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乳化柴油实验报告.pdf
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乳化柴油实验报告.pdf
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百度文库 - 让每个人平等地提升自我
1、实验目的
1.1 学会柴油微乳体系拟三元相图的绘制与研究方法,并根据相图,选择合适的
柴油微乳液进行燃烧性能测定。
1.2 通过氧弹卡计进行燃烧性能的测定,比较柴油、微乳柴油燃烧时其燃烧效率
的不同,对微乳柴油的经济与环保价值进行评价。
1.3 通过对乳化柴油的燃烧热的测定,掌握燃烧热的定义,学会测定物质燃烧热
的方法,了解恒压燃烧热与恒容燃烧热的差别。
1.4 了解氧弹卡计的主要部件的作用,掌握氧弹卡计的量热技术;熟悉雷诺图解
法校正温度改变值的方法。
2、实验原理
2.1 实验背景知识
Schulman 在 1959 年首次报道微乳液以来,微乳的理论和应用研究获得了
迅速发展。1985 年,Shah 定义微乳液为两种互不相溶的液体在表面活性剂界面
膜的作用下生成的热力学稳定、各向同性的透明的分散体系
[1]
。由于微乳液能形
成超低界面张力,具有高稳定性、大增溶量、以及粒径小等特殊性质,已引起人们
广泛关注
[2]
。
燃料中掺水, 能提高油料的燃烧效率, 降低燃烧废气中有害气体的含量
[3]
。
燃油掺水是一个既古老又新兴的课题。早在一百多年前就有人使用掺水燃油。由
于油、水在表面活性剂作用下形成的 W/O 或 O/W 乳液在加热燃烧时水蒸气受热膨
胀后能够产生微爆,使得燃油二次雾化燃烧更加充分,提高了燃烧效率,大大降
低了废气中的有害气体的含量。但是由于一般的乳状液稳定时间短,易分层,使
得这一技术的应川受到了很大的限制
[4]
。
微乳燃料的制备比较简单,只需要把油、水、表面活性剂、助表面活性剂按
合适的比例混合在一起就可以自发形成稳定的微乳燃料。微乳燃油可长期稳定,
1
百度文库 - 让每个人平等地提升自我
不分层,且制备简单, 并能使燃烧更完全,燃烧效率高,节油率达 5 %~15 % ,排
气温度下降 20 %~60 % ,烟度下降 40 %~77 % ,NO
x
和 CO 排放量降低 25 %,
在节能环保和经济效益上都有较为可观的效果,已成为世界各国竞相开发的热
点。随着近年来对两亲分子有序组合体研究的不断深入,微乳液理论在乳化燃油
领域取得了突破性进展,开发透明、稳定、性能与原燃油差不多的微乳液燃料成
为了研究热点。
随着经济快速发展与人口的急剧增长, 80% ~90%的空气污染来自交通工具
排放的尾气,柴油不完全燃烧造成的环境污染越来越受到人们的关注,根治大气
污染已成为人类面临的重要课题。另一方面,由于中国未来石油供需缺口将越来
越大,进口量呈逐步增大的趋势,而且天然石油的储备是有限的,人类面临日益严
峻的能源危机。因此,如何提高燃油燃烧效率和减少环境污染,研究新型节油防
污染技术,包括最为人们青睐并具有节能效率高,减少尾气污染的燃料乳化以及
微乳化技术,己成为人们十分关心的问题。本着节能和环保两个根本宗旨,各国
都在加紧对微乳燃油性能的研究。微乳柴油的性能决定着它的应用,研究微乳柴
油的性能就显得十分重要
[5]
。
2.2 微乳柴油与燃烧减排机理
乳化燃油与通常的乳状液一样,也分为油包水型(W/o)和水包油型(O/W),
在油包水型乳化燃料油中,水是以分散相均匀地悬浮在油中,被称为分散相或内
相,燃料油则包在水珠的外层,被称为连续相或外相。我们目前所见的大多数乳
化燃料油都为油包水型乳化燃料。乳化燃料燃烧是个复杂的过程,对其节能降污
机理较为成熟的解释是乳化燃料中存在的“微爆”现象和水煤气反应,也就是从
燃料的物理过程和化学过程来解释。一些燃烧机理介绍如下:
2.2.1 物理作用—“微爆现象”
2
百度文库 - 让每个人平等地提升自我
二十世纪六十年代初,前苏联科学家伊万诺夫等人发现了乳化燃料的“微
爆”现象,从而为乳化燃料的节能、降污机理提供了理论基础。油包水型分子基
团,油是连续相,水是分散相,由于水沸点(100℃)低于燃油沸点(130℃以上)。
在气缸温度急剧升高时,水微粒先沸腾气化,体积在万分之一秒内瞬间增大了
1500 倍左右,其气化膨胀相当于一次极小的爆炸。当油滴中的压力超过油的表
面张力及环境压力之和时。水蒸气产生的巨大压力将冲破油膜的束缚,无数小液
珠产生的阻力使油滴发生爆炸,油雾化成更细小的油滴。小油滴与空气接触的比
表面积成倍提高,形成二次燃烧的雾化条件,爆炸后的细小油滴更易燃烧,其燃
烧表面比纯燃油增加了 104 倍左右。因此,减少了物理上的不完全燃烧和排烟损
失,提高了燃烧效率,使内燃机达到节能的效果。微爆产生的为数甚多的爆炸波,
冲破了包围火焰面的 CO2,N2 惰性气体抑制层,促使空气形成强烈的紊流,紊流
使空气、燃油蒸气在燃烧室内做更均匀的分布,同时使温度场也变得更加均匀,
从而加快了燃烧速度,减少了后燃现象,避免了燃烧区间局部高温而产生的热解
和裂化,使燃烧完全。
2.2.2 化学作用—“水煤气反应”
在缺氧条件下,油燃烧产生热裂解,形成难以燃烧的碳,使排烟冒黑烟,而
在水煤气存在时,水微粒高速汽化中所含的氧与碳粒子充分结合,并被完全燃烧
而形成二氧化碳,从而大大提高喷燃雾化效果,使发动机燃烧效率提高,达到增
强发动机动力,节省燃料的效果。
C + H
2
O = C0 + H
2
C + 2 H
2
O = CO
2
+2H
2
。
CO+ H
2
O = CO
2
+ H
2
H
2
+ 0
2
= H
2
O
3
百度文库 - 让每个人平等地提升自我
上述反应过程中,提高了乳化燃料的燃烧率,降低了排烟中的烟尘含量。同
时由于乳化水的蒸发作用,均衡了燃烧时的温度场,从而抑制了 NOx 的形成,达
到节能环保的目的。
2.2.3 掺混效应
微爆产生的爆炸波冲破了包围在火焰周围的 CO
2
、N
2
惰性气体层,促使空气
形成强烈的紊流,紊流使空气和柴油蒸汽在燃烧室内做更均匀的分布,同时温度
场也变得更加均匀,从而加快了燃烧速度,减少了后燃现象,避免了在燃烧区间
的局部高温而产生的热解和裂化,使燃烧完全。
2.2.4 抑制 NO 的生成
NO 的生成主要有三个重要途径:(1)由空气中的 NO
2
在高温区反应生成的热反
应 NOx;(2)火焰面上生成的活性 NOx;③燃料中氮元素生成的燃料 NOx。因此,生
成的 NO 可分为温度型 NOx 和燃料型 NOx,其中以温度型 NOx 为主。
NOx 是柴油机的主要有害排放物。它是空气在气缸内燃烧的高温条件下氧和
氮反应而产生的。其中以 NO 为主。单缸发动机燃用乳化柴油的 NOx 排放比纯柴
油低。这是由于乳化柴油中的水蒸汽稀释燃气与降低燃烧的最高温度, 从而抑制
NOx 的生成。柴油掺水乳化燃烧能有效地降低柴油机的排放浓度,这是极其有意
义的
[6]
。
影响 NO 生成的因素有:可燃混合物的组成,燃料在反应区停留时间,燃料温
度和工作压力等。根据 J.B.Howcr 机理,NOx 的生成速度为:
d[NOx]/dt = A·exp[-E
a
/RT]·[N
2
]·[0
2
]
1/2
可见无论在内燃机或是其它燃烧装置上,NOx 的生成量与反应温度呈指数关
系增加。如果空燃比高,燃烧强度大,反应温度高,停留时间长,NOx 则急剧增
加。燃烧乳化油时,由于水滴汽化、产生微爆均需吸热,由此可降低气缸工作温
度,防止燃烧火焰局部高温,缩短燃烧时间,而且油掺水燃烧改善了空气和燃料
4
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