柴油-麻風樹生物柴油混合燃油的微爆特性研究

張 璇, 姜根柱

(江蘇科技大學 機械工程學院,江蘇 鎮江 212003)

化石能源的日益受限和生活環境的日益惡化推動了人們對內燃機替代能源的研究[1-4]。可再生生物燃料憑借其原材料廣泛、燃燒產生的NOx低等優勢,為日益增長的能源需求提供了一種選擇[5-6]。生物油催化脫氧法生產的生物燃料具有熱值高、黏度低、結構與石油燃料相似等優點[7-8]。麻風樹耐干旱和貧瘠,種子出油率高達30%～50%。雖然麻風樹油不可食用[9-10],但其十六烷值高于柴油,可直接在發動機中使用,故麻風樹油為一種可替代的燃料。目前對于麻風樹油特性的研究,國內外學者做了大量的工作。Wardana等[11]研究了含水麻風樹油滴在高溫下的燃燒特性,發現水解反應發生在含水麻風樹油滴的燃燒過程中,油滴經歷了兩個燃燒階段:脂肪酸燃燒和甘油燃燒,微爆炸發生在第二階段的開始,隨著油溫的升高,微爆炸變得更加頻繁。Satyanarayana等[12]通過實驗發現:溫度從40 ℃升至80 ℃時,黏度可以從38.4 Pa·s降至11.2 Pa·s,降低的黏度使麻風樹油在柴油機上得到了滿意的燃燒性能。Wang等[13]研究了麻風樹純植物油液滴膨化和蒸發特性,發現高溫下可觀察到液滴變形、氣泡生成和膨脹、微爆炸,并提出微爆炸發生的原因是液滴中揮發性成分在高溫下形成氣泡使液滴發生微爆。目前國內外對麻風樹油研究均集中于液滴燃油噴霧燃燒或純麻風樹油液滴的蒸發,對麻風樹油與柴油的混合燃料的蒸發特性的研究很少,因此有必要對柴油-麻風樹混合燃油的蒸發特性進行研究。

本研究采用掛滴技術,分析不同環境溫度下麻風樹生物柴油與柴油不同混合比例的混合燃油液滴的微爆特性,并研究液滴微爆對蒸發的影響,從而達到將麻風樹油-柴油混合使用時能在柴油缸內穩定燃燒的目標。

1 實 驗

1.1 原 料

柴油,購自中國石油天然氣有限公司;麻風樹生物柴油(JME),實驗室自制[14],由選自中國江蘇的麻風樹籽為原料,經電動榨油機榨機提取和氫氧化鉀、甲醇堿性酯化,分離甘油后制得;甲醇、氫氧化鉀,均為市售分析純;本試驗樣品的品質數據由西南石油大學化工學院測定,如表1所示。

表1 燃料理化特性

1.2 混合燃料微爆實驗

1.2.1實驗裝置 圖1為單液滴蒸發實驗裝置原理示意圖。在熱電偶線的焊接處懸掛一個液滴。該熱電偶線的直徑為0.127 mm。這種直徑的熱電偶幾乎不影響蒸發過程[15-17]。將液滴推到電爐中,高速攝像機記錄蒸發過程。液滴蒸發實驗裝置系統由4個主要部分組成:蒸發室系統、加熱系統、圖像溫度采集系統和液滴傳輸系統。該系統需要安裝石英玻璃窗,為攝像頭和背光提供窗口,爐前、爐后各安裝一個。汽化彈體為3層,最外層為不銹鋼外殼,不銹鋼外殼內有兩層陶瓷內膽。電阻加熱絲環繞在兩層陶瓷之間以保持溫度均勻。 N2用作惰性氣體以防止液滴在蒸發過程中燃燒。溫度控制器可以控制爐溫。K型熱電偶溫度傳感器用作傳感器。該爐最高溫度在1 000 K左右,控溫精度在±5 K左右。為了保證爐溫的穩定,還對爐子進行了調試。高速攝像頭聚焦于液滴中心位置,拍攝頻率設置為500幀/s,分辨率為1 024×1 024。爐頂位置放置一個直徑為8 mm的小孔。液滴將準確出現在高速相機對焦位置。為防止液滴在進入冷卻室前受蒸發室高溫影響產生損耗,所以在通孔周圍設置了冷卻夾套。

圖1 液滴蒸發過程測試裝置示意Fig.1 Schematic diagram of a device principle, droplet evaporation process test device

1.2.2實驗過程 麻風樹生物柴油具有良好的混合性[18-19],無需融合劑便可與柴油混合,且混合效果較好。本研究按照麻風樹生物柴油占混合油的比例為10%、 20%、 50%(質量比)將麻風樹生物柴油與柴油進行混合,標記為JME10、JME20和JME50,通過液滴蒸發實驗對混合油進行蒸發特性研究。

1.3 數據及圖像處理

首先用HALCON軟件提取液滴的像素。然后用縮減域運算符提取需要的區域(ROI)。相機使用單個通道捕獲圖像,因此無需進行灰度轉換。根據前背景灰度的差異,通過灰度直方圖來提取前景部分并進行閾值分割。由于液滴大約是圓形的,利用HALCON軟件對圖像進行處理。首先,通過圓形結構元件蝕刻并擴大所提取的前景部分的形狀,并根據石英線的粗細設定圓形結構元件的直徑,可以完美較好地去除周圍的石英線部分。當考慮液滴的膨脹時,在液滴內部產生的白色氣泡易于在閾值劃分時被捕捉到。然后對圖像進行二值化,使用填充運算符填充前景感興趣(ROI)區域,最后用區域中心運算符提取并獲得液滴的面積。提取面積后根據石英線的直徑可以計算出液滴的投影當量面積,經過形態學處理后液滴直徑的不確定度可以降低到4.35%,極大減少了計算投影面積的誤差。確定液滴直徑的誤差后,就可以利用初始液滴直徑(d0)對液滴直徑(d)和液滴蒸發時間(t)進行歸一化處理[20]。

為了減小實驗數據的誤差,每組實驗重復3次。

2 結果與討論

2.1 不同混合比例的混合燃油液滴微爆特性

JME10、JME20、JME50和JME在環境溫度723 K下的液滴微爆過程詳見圖2,其主要過程分為初始狀態、微爆、蒸發結束,JME20存在特殊過程——二次微爆。

1.初始狀態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.蒸發結束end of evaporation

由圖2可知,初始狀態下,液滴靜止于熱電偶中心位置,隨著時間變化,由于氣泡內的蒸汽壓小于液滴的表面壓力,液滴內部有氣泡產生導致內部出現透明區域,JME10與JME20圖像透明區域較為明顯,且JME20膨脹體積大。實驗中JME10、JME20、JME50和JME液滴微爆時對應的延遲時間分別為1.169、 0.779、 0.935和4.714 s/mm2,結果發現不同混合比例的燃料與不同延遲時間的關系擬合于拋物線。觀察圖像發現,JME20存在二次微爆,微爆延遲時間為2.857 s/mm2,其余幾種混合燃油未發生二次微爆,僅有少量的波動與噴氣現象,這表明JME20發生二次微爆對燃油與空氣的混合有促進作用。觀察微爆與微爆后兩個狀態下的液滴狀態直徑,對比發現JME20的微爆強度最大,JME的微爆效果最小。經計算,723 K下各混合燃油JME10、JME20、JME50和JME的歸一化液滴直徑平方值分別為0.737、 1.134、 0.829、 0.611。對歸一化液滴直徑平方值進行微爆強度計算,液滴初始狀態時直徑為1,混合燃料中JME為20%時的液滴(JME20)的微爆強度為1.065略高于液滴直徑初始值,說明JME20微爆效果最佳;而JME10、JME50與JME的微爆強度分別為0.858、 0.909和0.783,均小于1,這說明液滴在微爆發生時已經幾乎完全蒸發,該時刻液滴破碎較差,在實際應用中不能很好地提高噴霧質量。對微爆延遲與微爆強度進行綜合評價,發現混合油JME20液滴的微爆效果最佳。

2.2 不同環境溫度對液滴微爆特性的影響

2.2.1對混合燃油JME10液滴微爆特性的影響 JME10在環境溫度723和873 K下的蒸發微爆歷程見圖3。由圖可知,在微爆過程中,液滴內部出現透明區域,對比發現,873 K下的液滴內部透明區域較大,這說明JME10在環境溫度為873 K下微爆強度更劇烈。觀察蒸發微爆歷程,液滴自初始狀態靜止于熱電偶中心位置,隨時間變化,液滴內部劇烈運動逐漸偏離中心位置,且在873 K下的偏離更明顯。723和873 K下的微爆延遲時間分別為1.169和1.039 s/mm2,兩者相差較小。

1.初始狀態initial state; 2.微爆microburst; 3.微爆后after microburst; 4.蒸發結束end of evaporation

對圖3 JME10液滴蒸發進行歸一化直徑平方,液滴直徑值變化如下:723 K溫度下,分別為1.004、 0.699、 0.443和0.226;873 K溫度下,分別為1.000、 1.860、 0.354和0.207。由數據可知,723 K下,液滴從初始狀態至蒸發結束,液滴歸一化直徑平方呈線性下降。微爆時刻,JME10在873 K下的歸一化直徑平方遠高于723 K時的歸一化直徑平方。計算微爆強度,873 K微爆強度(1.389)遠大于723 K(0.815),說明873 K下的微爆效果更好。相比于723 K,微爆時873 K下的液滴直徑較高,而微爆后873 K下略低,同樣說明873 K時的微爆效果更好。由此得出結論:環境溫度的提高,對提高JME10燃油液滴的微爆質量有促進效果,同時也促進液滴破碎效果,但對微爆延遲的影響較小。

2.2.2對混合燃油JME20液滴微爆特性的影響 JME20在環境溫度723和873 K下的蒸發微爆歷程見圖4。JME20的蒸發微爆歷程與JME10相似但又不同,相似處為液滴受熱產生核變化與氣泡,液滴內部體積膨脹到一定程度發生微爆,且微爆延遲時間相近,分別為0.779與0.701 s/mm2,這說明溫度升高對微爆延遲時間的影響較小。JME20在723 K時有二次微爆,而在873 K時未出現該現象,原因可能是873 K下燃料已被徹底蒸發,不足以形成二次微爆。

1.初始狀態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.蒸發結束end of evaporation

對圖4 JME20液滴蒸發歷程進行歸一化直徑平方,液滴直徑值變化如下:723 K溫度下,分別為1.000、 1.109、 0.558、 0.670、 0.432和0.165;873 K溫度下,分別為1.000、 1.194、 0.469和0.155。在微爆發生時,723 K溫度下液滴歸一化直徑平方略低于873 K溫度下的,對其進行微爆強度計算,873 K下的微爆強度(1.092)略高于723 K(1.052),說明微爆時液滴直徑與初始直徑相差不大,微爆效果好。微爆后,液滴直徑變小,但723 K下的液滴直徑略大于873 K下的液滴直徑,這說明液滴在873 K下燃油與空氣混合效果更好,微爆效果更好。故得出結論:提高溫度可以實現促進JME20液滴微爆效果,縮短蒸發時間,但是對微爆延遲時間的影響不大。

2.2.3對JME液滴微爆特性的影響 環境溫度723和873 K下JME燃油液滴的微爆歷程見圖5。液滴在環境溫度為723 K下微爆時無透明區域,微爆延遲時間為4.714 s/mm2,無二次微爆。而873 K下液滴微爆有明顯透明區域,第一次微爆延遲時間為2.545 s/mm2,液滴在2.649 s/mm2時發生2次微爆,此后又發生4次微爆,原因是高溫使液滴內部分子劇烈運動,導致液滴運動偏離熱電偶中心位置。同時液滴可能因為與熱電偶傳熱作用發生受熱不均,導致多次微爆。

1.初始狀態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.蒸發結束end of evaporation

計算兩種環境溫度下的微爆強度,873 K下的微爆強度(1.244)遠大于723 K下的(0.783),原因是燃油沸點低于873 K,液滴在環境溫度873 K下,由于內部溫度過高,內部產生核變化與氣泡。蒸發結束時發現,723 K下的歸一化直徑平方大于873 K下的歸一化直徑平方,這表明723 K燃油不能徹底蒸發,JME不是理想的燃油。

對圖6 JME液滴進行歸一化直徑平方,液滴直徑值變化如下:723 K溫度下,分別為0.999、 0.612、 0.563和0.233;873 K溫度下,分別為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。微爆時,溫度為873 K的直徑平方值遠高于723 K的,通過計算,873 K下的微爆強度為1.244,遠大于723 K下的微爆強度0.783。原因是燃油沸點低于873 K,液滴在環境溫度873 K下,由于內部溫度過高,內部產生核變化與氣泡。微爆后873 K下的液滴直徑平方值仍大于723 K下的,這說明雖然高溫能提高液滴的微爆強度,但是在873 K下JME不能徹底微爆,會殘留大量的燃油液滴并發生多次微爆。蒸發結束時發現,723 K下JME液滴的歸一化直徑值大于873 K下的,這表明723 K時燃油不能徹底蒸發,JME不是理想的燃油。因此,由結果可知: JME作為燃油,其微爆強度與破碎效果會隨著環境溫度的增大而提高,并在一定程度上增加其微爆次數,促進液滴的蒸發效果,縮短蒸發時間。但就數據而言,相對于混合燃油而言,JME并不是理想的燃油。

3 結 論

3.1將不同質量比的麻風樹生物柴油(JME)與柴油混合,以混合燃油為研究對象,利用熱電偶掛滴技術對混合燃油蒸發微爆進行研究,分析了不同環境溫度下不同混合比例的混合燃油的微爆特性。環境溫度為723 K時,微爆發生時,液滴混合比例與微爆延遲時間之間存在類似于拋物線函數的關系,JME20(即JME質量占混合燃油質量的20%)液滴的微爆延遲時間最短,有利于燃燒前燃油與空氣的充分混合。與柴油相比,混合燃油在蒸發過程中,微爆強度不斷變化,JME20的微爆強度最高。在第一次微爆結束后,JME20會發生二次微爆,增大液滴內部破碎程度,促進燃油與空氣混合,使液滴蒸發更徹底。因此,JEM20是較為理想促進微爆與蒸發的混合燃油。

3.2提高環境溫度,會促使液滴內部形成更大的透明區域,即液滴內部成核及氣泡生長作用增強。微爆強度更大,破碎效果更好,提高環境溫度會增強液滴內部氣泡的劇烈運動。

3.3JME作為燃油,高溫時液滴可能存在多次微爆,微爆提高了液滴微爆強度,減少蒸發時間,實現燃油的徹底蒸發,相對于混合燃油而言,JME并不是理想的燃油。