Ултразвукови емулсии за изгаряне вода в дизел

Генераторите, корабните двигатели и железопътните двигатели, които се захранват с дизел, могат да работят по-ефективно, когато се използват емулсии вода в дизел. Водно-дизеловите емулсионни горива намаляват разхода на гориво, понижават температурата на горене, изгарят по-чисто и намаляват емисиите, като NOx и сажди. Ултразвуковата емулгификация е надежден, прост и ефикасен метод за производство на висококачествени горива вода в дизел.

Ултразвукова емулгиране на вода в дизел

Емулсии вода в дизел (WiDE; W/D емулсионно гориво) са модифицирана алтернатива на дизеловото гориво, която съдържа до 15% вода. Известно още като водно-гориво, във водно-дизеловите емулсии водните капчици се емулгират ултразвуково в непрекъсната дизелова фаза. Интензивното ултразвук на течности генерира акустична кавитация. Кавитационните сили на срязване разрушават капката и произвеждат хомогенна емулсия от иначе несмесващите се водни и дизелови фази.

Емулсия вода в дизел

WiDE (W/D емулсия) се определя като смес от естествено несмесващи се течности от водни капчици (дисперсна/вътрешна фаза) в дизел (непрекъсната/външна фаза). Добавя се емулгатор в ниски концентрации, за да се подобри стабилността на емулсиите и да се намали изискването за енергия на смесване.

двуфазна емулсия

Двуфазна емулсия описва сместа от вода в дизел без използване на повърхностно активно вещество. За двуфазен WiDE захранващите потоци за вода и дизел са ултразвуково емулгирани точно пред двигателя. Ултразвуковата двуфазна емулсия вода в дизел преминава директно от ултразвуковия реактор с проточна клетка в двигателя с вътрешно горене. Без повърхностноактивно вещество емулсията не е направена за съхранение, а за директно изгаряне.

Казус с водно-дизелово емулсионно гориво

Настройката

Ithnin et al. (2018) изследва ефекта на емулсионното гориво вода в дизел (WiDE) върху едноцилиндров дизелов двигател с директно впръскване. Водата и дизелът се съхраняват в различни агрегати, от които се прехвърлят количествено в смесителна система. Смесителната система се състои от комбинация от смесител с високо срязване и ултразвуков хомогенизатор. Смесителят за срязване осигурява сурова предварителна смес от вода и дизел, докато ултразвукът е използван за фина, равномерна емулсия. Водно-дизеловата емулсия се приготвя с 5% вода. Хомогенното гориво WiDE се прехвърля директно от смесителната система в двигателя. Приготвеното гориво WiDE не съдържа никакви повърхностноактивни вещества, поради което се нарича дългосрочно нестабилно емулсионно гориво (UW/D). Дизеловият двигател е тестван при четири различни условия на натоварване (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) и с постоянна скорост от 3000 об / мин. За да се сравнят ефектите като горивни характеристики и емисии, на един и същ двигател са тествани и стабилизирано с повърхностноактивно вещество емулсионно гориво (стабилна емулсия (SW/D)) и чисто дизелово гориво (D2). 5% от водата се използва както за нестабилна емулсия, така и за стабилна емулсия.

Резултатите

Тестът на двигателя показва, че водно-дизеловото емулсионно гориво без повърхностно активно вещество (UW/D) води до значително подобрение на двигателя с 3,59% увеличение на термичната ефективност на спирачките (BTE) и 3,89% намаление на специфичния разход на гориво на спирачките (BSFC) в сравнение с чистото дизелово гориво. Емулсионните горива, както стабилизирани (SW/D), така и нестабилизирани (UW/D), увеличават топлинната ефективност на двигателя поради феномена микроексплозия. Феноменът микроексплозия причинява бързо изпаряване на емулгирани водни капчици. Тъй като малките водни капчици са заобиколени от масло, интензивният процес на изпаряване разрушава капчиците насилствено на много фини частици, което насърчава смесването на въздуха и горивото. Разрушаването на капчици и смесването с въздуха значително увеличава ефективността на горенето.
Резултатите показват, че концепцията за производство и прехвърляне на водно-дизелово емулсионно гориво в реално време в двигателя без използване на повърхностноактивно активно вещество работи много добре. Незабавното прехвърляне на ултразвуково приготвената водно-дизелова смес елиминира проблема със стабилизирането на съхраняваното емулсионно гориво, както и зависимостта от повърхностно активно вещество. Нестабилното водно-дизелово емулсионно гориво (UW/D) надеждно поддържа своята емулсионна форма, без да достига до етапа на утаяване в рамките на 25 секунди (вижте снимката по-долу).

Поведение на капчици на ултразвуково емулгирано емулсионно гориво в дизелово гориво с течение на времето а) 10 s, б) 25 s, в) 50 s и г) 132 s. (увеличение 1000×) – Ithnin et al. 2018

В сравнение с чистото дизелово гориво, емулсионното гориво вода в дизел има значително намалени емисии на отработени газове от азотни оксиди (NOx) и прахови частици (PM) със средно намаление съответно от 31,66% и 16,33%.

Като цяло, ултразвуково приготвени емулсии – независимо дали е нестабилен или стабилизиран от повърхностно активно вещество – помагат за пестене на дизелово гориво и намаляват емисиите на отработени газове.
По-екологични емисии на отработени газове и икономия на гориво с ултразвук!

Първично и вторично пулверизиране при пръскане на емулгирано гориво.

Емулсия с тройна фаза

Емулсията на тройната фаза, известна още като трифазна емулсия, се състои от вода, масло и повърхностноактивно вещество. По време на ултразвуковата емулгиране на водата в дизеловата фаза се добавя повърхностно активно вещество. Емулгиращият агент удължава стабилността на емулсията и позволява съхраняване на водата в дизеловото гориво. Стабилността на W/D емулсията зависи от емулгатора, параметрите на ултразвуковия процес и температурата. С правилната комбинация от параметри на повърхностноактивното вещество и ултразвука може да се постигне значителна дългосрочна стабилност на WiDE.

Инсталирането и преоборудването на ултразвукова емулгираща система е лесно, безопасно и евтино. Емулсионните горива могат да се използват в комбинация с всякакви конвенционални дизелови двигатели (напр. генератори, железопътни двигатели, корабни двигатели) без модификация.

Какво прави WiDE горивата по-ефективни? – Феноменът на микроексплозията

Емулсионните горива вода в дизел се състоят от суспендирани водни частици в непрекъсната дизелова фаза. При изгаряне водните капчици в емулсионното гориво достигат прегрятия си етап по-бързо от дизела и създават разпадане на разширението на парата (спонтанна експлозия) по време на горенето, създавайки много фини частици. Поради увеличената повърхност на малките частици, комбинирани с всмукания въздух, смесването на въздуха и горивото се подобрява значително и по този начин се увеличава ефективността на горенето. (Иванов, Неведов 1965)

Високоефективни ултразвукови емулгиращи системи

Hielscher Ultrasonics доставя високопроизводителни ултразвукови процесори за непрекъснато производство на висококачествени (нано)емулсии. Превъзходната ултразвукова производителност, здравината и малкият отпечатък правят ултразвуковите апарати Hielscher идеалната смесителна система за емулсионни горива вода в дизел. Независимо дали искате да произвеждате емулсионни горива за директно впръскване в двигател с вътрешно горене или стабилни емулсионни горива за съхранение и по-късно изгаряне, Hielscher Ultrasonics разполага с най-подходящата настройка за вашето приложение. От по-малки ултразвукови емулсионни системи за интегриране в железопътни локомотиви и вътрешни морски плавателни съдове до генериране на големи обеми водно гориво за електроцентрали и огромни морски плавателни съдове – Нашите клъстери от ултразвукови процесори позволяват обработка на емулсионно гориво с всякакъв обем.
Освен висока ултразвукова мощност, надеждност и здравина, Hielscher Ultrasonics’ Индустриалните ултразвукови процесори могат да бъдат прецизно контролирани и наблюдавани. Сензорите за температура и налягане предават данните към генератора, където всички важни параметри на процеса като амплитуда, нетна и обща енергия, температура и налягане се записват на вградена SD-карта. Интелигентното софтуерно управление позволява да се установят и зададат точни параметри на процеса за стандартизирано емулсионно гориво с непрекъснато високо качество. Ултразвуковият реактор с кожух може ефективно да се охлажда и да позволява да се обработва емулсията при определени температури. Здравината на нашето ултразвуково оборудване позволява 24/7 работа при тежки натоварвания и в взискателни среди.
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати: