Ултразвукови емулсии за изгаряне на вода в дизелово гориво

Електрогенераторите, корабните двигатели и железопътните двигатели, които работят с дизелово гориво, могат да работят по-ефективно при използване на емулсии вода в дизелово гориво. Водно-дизеловите емулсионни горива намаляват разхода на гориво, понижават температурата на горене, изгарят по-чисто и намаляват емисиите, като NOx и сажди. Ултразвуковото емулгиране е надежден, прост и ефикасен метод за производство на висококачествени горива с вода в дизелово гориво.

Ултразвуково емулгиране на вода в дизелово гориво

Емулсиите вода в дизелово гориво (WiDE; емулсионно гориво W/D) са модифицирана алтернатива на дизеловото гориво, която съдържа до 15% вода. При водно-дизеловите емулсии, известни също като аквагориво, водните капчици се емулгират ултразвуково в непрекъснатата дизелова фаза. Интензивната ултразвукова обработка на течности генерира акустична кавитация. Кавитационните сили на срязване раздробяват капчиците и образуват хомогенна емулсия от иначе несмесващите се водна и дизелова фаза.

Емулсия вода в дизелово гориво

WiDE (емулсия W/D) се определя като смес от естествено несмесващите се течности, при която водни капчици (дисперсна/вътрешна фаза) са разпределени в дизелово гориво (непрекъсната/външна фаза). Добавя се емулгатор в ниски концентрации, за да се подобри стабилността на емулсията и да се намали необходимата енергия за смесване.

Двуфазна емулсия

Двуфазната емулсия представлява смес от вода в дизелово гориво без използване на каквото и да е повърхностноактивно вещество. За получаване на двуфазна WiDE подаваните потоци вода и дизелово гориво се емулгират ултразвуково непосредствено преди двигателя. Получената чрез ултразвук двуфазна емулсия вода в дизелово гориво постъпва директно от ултразвуковия реактор с проточна клетка в двигателя с вътрешно горене. Без повърхностноактивно вещество емулсията е предназначена за директно изгаряне, а не за съхранение.

Изследване на водно-дизелово емулсионно гориво

Експерименталната постановка

Ithnin et al. (2018) изследват въздействието на емулсионно гориво вода в дизелово гориво (WiDE) върху едноцилиндров дизелов двигател с директно впръскване. Водата и дизеловото гориво се съхраняват в отделни съдове, от които се прехвърлят количествено в смесителна система. Смесителната система се състои от комбинация от смесител с високо срязване и ултразвуков хомогенизатор. Смесителят със срязване осигурява грубо предварително смесване на водата и дизеловото гориво, а ултразвуковата обработка се използва за получаване на фино диспергирана, еднородна 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 повърхностноактивни вещества и затова се обозначава като емулсионно гориво, нестабилно в дългосрочен план (UW/D). Дизеловият двигател е изпитан при четири различни режима на натоварване (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) и при постоянна честота на въртене от 3000 rpm. За сравняване на ефекти като работните характеристики на горивото и емисиите на същия двигател са изпитани и емулсионно гориво, стабилизирано с повърхностноактивно вещество (стабилна емулсия (SW/D)), и чисто дизелово гориво (D2). Както за нестабилната, така и за стабилната емулсия се използват 5% вода.

Резултатите

Изпитването на двигателя показва, че водно-дизеловото емулсионно гориво без повърхностноактивно вещество (UW/D) води до значително подобрение в работата на двигателя с 3,59% увеличение на ефективния термичен КПД (BTE) и 3,89% намаление на ефективния специфичен разход на гориво (BSFC) спрямо чистото дизелово гориво. Емулсионните горива, както стабилизираните (SW/D), така и нестабилизираните (UW/D), повишават термичния КПД на двигателя поради явлението микроексплозия. Явлението микроексплозия причинява бързо изпаряване на емулгираните водни капчици. Тъй като миниатюрните водни капчици са заобиколени от масло, интензивният процес на изпаряване рязко раздробява капчиците на много фини частици, което подпомага смесването на въздуха и горивото. Раздробяването на капчиците и смесването с въздуха значително повишават ефективността на горенето.
Резултатите показват, че концепцията за производство и подаване на водно-дизеловото емулсионно гориво в реално време към двигателя без използване на повърхностноактивно вещество работи много добре. Незабавното подаване на ултразвуково приготвената водно-дизелова смес елиминира проблема със стабилизирането на съхраняваното емулсионно гориво, както и зависимостта от повърхностноактивно вещество. Нестабилното водно-дизелово емулсионно гориво (UW/D) надеждно запазва емулсионната си форма, без да достига до етап на седиментация в рамките на 25sec (вижте изображението по-долу).

Поведение на капчиците в ултразвуково емулгирано гориво вода в дизелово гориво с течение на времето a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s и d) 132 s. (увеличение 1000×) – Ithnin et al. 2018

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

Като цяло ултразвуково приготвените емулсии – независимо дали са нестабилни или стабилизирани с повърхностноактивно вещество – спомагат за спестяване на дизелово гориво и намаляване на емисиите в отработените газове.
По-екологични емисии в отработените газове и икономия на гориво с ултразвук!

Първично и вторично разпрашаване в пламък от разпръснато емулгирано гориво.

Трифазна емулсия

Емулсията с три фази, известна също като трифазна емулсия, се състои от вода, масло и повърхностноактивно вещество. По време на ултразвуковото емулгиране на водата в дизеловата фаза се добавя повърхностноактивно вещество. Емулгаторът удължава стабилността на емулсията и позволява съхранение на горивото вода в дизелово гориво. Стабилността на емулсията W/D зависи от емулгатора, параметрите на ултразвуковия процес и температурата. С правилната комбинация от повърхностноактивно вещество и параметри на ултразвуковата обработка може да се постигне значителна дългосрочна стабилност на WiDE.

Монтажът и допълнителното оборудване с ултразвукова емулгираща система са прости, безопасни и евтини. Емулсионните горива W/D могат да се използват с всички конвенционални дизелови двигатели (напр. електрогенератори, железопътни двигатели, корабни двигатели) без модификации.

Какво прави горивата WiDE по-ефективни? – Явлението микроексплозия

Емулсионните горива вода в дизелово гориво се състоят от суспендирани водни частици в непрекъсната дизелова фаза. При изгаряне фините водни капчици в емулсионното гориво достигат състояние на прегряване по-бързо от дизеловото гориво и предизвикват разпадане вследствие на разширяването на парите (спонтанна експлозия) по време на горенето, при което се образуват много фини частици. Поради увеличената повърхност на миниатюрните частици в съчетание с постъпващия въздух смесването на въздуха и горивото се подобрява значително и така се повишава ефективността на горенето. (Ivanov, Nevedov 1965)

Високопроизводителни ултразвукови емулгиращи системи

Hielscher Ultrasonics доставя високопроизводителни ултразвукови процесори за непрекъснато производство на висококачествени (нано-)емулсии. Превъзходните ултразвукови характеристики, здравината и малката заемана площ правят ултразвуковите устройства на Hielscher идеалната смесителна система за емулсионни горива вода в дизелово гориво. Независимо дали искате да произвеждате емулсионни горива за директно впръскване в двигател с вътрешно горене, или стабилни емулсионни горива за съхранение и последващо изгаряне, Hielscher Ultrasonics разполага с най-подходящата конфигурация за вашето приложение. От по-малки ултразвукови емулгиращи системи за интегриране в железопътни локомотиви и плавателни съдове за вътрешни водни пътища до производство на големи обеми аквагориво за електроцентрали и огромни морски плавателни съдове – нашите групи от ултразвукови процесори позволяват обработка на емулсионно гориво в какъвто и да е обем.
Освен че осигуряват висока ултразвукова мощност, надеждност и здравина, промишлените ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics могат да бъдат прецизно управлявани 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 определяне и задаване на точни параметри на процеса за стандартизирано емулсионно гориво с постоянно високо качество. Ултразвуковият проточен реактор с кожух може да се охлажда ефективно и позволява обработка на емулсията при зададени температури. Здравината на нашето ултразвуково оборудване позволява работа 24/7 при тежки натоварвания и в трудни условия.
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови устройства: