柴油-麻风树生物柴油混合燃油的微爆特性研究

张 璇, 姜根柱

(江苏科技大学 机械工程学院,江苏 镇江 212003)

化石能源的日益受限和生活环境的日益恶化推动了人们对内燃机替代能源的研究[1-4]。可再生生物燃料凭借其原材料广泛、燃烧产生的NOx低等优势,为日益增长的能源需求提供了一种选择[5-6]。生物油催化脱氧法生产的生物燃料具有热值高、黏度低、结构与石油燃料相似等优点[7-8]。麻风树耐干旱和贫瘠,种子出油率高达30%～50%。虽然麻风树油不可食用[9-10],但其十六烷值高于柴油,可直接在发动机中使用,故麻风树油为一种可替代的燃料。目前对于麻风树油特性的研究,国内外学者做了大量的工作。Wardana等[11]研究了含水麻风树油滴在高温下的燃烧特性,发现水解反应发生在含水麻风树油滴的燃烧过程中,油滴经历了两个燃烧阶段:脂肪酸燃烧和甘油燃烧,微爆炸发生在第二阶段的开始,随着油温的升高,微爆炸变得更加频繁。Satyanarayana等[12]通过实验发现:温度从40 ℃升至80 ℃时,黏度可以从38.4 Pa·s降至11.2 Pa·s,降低的黏度使麻风树油在柴油机上得到了满意的燃烧性能。Wang等[13]研究了麻风树纯植物油液滴膨化和蒸发特性,发现高温下可观察到液滴变形、气泡生成和膨胀、微爆炸,并提出微爆炸发生的原因是液滴中挥发性成分在高温下形成气泡使液滴发生微爆。目前国内外对麻风树油研究均集中于液滴燃油喷雾燃烧或纯麻风树油液滴的蒸发,对麻风树油与柴油的混合燃料的蒸发特性的研究很少,因此有必要对柴油-麻风树混合燃油的蒸发特性进行研究。

本研究采用挂滴技术,分析不同环境温度下麻风树生物柴油与柴油不同混合比例的混合燃油液滴的微爆特性,并研究液滴微爆对蒸发的影响,从而达到将麻风树油-柴油混合使用时能在柴油缸内稳定燃烧的目标。

1.1 原 料

柴油,购自中国石油天然气有限公司;麻风树生物柴油(JME),实验室自制[14],由选自中国江苏的麻风树籽为原料,经电动榨油机榨机提取和氢氧化钾、甲醇碱性酯化,分离甘油后制得;甲醇、氢氧化钾,均为市售分析纯;本试验样品的品质数据由西南石油大学化工学院测定,如表1所示。

表1 燃料理化特性

1.2 混合燃料微爆实验

1.2.1实验装置 图1为单液滴蒸发实验装置原理示意图。在热电偶线的焊接处悬挂一个液滴。该热电偶线的直径为0.127 mm。这种直径的热电偶几乎不影响蒸发过程[15-17]。将液滴推到电炉中,高速摄像机记录蒸发过程。液滴蒸发实验装置系统由4个主要部分组成:蒸发室系统、加热系统、图像温度采集系统和液滴传输系统。该系统需要安装石英玻璃窗,为摄像头和背光提供窗口,炉前、炉后各安装一个。汽化弹体为3层,最外层为不锈钢外壳,不锈钢外壳内有两层陶瓷内胆。电阻加热丝环绕在两层陶瓷之间以保持温度均匀。

N2用作惰性气体以防止液滴在蒸发过程中燃烧。温度控制器可以控制炉温。K型热电偶温度传感器用作传感器。该炉最高温度在1 000 K左右,控温精度在±5 K左右。为了保证炉温的稳定,还对炉子进行了调试。高速摄像头聚焦于液滴中心位置,拍摄频率设置为500帧/s,分辨率为1 024×1 024。炉顶位置放置一个直径为8 mm的小孔。液滴将准确出现在高速相机对焦位置。为防止液滴在进入冷却室前受蒸发室高温影响产生损耗,所以在通孔周围设置了冷却夹套。

图1 液滴蒸发过程测试装置示意Fig.1 Schematic diagram of a device principle, droplet evaporation process test device

1.2.2实验过程 麻风树生物柴油具有良好的混合性[18-19],无需融合剂便可与柴油混合,且混合效果较好。本研究按照麻风树生物柴油占混合油的比例为10%、 20%、 50%(质量比)将麻风树生物柴油与柴油进行混合,标记为JME10、JME20和JME50,通过液滴蒸发实验对混合油进行蒸发特性研究。

1.3 数据及图像处理

首先用HALCON软件提取液滴的像素。然后用缩减域运算符提取需要的区域(ROI)。相机使用单个通道捕获图像,因此无需进行灰度转换。根据前背景灰度的差异,通过灰度直方图来提取前景部分并进行阈值分割。由于液滴大约是圆形的,利用HALCON软件对图像进行处理。首先,通过圆形结构元件蚀刻并扩大所提取的前景部分的形状,并根据石英线的粗细设定圆形结构元件的直径,可以完美较好地去除周围的石英线部分。当考虑液滴的膨胀时,在液滴内部产生的白色气泡易于在阈值划分时被捕捉到。然后对图像进行二值化,使用填充运算符填充前景感兴趣(ROI)区域,最后用区域中心运算符提取并获得液滴的面积。提取面积后根据石英线的直径可以计算出液滴的投影当量面积,经过形态学处理后液滴直径的不确定度可以降低到4.35%,极大减少了计算投影面积的误差。确定液滴直径的误差后,就可以利用初始液滴直径(d0)对液滴直径(d)和液滴蒸发时间(t)进行归一化处理[20]。

为了减小实验数据的误差,每组实验重复3次。

2.1 不同混合比例的混合燃油液滴微爆特性

JME10、JME20、JME50和JME在环境温度723 K下的液滴微爆过程详见图2,其主要过程分为初始状态、微爆、蒸发结束,JME20存在特殊过程——二次微爆。

1.初始状态initial state; 2.微爆microburst; 2′.二次微爆secondary microburst; 3.微爆后after microburst;3′.二次微爆后after the secondary microburst; 4.蒸发结束end of evaporation

由图2可知,初始状态下,液滴静止于热电偶中心位置,随着时间变化,由于气泡内的蒸汽压小于液滴的表面压力,液滴内部有气泡产生导致内部出现透明区域,JME10与JME20图像透明区域较为明显,且JME20膨胀体积大。实验中JME10、JME20、JME50和JME液滴微爆时对应的延迟时间分别为1.169、 0.779、 0.935和4.714 s/mm2,结果发现不同混合比例的燃料与不同延迟时间的关系拟合于抛物线。观察图像发现,JME20存在二次微爆,微爆延迟时间为2.857 s/mm2,其余几种混合燃油未发生二次微爆,仅有少量的波动与喷气现象,这表明JME20发生二次微爆对燃油与空气的混合有促进作用。观察微爆与微爆后两个状态下的液滴状态直径,对比发现JME20的微爆强度最大,JME的微爆效果最小。经计算,723 K下各混合燃油JME10、JME20、JME50和JME的归一化液滴直径平方值分别为0.737、 1.134、 0.829、 0.611。对归一化液滴直径平方值进行微爆强度计算,液滴初始状态时直径为1,混合燃料中JME为20%时的液滴(JME20)的微爆强度为1.065略高于液滴直径初始值,说明JME20微爆效果最佳;而JME10、JME50与JME的微爆强度分别为0.858、 0.909和0.783,均小于1,这说明液滴在微爆发生时已经几乎完全蒸发,该时刻液滴破碎较差,在实际应用中不能很好地提高喷雾质量。对微爆延迟与微爆强度进行综合评价,发现混合油JME20液滴的微爆效果最佳。

2.2 不同环境温度对液滴微爆特性的影响

2.2.1对混合燃油JME10液滴微爆特性的影响 JME10在环境温度723和873 K下的蒸发微爆历程见图3。由图可知,在微爆过程中,液滴内部出现透明区域,对比发现,873 K下的液滴内部透明区域较大,这说明JME10在环境温度为873 K下微爆强度更剧烈。观察蒸发微爆历程,液滴自初始状态静止于热电偶中心位置,随时间变化,液滴内部剧烈运动逐渐偏离中心位置,且在873 K下的偏离更明显。723和873 K下的微爆延迟时间分别为1.169和1.039 s/mm2,两者相差较小。

1.初始状态initial state; 2.微爆microburst; 3.微爆后after microburst; 4.蒸发结束end of evaporation

对图3 JME10液滴蒸发进行归一化直径平方,液滴直径值变化如下:723 K温度下,分别为1.004、 0.699、 0.443和0.226;873 K温度下,分别为1.000、 1.860、 0.354和0.207。由数据可知,723 K下,液滴从初始状态至蒸发结束,液滴归一化直径平方呈线性下降。微爆时刻,JME10在873 K下的归一化直径平方远高于723 K时的归一化直径平方。计算微爆强度,873 K微爆强度(1.389)远大于723 K(0.815),说明873 K下的微爆效果更好。相比于723 K,微爆时873 K下的液滴直径较高,而微爆后873 K下略低,同样说明873 K时的微爆效果更好。由此得出结论:环境温度的提高,对提高JME10燃油液滴的微爆质量有促进效果,同时也促进液滴破碎效果,但对微爆延迟的影响较小。

2.2.2对混合燃油JME20液滴微爆特性的影响 JME20在环境温度723和873 K下的蒸发微爆历程见图4。JME20的蒸发微爆历程与JME10相似但又不同,相似处为液滴受热产生核变化与气泡,液滴内部体积膨胀到一定程度发生微爆,且微爆延迟时间相近,分别为0.779与0.701 s/mm2,这说明温度升高对微爆延迟时间的影响较小。JME20在723 K时有二次微爆,而在873 K时未出现该现象,原因可能是873 K下燃料已被彻底蒸发,不足以形成二次微爆。

1.初始状态initial state; 2.微爆microburst; 2′.二次微爆secondary microburst; 3.微爆后after microburst;3′.二次微爆后after the secondary microburst; 4.蒸发结束end of evaporation

对图4 JME20液滴蒸发历程进行归一化直径平方,液滴直径值变化如下:723 K温度下,分别为1.000、 1.109、 0.558、 0.670、 0.432和0.165;873 K温度下,分别为1.000、 1.194、 0.469和0.155。在微爆发生时,723 K温度下液滴归一化直径平方略低于873 K温度下的,对其进行微爆强度计算,873 K下的微爆强度(1.092)略高于723 K(1.052),说明微爆时液滴直径与初始直径相差不大,微爆效果好。微爆后,液滴直径变小,但723 K下的液滴直径略大于873 K下的液滴直径,这说明液滴在873 K下燃油与空气混合效果更好,微爆效果更好。故得出结论:提高温度可以实现促进JME20液滴微爆效果,缩短蒸发时间,但是对微爆延迟时间的影响不大。

2.2.3对JME液滴微爆特性的影响 环境温度723和873 K下JME燃油液滴的微爆历程见图5。液滴在环境温度为723 K下微爆时无透明区域,微爆延迟时间为4.714 s/mm2,无二次微爆。而873 K下液滴微爆有明显透明区域,第一次微爆延迟时间为2.545 s/mm2,液滴在2.649 s/mm2时发生2次微爆,此后又发生4次微爆,原因是高温使液滴内部分子剧烈运动,导致液滴运动偏离热电偶中心位置。同时液滴可能因为与热电偶传热作用发生受热不均,导致多次微爆。

1.初始状态initial state; 2.微爆microburst; 2′.二次微爆secondary microburst; 2″.三次微爆three microburst; 2‴.四次微爆four microburst; 2″″.五次微爆five microburst;3.微爆后after microburst; 3′.二次微爆后after secondary microburst; 3″.三次微爆后after three microburst; 3‴.四次微爆后after four microburst; 3″″.五次微爆后after five microburst; 4.蒸发结束end of evaporation

计算两种环境温度下的微爆强度,873 K下的微爆强度(1.244)远大于723 K下的(0.783),原因是燃油沸点低于873 K,液滴在环境温度873 K下,由于内部温度过高,内部产生核变化与气泡。蒸发结束时发现,723 K下的归一化直径平方大于873 K下的归一化直径平方,这表明723 K燃油不能彻底蒸发,JME不是理想的燃油。

对图6 JME液滴进行归一化直径平方,液滴直径值变化如下:723 K温度下,分别为0.999、 0.612、 0.563和0.233;873 K温度下,分别为0.999、 1.550、 1.040、 1.350、 0.960、 1.230、 0.850、 1.030、 0.730、 0.800、 0.323和0.123。微爆时,温度为873 K的直径平方值远高于723 K的,通过计算,873 K下的微爆强度为1.244,远大于723 K下的微爆强度0.783。原因是燃油沸点低于873 K,液滴在环境温度873 K下,由于内部温度过高,内部产生核变化与气泡。微爆后873 K下的液滴直径平方值仍大于723 K下的,这说明虽然高温能提高液滴的微爆强度,但是在873 K下JME不能彻底微爆,会残留大量的燃油液滴并发生多次微爆。蒸发结束时发现,723 K下JME液滴的归一化直径值大于873 K下的,这表明723 K时燃油不能彻底蒸发,JME不是理想的燃油。因此,由结果可知: JME作为燃油,其微爆强度与破碎效果会随着环境温度的增大而提高,并在一定程度上增加其微爆次数,促进液滴的蒸发效果,缩短蒸发时间。但就数据而言,相对于混合燃油而言,JME并不是理想的燃油。

3.1将不同质量比的麻风树生物柴油(JME)与柴油混合,以混合燃油为研究对象,利用热电偶挂滴技术对混合燃油蒸发微爆进行研究,分析了不同环境温度下不同混合比例的混合燃油的微爆特性。环境温度为723 K时,微爆发生时,液滴混合比例与微爆延迟时间之间存在类似于抛物线函数的关系,JME20(即JME质量占混合燃油质量的20%)液滴的微爆延迟时间最短,有利于燃烧前燃油与空气的充分混合。与柴油相比,混合燃油在蒸发过程中,微爆强度不断变化,JME20的微爆强度最高。在第一次微爆结束后,JME20会发生二次微爆,增大液滴内部破碎程度,促进燃油与空气混合,使液滴蒸发更彻底。因此,JEM20是较为理想促进微爆与蒸发的混合燃油。

3.2提高环境温度,会促使液滴内部形成更大的透明区域,即液滴内部成核及气泡生长作用增强。微爆强度更大,破碎效果更好,提高环境温度会增强液滴内部气泡的剧烈运动。

3.3JME作为燃油,高温时液滴可能存在多次微爆,微爆提高了液滴微爆强度,减少蒸发时间,实现燃油的彻底蒸发,相对于混合燃油而言,JME并不是理想的燃油。

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