高温气流中单分散液滴蒸发实验研究

于 磊, 仇性启, 李大树

(中国石油大学(华东)化学工程学院, 山东 青岛 266580)



高温气流中单分散液滴蒸发实验研究

于 磊, 仇性启, 李大树

(中国石油大学(华东)化学工程学院, 山东 青岛 266580)

利用一种简易的单分散液滴流发生装置,通过高速相机对液滴流蒸发过程进行记录,辅以配套的图像处理软件,研究不同条件下的单分散液滴的蒸发特性,同时研究了环境温度和对流强度对单分散液滴蒸发的影响。实验结果表明,单分散液滴的蒸发经历瞬态加热过程和平衡蒸发阶段,瞬态加热阶段液滴的蒸发速率变化剧烈,该阶段液滴受热膨胀,直径增大;平衡蒸发阶段单分散液滴的蒸发满足d2定律,提高环境温度与对流强度可以促进单分散液滴的蒸发。

液体燃料; 单分散液滴; 液滴蒸发; 高速相机

对于液体燃料的燃烧过程而言,燃料液滴的蒸发是燃烧的前提和关键。液滴的蒸发过程广泛存在于各类化工过程中。近年来随着环境保护的呼声越来越高,对于液体燃料的燃烧过程的研究也愈发重要。液滴蒸发在液体燃料的燃烧过程中占据了重要的地位，国内外学者为此做了大量的理论和实验研究[1-5]。目前,国内外学者对于液滴蒸发的研究主要集中在单液滴的研究,建立了单液滴的理论蒸发模型[6-10],从理论与实验两方面分析了单液滴的蒸发规律,研究了相关因素对单液滴蒸发的影响。相关研究发现,液滴的蒸发过程包括瞬态加热和平衡蒸发阶段。但是由于实验条件的限制,目前国内外对于单分散液滴流的蒸发特性的研究还比较少。

本文利用一种简易的单分散液滴流发生装置,设计了一套单分散液滴蒸发实验装置,以对流环境中的单分散液滴为研究对象,通过高速相机对液滴蒸发过程进行记录,辅以配套的图像处理软件,对单分散液滴的相关蒸发特性进行探索。

1 实验系统

1.1 实验装置

单分散液滴流蒸发的实验装置见图1。该实验系统包括液滴发生器主体部分、热风系统和液滴蒸发观测系统。实验过程中单分散液滴的蒸发采用高速相机+恒定光源的手段来记录该过程。拍摄的图像以TIFF图像格式通过图像采集板存储在计算机中[11],实验完毕后可通过配套的图像处理软件获得液滴蒸发的相关参数。高速相机为德国Basler公司A504KC型数字面阵摄像机。本实验中,相机的帧数为500 fps,分辨率为1280像素×1024像素,配套的图像采集卡由EPIX公司生产,图像处理软件亦采用该公司提供的XCAP软件。

图1 实验装置

1.2 实验方法

如图1所示,由热风机产生的高温气流,经过直管段和扰流栅在出口位置获得稳定气流;单分散液滴发生器产生的单分散液滴经喷嘴针头射出,而后在高温气流中进行蒸发。分别利用热电偶和风速仪测量气流的温度和流速，利用高速相机记录单分散液滴的蒸发过程。图2是液滴发生器所产生的不同规格的单分散液滴流。通过改变单分散液滴发生器的喷嘴,生成不同直径的单分散液滴。

图2 不同规格喷嘴产生的单分散液滴流

配套XCAP图像处理软件界面如图3所示。利用已知的喷嘴外径作为尺寸基准,并用图3中的图像处理软件测量出图像中喷嘴外径以及液滴直径对应的像素值,实际尺寸与图片所占像素值对应成比例,据此可以求得对应液滴的实际直径。根据所得到的不同时刻液滴的相关参数,分析单分散液滴的蒸发规律。

图3 图像处理软件界面

2 实验结果分析

实验中,在研究单分散液滴的蒸发时,采用控制变量法改变不同参数,选取喷嘴出口处刚形成的距离针头最近的第一个液滴为研究对象,研究该液滴在高温气流中的蒸发规律。由于乙醇蒸发温度较低,故实验采用无水乙醇作为液滴生成的介质。

2.1 单分散液滴直径变化规律

图4(a)是喷嘴生成的单分散液滴直径d随时间t变化的曲线。液滴初始直径为630 μm,风速为1.8 m/s,蒸发温度为333 K。为了更好地分析液滴的直径变化规律,绘制了液滴直径的平方随时间的变化曲线,如图4(b)所示。

由图4可见,在蒸发的初始阶段,直径有一个明显的变大过程,该阶段称为液滴的瞬态加热过程,该过程的出现是由于液滴的初始温度要比高温气流的温度要低,液滴从高温气流环境中吸收的热量主要用于液滴升温；此外,单分散液滴骤然接触高温气流,温度会迅速上升,液滴受热膨胀,当直径膨胀的速率大于液滴蒸发直径损耗的速率时,就会表现出液滴直径增大的现象。同时,从图中可以看出,在液滴度过了初始的瞬态加热阶段,开始进入平衡蒸发阶段,从该阶段液滴的d2-t曲线的趋势线可以看出,基本呈一条直线,满足单液滴蒸发的d2定律。

为了更好地研究液滴蒸发初始阶段的瞬态加热过程,将高速相机的帧数由500 fps调整为800 fps,记录了初始直径为660 μm、风速为1.8 m/s、蒸发温度为354 K的单分散液滴流的蒸发过程。对所记录的图像进行处理,得到图5所示的瞬态加热阶段液滴蒸发曲线。从曲线中可以很明显的看出单分散液滴在初始阶段液滴直径增大过程。

图4 液滴蒸发曲线

将图4和图5两组曲线与参考文献[11]中悬挂法所得液滴蒸发曲线对比可知,单分散液滴流的蒸发过程中瞬态加热现象比之单液滴更为明显,同时蒸发速率也更快,这是由于对流环境下,液滴表面蒸汽浓度较低,质量传递更迅速,同时,单分散液滴内部无石英丝导热,液滴吸收的热量不会经由石英丝传导。在蒸发后期,液滴蒸发同样满足单液滴的d2定律。

图5 瞬态加热阶段液滴蒸发曲线

2.2 单分散液滴蒸发影响因素

2.2.1 温度影响

实验研究了温度对单分散液滴蒸发的影响。图6是温度对单分散液滴蒸发的影响曲线，记录风速为1.8 m/s,单分散液滴初始直径为660 μm的情况下,温度分别为333 K、378 K、403 K、413 K的液滴蒸发过程。由图6可知,温度越高,液滴直径减小越快,同时瞬态加热阶段所需时间也越短,瞬态加热导致的液滴直径膨胀的最大值也在降低。这是由于温度越高,在瞬态加热阶段,液滴除去自身升温所需热量，留给液滴蒸发的热量越多,蒸发量也更大,这就导致液滴直径变化的峰值点随着温度的增加而降低,且峰值时间点向前推移。

图6 温度对液滴蒸发影响曲线

2.2.2 气流速度影响

图7所示为温度为316 K、333 K,风速为1.8 m/s及无热风情况下的单分散液滴蒸发曲线。从该图可看出,对流环境促进单分散液滴的蒸发,气流速度越大,对流作用越强,质量扩散系数变大,强化了传热传质。相同温度下,由于空气对流作用,液滴周围的蒸气浓度降低,传质作用更明显。在自然对流与强迫对流作用于单分散液滴时,由于气流对液滴表面的剪切应力,液滴内部存在环流。气流速度越大,液滴内部的环流越剧烈,促进了液滴内部的传热传质过程,缩短了液滴内部物质分子到达液滴表面的时间,加快了液滴蒸发。

图7 风速对液滴蒸发影响曲线

2.2.3 初始直径影响

液滴的初始直径对于液滴的蒸发有很大影响。实验记录了3种喷嘴生成的单分散液滴在温度378 K、风速1.8 m/s环境中的蒸发过程,如图8所示,液滴初始直径越小(8号喷嘴),其直径减小越快,越到蒸发后期,初始直径小的液滴,其直径减小的速度越大。液滴初始直径越小,瞬态加热阶段经历的时间越短,瞬态加热吸收的热量越低,液滴的蒸发寿命越短。

图8 初始直径对液滴蒸发影响曲线

3 结论

实验通过高速相机对简易的单分散液滴流发生器生成的液滴在高温气流中的蒸发过程进行记录,根据实验数据总结出了单分散液滴蒸发的相关规律。

(1) 在单分散液滴蒸发过程中,液滴先经历瞬态加热阶段,液滴直径增大；其后进入平衡蒸发阶段,该阶段,液滴直径变化遵循d2定律。此外,单分散液滴的瞬态加热阶段,直径增大的现象比悬挂法测得的单液滴蒸发现象要更明显。

(2) 环境温度越高,单分散液滴与环境的传热温差越大,周围气流速度越高,液滴对流传热系数越大,液滴直径减小的速率越快。

(3) 在相同环境温度与气流速度的条件下,单分散液滴的初始直径越小,液滴寿命越短,平衡蒸发阶段液滴的直径减小速率越快,d2-t曲线斜率越高。

References)

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[2] 丁继贤,孙凤贤,姜任秋.对流条件下环境压力对液滴蒸发的影响研究[J].哈尔滨工程大学学报,2007,28(10):1104-1108.

[3] 孙凤贤,夏新林,沈淳,等.非等温液滴蒸发燃烧的传热传质特性[J].工程热物理学报,2010,31(8):1403-1406.

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[5] Maqua C,Castanet G,Grisch F,et al.Mono-disperse droplet heating and evaporation:Experimental study and modeling[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2008(51)：3932-3945.

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[8] Mohammed Farid.A new approach to modeling of single droplet drying[J].Chemical Engineering Science,2003(58):2985-2993.

[9] Sergei Sazhin.Transient heating of diesel fuel droplets[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2004 (47):3327-3340.

[10] 魏明锐,汪云,刘永长,等.液滴蒸发一维数学模型及其在二甲醚喷雾中的应用[J].燃烧科学与技术,2005,11(1):14-18.

[11]马力,仇性启,王健,等.高温气流中液滴蒸发特性的研究[J].石油化工,2013,42(3):298-302.

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

山东省自然科学基金项目(ZR2009FM056)

于磊(1990—)，男，江苏泰兴，硕士研究生，主要从事燃烧传热及节能技术研究

E-mail：yulei621627@126.com

仇性启(1956—)，男，山东青岛，博士，教授，博导，研究方向为燃烧和传热.

TK16

A

1002-4956(2015)2- 0054- 04