陳蓮瑛，蔣紹堅(jiān)，王傳余，蔣勇，姚昆

（中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083）

空氣預(yù)熱溫度對(duì)生物柴油火焰特性影響研究*

陳蓮瑛，蔣紹堅(jiān)?，王傳余，蔣勇，姚昆

（中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083）

利用高速攝影法及數(shù)字圖像處理技術(shù)得到生物柴油燃燒火焰圖像，幵通過(guò)Matlab軟件求取火焰長(zhǎng)度和面積，研究了空氣預(yù)熱溫度對(duì)火焰形態(tài)、長(zhǎng)度、面積的影響。實(shí)驗(yàn)中共設(shè)定了9個(gè)空氣溫度：20℃、80℃、140℃、220℃、290℃、350℃、400℃、450℃和 500℃。結(jié)果表明：空氣預(yù)熱溫度較低時(shí)，生物柴油火焰結(jié)構(gòu)分散、主要燃燒區(qū)（火焰亮度較高區(qū)域）面積較小且連續(xù)性差；空氣預(yù)熱溫度升高后，火焰結(jié)構(gòu)更緊湊、主要燃燒區(qū)面積增大、亮度明顯增加、連續(xù)性變好。各個(gè)工況下火焰長(zhǎng)度和面積不是一個(gè)定值，而是在一定范圍內(nèi)劇烈地震蕩，隨著空氣預(yù)熱溫度的升高，火焰平均長(zhǎng)度和平均面積有相近的變化趨勢(shì)：先明顯減小，再逐漸上升。

生物柴油；火焰特性；空氣預(yù)熱溫度；數(shù)字圖像處理技術(shù)

0 前 言

生物柴油（Biodiesel）是以油料作物、動(dòng)物油脂、餐飲廢油、工程微藻等為原料，經(jīng)酯化反應(yīng)制得[1]。它是一種理想的礦物燃油替代品，具有可再生和環(huán)境友好兩大優(yōu)勢(shì)。目前對(duì)生物柴油的研究主要集中在其制備斱法[2,3]及內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用研究[4,5]，在工業(yè)爐窯上的應(yīng)用研究較少。

研究工業(yè)爐窯燃燒中的火焰特性對(duì)組織燃燒和燃燒器設(shè)計(jì)等有很大幫助。曾衛(wèi)民[6]利用圖像處理技術(shù)和非線性時(shí)間序列分析斱法研究了生物柴油噴射火焰的燃燒不穩(wěn)定性。de Souza等[7]在火管鍋爐上實(shí)驗(yàn)研究得出生物柴油的火焰溫度可達(dá)1100℃，比柴油的火焰溫度要低 100℃左右；其火焰明亮且無(wú)炭黑出現(xiàn)。在爐窯燃燒中，空氣預(yù)熱溫度影響火焰溫度、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性等，進(jìn)而影響爐窯的熱效率、燃料消耗量等[8]，然而火焰的形狀、結(jié)構(gòu)總是不停變化[9]，肉眼和一般的數(shù)碼相機(jī)很難捕捉到火焰形態(tài)在短時(shí)間內(nèi)的變化情況。高速攝影技術(shù)能在不破壞火焰結(jié)構(gòu)的情況下以極高的采集頻率完成對(duì)目標(biāo)的采集，可以得到更多常規(guī)手段難以發(fā)現(xiàn)的火焰特性[10]。本文利用高速攝影儀結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)分析了不同空氣預(yù)熱溫度對(duì)生物柴油火焰形態(tài)、長(zhǎng)度、面積等特性的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)所用生物柴油原材料是餐飲廢油，其熱值和元素分析如表1。

表1 生物柴油元素分析和熱值Table 1 Elemental analysis and heat value of biodiesel

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由供油系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)、空氣預(yù)熱系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)等組成。

圖1 生物柴油燃燒特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)流程圖Fig. 1 Diagram of the experimental devices of the combustion characteristics of biodiesel

燃燒系統(tǒng)使用自制的燃燒器，全長(zhǎng)442 mm，油槍內(nèi)徑1.5 mm，空氣管道內(nèi)徑50 mm。選用丹麥Danfoss公司生產(chǎn)的S60型霧化噴嘴，為機(jī)械實(shí)心霧化?？諝庑魅~片直徑為48 mm，分為內(nèi)外兩層，兩層旋向相同，且分別有18片大小相同的葉片，每片旋流葉片與本體有30°左右的夾角。使用電加熱器對(duì)助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱，加熱器外殼由鑄鐵制成，配 6根加熱管，每根加熱管電阻為60 Ω，最大額定功率8 kW，承受溫度800℃。選用美國(guó)REDLAKE公司的MotionPro X3TM型高速攝影儀對(duì)火焰圖像進(jìn)行采集，其拍攝頻率與圖像的分辨率成反比，通過(guò)調(diào)節(jié)圖像分辨率可以調(diào)節(jié)圖像的拍攝頻率，最大拍攝頻率為64 000幅/秒。

實(shí)現(xiàn)非內(nèi)混式噴嘴霧化最有效的途徑是提高液滴與周?chē)諝庵g的相對(duì)速度[11]。本實(shí)驗(yàn)中，流經(jīng)旋流葉片的空氣同時(shí)具有向前運(yùn)動(dòng)的軸向速度和沿圓周運(yùn)動(dòng)的切向速度，這使氣流沿軸向和切向的擾動(dòng)增強(qiáng)，高速氣流在噴嘴外部與液體混合，促進(jìn)了液滴的碎裂和霧化，提高了霧化效果。燃燒器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)空氣加熱器的性能，在其安全溫度范圍內(nèi)，選擇了20℃、80℃、140℃、220℃、290℃、350℃、400℃、450℃和500℃共9個(gè)空氣預(yù)熱溫度。油泵壓力為 1.4 Mpa，生物柴油的體積流量為32.5 ml/min，空氣流量為17.86 m3/h，空氣過(guò)量系數(shù)為1.1。利用電火花點(diǎn)火器對(duì)霧化的生物柴油進(jìn)行點(diǎn)火。高速攝影儀的光圈設(shè)定為F8.0，拍攝分辨率為1280 × 1024，拍攝頻率為1000幅/秒。當(dāng)空氣溫度達(dá)到設(shè)定值十分鐘后拍攝火焰圖片，每個(gè)工況連續(xù)拍攝了3272張火焰圖片。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 空氣預(yù)熱溫度對(duì)火焰形態(tài)的影響

圖3所示為9個(gè)工況下的火焰圖。由圖可見(jiàn)：每個(gè)工況下的火焰依次呈現(xiàn)整體連續(xù)、形成前端、前端脫離、前端燃燼四個(gè)狀態(tài)。所有工況下，火焰中心顏色較亮，說(shuō)明溫度較高；邊緣顏色較暗，說(shuō)明溫度較低。火焰尾端有一定的上揚(yáng)趨勢(shì)，這是溫度較高的火焰受到周?chē)鷾囟容^低的氣體浮力作用的結(jié)果。

圖3還顯示空氣預(yù)熱溫度為20℃時(shí)，火焰結(jié)構(gòu)分散，火焰前端有破碎，雖然火焰面積和長(zhǎng)度均比較大，但是主要燃燒區(qū)（即火焰亮度較高區(qū)域）面積較小且連續(xù)性差。空氣預(yù)熱溫度升高至80℃時(shí)，火焰長(zhǎng)度較常溫下的火焰顯得更粗短，火焰更緊湊且火焰主要燃燒區(qū)面積較大。隨著空氣預(yù)熱溫度的繼續(xù)升高，火焰長(zhǎng)度和面積均增加，連續(xù)性更好，結(jié)構(gòu)更緊湊，亮度也明顯提高。另外，空氣預(yù)熱溫度較低時(shí)，火焰高溫區(qū)域距離噴嘴出口較遠(yuǎn)；空氣預(yù)熱溫度升高，火焰的高溫區(qū)域向噴嘴延伸。

圖3 生物柴油燃燒火焰圖Fig. 3 Shape of biodiesel flame with high-speed photography

2.2 空氣預(yù)熱溫度對(duì)火焰長(zhǎng)度和火焰面積的影響

2.2.1 圖像處理過(guò)程

對(duì)高速攝影儀拍攝的火焰原始彩色圖像進(jìn)行分割，確定火焰邊界，從而計(jì)算火焰圖片的長(zhǎng)度和面積。圖像分割的斱法主要有灰度閾值分割法、邊緣檢測(cè)分割法、區(qū)域分割法和彩色圖像分割法[12]，本文采用灰度閾值分割法。任取一張火焰圖片，使用Matlab軟件，將原始彩色圖像轉(zhuǎn)為灰度圖像，再進(jìn)行去噪，按照“最大斱差閾值法”的算法，使用Matlab編程，確定閾值，得到二值化的火焰圖像[13]。處理過(guò)程如圖4所示。

圖4 生物柴油燃燒火焰圖像處理過(guò)程Fig. 4 Image processing of biodiesel flame

2.2.2 火焰長(zhǎng)度和面積計(jì)算方法

數(shù)字圖像中的火焰長(zhǎng)度是一個(gè)像素差，不是火焰的實(shí)際長(zhǎng)度[14]。實(shí)驗(yàn)中以燃燒器出口處直徑為參考長(zhǎng)度，經(jīng)測(cè)量，燃燒器出口處的直徑x為50 mm，出口上下兩側(cè)邊緣的坐標(biāo)值分別為A（45, 575.5），B（45, 347.5），則像素差p= 228，因此單位像素差值代表的實(shí)際長(zhǎng)度：β=x/p，計(jì)算得β值為0.219298 mm/單位像素差值?；鹧鎸?shí)際長(zhǎng)度計(jì)算公式為：

式中：

L—火焰實(shí)際長(zhǎng)度；

lp—火焰的像素長(zhǎng)度；

c—圖像中火焰最遠(yuǎn)點(diǎn)像素橫坐標(biāo)；

a—燃燒器出口處像素橫坐標(biāo)。

火焰圖像是一個(gè)不規(guī)則圖形，難以用常規(guī)的測(cè)量斱法計(jì)算出其精確面積。對(duì)于不規(guī)則圖形，常用的數(shù)字圖像處理斱法有輪廓法[15]、二值圖像法[16]等。本文采用二值圖像法。

對(duì)于一張二值化圖片，其灰度只有1和0兩種灰度級(jí)，二值化后火焰區(qū)域的灰度級(jí)為 1，背景區(qū)域的灰度級(jí)為 0。通過(guò)計(jì)算一張二值化圖片中的灰度級(jí)為1的像素的個(gè)數(shù)，即能獲得火焰的面積[17]。通過(guò)得出像素個(gè)數(shù)僅能計(jì)算出一張圖片的像素面積，不是火焰的實(shí)際面積。由β= 0.219298 mm/單位像素差值，可以計(jì)算出每個(gè)像素所代表的面積：s=β2= 4.8092 × 10-2mm2/單位像素?；鹧婷娣e的計(jì)算公式如下：

式中：S表示需要計(jì)算的火焰區(qū)域，f(x,y)為像素值。

2.2.3 火焰長(zhǎng)度和面積計(jì)算結(jié)果及分析

火焰長(zhǎng)度、面積及它們的變化是判斷燃料燃燒情況最重要、最直觀的技術(shù)指標(biāo)[18]。高速攝影儀以高頻率采集圖像，每幅圖像僅能代表某一瞬間的長(zhǎng)度和面積，而火焰的長(zhǎng)度和面積是震蕩變化的。以空氣預(yù)熱溫度為 80℃時(shí)的工況為例，任取連續(xù)的250張圖片的火焰長(zhǎng)度繪制變化曲線，如圖5。

圖5 空氣預(yù)熱溫度80℃時(shí)0.25 s內(nèi)火焰長(zhǎng)度變化曲線Fig. 5 Change of flame length in 0.25 s when the preheated air temperature is 80℃

由圖5可知，火焰長(zhǎng)度不是一個(gè)固定值，而是在一定范圍內(nèi)快速地突增和突降，且突增過(guò)程相對(duì)突降過(guò)程緩慢一些。原因是：如圖3所示，火焰最前沿部分在燃盡階段會(huì)脫離火焰主體，然后燃燒殆盡，同時(shí)后面的火焰主體會(huì)逐漸增長(zhǎng)，當(dāng)脫離主體部分的火焰燃燒殆盡之后火焰主體最前沿處會(huì)有另一部分火焰脫離火焰主體。且從最前沿部分火焰準(zhǔn)備脫離火焰主體時(shí)開(kāi)始到這部分火焰燃燒殆盡的過(guò)程中，火焰長(zhǎng)度呈現(xiàn)突增的現(xiàn)象，這段過(guò)程時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，即相對(duì)緩慢一些；而當(dāng)脫離火焰主體的這部分火焰燃燒殆盡瞬間，火焰區(qū)域突然減少，火焰長(zhǎng)度呈現(xiàn)突降的現(xiàn)象，這段過(guò)程時(shí)間很短，即十分迅速。

為了研究火焰長(zhǎng)度和面積隨空氣預(yù)熱溫度的變化，需要計(jì)算每個(gè)工況下火焰長(zhǎng)度和面積的平均值。利用 Matlab軟件編程，對(duì)每個(gè)工況下采集的 3272張圖片逐個(gè)計(jì)算長(zhǎng)度，然后求取算術(shù)平均值，火焰面積同理計(jì)算。

按照上述斱法，求得各工況下的火焰平均長(zhǎng)度和平均面積，如圖6和圖7所示。

圖6 火焰平均長(zhǎng)度隨空氣預(yù)熱溫度變化曲線Fig. 6 Mean length of flame at different temperatures

圖7 火焰平均面積隨空氣預(yù)熱溫度變化曲線Fig. 7 Mean area of flame at different temperatures

由圖6、圖7看出，火焰平均長(zhǎng)度和平均面積隨空氣預(yù)熱溫度的變化趨勢(shì)相近：隨著空氣預(yù)熱溫度的升高，火焰平均長(zhǎng)度和平均面積先明顯下降，再持續(xù)上升，且火焰平均長(zhǎng)度基本呈線性增長(zhǎng)，火焰平均面積基本沿著二次擬合線增長(zhǎng)。

空氣預(yù)熱溫度由常溫逐漸升高，火焰長(zhǎng)度和面積先減小的原因是：空氣預(yù)熱溫度升高時(shí)，會(huì)在燃燒器中對(duì)生物柴油加熱，造成生物柴油粘度及表面張力降低，更易霧化，噴霧更易受周?chē)鷼怏w的卷吸，向徑向發(fā)展，減弱了噴霧在軸向的貫穿距離，因此，粘度降低會(huì)使霧化錐角變大同時(shí)射程降低[19]。同時(shí)，粘度降低使生物柴油霧化液滴變細(xì)小，根據(jù)液滴蒸發(fā)的 D2定律，液滴的壽命與初始直徑的平斱成正比，它能在更短的空間內(nèi)完成燃燒，且燃燒更充分，因此火焰結(jié)構(gòu)變得緊湊，亮度提高。

隨著空氣預(yù)熱溫度的繼續(xù)升高，生物柴油的粘度趨于穩(wěn)定，造成火焰變化的主要因素是助燃空氣溫度：溫度升高時(shí)，等量的助燃空氣體積變大，空氣質(zhì)量流量不變，因此流經(jīng)空氣旋流器的氣體切向速度和軸向速度增大，促使霧化的生物柴油液滴在沿著軸線和垂直軸線斱向推進(jìn)，生物柴油火焰的長(zhǎng)度和寬度增加，面積也必然增加。另外，預(yù)熱后空氣體積增加，密度減小，使得單位體積內(nèi)的氧分子數(shù)量減小，所以生物柴油若要完全燃燒，必須向遠(yuǎn)離噴嘴出口處和距離噴嘴軸線較遠(yuǎn)的地?cái)跀U(kuò)散，表現(xiàn)為燃燒火焰的長(zhǎng)度和面積增加。然而，燃料液滴會(huì)在噴嘴附近一定的空間內(nèi)完全燃燒，即隨著預(yù)熱溫度的提高，火焰面積和長(zhǎng)度不會(huì)無(wú)限增大，即火焰不會(huì)充斥整個(gè)爐膛，而是如圖 3，由噴嘴出口處開(kāi)始由小變大，具有基本穩(wěn)定的形狀。

另外，助燃空氣速度的增加會(huì)加強(qiáng)空氣與生物柴油液滴的混合，加快燃燒速度；助燃空氣溫度的增加使?fàn)t膛溫度升高，生物柴油燃燒條件變更好，火焰結(jié)構(gòu)更緊湊、亮度明顯提高，即燃燒火焰溫度更高。

3 結(jié) 論

在本研究的實(shí)驗(yàn)條件下，空氣預(yù)熱溫度影響生物柴油燃燒火焰特性，主要呈現(xiàn)出如下特點(diǎn)：

（1）空氣預(yù)熱溫度為常溫時(shí)，火焰結(jié)構(gòu)分散，連續(xù)性差，主要燃燒區(qū)面積較??；隨著空氣預(yù)熱溫度的升高，火焰結(jié)構(gòu)變緊湊，連續(xù)性更好，主要燃燒區(qū)面積逐漸增大，亮度明顯提高。

（2）各個(gè)工況下火焰長(zhǎng)度和面積不是一個(gè)固定值，而是在一定范圍內(nèi)劇烈地突增和突降?；鹧嫫骄L(zhǎng)度和平均面積隨空氣預(yù)熱溫度的變化趨勢(shì)相近：隨著空氣預(yù)熱溫度的升高，火焰平均長(zhǎng)度和平均面積先明顯下降，再持續(xù)上升，且火焰平均長(zhǎng)度基本呈線性增長(zhǎng)，火焰平均面積基本沿著二次擬合線增長(zhǎng)。

[1] 楊仕品. 生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀及前景[J]. 貴州農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 37(1): 157-160.

[2] 王亞萍, 聶小安, 姚小華. 油茶籽殘餅油制備生物柴油研究及工藝優(yōu)化[J]. 林業(yè)科學(xué)研究, 2009, 22(3): 325-329.

[3] Ghiaci M, Aghabarari B, Gil A. Production of biodiesel by esterification of natural fatty acids over modified organoclay catalysts[J]. Fuel, 2011, 90(11): 3382-3389.

[4] 柴保明, 谷興海. 柴油機(jī)燃燒生物柴油試驗(yàn)研究[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī), 2008, 1(176): 45-47.

[5] Ilk?l?? C, Ayd?n S, Behcet R, et al. Biodiesel from saffower oil and its application in a diesel engine[J]. Fuel Processing Technology, 2011, 92: 356-362.

[6] 曾衛(wèi)民. 生物柴油噴射火焰燃燒不穩(wěn)定性特征的非線性研究[J]. 冶金能源, 2011, 30(3): 34-37.

[7] de Souza G R, dos Santos A M, Ferreira, S L, et al. Evaluation of the performance of biodiesel from waste vegetable oil in a flame tube furnace[J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29(11-12): 2562-2566.

[8] 佟艷娟, 楊健. 提高空氣預(yù)熱溫度降低燃料消耗[J].玻璃, 2005, (4): 55-56.

[9] Palies P, Durox D, Schuller T, et al. Nonlinear combustion instability analysis based on the flame describing function applied to turbulent premixed swirling flames[J]. Combustion and Flame, 2011, 158: 1980-1991.

[10] 張雷, 郭子如, 丁以斌. 高速攝像在火焰?zhèn)鞑パ芯恐械膽?yīng)用[J]. 煤礦爆破, 2007, (3): 16-19.

[11] 曹建明, 朱輝, 郭廣祥, 等. 空氣助力改善液滴霧化質(zhì)量的研究[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2013, 27(1): 56-60.

[12] 張德豐. Matlab數(shù)字圖像處理[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[13] Alasdair M. An Introduction to Digital Image Processing with Matlab[M]. Boston: Course Technology, 2004.

[14] 毛翠麗, 馬衛(wèi)紅, 孟立莊, 等. 基于數(shù)字圖像處理的火焰長(zhǎng)度計(jì)算斱法[J]. 光學(xué)儀器, 2007, 29(1): 27-31.

[15] 徐小軍, 邵英, 郭尚芬. 邊緣檢測(cè)算子及其在火焰圖像中的應(yīng)用[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2008, 24(6): 313-314.

[16] 黃燕, 任光輝. 基于圖像處理的葉面積測(cè)定斱法的研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2006,(9): 192-193.

[17] 段悅, 袁昌明. 火災(zāi)探測(cè)中動(dòng)態(tài)火焰的數(shù)字圖像處理[J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào), 2009, 20(1): 55-58.

[18] L?nnermark A, Ingason H. Fire spread and flame length in large-scale tunnel fires[J]. Fire Technology, 2006(42): 283-302.

[19] 曹建明, 王磊, 陳志偉, 等. 柴油–生物柴油混合燃料噴霧特性試驗(yàn)研究[J]. 車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī), 2008, (1): 32-40.

Research on the Effects of Preheated Air Temperature on Flame Characteristics of Biodiesel

CHEN Lian-ying, JIANG Shao-jian, WANG Chuan-yu, JIANG Yong, YAO Kun

(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

The flame images of biodiesel were obtained by using high-speed photography method and digital image processing technique, and the length and area of the flame were calculated by Matlab software. The effects of preheated air temperature on shape, length as well as area of the flame were discussed. 9 preheated air temperatures were set up in the experiment: 20oC, 80oC, 140oC, 220oC, 290oC, 350oC, 400oC, 450oC and 500oC. Results show that at low preheated air temperature, the flame of biodiesel has a dispersed format and poor continuity and the main combustion area, that is the high brightness area, is small. As the preheated air temperature increases, the flame is more compact and in good continuity, the main combustion area is larger and the brightness increases significantly. The length and area of flame vibrate intensely at each working condition, the mean length and area of flame have the same trend: with the increase of temperature, the mean length and area first decrease obviously, and then increase gradually.

biodiesel; flame characteristics; preheated air temperature; digital image processing technique

2095-560X（2014）01-0013-05

TK6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.01.003

2013-11-27

2014-02-16

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2007BAD41B05）

? 通信作者：蔣紹堅(jiān)，E-mail：sjjiang@mail.csu.edu.cn

陳蓮瑛（1988-），女，碩士研究生，主要從事生物柴油和石化燃料油混燒燃燒器的研究。

蔣紹堅(jiān)（1963-），男，碩士，教授，主要從事低碳能源技術(shù)（包括高效清潔燃燒技術(shù)、生物質(zhì)能利用技術(shù)、流程工業(yè)節(jié)能環(huán)保技術(shù)等）研究。