Evaporation of binary ethanol-butanol mixture droplets

Abstract

This paper presents the results of theoretical and experimental studies of individual droplets evaporation of ethanol (E), butanol (B) and their mixture at 60% ethanol on mass (60% E + 40% B) in the heated air environment in the temperature range of 350-700K and atmospheric pressure. The appearance of effective technologies for the synthesis of renewable fuels from biomass opens the new possibilities for the use of these alcohols as alternative fuels. In practice, alternative fuels are used as components for mixture with fossil fuels. One of the main problems of attempting to increase part of biofuel additions into mixture with transport fuels lies in difference of biofuels thermophysical properties and ones for fossil fuels. These features substantially influence on processes of drop formation and evaporation, ignition and combustion of the modified air-fuel mixture in a combustion chamber. The fuel drops evaporation as the initial stage of combustion in the engine chamber determines efficiency of all other processes. Therefore, the studies of biofuel drop evaporation and ones for their mixtures are relevant. Theoretical modelling of drops vaporization process of these liquid biofuels mixture has been conducted by the using discreet-component approach with the system of thermo- and masstransfer equations for each component of the mixture. So, this system is including (i+1) equations. For evaporation kinetics experimental study the suspended drop’s method was used. There are the received dependences of the droplet current diameter and temperature on time which demonstrate the availability of the staging of the mixture evaporation. On the first stage ethanol as the liquid with lower boiling temperature evaporates more intensively. After that there is only butanol at the droplet as the liquid with higher boiling temperature. The second stage is the stationary vaporization of the leftover component of the mixture. The analysis of dependence d²(t) allowed to estimate duration of droplets evaporation both for single-component biofuels and for their mixture. The experimental values of evaporation duration correlates with calcula-tions data.

Представлені результати теоретичних і експериментальних досліджень випаровування поодиноких краплин етанолу (Е), бутанолу (В) та їх суміші з масовою часткою етанолу 60% (60% Е + 40% В) у розігрітому повітряному середовищі в діапазоні температур 350-700К та за атмосферного тиску. Поява ефективних технологій отримання поновлюваних палив з біомаси дало можливість використання цих спиртів як альтернативних палив. На практиці вони використовуются як домішки до пального, яке отримують з нафти. Одна з головних проблем при збільшенні частки домішок біопалив до паливних сумішей, які використовуються на транспорті, полягає в відмінності теплофізичних властивостей біопалив від властивостей мінеральних палив. Ці відмінності значно впливають на процеси утворення й випаровування краплин, спалахування та горіння модифікованої повітряно-паливної суміші у камері згорання. Випаровування крапель палива, як початкова стадія горіння в камері згорання, визначає ефективність усіх подальших процесів. Тому є важливим вивчення випаровування краплин біопалив та їхніх сумішей.Теоретичне моделювання процесу випаровування краплин вказаної вище біопаливної суміші проводилося з використанням наближення окремих складових на основі рівнянь тепломасообміну для кожного з компонентів суміші. Тобто система включає в себе (i+1) рівняння. Для експериментального вивчення кінетики випаровування використовувався метод підвішеної краплини. Представлені отримані залежності поточного діаметру і температури краплини від часу, які вказують на наявність стадійності випаровування суміші. На першому етапі більш інтенсивно випаровується етанол, як рідина з нижчою температурою кипіння. Після цього в краплині залишається лише бутанол, як рідина з вищою температурою кипіння. Другий етап – це рівноважне випаровування компонента, що залишився у суміші. Аналіз залежності d²(t) дозволяє оцінити тривалість випаровування краплин як для однокомпонентних біопалив, так і для їх сумішей. Експериментальні оцінки тривалості випаровування відповідають даним розрахунків.