基于FLUENT的含水乙醇重整器性能仿真研究

王 楠 張新塘 曹雨奇

(武漢理工大學能源與動力工程學院 武漢 430063)

0 引 言

乙醇汽油是由燃料乙醇和普通汽油按照一定的比例調配形成的一種混合燃料，與普通汽油比有很多優點，比如：可以提高汽油的辛烷值和抗爆性；燃燒更加充分，減少發動機內部積炭的產生，還能降低有害尾氣排放.但是乙醇汽油中乙醇的含量一般不能大于10%，替代率低，且乙醇汽油對乙醇的純度要求高，必須是無水乙醇，這兩個問題都增加了技術難度和成本[1].乙醇燃料電池的反應物只有含水乙醇和空氣且生成物為水和二氧化碳，綠色環保污染小，很符合現代排放法規要求.但是現有乙醇燃料電池在技術上還有待突破，電催化劑與質子交換膜兩大技術難題對乙醇燃料電池的推廣具有很大阻礙[2].

針對乙醇汽油和純乙醇燃料電池在發動機上應用的缺陷，含水乙醇重整燃料發動機是一種有效的解決方案.該類型發動機是在汽油模式下啟動的，在此模式下為重整器提供反應所需的熱量.重整器中置有催化劑，在達到起活溫度后，對進入重整器的含水乙醇進行催化反應，產生富氫混合氣，之后進入發動機氣缸燃燒，實現對外做功.由于該燃料所用的是含水乙醇，因此可以大幅度降低乙醇脫水工程的能耗和成本[3].含水乙醇重整器是乙醇蒸發與重整反應的場所，重整器性能的優劣直接決定了含水乙醇燃料發動機的性能.

本研究利用SolidWorks建立某型號含水乙醇重整器模型，并且利用Fluent對此含水乙醇重整器的性能進行仿真.將試驗結果與仿真結果進行比較，驗證所建立模型的正確性.通過仿真探究不同使用條件對重整器蒸發率、重整率、排氣阻力的影響以及不同乙醇濃度對含水乙醇重整器性能影響，為后續含水乙醇重整器結構和發動機性能優化提供支持.

1 含水乙醇重整器模型建立

1.1 模型建立

本研究的含水乙醇重整器結構見圖1[4].

圖1 重整器結構原理圖

其工作原理為：含水乙醇從含水乙醇進口5進入重整器，流經液態腔6進入蒸發區3進行吸熱蒸發.蒸發后的乙醇蒸汽流經氣態腔2進入重整區11進行重整反應，反應后的重整氣由重整氣出口14導出.重整區11內部裝有催化劑，前端與氣態腔2相連，后端焊接于管路焊接板12，且在前端設有濾網10防止催化劑從前端泄露.管路焊接板12上設有螺紋孔，濾網壓板15依靠這些螺紋孔與管路焊接板12相連，濾網壓板15上設有與重整區11管路大小、數目、排列方式相同的通孔，這些通孔都焊有濾網10，能夠有效防止催化劑從重整區11后端泄露.

1.2 重整器性能測試系統與試驗臺架

為了驗證所建立模型的正確性并確定仿真計算邊界條件，對重整器性能(主要包括重整器重整率、重整器內部溫度場、重整氣體成分、重整器性能穩定性以及對發動機排氣產生的阻力等)進行測試.含水乙醇重整器的試驗系統原理圖見圖2[5].

測試系統主要包括乙醇罐、流量控制器、含水乙醇重整器、收集器、色譜儀與U形管壓力計.主要原理為乙醇罐中的含水乙醇由乙醇泵泵出，依靠流量控制器控制流量，之后流經單向閥直接進入重整反應器，蒸發和反應所需的熱量由汽油機廢氣提供，流出重整反應器的重整產物通過冷卻器后，部分被取樣進入氣相色譜分析儀，其余排空.冷卻得到的未發生重整的乙醇和水由收集器收集，在收集器與乙醇罐下方均設有電子秤對消耗與收集的含水乙醇量進行計量，并設置U形管壓力計對發動機排氣背壓進行監測.

圖2 含水乙醇催化重整試驗系統原理

2 含水乙醇重整器換熱仿真模型的驗證

2.1 重整器溫度測點的布置

在進行重整器性能試驗時，溫度是反映重整器性能的重要指標[6].除測量重整器入口和出口溫度外，還分別在重整器軸向和徑向方向上布置溫度測點，通過觀察測點溫度來考察重整器的換熱情況.圖3為溫度傳感器示意圖，由圖3可知，軸向方向布置測點數為九個，其中，六個測點位置在重整區，三個測點位置在蒸發區；徑向方向測點數位四個，均布置在重整區，其中有兩個測點位置與軸向方向測點位置相同.

圖3 溫度傳感器位置示意圖

2.2 重整率的驗證

重整混合氣含量一般可以用重整率表示[7]，但重整率并沒有嚴格的定義.而且乙醇與水反應過程較為復雜且副反應較多，重整反應產物種類較多，依靠反應產物進行重整率定義較為困難.可通過量化參與反應的含水乙醇比例進行定義.

根據試驗結果選定計算和試驗工況點入口溫度為610 ℃、轉矩為61 N·m.經計算，該運行工況下含水乙醇重整器重整率約為18.5%.含水乙醇重整器換熱仿真各組分質量分數見圖4，據此可以計算出含水乙醇重整器的重整率，經計算該工況下的重整率約為25%.

圖4 重整器內各組分質量分數

2.3 排氣阻力的驗證

在原發動機排氣管加裝含水乙醇重整器后勢必增加發動機排氣阻力，該阻力可用重整器出入口排氣壓差表示.試驗中，重整器引起的排氣壓差通過U形管壓力計讀出.試驗工況下，U形管壓力計平均讀數為45 mm水柱，即為450 Pa.同工況下，重整器截面壓力云圖見圖5，進出口截面壓力差約為380 Pa.

圖5 重整器截面壓力云圖

2.4 誤差分析

對試驗與仿真計算結果進行整理，得到試驗與仿真誤差見表1.由表1可知，各測點溫度模擬值與試驗值之間呈現較好的一致性.對比排氣阻力試驗值與仿真值，試驗值略高于仿真值.究其原因，在搭建重整器換熱仿真模型時存在幾何模型的簡化，導致仿真值與試驗值存在一定誤差.重整率試驗值與仿真值也存在一定誤差，主要原因是催化劑化學動力學相關參數無法得到.由于重整器本質上是一種熱交換器，測點溫度相較于其他兩種參數更能反映仿真模型的符合度.因此，含水乙醇重整器換熱仿真模型能夠合理反應試驗規律.

表1 試驗值與仿真值對比

3 含水乙醇重整器性能仿真及分析

含水乙醇重整器性能主要依賴重整器的結構和工作條件[8].本文將仿真不同工作條件(如廢氣入口溫度、含水乙醇入口流量、乙醇濃度等)的影響，對重整器性能進行評估，從而為含水乙醇重整燃料發動機相關控制策略設計提供支持.

根據汽油機的最高排氣溫度，確定了重整器的工作溫度范圍為500～730 ℃.而含水乙醇流量是根據替代燃料熱值相等原理通過兩種燃料的熱值進行換算得出，通過計算得到乙醇流量范圍為3～27 kg/h.根據重整催化劑啟活溫度和含水乙醇重整燃料發動機設計工況范圍，選取16個工況(見表2)對重整器性能進行仿真分析[9].

表2 重整器性能仿真工況

3.1 不同使用條件對蒸發率的影響

在含水乙醇重整器換熱仿真中，蒸發率是指液態乙醇吸收煙氣能量蒸發為乙醇蒸汽的轉化率，影響蒸發率的主要因素有乙醇入口流量與廢氣入口溫度[10].

3.1.1乙醇入口流量的影響

分析乙醇入口流量對蒸發率的影響，需要固定廢氣入口溫度.按照表2，選取工況1，2，3；工況6，7，8；工況11，12，13，進行計算后，將仿真結果中不同工況下的換熱管出口處液態乙醇含量數據導出，進行蒸發率相關計算后，同一重整器廢氣入口溫度下蒸發率隨乙醇流量的變化情況見圖6.

圖6 蒸發率隨乙醇入口流量的變化

由圖6可知，在同一重整器廢氣入口溫度下，蒸發率整體上隨乙醇入口流量增加而減小.在較低廢氣入口溫度下蒸發率對乙醇流量的變化相對敏感，在較高廢氣入口溫度下流量變化對蒸發率影響相對較小.究其原因，受重整器主體尺寸的影響，蒸發區換熱面積一定，當流量增大到一定程度后，蒸發區換熱面積已經不足以支撐含水乙醇與換熱壁面充分接觸，所以在高溫大流量下流量變化對乙醇蒸發率影響相對較小.在確定的工作范圍內，蒸發率總體上相對集中在25%～70%.

3.1.2廢氣入口溫度的影響

分析廢氣入口溫度對蒸發率的影響，需要保證在相同的乙醇流量下進行.按照表2，選取工況1，5，9；工況3，6，10；工況4，8，11，進行邊界條件設置與仿真計算后，將仿真結果中不同工況下的換熱管出口處液態乙醇含量數據導出，進行蒸發率相關計算后，同一重整器廢氣入口溫度下蒸發率隨乙醇流量的變化情況見圖7.

圖7 蒸發率隨廢氣入口溫度的變化

由圖7 可知，從整體上看，在同一含水乙醇入口流量下，蒸發率隨廢氣入口溫度的升高呈現上升趨勢.小流量下蒸發率對廢氣入口溫度的變化相對敏感，大流量下廢氣入口溫度對蒸發率影響相對較小.其原因主要也是受到含水乙醇重整器主體尺寸的局限，從趨勢上看，最小流量下重整器可以完全蒸發，但實際工作工況并不會存在較高廢氣入口溫度對應低乙醇流量的情況.當乙醇入口流量超過3～11 kg/h的某個值，蒸發區無論發動機工況處于何種狀態，重整器均無法實現完全蒸發.

3.2 不同使用條件對重整率的影響

在含水重整器換熱仿真中，重整產物為H2與CO，重整率可以通過產氫量定義，影響重整率的主要因素有乙醇入口流量與廢氣入口溫度.

3.2.1乙醇入口流量的影響

工況點選取參考乙醇入口流量對蒸發率的影響探究，進行邊界條件設置與仿真計算后,同樣將各工況數據導出，經過計算可以得到重整率隨乙醇入口流量的變化情況，見圖8.

圖8 重整率隨乙醇入口流量的變化

由圖8可知，在確定的工作范圍內，重整率總體上相對集中在13%～28%范圍，且重整率隨乙醇入口流量的變化規律與蒸發率類似.究其原因，重整反應的原料為乙醇蒸氣與水蒸汽，蒸發率的大小直接影響兩種物質的含量，所以重整率與蒸發率呈現相似變化規律.

3.2.2廢氣入口溫度的影響

參考廢氣入口溫度對重整率影響工況點的選取，將各工況數據導出，計算得到重整率隨乙醇入口流量的變化情況，見圖9.由圖9可知，重整率隨廢氣入口溫度的變化規律也與蒸發率類似.

圖9 重整率隨廢氣入口溫度的變化

3.3 不同使用條件對排氣阻力的影響

3.3.1乙醇入口流量的影響

探究不同乙醇入口流量對排氣阻力影響時，需要固定其他邊界條件進行仿真計算.按照要求選取工況點1、工況點2與工況點3，進行設置與仿真計算后，各工況重整器截面壓力云圖見圖10.由圖10可知，排氣阻力隨乙醇入口流量的變化并不明顯.

圖10 重整器截面壓力云圖

3.3.2發動機工況的影響

高溫廢氣作為熱流體，其流量與溫度均取決于發動機工況.在探究發動機工況對排氣阻力影響時，需要固定流量.按照要求，選取工況點3、工況點6與工況點10，仿真結果見圖11.

圖11 重整器截面壓力云圖

由圖11可知，工況1的排氣阻力為80 Pa，工況2排氣阻力為380 Pa，工況3排氣阻力為1 200 Pa，排氣阻力隨發動機負荷的增加而增大.在重整器工作范圍內，最大排氣阻力約為1 200 Pa，一般情況下發動機排氣阻力小于4 000 Pa時對發動機性能影響較小，所以加裝重整器對發動機性能影響不大.

3.4 不同乙醇濃度的影響

含水乙醇作為含水乙醇重整器蒸發與重整反應的原料，乙醇與水的配比對含水乙醇重整器的性能有著至關重要的影響.含水乙醇重整器的設計是針對75%質量分數配比含水乙醇進行的，為探究含水乙醇質量分數對含水乙醇重整器性能的影響，選取工況點14，15與16進行換熱仿真分析.根據上述要求改變含水乙醇重整器換熱仿真模型的邊界條件，最終仿真結果見圖12.

圖12 不同質量分數含水乙醇換熱仿真

由圖12可知，選用85%含水乙醇時蒸發率最高，選用65%含水乙醇蒸發率最低.這是因為乙醇蒸發相變所需的能量低于水蒸發相變所需的能量，含水乙醇質量分數越高，乙醇含量越高，蒸發相變所需能量越少.對比三種質量分數下的重整率可以發現，選用85%含水乙醇重整率遠高于選用65%含水乙醇重整率，略高于選用75%含水乙醇重整率.

鑒于換熱仿真無法得到重整混合氣各組分含量，因此改變含水乙醇質量分數進行試驗，根據色譜儀的結果，得出重整產物主要組分含量與酒精質量分數的關系，見圖13.

圖13 重整產物組分含量與含水乙醇質量分數的關系

由圖13可知，隨著含水乙醇質量分數的增加，H2的濃度逐漸減小，其他氣體的濃度逐漸增加.綜合來看，75%含水乙醇與85%含水乙醇重整率大致相當，但75%含水乙醇重整產物中H2質量分數相對較高.故擬選取75%含水乙醇作為含水乙醇重整發動機燃料.

4 結 論

1) 從整體上看，重整器的蒸發率與重整率隨廢氣入口溫度的升高而增大，隨含水乙醇流量的增加而減小.在低溫小流量下蒸發率與重整率對入口溫度和流量的變化相對靈敏；在高溫大流量下入口溫度和流量的變化對蒸發率與重整率影響相對較小.

2) 在其他條件相同的情況下，乙醇入口流量對排氣阻力的影響并不明顯；在乙醇入口流量相同的情況下，排氣阻力隨發動機負荷增加而增大.

3) 在相同入口溫度和同一設定流量下75%含水乙醇重整率與85%含水乙醇重整率大致相當，且高于質量分數為65%含水乙醇的重整率.隨著含水乙醇質量分數的增加，重整產物中H2含量會逐漸減小，其他氣體濃度會逐漸增大.故擬選取75%含水乙醇作為含水乙醇重整發動機燃料.

4) 工作范圍內，蒸發率總體上相對集中在25%～70%范圍，重整率集中在13%～28%范圍，蒸發率和重整率均偏低，重整器結構和催化劑性能均有待進一步優化.