒸發(fā).當液滴中易揮發(fā)部分的耗盡,液滴進入平衡蒸發(fā)階段.

圖7是O100和OB10在873 K下蒸發(fā)階段在蒸發(fā)時間內(nèi)的占比.可以看出O100在瞬態(tài)加熱階段的時間占比較長,瞬態(tài)加熱時間和平衡蒸發(fā)階段時間各約占整個蒸發(fā)時間的一半.而OB10的瞬時加熱階段的時間相對較短,蒸發(fā)時間主要集中在平衡蒸發(fā)階段.

圖7 在873 K下不同濃度的油酸和丁醇混合物的各個蒸發(fā)階段比率

圖8是OB20、OB30和OB40在873 K下蒸發(fā)階段在蒸發(fā)時間內(nèi)的占比.OB20在瞬態(tài)加熱階段的時間占比相對其他兩種燃料都長,其他兩種燃料的蒸發(fā)時間主要集中在波動蒸發(fā)階段和平衡蒸發(fā)階段.并且OB20在波動蒸發(fā)階段時間占比也比較少,丁醇通過微爆來促進液滴蒸發(fā)的時間也相對較短.OB20的蒸發(fā)時間主要集中于瞬態(tài)加熱階段和平衡蒸發(fā)階段.

圖8 在873 K下不同濃度的油酸和丁醇混合物的各種蒸發(fā)相的比率

圖9在873 K下5種燃料的液滴蒸發(fā)圖像.可以觀察到液滴在蒸發(fā)過程中,O100沒有產(chǎn)生任何微爆或射流,在蒸發(fā)過程中屬于自然收縮現(xiàn)象.

圖9 不同濃度的油酸和丁醇混合物在873 K上的蒸發(fā)過程圖像

2.3 油酸和丁醇混合燃料在773 K和873 K下的蒸發(fā)速率

蒸發(fā)速率是蒸發(fā)特性的重要指標之一.圖10、11對5種燃料在773 K和873 K下的蒸發(fā)過程曲線進行擬合,并通過計算得到擬合曲線的瞬時蒸發(fā)系數(shù)來研究丁醇濃度對于液滴蒸發(fā)速度影響的趨勢.

圖10 773 K溫度下不同濃度的丁醇和油酸混合物的瞬時蒸發(fā)速率

從圖10可以看出,在773 K的條件下,OB10的瞬時蒸發(fā)系數(shù)的加速度是最快的,并且在蒸發(fā)過程的大部分時間中,瞬時蒸發(fā)系數(shù)要快于其他四種燃料.OB30和OB40的瞬時蒸發(fā)系數(shù)整體上相似,并且在蒸發(fā)過程的后期有減小的趨勢.

從圖11可以看出,在873 K的條件下,O100的蒸發(fā)速度趨勢一直處于上升狀態(tài),并且OB10的趨勢也與之相似.另外由于OB10的瞬時蒸發(fā)系數(shù)在蒸發(fā)過程中一直高于O100,所以O(shè)B10的蒸發(fā)速度要快于O100.

圖11 873 K下不同濃度的丁醇和油酸混合物的瞬時蒸發(fā)速率

由于OB20、OB30和OB40燃料液滴的微爆造成的液滴波動蒸發(fā)無法通過曲線準確的擬合到整個蒸發(fā)過程,所以只能計算3個蒸發(fā)階段當量蒸發(fā)率,并通過對比其當量蒸發(fā)率來研究丁醇濃度對于油酸/丁醇混合燃料對于蒸發(fā)速率的影響.圖12是3種燃料在3個蒸發(fā)階段所計算的平均(當量)蒸發(fā)率.

圖12 873 K溫度下3種燃油的3個蒸發(fā)階段的平均(當量)蒸發(fā)速率

3種燃料的瞬時加熱階段(t21/t31/t41)表示液滴在迅速吸收環(huán)境中的熱量,液滴體積迅速膨脹.其中OB20的體積膨脹速率最快.雖然OB20在波動蒸發(fā)階段(t22)和平衡蒸發(fā)階段(t23)的蒸發(fā)速率也是最快,但是因為這兩個階段的時間相對較短,所以延長了液滴整體壽命.

在瞬時加熱階段(t31/t41),OB40相對于OB30的體積膨脹速度更加緩慢,而在波動蒸發(fā)階段(t32/t42)和平衡蒸發(fā)階段(t33/t43)的OB40比OB30蒸發(fā)效率更高.由于平衡蒸發(fā)階段在蒸發(fā)過程中的占比更高,所以整體上OB40的蒸發(fā)速率要高于OB30,OB40液滴的蒸發(fā)壽命也因此要小于另外兩種燃料.

3 結(jié)論

文中研究在環(huán)境溫度為773 K和873 K下?lián)交熨|(zhì)量百分比0,10%,20%,30%,40%丁醇的丁醇油酸混合液滴的蒸發(fā)特性與微爆現(xiàn)象,一定程度上補充了醇類物質(zhì)對燃油液滴蒸發(fā)影響的規(guī)律,得出結(jié)果如下:

(1) 在低溫環(huán)境773 K下,不同濃度下丁醇的混合液滴蒸發(fā)規(guī)律相似,均經(jīng)歷了瞬時加熱階段和平衡蒸發(fā)階段.且低濃度的丁醇(OB10和OB20)提高了混合液滴的蒸發(fā)速率,高濃度的丁醇(OB30和OB40)延緩液滴的蒸發(fā)速率.而高溫環(huán)境873 K時,液滴會經(jīng)歷瞬時加熱階段、波動蒸發(fā)階段和平衡蒸發(fā)階段.

(2) 在773 K時,提高丁醇濃度可以延長液滴壽命.此外高濃度的丁醇更有利于混合液滴的穩(wěn)定蒸發(fā).當丁醇濃度由20%增加至30%時最明顯,這是由于丁醇的高汽化潛熱值造成的.

(3) 提高環(huán)境溫度可以提高液滴微爆強度與微爆次數(shù).當環(huán)境溫度由773 K提高至873 K時現(xiàn)象明顯.微爆可以促使液滴提前進入平衡蒸發(fā)階段.

(4) 微爆對液滴蒸發(fā)有促進作用,可以提高液滴的蒸發(fā)速率.同時研究發(fā)現(xiàn)微爆現(xiàn)象會改變蒸發(fā)各階段持續(xù)時間.因此可以通過改變溫度來調(diào)整液滴壽命、蒸發(fā)速率.