基于热重分析法的含水乙醇汽油蒸发特性试验研究——毕业论文

海南大学毕 业 论 文（设计） 题 目： 基于热重分析法的含水乙醇 汽油蒸发特性试验研究 学 号： XXXXXXXXXXXXXXXX 姓 名： XXXXXXXXX 年 级： XXXXXXXXXX 学 院： 机电工程学院 系 别： 汽车系 专 业： 车辆工程 指导教师： XXXXXXXXXX 完成日期： 年 月 日 基于热重分析法的含水乙醇汽油蒸发特性试验研究摘要近年来，随着科技的进步，汽车产业越发蓬勃发展，给人类带来了很多便利。在汽车的高速发展与能源、环境的矛盾日益突出之际，汽车发动机燃油代用燃料成为各国政府解决能源、环境问题的重要措施。相对于无水乙醇汽油，含水乙醇汽油不仅具有明显的价格优势，而且其对燃料的储存和运输的密封性要求也可以降低。认识并了解含水乙醇汽油的蒸发特性可以帮助我们更好的研究内燃机的燃烧过程。为了充分认识它，本文采用热重分析法重点研究了含水乙醇汽油E10W在不同的初始质量、加热速率、氮气流量下的蒸发特性；同时也研究了不同乙醇（95%）含量对含水乙醇汽油蒸发特性的影响；而且也用相同的方法研究了在不变量条件下市售93#汽油以及乙醇(95%)的蒸发特性作为对比试验研究。试验结果表明含水乙醇汽油比纯93#汽油更易蒸发，而且随着乙醇（95%）含量的增加会使含水乙醇汽油更易蒸发。关键词：含水乙醇汽油；发动机；热重分析法；蒸发规律 Abstract In recent years, with the booming development of technology especially in the auto industry, which brought a lot of convenience to mankind. As the contradiction among the development of auto, energy and environment standing out day by day, the alternative fuel of vehicle engine fuel became an important way to solve the energy and environment problems of government. Compared to the anhydrous ethanol gasoline，hydrous ethanol gasoline not only has a clearer price advantage ，but it also has lower requirement of tightness in the process of storage and transportation. We can learn from the evaporation characteristics of hydrous ethanol gasoline, which it can help us to investigate the combustion process of the internal combustion engine. In order to fully understand it, this experiment investigated the evaporation characteristics of hydrous ethanol gasoline E10W in different environmental conditions of initial mass, heating rate and nitrogen flow using thermal gravimetric analysis; at the same times it also investigated the affect of evaporation characteristics in different ethanol (95%) content of the hydrous ethanol gasoline; and as for comparative experiment, we also investigated the evaporation characteristics of invariants 93 # gasoline and hydrous ethanol evaporation under the commercial conditions using the same way. The results showed that hydrous ethanol gasoline evaporated faster than 93 # gasoline, and it would evaporated more easily as content of the ethanol (95%) became more in hydrous ethanol gasoline.Keywords: hydrous ethanol gasoline; engine; thermal gravimetric analysis; Evaporation laws 目录1 绪论11.1课题研究背景及意义11.1.1研究背景11.1.2研究意义11.2.1国外发展状况21.2.2国内发展状况32 试验方法的选择与试验过程42.1试验方法的选择42.1.1 热重分析法介绍52.1.2 热重分析法与石油产品馏程测定法比较52.1.3 热重分析法的影响因素72.2 试验过程82.2.1试验试剂82.2.2试验仪器92.2.3试验方案102.2.4试验步骤123 试验结果分析153.1 93#汽油和乙醇（95%）的蒸发特性的对比153.1.1 93#汽油和乙醇（95%）蒸发情况与加热时间的关系153.1.2 93#汽油和乙醇（95%）蒸发情况与坩埚温度的关系163.2 含水乙醇汽油E10W的蒸发特性分析163.2.1 初始质量不同的E10W的蒸发情况与加热时间的关系173.2.2 初始质量不同的E10W的蒸发情况与坩埚温度的关系173.2.3 氮气流量不同的E10W的蒸发情况与加热时间的关系183.2.4 氮气流量不同的E10W的蒸发情况与坩埚温度的关系183.2.5 加热速率不同的E10W的蒸发情况与加热时间的关系193.2.6 加热速率不同的E10W的蒸发情况与坩埚温度的关系203.3三种配方的含水乙醇汽油的对比分析203.3.1 不同燃料的蒸发情况与加热时间的关系213.3.2 不同燃料的蒸发情况与坩埚温度的关系213.4结论213.5结束语22致谢23参考文献241 绪论1.1课题研究背景及意义1.1.1研究背景随着我国经济社会持续快速发展，群众购车刚性需求旺盛，汽车保有量更是继续呈快速增长趋势。据不完全统计，截止2015年底，我国机动车保有量达2.79亿辆，平均每百户有31辆私家车。其中汽车保有量达1.72亿辆，新注册和年增量均达历史最高水平1。汽车工业的快速发展是时代进步的体现，在人类的生活中起着不可比拟的作用。在为我们带来便利的同时，应当了解，能源的匮乏、环境的恶化已经成为世界性的两大难题，而汽车的发展与上述两个问题密切相关。众所周知，内燃机靠燃烧汽油或者柴油来工作，汽油和柴油均是从石油中提炼出来的，而石油是不可再生能源，而中国的石油储量更是愈渐稀少。2011年，中国超过美国成为第一大石油进口国和消费国，当年中国原油对外依存度为55.2%，而去年2015年，我国石油消费对外依存度首次突破60%达到了60.6%。所有的数据都预示着石油的枯竭之日越来越近2。除此之外，由于石油的燃烧不完全，造成的污染更是一个巨大的问题。尤其是伴随着汽车工业的迅猛发展，汽车尾气已逐步成为当前城市空气污染的主要来源之一，其不断侵蚀着大气、土地及水体等自然资源及环境，同时也直接对人体健康防御系统造成不良影响3。大部分国家早就已经注意到这个问题，很多国家投入大量资金在环保问题上，但这已经是一种亡羊补牢的行为。所以国家开始不断修改排放法规，以及改进汽车发动机的结构，减少汽车尾气所带来的污染。但是现有的技术要使燃料完全燃烧还是不太现实，所以新能源的研究以及使用便成为一条理想的路。1.1.2研究意义石油的可用年限越来越少以及环境的污染问题越来越严重，都让寻求新能源成为了一个迫在眉睫的问题。但是直接使用含量百分百的新能源，比如纯氢气，或者纯植物油对科技技术要求很高，目前不能达到，所以目前研究进行的是通过向石油内添加物质以提高燃油动力性和经济性这一措施。很多科学家近年来的研究结果表明醇类燃料有较大的优势，而目前实际运用方面较为成熟的是乙醇。研究更多的是无水乙醇汽油，无水乙醇汽油要求乙醇浓度在99.2%以上，其具有遇水易分层的特点，对无水乙醇汽油的混配、储运等各个环节提出了更高的要求；另一方面，无水燃料乙醇生产成本较高，致使乙醇汽油与传统汽油无价格优势。含水乙醇(浓度为 95%)成本较低，对水分的敏感度大幅下降，在含水乙醇汽油中加入添加剂，可以使混合燃料在一定时间内稳定不分层，因此含水乙醇汽油较无水燃料乙醇有明显优势4。同时，因为燃油的蒸发效果对混合气的形成甚至发动机的工作有很大的影响，所以研究含水乙醇汽油的蒸发特性很有必要。1.2国内外含水乙醇汽油的发展状况1.2.1国外发展状况将乙醇与汽油掺合在一起作燃料的做法从第二次世界大战期间就开始了，到了20 世纪30 年代因受乙醇资源来源不稳定等因素的影响而不再使用，直到20 世纪6O 年代末期，各国政府为了保护环境而严格控制汽油中的含铅量，对醇(甲醇、乙醇)燃料又给予了的高度重视。从20 世纪80 年代以来，尽管国际石油价格相对稳定或下跌，醇燃料在某些国家还是得到了广泛的应用。在美国和巴西用粮食作原料发酵生产的乙醇主要用作汽车燃料，在西欧也有少量乙醇用作燃料。美国从1979 年开始推广出售乙醇汽油混合燃料(汽油中含10 %乙醇)，到1985年已占美国汽油市场的5%，1998 年美国燃料用的乙醇约为413586 万吨，约占美国乙醇消费量的83%87%。巴西是世界上唯一由政府支持且使用乙醇燃料规模最大的国家。他们从l975 年起就开始执行乙醇燃料推广计划，以减少对进口石油的依赖，l979 年又开始了一个新的使用乙醇燃料的计划。目前，巴西生产的乙醇燃料(E96)，用于专门设计的乙醇汽车5。在欧盟成员国中，法国、西班牙和瑞典已生产和使用乙醇汽油；其他成员国如荷兰、英国、德国、奥地利等国家的农业部也已提出计划，要求发展燃料乙醇工业。西班牙是欧盟最大的生物乙醇生产国，目前已投产的有2个工厂，年产量达到1.8105t。欧洲的燃料乙醇多以小麦为原料生产。2003年6月，日本资源能源厅决定在汽油中添加乙醇，乙醇的混入比例约为3%以下4。1.2.2国内发展状况中国开始使用乙醇汽油是在21世纪初期，在2000年就开始研制乙醇汽油。2001年4月，我国颁布了变性燃料乙醇和车用乙醇汽油标准，开始推广使用乙醇汽油。2001-2004年，国家批准建设的吉林燃料乙醇公司、黑龙江华润酒精有限公司、河南天冠燃料乙醇有限公司和安徽丰原燃料酒精有限公司4家以陈化粮为主要原料的定点生产厂取得成功。2004年末，我国燃料乙醇产量达到1.44106t，产量仅次于巴西、美国，位居世界第3位。我国已建成了约1.6107t/a的乙醇汽油混配能力。2008年和2009年我国销售的乙醇汽油分别达到1.53107t和1.66107t；乙醇汽油的销量已占全国汽油销量的1/46。目前，乙醇汽油已在黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽、广西等6省及湖北、河北、山东、江苏部分地区27个城市推广使用。2010年，乙醇汽油的消费量占我国汽油消费量的50%以上，可见乙醇汽油具有良好的发展前景。但是目前中国的燃料乙醇生产技术与国外的先进技术还有差距，此外，国内的粮食价格也不低。导致了中国生产乙醇的总成本比美国高大概35%40%。高价格的乙醇对乙醇汽油的推广和使用不利5。1.3试验研究内容液体燃料汽化的难易程度称为其蒸发性，蒸发性是液体燃料重要的特性之一，它将影响燃料的贮运及在发动机中的使用情况7。向传统汽油中加入乙醇（95%），由于乙醇（95%）的蒸汽压低，汽化潜热大，所以含水乙醇汽油的蒸发性能较纯汽油不相同。为了更好的了解以及使用含水乙醇汽油，加深对其蒸发性的研究很有必要，本文就是设计试验在不同情况下研究含水乙醇汽油的蒸发特性。通过控制变量法不仅研究了在不同加热速率下、不同的氮气流量下、以及改变样品初始质量这三种情况下含水乙醇汽油E10W的蒸发特性，而且还研究了汽油中加入不同比例乙醇(95%)的对比试验，以及进行了纯93#汽油和纯乙醇（95%）的蒸发特性研究。 2 试验方法的选择与试验过程2.1试验方法的选择2.1.1 热重分析法介绍热重分析法是一种在程序控制温度的情况下通过灵敏度很高的天平检测样品质量与温度或时间关系的一种技术8。随着科学研究的发展，热重法(TG) 已成为诸多领域热变化过程的重要测试手段，TG已被用于跟踪反应过程、控制原料质量、动力学研究、考察材料的热稳定性和阻燃性等。它的主要特点是定量性强，能准确地测量物质的质量变化及变化速度，而且还具有分析速度快 样品用量少的特点，因而在高分子材料热老化方面的研究引人注目9。为了解城市污泥和煤粉混烧的燃烧规律，利用热重分析法对兰坝煤粉和某城市污泥及两试样混合物的燃烧特性进行了研究10。一些研究人员采用热重分析法研究了食用油脂氧化稳定性定性，通过油脂的热重分析法等温实验，观察了油脂的氧化诱导时间。还有一些研究人员，利用热重分析法对纳米氢氧化镁在不同升温速率下的热分解动力学进行研究，以期深入了解纳米氢氧化镁热分解制备纳米氧化镁粉体过程的物理化学本质11。热重分析仪主要由程序控温、测量、显示、气氛控制和操作控制等5个系统构成，又分成立式和卧式两种。立式结构在设计和制造上比卧式结构简单，尽管比卧式结构受浮力和气流的影响更大，但是经过不断改进，已经基本消除了浮力和气流的影响，所以大多数的热重分析仪仍采用立式结构12。2.1.2 热重分析法与石油产品馏程测定法比较一般情况下，根据蒸馏温度值分析发动机内燃料的蒸发情况。国家标准规定内燃机燃料蒸馏温度的测定要按石油产品馏程测定法进行13。测定装置如下图2.1所示。本方法要求被测试样品量为100mL，注入蒸馏烧瓶的时候被测试样品的温度为（203）；在蒸馏汽油时，从开始加热到冷凝管下端滴下第一滴液体时，一般需要510分钟，蒸馏柴油需要更长时间；从冷凝管滴下第一滴液体到90%馏出温度所需要的时间为20分钟。所以按照国家标准进行试验时，在蒸馏过程中平均升温速率不高，此外，蒸馏瓶内是一个密封环境，液面上方无吹扫气流，燃料蒸汽则只能做扩散运动。图2.1石油产品馏程测定装置1. 冷凝管；2.冷凝管；3.进水支管；4.排水支管；5.蒸馏烧瓶；6.量筒；7.温度计；8.石棉垫；9.上罩；10.喷灯；11.下罩；12.支架；13.托架 下图2.2为本试验用的热重分析仪示意图。由图中可以看出燃油可以少量的存在于坩埚中，炉内温度升高时，燃油的温度也能快速随之升高，响应迅速，以减少其他因素对试验结果的影响。同时炉内有一定量的氮气流，从多个方向导入。这样不仅可以减少样品的氧化，而且也阻止炉内的气体进入天平，从而保证了天平的精密性。图2.2 热重分析仪示意图燃油在发动机内部时，质量小，受热均匀，升温快，而且表面有复杂的气体流动。与国家标准中使用的石油产品蒸馏测定法相比，热重分析法可以更好模拟燃料在内燃机里的真实情况，所以热重分析法测出的结果也能更好的反映实际的蒸发规律，获得更加有实际意义的试验数据，本试验采用热重分析法进行试验。2.1.3 热重分析法的影响因素（1） 试验条件的影响坩埚 热重分析用的坩埚应是惰性材料制作的，如铂和陶瓷等。对碱性试样不能使用石英和陶瓷坩埚。铂坩埚不适用于有机化合物和一些无机化合物的热重分析，因有催化作用；也不适用磷、硫和卤素的高聚物，因会发生反应，都会改变TG曲线。煤、焦分析多采用陶瓷坩埚，使用前要净化处理，每次试验完后要用清水冲洗干净并烘干，污垢难除时可用稀酸浸泡后除去。挥发物 逸出的挥发物往往在热重分析区的低温区冷凝，不仅污染仪器，而且使试验结果产生偏差。对策：尽量减少样品用量和选择合适的净化气体的流量。升温速度 升温速度对热重曲线的影响比较大，升温过快，所产生的的热滞后会导致热重曲线升温起始温度偏高，并且往往不利于中间产物的检出而导致使在TG曲线上呈现的拐点不明显。如果采用较快的升温速度，则使用的样品量应尽量少，以得到满意结果。气氛 在静态气氛下，随着升温，分解速度增大，样品周围的气体浓度变化快，会影响到测定结果。所以，要求严格时采用的不是静态气氛，而是动态气氛。气氛对热重曲线的影响还表现在反应类型（可逆或不可逆）、分解产物的性质和所通过气体的类型上，所以选择合适的气体和流速比较重要。（2） 样品的影响用量 样品用量的影响主要表现在样品的吸热或放热反应所引起的热重曲线温度偏差，以及对逸出的气体扩散和传递速度的影响。总之，样品用量大对热传递和气体扩散都不利，但样品用量应在热重分析仪灵敏度范围内。粒度 样品粒度对热传递、气体扩散都有较大的影响。粒度越小，反应速度越快，反应区间变窄；而试样颗粒大往往得不到较好的TG曲线12。2.2试验过程2.2.1试验试剂试验试剂如下图2.3所示：1.汽油93#（市售）；2.乙醇（95%）；3.乳化剂Tween80（化学纯）；4.油酸（化学纯）；5.乳化剂Span80（化学纯）；乙醇（95%）与汽油的部分理化特性如下表2-1所示。乙醇（95%）Tween80油酸Span80图2.3 试验试剂 表2-1 乙醇（95%）与汽油的部分理化特性性质93#汽油乙醇（95%）化学式C4C12 烃类化合物C2H5OH（95%）相对分子质量约为10046沸点/3021078密度（20）/(kgL-1)0.7310.81气化潜热（KJ/kg）310904辛烷值93108十六烷值0108自燃温度/2202604202.2.2试验仪器本试验主要使用了以下的试验仪器：Q600 SDT型热重分析仪；DX-型大功率磁力搅拌机；计时器；以及配油过程中所用到的量筒、烧杯、试管、胶头滴管等。本试验所用的热重分析仪为美国TA公司的SDT Q600型热重分析仪如下图2.4所示，该Q600综合热重分析仪可以同步提供TG与DSC的信号。TG信号用于研究：质量变化、成分分析、热稳定性、氧化/还原、分解行为、腐蚀性研究、分解动力学分析等；DSC信号用于研究：熔融/结晶、固相转变、结晶度、玻璃化转变、抗氧化性等。SDT Q600型热重分析仪它可以针对不同的样品在非常宽的温度范围内均可提供精确的试验数据。图2.4 Q600 SDT型热重分析仪2.2.3试验方案为了深入了解含水乙醇汽油在不同情况下的的蒸发特性，本次试验从几个不同变量入手，采用控制变量法制定了以下试验方案。研究纯93#汽油（市售）和乙醇（95%）的蒸发特性。设定这两组试验是为了做一个对比研究，所选择的材料分别是93#汽油（市售）和乙醇（95%）。两组试验都是在起始温度为20，初始质量为30mg，加热速率为100/min以及氮气流量为20ml/min的条件下进行的。研究初始质量不同的含水乙醇汽油E10W的蒸发特性。该组试验方案是控制其他变量不变，改变样品初始质量，观察不同初始质量下E10W的蒸发效果。设置起始温度为20，加热速率为100/min，氮气流量为20ml/min，然后分别往坩埚中加入10mg、20mg、30mg的样品，然后进行试验。为了使试验更加精确，在同一初始质量下做三次试验，取三次试验中最精确一组的用于对比研究。研究不同氮气流量对含水乙醇汽油E10W蒸发特性的影响。该组试验方案是控制其他变量不变，改变氮气流量，观察不同氮气流量下含水乙醇汽油的蒸发效果。设置初始质量为30mg，起始温度为20，加热速率为100/min，然后分别在氮气流量为0ml/min、10ml/min、20ml/min下进行试验。为了使试验更加精确，在同一氮气流量下做三次试验，取三次试验中最精确一组的用于对比研究。研究不同加热速率对含水乙醇汽油E10W蒸发特性的影响。该组试验方案是控制其他变量不变，只改变加热速率，观察不同加热速率下含水乙醇汽油的蒸发效果。设置初始质量为30mg，起始温度为20，氮气流量为20ml/min，然后分别在加热速率为100/min、50/min、10/min进行试验。为了使试验更加精确，在同一加热速率下做三次试验，取三次试验中最精确一组的用于对比研究。研究乙醇（95%）含量对含水乙醇汽油蒸发的影响。该组试验方案是为了研究乙醇（95%）的含量对含水乙醇汽油蒸发特性的影响，所用的含水乙醇汽油为市售93#汽油和含量为95%的含水乙醇按不同体积分数混合而成。分别为含10%，20%，30%的含水乙醇汽油。以下分别称为E10W、E20W、E30W。设置初始质量为30mg，起始温度为20，加热速率为100/min。每组配方在同一条件下做三次试验，选出最准确的一组用于对比研究。如下表2-2所示为本次试验所用的含水乙醇汽油的配方表2-2 含水乙醇汽油的配方E10W乙醇（95%） 40mL 10%助溶剂 0.92mL 0.23%乳化剂Span80 2.432mL 0.608%Tween80 0.448mL 0.112%93#汽油（市售） 356.2mL 89.05%E20W乙醇（95%） 80mL 20%助溶剂 1.28mL 0.32%乳化剂Span80 1.79mL 0.61%Tween80 0.649mL 0.61%93#汽油（市售） 316.28mL 79.07%E30W乙醇（95%） 120mL 30%助溶剂 1.6mL 0.4%乳化剂Span80 2.35mL 1.48%Tween80 0.61mL 1.48%93#汽油（市售） 275.44mL 68.86%图2.5为按配方配出来的三种含水乙醇汽油。 E10W E20W E30W图2.5 三种含水乙醇汽油2.2.4试验步骤虽然做热重分析试验时每次的样本质量仅为30mg左右，但是为了所配制的含水乙醇汽油能够更加均匀，所以本试验的每种试样都配制400mL，且在烧杯中完成混合与配制，此外为了试验结果的准确性，每次试样均为试验前配制。具体步骤如下。（1）配制步骤在常温下，按照之前设计的试验配方，先量取所需要的汽油放在烧杯中。再量取所需要的含水乙醇，助溶剂和乳化剂放入盛有汽油的烧杯中。为了让混合液均匀，使用DX-型大功率磁力搅拌机搅拌5min。然后分别取四根试管，每根试管取20mL液体。一个试管的样品作为接下来热重分析时使用，剩下的放置常温密闭的实验室，便于观察该样品随着时间变化的情况。配制完试液之后及时清洗烧杯，量筒并整理清洁实验室。（2）热重分析仪测定含水乙醇汽油过程打开试验仪器所连接的电脑，先开启氮气，打开排风扇，最后开启热重分析仪，待该仪器正常显示之后，点击CONTROL MENU。 在试验进行之前，先在电脑上运用与热重分析仪相配套的软件设定试验的加热速率，起始温度，氮气流量等试验条件。在CONTROL MENU界面点击FURNACE，仪器开启，在天平上放上配平用的坩埚，然后放上本次试验用的坩埚进行配平。点击FURNACE，关上仪器，点击TARE进行校零。完成后，校待显示屏左上方显示Standby，再点击FURNACE打开仪器，然后用注射器抽取事先配置好的试管里的含水乙醇汽油，往配平过的试验坩埚里滴入所需的初始质量的试液。一般所加的试样不会完全是我们所要的整数初始质量，等待样品自由蒸发至我们所需的量时，开始加热，等到样品所剩不足3%时，停止进程，导出数据，待试验数据出来之后，储存数据。蒸发完成后，等待设备温度降到室温时开启加热炉，取出已使用过的坩埚。放入新的坩埚，剩下步骤与（2）中相似。进行完试验之后，清理实验台，先关闭试验仪器，再关排风扇，最后关闭氮气。所有储存的数据用Orijin8.6软件进行处理分析。3 试验结果分析3.1 93#汽油和乙醇（95%）的蒸发特性的对比3.1.1 93#汽油和乙醇（95%）蒸发情况与加热时间的关系图3.1 93#汽油和乙醇（95%）蒸发情况与加热时间的关系图3.2 93#汽油和乙醇（95%）蒸发情况与坩埚温度的关系 图3.1所示为在同一条件下93#汽油和乙醇（95%）的未蒸发质量的百分比与加热时间的关系。两组试验都是在加热速率为100/min、氮气流量20ml/min的条件下，向坩埚中注入30mg的样品，从20的起始温度开始加热，最终得出数据。从图中可以看出，开始的时候，仪器内部温度低，样品蒸发不大，到了0.75min左右时，样品开始急剧蒸发，主要是因为加热速率比较高，100/min的加热速率使试验仪器内部的温度迅速升高，所以加速了样品的蒸发。同时可以看出，乙醇（95%）曲线的斜率较汽油曲线斜率大，说明乙醇（95%）在此条件下比汽油更易蒸发。在2.1min左右，乙醇（95%）基本上蒸发完，而汽油的量在乙醇（95%）蒸发完全的时候还剩60%左右。2min到最后这段时间，乙醇已经蒸发完，而汽油继续蒸发，大约在2.75min左右蒸发完，由此对比可以明显发现，乙醇（95%）与93#汽油相比，在相同的氮气流量，以及100/min的加热速率情况下，乙醇（95%）蒸发要比汽油迅速的多。3.1.2 93#汽油和乙醇（95%）蒸发情况与坩埚温度的关系图3.2是一坩埚温度为X轴，未蒸发质量占总质量的百分比为Y轴，试验条件与图3.1一样，也就相当于从另一个角度分析93#汽油和乙醇（95%）的蒸发情况。从图中可以看出，两条曲线在前60的斜率较60至130这区间的斜率小，说明，两种样品在一开始温度较低时，蒸发缓慢，随着温度的不断升高，样品蒸发的速度也越来越快。同是可以看出，乙醇（95%）的蒸发速度一直比93#汽油的快，在150左右，乙醇（95%）差不多已经蒸发完全，93#汽油在此温度下大约还剩20%的量，汽油继续蒸发，蒸发过程持续到180左右，汽油也基本上蒸发完全。由此可以看出，所以在相同条件下，乙醇（95%）更易蒸发，所需的最高蒸发温度也更小。3.2 含水乙醇汽油E10W的蒸发特性分析图3.3 初始质量不同的E10W的蒸发情况与加热时间的关系图3.4 初始质量不同的E10W的蒸发情况与坩埚温度的关系 目前，按照我国的国家标准，所投入使用的乙醇汽油是用90%的普通汽油与10%的燃料乙醇调和而成。所以，本文的试验也是以这个比例为基准，重点分析乙醇（95%）的含量为10%的E10W在不同变量条件下的蒸发特性。3.2.1 初始质量不同的E10W的蒸发情况与加热时间的关系图3.3所示为初始质量不同的E10W的未蒸发质量所占的比例与加热时间的关系，试验样品是按照上面的配方配制出来的乙醇（95%）含量为10%的含水乙醇汽油。该组对比试验分别是初始质量为10mg、20mg、30mg的E10W在相同的条件下进行的蒸发试验，每组试验在开始进行之前，设置加热速率为100/min，氮气流量为20ml/min，待电脑上显示仪器内部温度为20时，开始进行试验。为了试验结果的准确性，每组初始质量不同含水乙醇都做了三次蒸发试验，最后选出最好的一组试验用来做对比试验，得出图3.3、图3.4的对比结果。由图3.3可以看出三组试验一开始蒸发较缓慢，到0.75min左右，开始急剧蒸发。同时我们可以看出来，质量最少10mg一组蒸发得最快，大概2.05min左右就蒸发完了，其次是20mg，大约2.15min左右蒸发完全，最后是30mg，2.25min左右完全蒸发。这组试验说明，在其他条件相同的情况下，初始质量越少的含水乙醇汽油，蒸发所需要的时间越短。3.2.2 初始质量不同的E10W的蒸发情况与坩埚温度的关系图3.4显示的是与图3.3一样的试验条件下，初始质量不同的E10W的未蒸发质量所占得比例与坩埚温度的关系。从图3.4可以分析出来，在大体趋势和形状上3种初始质量不同的E10W的未蒸发质量比例与坩埚温度关系的图像基本相似，开始加热时，已蒸发质量变化速度较慢，随着温度的升高，已蒸发质量不断增加，且蒸发速率也有所增加，当已蒸发质量比例达到90%左右时，质量变化随温度变化不再十分明显，此时的蒸发速率也较缓慢。同时可以看出来，初始质量为10mg的E10W在大约160左右最先蒸发完全，其次，初始质量为20mg的E10W在175左右蒸发完全，最后，初始质量为30mg的E10W在185左右完全蒸发。可以看出尽管三组初始质量不同的试验所需的完全蒸发的最高温度相差不大，但是初始质量的不同依然对含水乙醇汽油有一定的影响。3.2.3 氮气流量不同的E10W的蒸发情况与加热时间的关系图3.5 氮气流量不同的E10W的蒸发情况与加热时间的关系图3.6 氮气流量不同的E10W的蒸发情况与坩埚温度的关系如图3.5所示为含水乙醇汽油E10W在不同氮气流量下的未蒸发质量所占得比例与加热时间的关系。三组试验条件都是加热速率为100/min，20的初始温度，以及30mg的初始质量，分别在氮气流量为0ml/min、10ml/min、20ml/min三种环境下进行试验。由图3.5可以看出，三组试验都在试验刚开始一小会时，便以很大的蒸发速率蒸发。氮气流量为20ml/min这组试验蒸发得最快，在2min左右，试验样品的大部分已经完全蒸发；而氮气流量为10ml/min的这一组试验蒸发较第一组慢，在大约2.5min时才差不多完全蒸发；氮气流量为0ml/min的这组试验，蒸发速率最低，所需的蒸发时间比前两组长，在大约2.75min左右样品才差不多完全蒸发。由此可以看出，在其他条件相同的情况下，氮气对含水乙醇汽油的蒸发有一定的影响，有氮气保护时，蒸发所需的时间短于无氮气保护的试验，而且，随着氮气的流量增大，更是减少了含水乙醇汽油蒸发所需要的时间。3.2.4 氮气流量不同的E10W的蒸发情况与坩埚温度的关系图3.6是含水乙醇汽油E10W在不同氮气流量下的未蒸发质量所占得比例与坩埚温度的关系，试验条件跟图3.5一致。由图可以看出，氮气流量为0ml/min一组完全蒸发所需的最高温度为110左右，正是因为完全蒸发的温度低，所以所需的时间就相对较长，这也相当于从另一个方面验证了图3.5的结论。而氮气流量分别为10ml/min和20ml/min这两组试验的未蒸发质量占总质量的百分比与坩埚温度的关系曲线相近，氮气流量为10ml/min的这一组完全蒸发所需的最高温度为170左右，而氮气流量为20ml/min的这一组完全蒸发所需的最高温度大约195。这就说明了，在没有氮气保护的情况下，含水乙醇汽油完全蒸发所需的最高温度低，所以完全蒸发时间长，随着氮气流量的增加，样品完全蒸发所需的最高温度也在增加，完全蒸发的时间也缩短了。3.2.5 加热速率不同的E10W的蒸发情况与加热时间的关系图3.7 加热速率不同的E10W的蒸发情况与加热时间的关系图3.8 加热速率不同的E10W的蒸发情况与坩埚温度的关系图3.7所示为含水乙醇汽油E10W在不同的加热速率条件下的未蒸发质量所占的比例与加热时间的关系。在三组试验开始前，设定氮气流量为20ml/min、初始温度为20，都向坩埚中注入30mg的E10W样品，然后分别在加热速率为10/min、50/min、100/min的条件下进行试验。由图3.7可以看出，加热速率为10/min的这组试验，蒸发所需的时间最长，完全蒸发所需的时间超过了10min，加热速率50/min时完全蒸发的时间为3min左右，加热速率为100/min时完全蒸发试样只需要大约2min。10/min的加热速率情况下，完全蒸发试样所需时间与其他两种加热速率所需时间差距很大，而当加热速率为50/min和100/min时，达到相同蒸发比例所需时间不会受加热速率的太大影响。从这张图上可以发现，样品蒸发的质量比例相同时，随着加热速率的增大，所需的加热时间就会缩短。3.2.6 加热速率不同的E10W的蒸发情况与坩埚温度的关系图3.8以坩埚温度为X轴，未蒸发质量占总质量的百分比为Y轴，试验条件和试验过程与图3.7完全一样。从图中可以看出，因为加热速率的不同，导致了含水乙醇汽油E10W完全蒸发所需的最高温度相差很大。当加热速率为10/min时，因为温度升高得很慢，含水乙醇汽油又极易蒸发，所以还未等温度很高时，样品就蒸发得差不多了。从图中可以看出，样品蒸发所需的最高温度大约为110，正因为温度不高，所以样品蒸发所需的时间就长，正好验证了图3.7加热速率为10/min时蒸发时间超过10min。当加热速率升高至50/min时，蒸发所需的最高温度升高到160，当加热速率继续升高至100/min时，样品完全蒸发所需的最高温度变成了大约200。由此可以得出结论，含水乙醇汽油完全蒸发所需的最高温度跟加热速率成正比，完全蒸发所需的时间跟加热速率成反比。3.3三种配方的含水乙醇汽油的对比分析图3.9 93#、E10W、E20W、E30W的蒸发情况与加热时间的关系图3.10 93#、E10W、E20W、E30W的蒸发情况与坩埚温度的关系3.3.1 不同燃料的蒸发情况与加热时间的关系图3.9所示为93#、E10W、E20W、E30W在氮气流量为20ml/min，加热速率为100/min时，样品未蒸发的质量占总质量的百分比与加热时间的关系。由图可以看出，四种样品在一开始的0至1min之间的时间里蒸发的质量都不大，蒸发的质量占总质量的百分比并没有太大区别。1min之后，四种样品的蒸发速率都大幅度增加，同时，三种配方的含水乙醇汽油蒸发都快于93#汽油，蒸发最快的是E30W，其次是E20W，而E10W相比另外两种含水乙醇汽油，蒸发得稍慢一些。这说明了在此相同的加热速率，相同的氮气流量下，含水乙醇汽油的蒸发性要好于纯93#汽油，同时，随着乙醇（95%）含量的增加，含水乙醇汽油就更容易蒸发。3.3.2 不同燃料的蒸发情况与坩埚温度的关系图3.10是在20mL/min的氮气流量，加热速率为100/min的情况下，93#汽油、E10W、E20W、E30W的未蒸发质量占总质量的比例与坩埚温度关系的图像。由图像可以看出汽油在各个时刻的蒸发比例都要小于三种含水乙醇汽油，三种配方的含水乙醇汽油的样品大部分基本上都是在160左右蒸发完全，而93#汽油则是在180左右蒸发完全。同时可以看出，三种含水乙醇汽油蒸发速率快慢依次是E30W、E20W、E10W，这也验证了图3.9的结论，含水乙醇汽油蒸发较纯93#汽油更迅速，而且，随着乙醇（95%）含量的增加，含水乙醇汽油的增发加剧。3.4结论在相同的加热速率和氮气流量的环境下，乙醇（95%）的蒸发要快于汽油，并且先于汽油完全蒸发。同时乙醇（95%）与汽油混合之后的含水乙醇汽油比纯93#汽油更容易蒸发。对于E10W而言，在其他试验条件相同的情况下，初始质量越少的样品，所需的完全蒸发时间就越短，但是所需的最高蒸发温度相差不大；在其他试验条件相同的情况下，随着氮气的流量增大，所需的最高蒸发温度提高，同时减少了E10W完全蒸发所需要的时间；在其他试验条件相同的情况下，随着加热速率的增加，完全蒸发所需的时间也会减少，所需的最高蒸发温度增加。含水乙醇汽油中乙醇（95%）的含量会影响混合物的蒸发，含水乙醇汽油比纯93#汽油更易蒸发，并且随着乙醇（95%）含量的升高会使含水乙醇汽油更容易蒸发。但是在蒸发的初始阶段和结束阶段，含水乙醇汽油的蒸发很缓慢，此时乙醇（95%）含量的影响不大。3.5 结束语尽管乙醇的热值比汽油低得多，但乙醇中含氧量大，所以需要的理论空气量不到汽油的一半，因此两者的混