纯麻疯树生物柴油单液滴蒸发特性研究.pdf

第 51 卷 第 1 期2024 年北京化工大学学报(自然科学版)Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Science)Vol.51,No.12024引用格式:姜熠豪,姜根柱,高建伟,等.纯麻疯树生物柴油单液滴蒸发特性研究J.北京化工大学学报(自然科学版),2024,51(1):23-29.JIANG YiHao,JIANG GenZhu,GAO JianWei,et al.Evaporation characteristics of a single droplet of pure Jatropha curcasbiodieselJ.Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Science),2024,51(1):23-29.纯麻疯树生物柴油单液滴蒸发特性研究姜熠豪摇 姜根柱*摇 高建伟摇 闫晨朝(江苏科技大学 机械工程学院,镇江摇 212003)摘摇 要:为了探明麻疯树生物柴油(JME)燃料的蒸发过程,通过碱性酯交换反应制备了 JME,并采用热电偶挂滴技术研究了在 673 K 和 873 K 的环境温度下 JME 单液滴的膨化和蒸发特性,分析了环境温度对 JME 液滴蒸发过程的影响。结果表明,JME 液滴的蒸发过程分为瞬时加热阶段、波动蒸发阶段和平衡蒸发阶段;在 673 K 和873 K 下 JME 液滴的蒸发特性不同,673 K 下液滴的蒸发只存在膨胀过程,没有发生微爆,液滴寿命较长,而873 K 下液滴出现了微爆现象,液滴寿命较短;环境温度的升高可以提高 JME 液滴的蒸发速率,这是因为 JME 中挥发性成分较多,其挥发后形成气泡,在高温下液滴发生膨化和微爆,这样可以更好地实现空气-燃料混合,提高柴油机的燃烧效率。关键词:麻疯树生物柴油;液滴蒸发;膨胀;微爆中图分类号:TK42摇 摇 DOI:10.13543/j.bhxbzr.2024.01.003收稿日期:2023-05-11基金项目:江苏省研究生创新基金项目(SJCX22_1930)第一作者:男,1998 年生,硕士生*通信联系人E鄄mail:引摇 言近年来,随着化石原料的不断开采和大量使用,环境污染、能源短缺等问题日益严重,因此人们迫切需要找到一种环境友好、来源丰富的可替代能源1-2。生物柴油是以植物油脂、动物油脂及微生物油脂为原料,通过生物催化或化学催化制成的可替代石化柴油的燃料,具有环保性能好、燃料性能高、原料来源广泛、可再生等特点。生物柴油的植物油脂来源有多种3-5,其中由麻疯树种子制成的麻疯树植物油(Jatropha vegetable oil,JVO),具有热值和产量高、可再生、成本低、易于获得等优点,并且JVO 是不可食用的,对食用油没有影响,因此 JVO被认为是很有前途的替代燃料之一6。作为一种生物油,JVO 的黏度很高,无法很好地雾化,导致其燃烧不完全,并且污染环境7。传统的降黏方法有酯交换、共混和乳化8。麻疯树油甲酯(Jatropha methyl ester,JME)是一种通过酯交换反应获得的生物柴油,符合生物柴油标准,并且具有较高的十六烷值9,可直接用于柴油机缸内燃烧,是较为理想的替代燃料。但是纯 JME 作为燃料在柴油发动机中直接使用通常受到限制,因为其黏度较高,会导致燃油供应管路中的供油中断,形成较高的开启压力和较小的喷雾锥角,引起雾化不良、燃烧恶化和燃料喷射器上碳沉积等问题10-11。王勋12的研究表明,JME 与柴油混合使用可以改善燃油的喷雾特性,提高雾化质量,促进柴油机燃油的燃烧过程,减少 CO 等有害气体的排放。Venkatesan 等13采用酯化后的麻疯树生物柴油和戊醇的混合物作为添加剂,在柴油发动机中进行了压缩点火实验,结果表明,与基础燃料相比,发动机效率提高了 1郾 28%,一氧化氮排放量增加了 10%,碳氢化合物排放量降低了 22郾 58%。在柴油机中,喷雾燃烧是燃油的主要燃烧方式,它依赖于液滴的蒸发和燃烧过程,因此研究液滴的蒸发特性有助于了解生物柴油在发动机中的燃烧过程。Wang 等14研究了麻疯树纯植物油(SVO)液滴的膨胀和蒸发特性,在液滴的蒸发过程中观察到液滴的产生、运动、聚集和微爆现象,指出环境温度升高是 SVO 液滴蒸发加速的主要原因,这是因为在高温下液滴中的挥发性成分挥发形成气泡,使液滴膨胀并发生微爆。姜根柱等15研究了柴油-麻疯树生物柴油混合燃料的蒸发过程,发现麻疯树生物柴油的掺混比例越大,液滴的蒸发寿命越长,蒸发速率越慢。Xue 等16研究了 JME 和乙醇的混合物(乙醇的体积分数为10%、20%和30%)的蒸发特性,结果表明乙醇浓度越高,液滴的蒸发时间越短,蒸发速率越快,并且在较高温度下会出现蒸汽云现象。目前,国内外对 JME 蒸发特性的研究主要集中在加入醇类或柴油燃料来提高 JME 的蒸发特性,尚没有学者开展纯 JME 液滴蒸发特性的研究。本文采用碱性酯交换法制备了麻疯树生物柴油,并使用挂滴蒸发实验研究了 JME 单液滴在 673 K 和873 K 环境温度下的蒸发特性,分析了液滴蒸发过程中出现的各种现象,研究结果可以为麻疯树生物柴油在燃烧装置中的应用提供参考。1摇 实验部分1郾 1摇 麻疯树生物柴油的制备将麻疯树种子(采自江苏省)进行挑选和除菌处理,在阳光下暴露以除去水分,使用榨油机对麻疯树种子进行榨取。过滤残留物,将过滤后得到的麻疯树油倒入瓶中自然沉淀两个月。最后对麻风树油进行碱性酯化反应(式 1),得到麻疯树生物柴油。JME 的化学成分和物理特性分别如表 1和表 2 所示。RCOOR忆+R义OH圮RCOOR义+R忆OH(1)表 1摇 JME 的化学组成16Table 1摇 Chemical composition of JME16化学式JME 组成质量分数/%C16H32O2C16:010C18H36O2C18:04C16H30O2C16:11C18H34O2C18:147郾 6C18H32O2C18:235郾 7C18H30O2C18:31郾 2C22H42O2C22:10郾 51郾 2摇 实验装置采用热电偶挂滴蒸发技术17研究 JME 单液滴的蒸发特性。图 1 为单液滴蒸发的实验装置示意图,实验装置主要由 3 部分组成:加热系统、液滴输送系统和数据采集系统。表 2摇 JME 的物理特性16Table 2摇 Physical properties of JME16指标数值JME生物柴油(标准 ASTM 6751-12)密度/(kg m-3)880860 900运动黏度/(mm2 s-1)3郾 3231郾 9 6郾 0十六烷值(CN)5045 55热值/(MJ kg-1)41郾 6沸点/益180 330闪点/益170130图 1摇 单液滴蒸发实验装置示意图Fig.1摇 Schematic diagram of the experimentalsingle droplet evaporation device摇摇 摇 加热室采用耐高温不锈钢制成,内部尺寸为150 mm 伊150 mm 伊 270 mm。加热室的前面和后面安装有石英玻璃窗,可以为高速摄像机和背光灯提供视角,以便对液滴蒸发过程进行图像采集。加热室下端安装有 5 根加热棒,加热功率 3 000 W,可以实现快速升温和最大 1 000 K 的加热温度。采用5 mm 的热电偶测量加热室内的温度,并反馈给温度控制器。通过控制加热杆对加热室进行升温,在实验期间加热室的温度保持稳定并在允许的调整范围内(依 5 K)。加热室的上端盖开设直径 8 mm、高50 mm 的通孔,传送系统可以通过该孔将液滴送至加热室的指定位置。液滴传送系统主要包括步进电机、电机控制器、悬架和挂滴热电偶。电机控制器可以控制步进电机的进给速度,保证热电偶每次进入加热室的速度不变、时间相同。控制步进电机将悬挂的燃料液滴快速垂直移动到指定拍摄位置,液滴的运动距离约为190 mm,传送速度约为300 mm/s,能够在0郾 3 s 内完42北京化工大学学报(自然科学版)摇 摇 摇 摇 摇 摇摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2024 年成液滴向加热炉内传送的动作,因此对液滴的蒸发过程影响极小,可忽略不计。挂滴热电偶通过装夹垂直固定在悬架上,与直径 8 mm 的通孔保持同轴度,使用微量注射器生成 0郾 5 滋L 的燃油液滴并悬挂在热电偶上,液滴的初始直径为 1郾 4 mm。液滴进入加热室的目标位置,同时开启图像数据采集系统,高速摄像机以 50 f/s 的拍摄频率记录液滴的蒸发过程,通过热电偶和温度采集卡获得蒸发过程中液滴温度的变化,并保存在计算机上。同时,为了减少液滴进入加热炉预定位置前受到壁面高温的影响,在液滴的下降过程中利用石英玻璃保护罩保护液滴,以避免升温过快。本研究要求液滴传输速度快,重复性好,定位准确,可智能控制,故采用步进电机(电源)线性模块、控制器和挂滴热电偶光纤建立液滴传输系统。线性模块的原理是使用步进电机驱动螺杆穿过联轴器,从而实现液滴的快速垂直运动。1郾 3摇 数据处理液滴蒸发的图像处理过程如图 2 所示。为了降低计算成本,从原始图像(像素 1 024 伊 1 024)中提取小液滴周围的有效区域(ROI,像素 300 伊300),经过二值化处理后,拍摄目标和背景达到高度的黑白区分,保证了液滴尺寸和形状与原始图像基本一致。在蒸发过程中从液滴的 ROI 区域中减去最终热电偶光纤占据的像素数量,从而获得图像中实际液滴占据的像素数量。按照文献12的方法对图像的空间分辨率进行校准,液滴的实际投影面积可以通过液滴图像的像素数来计算,然后通过已知的液滴投影面积来求解液滴直径平方。当液滴体积为0郾 5 滋L 时,数据处理方法的不确定度为 1郾 5%。为了确保实验结果的准确性,每个实验重复 3 次,结果取平均值。图 2摇 液滴蒸发的图像处理过程Fig.2摇 Image processing process for droplet evaporation摇1郾 4摇 实验误差在实验系统和手动过程中存在误差,这些误差会影响实验结果的准确性。在整个测试过程中产生的不确定性主要有 3 种:显微注射器产生的液滴体积的不确定性;液滴进入加热炉的设定位置之前预蒸发的不确定性;数据处理过程中的不确定性18。不确定度的计算公式如式(2)19所示。U=SDn(2)式中:U 为不确定度,SD 为标准偏差,n 为实验次数。根据式(2),分别计算了 3 种来源的不确定度,结果如表 3 所示。表 3摇 不确定度分析结果Table 3摇 Results of uncertainty analysis不确定度来源不确定度/mm微量注射器依0郾 018液滴提前蒸发-0郾 027数据处理依0郾 042摇 摇 本实验的液滴直径读数呈正态分布,因此使用联合不确定度用于误差分析。联合不确定度的计算公式见式(3)。CU=移kj=1U2j(3)式中:CU 为联合不确定度,k 为不确定度 U 的数量,Uj为第 j 个不确定度。经计算得到本实验的联合不确定度为 0郾 053 mm,表明上述 3 种不确定度对本实验的研究结果影响不大。2摇 结果与讨论2郾 1摇 低温下 JME 液滴的蒸发特性图 3 显示了在环境温度为 673 K 的工况下 JME液滴的归一化直径平方(D2/D20)和温度(T)随标准化时间(t/D20)的变化曲线(液滴的初始体积为0郾 5 滋L),其中t 为液滴蒸发时间,D0为初始的液滴直径,D 为某一时刻的液滴直径。可以看出,JME 在673 K 时的蒸发过程分为 3 个阶段:瞬态加热阶段t1、波动蒸发阶段 t2和平衡蒸发阶段 t3。瞬态加热阶段定义为液滴的归一化直径平方从 1 增加到局部最大值的持续时间,波动蒸发阶段定义为归一化直径平方曲线出现明显波动且不再平滑的持续时间,平衡蒸发阶段定义为归一化直径平方曲线平滑且近似服从 d2定律的持续时间。由图 3 可以看到,在瞬态加热阶段,液滴的归一化直 径 平 方 迅 速 增 加,在 短 时 间 内(从 0 到52第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 姜熠豪等:纯麻疯树生物柴油单液滴蒸发特性研究图 3摇 673 K 时 JME 液滴的归一化直径平方和温度随标准化时间的变化曲线Fig.3摇 Normalized diameter square and temperature of the JMEdroplet as a function of normalized time at 673 K0郾 652 s/mm2)从 1 增加到 1郾 19,这是因为当液滴进入高温环境时,液滴的蒸发速率小于热膨胀速率,因此在初始阶段液滴体积增大,这与 Wang 等14的研究结果一致。在波动蒸发阶段,归一化直径平方表现出高频率波动,这是因为气泡一次又一次膨胀和分解,在此阶段归一化直径平方出现两个较大的波动和几个小波动,其中两个较大的波动(直径为1郾 21 和 1郾 19)可以在 1郾 367 s/mm2和 2郾 314 s/mm2处找到。此外还可以看出,波动蒸发阶段的液滴温度曲线的斜率小于瞬态加热阶段的斜率,由于在波动蒸发阶段液滴的表面和内部都蒸发,而在瞬态蒸发阶段液滴仅在表面蒸发,因此在波动蒸发阶段液滴吸收的热量大于瞬态加热阶段液滴吸收的热量。在平衡蒸发阶段,温度曲线没有观察到明显的波动,液滴的归一化直径平方基本符合 d2规律,这是因为液滴内部的挥发性组分不足以支持气泡生长,同时平衡蒸发相中液滴的温度缓慢上升,导致液滴出现膨胀现象。图4 显示了在673 K 的环境温度下 JME 液滴蒸发过程的照片,照片下方的数字为标准化时间。当液滴进入热环境后,在 0 1郾 367 s/mm2的标准化时间内,液滴的吸热膨胀速率大于蒸发收缩速率,液滴内部产生的气泡成核并生长,因此液滴直径逐渐增大。在 1郾 367 s/mm2处,液滴的归一化直径平方达到最大值 1郾 21。随着蒸发的进行,在 2郾 601 s/mm2之后,液滴的蒸发收缩速率大于膨胀速率,液滴直径逐渐减小。在 673 K 的环境温度下,液滴的瞬态加热阶段持续时间较短,并且液滴只存在膨胀过程,没有发生微爆。2郾 2摇 高温下 JME 液滴的蒸发特性图 5 显示了在环境温度为 873 K 的工况下 JME图 4摇 673 K 时 JME 液滴的蒸发过程照片Fig.4摇 Photographs of the evaporation process of the JMEdroplet at 673 K液滴的归一化直径平方和温度随标准化时间的变化曲线(液滴的初始体积为 0郾 5 滋L)。可以看出,在873 K 的环境温度下 JME 的蒸发过程也可以分为上述 3 个阶段。应该指出的是,873 K 下波动蒸发阶段和平衡蒸发阶段的定义与 673 K 下的定义相同,但是瞬态加热阶段的定义有所不同,其定义为在873 K 时液滴的归一化直径平方从 1 增加到局部最大值而没有明显波动的持续时间。图 5摇 873 K 时 JME 液滴的归一化直径平方和温度随标准化时间的变化曲线Fig.5摇 Normalized diameter square and temperature of the JMEdroplet as a function of normalized time at 873 K由图 5 可以看到,在瞬态加热阶段,液滴的标准化直径平方增长缓慢。与 673 K 时的情况相比,在873 K 时 JME 液滴的瞬时加热阶段要长得多。在2郾 342 s/mm2处,液滴归一化直径平方达到局部最大值 1郾 32。在波动蒸发阶段,归一化直径平方曲线随着蒸发时间的增加而逐渐减小,但在波动蒸发末期(3郾 488 s/mm2)归一化直径平方瞬时增大。与673 K 时的蒸发情况相比,873 K 时的波动蒸发相较短,但液滴归一化直径平方的峰值明显提高,这是因为在 JME 中有许多高挥发性组分,这些组分在873 K 时会首先挥发而形成气泡,但它们很容易达62北京化工大学学报(自然科学版)摇 摇 摇 摇 摇 摇摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2024 年到热力学过热亚稳态,导致小气泡聚集成大气泡,引起液滴微爆。在平衡蒸发阶段,液滴的标准化直径平方波动较大且发生频率较高,但拟合曲线近似是一条直线(图 5 中的绿线),因此其大致服从 d2定律。从图 5 中还可以看出,当液滴进入平衡蒸发阶段(约 3郾 488 s/mm2)之后,液滴温度基本保持不变,该温度为湿球温度(838 K)。当液滴的表面温度达到湿球温度时,液滴蒸发吸收的热量等于环境温度传递给液滴的热量20。图6 显示了在873 K 的环境温度下 JME 液滴蒸发过程的照片,照片下方的数字为标准化时间。在0 2郾 585 s/mm2的标准化时间内,液滴内形成较小的气泡,进而缓慢膨胀。随后,液滴内的气泡继续膨胀并聚集,在 3郾 488 s/mm2时,液滴内形成巨大的气泡,液滴体积迅速增大。气泡膨胀改变了液滴的形状,液滴在 3郾 745 s/mm2时破裂,产生剧烈的微爆现象。破裂后,一些气泡仍然被困在液滴内继续膨胀并再次破裂。在 3郾 945 s/mm2时,液滴的左上方出现小 的 隆 起,然 后 液 滴 迅 速 膨 胀 并 破 裂。在4郾 925 s/mm2时,许多小气泡再次聚集形成大气泡。整个过程中少量的气泡连续形成,但在液滴重力和表面张力的作用下不断发生破裂直至蒸发结束。图 6摇 873 K 时 JME 液滴的蒸发过程照片Fig.6摇 Photographs of the evaporation process of theJME droplet at 873 K2郾 3摇 低温和高温下 JME 的蒸发特性比较图7 为673 K 和 873 K 的环境温度下 JME 液滴各蒸发阶段的持续时间比较。当环境温度从 673 K增加到 873 K 时,瞬态蒸发阶段 t1的持续时间从0郾 652 s/mm2增加到2郾 342 s/mm2,增加了2郾 6 倍;波动蒸发阶段 t2的持续时间从 1郾 662 s/mm2缩短到1郾 146 s/mm2,减少了 31%;平衡蒸发阶段 t3的持续时间从 10郾 872 s/mm2缩短到 2郾 637 s/mm2,减少了75郾 7%;液 滴 寿 命 t总从 13郾 186 s/mm2缩 短 到6郾 125 s/mm2,减少了 53郾 5%。由此可见,环境温度对 JME 液滴的蒸发速率有很大影响,增加环境温度可以大大提高 JME 液滴的蒸发速率。图 7摇 673 K 和 873 K 下 JME 液滴各蒸发阶段的持续时间比较Fig.7摇 Comparison of the duration of each evaporationstage of the JME droplet at 673 K and 873 K图 8 为 673 K 和 873 K 的环境温度下 JME 液滴各蒸发阶段占总蒸发周期的比例比较。可以看出,低温和高温下液滴各蒸发阶段的占比均不同,在673 K 时,平衡蒸发阶段 t3的占比最大(82郾 46%),瞬态加热阶段 t1的占比最小(4郾 94%);在 873 K 时,平衡蒸发阶段 t3的占比最大(43郾 05%),波动蒸发阶段 t2的占比最小(18郾 71%)。因此,环境温度对JME 液滴的各蒸发阶段占比也有显著影响。图 8摇 673 K 和 873 K 下 JME 液滴各蒸发阶段占总蒸发周期的比例比较Fig.8 摇Comparison of the proportion of each evaporationstage in the total evaporation period of the JMEdroplet at 673 K and 873 K图 9 为 JME 液滴的蒸发机制示意图。在 673 K下,液滴吸收热量而逐渐膨胀,液滴中低沸点的物质率先在液滴内部蒸发形成小气泡,液滴内部压强增大,但是并未达到液滴油膜的表面张力临界值,此时液滴内部和外部的压强持平,液滴仍在平稳蒸发,由于液滴的蒸发收缩速率大于膨胀速率,液滴体积逐72第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 姜熠豪等:纯麻疯树生物柴油单液滴蒸发特性研究渐减小。在 873 K 下,由于温度较高,液滴吸收热量加快,液滴内部产生的气泡迅速增大并向液滴油膜处运动,此时液滴内部压强迅速增加,最终突破液滴油膜表面张力所能承受的临界值,导致液滴油膜破裂而发生微爆炸,从而加快了液滴的蒸发进程。图 9摇 JME 液滴的蒸发机制示意图Fig.9摇 Schematic diagram of the evaporation mechanismof the JME droplets3摇 结论(1)环境温度为 673 K 和 873 K 时,麻疯树生物柴油单液滴的蒸发过程分为 3 个阶段:瞬时加热阶段、波动蒸发阶段和平衡蒸发阶段,但是低温和高温下各阶段的持续时间不同,从 673 K 上升到 873 K时,瞬态加热阶段的持续时间增加了 2郾 6 倍,波动蒸发阶段的持续时间缩短了 31%,平衡蒸发阶段的持续时间缩短了 75郾 7%,JME 液滴的寿命缩短了53郾 5%。(2)在673 K 时,JME 液滴的蒸发只存在膨胀过程,没有发生微爆,在其蒸发过程中观察到小气泡形成和生长;在873 K 时,在 JME 液滴的蒸发过程中观察到 4 种现象:液滴变形、气泡形成、膨胀和微爆,这些现象的发生可以更好地实现空气-燃料混合,提高柴油机的燃烧效率。参考文献:1摇 胡文瑞,鲍敬伟.石油行业发展趋势及中国对策研究J.中 国 石 油 大 学 学 报(自 然 科 学 版),2018,42(4):1-10.HU W R,BAO J W.Development trends of oil industryand China蒺s countermeasuresJ.Journal of China Uni鄄versity of Petroleum(Edition of Natural Science),2018,42(4):1-10.(in Chinese)2摇 JIANG G Z,YAN J,WANG G,et al.Effect of nanopar鄄ticles concentration on the evaporation characteristics ofbiodieselJ.Applied Surface Science,2019,492:150-156.3摇 REQUENA J F S,GUIMARAES A C,ALPERA S Q,etal.Life Cycle Assessment(LCA)of the biofuel produc鄄tion process from sunflower oil,rapeseed oil and soybeanoil J.Fuel Processing Technology,2011,92(2):190-199.4摇SANDOUQA A,AL鄄HAMAMRE Z.Economical evalua鄄tion of jojoba cultivation for biodiesel production in JordanJ.Renewable Energy,2021,177:1116-1132.5摇 杨子飞.利用麻疯树油制备生物柴油的研究D.海口:海南大学,2019.YANG Z F.Research on 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stage.The evapora鄄tion characteristics of JME droplets at 673 K and 873 K are significantly different.The evaporation of droplets at673 K only has an expansion process with no micro鄄explosion,and the life of the droplets is longer.At 873 K,thedroplet undergoes a micro鄄explosion,and the droplet life is shorter.An increase in ambient temperature increasesthe evaporation rate of JME droplets because there are many volatile components in JME,which form bubbles aftervolatilization,and the droplets expand and explode at high temperatures.In this way,better air鄄fuel mixtures canbe obtained and the combustion efficiency of diesel engines can be improved.Key words:Jatropha curcas biodiesel;droplet evaporation;expansion;micro鄄explosion(责任编辑:于少云)92第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 姜熠豪等:纯麻疯树生物柴油单液滴蒸发特性研究