正庚烷对甲醇液滴蒸发特性的影响
0 引 言
煤炭液化产品及清洁燃料技术关系到国家石油能源安全战略问题[1]。甲醇在常温下呈液态，运输方便，在点燃式发动机上已得到应用。柴油机是农用及工程机械的主要动力源，采用煤液化技术生产甲醇并应用在柴油机上可降低颗粒物排放，满足日益严格的排放要求。柴油机燃用煤制甲醇可助力能源多元化，是煤炭资源综合清洁利用的有效途径[2-3]。甲醇汽化潜热大、含氧量高，但十六烷值低、自燃性差，且难以在柴油机上直接压燃。甲醇液滴的蒸发、着火、燃烧对柴油机稳定运行影响较大。提高甲醇燃料的十六烷值是改善甲醇着火及燃烧过程的重要手段[4]。
燃料的蒸发过程对燃烧过程有重大影响，在甲醇燃料中添加正庚烷，可提高燃料的十六烷值，改善甲醇燃料着火特性，提高柴油机运行平稳性。但加入正庚烷会改变液滴表面张力、饱和蒸汽压等，燃料蒸发特性变化。开展正庚烷-甲醇液滴的蒸发特性研究，对改善柴油机使用甲醇燃料时的燃烧过程和推广甲醇燃料在农用柴油机上的应用具有重要意义。
燃料燃烧包含燃油液滴的蒸发和着火过程。围绕液滴蒸发和燃烧等特性，国内外学者开展了广泛研究工作。马力等[5]运用数值求解的方法，建立了液滴蒸发模型，对不同流速、温度时液滴蒸发特性变化规律进行了研究。结果表明，液滴蒸发速率随气流温度、气流速度和液滴初始直径的增大而增大。段小龙等[6]搭建了液滴蒸发试验台架，采用悬挂法对高温气流中液滴蒸发过程进行了研究。结果表明，随液滴直径减小，传质表面积减小，液滴周围蒸汽浓度对蒸发过程产生影响。费舒波等[7]建立了双组分单液滴的一维蒸发模型，分析了机油液滴在不同压力和温度条件下蒸发特性的变化规律。研究发现，在相同压力下，随温度增大，液滴体积膨胀期缩短，体积膨胀比影响较小；当温度一定时，环境压力的增大对液滴蒸发具有一定抑制作用。赵宇炜等[8]提出在大部分液滴蒸发期间，表征单位面积液滴蒸发速率的D2定律成立，即液滴直径D与液滴初始直径D0比值的平方随时间t变化曲线近似为一条直线，液滴直径与液滴初始直径比的平方(D/D0)2随时间延长而线性减小；液滴瞬态燃烧过程对温度较敏感，在无火焰的较低温度范围内，液滴会以纯蒸发状态存在。FITRIANA等[9]搭建喷雾试验台架，研究了温度对不同类型液体燃料液滴蒸发速率的影响规律，分析了不同粒径液滴的蒸发速率。结果表明，液滴粒径和蒸发速率与温度呈正相关。FENG等[10]建立了悬浮正庚烷液滴的蒸发模型，研究正庚烷液滴的蒸发过程及其对火焰振荡的影响，并通过模型准确地预测蒸发时间和蒸发速率。结果表明，当正庚烷掺混体积比增大时，液滴寿命增加；提高环境温度，降低液膜寿命，而液滴蒸发速率会随温度的增大而增加。BAEK等[11]运用快速压缩机(RCM)等设备，研究了正庚烷液滴蒸发和燃烧特性，分析了不同气体氛围时液滴蒸发速率。结果表明，随环境压力增大，液滴周围的环境温度上升，液滴蒸发速率增大。BANERJEE[12]运用液滴蒸发模型对不同条件下液滴组分的分散性进行研究，表明液滴组分的分散性受气体流速的影响较小，温度是影响液滴组分分散性的主要因素。
综上所述，液滴蒸发及燃烧方面的研究主要集中于分析不同因素对液滴蒸发速率、液滴寿命和蒸发时间等特征参数的影响规律；或考虑单一因素的影响，如液滴组分和液滴粒径的影响。在甲醇中添加正庚烷，提高燃料的十六烷值，结合掺混体积比、温度、液滴直径变化，研究其液滴蒸发特性方面的报道较少。
笔者搭建了液滴蒸发试验装置，处理高速摄影机拍摄的液滴图像，研究了正庚烷-甲醇液滴的蒸发特性，分析了不同正庚烷掺混体积比、环境温度等参数对甲醇液滴蒸发的变化规律，揭示不同温度、正庚烷添加比例对甲醇蒸发特性的影响，为甲醇燃料在农用柴油机上的应用提供参考。
1 试验设备及方案
1.1 试验设备
采用相似理论对试验设备进行设计，运用挂滴法固定待测液滴[13]。试验装置由采样装置、加热系统、温度调节装置和高速摄像机构成，如图1所示。正庚烷-甲醇溶液由不锈钢注射针产生，其控制精度约为1 μL；正庚烷-甲醇液滴周围环境温度经高温管式炉调节。通过XMTD数显调节仪等组成的温度控制系统，可测量管式炉内的温度，主要性能参数见表1。
图1 试验系统示意
Fig.1 Schematic of test system
表1 XMTD数显调节仪性能参数
Table 1 Performance parameters of XMTD digital display regulator
采用美国Phantom miro ex4高速数字摄像机拍摄液滴的蒸发过程，高速数字摄像机的主要参数见表2。
表2 Phantom miro ex4高速数字摄像机
Table 2 Phantom miro ex4 high speed digital camera
1.2 试验方案
针对农用柴油机甲醇混合燃料的燃烧特性，试验时，选用正庚烷提高甲醇燃料的十六烷值。为使甲醇燃料的十六烷值适当增加，根据体积分数，分别配制出4种不同掺混体积比的正庚烷-甲醇混合溶液进行对比分析：纯甲醇、5%正庚烷-甲醇、10%正庚烷-甲醇和15%正庚烷-甲醇混合燃料。
试验前，利用改性剂对不锈钢针头进行预处理，增大针头与液滴间黏附力，易于液滴在针尖处悬挂。为提高试验结果准确性，试验环境保持在同一温度和湿度。设定工况温度为100～500 ℃。为减少试验误差，每组试验重复3次。
1.3 燃料特性
十六烷值(Cetane Number，CN)是衡量燃料着火性能的重要指标[14]。使用经验公式(1)，对混合溶液的十六烷值进行估算[15]：
CN=φ1CN1 φ2CN2，
(1)
式中，CN1和CN2分别为正庚烷和甲醇的十六烷值；φ1和φ2分别为混合燃料中正庚烷和甲醇的掺混体积分数。
试验用甲醇及正庚烷理化性质见表3。
表3 燃料理化性质
Table 3 Physical and chemical properties of fuel
混合燃料的十六烷值见表4。由表4可知，加入正庚烷后，燃料的十六烷值增加。当正庚烷掺混体积比为5%时，正庚烷-甲醇混合燃料的十六烷值由原来的3.0增至11.1，与甲醇相比，增长了近3.6倍，增幅较大。
表4 混合燃料十六烷值
Table 4 Cetane number of mixed fuel
1.4 图像处理
在单液滴蒸发试验中，直接测量液滴质量随时间的变化非常困难。液滴质量的损失会导致液滴直径随时间缩小。由于液滴悬浮时呈椭球形，采用等效直径作为分析基准。利用注射器控制注射量确定液滴的初始直径D0为0.5～3.5 mm。
本试验中，液滴蒸发环境相对封闭，液滴在蒸发过程中的直径变化可通过处理液滴蒸发形态图像获得。使用Image-Pro Plus图像处理软件分析液滴蒸发形态图像，通过整张图片中液滴所占比例定义所采集图片的有效区域，在降低计算量的同时提高程序对图片的处理精度。对图片进行二值化处理，确保液滴大小形状与原始图像保持一致，凸显液滴边缘轮廓，消除相对干扰(运用经典的Otsu方法用于获得该区域每个部分的最佳阈值)。使用形态学图像处理技术，去除针管。图像的空间分辨率为22 μm/像素，统计减掉针管的液滴的像素点个数，乘以像素点面积即可获得液滴投影面积S。液滴等效为标准圆形，液滴的实际面积用等效圆面积代替，液滴图像处理过程如图2所示。液滴当量直径可通过式(2)[16]求解：
图2 液滴图像处理过程
Fig.2 Droplet image processing procedure
(2)
式中，d为液滴的当量直径,mm；S为液滴的实际投影面积，mm2。
建立相同温度下不同掺混体积比正庚烷-甲醇溶液的蒸发曲线和同一添加剂浓度下不同温度时蒸发曲线。分析温度和正庚烷添加剂对甲醇液滴蒸发特性影响，拟合其函数表达式。
2 试验结果与分析
2.1 液滴形貌
正庚烷-甲醇溶液液滴蒸发时的形貌变化见表5，可知液滴直径的大小与形状均随时间推移而发生变化，液滴不断蒸发并形成一个圆盘。蒸发开始阶段，由于分子间存在范德华力、液桥力以及重力等力的相互作用，液滴的受力平衡，表现为圆球形状。随时间增加，液滴开始蒸发，液滴直径逐渐减小，其体积减小，液滴间的相互作用力被破坏，液滴从圆球转变成椭球，直至蒸发结束。
表5 液滴蒸发时的形貌变化
Table 5 Morphological changes of droplets during evaporation
2.2 液滴直径变化
试验测量时混合溶液液滴在初始时刻的直径不能保证完全相同，为减少液滴大小对蒸发特性的影响，通过无量纲参数对液滴的蒸发特性进行表征，即液滴直径D与液滴初始直径D0比值的平方(D/D0)2[17]。
图3为液滴无量纲直径的平方随时间的变化规律。由图3可知，同种液滴随温度升高，其(D/D0)2-t的斜率随之增大，说明(D/D0)2随温度升高而增加。这是因为温度升高，液滴的传热能力变强，甲醇的蒸发气体增多，导致环境气体向混合液滴传热能力增强。同时，温度在300 ℃以上时，不同体积分数的正庚烷-甲醇溶液液滴的蒸发曲线集中，这是由于液滴处在高于300 ℃的高温区域，液滴表面的气态甲醇浓度迅速增大，使液滴周围的浓度梯度变小，降低了液滴蒸发速率的变化幅度。蒸发初始阶段，混合溶液液滴的表面存在一定温度差，液滴蒸发快，随蒸发进行，蒸汽扩散速度小于液滴蒸发速度，使液滴蒸发速率减小。经过初始的快速蒸发阶段，液滴会与周围环境的温度梯度达到相对平衡状态。正庚烷-甲醇混合溶液液滴在不同温度时蒸发特性一致，(D/D0)2-t整体上基本呈线性相关，满足D2定律。
图3 液滴的无量纲直径的平方随时间变化规律
Fig.3 Variation of the square of dimensionless diameter of droplets with time
2.3 液滴面积变化
图4为不同温度下正庚烷-甲醇液滴相对面积A随时间变化规律。当温度升高，液滴相对面积变化率增大。这主要是因为随环境温度上升，液滴表面温差缩小，降低了液滴间的传热系数，使液滴表面与空气间的热交换加快，提高了液滴单位面积蒸发速率。
图4 不同温度的正庚烷-甲醇液滴相对面积随时间变化规律
Fig.4 Variation of relative area of n-heptane methanol droplets with time at different temperatures
2.4 温度对液滴蒸发速率的影响
为了表征液滴特性，用单位时间内液滴直径与液滴初始直径比值的平方表示液滴蒸发速率。不同掺混体积比正庚烷-甲醇液滴在不同温度下的单位面积蒸发速率见表6，可知当温度从100 ℃升至500 ℃，纯甲醇、5%正庚烷-甲醇、10%正庚烷-甲醇、15%正庚烷-甲醇溶液的液滴单位面积蒸发速率分别增加了543%、639%、896%、556%。这说明升高环境温度可以促进液滴蒸发速率的增加。
表6 不同温度下液滴单位面积蒸发速率
Table 6 Evaporation rate per unit area of droplets at different temperatures
对环境温度100～500 ℃的液滴相对面积随时间变化的散点图进行线性拟合如图5所示，得到y=ax b的直线方程，不同温度的液滴蒸发速率拟合曲线的线性回归系数R2>0.96，系数接近1，表明拟合精度较高。由图5可知，不同掺混体积比的正庚烷-甲醇溶液液滴相对面积的蒸发速率均随温度升高呈线性增加趋势。纯甲醇、5%正庚烷-甲醇、10%正庚烷-甲醇、15%正庚烷-甲醇溶液液滴单位面积蒸发速率随温度变化散点图的拟合曲线斜率分别为2.323×10-4、2.574×10-4、2.273×10-4、2.132×10-4 。这主要是由于当温度较低时混合溶液液滴表面的微观作用力较大，液滴中正庚烷和甲醇的挥发迟滞，液滴的蒸发较慢；当温度增加时，液滴表面的微观作用力降低，使液相转变为气相的能垒减小；另外，液滴的传热系数随着温度的升高而增加，导致液滴吸收热量增多，从而促进液滴蒸发[18]。
图5 液滴单位面积蒸发速率随温度变化
Fig.5 Droplet evaporation rate per unit area with temperature variation
2.5 掺混体积比对液滴蒸发时间的影响
液滴蒸发不仅受环境影响，其自身的组分、性质等因素也会对蒸发产生作用[19-20]。正庚烷的掺混体积比是影响混合溶液液滴蒸发速率的重要因素。为分析掺混体积比对混合溶液液滴蒸发特性的影响，研究在100、200、300、400和500 ℃时，不同掺混体积比混合溶液的蒸发曲线。
表7为不同掺混体积比的正庚烷-甲醇液滴的蒸发时间，可知200和 300 ℃时，添加5%掺混体积比的正庚烷会使液滴蒸发时间缩短。在100、400、500 ℃下，与纯甲醇液滴相比，5%正庚烷-甲醇液滴蒸发时间延长。这可能是因为，在200、300 ℃ 下，正庚烷处于临界点附近(540 K),内部分子运动较为剧烈。由表7可知，100 ℃时随正庚烷掺混体积比增加，混合溶液的蒸发时间缩短，5%正庚烷-甲醇、10%正庚烷-甲醇和15%正庚烷-甲醇的液滴蒸发时间分别为51.52、47.59和36.28 s。200 ℃时，随正庚烷添加比例增加，甲醇液滴的蒸发时间延长。300、400、500 ℃下，随正庚烷添加比例的增加，液滴的蒸发时间先增加后有所降低，总体呈增加趋势。在200、300、400、500 ℃试验条件下，当正庚烷掺混体积比从5%增至15%后，液滴蒸发时间分别增加了53.9%、17.1%、47.5%、53.1%。这可能是由于正庚烷较甲醇的沸点高，其蒸发速率较甲醇液滴慢，由此推论，随正庚烷掺混体积比的增加，甲醇液滴的蒸发速率下降，从而影响其蒸发燃烧。
表7 液滴在不同温度下的蒸发时间
Table 7 Droplet evaporation time at different temperatures
不同掺混体积比的正庚烷-甲醇液滴相对面积随时间变化规律如图6所示，可知在100 ℃下，当正庚烷掺混体积比从5%增至15%，液滴蒸发时间缩短了29.6%。在200 ℃下，当正庚烷掺混体积比从5%增至15%，液滴蒸发时间缩短了54%。在300、400、500 ℃温度下，随正庚烷掺混体积比的增加，液滴蒸发时间先增加后减少。在100～500 ℃下各正庚烷-甲醇液滴在同一温度下的变化趋势相似，各曲线重合度较高。这可能是由于甲醇与正庚烷都为易挥发液体，其蒸发特性均较好，随温度上升，二者均高速蒸发，此时其物理性质与环境高温相比并非主要影响因素。
图6 不同掺混体积比的正庚烷-甲醇液滴相对面积随时间变化规律
Fig.6 Variation of relative area of n-heptane methanol droplets at different blending volume ratios with time
3 结 论
1)液滴半径比平方随时间的变化曲线(D/D0)2-t基本为一条直线，遵循D2定律。液滴相对面积随时间变化趋势近似为一条斜率为负的直线。
2)液滴的蒸发速率随温度上升呈明显上升趋势，单位面积液滴的蒸发速率随温度的升高而增大。当温度从100 ℃增至500 ℃，纯甲醇、5%正庚烷-甲醇、10%正庚烷-甲醇、15%正庚烷-甲醇溶液液滴的单位面积蒸发速率分别增加了543%、639%、896%、556%。
3)温度一定时，各正庚烷-甲醇液滴变化规律相似。除200、300 ℃外，5%掺混体积比的正庚烷会使液滴蒸发时间延长。100 ℃ 时，随正庚烷掺混体积比增加，液滴蒸发时间缩短；200 ℃时，液滴蒸发时间随正庚烷掺混体积比的增加而增加；在300、400、500 ℃时，随正庚烷掺混体积比增加，液滴蒸发时间先增加后减少。
4)柴油机是压燃式发动机，当可燃气浓度达着火浓度时，会发生着火，开始燃烧。液滴的蒸发影响燃料与空气混合的速度。同等条件下，较高的蒸发速率和较短的蒸发时间意味着形成良好混合气的时间短，即燃料的着火延迟期缩短。研究静止在空气中的液滴蒸发特性，可为解决甲醇燃料十六烷值低、难以直接压燃的问题提供参考，为纯甲醇燃料在柴油机上的推广使用提供理论依据。
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Effect of n-heptane on the evaporation characteristics of methanol droplets
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