مستحلبات بالموجات فوق الصوتية لاحتراق الماء في الديزل
يمكن تشغيل مولدات الطاقة ومحركات السفن ومحركات القطارات التي تعمل بالديزل بكفاءة أكبر عند استخدام مستحلبات الماء في الديزل. تقلل أنواع وقود مستحلب الماء والديزل من استهلاك الوقود، وتخفض درجة حرارة الاحتراق، وتحترق بصورة أنظف، وتقلل الانبعاثات مثل NOx والسخام. ويُعد الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية طريقة موثوقة وبسيطة وفعالة لإنتاج أنواع وقود عالية الجودة من الماء في الديزل.
استحلاب الماء في الديزل بالموجات فوق الصوتية
مستحلبات الماء في الديزل (WiDE؛ وقود مستحلب W/D) هي بديل معدّل لوقود الديزل يحتوي على ما يصل إلى 15% من الماء. وفي مستحلبات الماء والديزل، المعروفة أيضًا باسم الوقود المائي، تُستحلب قطرات الماء بالموجات فوق الصوتية داخل طور الديزل المستمر. وتولّد المعالجة المكثفة للسوائل بالموجات فوق الصوتية تجويفًا صوتيًا. وتفتت قوى القص الناتجة عن التجويف القطرات وتنتج مستحلبًا متجانسًا من طوري الماء والديزل اللذين لا يمتزجان في الظروف العادية.
مستحلب الماء في الديزل
يُعرَّف WiDE (مستحلب W/D) بأنه مزيج من سائلين غير قابلين للامتزاج بطبيعتهما، تتوزع فيه قطرات الماء (الطور المبعثر/الداخلي) في الديزل (الطور المستمر/الخارجي). وتُضاف مادة مستحلبة بتركيزات منخفضة لتحسين ثبات المستحلب وتقليل الطاقة اللازمة للخلط.
مستحلب ثنائي الطور
يصف المستحلب ثنائي الطور مزيج الماء في الديزل دون استخدام أي مادة خافضة للتوتر السطحي. ولإنتاج WiDE ثنائي الطور، يُستحلب تيارا تغذية الماء والديزل بالموجات فوق الصوتية مباشرة قبل دخولهما إلى المحرك. وينتقل مستحلب الماء في الديزل ثنائي الطور المُحضَّر بالموجات فوق الصوتية مباشرة من مفاعل خلية التدفق بالموجات فوق الصوتية إلى محرك الاحتراق. وفي غياب المادة الخافضة للتوتر السطحي، يُحضَّر المستحلب للاحتراق المباشر وليس للتخزين.
دراسة حالة لوقود مستحلب الماء والديزل
التجهيز
درس Ithnin وآخرون (2018) تأثير وقود مستحلب الماء في الديزل (WiDE) على محرك ديزل أحادي الأسطوانة ذي حقن مباشر. وخُزّن الماء والديزل في وحدات منفصلة، نُقلا منها كميًا إلى نظام خلط. وتكوّن نظام الخلط من مزيج من خلاط عالي القص ومجانس بالموجات فوق الصوتية. وأنتج خلاط القص مزيجًا أوليًا خشنًا من الماء والديزل، بينما استُخدمت المعالجة بالموجات فوق الصوتية للحصول على مستحلب متجانس ذي قطرات دقيقة. وحُضّر مستحلب الماء والديزل بنسبة ماء تبلغ 5%. ونُقل وقود WiDE المتجانس مباشرة من نظام الخلط إلى المحرك. ولم يحتوِ وقود WiDE المُحضَّر على أي مواد خافضة للتوتر السطحي، ولذلك سُمّي وقود مستحلب غير مستقر على المدى الطويل (UW/D). واختُبر محرك الديزل تحت أربعة أحمال مختلفة (1 kW (25%)، 2 kW (50%)، 3 kW (74%)، 4 kW (100%)) وبسرعة ثابتة تبلغ 3000 rpm. ولمقارنة التأثيرات مثل أداء الوقود والانبعاثات، اختُبر أيضًا على المحرك نفسه وقود مستحلب مُثبَّت بمادة خافضة للتوتر السطحي (مستحلب مستقر (SW/D)) ووقود ديزل خالص (D2). واستُخدمت نسبة ماء تبلغ 5% لكل من المستحلب غير المستقر والمستحلب المستقر.
النتائج
يُظهر اختبار المحرك أن وقود مستحلب الماء والديزل الخالي من المواد الخافضة للتوتر السطحي (UW/D) يؤدي إلى تحسن ملحوظ في أداء المحرك، مع زيادة الكفاءة الحرارية الفرملية (BTE) بنسبة 3.59% وانخفاض الاستهلاك النوعي الفرْملي للوقود (BSFC) بنسبة 3.89% مقارنة بوقود الديزل الخالص. وقد زادت أنواع وقود المستحلب، سواء المُثبَّتة (SW/D) أو غير المُثبَّتة (UW/D)، من الكفاءة الحرارية للمحرك بسبب ظاهرة الانفجار المجهري. وتتسبب هذه الظاهرة في تبخر سريع لقطرات الماء المستحلبة. ونظرًا إلى أن قطرات الماء الدقيقة محاطة بالزيت، فإن عملية التبخر المكثف تفتت القطرات بعنف إلى جسيمات بالغة الدقة، مما يعزز اختلاط الهواء والوقود. ويؤدي تفتيت القطرات واختلاطها بالهواء إلى زيادة كفاءة الاحتراق بدرجة ملحوظة.
تُظهر النتائج أن مفهوم إنتاج وقود مستحلب الماء والديزل ونقله إلى المحرك في الوقت الفعلي دون استخدام مادة خافضة للتوتر السطحي يعمل بكفاءة عالية جدًا. ويزيل النقل الفوري لمزيج الماء والديزل المُحضَّر بالموجات فوق الصوتية مشكلة تثبيت وقود المستحلب المخزّن، وكذلك الاعتماد على المواد الخافضة للتوتر السطحي. وحافظ وقود مستحلب الماء والديزل غير المستقر (UW/D) بصورة موثوقة على شكله المستحلب دون بلوغ مرحلة الترسيب خلال 25sec (انظر الصورة أدناه).
سلوك قطرات وقود مستحلب الماء في الديزل المُستحلب بالموجات فوق الصوتية بمرور الوقت: a) 10 s، b) 25 s، c) 50 s، وd) 132 s. (تكبير 1000×) – Ithnin وآخرون 2018
مقارنة بوقود الديزل الخالص، تنخفض انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NOx) والجسيمات العالقة (PM) في عادم وقود مستحلب الماء في الديزل بدرجة ملحوظة، بمتوسط انخفاض يبلغ 31.66% و16.33% على التوالي.
وبوجه عام، تساعد المستحلبات المُحضَّرة بالموجات فوق الصوتية – سواء كانت غير مستقرة أو مُثبَّتة بمواد خافضة للتوتر السطحي – على توفير وقود الديزل وتقليل انبعاثات العادم.
انبعاثات عادم أكثر مراعاة للبيئة وتوفير في الوقود باستخدام الموجات فوق الصوتية!
التذرية الأولية والثانوية في لهب رذاذ الوقود المستحلب.
نظام استحلاب بالموجات فوق الصوتية يستخدم 3x UIP1000hdT لمستحلبات الماء في الديزل
من أجل:
- قاطرات السكك الحديدية
- السفن البحرية
- مولدات الطاقة الثابتة
مستحلب ثلاثي الطور
يتكوّن المستحلب ثلاثي الطور، المعروف أيضًا باسم المستحلب ذي الأطوار الثلاثة، من الماء والزيت ومادة خافضة للتوتر السطحي. وتُضاف المادة الخافضة للتوتر السطحي أثناء استحلاب الماء بالموجات فوق الصوتية داخل طور الديزل. وتطيل المادة المستحلبة مدة ثبات المستحلب وتتيح تخزين وقود الماء في الديزل. ويعتمد ثبات مستحلب W/D على المادة المستحلبة ومعلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية ودرجة الحرارة. وباستخدام المزيج المناسب من المادة الخافضة للتوتر السطحي ومعلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية، يمكن تحقيق ثبات ملحوظ طويل الأمد لمستحلب WiDE.
يتميز تركيب نظام استحلاب بالموجات فوق الصوتية ودمجه في المعدات القائمة بالبساطة والأمان وانخفاض التكلفة. ويمكن استخدام أنواع وقود مستحلب W/D مع أي محركات ديزل تقليدية (مثل مولدات الطاقة ومحركات القطارات ومحركات السفن) دون تعديل.
- مستحلب ذو قطرات دقيقة
- محتوى مائي قابل للتغيير
- مع مادة خافضة للتوتر السطحي أو دونها
- وقت معالجة قصير
- سهولة التركيب
- أمان التشغيل
- استثمار منخفض وعائد سريع على الاستثمار
- متطلبات صيانة منخفضة
- سهولة الدمج في المعدات القائمة
- دون تعديلات على المحرك
ما الذي يجعل أنواع وقود WiDE أكثر كفاءة؟ – ظاهرة الانفجار المجهري
تتكوّن أنواع وقود مستحلب الماء في الديزل من جسيمات ماء معلّقة في طور ديزل مستمر. وعند الاحتراق، تصل قطرات الماء الدقيقة في وقود المستحلب إلى حالة التسخين الفائق أسرع من الديزل، وتتعرض للتفتت بفعل تمدد البخار (انفجار تلقائي) أثناء الاحتراق، مما ينتج جسيمات بالغة الدقة. وبفضل زيادة مساحة سطح هذه الجسيمات الدقيقة عند امتزاجها بهواء السحب، يتحسن اختلاط الهواء والوقود بدرجة ملحوظة، مما يزيد كفاءة الاحتراق. (Ivanov, Nevedov 1965)
أنظمة استحلاب عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية
توفر Hielscher Ultrasonics أجهزة معالجة عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية للإنتاج المستمر لمستحلبات عالية الجودة، بما فيها المستحلبات النانوية. ويجعل الأداء المتفوق للموجات فوق الصوتية والمتانة وصغر المساحة المطلوبة أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher نظام الخلط المثالي لأنواع وقود مستحلب الماء في الديزل. وسواء كنت ترغب في إنتاج أنواع وقود مستحلبة للحقن المباشر في محرك احتراق أو أنواع وقود مستحلبة مستقرة للتخزين والاحتراق لاحقًا، فإن Hielscher Ultrasonics توفر التجهيز الأنسب لتطبيقك. فمن أنظمة الاستحلاب الأصغر بالموجات فوق الصوتية التي تُدمج في قاطرات السكك الحديدية وسفن الملاحة الداخلية إلى إنتاج أحجام كبيرة من الوقود المائي لمحطات الطاقة والسفن البحرية الضخمة – تتيح مجموعات أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا معالجة أي حجم من وقود المستحلب.
وإلى جانب القدرة العالية للموجات فوق الصوتية والموثوقية والمتانة، يمكن التحكم بدقة في أجهزة المعالجة الصناعية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher Ultrasonics ومراقبتها. وتنقل مستشعرات درجة الحرارة والضغط البيانات إلى المولّد، حيث تُسجَّل جميع معلمات العملية المهمة، مثل سعة الاهتزاز والطاقة الصافية والإجمالية ودرجة الحرارة والضغط، على بطاقة SD مدمجة. ويتيح التحكم البرمجي الذكي تحديد معلمات العملية الدقيقة وضبطها لإنتاج وقود مستحلب موحّد المواصفات يتمتع باستمرار بجودة عالية. ويمكن تبريد مفاعل التدفق بالموجات فوق الصوتية المزود بغلاف تبريد بكفاءة، مما يتيح معالجة المستحلب عند درجات حرارة محددة. وتتيح متانة معدات الموجات فوق الصوتية لدينا التشغيل على مدار 24/7 في ظروف العمل الشاق والبيئات الصعبة.
يقدم الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا:
| معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|
| 0.5 إلى 4L/min | UP200Ht, UP400St |
| 1 إلى 8L/min | UIP2000hdT |
| 2 إلى 20L/min | UIP4000hdT |
| 30 إلى 300L/min | UIP16000 |
| أكبر | مجموعة من UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
مجانسات عالية القدرة بالموجات فوق الصوتية من النطاق المختبري إلى النطاق التجريبي و النطاق الصناعي.
المصادر والمراجع
- Ahmad Muhsin Ithnin; Wira Jazair Yahya; Mohamad Azrin Ahmad; Nur Atiqah Ramlan; Hassanuddin Abdul Kadir; Nor Azwadi Che Sidik; Tsuyoshi Koga (2018): وقود مستحلب الماء في الديزل الخالي من المواد المستحلبة: سلوك ثباته وأداء المحرك وانبعاثات العادم. Fuel 215, 2018. 454–462.
- Mohammed Yahaya Khan; Z. A. Abdul Karim; Ftwi Yohaness Hagos; A. Rashid A. Aziz; Isa M. Tan (2014): الاتجاهات الحالية في استخدام مستحلب الماء في الديزل وقودًا. The Scientific World Journal 2014(17):527,472.
- Piotr Pacholski; Mariola Błaszczyk; Jerzy Sęk (2016): الديزل المستحلب بوصفه وقودًا بديلًا. Technical Issues 4/2016 ص. 62–67.
- V.M. Ivanov; P.I. Nefedov (1965): دراسة تجريبية لعملية احتراق أنواع الوقود السائل الطبيعية والمستحلبة، NASA Tech. Transl. TIF-258, 1965.
حقائق جديرة بالمعرفة
أنواع الوقود المائي / أنواع وقود الماء في الديزل
المستحلب نظام سائل يتكوّن من مائعين أو أكثر غير قابلين للامتزاج، حيث يتبعثر طور واحد أو أكثر (الطور المبعثر) بصورة دقيقة في الطور الآخر (الطور المستمر). وفي مستحلبات الماء ووقود الديزل، يتبعثر الماء على هيئة قطرات دقيقة في طور وقود الديزل المستمر. ويُعرف هذا النوع من المستحلبات باسم مستحلب «الماء في الوقود» أو الوقود المائي.