甲醇柴油微乳化液滴蒸發微爆特性研究

胡佳康,許俊峰,楊偉,馬富康,鄒潤,李峰

(中北大學能源與動力工程學院,山西 太原 030051)

柴油機具有良好的動力性、經濟性和耐久性,因而得到廣泛應用。但隨著排放法規日益嚴苛,以及面臨原油對外依存度超過70%警戒線的巨大壓力,尋找清潔的柴油機替代燃料迫在眉睫。甲醇作為一種含氧型生物質燃料,其理化性質能夠滿足內燃機使用條件。在柴油中添加甲醇可以減少PM和NOx排放,且對發動機性能無顯著影響[1]。且甲醇具有使用、存儲和運輸方便的特點,在多煤少氣貧油的中國產量豐富,優勢巨大。甲醇與柴油在少量乳化劑作用下,通過機械攪拌、超聲混合形成的乳化燃油可直接在柴油機內燃燒[2]。甲醇和柴油沸點的差異導致液滴在蒸發過程中會發生“微爆”現象[3]。微爆誘發油滴變成粒徑更小的液滴,促進燃油霧化,進而改善柴油機內部混合氣質量。為加快乳化甲醇柴油工程化應用,因而急需探明微乳化甲醇柴油液滴的蒸發微爆特性。

近年來,眾多研究者分別研究了不同條件下雙組分液滴蒸發特性。D. V. Antonov等[4]研究了雙組分液滴在不同傳熱方式下的微爆表現,發現不僅熱通量影響雙組分液滴蒸發過程,且液滴成分以及液滴形成方式(油包水、水包油)對蒸發過程也有較大影響。Zhang Yu等[5]試驗發現,雙組分液滴中混合物含量影響其蒸發模式,丁醇含量為25%的液滴為表面蒸發模式,當丁醇含量提高至75%時,表面模式和核心模式共同存在。韓愷等[6]研究了不同甲醇體積分數、不同初始直徑對乳化燃油液滴微爆特性的影響,分析了不同氣泡位置對局部微爆和整體微爆發生的影響。Jonghan Won等[7]試驗發現,由于液滴表面蒸發和液滴內部汽化的共同作用,乳化燃料液滴燃燒時,燃料含水量不會導致液滴平均燃燒速率變化,而當環境溫度改變時,微爆強度的變化明顯。Wang Lintao等[8]研究了不同溫度下大豆油滴的微爆特性,發現隨著溫度的升高,大豆油微爆延遲時間縮短,微爆強度升高。王兆文等[9]研究了不同溫度下摻水乳化柴油的蒸發特性,發現隨著溫度升高,液滴成核位置由單一位置轉變為多點成核,總體微爆隨之改變。雙組分液滴蒸發微爆現象是由多種影響因素共同作用的結果,深入研究多影響因素對微爆發生的影響更有助于揭示微爆發生機理,實現可控微爆。

針對微乳化甲醇柴油的微爆現象,研究了甲醇柴油單液滴蒸發過程。首先使用油酸作為乳化劑制備了甲醇柴油乳化液,隨后采用掛滴法和高速攝影技術開展了單液滴蒸發特性試驗,探究不同初始液滴體積、不同環境溫度下液滴形態變化、蒸發特性和微爆特性。

1 試驗裝置和試驗方法

1.1 甲醇柴油乳化液制備

微乳化液是指向油相中摻入水相后仍保持穩定的分散體系[10]。由于油相和水相互不相溶,需要通過乳化劑才能使二者均勻穩定混合。本試驗采用甲醇和柴油作為水相和油相,油酸作為乳化劑,通過機械、超聲共同作用的方式制備穩定的乳化液。試驗材料主要理化性質[11]如表1所示。

表1 柴油、甲醇理化性質

本試驗主要采用甲醇體積分數20%乳化液,其中乳化劑占比3%,此時甲醇乳化柴油體系穩定度高。通過顯微鏡觀察配油結束后與蒸發試驗結束后甲醇相分散程度相差不超5%,即認為制備了穩定的乳化油。

1.2 試驗裝置

圖1示出液滴蒸發試驗系統示意。該試驗系統由可視化加熱系統、液滴傳送系統及數據采集系統組成。高溫蒸發彈體上方有直徑10 mm的小孔供液滴進入,為保證液滴進入彈體前不會受熱,在液滴進入前小孔處于關閉狀態。彈體四周安裝有石英觀察窗,用于高速相機拍攝以及提供各個方向的光源。彈體底部有3 kW的加熱爐,提供彈體內的高溫環境,通過控制加熱爐功率調節彈體內溫度,最高可以將彈體內溫度調節到500 ℃并保持穩定。通過步進電機控制液滴進入蒸發彈體內,可以保證每次液滴下落到彈體內同一高度。微量進取器可以量取0～2 μL的液滴,生成不同大小的液滴,將其掛在0.25 mm的K型熱電偶絲上。相機選千眼狼5KF10高速攝像機,試驗畫幅大小為464×608,拍攝幀率為500 幀/s,微量進取器最大量程為2 μL,溫度傳感器使用K型鎧裝WRNK-191熱電偶,通過DAQ970a溫度采集卡記錄溫度。試驗操作步驟:通過控制加熱爐使爐內溫度到達理想溫度,量取規定體積的液滴懸掛于熱電偶絲上,開啟蒸發彈體上方小孔,啟動步進電機,按下相機快門對液滴蒸發過程進行記錄。本試驗中液滴初始大小分別為0.8,1.2,1.6 μL,環境壓力為0.1 MPa,設定環境溫度分別為703,733,763 K。為保證試驗結果可靠性,每個試驗工況重復3次。

1—溫度采集卡;2—計算機;3—LED燈;4—高速相機;5—剛玉管;6—蒸發彈體;7—熱電偶;8—K型熱電偶絲;9—步進電機;10—電機控制器;11—導軌;12—溫控儀。

2 圖像處理及參數定義

本試驗通過Matlab圖像處理程序獲取液滴蒸發過程投影面積變化,流程如圖2所示。為了獲得有效區域,提高數據處理效率,首先對相機采集的原始圖像(608×464 pixels)進行裁剪,獲得目標區域(120×120 pixels),進而對目標區域進行二值化處理。為了使液滴部分二值化區域像素值為1,對二值化圖片進行非運算,液滴中心反光區域填充,得到圖像中像素和。根據剛玉管尺寸確定單個像素點投影面積,由像素和運算得到液滴投影面積,根據拍攝圖片中液滴投影面積變化分析液滴蒸發過程。

圖2 圖片處理過程

以初始體積為0.8 μL的液滴在703 K常壓下的蒸發過程為例對特征參數進行表征,其歸一化面積隨時間變化曲線如圖3所示。蒸發分為波動和穩定兩個階段進行,Ta為液滴微爆結束時刻,結束前為波動階段,結束后為穩定階段。微爆強度I是液滴發生微爆時的面積損失量與液滴微爆前面積之比,其表達式為

圖3 微爆強度I、蒸發速率K、膨脹速率p參數定義

穩定蒸發階段的曲線斜率絕對值為液滴蒸發速率K,液滴微爆前曲線斜率為膨脹速率p。

3 結果與討論

3.1 微乳化甲醇柴油液滴蒸發微爆過程

圖4示出液滴投影面積隨時間的變化曲線。由圖4知,甲醇柴油液滴蒸發過程分為兩個階段:0～0.392 s為波動蒸發階段,由于甲醇和柴油蒸發速率不同而發生微爆導致曲線波動,0.338 s時液滴投影面積斷崖式下降,液滴破碎;0.392～8 s為穩定蒸發階段,液滴投影面積線性減小,滿足D2定律。7.384 s后曲線幾乎保持不變,視為蒸發過程結束,熱電偶上存在雜質,曲線不規則細微波動。圖5示出初始體積為0.8 μL的液滴在703 K環境溫度下蒸發形態變化(定義液滴進入高溫環境且穩定后為0時刻)。從0到0.336 s,甲醇汽化并產生氣泡,隨著氣泡生長,內部壓力大于表面張力與環境壓力之和,0.338 s液滴破碎,破碎伴有小液滴飛出,此時液滴形狀極其不規則,在表面張力作用下,0.342 s液滴恢復球形,一個完整的微爆周期在0.336～0.34 s完成。0.5～7.384 s液滴蒸發處于穩定階段,液滴面積線性減小,直到電熱偶絲完全顯現。此過程液滴內部仍有甲醇水核,但無法形成大氣泡產生微爆,隨著蒸發進行到液滴表面汽化。

圖4 0.8 μL,703 K時的液滴蒸發曲線

圖5 0.8 μL,703 K時的液滴蒸發時序圖

3.2 不同環境溫度下的蒸發規律

圖6示出不同溫度下液滴投影面積隨時間的變化曲線。如圖6所示,隨著溫度升高,液滴微爆發生時間提前,相應微爆強度也減弱,703 K時微爆強度為0.092 7,733 K時微爆強度為0.063。這是因為隨著蒸發進行,液滴表面的低沸點甲醇完全蒸發,剩余高沸點柴油未蒸發形成液膜,液膜存在時內部甲醇氣泡生長,當內部氣泡壓力大于液膜表面張力時,液滴破碎形成微爆。溫度升高導致液滴吸熱速率變快,內部甲醇快速達到蒸發過熱度,甲醇氣體在液滴內部快速成核,微爆發生時刻提前,液膜快速蒸發厚度減小,微爆強度變弱。由于液滴初始大小較小,在一次微爆之后,大量低沸點甲醇逸散,液滴內部剩余甲醇二次蒸發無法聚合成可以形成二次微爆的氣核,因此波動蒸發持續時間變短。當溫度繼續增加至763 K時,柴油與甲醇同時蒸發,外部液膜生存時間變短,液滴內部未形成可以突破表面張力的氣核,整個蒸發過程均為穩定蒸發,無波動蒸發出現。圖7表明,波動蒸發持續時間隨溫度的上升而下降,703 K時波動蒸發持續時間為0.536 s,低溫時液滴內部甲醇需要長時間吸熱以蒸發形成氣核,同時液膜也無法快速蒸發,滿足氣泡生長條件。高溫時,兩個過程速度加快,耦合下導致波動蒸發持續時間變短,733 K時只持續了0.372 s,763 K時無波動蒸發出現。

圖6 不同溫度下0.8 μL液滴的蒸發曲線

圖7 不同溫度下液滴蒸發持續時間

圖8示出不同環境溫度下的蒸發速率。由圖8可知,隨著溫度升高,蒸發速率曲線斜率逐漸增大,液滴蒸發速率不斷變快。763 K時液滴蒸發速率較733 K、703 K時大幅提高。763 K環境液滴蒸發曲線圖內表現為無波動蒸發出現,原因為0.8 μL大小液滴蒸發過程中內部甲醇蒸氣生成速率慢于液滴表面蒸發速率,在液滴內部分散的甲醇蒸氣聚集成核形成較大的氣泡。隨著蒸發過程繼續,液滴尺寸不斷減小,氣泡未成核便出現在液滴表面,直至液滴蒸發結束也無法出現微爆現象。

圖8 不同環境溫度下的蒸發速率

3.3 不同初始液滴體積下的蒸發規律

本節中不同初始液滴體積下蒸發時間為歸一化時間。圖9a示出溫度763 K時不同初始體積的液滴蒸發曲線圖。隨著初始液滴體積增加,甲醇柴油液滴微爆次數增加,1.2 μL和1.6 μL液滴在蒸發過程中均發生了多次微爆現象。1.6 μL液滴在前3次微爆發生時,均出現液滴膨脹現象(如圖9b所示),在第2、3次微爆發生前,液滴投影面積不斷上升,隨著微爆發生,小液滴隨著微爆發生被帶出,液滴投影面積出現斷崖式下降。原因為大液滴在蒸發過程中可形成較厚的高沸點液膜,且液滴內部可成核甲醇氣體較多,外部液膜提供較大的表面張力可支撐內部氣泡形成,當這種平衡被打破時,微爆發生。在第4、5次微爆發生前,液滴投影面積曲線緩慢下降到達液滴微爆發生時刻,原因為液滴變小后,液膜厚度變小、液滴內部可成核甲醇變少,無宏觀上液滴膨脹現象出現。

圖9 不同初始體積液滴在763 K溫度下的蒸發曲線

1.6 μL液滴膨脹速率如圖10所示。第2、3次微爆發生時,膨脹速率為正,液滴投影面積逐漸增加,此時液滴內部汽化起主要作用,即液滴內氣泡生長速率快于液滴表面蒸發速率。液滴發生第4、5次微爆發生時,膨脹速率為負,液滴投影面積逐漸減小,此時液滴表面蒸發起主要作用,即液滴表面蒸發速率快于液滴內氣泡生長速率。1.2,1.6 μL大小液滴微爆強度見圖11,首次微爆發生強度最大,氣泡破碎會帶走更多小液滴,后續微爆強度逐次減小。液滴蒸發持續時間如圖12所示,1.6 μL液滴多次微爆使得其波動蒸發持續時間達1.570 9 s/mm2,而0.8 μL液滴無微爆發生,原因為液滴尺寸變小后,液膜持續時間變短,無法達到內部甲醇成核所需時間,整個蒸發過程均為穩定蒸發。大液滴甲醇蒸氣成核更多,容易形成大氣泡,出現液滴膨脹現象。待到氣泡破碎后液滴恢復形狀,繼續進行后續微爆。波動蒸發后期微爆現象發生前投影面積曲線變化平緩,此時液滴內部氣泡膨脹速率與液滴表面蒸發速率相等,氣泡在膨脹時期液滴尺寸同時在縮小,所以曲線表現為平緩或略有下降。

圖10 液滴膨脹速率

圖11 液滴微爆強度

圖12 波動蒸發持續時間

3.4 環境溫度與初始液滴體積的耦合影響

圖13示出不同初始液滴體積、不同蒸發環境溫度下液滴的蒸發曲線,相同條件下重復3次試驗。由圖可知,0.8 μL液滴在環境溫度703 K時微爆發生時刻均值為0.447 s,微爆強度均值為0.102;環境溫度升高至733 K時,微爆發生時刻均值為0.319 s,微爆強度均值為0.075;環境溫度繼續升高時無微爆發生。隨著環境溫度升高,微爆強度逐漸減弱,微爆發生時刻提前。1.2 μL液滴在環境溫度703 K時蒸發曲線無波動,當溫度繼續升高,曲線出現波動,溫度升高至763 K時出現了多次微爆現象。

圖13 不同條件下液滴的蒸發曲線

圖14示出不同條件下微爆發生時間曲線。由圖14知,0.8 μL液滴在溫度不斷升高過程中,微爆發生時刻不斷提前,直至763 K無微爆發生,而1.2 μL液滴在溫度不斷上升過程中,微爆發生時刻不斷延遲。由此可知,當液滴較小時,低溫下更容易發生微爆現象。原因為溫度升高時,小液滴蒸發速率變快,液滴外部形成的柴油液膜存在時間變短,無法為氣泡生長提供時間,宏觀上表現為氣泡成核速率慢于液膜蒸發速率。當液滴較大時,比表面積變小,吸熱速率降低。低溫無法滿足液滴內甲醇蒸發所需過熱度,液滴內甲醇隨著液滴尺寸減小一起蒸發;當溫度升高滿足液滴內部甲醇蒸發所需過熱度時,內部甲醇成核生成氣泡會導致蒸發波動出現,繼續升溫,液滴內便出現了多次微爆現象。

圖14 不同條件下微爆發生時間曲線

4 結論

a) 雙組分液滴蒸發過程分為波動蒸發和穩定蒸發階段,一次完整液滴微爆周期包括初期甲醇氣化、氣泡成核,中期液滴膨脹、氣泡破碎,后期子液滴逃逸、主液滴恢復;

b) 隨著環境溫度的升高,微爆發生時刻提前,微爆強度減弱,甲醇汽化速度變快導致快速形成氣泡,同時柴油蒸發速率加快,氣泡生長時間不足,導致更高溫度下0.8 μL液滴無微爆現象發生;

c) 隨著初始液滴體積增大,微爆次數增加,單次微爆強度逐漸減弱,液滴內氣泡有充分的生長時間,氣泡破碎時刻不同導致一次蒸發有多次微爆發生;

d) 在液滴蒸發過程中,當液滴較小時,低溫條件易促使其發生微爆現象;當液滴較大時,高溫條件易促使其發生微爆現象。