Исследование свойств смесей дизельного топлива с углеродными нанотрубками и характеристик его распыливания
Авторы: Бовэнь Са, Марков В.А., Лю Ин, Камалтдинов В.Г., Цяо Вэньпей | Опубликовано: 16.08.2021 |
Опубликовано в выпуске: #9(738)/2021 | |
Раздел: Энергетика и электротехника | Рубрика: Тепловые двигатели | |
Ключевые слова: дизельное топливо, углеродные нанотрубки, теплофизические свойства, распыливание смесей с испарением |
Показатели топливной экономичности и токсичности отработавших газов дизельных двигателей можно улучшить путем добавления углеродных нанотрубок в нефтяное дизельное топливо. Углеродные нанотрубки, применяемые в качестве перспективной наноразмерной присадки к дизельному топливу, обладают высокой теплопроводностью и большим отношением площади поверхности к объему. Теплофизические свойства указанных топлив зависят от состава смесей. Проанализированы теплофизические свойства углеродных нанотрубок и их смесей с дизельным топливом. Добавление углеродных нанотрубок в дизельное топливо оказывает незначительное влияние на его динамическую вязкость и теплопроводность. С использованием численных моделей смоделирован процесс распыливания и испарения дизельного топлива с различным содержанием углеродных нанотрубок в камере сгорания постоянного объема. Точность вычислений подтверждена хорошим совпадением расчетных данных с экспериментальными. Моделирование распыливания смесей показало, что длина струи линейно зависит от содержания углеродных нанотрубок в дизельном топливе. Увеличение содержания углеродных нанотрубок в смеси приводит к уменьшению среднего диаметра капель по Заутеру и угла раскрытия конуса струи. Наличие углеродных нанотрубок в дизельном топливе несущественно влияет на содержание в нем паров топлива.
Литература
[1] Naddaf A., Heris S.Z. Density and rheological properties of different nanofluids based on diesel oil at different mass concentrations. J. Therm. Anal. Calorim., 2019, vol. 135, no. 2, pp. 1229–1242, doi: https://doi.org/10.1007/s10973-018-7456-8
[2] Naddaf A., Heris S.Z. Experimental study on thermal conductivity and electrical conductivity of diesel oil-based nanofluids of graphene nanoplatelets and carbon nanotubes. Int. Commun. Heat Mass Transf., 2018, vol. 95, pp. 116–122, doi: https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2018.05.004
[3] Kim P., Shi L., Majumdar A., et al. Thermal transport measurements of individual multiwalled nanotubes. Phys. Rev. Lett., 2001, vol. 87, no. 21, art. 215502, doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.87.215502
[4] Yu C., Shi L., Yao Z., et al. Thermal conductance and thermopower of an individual single-wall carbon nanotube. Nano Lett., 2005, vol. 5, no. 9, pp. 1842–1846, doi: https://doi.org/10.1021/nl051044e
[5] Goswami L., Kim K.H., Deep A., et al. Engineered nano particles: nature, behavior, and effect on the environment. J. Environ. Manage., 2017, vol. 196, pp. 297–315, doi: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2017.01.011
[6] Basha J.S., Anand R.B. An experimental investigation in a diesel engine using carbon nanotubes blended water–diesel emulsion fuel. P. I. Mech. Eng., A.-J. Pow., 2011, vol. 225, no. 3, pp. 279–288, doi: https://doi.org/10.1177%2F2041296710394247
[7] EL-Seesy A.I., Kosaka H., Hassan H., et al. Combustion and emission characteristics of a common rail diesel engine and RCEM fueled by n-heptanol-diesel blends and carbon nanomaterial additives. Energ. Convers. Manage., 2019, vol. 196, pp. 370–394, doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.05.049
[8] Heydari-Maleney K., Taghizadeh-Alisaraei A., Ghobadian B., et al. Analyzing and evaluation of carbon nanotubes additives to diesohol-B2 fuels on performance and emission of diesel engines. Fuel, 2017, vol. 196, pp. 110–123, doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.01.091
[9] Ramakrishnan G., Krishnan P., Rathinam S., et al. Role of nano-additive blended biodiesel on emission characteristics of the research diesel engine. Int. J. Green Energy, 2019, vol. 16, no. 6, pp. 435–441, doi: https://doi.org/10.1080/15435075.2019.1577742
[10] Gad M.S., Gadow S.I. Enhancement of combustion characteristics and emissions reductions of a diesel engine using biodiesel and carbon nanotube. Fuller. Nanotub. Carbon Nanostructures, 2021, vol. 29, no. 4, pp. 267–279, doi: https://doi.org/10.1080/1536383X.2020.1837779
[11] Markov V., Kamaltdinov V., Zherdev A., et al. Study on the possibility of improving the environmental performance of diesel engine using carbon nanotubes as a petroleum diesel fuel additive. Energies, 2019, vol. 12, no. 22, pp. 4345, doi: https://doi.org/10.3390/en12224345
[12] Najafi G. Diesel engine combustion characteristics using nano-particles in biodiesel-diesel blends. Fuel, 2018, vol. 212, pp. 668–678, doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.10.001
[13] Basha J.S., Anand R.B. The influence of nano additive blended biodiesel fuels on the working characteristics of a diesel engine. J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng., 2013, vol. 35, no. 3, pp. 257–264, doi: https://doi.org/10.1007/s40430-013-0023-0
[14] Sunil S., Prasad B.S.C., Kotresh M., et al. Studies on suitability of multiwalled CNT as catalyst in combustion on a CI engine fueled with dairy waste biodiesel Mater. Today, 2020, vol. 26-2, pp. 613–619, doi: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.12.179
[15] Mei D., Sun C., Li L., et al. Evaporation characteristics of fuel sessile droplets with nanoparticles. Energ. Source., Part A, 2019, vol. 41, no. 6, pp. 677–688, doi: https://doi.org/10.1080/15567036.2018.1520350
[16] Khond V.W., Kriplani V.M. Experimental investigation and modeling of the evaporation rate of carbon nanotube blended emulsified Neem biodiesel. Biofuels, 2019, vol. 10, no. 4, pp. 485–491, doi: https://doi.org/10.1080/17597269.2017.1323322
[17] Mahian O., Kolsi L., Amani M., et al. Recent advances in modeling and simulation of nanofluid flows-Part I: Fundamentals and theory. Phys. Rep., 2019, vol. 790, pp. 1–48, doi: https://doi.org/10.1016/j.physrep.2018.11.004
[18] Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Системы топливоподачи и управления дизелей. Москва, Легион-Автодата, 2005. 344 с.
[19] Марков В.А., Девянин С.Н., Зыков С.А. и др. Вязкостные характеристики многокомпонентных смесевых биотоплив на основе растительных масел. Транспорт на альтернативном топливе, 2016, № 6, с. 33–49.
[20] Laurent C., Flahaut E., Peigney A. The weight and density of carbon nanotubes versus the number of wall sand diameter. Carbon, 2010, vol. 48, no. 10, pp. 2994–2996, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.04.010
[21] Khanafer K., Vafai K. A critical synthesis of thermophysical characteristics of nanofluids. Int. J. Heat Mass Transf., 2011, vol. 54, no. 19–20, pp. 4410–4428, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.04.048
[22] El-Seesy A.I., Abdel-Rahman A.K., Bady M., et al. Performance, combustion, and emission characteristics of a diesel engine fueled by biodiesel-diesel mixtures with multi-walled carbon nanotubes additives. Energy Convers. Manag., 2017, vol. 135, pp. 373–393, doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.12.090
[23] Pak B.C., Cho Y.I. Hydrodynamic and heat transfer study of dispersed fluids with submicron metallic oxide particles. Exp. Heat Transf., 1998, vol. 11, no. 2, pp. 151–170, doi: https://doi.org/10.1080/08916159808946559
[24] Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы. Москва, Машиностроение, 2008. 720 с.
[25] Li C., Chou T-W. Modeling of heat capacities of multi-walled carbon nanotubes by molecular structural mechanics. Mater. Sci. Eng. A., 2005, vol. 409, no. 1–2, pp. 140–144, doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2005.07.058
[26] Nan C.W., Liu G., Lin Y., et al. Interface effect on thermal conductivity of carbon nanotube composites. Appl. Phys. Lett., 2004, vol. 85, no. 16, pp. 3549–3551, doi: https://doi.org/10.1063/1.1808874
[27] Nan C.W., Birringer R., Clarke D.R., et al. Effective thermal conductivity of particulate composites with interfacial thermal resistance. J. Appl. Phys., 1997, vol. 81, no. 10, pp. 6692–6699, doi: https://doi.org/10.1063/1.365209
[28] Han Z., Fina A. Thermal conductivity of carbon nanotubes and their polymer nanocomposites: a review. Prog. Polym. Sci., 2011, vol. 36, no. 7, pp. 914–944, doi: https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2010.11.004
[29] Alaghemandi M., Algaer E., Bohm M.C., et al. The thermal conductivity and thermal rectification of carbon nanotubes studied using reverse non-equilibrium molecular dynamics simulations. Nanotechnology, 2009, vol. 20, no. 11, art. 115704, doi: https://doi.org/10.1088/0957-4484/20/11/115704
[30] Chiu H-Y., Deshpande V.V., Postma HWC., et al. Ballistic phonon thermal transport in multiwalled carbon nanotubes. Phys. Rev. Lett., 2005, vol. 95, no. 22, art. 226101, doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.226101
[31] Spray a nozzle geometry. ecn.sandia.gov: веб-сайт. URL: https://ecn.sandia.gov/diesel-spray-combustion/target-condition/spray-a-nozzle-geometry/ (дата обращения: 03.03.2021).
[32] Rate of injection. cmt.upv.es: веб-сайт. URL: https://www.cmt.upv.es/ECN03.aspx/ (дата обращения: 03.03.2021).
[33] Beale J.C., Reitz R.D. Modeling spray atomization with the Kelvin-Helmholtz/Rayleigh-Taylor hybrid model. At. Sprays, 1999, vol. 9, no. 6, pp. 623–650, doi: https://doi.org/10.1615/AtomizSpr.v9.i6.40
[34] Schmidt D.P., Rutland C.J. A new droplet collision algorithm. J. Comput. Phys., 2000, vol. 164, no. 1, pp. 62–80, doi: https://doi.org/10.1006/jcph.2000.6568
[35] Amsden A.A. KIVA-II: a computer program for chemically reactive flows with sprays. Report of Los Alamos National Laboratory, 1989. 163 p.
[36] Pickett L.M., Genzale C.L., Manin J. Uncertainty quantification for liquid penetration of evaporating sprays at diesel-like conditions. At. Sprays, 2015, vol. 25, no. 5, pp. 425–452, doi: https://doi.org/10.1615/AtomizSpr.2015010618
[37] Spray a vapor penetration length. ecn.sandia.gov: веб-сайт. URL: https://ecn.sandia.gov/cvdata/assets/datafiles/pen/bkldaAL1-pen.txt (дата обращения: 03.03.2021).
[38] Aboalhamayie A., Festa L., Ghamari M. Evaporation rate of colloidal droplets of jet fuel and carbon-based nanoparticles: effect of thermal conductivity. Nanomaterials, 2019, vol. 9, no. 9, art. 1297, doi: https://doi.org/10.3390/nano9091297
[39] Chang C.T., Farrell P.V. A study on the effects of fuel viscosity and nozzle geometry on high injection pressure diesel spray characteristics. SAE Trans., 1997, vol. 106, pp. 558–567.
[40] Dernotte J., Hespel C., Houille S., et al. Influence of fuel properties on the diesel injection process in nonvaporizing conditions. At. Sprays, 2012, vol. 22, no. 6, pp. 461–492, doi: https://doi.org/10.1615/AtomizSpr.2012004401
[41] Wang X., Huang Z., Kuti O.A., et al. Experimental and analytical study on biodiesel and diesel spray characteristics under ultra-high injection pressure. Int. J. Heat Fluid Flow, 2010, vol. 31, no. 4, pp. 659–666, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2010.03.006
[42] Kuti O.A., Sarathy S.M., Nishida K. Spray combustion simulation study of waste cooking oil biodiesel and diesel under direct injection diesel engine conditions. Fuel, 2020, vol. 267, art. 117240, doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.117240
[43] Zhang Z. Investigation into fuel pre-treatments for combustion improvement on a compression ignition engine. Newcastle University, 2019. 203 p.