于 磊, 仇性啟, 李大樹

(中國石油大學(華東)化學工程學院, 山東 青島 266580)

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高溫氣流中單分散液滴蒸發(fā)實驗研究

于 磊, 仇性啟, 李大樹

(中國石油大學(華東)化學工程學院, 山東 青島 266580)

利用一種簡易的單分散液滴流發(fā)生裝置,通過高速相機對液滴流蒸發(fā)過程進行記錄,輔以配套的圖像處理軟件,研究不同條件下的單分散液滴的蒸發(fā)特性,同時研究了環(huán)境溫度和對流強度對單分散液滴蒸發(fā)的影響。實驗結果表明,單分散液滴的蒸發(fā)經(jīng)歷瞬態(tài)加熱過程和平衡蒸發(fā)階段,瞬態(tài)加熱階段液滴的蒸發(fā)速率變化劇烈,該階段液滴受熱膨脹,直徑增大;平衡蒸發(fā)階段單分散液滴的蒸發(fā)滿足d2定律,提高環(huán)境溫度與對流強度可以促進單分散液滴的蒸發(fā)。

液體燃料; 單分散液滴; 液滴蒸發(fā); 高速相機

對于液體燃料的燃燒過程而言,燃料液滴的蒸發(fā)是燃燒的前提和關鍵。液滴的蒸發(fā)過程廣泛存在于各類化工過程中。近年來隨著環(huán)境保護的呼聲越來越高,對于液體燃料的燃燒過程的研究也愈發(fā)重要。液滴蒸發(fā)在液體燃料的燃燒過程中占據(jù)了重要的地位，國內(nèi)外學者為此做了大量的理論和實驗研究[1-5]。目前,國內(nèi)外學者對于液滴蒸發(fā)的研究主要集中在單液滴的研究,建立了單液滴的理論蒸發(fā)模型[6-10],從理論與實驗兩方面分析了單液滴的蒸發(fā)規(guī)律,研究了相關因素對單液滴蒸發(fā)的影響。相關研究發(fā)現(xiàn),液滴的蒸發(fā)過程包括瞬態(tài)加熱和平衡蒸發(fā)階段。但是由于實驗條件的限制,目前國內(nèi)外對于單分散液滴流的蒸發(fā)特性的研究還比較少。

本文利用一種簡易的單分散液滴流發(fā)生裝置,設計了一套單分散液滴蒸發(fā)實驗裝置,以對流環(huán)境中的單分散液滴為研究對象,通過高速相機對液滴蒸發(fā)過程進行記錄,輔以配套的圖像處理軟件,對單分散液滴的相關蒸發(fā)特性進行探索。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗裝置

單分散液滴流蒸發(fā)的實驗裝置見圖1。該實驗系統(tǒng)包括液滴發(fā)生器主體部分、熱風系統(tǒng)和液滴蒸發(fā)觀測系統(tǒng)。實驗過程中單分散液滴的蒸發(fā)采用高速相機+恒定光源的手段來記錄該過程。拍攝的圖像以TIFF圖像格式通過圖像采集板存儲在計算機中[11],實驗完畢后可通過配套的圖像處理軟件獲得液滴蒸發(fā)的相關參數(shù)。高速相機為德國Basler公司A504KC型數(shù)字面陣攝像機。本實驗中,相機的幀數(shù)為500 fps,分辨率為1280像素×1024像素,配套的圖像采集卡由EPIX公司生產(chǎn),圖像處理軟件亦采用該公司提供的XCAP軟件。

圖1 實驗裝置

1.2 實驗方法

如圖1所示,由熱風機產(chǎn)生的高溫氣流,經(jīng)過直管段和擾流柵在出口位置獲得穩(wěn)定氣流;單分散液滴發(fā)生器產(chǎn)生的單分散液滴經(jīng)噴嘴針頭射出,而后在高溫氣流中進行蒸發(fā)。分別利用熱電偶和風速儀測量氣流的溫度和流速，利用高速相機記錄單分散液滴的蒸發(fā)過程。圖2是液滴發(fā)生器所產(chǎn)生的不同規(guī)格的單分散液滴流。通過改變單分散液滴發(fā)生器的噴嘴,生成不同直徑的單分散液滴。

圖2 不同規(guī)格噴嘴產(chǎn)生的單分散液滴流

配套XCAP圖像處理軟件界面如圖3所示。利用已知的噴嘴外徑作為尺寸基準,并用圖3中的圖像處理軟件測量出圖像中噴嘴外徑以及液滴直徑對應的像素值,實際尺寸與圖片所占像素值對應成比例,據(jù)此可以求得對應液滴的實際直徑。根據(jù)所得到的不同時刻液滴的相關參數(shù),分析單分散液滴的蒸發(fā)規(guī)律。

圖3 圖像處理軟件界面

2 實驗結果分析

實驗中,在研究單分散液滴的蒸發(fā)時,采用控制變量法改變不同參數(shù),選取噴嘴出口處剛形成的距離針頭最近的第一個液滴為研究對象,研究該液滴在高溫氣流中的蒸發(fā)規(guī)律。由于乙醇蒸發(fā)溫度較低,故實驗采用無水乙醇作為液滴生成的介質。

2.1 單分散液滴直徑變化規(guī)律

圖4(a)是噴嘴生成的單分散液滴直徑d隨時間t變化的曲線。液滴初始直徑為630 μm,風速為1.8 m/s,蒸發(fā)溫度為333 K。為了更好地分析液滴的直徑變化規(guī)律,繪制了液滴直徑的平方隨時間的變化曲線,如圖4(b)所示。

由圖4可見,在蒸發(fā)的初始階段,直徑有一個明顯的變大過程,該階段稱為液滴的瞬態(tài)加熱過程,該過程的出現(xiàn)是由于液滴的初始溫度要比高溫氣流的溫度要低,液滴從高溫氣流環(huán)境中吸收的熱量主要用于液滴升溫；此外,單分散液滴驟然接觸高溫氣流,溫度會迅速上升,液滴受熱膨脹,當直徑膨脹的速率大于液滴蒸發(fā)直徑損耗的速率時,就會表現(xiàn)出液滴直徑增大的現(xiàn)象。同時,從圖中可以看出,在液滴度過了初始的瞬態(tài)加熱階段,開始進入平衡蒸發(fā)階段,從該階段液滴的d2-t曲線的趨勢線可以看出,基本呈一條直線,滿足單液滴蒸發(fā)的d2定律。

為了更好地研究液滴蒸發(fā)初始階段的瞬態(tài)加熱過程,將高速相機的幀數(shù)由500 fps調整為800 fps,記錄了初始直徑為660 μm、風速為1.8 m/s、蒸發(fā)溫度為354 K的單分散液滴流的蒸發(fā)過程。對所記錄的圖像進行處理,得到圖5所示的瞬態(tài)加熱階段液滴蒸發(fā)曲線。從曲線中可以很明顯的看出單分散液滴在初始階段液滴直徑增大過程。

圖4 液滴蒸發(fā)曲線

將圖4和圖5兩組曲線與參考文獻[11]中懸掛法所得液滴蒸發(fā)曲線對比可知,單分散液滴流的蒸發(fā)過程中瞬態(tài)加熱現(xiàn)象比之單液滴更為明顯,同時蒸發(fā)速率也更快,這是由于對流環(huán)境下,液滴表面蒸汽濃度較低,質量傳遞更迅速,同時,單分散液滴內(nèi)部無石英絲導熱,液滴吸收的熱量不會經(jīng)由石英絲傳導。在蒸發(fā)后期,液滴蒸發(fā)同樣滿足單液滴的d2定律。

圖5 瞬態(tài)加熱階段液滴蒸發(fā)曲線

2.2 單分散液滴蒸發(fā)影響因素

2.2.1 溫度影響

實驗研究了溫度對單分散液滴蒸發(fā)的影響。圖6是溫度對單分散液滴蒸發(fā)的影響曲線，記錄風速為1.8 m/s,單分散液滴初始直徑為660 μm的情況下,溫度分別為333 K、378 K、403 K、413 K的液滴蒸發(fā)過程。由圖6可知,溫度越高,液滴直徑減小越快,同時瞬態(tài)加熱階段所需時間也越短,瞬態(tài)加熱導致的液滴直徑膨脹的最大值也在降低。這是由于溫度越高,在瞬態(tài)加熱階段,液滴除去自身升溫所需熱量，留給液滴蒸發(fā)的熱量越多,蒸發(fā)量也更大,這就導致液滴直徑變化的峰值點隨著溫度的增加而降低,且峰值時間點向前推移。

圖6 溫度對液滴蒸發(fā)影響曲線

2.2.2 氣流速度影響

圖7所示為溫度為316 K、333 K,風速為1.8 m/s及無熱風情況下的單分散液滴蒸發(fā)曲線。從該圖可看出,對流環(huán)境促進單分散液滴的蒸發(fā),氣流速度越大,對流作用越強,質量擴散系數(shù)變大,強化了傳熱傳質。相同溫度下,由于空氣對流作用,液滴周圍的蒸氣濃度降低,傳質作用更明顯。在自然對流與強迫對流作用于單分散液滴時,由于氣流對液滴表面的剪切應力,液滴內(nèi)部存在環(huán)流。氣流速度越大,液滴內(nèi)部的環(huán)流越劇烈,促進了液滴內(nèi)部的傳熱傳質過程,縮短了液滴內(nèi)部物質分子到達液滴表面的時間,加快了液滴蒸發(fā)。

圖7 風速對液滴蒸發(fā)影響曲線

2.2.3 初始直徑影響

液滴的初始直徑對于液滴的蒸發(fā)有很大影響。實驗記錄了3種噴嘴生成的單分散液滴在溫度378 K、風速1.8 m/s環(huán)境中的蒸發(fā)過程,如圖8所示,液滴初始直徑越小(8號噴嘴),其直徑減小越快,越到蒸發(fā)后期,初始直徑小的液滴,其直徑減小的速度越大。液滴初始直徑越小,瞬態(tài)加熱階段經(jīng)歷的時間越短,瞬態(tài)加熱吸收的熱量越低,液滴的蒸發(fā)壽命越短。

圖8 初始直徑對液滴蒸發(fā)影響曲線

3 結論

實驗通過高速相機對簡易的單分散液滴流發(fā)生器生成的液滴在高溫氣流中的蒸發(fā)過程進行記錄,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)總結出了單分散液滴蒸發(fā)的相關規(guī)律。

(1) 在單分散液滴蒸發(fā)過程中,液滴先經(jīng)歷瞬態(tài)加熱階段,液滴直徑增大；其后進入平衡蒸發(fā)階段,該階段,液滴直徑變化遵循d2定律。此外,單分散液滴的瞬態(tài)加熱階段,直徑增大的現(xiàn)象比懸掛法測得的單液滴蒸發(fā)現(xiàn)象要更明顯。

(2) 環(huán)境溫度越高,單分散液滴與環(huán)境的傳熱溫差越大,周圍氣流速度越高,液滴對流傳熱系數(shù)越大,液滴直徑減小的速率越快。

(3) 在相同環(huán)境溫度與氣流速度的條件下,單分散液滴的初始直徑越小,液滴壽命越短,平衡蒸發(fā)階段液滴的直徑減小速率越快,d2-t曲線斜率越高。

References)

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Experimental research on mono-disperse droplets evaporation in high temperature gas flow

Yu Lei, Qiu Xingqi, Li Dashu

(College of Chemical Engineering,China University of Petroleum(Huadong),Qingdao 266580, China)

With the simple mono-disperse droplets stream generator,the mono-disperse droplets evaporation is recorded by the high speed camera.The characteristics of evaporation in different conditions are studied by a matching image processing software.The effect of environmental temperature and convection strength on the evaporation is investigated.The results of experiment indicate that the mono-disperse droplets evaporation consists of a period of transient heating with fluctuant evaporation rate and a later steady evaporation process.The square of the droplet diameter changes linearly with evaporation time in the steady process.Both high temperature and strong convection strength can accelerate the evaporation of droplet.

liquid fuel; mono-disperse droplets; droplet evaporation; high speed camera

2014- 06- 25

山東省自然科學基金項目(ZR2009FM056)

于磊(1990—)，男，江蘇泰興，碩士研究生，主要從事燃燒傳熱及節(jié)能技術研究

E-mail：yulei621627@126.com

仇性啟(1956—)，男，山東青島，博士，教授，博導，研究方向為燃燒和傳熱.

TK16

A

1002-4956(2015)2- 0054- 04