1、三種脂肪酸甲脂的液相音速測量摘 要：采用布里淵散射法流體音速實驗系統，對三種主要的生物柴油組份物質：癸酸甲酯（meclo: 0）、 月桂酸甲酯（mec12: 0）和肉豆蔻酸甲sfi（mec14: 0）的液相音速進行了測量。實驗溫度范圍為：7= 288.15- 49&15k,分別沿o.impa、2.5mpa、5.5mpa和&5mpa四條等壓線進行測量。依據實驗數據建立了三 種物質音速與溫度和圧力的關聯式。在實驗嚴卩范圍內，關聯式計算值與實驗數據的相對偏差絕對平 均值分別為：0.17 %（癸酸甲酯）、0.10 %（月桂酸甲酯）和0.15 %（肉豆蔻酸甲酯），滿足工程應用需求。關鍵詞

2、：癸酸甲酯；月桂酸甲酯；肉豆蔻酸甲酯；音速；布里淵散射0引言生物柴油具有可再生性、良好的生物降解性、無毒、更高的辛烷值、良好的抗氧化 性以及可有效降低溫室氣體排放等顯著優點，并且可直接應用于現有的柴油機中。因此, 越來越多的引起了各國學者們的廣泛關注。生物柴油的主要成分為脂肪酸甲脂（fames）和脂肪酸乙酯（faees）。由于這些脂肪酸 類物質的化學結構不同，導致其熱物理特性，如：密度、音速、表面張力和黏度等，與 現用柴油間均存在明顯的差異性。這些熱物性的改變將直接影響柴油機的噴油時間，而 噴油過程設計是柴油機組織燃燒和降低燃料消耗以及廢氣排放的關鍵壞節2現在柴油機 噴油設計中必需的熱物性參數

3、有表面張力、黏度和等嫡壓縮因子，其中等爛壓縮因子是 通過密度和咅速計算得到的鐵因此，生物柴油的精確咅速數據在噴油系統優化設計中 起到了重要作用。本文對處于研究熱點的三種脂肪酸甲脂癸酸甲酯、月桂酸甲酯和肉豆蔻酸甲酯 的文獻音速實驗數據進行了整理分析（表1所示）。可見，癸酸甲酯、月桂酸甲酯和肉豆蔻 酸甲酯音速的實驗研究可追溯到上世紀60年代。近年來，隨著生物柴油研究的逐步深入 和大量的推廣應用，上述三種脂肪酸脂的音速研究也隨之增多，英中，daridon和dzida 的研究團隊開展了一系列癸酸甲酯、月桂酸甲酯和肉豆蔻酸甲酯音速的實驗研究，并且 報道了一些高壓下的液相音速數據。然而，大多數文獻實驗數據

4、均集中在常壓下（或者壓 力梯度很大，壓力上限210 mpa）和較小的溫度區間（溫度上限403.15 k）內，使得現有咅速 實驗數據在p-t熱力學面上存在大量空白區域，顯然不能滿足相關研究的需求，如建立 高精度的咅速預測模型等。表1癸酸屮酯、月桂酸屮酯和肉豆蔻酸屮酯的文獻音速實驗數據匯總作者年份數據點r（k）p (mpa)純度c 和 uca測竝方法癸酸甲酯gouw 等 5196422935,313.150.1>0.997(1324, 1252)(0.08 %)interfdaridon 等 42012126283.15-403.150.1-2100.990(1018-1958) (0.2-

5、03 %)pedaridon 等 620137283.15-343.150.10.990(1364-1142)(0.1 %)peparedes 等'201312288.15-343.1500.990(1344-1143)(0.02)das5000dzida 等 8201448292.89-318.260.1-1010.996(1230-1698)(0.5-1)peo月桂酸甲陽gouw 等 519642293.15,313.150>0.997(135l 1278) (0.08 %)interftat 等 °200330293.15-373.150.1-34.5/(1080

6、 1498)(0.1 0.7 %)pecoutinho 等 10201312288.15-343.1500.970(1171-1370) (0.23)pedzida 等 8201447292.87-318.360.1-1010.996(1258-1691)(0.5-1)peoferreira 等 11201412298.25-353.150>0.970(1138-1332)(1)niu肉身蔻酸甲酯gouw 等 5196422935,313.150.1>0.997(1372, 1299) (0.08 %)interfdaridon 等 620138303.15-373.150.10.

7、990(1335-1098) (0.1 %)pecoutinho 等 1020131028& 15-343.1500.980(1194-1353)(0.23)pedzida 等 820142829& 13-318340-910.995(1281-1654) (0.5-1)peoferreira 等 11201412298.25-353.150.1>0.980(1162-1351)(1)niudaridon 等 122013533035-393.150.1-800.99(1036-1614)(0.2 %)pe“音速測址不確定度仏)的單位為m s'或a interf:

8、于涉法:pe:脈沖冋波法;peo:耿沖冋波重合法;n1u:非接觸式超聲波法鑒于此，本文將集中開展癸酸甲酯、月桂酸甲酯和肉豆蔻酸甲酯三種脂肪酸甲脂液 相音速的實驗測量工作，旨在補充上述三種物質的高精度音速實驗數據。測量所覆蓋的 卩范圍為0.1&5 mpa、288.15493.15 k。此外，利用所獲取的實驗數據，對常用的脂 肪酸脂類物質音速預測模型wada模型進行評估，拓展其應用范圍。1實驗原理測量流體咅速的經典方法主要有共振干涉法和脈沖法，國內外眾多研究者都開展此 兩種方法的研究工作，女口：徳國波鴻大學的r. span,3清華大學的段遠源以及作者 所在的課題組2】等。布里淵散射法是一種

9、光學流體音速測量方法。德國埃爾朗根紐倫堡 大學的a. leipertz課題組多年來一直致力于該方法的研究工作皿叫 詳細的布里淵散射 法流體音速測量原理可參見作者課題組前期的研究報道9 20以及一系列相關研究工作0. 2%限于篇幅，此處僅對該方法工作方程進行簡要介紹。分子的熱運動誘發熱聲波，該熱聲波為各種波長聲波的混合。當激光射入介質時， 介質內的等爛壓力漲落誘發介質產生自發布里淵散射，而熱聲波作為衍射光柵對散射光 形成周期性功率調制。根據布拉格定律，可以計算得到散射矢量的模為：“4a77rsin(o.50s)2兀 sin %*g = 2|ksm(0.5&s) =扌 =(1)4)a)式中

10、：k入射光波矢量，為樣品折射率，zo為入射光在真空屮的波長，os和®ex分別 為散射角和入射角。一束激光透射樣品，誘導樣品發出散射光，散射光的頻譜中會出現 兩個對稱分布的布里淵峰。根據多普勒頻移定律，散射光的頻移與樣品音速有關，可表 述為：式中：血為散射光頻移，5為入射光頻率，"為樣品音速，co為真空光速。結合式(1) 和(2),可以得到音速與散射光頻移的關系為：g)圖1測量得到的頻譜圖當測量得到布里淵峰的頻移后，可由式（3）計算得到樣品的音速。本文利用光電倍增器結 合fabry-perot干涉儀測量布里淵峰頻移，圖1給出了一個典型的實驗頻譜圖。2實驗系統圖2丿喪于自發布里

11、淵散射的流體音速測戢裝腎本文采用的光散射系統及溫度/壓力測控單元如圖2和圖3所示。二者在本課題組前 期的研究報道中均已詳述923】，此處僅對主要實驗儀器進行簡單介紹。激光器為cobolt 公司生產的sambaim系列激光器，波反532nm,功率300mw； fabry-perot干涉儀型號 sa200-5b, thorlabs公司；光電倍增器型號h8259-01, hamamatsu公司生產。溫度測量 采用鉗電阻溫度傳感器（prt, fluke,測量不確定度為0.01 k）,布置于散射池內；壓力 測量采用壓力變送器（rosemount,量程020 mpa,測量不確定度為5 kpa）。音速測量不

12、 確定度主要由三部分組成，分別為：布里淵頻率不確定度、入射光波長不確定度和入射 角不確定度。綜合三者影響，最終本文音速測量的相對擴展不確定度為：<1% （置信因子 取2）。3實驗結果與分析本文沿四條等壓線o.impa、2.5mpa> 5.5mpa和8.5mpa,測量了溫度288.15498.15 k范圍內，癸酸甲酯、月桂酸甲酯和肉豆蔻酸甲酯的液相音速。每個實驗點單獨測量四 次，取平均值作為測量值，實驗數據的復現性優于0.2%o表2癸酸甲酯、月桂酸甲酣和肉豆蔻酸甲酣的音速實驗數據0.1 mpa2.5 mpa5.5mpa8.5mpa77k ii / ms'1t7k. u / r

13、n-s"1f/k u / m-s"17vk “ / ms0mpa2.5 mpa5.5mpa8.5mpa77ku / m-s'77 kii / m s"77ku / m-s'77 ku / m s'癸酸甲酯288.241342.71288.211352.52288.091367.47288.111383.12303.141289.66303.091297.85303.141312.56303.241328.32318.061231.6131&111242.98318.101258.45318.241274.55333.151179.0

14、3333.161193.25333.111209.61333.101226.82348.061127.14348.191142.86348.161160.09348.061178.23363.191074.54363.12108&0836351106.21363.211124.58378.141023.64378.1810436378.121062.85378.111082.27393.18974.49393.19991.68393.061013.04393.101033.17408.15930.65408.17950.59408.20973.05408.08994.68423.208

15、83.62423.16900.70423.22924.91423.22947.22438.13836.04438.23859.86438.12886.53438.10910.05453.07791.47453.20816.63453.17845.20453.05870.21468.23743.81468.19772.06468.13803.05468.17828.95483.21698.78483.22723.67483.0875737483.20784.48498.24649.17498.20679.21498.09715.50498.16744.21丿j桂酸甲酯288.191366.492

16、88.151379.35288.141391.09288.141407.41303.151313.35303.251325.70303.061338.37303221260.6231&131273.8431&111286.41318.061304.96333.081209.41333.071222.83333.161235.63333.061255.46348.121158.41348.071172.65348.211186.04348.081207.11363.081108.45363.201123.08363.221137.80363.091160

17、.03378.101059.15378.211074.98378.191090.85378.241113.78393.211010.36393.101028.28393.08104535393.121069.54408.12962.99408.18982.05408.091000.67408.101026.27423.15916.09423.10937.32423.11957.16423.25983.73438.20869.93438.21893.08438.17914.74438.14943.12453.19824.76453.18850.314537873.66453.07903.6446

18、8.10781.14468.09808.76468.22833.65468.06865.22483.10736.58483.18766.73483.17794.09483.20826.68498.13692.73498.20724.96498.21754.50498.21788.68肉豆蔻酸甲酯288.251386.43288.071398.5228&251418.12288.201430.13303.241333.24303.231345.12303.191364.26303.131377.37318.221281.52318.091296.21318.201318.63318.18

19、1332.24333.171229.40333.251243.66333.111266.52333241178.28348.201193.96348.221217.92348.201233.27363.151131.16363.171146.60363.231173.09363.091187.42378.191085.03378.211100.38378.161125.98378.231140.0439381036.57393.081053.90393.111082.91393.151098.27408.06990.84408.131009.05408.241035.

20、75408.111051.69423.21944.76423.14964.52423.17995.50423.171014.67438.17898.73438.24918.70438.12951.24438.21969.74453.07855.28453.06876.26453.15909.56453.16929.51468.12813.87468.09834.65468.15871.00468.10894.73483.16773.92483.13795.22483.15831.91483.12858.96498.12735.64498.12755.09498.11791.06498.1582

21、0.98表2和圖46給出了癸酸甲酯、月桂酸甲酯和肉豆蔻酸甲酯的音速實驗數據。對此 三種脂肪酸脂而言，在本文研究的熱力學區域內，其液相音速隨著壓力升高略有增 人且增人的趨勢隨著溫度的升高逐漸變大；隨著溫度的升高，其液相音速顯著降低；沿 等壓線，音速隨溫度的變化基本呈現線性關系。此外，對比三種脂肪酸脂的液相音速數 據可以發現，隨著碳原子數的增加，音速值逐漸增加。為方便工程應用，本文選取了 j. l. daridon等提出的一個關于1/的模型，對測量 得到的實驗數據進行了關聯。該模型曾被用于正十八烷、正十九烷以及芳香桂類等多種高碳原子數的物質液相音速計算中24'260該模型方程形式如下:1

22、_ a + b p + c p? + d u2e + f”式中：a = a0 + a1-r + a2-7,2+a3-r3； e = l + e7aad/% =100 amd/% = 100max-fl圖4癸酸甲酯實驗數據及關聯川i線圖5月桂酸甲酯實驗數據及關聯曲線表3式(4)系數表及其計算偏差系數癸酸甲酯月桂酸甲酯肉豆蔻酸甲酯3.697242xw75.284190xw77.713310xl0d2-2.039028x10*9-3.250361 xlo-9-7.011927x10-15&734894x10,21.162206h0川4.424257x10'9.9.447294x10*

23、15 1.168616x10-148.428331x10"°1.900684x10*95.677862x1o-106.930888x10"11-4.884012xlod,5.411973x2°7.713310x10122.593762x10d2-4.720942xl0d,-7.011927xw15ei1.709305x1 o'31.673134x10*31.543935x10-3f6.682088x1037.024130x1038.546552x103計算偏差aaad/%070.100.15md/%0380.240.35bias / %0.000

24、250.000360.00054圖6肉豆蔻酸甲酯實驗數據及關聯曲線 gouw daridon paredes dzidathis work. 0mpathis woik, 2.5 mpa this work. 5.5 mpao this work, 8.5 mpao qf 9色8 o° 8 i u q8 oo £ o 0圖7癸酸甲酯計算偏湼280300320 340 360 380 400 420 440 460 480 500q864 2 o.2.4.6.s.o 匚 00.0.0.-0-0-0-0“?$*8_宀-o 80o 0 gouw ihcazlonm dtaidir

25、t o thb wwk uif» dzida o tht>*九揚"嘰( lmtaiti 0詢匕乩畑嘰v irtrririi圖8月桂酸甲酯實驗數據及關聯illi線圖9肉豆蔻酸甲酯計算偏差表3給出了方程中的系數和方程的計算偏差。結合圖46中方程曲線可以看出， 方程計算值與實驗值具有良好的一致性。本文將方程(4)計算得到的0.1 mpa下的癸酸甲酯、月桂酸甲酯和肉豆蔻酸甲酯的音 速數據與文獻實驗數據進行了比較，如圖79所示。癸酸甲酯計算值與文獻實驗數據的 相對偏差絕對平均值為0.08 %,絕對偏差平均值為0.95 ms'1；月桂酸甲酯計算值與 gouwxdzida&

26、gt;coutinho和ferreira報道的文獻實驗數據的相對偏差絕對平均值為0.08 %, 絕対偏差平均值為1.05 m s'1；與tat等報道是實驗數據的相對偏差絕對平均值0.54 %, 絕對偏差平均值為6.54 m s'1,原因在于tat等選取的月桂酸甲酯實驗試劑可能被污染， 純度受到影響；肉豆蔻酸甲酯計算值與文獻實驗數據的相對偏差絕對平均值0.15%,絕 對偏差平均值為1.87 m so由此可見，本文的實驗數據與文獻數據吻合良好，關聯方程 具有較高的計算精度。4結論本文首先簡要介紹了布里淵散射法流體音速測量原理及相關實驗裝置，給出了溫度、 壓力測量的不確定度分別為0.

27、01 k和5 kpa,音速測量的相對擴展不確定度小于1%o測 量了 tame和etbe飽和態下熱擴散率的溫度范圍分別為：tame： 291523k(飽和液 體),477523k(飽和氣體)；etbe：295493k(飽和液體),442493k(飽和氣體)。沿o.impa、 2.5mpa、5.5mpa和8.5mpa四條等壓線,測量了 288.1549&15 k溫度范圍內,癸酸甲 酯、月桂酸甲酯和肉豆蔻酸甲酯的液相音速。填補了該曠卩熱力學區域內，三種物質液 相音速實驗數據的空白。同時，分析了音速隨溫度、壓力的變化規律。為方便相關科研 及工程領域的應用，依據daridon等提出的音速計算模型

28、，給出了在本文"卩熱力學區 域內，三種物質的液相咅速的計算方程，方程計算精度分別為：0.17 % (癸酸甲酯)、0.10 % (月桂酸甲酯)和0.15% (肉豆蔻酸甲酯)。參考文獻1 pedro benjumea*, john r. agudclo and andres f. agudclo. effect of the degree of unsaturation of biodiesel fuels on engine performance, combustion characteristics, and cmissionsj. energy &fuels, 2011,

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