王 楠 張新塘 曹雨奇

(武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)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(diào)配形成的一種混合燃料，與普通汽油比有很多優(yōu)點(diǎn)，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(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部積炭的產(chǎn)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(gè)問題都增加了技術(shù)難度和成本[1].乙醇燃料電池的反應(yīng)物只有含水乙醇和空氣且生成物為水和二氧化碳，綠色環(huán)保污染小，很符合現(xiàn)代排放法規(guī)要求.但是現(xiàn)有乙醇燃料電池在技術(shù)上還有待突破，電催化劑與質(zhì)子交換膜兩大技術(shù)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(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的缺陷，含水乙醇重整燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是一種有效的解決方案.該類型發(fā)動(dòng)機(jī)是在汽油模式下啟動(dòng)的，在此模式下為重整器提供反應(yīng)所需的熱量.重整器中置有催化劑，在達(dá)到起活溫度后，對進(jìn)入重整器的含水乙醇進(jìn)行催化反應(yīng)，產(chǎn)生富氫混合氣，之后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸燃燒，實(shí)現(xiàn)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(fā)與重整反應(yīng)的場所，重整器性能的優(yōu)劣直接決定了含水乙醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行仿真.將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)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(fā)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(xù)含水乙醇重整器結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)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(jié)構(gòu)見圖1[4].

圖1 重整器結(jié)構(gòu)原理圖

其工作原理為：含水乙醇從含水乙醇進(jìn)口5進(jìn)入重整器，流經(jīng)液態(tài)腔6進(jìn)入蒸發(fā)區(qū)3進(jìn)行吸熱蒸發(fā).蒸發(fā)后的乙醇蒸汽流經(jīng)氣態(tài)腔2進(jìn)入重整區(qū)11進(jìn)行重整反應(yīng)，反應(yīng)后的重整氣由重整氣出口14導(dǎo)出.重整區(qū)11內(nèi)部裝有催化劑，前端與氣態(tài)腔2相連，后端焊接于管路焊接板12，且在前端設(shè)有濾網(wǎng)10防止催化劑從前端泄露.管路焊接板12上設(shè)有螺紋孔，濾網(wǎng)壓板15依靠這些螺紋孔與管路焊接板12相連，濾網(wǎng)壓板15上設(shè)有與重整區(qū)11管路大小、數(shù)目、排列方式相同的通孔，這些通孔都焊有濾網(wǎng)10，能夠有效防止催化劑從重整區(qū)11后端泄露.

1.2 重整器性能測試系統(tǒng)與試驗(yàn)臺架

為了驗(yàn)證所建立模型的正確性并確定仿真計(jì)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(nèi)部溫度場、重整氣體成分、重整器性能穩(wěn)定性以及對發(fā)動(dòng)機(jī)排氣產(chǎn)生的阻力等)進(jìn)行測試.含水乙醇重整器的試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖見圖2[5].

測試系統(tǒng)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(jì).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(jīng)單向閥直接進(jìn)入重整反應(yīng)器，蒸發(fā)和反應(yīng)所需的熱量由汽油機(jī)廢氣提供，流出重整反應(yīng)器的重整產(chǎn)物通過冷卻器后，部分被取樣進(jìn)入氣相色譜分析儀，其余排空.冷卻得到的未發(fā)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(shè)有電子秤對消耗與收集的含水乙醇量進(jìn)行計(jì)量，并設(shè)置U形管壓力計(jì)對發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓進(jìn)行監(jiān)測.

圖2 含水乙醇催化重整試驗(yàn)系統(tǒng)原理

2 含水乙醇重整器換熱仿真模型的驗(yàn)證

2.1 重整器溫度測點(diǎn)的布置

在進(jìn)行重整器性能試驗(yàn)時(shí)，溫度是反映重整器性能的重要指標(biāo)[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(diǎn)，通過觀察測點(diǎn)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(diǎn)數(shù)為九個(gè)，其中，六個(gè)測點(diǎn)位置在重整區(qū)，三個(gè)測點(diǎn)位置在蒸發(fā)區(qū)；徑向方向測點(diǎn)數(shù)位四個(gè)，均布置在重整區(qū)，其中有兩個(gè)測點(diǎn)位置與軸向方向測點(diǎn)位置相同.

圖3 溫度傳感器位置示意圖

2.2 重整率的驗(yàn)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(yán)格的定義.而且乙醇與水反應(yīng)過程較為復(fù)雜且副反應(yīng)較多，重整反應(yīng)產(chǎn)物種類較多，依靠反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行重整率定義較為困難.可通過量化參與反應(yīng)的含水乙醇比例進(jìn)行定義.

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選定計(jì)算和試驗(yàn)工況點(diǎn)入口溫度為610 ℃、轉(zhuǎn)矩為61 N·m.經(jīng)計(jì)算，該運(yùn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)見圖4，據(jù)此可以計(jì)算出含水乙醇重整器的重整率，經(jīng)計(jì)算該工況下的重整率約為25%.

圖4 重整器內(nèi)各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.3 排氣阻力的驗(yàn)證

在原發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管加裝含水乙醇重整器后勢必增加發(fā)動(dòng)機(jī)排氣阻力，該阻力可用重整器出入口排氣壓差表示.試驗(yàn)中，重整器引起的排氣壓差通過U形管壓力計(jì)讀出.試驗(yàn)工況下，U形管壓力計(jì)平均讀數(shù)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(jìn)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(yàn)與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，得到試驗(yàn)與仿真誤差見表1.由表1可知，各測點(diǎn)溫度模擬值與試驗(yàn)值之間呈現(xiàn)較好的一致性.對比排氣阻力試驗(yàn)值與仿真值，試驗(yàn)值略高于仿真值.究其原因，在搭建重整器換熱仿真模型時(shí)存在幾何模型的簡化，導(dǎo)致仿真值與試驗(yàn)值存在一定誤差.重整率試驗(yàn)值與仿真值也存在一定誤差，主要原因是催化劑化學(xué)動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)無法得到.由于重整器本質(zhì)上是一種熱交換器，測點(diǎn)溫度相較于其他兩種參數(shù)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(yīng)試驗(yàn)規(guī)律.

表1 試驗(yàn)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(jié)構(gòu)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(jìn)行評估，從而為含水乙醇重整燃料發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)控制策略設(shè)計(jì)提供支持.

根據(jù)汽油機(jī)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(jù)替代燃料熱值相等原理通過兩種燃料的熱值進(jìn)行換算得出，通過計(jì)算得到乙醇流量范圍為3～27 kg/h.根據(jù)重整催化劑啟活溫度和含水乙醇重整燃料發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工況范圍，選取16個(gè)工況(見表2)對重整器性能進(jìn)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(fā)率的影響

在含水乙醇重整器換熱仿真中，蒸發(fā)率是指液態(tài)乙醇吸收煙氣能量蒸發(fā)為乙醇蒸汽的轉(zhuǎn)化率，影響蒸發(fā)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(fā)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(jìn)行計(jì)算后，將仿真結(jié)果中不同工況下的換熱管出口處液態(tài)乙醇含量數(shù)據(jù)導(dǎo)出，進(jìn)行蒸發(fā)率相關(guān)計(jì)算后，同一重整器廢氣入口溫度下蒸發(fā)率隨乙醇流量的變化情況見圖6.

圖6 蒸發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)率影響相對較小.究其原因，受重整器主體尺寸的影響，蒸發(fā)區(qū)換熱面積一定，當(dāng)流量增大到一定程度后，蒸發(fā)區(qū)換熱面積已經(jīng)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(fā)率影響相對較小.在確定的工作范圍內(nèi)，蒸發(fā)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(fā)率的影響，需要保證在相同的乙醇流量下進(jìn)行.按照表2，選取工況1，5，9；工況3，6，10；工況4，8，11，進(jìn)行邊界條件設(shè)置與仿真計(jì)算后，將仿真結(jié)果中不同工況下的換熱管出口處液態(tài)乙醇含量數(shù)據(jù)導(dǎo)出，進(jìn)行蒸發(fā)率相關(guān)計(jì)算后，同一重整器廢氣入口溫度下蒸發(fā)率隨乙醇流量的變化情況見圖7.

圖7 蒸發(fā)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(fā)率隨廢氣入口溫度的升高呈現(xiàn)上升趨勢.小流量下蒸發(fā)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(fā)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(fā)，但實(shí)際工作工況并不會存在較高廢氣入口溫度對應(yīng)低乙醇流量的情況.當(dāng)乙醇入口流量超過3～11 kg/h的某個(gè)值，蒸發(fā)區(qū)無論發(fā)動(dòng)機(jī)工況處于何種狀態(tài)，重整器均無法實(shí)現(xiàn)完全蒸發(fā).

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(chǎn)物為H2與CO，重整率可以通過產(chǎn)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(diǎn)選取參考乙醇入口流量對蒸發(fā)率的影響探究，進(jìn)行邊界條件設(shè)置與仿真計(jì)算后,同樣將各工況數(shù)據(jù)導(dǎo)出，經(jīng)過計(jì)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(nèi)，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(guī)律與蒸發(fā)率類似.究其原因，重整反應(yīng)的原料為乙醇蒸氣與水蒸汽，蒸發(fā)率的大小直接影響兩種物質(zhì)的含量，所以重整率與蒸發(fā)率呈現(xiàn)相似變化規(guī)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(diǎn)的選取，將各工況數(shù)據(jù)導(dǎo)出，計(jì)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(guī)律也與蒸發(fā)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(shí)，需要固定其他邊界條件進(jìn)行仿真計(jì)算.按照要求選取工況點(diǎn)1、工況點(diǎn)2與工況點(diǎn)3，進(jìn)行設(shè)置與仿真計(jì)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(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)工況.在探究發(fā)動(dòng)機(jī)工況對排氣阻力影響時(shí)，需要固定流量.按照要求，選取工況點(diǎn)3、工況點(diǎn)6與工況點(diǎn)10，仿真結(jié)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(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加而增大.在重整器工作范圍內(nèi)，最大排氣阻力約為1 200 Pa，一般情況下發(fā)動(dòng)機(jī)排氣阻力小于4 000 Pa時(shí)對發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響較小，所以加裝重整器對發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)與重整反應(yīng)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(guān)重要的影響.含水乙醇重整器的設(shè)計(jì)是針對75%質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比含水乙醇進(jìn)行的，為探究含水乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)對含水乙醇重整器性能的影響，選取工況點(diǎn)14，15與16進(jìn)行換熱仿真分析.根據(jù)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(jié)果見圖12.

圖12 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)含水乙醇換熱仿真

由圖12可知，選用85%含水乙醇時(shí)蒸發(fā)率最高，選用65%含水乙醇蒸發(fā)率最低.這是因?yàn)橐掖颊舭l(fā)相變所需的能量低于水蒸發(fā)相變所需的能量，含水乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，乙醇含量越高，蒸發(fā)相變所需能量越少.對比三種質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的重整率可以發(fā)現(xiàn)，選用85%含水乙醇重整率遠(yuǎn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)色譜儀的結(jié)果，得出重整產(chǎn)物主要組分含量與酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系，見圖13.

圖13 重整產(chǎn)物組分含量與含水乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由圖13可知，隨著含水乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(dāng)，但75%含水乙醇重整產(chǎn)物中H2質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高.故擬選取75%含水乙醇作為含水乙醇重整發(fā)動(dòng)機(jī)燃料.

4 結(jié) 論

1) 從整體上看，重整器的蒸發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加而增大.

3) 在相同入口溫度和同一設(shè)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(dāng)，且高于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%含水乙醇的重整率.隨著含水乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，重整產(chǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)燃料.

4) 工作范圍內(nèi)，蒸發(fā)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(fā)率和重整率均偏低，重整器結(jié)構(gòu)和催化劑性能均有待進(jìn)一步優(yōu)化.