Yağ/su emulsiyalaşdırılması ilə NOx-in azaldılması

Azot oksidlərinin (NO_x) insan sağlamlığı və ətraf mühit üçün birbaşa təhlükəli olduğu məlumdur. Mobil və stasionar dizel və benzin mühərrikləri dünya üzrə NO_x emissiyalarına böyük töhfə verir. Yanacağın su ilə emulsiyalaşdırılması mühərriklərin NO_x emissiyalarını azaltmaq üsullarından biridir. Ultrasəslə emulsiyalaşdırma kiçik damcı ölçülü yanacaq/su emulsiyaları yaratmaq üçün effektiv vasitədir.

Minik və yük avtomobilləri, təyyarələr, elektrik generatorları, avtoyükləyicilər, kondisioner qurğuları və qazanlar neft məhsullarının yanması nəticəsində böyük miqdarda bərk hissəciklər (PM) və NO_x əmələ gətirir. NO_x azot monoksid (NO) və azot dioksid (NO₂), eləcə də N₂O, NO₃, N₂O₄ və N₂O₅ qarışıqlarını bildirir. Azot monoksid və azot dioksid yer səthinə yaxın ozonun və smoqun yaranmasına töhfə verir və ətraf mühit və insanlar üçün təhlükəlidir. Ətraf mühitin mühafizəsinə dair normativ tələblər havanı çirkləndirən maddələrin emissiyalarını hədləri sərtləşdirməklə tənzimləyir. Yanacaqdakı kükürd birləşmələri nəticəsində mühərrik emissiyalarına kükürd dioksid (SO₂) də daxildir. Bu problem hidrodesulfurizasiya və ya ultrasəsin köməyi ilə kükürdsüzləşdirmə vasitəsilə azaldılır.

Yanacaq/su emulsiyası ilə işləmə

Son illərdə suyun NO_x emissiya səviyyələrinə təsiri ilə bağlı çoxlu tədqiqat aparılmışdır. Yanma xüsusiyyətlərini müəyyənləşdirmək üçün 1:1-dən 19:1-ə qədər müxtəlif yanacaq:su həcm nisbətləri sınaqdan keçirilmişdir. Əksər hallarda emulsiyanı sabitləşdirmək üçün həcm üzrə 1–2 faiz səthi-aktiv maddə əlavə edilmişdir.

Yanma haqqında ümumi məlumat

Yanacağın yanması istilik və mexaniki enerji yaradır. Mexaniki enerji hissəsindən hərəkəti təmin etmək və ya elektrik enerjisi istehsal etmək üçün porşenləri və ya turbinləri hərəkətə gətirmək məqsədilə istifadə edilə bilər. Əksər mühərriklərdə istilik enerjisindən istifadə olunmur. Bu, termodinamik səmərəliliyin daha aşağı olmasına səbəb olur.

Təxminən 90% göstəricisi yanacağın yanma prosesi nəticəsində yaranan NO_x-in tərkibindəki NO-nun payını ifadə edir. NO əsasən atmosfer azotunun (N₂) oksidləşməsi nəticəsində əmələ gəlir. Yanacağa əlavə edilən su buxarlanaraq yanma temperaturunu aşağı salır. Yanacaq-su emulsiyasındakı su buxarlandıqda ətrafındakı yanacaq da buxarlanır. Bu, yanacağın səth sahəsini artırır. Daha aşağı temperatur və yanacağın daha yaxşı paylanması NO_{x əmələ gəlməsini azaldır}.

Ultrasəslə emulsiyalaşdırma

Bir çox tədqiqat yanacağın yanma prosesinə suyun daxil edilməsinin NO_x emissiyalarını azaltdığını göstərmişdir. Su iki üsulla yanacaq/su emulsiyası yaradılaraq əlavə edilə bilər:

• sabitləşdirilməmiş: püskürtmədən əvvəl suyun yanacağa axın xəttində emulsiyalaşdırılması
• sabitləşdirilmiş: mühərrikdə dəyişiklik tələb etmədən alternativ yanacaq kimi istifadə ediləcək sabit yanacaq/su emulsiyasının istehsalı

Canfield (1999) su və digər əlavələrdən istifadə nəticəsində NO_x-in azalmasını belə ümumiləşdirir:

• sabitləşdirilməmiş emulsiya
  • əlavə edilən su, həcm%: 10–80%
  • NO_x-in azalması: 4–60%
• sabitləşdirilmiş emulsiya
  • əlavə edilən su, həcm%: 25–50%
  • NO_x-in azalması: 22–83%

Emulsiya

Emulsiya adətən bir-biri ilə qarışmayan mayelərin (fazaların), məsələn, yağ və suyun qarışığıdır. Emulsiyalaşdırma prosesində dispers faza (məsələn, su) maye fazaya (məsələn, yağa) daxil edilir. Yüksək kəsilmə qüvvələrinin tətbiqi ilə dispers fazanın hissəcik ölçüsü (= damcı ölçüsü) azaldılır. Hissəcik ölçüsü nə qədər kiçik olarsa, yaranan emulsiya bir o qədər sabit olar. Səthi-aktiv maddələr və ya stabilizatorlar əlavə etməklə əlavə sabitlik əldə edilə bilər. Yuxarıdakı qrafikə klikləyin və mühərrik yağında (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburq, Almaniya) 10% suyun ultrasəslə emulsiyalaşdırılmasına dair nümunə nəticələrə baxın. Bu tədqiqatı Behrend və Schubert (2000) aparmışdır.

Ultrasəs

Mayelərə yüksək intensivlikli ultrasəslə təsir edildikdə maye mühitdə yayılan səs dalğaları tezlikdən asılı sürətlə növbələşən yüksək təzyiq (sıxılma) və aşağı təzyiq (seyrəkləşmə) dövrləri yaradır. Aşağı təzyiq dövründə yüksək intensivlikli ultrasəs dalğaları mayedə kiçik vakuum qabarcıqları və ya boşluqlar yaradır. Qabarcıqlar artıq enerji uda bilməyəcəkləri həcmə çatdıqda yüksək təzyiq dövründə şiddətlə çökürlər. Bu hadisə kavitasiya adlanır. İmplozya zamanı lokal olaraq çox yüksək temperaturlar (təxminən 5.000K) və təzyiqlər (təxminən 2.000atm) yaranır. Kavitasiya qabarcığının implozyası həmçinin sürəti 280m/s-ə qədər olan maye şırnaqları yaradır.

Ultrasəsin yağda su (w/o) və suda yağ (o/w) şəklində çox homogen emulsiyalar yaratdığı sübut edilmişdir; bu, yüksək kavitasiya mənşəli kəsilmə qüvvələri hesabına baş verir. Ultrasəs emalının parametrləri yaxşı idarə oluna bildiyindən hissəcik ölçüsünü və paylanmasını dəqiq tənzimləmək və təkrarlamaq mümkündür. Adətən ultrasəs axın hüceyrəli reaktorda tətbiq olunur. Buna görə emulsiya axın xəttində fasiləsiz hazırlana bilər. Bu səbəbdən ultrasəs emalından sabitləşdirilmiş və sabitləşdirilməmiş emulsiyaların hazırlanması üçün istifadə edilə bilər.

Aşağıdakı cədvəldə müxtəlif ultrasəs güc səviyyələri üçün ümumi emal məhsuldarlığı göstərilir.

Ultrasəslə qazsızlaşdırma və köpüksüzləşdirmə

Ultrasəs həmçinin emulsiya qarışığındakı hava qabarcıqlarının miqdarını azaltmağa kömək edir. Sağdakı şəkil ultrasəs emalının qabarcıq miqdarına təsirini göstərir (soldan sağa doğru 5 saniyəlik irəliləyiş təsvirləri). Qabarcıq miqdarındakı dəyişikliklər püskürtmə vaxtında dəyişkənliyə səbəb olduğundan ultrasəslə qazsızlaşdırma, havasızlaşdırma və köpüksüzləşdirmə mühərrikin işini yaxşılaşdırır.

Ultrasəs texnoloji avadanlığı

Hielscher yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs cihazlarının aparıcı təchizatçısıdır və dünya miqyasında fəaliyyət göstərir. Hielscher hər bir cihazının gücü 16kW-a qədər olan ultrasəs prosessorları istehsal etdiyindən, qurğunun ölçüsünə və ya emal məhsuldarlığına heç bir məhdudiyyət yoxdur. Bir neçə 16kW sistemdən ibarət qruplar mühərrikdə dəyişiklik tələb etmədən istifadə edilən yanacaqların böyük həcmdə istehsalı üçün tətbiq olunur. Yanacağın sənaye miqyasında emalı çox ultrasəs enerjisi tələb etmir. Faktiki enerji tələbatı masaüstü miqyasda 1kW ultrasəs prosessorundan istifadə etməklə müəyyən edilə bilər. Belə masaüstü sınaqların bütün nəticələrini asanlıqla daha böyük miqyasa tətbiq etmək mümkündür.

Ultrasəs emalının xərcləri

Ultrasəs emalı effektiv emal texnologiyasıdır. Ultrasəs emalı xərcləri əsasən ultrasəs cihazlarına qoyulan investisiyadan, kommunal xidmət xərclərindən və texniki xidmətdən ibarətdir. Yüksək enerji səmərəliliyi (bax: qrafik) Hielscher ultrasəs cihazlarına xasdır və kommunal xidmət xərclərini azaltmağa kömək edir.

Ədəbiyyat

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Fasiləsiz fazanın özlülüyünün ultrasəslə emulsiyalaşdırmaya təsiri, nəşr: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): Dizel-su emulsiyasının yanmasının dizel mühərrikinin NO_x emissiyalarına təsiri, nəşr: Florida Universitetinin magistratura və doktorantura məktəbinə təqdim edilmiş magistr dissertasiyası, 1999.