基于FLUENT的含水乙醇重整器性能仿真研究

王 楠 张新塘 曹雨奇

(武汉理工大学能源与动力工程学院 武汉 430063)

0 引 言

乙醇汽油是由燃料乙醇和普通汽油按照一定的比例调配形成的一种混合燃料，与普通汽油比有很多优点，比如：可以提高汽油的辛烷值和抗爆性；燃烧更加充分，减少发动机内部积炭的产生，还能降低有害尾气排放.但是乙醇汽油中乙醇的含量一般不能大于10%，替代率低，且乙醇汽油对乙醇的纯度要求高，必须是无水乙醇，这两个问题都增加了技术难度和成本[1].乙醇燃料电池的反应物只有含水乙醇和空气且生成物为水和二氧化碳，绿色环保污染小，很符合现代排放法规要求.但是现有乙醇燃料电池在技术上还有待突破，电催化剂与质子交换膜两大技术难题对乙醇燃料电池的推广具有很大阻碍[2].

针对乙醇汽油和纯乙醇燃料电池在发动机上应用的缺陷，含水乙醇重整燃料发动机是一种有效的解决方案.该类型发动机是在汽油模式下启动的，在此模式下为重整器提供反应所需的热量.重整器中置有催化剂，在达到起活温度后，对进入重整器的含水乙醇进行催化反应，产生富氢混合气，之后进入发动机气缸燃烧，实现对外做功.由于该燃料所用的是含水乙醇，因此可以大幅度降低乙醇脱水工程的能耗和成本[3].含水乙醇重整器是乙醇蒸发与重整反应的场所，重整器性能的优劣直接决定了含水乙醇燃料发动机的性能.

本研究利用SolidWorks建立某型号含水乙醇重整器模型，并且利用Fluent对此含水乙醇重整器的性能进行仿真.将试验结果与仿真结果进行比较，验证所建立模型的正确性.通过仿真探究不同使用条件对重整器蒸发率、重整率、排气阻力的影响以及不同乙醇浓度对含水乙醇重整器性能影响，为后续含水乙醇重整器结构和发动机性能优化提供支持.

1 含水乙醇重整器模型建立

1.1 模型建立

本研究的含水乙醇重整器结构见图1[4].

图1 重整器结构原理图

其工作原理为：含水乙醇从含水乙醇进口5进入重整器，流经液态腔6进入蒸发区3进行吸热蒸发.蒸发后的乙醇蒸汽流经气态腔2进入重整区11进行重整反应，反应后的重整气由重整气出口14导出.重整区11内部装有催化剂，前端与气态腔2相连，后端焊接于管路焊接板12，且在前端设有滤网10防止催化剂从前端泄露.管路焊接板12上设有螺纹孔，滤网压板15依靠这些螺纹孔与管路焊接板12相连，滤网压板15上设有与重整区11管路大小、数目、排列方式相同的通孔，这些通孔都焊有滤网10，能够有效防止催化剂从重整区11后端泄露.

1.2 重整器性能测试系统与试验台架

为了验证所建立模型的正确性并确定仿真计算边界条件，对重整器性能(主要包括重整器重整率、重整器内部温度场、重整气体成分、重整器性能稳定性以及对发动机排气产生的阻力等)进行测试.含水乙醇重整器的试验系统原理图见图2[5].

测试系统主要包括乙醇罐、流量控制器、含水乙醇重整器、收集器、色谱仪与U形管压力计.主要原理为乙醇罐中的含水乙醇由乙醇泵泵出，依靠流量控制器控制流量，之后流经单向阀直接进入重整反应器，蒸发和反应所需的热量由汽油机废气提供，流出重整反应器的重整产物通过冷却器后，部分被取样进入气相色谱分析仪，其余排空.冷却得到的未发生重整的乙醇和水由收集器收集，在收集器与乙醇罐下方均设有电子秤对消耗与收集的含水乙醇量进行计量，并设置U形管压力计对发动机排气背压进行监测.

图2 含水乙醇催化重整试验系统原理

2 含水乙醇重整器换热仿真模型的验证

2.1 重整器温度测点的布置

在进行重整器性能试验时，温度是反映重整器性能的重要指标[6].除测量重整器入口和出口温度外，还分别在重整器轴向和径向方向上布置温度测点，通过观察测点温度来考察重整器的换热情况.图3为温度传感器示意图，由图3可知，轴向方向布置测点数为九个，其中，六个测点位置在重整区，三个测点位置在蒸发区；径向方向测点数位四个，均布置在重整区，其中有两个测点位置与轴向方向测点位置相同.

图3 温度传感器位置示意图

2.2 重整率的验证

重整混合气含量一般可以用重整率表示[7]，但重整率并没有严格的定义.而且乙醇与水反应过程较为复杂且副反应较多，重整反应产物种类较多，依靠反应产物进行重整率定义较为困难.可通过量化参与反应的含水乙醇比例进行定义.

根据试验结果选定计算和试验工况点入口温度为610 ℃、转矩为61 N·m.经计算，该运行工况下含水乙醇重整器重整率约为18.5%.含水乙醇重整器换热仿真各组分质量分数见图4，据此可以计算出含水乙醇重整器的重整率，经计算该工况下的重整率约为25%.

图4 重整器内各组分质量分数

2.3 排气阻力的验证

在原发动机排气管加装含水乙醇重整器后势必增加发动机排气阻力，该阻力可用重整器出入口排气压差表示.试验中，重整器引起的排气压差通过U形管压力计读出.试验工况下，U形管压力计平均读数为45 mm水柱，即为450 Pa.同工况下，重整器截面压力云图见图5，进出口截面压力差约为380 Pa.

图5 重整器截面压力云图

2.4 误差分析

对试验与仿真计算结果进行整理，得到试验与仿真误差见表1.由表1可知，各测点温度模拟值与试验值之间呈现较好的一致性.对比排气阻力试验值与仿真值，试验值略高于仿真值.究其原因，在搭建重整器换热仿真模型时存在几何模型的简化，导致仿真值与试验值存在一定误差.重整率试验值与仿真值也存在一定误差，主要原因是催化剂化学动力学相关参数无法得到.由于重整器本质上是一种热交换器，测点温度相较于其他两种参数更能反映仿真模型的符合度.因此，含水乙醇重整器换热仿真模型能够合理反应试验规律.

表1 试验值与仿真值对比

3 含水乙醇重整器性能仿真及分析

含水乙醇重整器性能主要依赖重整器的结构和工作条件[8].本文将仿真不同工作条件(如废气入口温度、含水乙醇入口流量、乙醇浓度等)的影响，对重整器性能进行评估，从而为含水乙醇重整燃料发动机相关控制策略设计提供支持.

根据汽油机的最高排气温度，确定了重整器的工作温度范围为500～730 ℃.而含水乙醇流量是根据替代燃料热值相等原理通过两种燃料的热值进行换算得出，通过计算得到乙醇流量范围为3～27 kg/h.根据重整催化剂启活温度和含水乙醇重整燃料发动机设计工况范围，选取16个工况(见表2)对重整器性能进行仿真分析[9].

表2 重整器性能仿真工况

3.1 不同使用条件对蒸发率的影响

在含水乙醇重整器换热仿真中，蒸发率是指液态乙醇吸收烟气能量蒸发为乙醇蒸汽的转化率，影响蒸发率的主要因素有乙醇入口流量与废气入口温度[10].

3.1.1乙醇入口流量的影响

分析乙醇入口流量对蒸发率的影响，需要固定废气入口温度.按照表2，选取工况1，2，3；工况6，7，8；工况11，12，13，进行计算后，将仿真结果中不同工况下的换热管出口处液态乙醇含量数据导出，进行蒸发率相关计算后，同一重整器废气入口温度下蒸发率随乙醇流量的变化情况见图6.

图6 蒸发率随乙醇入口流量的变化

由图6可知，在同一重整器废气入口温度下，蒸发率整体上随乙醇入口流量增加而减小.在较低废气入口温度下蒸发率对乙醇流量的变化相对敏感，在较高废气入口温度下流量变化对蒸发率影响相对较小.究其原因，受重整器主体尺寸的影响，蒸发区换热面积一定，当流量增大到一定程度后，蒸发区换热面积已经不足以支撑含水乙醇与换热壁面充分接触，所以在高温大流量下流量变化对乙醇蒸发率影响相对较小.在确定的工作范围内，蒸发率总体上相对集中在25%～70%.

3.1.2废气入口温度的影响

分析废气入口温度对蒸发率的影响，需要保证在相同的乙醇流量下进行.按照表2，选取工况1，5，9；工况3，6，10；工况4，8，11，进行边界条件设置与仿真计算后，将仿真结果中不同工况下的换热管出口处液态乙醇含量数据导出，进行蒸发率相关计算后，同一重整器废气入口温度下蒸发率随乙醇流量的变化情况见图7.

图7 蒸发率随废气入口温度的变化

由图7 可知，从整体上看，在同一含水乙醇入口流量下，蒸发率随废气入口温度的升高呈现上升趋势.小流量下蒸发率对废气入口温度的变化相对敏感，大流量下废气入口温度对蒸发率影响相对较小.其原因主要也是受到含水乙醇重整器主体尺寸的局限，从趋势上看，最小流量下重整器可以完全蒸发，但实际工作工况并不会存在较高废气入口温度对应低乙醇流量的情况.当乙醇入口流量超过3～11 kg/h的某个值，蒸发区无论发动机工况处于何种状态，重整器均无法实现完全蒸发.

3.2 不同使用条件对重整率的影响

在含水重整器换热仿真中，重整产物为H2与CO，重整率可以通过产氢量定义，影响重整率的主要因素有乙醇入口流量与废气入口温度.

3.2.1乙醇入口流量的影响

工况点选取参考乙醇入口流量对蒸发率的影响探究，进行边界条件设置与仿真计算后,同样将各工况数据导出，经过计算可以得到重整率随乙醇入口流量的变化情况，见图8.

图8 重整率随乙醇入口流量的变化

由图8可知，在确定的工作范围内，重整率总体上相对集中在13%～28%范围，且重整率随乙醇入口流量的变化规律与蒸发率类似.究其原因，重整反应的原料为乙醇蒸气与水蒸汽，蒸发率的大小直接影响两种物质的含量，所以重整率与蒸发率呈现相似变化规律.

3.2.2废气入口温度的影响

参考废气入口温度对重整率影响工况点的选取，将各工况数据导出，计算得到重整率随乙醇入口流量的变化情况，见图9.由图9可知，重整率随废气入口温度的变化规律也与蒸发率类似.

图9 重整率随废气入口温度的变化

3.3 不同使用条件对排气阻力的影响

3.3.1乙醇入口流量的影响

探究不同乙醇入口流量对排气阻力影响时，需要固定其他边界条件进行仿真计算.按照要求选取工况点1、工况点2与工况点3，进行设置与仿真计算后，各工况重整器截面压力云图见图10.由图10可知，排气阻力随乙醇入口流量的变化并不明显.

图10 重整器截面压力云图

3.3.2发动机工况的影响

高温废气作为热流体，其流量与温度均取决于发动机工况.在探究发动机工况对排气阻力影响时，需要固定流量.按照要求，选取工况点3、工况点6与工况点10，仿真结果见图11.

图11 重整器截面压力云图

由图11可知，工况1的排气阻力为80 Pa，工况2排气阻力为380 Pa，工况3排气阻力为1 200 Pa，排气阻力随发动机负荷的增加而增大.在重整器工作范围内，最大排气阻力约为1 200 Pa，一般情况下发动机排气阻力小于4 000 Pa时对发动机性能影响较小，所以加装重整器对发动机性能影响不大.

3.4 不同乙醇浓度的影响

含水乙醇作为含水乙醇重整器蒸发与重整反应的原料，乙醇与水的配比对含水乙醇重整器的性能有着至关重要的影响.含水乙醇重整器的设计是针对75%质量分数配比含水乙醇进行的，为探究含水乙醇质量分数对含水乙醇重整器性能的影响，选取工况点14，15与16进行换热仿真分析.根据上述要求改变含水乙醇重整器换热仿真模型的边界条件，最终仿真结果见图12.

图12 不同质量分数含水乙醇换热仿真

由图12可知，选用85%含水乙醇时蒸发率最高，选用65%含水乙醇蒸发率最低.这是因为乙醇蒸发相变所需的能量低于水蒸发相变所需的能量，含水乙醇质量分数越高，乙醇含量越高，蒸发相变所需能量越少.对比三种质量分数下的重整率可以发现，选用85%含水乙醇重整率远高于选用65%含水乙醇重整率，略高于选用75%含水乙醇重整率.

鉴于换热仿真无法得到重整混合气各组分含量，因此改变含水乙醇质量分数进行试验，根据色谱仪的结果，得出重整产物主要组分含量与酒精质量分数的关系，见图13.

图13 重整产物组分含量与含水乙醇质量分数的关系

由图13可知，随着含水乙醇质量分数的增加，H2的浓度逐渐减小，其他气体的浓度逐渐增加.综合来看，75%含水乙醇与85%含水乙醇重整率大致相当，但75%含水乙醇重整产物中H2质量分数相对较高.故拟选取75%含水乙醇作为含水乙醇重整发动机燃料.

4 结 论

1) 从整体上看，重整器的蒸发率与重整率随废气入口温度的升高而增大，随含水乙醇流量的增加而减小.在低温小流量下蒸发率与重整率对入口温度和流量的变化相对灵敏；在高温大流量下入口温度和流量的变化对蒸发率与重整率影响相对较小.

2) 在其他条件相同的情况下，乙醇入口流量对排气阻力的影响并不明显；在乙醇入口流量相同的情况下，排气阻力随发动机负荷增加而增大.

3) 在相同入口温度和同一设定流量下75%含水乙醇重整率与85%含水乙醇重整率大致相当，且高于质量分数为65%含水乙醇的重整率.随着含水乙醇质量分数的增加，重整产物中H2含量会逐渐减小，其他气体浓度会逐渐增大.故拟选取75%含水乙醇作为含水乙醇重整发动机燃料.

4) 工作范围内，蒸发率总体上相对集中在25%～70%范围，重整率集中在13%～28%范围，蒸发率和重整率均偏低，重整器结构和催化剂性能均有待进一步优化.