正庚烷對甲醇液滴蒸發特性的影響

張美娟，魏衍舉，張啟霞，陳晟閩

(1.無錫職業技術學院 汽車與交通學院，江蘇 無錫 214121；2.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013; 3.西安交通大學 能源與動力工程學院，陜西 西安 710049)

0 引 言

煤炭液化產品及清潔燃料技術關系到國家石油能源安全戰略問題[1]。甲醇在常溫下呈液態，運輸方便，在點燃式發動機上已得到應用。柴油機是農用及工程機械的主要動力源，采用煤液化技術生產甲醇并應用在柴油機上可降低顆粒物排放，滿足日益嚴格的排放要求。柴油機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，且難以在柴油機上直接壓燃。甲醇液滴的蒸發、著火、燃燒對柴油機穩定運行影響較大。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，提高柴油機運行平穩性。但加入正庚烷會改變液滴表面張力、飽和蒸汽壓等，燃料蒸發特性變化。開展正庚烷-甲醇液滴的蒸發特性研究，對改善柴油機使用甲醇燃料時的燃燒過程和推廣甲醇燃料在農用柴油機上的應用具有重要意義。

燃料燃燒包含燃油液滴的蒸發和著火過程。圍繞液滴蒸發和燃燒等特性，國內外學者開展了廣泛研究工作。馬力等[5]運用數值求解的方法，建立了液滴蒸發模型，對不同流速、溫度時液滴蒸發特性變化規律進行了研究。結果表明，液滴蒸發速率隨氣流溫度、氣流速度和液滴初始直徑的增大而增大。段小龍等[6]搭建了液滴蒸發試驗臺架，采用懸掛法對高溫氣流中液滴蒸發過程進行了研究。結果表明，隨液滴直徑減小，傳質表面積減小，液滴周圍蒸汽濃度對蒸發過程產生影響。費舒波等[7]建立了雙組分單液滴的一維蒸發模型，分析了機油液滴在不同壓力和溫度條件下蒸發特性的變化規律。研究發現，在相同壓力下，隨溫度增大，液滴體積膨脹期縮短，體積膨脹比影響較小；當溫度一定時，環境壓力的增大對液滴蒸發具有一定抑制作用。趙宇煒等[8]提出在大部分液滴蒸發期間，表征單位面積液滴蒸發速率的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小；液滴瞬態燃燒過程對溫度較敏感，在無火焰的較低溫度范圍內，液滴會以純蒸發狀態存在。FITRIANA等[9]搭建噴霧試驗臺架，研究了溫度對不同類型液體燃料液滴蒸發速率的影響規律，分析了不同粒徑液滴的蒸發速率。結果表明，液滴粒徑和蒸發速率與溫度呈正相關。FENG等[10]建立了懸浮正庚烷液滴的蒸發模型，研究正庚烷液滴的蒸發過程及其對火焰振蕩的影響，并通過模型準確地預測蒸發時間和蒸發速率。結果表明，當正庚烷摻混體積比增大時，液滴壽命增加；提高環境溫度，降低液膜壽命，而液滴蒸發速率會隨溫度的增大而增加。BAEK等[11]運用快速壓縮機(RCM)等設備，研究了正庚烷液滴蒸發和燃燒特性，分析了不同氣體氛圍時液滴蒸發速率。結果表明，隨環境壓力增大，液滴周圍的環境溫度上升，液滴蒸發速率增大。BANERJEE[12]運用液滴蒸發模型對不同條件下液滴組分的分散性進行研究，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，液滴蒸發及燃燒方面的研究主要集中于分析不同因素對液滴蒸發速率、液滴壽命和蒸發時間等特征參數的影響規律；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，結合摻混體積比、溫度、液滴直徑變化，研究其液滴蒸發特性方面的報道較少。

筆者搭建了液滴蒸發試驗裝置，處理高速攝影機拍攝的液滴圖像，研究了正庚烷-甲醇液滴的蒸發特性，分析了不同正庚烷摻混體積比、環境溫度等參數對甲醇液滴蒸發的變化規律，揭示不同溫度、正庚烷添加比例對甲醇蒸發特性的影響，為甲醇燃料在農用柴油機上的應用提供參考。

1 試驗設備及方案

1.1 試驗設備

采用相似理論對試驗設備進行設計，運用掛滴法固定待測液滴[13]。試驗裝置由采樣裝置、加熱系統、溫度調節裝置和高速攝像機構成，如圖1所示。正庚烷-甲醇溶液由不銹鋼注射針產生，其控制精度約為1 μL；正庚烷-甲醇液滴周圍環境溫度經高溫管式爐調節。通過XMTD數顯調節儀等組成的溫度控制系統，可測量管式爐內的溫度，主要性能參數見表1。

圖1 試驗系統示意Fig.1 Schematic of test system

表1 XMTD數顯調節儀性能參數Table 1 Performance parameters of XMTD digital display regulator

采用美國Phantom miro ex4高速數字攝像機拍攝液滴的蒸發過程，高速數字攝像機的主要參數見表2。

表2 Phantom miro ex4高速數字攝像機Table 2 Phantom miro ex4 high speed digital camera

1.2 試驗方案

針對農用柴油機甲醇混合燃料的燃燒特性，試驗時，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增加，根據體積分數，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。

試驗前，利用改性劑對不銹鋼針頭進行預處理，增大針頭與液滴間黏附力，易于液滴在針尖處懸掛。為提高試驗結果準確性，試驗環境保持在同一溫度和濕度。設定工況溫度為100～500 ℃。為減少試驗誤差，每組試驗重復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[14]。使用經驗公式(1)，對混合溶液的十六烷值進行估算[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數。

試驗用甲醇及正庚烷理化性質見表3。

表3 燃料理化性質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

在單液滴蒸發試驗中，直接測量液滴質量隨時間的變化非常困難。液滴質量的損失會導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。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。

本試驗中，液滴蒸發環境相對封閉，液滴在蒸發過程中的直徑變化可通過處理液滴蒸發形態圖像獲得。使用Image-Pro Plus圖像處理軟件分析液滴蒸發形態圖像，通過整張圖片中液滴所占比例定義所采集圖片的有效區域，在降低計算量的同時提高程序對圖片的處理精度。對圖片進行二值化處理，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(運用經典的Otsu方法用于獲得該區域每個部分的最佳閾值)。使用形態學圖像處理技術，去除針管。圖像的空間分辨率為22 μm/像素，統計減掉針管的液滴的像素點個數，乘以像素點面積即可獲得液滴投影面積S。液滴等效為標準圓形，液滴的實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為液滴的當量直徑,mm；S為液滴的實際投影面積，mm2。

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

2 試驗結果與分析

2.1 液滴形貌

正庚烷-甲醇溶液液滴蒸發時的形貌變化見表5，可知液滴直徑的大小與形狀均隨時間推移而發生變化，液滴不斷蒸發并形成一個圓盤。蒸發開始階段，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，表現為圓球形狀。隨時間增加，液滴開始蒸發，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，液滴從圓球轉變成橢球，直至蒸發結束。

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

2.2 液滴直徑變化

試驗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特性的影響，通過無量綱參數對液滴的蒸發特性進行表征，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。這是因為溫度升高，液滴的傳熱能力變強，甲醇的蒸發氣體增多，導致環境氣體向混合液滴傳熱能力增強。同時，溫度在300 ℃以上時，不同體積分數的正庚烷-甲醇溶液液滴的蒸發曲線集中，這是由于液滴處在高于300 ℃的高溫區域，液滴表面的氣態甲醇濃度迅速增大，使液滴周圍的濃度梯度變小，降低了液滴蒸發速率的變化幅度。蒸發初始階段，混合溶液液滴的表面存在一定溫度差，液滴蒸發快，隨蒸發進行，蒸汽擴散速度小于液滴蒸發速度，使液滴蒸發速率減小。經過初始的快速蒸發階段，液滴會與周圍環境的溫度梯度達到相對平衡狀態。正庚烷-甲醇混合溶液液滴在不同溫度時蒸發特性一致，(D/D0)2-t整體上基本呈線性相關，滿足D2定律。

圖3 液滴的無量綱直徑的平方隨時間變化規律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隨時間變化規律。當溫度升高，液滴相對面積變化率增大。這主要是因為隨環境溫度上升，液滴表面溫差縮小，降低了液滴間的傳熱系數，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 溫度對液滴蒸發速率的影響

為了表征液滴特性，用單位時間內液滴直徑與液滴初始直徑比值的平方表示液滴蒸發速率。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速率見表6，可知當溫度從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速率分別增加了543%、639%、896%、556%。這說明升高環境溫度可以促進液滴蒸發速率的增加。

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

對環境溫度100～500 ℃的液滴相對面積隨時間變化的散點圖進行線性擬合如圖5所示，得到y=ax+b的直線方程，不同溫度的液滴蒸發速率擬合曲線的線性回歸系數R2>0.96，系數接近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速率隨溫度變化散點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遲滯，液滴的蒸發較慢；當溫度增加時，液滴表面的微觀作用力降低，使液相轉變為氣相的能壘減小；另外，液滴的傳熱系數隨著溫度的升高而增加，導致液滴吸收熱量增多，從而促進液滴蒸發[18]。

2.5 摻混體積比對液滴蒸發時間的影響

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

表7為不同摻混體積比的正庚烷-甲醇液滴的蒸發時間，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-甲醇液滴蒸發時間延長。這可能是因為，在200、300 ℃ 下，正庚烷處于臨界點附近(540 K),內部分子運動較為劇烈。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，甲醇液滴的蒸發時間延長。300、400、500 ℃下，隨正庚烷添加比例的增加，液滴的蒸發時間先增加后有所降低，總體呈增加趨勢。在200、300、400、500 ℃試驗條件下，當正庚烷摻混體積比從5%增至15%后，液滴蒸發時間分別增加了53.9%、17.1%、47.5%、53.1%。這可能是由于正庚烷較甲醇的沸點高，其蒸發速率較甲醇液滴慢，由此推論，隨正庚烷摻混體積比的增加，甲醇液滴的蒸發速率下降，從而影響其蒸發燃燒。

表7 液滴在不同溫度下的蒸發時間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律如圖6所示，可知在100 ℃下，當正庚烷摻混體積比從5%增至15%，液滴蒸發時間縮短了29.6%。在200 ℃下，當正庚烷摻混體積比從5%增至15%，液滴蒸發時間縮短了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液體，其蒸發特性均較好，隨溫度上升，二者均高速蒸發，此時其物理性質與環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律Fig.6 Variation of relative area of n-heptane methanol droplets at different blending volume ratios with time

3 結 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的直線。

2)液滴的蒸發速率隨溫度上升呈明顯上升趨勢，單位面積液滴的蒸發速率隨溫度的升高而增大。當溫度從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-甲醇液滴變化規律相似。除200、300 ℃外，5%摻混體積比的正庚烷會使液滴蒸發時間延長。100 ℃ 時，隨正庚烷摻混體積比增加，液滴蒸發時間縮短；200 ℃時，液滴蒸發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，液滴蒸發時間先增加后減少。

4)柴油機是壓燃式發動機，當可燃氣濃度達著火濃度時，會發生著火，開始燃燒。液滴的蒸發影響燃料與空氣混合的速度。同等條件下，較高的蒸發速率和較短的蒸發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上的推廣使用提供理論依據。