張美娟，魏衍舉，張啟霞，陳晟閩

(1.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與交通學(xué)院，江蘇 無錫 214121；2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 3.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引 言

煤炭液化產(chǎn)品及清潔燃料技術(shù)關(guān)系到國家石油能源安全戰(zhàn)略問題[1]。甲醇在常溫下呈液態(tài)，運(yùn)輸方便，在點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)上已得到應(yīng)用。柴油機(jī)是農(nóng)用及工程機(jī)械的主要動力源，采用煤液化技術(shù)生產(chǎn)甲醇并應(yīng)用在柴油機(jī)上可降低顆粒物排放，滿足日益嚴(yán)格的排放要求。柴油機(jī)燃用煤制甲醇可助力能源多元化，是煤炭資源綜合清潔利用的有效途徑[2-3]。甲醇汽化潛熱大、含氧量高，但十六烷值低、自燃性差，且難以在柴油機(jī)上直接壓燃。甲醇液滴的蒸發(fā)、著火、燃燒對柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行影響較大。提高甲醇燃料的十六烷值是改善甲醇著火及燃燒過程的重要手段[4]。

燃料的蒸發(fā)過程對燃燒過程有重大影響，在甲醇燃料中添加正庚烷，可提高燃料的十六烷值，改善甲醇燃料著火特性，提高柴油機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性。但加入正庚烷會改變液滴表面張力、飽和蒸汽壓等，燃料蒸發(fā)特性變化。開展正庚烷-甲醇液滴的蒸發(fā)特性研究，對改善柴油機(jī)使用甲醇燃料時的燃燒過程和推廣甲醇燃料在農(nóng)用柴油機(jī)上的應(yīng)用具有重要意義。

燃料燃燒包含燃油液滴的蒸發(fā)和著火過程。圍繞液滴蒸發(fā)和燃燒等特性，國內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛研究工作。馬力等[5]運(yùn)用數(shù)值求解的方法，建立了液滴蒸發(fā)模型，對不同流速、溫度時液滴蒸發(fā)特性變化規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，液滴蒸發(fā)速率隨氣流溫度、氣流速度和液滴初始直徑的增大而增大。段小龍等[6]搭建了液滴蒸發(fā)試驗(yàn)臺架，采用懸掛法對高溫氣流中液滴蒸發(fā)過程進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，隨液滴直徑減小，傳質(zhì)表面積減小，液滴周圍蒸汽濃度對蒸發(fā)過程產(chǎn)生影響。費(fèi)舒波等[7]建立了雙組分單液滴的一維蒸發(fā)模型，分析了機(jī)油液滴在不同壓力和溫度條件下蒸發(fā)特性的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在相同壓力下，隨溫度增大，液滴體積膨脹期縮短，體積膨脹比影響較??；當(dāng)溫度一定時，環(huán)境壓力的增大對液滴蒸發(fā)具有一定抑制作用。趙宇煒等[8]提出在大部分液滴蒸發(fā)期間，表征單位面積液滴蒸發(fā)速率的D2定律成立，即液滴直徑D與液滴初始直徑D0比值的平方隨時間t變化曲線近似為一條直線，液滴直徑與液滴初始直徑比的平方(D/D0)2隨時間延長而線性減??；液滴瞬態(tài)燃燒過程對溫度較敏感，在無火焰的較低溫度范圍內(nèi)，液滴會以純蒸發(fā)狀態(tài)存在。FITRIANA等[9]搭建噴霧試驗(yàn)臺架，研究了溫度對不同類型液體燃料液滴蒸發(fā)速率的影響規(guī)律，分析了不同粒徑液滴的蒸發(fā)速率。結(jié)果表明，液滴粒徑和蒸發(fā)速率與溫度呈正相關(guān)。FENG等[10]建立了懸浮正庚烷液滴的蒸發(fā)模型，研究正庚烷液滴的蒸發(fā)過程及其對火焰振蕩的影響，并通過模型準(zhǔn)確地預(yù)測蒸發(fā)時間和蒸發(fā)速率。結(jié)果表明，當(dāng)正庚烷摻混體積比增大時，液滴壽命增加；提高環(huán)境溫度，降低液膜壽命，而液滴蒸發(fā)速率會隨溫度的增大而增加。BAEK等[11]運(yùn)用快速壓縮機(jī)(RCM)等設(shè)備，研究了正庚烷液滴蒸發(fā)和燃燒特性，分析了不同氣體氛圍時液滴蒸發(fā)速率。結(jié)果表明，隨環(huán)境壓力增大，液滴周圍的環(huán)境溫度上升，液滴蒸發(fā)速率增大。BANERJEE[12]運(yùn)用液滴蒸發(fā)模型對不同條件下液滴組分的分散性進(jìn)行研究，表明液滴組分的分散性受氣體流速的影響較小，溫度是影響液滴組分分散性的主要因素。

綜上所述，液滴蒸發(fā)及燃燒方面的研究主要集中于分析不同因素對液滴蒸發(fā)速率、液滴壽命和蒸發(fā)時間等特征參數(shù)的影響規(guī)律；或考慮單一因素的影響，如液滴組分和液滴粒徑的影響。在甲醇中添加正庚烷，提高燃料的十六烷值，結(jié)合摻混體積比、溫度、液滴直徑變化，研究其液滴蒸發(fā)特性方面的報道較少。

筆者搭建了液滴蒸發(fā)試驗(yàn)裝置，處理高速攝影機(jī)拍攝的液滴圖像，研究了正庚烷-甲醇液滴的蒸發(fā)特性，分析了不同正庚烷摻混體積比、環(huán)境溫度等參數(shù)對甲醇液滴蒸發(fā)的變化規(guī)律，揭示不同溫度、正庚烷添加比例對甲醇蒸發(fā)特性的影響，為甲醇燃料在農(nóng)用柴油機(jī)上的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

采用相似理論對試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用掛滴法固定待測液滴[13]。試驗(yàn)裝置由采樣裝置、加熱系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)裝置和高速攝像機(jī)構(gòu)成，如圖1所示。正庚烷-甲醇溶液由不銹鋼注射針產(chǎn)生，其控制精度約為1 μL；正庚烷-甲醇液滴周圍環(huán)境溫度經(jīng)高溫管式爐調(diào)節(jié)。通過XMTD數(shù)顯調(diào)節(jié)儀等組成的溫度控制系統(tǒng)，可測量管式爐內(nèi)的溫度，主要性能參數(shù)見表1。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic of test system

表1 XMTD數(shù)顯調(diào)節(jié)儀性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of XMTD digital display regulator

采用美國Phantom miro ex4高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝液滴的蒸發(fā)過程，高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的主要參數(shù)見表2。

表2 Phantom miro ex4高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)Table 2 Phantom miro ex4 high speed digital camera

1.2 試驗(yàn)方案

針對農(nóng)用柴油機(jī)甲醇混合燃料的燃燒特性，試驗(yàn)時，選用正庚烷提高甲醇燃料的十六烷值。為使甲醇燃料的十六烷值適當(dāng)增加，根據(jù)體積分?jǐn)?shù)，分別配制出4種不同摻混體積比的正庚烷-甲醇混合溶液進(jìn)行對比分析：純甲醇、5%正庚烷-甲醇、10%正庚烷-甲醇和15%正庚烷-甲醇混合燃料。

試驗(yàn)前，利用改性劑對不銹鋼針頭進(jìn)行預(yù)處理，增大針頭與液滴間黏附力，易于液滴在針尖處懸掛。為提高試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，試驗(yàn)環(huán)境保持在同一溫度和濕度。設(shè)定工況溫度為100～500 ℃。為減少試驗(yàn)誤差，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3 燃料特性

十六烷值(Cetane Number，CN)是衡量燃料著火性能的重要指標(biāo)[14]。使用經(jīng)驗(yàn)公式(1)，對混合溶液的十六烷值進(jìn)行估算[15]：

CN=φ1CN1+φ2CN2，

(1)

式中，CN1和CN2分別為正庚烷和甲醇的十六烷值；φ1和φ2分別為混合燃料中正庚烷和甲醇的摻混體積分?jǐn)?shù)。

試驗(yàn)用甲醇及正庚烷理化性質(zhì)見表3。

表3 燃料理化性質(zhì)Table 3 Physical and chemical properties of fuel

混合燃料的十六烷值見表4。由表4可知，加入正庚烷后，燃料的十六烷值增加。當(dāng)正庚烷摻混體積比為5%時，正庚烷-甲醇混合燃料的十六烷值由原來的3.0增至11.1，與甲醇相比，增長了近3.6倍，增幅較大。

表4 混合燃料十六烷值Table 4 Cetane number of mixed fuel

1.4 圖像處理

在單液滴蒸發(fā)試驗(yàn)中，直接測量液滴質(zhì)量隨時間的變化非常困難。液滴質(zhì)量的損失會導(dǎo)致液滴直徑隨時間縮小。由于液滴懸浮時呈橢球形，采用等效直徑作為分析基準(zhǔn)。利用注射器控制注射量確定液滴的初始直徑D0為0.5～3.5 mm。

本試驗(yàn)中，液滴蒸發(fā)環(huán)境相對封閉，液滴在蒸發(fā)過程中的直徑變化可通過處理液滴蒸發(fā)形態(tài)圖像獲得。使用Image-Pro Plus圖像處理軟件分析液滴蒸發(fā)形態(tài)圖像，通過整張圖片中液滴所占比例定義所采集圖片的有效區(qū)域，在降低計(jì)算量的同時提高程序?qū)D片的處理精度。對圖片進(jìn)行二值化處理，確保液滴大小形狀與原始圖像保持一致，凸顯液滴邊緣輪廓，消除相對干擾(運(yùn)用經(jīng)典的Otsu方法用于獲得該區(qū)域每個部分的最佳閾值)。使用形態(tài)學(xué)圖像處理技術(shù)，去除針管。圖像的空間分辨率為22 μm/像素，統(tǒng)計(jì)減掉針管的液滴的像素點(diǎn)個數(shù)，乘以像素點(diǎn)面積即可獲得液滴投影面積S。液滴等效為標(biāo)準(zhǔn)圓形，液滴的實(shí)際面積用等效圓面積代替，液滴圖像處理過程如圖2所示。液滴當(dāng)量直徑可通過式(2)[16]求解：

圖2 液滴圖像處理過程Fig.2 Droplet image processing procedure

(2)

式中，d為液滴的當(dāng)量直徑,mm；S為液滴的實(shí)際投影面積，mm2。

建立相同溫度下不同摻混體積比正庚烷-甲醇溶液的蒸發(fā)曲線和同一添加劑濃度下不同溫度時蒸發(fā)曲線。分析溫度和正庚烷添加劑對甲醇液滴蒸發(fā)特性影響，擬合其函數(shù)表達(dá)式。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 液滴形貌

正庚烷-甲醇溶液液滴蒸發(fā)時的形貌變化見表5，可知液滴直徑的大小與形狀均隨時間推移而發(fā)生變化，液滴不斷蒸發(fā)并形成一個圓盤。蒸發(fā)開始階段，由于分子間存在范德華力、液橋力以及重力等力的相互作用，液滴的受力平衡，表現(xiàn)為圓球形狀。隨時間增加，液滴開始蒸發(fā)，液滴直徑逐漸減小，其體積減小，液滴間的相互作用力被破壞，液滴從圓球轉(zhuǎn)變成橢球，直至蒸發(fā)結(jié)束。

表5 液滴蒸發(fā)時的形貌變化Table 5 Morphological changes of droplets during evaporation

2.2 液滴直徑變化

試驗(yàn)測量時混合溶液液滴在初始時刻的直徑不能保證完全相同，為減少液滴大小對蒸發(fā)特性的影響，通過無量綱參數(shù)對液滴的蒸發(fā)特性進(jìn)行表征，即液滴直徑D與液滴初始直徑D0比值的平方(D/D0)2[17]。

圖3為液滴無量綱直徑的平方隨時間的變化規(guī)律。由圖3可知，同種液滴隨溫度升高，其(D/D0)2-t的斜率隨之增大，說明(D/D0)2隨溫度升高而增加。這是因?yàn)闇囟壬撸旱蔚膫鳠崮芰ψ儚?qiáng)，甲醇的蒸發(fā)氣體增多，導(dǎo)致環(huán)境氣體向混合液滴傳熱能力增強(qiáng)。同時，溫度在300 ℃以上時，不同體積分?jǐn)?shù)的正庚烷-甲醇溶液液滴的蒸發(fā)曲線集中，這是由于液滴處在高于300 ℃的高溫區(qū)域，液滴表面的氣態(tài)甲醇濃度迅速增大，使液滴周圍的濃度梯度變小，降低了液滴蒸發(fā)速率的變化幅度。蒸發(fā)初始階段，混合溶液液滴的表面存在一定溫度差，液滴蒸發(fā)快，隨蒸發(fā)進(jìn)行，蒸汽擴(kuò)散速度小于液滴蒸發(fā)速度，使液滴蒸發(fā)速率減小。經(jīng)過初始的快速蒸發(fā)階段，液滴會與周圍環(huán)境的溫度梯度達(dá)到相對平衡狀態(tài)。正庚烷-甲醇混合溶液液滴在不同溫度時蒸發(fā)特性一致，(D/D0)2-t整體上基本呈線性相關(guān)，滿足D2定律。

圖3 液滴的無量綱直徑的平方隨時間變化規(guī)律Fig.3 Variation of the square of dimensionless diameter of droplets with time

2.3 液滴面積變化

圖4為不同溫度下正庚烷-甲醇液滴相對面積A隨時間變化規(guī)律。當(dāng)溫度升高，液滴相對面積變化率增大。這主要是因?yàn)殡S環(huán)境溫度上升，液滴表面溫差縮小，降低了液滴間的傳熱系數(shù)，使液滴表面與空氣間的熱交換加快，提高了液滴單位面積蒸發(fā)速率。

圖4 不同溫度的正庚烷-甲醇液滴相對面積隨時間變化規(guī)律Fig.4 Variation of relative area of n-heptane methanol droplets with time at different temperatures

2.4 溫度對液滴蒸發(fā)速率的影響

為了表征液滴特性，用單位時間內(nèi)液滴直徑與液滴初始直徑比值的平方表示液滴蒸發(fā)速率。不同摻混體積比正庚烷-甲醇液滴在不同溫度下的單位面積蒸發(fā)速率見表6，可知當(dāng)溫度從100 ℃升至500 ℃，純甲醇、5%正庚烷-甲醇、10%正庚烷-甲醇、15%正庚烷-甲醇溶液的液滴單位面積蒸發(fā)速率分別增加了543%、639%、896%、556%。這說明升高環(huán)境溫度可以促進(jìn)液滴蒸發(fā)速率的增加。

表6 不同溫度下液滴單位面積蒸發(fā)速率Table 6 Evaporation rate per unit area of droplets at different temperatures

對環(huán)境溫度100～500 ℃的液滴相對面積隨時間變化的散點(diǎn)圖進(jìn)行線性擬合如圖5所示，得到y(tǒng)=ax+b的直線方程，不同溫度的液滴蒸發(fā)速率擬合曲線的線性回歸系數(shù)R2>0.96，系數(shù)接近1，表明擬合精度較高。由圖5可知，不同摻混體積比的正庚烷-甲醇溶液液滴相對面積的蒸發(fā)速率均隨溫度升高呈線性增加趨勢。純甲醇、5%正庚烷-甲醇、10%正庚烷-甲醇、15%正庚烷-甲醇溶液液滴單位面積蒸發(fā)速率隨溫度變化散點(diǎn)圖的擬合曲線斜率分別為2.323×10-4、2.574×10-4、2.273×10-4、2.132×10-4。這主要是由于當(dāng)溫度較低時混合溶液液滴表面的微觀作用力較大，液滴中正庚烷和甲醇的揮發(fā)遲滯，液滴的蒸發(fā)較慢；當(dāng)溫度增加時，液滴表面的微觀作用力降低，使液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟哪軌緶p??；另外，液滴的傳熱系數(shù)隨著溫度的升高而增加，導(dǎo)致液滴吸收熱量增多，從而促進(jìn)液滴蒸發(fā)[18]。

2.5 摻混體積比對液滴蒸發(fā)時間的影響

液滴蒸發(fā)不僅受環(huán)境影響，其自身的組分、性質(zhì)等因素也會對蒸發(fā)產(chǎn)生作用[19-20]。正庚烷的摻混體積比是影響混合溶液液滴蒸發(fā)速率的重要因素。為分析摻混體積比對混合溶液液滴蒸發(fā)特性的影響，研究在100、200、300、400和500 ℃時，不同摻混體積比混合溶液的蒸發(fā)曲線。

表7為不同摻混體積比的正庚烷-甲醇液滴的蒸發(fā)時間，可知200和 300 ℃時，添加5%摻混體積比的正庚烷會使液滴蒸發(fā)時間縮短。在100、400、500 ℃下，與純甲醇液滴相比，5%正庚烷-甲醇液滴蒸發(fā)時間延長。這可能是因?yàn)椋?00、300 ℃ 下，正庚烷處于臨界點(diǎn)附近(540 K),內(nèi)部分子運(yùn)動較為劇烈。由表7可知，100 ℃時隨正庚烷摻混體積比增加，混合溶液的蒸發(fā)時間縮短，5%正庚烷-甲醇、10%正庚烷-甲醇和15%正庚烷-甲醇的液滴蒸發(fā)時間分別為51.52、47.59和36.28 s。200 ℃時，隨正庚烷添加比例增加，甲醇液滴的蒸發(fā)時間延長。300、400、500 ℃下，隨正庚烷添加比例的增加，液滴的蒸發(fā)時間先增加后有所降低，總體呈增加趨勢。在200、300、400、500 ℃試驗(yàn)條件下，當(dāng)正庚烷摻混體積比從5%增至15%后，液滴蒸發(fā)時間分別增加了53.9%、17.1%、47.5%、53.1%。這可能是由于正庚烷較甲醇的沸點(diǎn)高，其蒸發(fā)速率較甲醇液滴慢，由此推論，隨正庚烷摻混體積比的增加，甲醇液滴的蒸發(fā)速率下降，從而影響其蒸發(fā)燃燒。

表7 液滴在不同溫度下的蒸發(fā)時間Table 7 Droplet evaporation time at different temperatures

不同摻混體積比的正庚烷-甲醇液滴相對面積隨時間變化規(guī)律如圖6所示，可知在100 ℃下，當(dāng)正庚烷摻混體積比從5%增至15%，液滴蒸發(fā)時間縮短了29.6%。在200 ℃下，當(dāng)正庚烷摻混體積比從5%增至15%，液滴蒸發(fā)時間縮短了54%。在300、400、500 ℃溫度下，隨正庚烷摻混體積比的增加，液滴蒸發(fā)時間先增加后減少。在100～500 ℃下各正庚烷-甲醇液滴在同一溫度下的變化趨勢相似，各曲線重合度較高。這可能是由于甲醇與正庚烷都為易揮發(fā)液體，其蒸發(fā)特性均較好，隨溫度上升，二者均高速蒸發(fā)，此時其物理性質(zhì)與環(huán)境高溫相比并非主要影響因素。

圖6 不同摻混體積比的正庚烷-甲醇液滴相對面積隨時間變化規(guī)律Fig.6 Variation of relative area of n-heptane methanol droplets at different blending volume ratios with time

3 結(jié) 論

1)液滴半徑比平方隨時間的變化曲線(D/D0)2-t基本為一條直線，遵循D2定律。液滴相對面積隨時間變化趨勢近似為一條斜率為負(fù)的直線。

2)液滴的蒸發(fā)速率隨溫度上升呈明顯上升趨勢，單位面積液滴的蒸發(fā)速率隨溫度的升高而增大。當(dāng)溫度從100 ℃增至500 ℃，純甲醇、5%正庚烷-甲醇、10%正庚烷-甲醇、15%正庚烷-甲醇溶液液滴的單位面積蒸發(fā)速率分別增加了543%、639%、896%、556%。

3)溫度一定時，各正庚烷-甲醇液滴變化規(guī)律相似。除200、300 ℃外，5%摻混體積比的正庚烷會使液滴蒸發(fā)時間延長。100 ℃ 時，隨正庚烷摻混體積比增加，液滴蒸發(fā)時間縮短；200 ℃時，液滴蒸發(fā)時間隨正庚烷摻混體積比的增加而增加；在300、400、500 ℃時，隨正庚烷摻混體積比增加，液滴蒸發(fā)時間先增加后減少。

4)柴油機(jī)是壓燃式發(fā)動機(jī)，當(dāng)可燃?xì)鉂舛冗_(dá)著火濃度時，會發(fā)生著火，開始燃燒。液滴的蒸發(fā)影響燃料與空氣混合的速度。同等條件下，較高的蒸發(fā)速率和較短的蒸發(fā)時間意味著形成良好混合氣的時間短，即燃料的著火延遲期縮短。研究靜止在空氣中的液滴蒸發(fā)特性，可為解決甲醇燃料十六烷值低、難以直接壓燃的問題提供參考，為純甲醇燃料在柴油機(jī)上的推廣使用提供理論依據(jù)。