棕榈酸甲酯在纳米粒子协同作用下的蒸发特性研究
时间：2023-01-18 10:10:13 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
孙文强， 王筱蓉， 高 吉
(江苏科技大学 机械工程学院， 江苏 镇江 212100)
化石能源的不断消耗且价格飞速上涨的问题引起了众多行内人员的重视，研究可再生的生物燃料成为行业热点.现如今在柴油燃料中直接使用重甲酯作为添加剂模拟生物柴油燃料成为研究方向之一.棕榈酸甲酯在生物柴油中作为主要高饱和度甲酯的存在，而高饱和度的甲酯已被广泛用作发动机模拟的生物柴油替代品[1-5].甲酯的饱和水平与生物柴油燃烧、排放特性息息相关，较高的饱和度可以缩短化学点火延迟时间[6,7].所以研究生物燃料中高饱和度甲酯的物理特性，利用添加剂改善其性能并减少污染物排放是当下研究的一个重点[8-10].
生物柴油的能量密度虽低于柴油，但是氧含量占比约10%，远超柴油，较高的氧含量能改善内燃机的缸内燃烧[11].而纳米粒子的加入可以提高生物柴油的能量密度，弥补生物柴油能量密度不足的先天缺陷.纳米燃料添加剂的应用还可以改善燃料的燃烧特性，减少污染物的排放，从而减少空气污染[12].Sadia Akram等[13]用氧化铈和氧化铈纳米复合氧化物作为生物柴油的添加剂，证明了纳米粒子能减少氮氧化物、未燃烧碳氢化合物和一氧化碳的排放.T.Shaafi等[14]通过比较一些燃油掺混不同浓度的纳米添加剂的研究结果后提出，燃油性能的改善程度不会总是随着纳米添加剂的浓度的增加而增加，当浓度达到一定峰值后，燃油性能改善的效果就不再显著.比较多次实验结果后发现寻找不同纳米添加剂的最佳浓度是非常有必要的.在NOx排放方面，纳米添加剂加入生物柴油后实际排放的效果要优于纯柴油，这是因为生物柴油的峰值温度低于纯柴油，降低了NOx的含量，从而减少了NOx的排放.金属及金属氧化物的纳米粒子能降低燃料氧化温度，改善着火特性，加速燃料液滴的蒸发[15].Prabhu Appavu等[16]利用柴油发动机进行混合燃油与纯柴油燃烧特性的对比实验，实验结果证明，掺混纳米氧化铈粒子的混合柴油比纯柴油的点火延迟更短，制动热效率也有小幅度的提高.微量纳米氧化铈的添加减少了氮氧化物和一氧化碳的排放，随着添加量的增大效果越明显[17].
王亮等[18]指出，氧化铈在缺氧条件下提供晶格氧来燃烧的残留的碳氢化合物，而碳纳米管通过热传导的强化作用得到更高的发动机热效率[19].然而，在燃油中添加碳纳米管有着一些独特的改善效果，M.Ghanbari等[20]指出碳纳米管可以提高制动功率并且加大扭矩，从而达到制动比油耗下降的效果.J.Sadhik Basha等[21]在生物柴油中掺混同等比例的纳米氧化铝粒子和碳纳米管，实验结果表明，相比于纯生物柴油的制动比油耗和制动热效率，混合纳米粒子的燃油在这两项参数上改善的很明显.
本实验侧重研究了棕榈酸甲酯掺混碳纳米管与纳米氧化铈两种粒子在常压下673 K、773 K和873 K不同温度条件下的蒸发特性.添加的纳米粒子以ppm(百万分之一)作为浓度单位，选用这样微小的剂量不会改变混合燃油的物理特性，也不会导致混合燃油里的纳米粒子沉淀.
1.1 燃料特性
实验中使用的纳米添加剂是二氧化铈纳米颗粒(直径：20-50 nm)和碳纳米管(直径：2-8 nm，长度：0.5-200 nm).掺混到棕榈酸甲酯(MP)中的纳米氧化铈(CeO2)粒子和碳纳米管(CNT)的用量为50 ppm、100 ppm、150 ppm、200 ppm、250 ppm和500 ppm.表面活性剂中span80和tween80这两种成分配制同等比例，并且作为添加剂加入到棕榈酸甲酯的总重量和纳米添加剂相同.之前的研究证明[22]，在超声波冲击频率达到40 kHz的环境下，纳米氧化铈粒子能够在超声波清洗剂中和基油均匀混合.而要达到基油中纳米碳管的均匀混合条件需要进行机械搅拌.为了让混合的燃油维持更久的均匀状态，先以5 000 r/min的速度进行30 min的机械搅拌，然后利用超声波冲击在40 kHz的振动频率下进行30 min的混合.表1[23]是棕榈酸甲酯主要的理化性质.
表1 棕榈酸甲酯主要的物理性质
1.2 实验仪器
图1所示实验设备的整体框架由三个部分构成，包括加热炉升温系统、电机步进传送装置以及数据图像收集系统.温度控制器通过加热电路控制热电阻丝在蒸发炉内部进行加热，达到指定温度后开始进行蒸发实验.燃料液滴通过1 μL的微升取样器使之悬挂在交叉石英丝上，选用石英丝是因为它的导热系数是热电偶丝的百分之一，目的是尽量避免承载液滴的材料对蒸发过程产生影响.步进电机控制器控制滴灌装置将液滴传送到指定拍摄位置.为了将图像调试到最佳的效果，LED背景灯可以提供所需的光源条件，高速摄像机也设置了相关参数，图像记录频率为500 fps，分辨率像素为1 024×1 024，保证了图像的清晰度.
图1 设备示意图
1.3 图像处理方法
图2是提取液滴有效面积的步骤.首先设置坐标参数，从原始图像中截取我们需要的区域.再通过区分背景灰度值进行二值化，去除目标区域外的图像噪声.然后利用圆形结构元件来腐蚀石英丝所投影的像素数，从而达到切除石英丝的目的.最后将剩余代表液滴的像素数等效在圆形框架内计算出圆的直径.
图2 液滴图像处理示意图
2.1 表面活性添加剂的无关性验证
为了保证后续研究的可靠性，需要验证表面活性剂加入后对棕榈酸甲酯蒸发特性的影响.如图3(a)所示，棕榈酸甲酯在673 K时的液滴平方直径经过归一化的结果相比加入0.1%表面活性剂后的棕榈酸甲酯非常相似，二者的蒸发时间也相近.由此可以看出微量的表面活性剂没有影响棕榈酸甲酯液滴的蒸发能力.由图3(b)可以看到，两条曲线的偏差是细微的，直至蒸发结束，液滴蒸发时间大致相同.图3(c)显示出两种液滴前中期归一化平方直径的曲线大致是相同的，蒸发结束时间有着微小的差别，但是不影响液滴整体的蒸发特性.综上可知微量的表面活性剂在873 K时同样不影响液滴的蒸发特性.
图3 不同温度下0.1%表面活性剂作用下棕榈酸甲酯的归一化直径平方曲线
2.2 纳米流体液滴在673 K时的蒸发特性
图4为673 K温度下棕榈酸甲酯液滴以及棕榈酸甲酯掺混纳米添加剂混合液滴的直径归一化平方曲线，初始液滴体积为1 μL.如图所示，曲线初始点的纵坐标均为“1”，它代表了液滴的初始体积.由于液滴在瞬态加热阶段会受热膨胀，所以曲线刚开始呈上升趋势.当液滴体积重新回到初始体积时瞬态加热阶段结束，所以区域F内的曲线反映了液滴在瞬态加热阶段时的状态，区域S内的曲线反映了液滴在平衡加热阶段时的状态.在整个实验研究过程中，七种液滴在蒸发时间内均未有气泡膨胀或微爆炸发生.MP和MP混合纳米流体在第一阶段即瞬态加热阶段的蒸发曲线趋势相类似，可是在第二阶段即平衡蒸发阶段的曲线却有一些不同.掺混100 ppm CNT+100 ppm CeO2组别的MP混合纳米流体液滴总蒸发时间最短.有趣的是MP的总蒸发时间与250 ppm CNT+250 ppm CeO2混合的纳米流体几乎一样.然而，在其余的掺混浓度下，纳米流体的总蒸发时间都比MP长.
图4 七种燃料在673 K下的归一化直径平方曲线
图5 在673 K下不同浓度燃料蒸发相的比较
图6为七种液滴的瞬时蒸发率，瞬时蒸发率曲线的首点是初始液滴膨胀阶段结束时刻的蒸发率.由图可知，随着时间的推移，七种液滴的瞬时蒸发速率曲线呈上升的趋势，蒸发速率在蒸发结束前随着液滴直径的减小而增大.MP掺混100 ppm CNT+100 ppm CeO2的瞬时蒸发率曲线历时最短，且是七种液滴中最高的.MP掺混250 ppm CNT+250 ppm CeO2的瞬时蒸发率曲线用时仅多于前者，但是瞬时蒸发速率低于MP，并且MP掺混500 ppm CNT+500 ppm CeO2的瞬时蒸发率是最低的.图6中随着纳米添加剂浓度的增加，在掺混的纳米添加剂不超过100 ppm的时候，纳米流体液滴的蒸发速率逐渐变高，蒸发时间变短.但是，当掺混的纳米添加剂高于250 ppm时，混合液滴的蒸发时间随着纳米添加剂配比的提升而增加.加入纳米添加剂的混合液滴在起始阶段能促进平稳蒸发，但是，混合液滴在后期的蒸发进程相对较长，这证明了纳米添加剂在不同的阶段有不同的效果.由此可见，在673 K的实验温度下，MP掺混100 ppm CNT+100 ppm CeO2的配比能够得到最优的蒸发性能.
图6 七种液滴在673 K下的瞬时蒸发速率曲线
2.3 纳米流体液滴在773 K时的蒸发特性
图7为MP与不同配比MP混合纳米流体在773 K时的归一化直径平方曲线图.曲线很明显没有异常波动，说明MP和MP混合纳米流体在蒸发过程中没有气泡膨胀或微爆炸发生.曲线走向与673 K的情况相似.但是，这些混合液滴的蒸发结束时间与673 K时完全不同.可以清晰的看到，MP液滴的蒸发用时比六种混合液滴都长.MP掺混100 ppm CNT+100 ppm CeO2的蒸发用时最短，其次是MP与250 ppm CNT和250 ppm CeO2共混液滴.特别的是，MP与50 ppm CNT+50 ppm CeO2混合液滴的蒸发曲线介于MP与250 ppm CNT和250 ppm CeO2共混以及MP与500 ppm CNT+500 ppm CeO2共混之间.
图7 七种燃料在773 K下的归一化直径平方曲线
图9为七种液滴在773 K环境温度下的瞬时蒸发速率曲线，与673 K环境温度下的曲线走向相同.但是，混合了纳米添加剂的液滴蒸发寿命都少于MP.瞬时蒸发速率在整个液滴蒸发过程的后半段达到峰值，可见液滴的蒸发速率随着其直径的减小而增大.MP掺混100 ppm CNT+100 ppm CeO2的混合液滴最先蒸发结束，在6.25 s达到蒸发速率的最大值(Kinst=0.64 mm2/s).MP掺混200 ppm CNT+200 ppm CeO2达到瞬时蒸发速率第二个最高峰值(Kinst=0.68 mm2/s).然而，当MP掺混250 ppm CNT+250 ppm CeO2和500 ppm CNT+500 ppm CeO2时，混合液滴瞬时蒸发率的峰值依次减小.对比673 K环境温度的结果，实验现象类似，MP掺混100 ppm CNT+100 ppm CeO2的配比仍然是最优的.
图8 在773 K下不同浓度燃料蒸发相的比较
图9 七种液滴在773 K下的瞬时蒸发速率曲线
2.4 纳米流体液滴在873 K时的蒸发特性
图10为MP与不同配比MP混合纳米流体在873 K时的归一化直径平方曲线图.曲线无异常波动，说明MP和MP混合纳米流体在蒸发过程中也没有气泡膨胀或微爆炸发生.曲线走向与673 K、773 K的情况相似.不同的是，在873 K的温度下纳米流体液滴的蒸发时间近乎相同.但比较时间数据后仍能发现100 ppm组别的混合液滴蒸发寿命最短.
图10 七种燃料在873 K下的归一化直径平方曲线
图11 在873 K下不同浓度燃料蒸发相的比较
图12为七种液滴在873 K环境温度下的瞬时蒸发率曲线，混合了纳米添加剂的液滴蒸发寿命都短于MP，蒸发开始的时间也都优先于MP.MP掺混100 ppm CNT+100 ppm CeO2的混合液滴最先蒸发结束，在3.496 s达到其蒸发速率的最大值(Kinst=1.24 mm2/s).MP掺混500 ppm CNT+500 ppm CeO2的混合液滴蒸在3.552 s时达到其瞬时蒸发率峰值(Kinst=1.203 mm2/s).MP混合50 ppm CNT+50pm CeO2的液滴在3.512 s处达到其蒸发速率最高峰值(Kinst=1.29 mm2/s).虽然它在某一时刻蒸发速率超过了100 ppm组别，但是总蒸发时间还是更长.综合对比673 K和773 K环境温度下的结果，873 K下MP掺混100 ppm的纳米粒子仍然达到最优的蒸发效果.
图12 七种液滴在873 K下的瞬时蒸发速率曲线
从以上结果可以看出，在673 K时加速蒸发需要配比不超过100 ppm的纳米添加剂，而在773 K、873 K温度下各组均可加速蒸发，且100 ppm配比的蒸发效果最佳.但是环境温度过高时，纳米添加剂配比剂量对蒸发时间的影响则需引入蒸发时间变化率来进行评价.
定义蒸发时间变化率为:
(1)
式(1)中：t0为基本液滴整个蒸发时间，本研究中为MP;tn为纳米流体液滴蒸发的整个时间.
图13为三个温度下纳米流体液滴的蒸发时间变化率曲线.对比之前已有的研究[24]，选择50 ppm、100 ppm、250 ppm和500 ppm的浓度配比上进行纵向比较.在673 K时，100 ppm浓度配比的纳米添加剂缩短了12.8%的蒸发时间，250 ppm和500 ppm浓度配比的纳米添加剂分别增加了0.9%和23%的蒸发时间，与之前的研究趋势相同.但是，50 ppm浓度配比的添加剂效果与之前的研究截然相反，增加了13.9%的蒸发时间.然而，在773 K时，50 ppm浓度配比的添加剂缩短了15.2%的蒸发时间，之前研究中50 ppm浓度配比的添加剂在673 K时缩短了16.9%的蒸发时间，两者用时非常接近.100 ppm浓度配比的纳米添加剂缩短了25.8%的蒸发时间，250 ppm和500 ppm浓度配比的纳米添加剂分别缩短了18.7%和11.6%的蒸发时间，各组别的蒸发效率均高于673 K.在873 K时，掺混不同量添加剂的四个组别蒸发用时相差不大，并且蒸发效率最高的还是100 ppm这一组，与之相比缩短了40.3%的蒸发时间.
图13 673 K、773 K和873 K下纳米流体液滴的蒸发时间变化率曲线对比
对比本研究的蒸发时间变化率可知，100 ppm组别的纳米添加剂在673 K、773 K和873 K时的加速蒸发效果都优于50 ppm、250 ppm和500 ppm组别.然而，当纳米添加剂的浓度配比为250 ppm和500 ppm时，蒸发效率逐渐减缓.是因为高浓度的纳米粒子添加剂在蒸发快结束时会形成一个球形壳体，降低液滴临近蒸发结束时的蒸发速率.由此可见，纳米添加剂浓度配比的增加并不会成比例缩短液滴蒸发寿命.
2.5 单一纳米粒子作用对照组
图14是不同的单一纳米粒子作用时液滴的归一化直径平方曲线.为了验证100 ppm纳米粒子协同作用促进液滴蒸发，而不是单一催化影响蒸发，增设此对照组.从图中可以明显的看到不论在哪一个温度下，任一单一的纳米粒子催化作用都不及双纳米粒子协同作用加速蒸发效果显著.
图14 不同温度下100 ppm单一纳米粒子作用时液滴的归一化直径平方曲线
本研究对掺混纳米粒子的MP在环境温度673 K，773 K和873 K下的蒸发特性进行了研究.本研究得出以下结论:
(1)纳米流体在673 K的蒸发表现决定了本次实验中加速蒸发的最优配比浓度为100 ppm.然而，纳米添加剂在浓度为50 ppm、100 ppm、150 ppm的组别和250 ppm的组别以及500 ppm的组别时蒸发速率均小于MP.
(2)纳米添加剂在773 K、873 K的作用都是加速液滴蒸发.但是，纳米添加剂的配比量对蒸发加速的程度有不同的影响.蒸发逐渐加速的配比量是从50 ppm的组别到100 ppm的组别,而蒸发速率逐渐降低的配比量是从250 ppm的组别到500 ppm的组别.
(3)纳米流体液滴内部受热越均匀，在瞬时加热阶段的用时越短.100 ppm浓度配比的纳米流体液滴可以快速升温，强化内部传热，减少在平衡蒸发阶段用时.相反，其它浓度配比的纳米流体瞬时加热阶段用时较长，受热较强的区域率先蒸发，且延长了平衡蒸发阶段的时间.
猜你喜欢 甲酯液滴流体 石榴籽油及其游离脂肪酸的甲酯化研究陕西科技大学学报(2022年3期)2022-05-27纳米流体研究进展能源工程(2022年2期)2022-05-23响应面法优化冷冻结晶纯化壬醛酸甲酯工艺浙江工业大学学报(2022年1期)2022-01-25亚/跨临界状态下不同组分燃油液滴蒸发特性分析江苏大学学报（自然科学版）(2022年1期)2022-01-17醋酸甲酯水解工艺研究进展安徽科技(2021年10期)2021-11-12保护植物的新方法：让害虫互食同类大自然探索(2021年2期)2021-04-02建筑环境中微生物对液滴蒸发影响的实验研究西安建筑科技大学学报（自然科学版）(2021年1期)2021-03-30山雨欲来风满楼之流体压强与流速大众科学(2020年7期)2020-10-26结冰风洞中过冷大水滴云雾演化特性数值研究航空学报(2020年8期)2020-09-10液滴辐射器液滴层的优化设计中国空间科学技术(2020年2期)2020-05-04
