孫文強， 王筱蓉， 高 吉

(江蘇科技大學 機械工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

0 引言

化石能源的不斷消耗且價格飛速上漲的問題引起了眾多行內人員的重視，研究可再生的生物燃料成為行業(yè)熱點.現(xiàn)如今在柴油燃料中直接使用重甲酯作為添加劑模擬生物柴油燃料成為研究方向之一.棕櫚酸甲酯在生物柴油中作為主要高飽和度甲酯的存在，而高飽和度的甲酯已被廣泛用作發(fā)動機模擬的生物柴油替代品[1-5].甲酯的飽和水平與生物柴油燃燒、排放特性息息相關，較高的飽和度可以縮短化學點火延遲時間[6,7].所以研究生物燃料中高飽和度甲酯的物理特性，利用添加劑改善其性能并減少污染物排放是當下研究的一個重點[8-10].

生物柴油的能量密度雖低于柴油，但是氧含量占比約10%，遠超柴油，較高的氧含量能改善內燃機的缸內燃燒[11].而納米粒子的加入可以提高生物柴油的能量密度，彌補生物柴油能量密度不足的先天缺陷.納米燃料添加劑的應用還可以改善燃料的燃燒特性，減少污染物的排放，從而減少空氣污染[12].Sadia Akram等[13]用氧化鈰和氧化鈰納米復合氧化物作為生物柴油的添加劑，證明了納米粒子能減少氮氧化物、未燃燒碳氫化合物和一氧化碳的排放.T.Shaafi等[14]通過比較一些燃油摻混不同濃度的納米添加劑的研究結果后提出，燃油性能的改善程度不會總是隨著納米添加劑的濃度的增加而增加，當濃度達到一定峰值后，燃油性能改善的效果就不再顯著.比較多次實驗結果后發(fā)現(xiàn)尋找不同納米添加劑的最佳濃度是非常有必要的.在NOx排放方面，納米添加劑加入生物柴油后實際排放的效果要優(yōu)于純柴油，這是因為生物柴油的峰值溫度低于純柴油，降低了NOx的含量，從而減少了NOx的排放.金屬及金屬氧化物的納米粒子能降低燃料氧化溫度，改善著火特性，加速燃料液滴的蒸發(fā)[15].Prabhu Appavu等[16]利用柴油發(fā)動機進行混合燃油與純柴油燃燒特性的對比實驗，實驗結果證明，摻混納米氧化鈰粒子的混合柴油比純柴油的點火延遲更短，制動熱效率也有小幅度的提高.微量納米氧化鈰的添加減少了氮氧化物和一氧化碳的排放，隨著添加量的增大效果越明顯[17].

王亮等[18]指出，氧化鈰在缺氧條件下提供晶格氧來燃燒的殘留的碳氫化合物，而碳納米管通過熱傳導的強化作用得到更高的發(fā)動機熱效率[19].然而，在燃油中添加碳納米管有著一些獨特的改善效果，M.Ghanbari等[20]指出碳納米管可以提高制動功率并且加大扭矩，從而達到制動比油耗下降的效果.J.Sadhik Basha等[21]在生物柴油中摻混同等比例的納米氧化鋁粒子和碳納米管，實驗結果表明，相比于純生物柴油的制動比油耗和制動熱效率，混合納米粒子的燃油在這兩項參數(shù)上改善的很明顯.

本實驗側重研究了棕櫚酸甲酯摻混碳納米管與納米氧化鈰兩種粒子在常壓下673 K、773 K和873 K不同溫度條件下的蒸發(fā)特性.添加的納米粒子以ppm(百萬分之一)作為濃度單位，選用這樣微小的劑量不會改變混合燃油的物理特性，也不會導致混合燃油里的納米粒子沉淀.

1 實驗部分

1.1 燃料特性

實驗中使用的納米添加劑是二氧化鈰納米顆粒(直徑：20-50 nm)和碳納米管(直徑：2-8 nm，長度：0.5-200 nm).摻混到棕櫚酸甲酯(MP)中的納米氧化鈰(CeO2)粒子和碳納米管(CNT)的用量為50 ppm、100 ppm、150 ppm、200 ppm、250 ppm和500 ppm.表面活性劑中span80和tween80這兩種成分配制同等比例，并且作為添加劑加入到棕櫚酸甲酯的總重量和納米添加劑相同.之前的研究證明[22]，在超聲波沖擊頻率達到40 kHz的環(huán)境下，納米氧化鈰粒子能夠在超聲波清洗劑中和基油均勻混合.而要達到基油中納米碳管的均勻混合條件需要進行機械攪拌.為了讓混合的燃油維持更久的均勻狀態(tài)，先以5 000 r/min的速度進行30 min的機械攪拌，然后利用超聲波沖擊在40 kHz的振動頻率下進行30 min的混合.表1[23]是棕櫚酸甲酯主要的理化性質.

表1 棕櫚酸甲酯主要的物理性質

1.2 實驗儀器

圖1所示實驗設備的整體框架由三個部分構成，包括加熱爐升溫系統(tǒng)、電機步進傳送裝置以及數(shù)據(jù)圖像收集系統(tǒng).溫度控制器通過加熱電路控制熱電阻絲在蒸發(fā)爐內部進行加熱，達到指定溫度后開始進行蒸發(fā)實驗.燃料液滴通過1 μL的微升取樣器使之懸掛在交叉石英絲上，選用石英絲是因為它的導熱系數(shù)是熱電偶絲的百分之一，目的是盡量避免承載液滴的材料對蒸發(fā)過程產生影響.步進電機控制器控制滴灌裝置將液滴傳送到指定拍攝位置.為了將圖像調試到最佳的效果，LED背景燈可以提供所需的光源條件，高速攝像機也設置了相關參數(shù)，圖像記錄頻率為500 fps，分辨率像素為1 024×1 024，保證了圖像的清晰度.

圖1 設備示意圖

1.3 圖像處理方法

圖2是提取液滴有效面積的步驟.首先設置坐標參數(shù)，從原始圖像中截取我們需要的區(qū)域.再通過區(qū)分背景灰度值進行二值化，去除目標區(qū)域外的圖像噪聲.然后利用圓形結構元件來腐蝕石英絲所投影的像素數(shù)，從而達到切除石英絲的目的.最后將剩余代表液滴的像素數(shù)等效在圓形框架內計算出圓的直徑.

圖2 液滴圖像處理示意圖

2 結果與討論

2.1 表面活性添加劑的無關性驗證

為了保證后續(xù)研究的可靠性，需要驗證表面活性劑加入后對棕櫚酸甲酯蒸發(fā)特性的影響.如圖3(a)所示，棕櫚酸甲酯在673 K時的液滴平方直徑經(jīng)過歸一化的結果相比加入0.1%表面活性劑后的棕櫚酸甲酯非常相似，二者的蒸發(fā)時間也相近.由此可以看出微量的表面活性劑沒有影響棕櫚酸甲酯液滴的蒸發(fā)能力.由圖3(b)可以看到，兩條曲線的偏差是細微的，直至蒸發(fā)結束，液滴蒸發(fā)時間大致相同.圖3(c)顯示出兩種液滴前中期歸一化平方直徑的曲線大致是相同的，蒸發(fā)結束時間有著微小的差別，但是不影響液滴整體的蒸發(fā)特性.綜上可知微量的表面活性劑在873 K時同樣不影響液滴的蒸發(fā)特性.

圖3 不同溫度下0.1%表面活性劑作用下棕櫚酸甲酯的歸一化直徑平方曲線

2.2 納米流體液滴在673 K時的蒸發(fā)特性

圖4為673 K溫度下棕櫚酸甲酯液滴以及棕櫚酸甲酯摻混納米添加劑混合液滴的直徑歸一化平方曲線，初始液滴體積為1 μL.如圖所示，曲線初始點的縱坐標均為“1”，它代表了液滴的初始體積.由于液滴在瞬態(tài)加熱階段會受熱膨脹，所以曲線剛開始呈上升趨勢.當液滴體積重新回到初始體積時瞬態(tài)加熱階段結束，所以區(qū)域F內的曲線反映了液滴在瞬態(tài)加熱階段時的狀態(tài)，區(qū)域S內的曲線反映了液滴在平衡加熱階段時的狀態(tài).在整個實驗研究過程中，七種液滴在蒸發(fā)時間內均未有氣泡膨脹或微爆炸發(fā)生.MP和MP混合納米流體在第一階段即瞬態(tài)加熱階段的蒸發(fā)曲線趨勢相類似，可是在第二階段即平衡蒸發(fā)階段的曲線卻有一些不同.摻混100 ppm CNT+100 ppm CeO2組別的MP混合納米流體液滴總蒸發(fā)時間最短.有趣的是MP的總蒸發(fā)時間與250 ppm CNT+250 ppm CeO2混合的納米流體幾乎一樣.然而，在其余的摻混濃度下，納米流體的總蒸發(fā)時間都比MP長.

圖4 七種燃料在673 K下的歸一化直徑平方曲線

圖5 在673 K下不同濃度燃料蒸發(fā)相的比較

圖6為七種液滴的瞬時蒸發(fā)率，瞬時蒸發(fā)率曲線的首點是初始液滴膨脹階段結束時刻的蒸發(fā)率.由圖可知，隨著時間的推移，七種液滴的瞬時蒸發(fā)速率曲線呈上升的趨勢，蒸發(fā)速率在蒸發(fā)結束前隨著液滴直徑的減小而增大.MP摻混100 ppm CNT+100 ppm CeO2的瞬時蒸發(fā)率曲線歷時最短，且是七種液滴中最高的.MP摻混250 ppm CNT+250 ppm CeO2的瞬時蒸發(fā)率曲線用時僅多于前者，但是瞬時蒸發(fā)速率低于MP，并且MP摻混500 ppm CNT+500 ppm CeO2的瞬時蒸發(fā)率是最低的.圖6中隨著納米添加劑濃度的增加，在摻混的納米添加劑不超過100 ppm的時候，納米流體液滴的蒸發(fā)速率逐漸變高，蒸發(fā)時間變短.但是，當摻混的納米添加劑高于250 ppm時，混合液滴的蒸發(fā)時間隨著納米添加劑配比的提升而增加.加入納米添加劑的混合液滴在起始階段能促進平穩(wěn)蒸發(fā)，但是，混合液滴在后期的蒸發(fā)進程相對較長，這證明了納米添加劑在不同的階段有不同的效果.由此可見，在673 K的實驗溫度下，MP摻混100 ppm CNT+100 ppm CeO2的配比能夠得到最優(yōu)的蒸發(fā)性能.

圖6 七種液滴在673 K下的瞬時蒸發(fā)速率曲線

2.3 納米流體液滴在773 K時的蒸發(fā)特性

圖7為MP與不同配比MP混合納米流體在773 K時的歸一化直徑平方曲線圖.曲線很明顯沒有異常波動，說明MP和MP混合納米流體在蒸發(fā)過程中沒有氣泡膨脹或微爆炸發(fā)生.曲線走向與673 K的情況相似.但是，這些混合液滴的蒸發(fā)結束時間與673 K時完全不同.可以清晰的看到，MP液滴的蒸發(fā)用時比六種混合液滴都長.MP摻混100 ppm CNT+100 ppm CeO2的蒸發(fā)用時最短，其次是MP與250 ppm CNT和250 ppm CeO2共混液滴.特別的是，MP與50 ppm CNT+50 ppm CeO2混合液滴的蒸發(fā)曲線介于MP與250 ppm CNT和250 ppm CeO2共混以及MP與500 ppm CNT+500 ppm CeO2共混之間.

圖7 七種燃料在773 K下的歸一化直徑平方曲線

圖9為七種液滴在773 K環(huán)境溫度下的瞬時蒸發(fā)速率曲線，與673 K環(huán)境溫度下的曲線走向相同.但是，混合了納米添加劑的液滴蒸發(fā)壽命都少于MP.瞬時蒸發(fā)速率在整個液滴蒸發(fā)過程的后半段達到峰值，可見液滴的蒸發(fā)速率隨著其直徑的減小而增大.MP摻混100 ppm CNT+100 ppm CeO2的混合液滴最先蒸發(fā)結束，在6.25 s達到蒸發(fā)速率的最大值(Kinst=0.64 mm2/s).MP摻混200 ppm CNT+200 ppm CeO2達到瞬時蒸發(fā)速率第二個最高峰值(Kinst=0.68 mm2/s).然而，當MP摻混250 ppm CNT+250 ppm CeO2和500 ppm CNT+500 ppm CeO2時，混合液滴瞬時蒸發(fā)率的峰值依次減小.對比673 K環(huán)境溫度的結果，實驗現(xiàn)象類似，MP摻混100 ppm CNT+100 ppm CeO2的配比仍然是最優(yōu)的.

圖8 在773 K下不同濃度燃料蒸發(fā)相的比較

圖9 七種液滴在773 K下的瞬時蒸發(fā)速率曲線

2.4 納米流體液滴在873 K時的蒸發(fā)特性

圖10為MP與不同配比MP混合納米流體在873 K時的歸一化直徑平方曲線圖.曲線無異常波動，說明MP和MP混合納米流體在蒸發(fā)過程中也沒有氣泡膨脹或微爆炸發(fā)生.曲線走向與673 K、773 K的情況相似.不同的是，在873 K的溫度下納米流體液滴的蒸發(fā)時間近乎相同.但比較時間數(shù)據(jù)后仍能發(fā)現(xiàn)100 ppm組別的混合液滴蒸發(fā)壽命最短.

圖10 七種燃料在873 K下的歸一化直徑平方曲線

圖11 在873 K下不同濃度燃料蒸發(fā)相的比較

圖12為七種液滴在873 K環(huán)境溫度下的瞬時蒸發(fā)率曲線，混合了納米添加劑的液滴蒸發(fā)壽命都短于MP，蒸發(fā)開始的時間也都優(yōu)先于MP.MP摻混100 ppm CNT+100 ppm CeO2的混合液滴最先蒸發(fā)結束，在3.496 s達到其蒸發(fā)速率的最大值(Kinst=1.24 mm2/s).MP摻混500 ppm CNT+500 ppm CeO2的混合液滴蒸在3.552 s時達到其瞬時蒸發(fā)率峰值(Kinst=1.203 mm2/s).MP混合50 ppm CNT+50pm CeO2的液滴在3.512 s處達到其蒸發(fā)速率最高峰值(Kinst=1.29 mm2/s).雖然它在某一時刻蒸發(fā)速率超過了100 ppm組別，但是總蒸發(fā)時間還是更長.綜合對比673 K和773 K環(huán)境溫度下的結果，873 K下MP摻混100 ppm的納米粒子仍然達到最優(yōu)的蒸發(fā)效果.

圖12 七種液滴在873 K下的瞬時蒸發(fā)速率曲線

從以上結果可以看出，在673 K時加速蒸發(fā)需要配比不超過100 ppm的納米添加劑，而在773 K、873 K溫度下各組均可加速蒸發(fā)，且100 ppm配比的蒸發(fā)效果最佳.但是環(huán)境溫度過高時，納米添加劑配比劑量對蒸發(fā)時間的影響則需引入蒸發(fā)時間變化率來進行評價.

定義蒸發(fā)時間變化率為:

(1)

式(1)中：t0為基本液滴整個蒸發(fā)時間，本研究中為MP;tn為納米流體液滴蒸發(fā)的整個時間.

圖13為三個溫度下納米流體液滴的蒸發(fā)時間變化率曲線.對比之前已有的研究[24]，選擇50 ppm、100 ppm、250 ppm和500 ppm的濃度配比上進行縱向比較.在673 K時，100 ppm濃度配比的納米添加劑縮短了12.8%的蒸發(fā)時間，250 ppm和500 ppm濃度配比的納米添加劑分別增加了0.9%和23%的蒸發(fā)時間，與之前的研究趨勢相同.但是，50 ppm濃度配比的添加劑效果與之前的研究截然相反，增加了13.9%的蒸發(fā)時間.然而，在773 K時，50 ppm濃度配比的添加劑縮短了15.2%的蒸發(fā)時間，之前研究中50 ppm濃度配比的添加劑在673 K時縮短了16.9%的蒸發(fā)時間，兩者用時非常接近.100 ppm濃度配比的納米添加劑縮短了25.8%的蒸發(fā)時間，250 ppm和500 ppm濃度配比的納米添加劑分別縮短了18.7%和11.6%的蒸發(fā)時間，各組別的蒸發(fā)效率均高于673 K.在873 K時，摻混不同量添加劑的四個組別蒸發(fā)用時相差不大，并且蒸發(fā)效率最高的還是100 ppm這一組，與之相比縮短了40.3%的蒸發(fā)時間.

圖13 673 K、773 K和873 K下納米流體液滴的蒸發(fā)時間變化率曲線對比

對比本研究的蒸發(fā)時間變化率可知，100 ppm組別的納米添加劑在673 K、773 K和873 K時的加速蒸發(fā)效果都優(yōu)于50 ppm、250 ppm和500 ppm組別.然而，當納米添加劑的濃度配比為250 ppm和500 ppm時，蒸發(fā)效率逐漸減緩.是因為高濃度的納米粒子添加劑在蒸發(fā)快結束時會形成一個球形殼體，降低液滴臨近蒸發(fā)結束時的蒸發(fā)速率.由此可見，納米添加劑濃度配比的增加并不會成比例縮短液滴蒸發(fā)壽命.

2.5 單一納米粒子作用對照組

圖14是不同的單一納米粒子作用時液滴的歸一化直徑平方曲線.為了驗證100 ppm納米粒子協(xié)同作用促進液滴蒸發(fā)，而不是單一催化影響蒸發(fā)，增設此對照組.從圖中可以明顯的看到不論在哪一個溫度下，任一單一的納米粒子催化作用都不及雙納米粒子協(xié)同作用加速蒸發(fā)效果顯著.

圖14 不同溫度下100 ppm單一納米粒子作用時液滴的歸一化直徑平方曲線

3 結論

本研究對摻混納米粒子的MP在環(huán)境溫度673 K，773 K和873 K下的蒸發(fā)特性進行了研究.本研究得出以下結論:

(1)納米流體在673 K的蒸發(fā)表現(xiàn)決定了本次實驗中加速蒸發(fā)的最優(yōu)配比濃度為100 ppm.然而，納米添加劑在濃度為50 ppm、100 ppm、150 ppm的組別和250 ppm的組別以及500 ppm的組別時蒸發(fā)速率均小于MP.

(2)納米添加劑在773 K、873 K的作用都是加速液滴蒸發(fā).但是，納米添加劑的配比量對蒸發(fā)加速的程度有不同的影響.蒸發(fā)逐漸加速的配比量是從50 ppm的組別到100 ppm的組別,而蒸發(fā)速率逐漸降低的配比量是從250 ppm的組別到500 ppm的組別.

(3)納米流體液滴內部受熱越均勻，在瞬時加熱階段的用時越短.100 ppm濃度配比的納米流體液滴可以快速升溫，強化內部傳熱，減少在平衡蒸發(fā)階段用時.相反，其它濃度配比的納米流體瞬時加熱階段用時較長，受熱較強的區(qū)域率先蒸發(fā)，且延長了平衡蒸發(fā)階段的時間.