Ultrazvučne emulzije za sagorijevanje vode u dizelu

Generatori energije, brodski i željeznički motori, koji koriste dizel gorivo, mogu raditi efikasnije kada se koriste emulzije vode u dizelu. Vodo-dizel emulziona goriva smanjuju potrošnju goriva, snižavaju temperaturu sagorevanja, čiste opekotine i smanjuju emisije, kao što su NOx i čađ. Ultrazvučna emulzifikacija je pouzdana, jednostavna i efikasna metoda za proizvodnju visokokvalitetnih goriva vode u dizelu.

Ultrazvučna emulzifikacija vode u dizelu

Emulzije vode u dizelu (WiDE; W/D emulziona goriva) su modificirana alternativa dizel gorivu, koja sadrži do 15% vode. Poznato i kao akva-gorivo, u emulzijama voda-dizel, kapljice vode se ultrazvučno emulgiraju u kontinuiranu dizel fazu. Intenzivna sonikacija tekućina stvara akustičnu kavitaciju. Kavitacijske smične sile ometaju kapljice i proizvode homogenu emulziju inače nemešljivih vodenih i dizel faza.

Emulzija voda u dizelu

WiDE (W/D emulzija) je definirana kao mješavina tečnosti koje se prirodno ne miješaju, kapljica vode (disperzna/unutrašnja faza) u dizelu (kontinuirana/vanjska faza). Emulgator se dodaje u niskim koncentracijama kako bi se poboljšala stabilnost emulzija i smanjila potreba za energijom miješanja.

dvofazna emulzija

Dvofazna emulzija opisuje mješavinu vode u dizelu bez upotrebe bilo kakvog surfaktanta. Za dvofazni WiDE, tokovi vode i dizela su ultrazvučno emulgirani ispred motora. Ultrazvučna dvofazna emulzija voda u dizelu ide direktno iz ultrazvučnog reaktora protočne ćelije u motor s unutarnjim izgaranjem. Bez surfaktanta, emulzija nije napravljena za skladištenje, već za direktno sagorevanje.

Studija slučaja vodeno-dizel emulzionog goriva

The Setup

Ithnin et al. (2018) proučavali su učinak emulzijskog goriva vode u dizelu (WiDE) na jednocilindrični dizel motor s direktnim ubrizgavanjem. Voda i dizel su uskladišteni u različitim jedinicama iz kojih su kvantitativno prebačeni u sistem za miješanje. Sistem miješanja se sastojao od kombinacije miksera sa visokim smicanjem i ultrazvučnog homogenizatora. Smicajni mikser je dao sirovu mešavinu vode i dizela, dok je sonikacija korišćena za finu, ujednačenu emulziju. Vodo-dizel emulzija je pripremljena sa 5% vode. Homogeno WiDE gorivo je direktno prebačeno iz sistema za mešanje u motor. Pripremljeno WiDE gorivo nije sadržavalo površinski aktivne tvari, pa se naziva dugotrajno nestabilnim emulzijskim gorivom (UW/D). Dizel motor je testiran pod četiri različita uslova opterećenja (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) i sa konstantnom brzinom od 3000 o/min. Kako bi se uporedili efekti kao što su performanse goriva i emisije, na istom motoru su testirani i emulziono gorivo stabilizirano surfaktantom (stabilna emulzija (SW/D)) i čisto dizel gorivo (D2). 5% vode se koristi i za nestabilnu emulziju i za stabilnu emulziju.

Rezultati

Test motora pokazuje da vodeno-dizel emulziono gorivo bez surfaktanta (UW/D) rezultira značajnim poboljšanjem motora sa 3,59% povećanjem termičke efikasnosti kočnica (BTE) i 3,89% smanjenjem specifične potrošnje goriva kočnica (BSFC) u poređenju na uredno dizel gorivo. Emulziona goriva, stabilizirana (SW/D) i nestabilizirana (UW/D), povećala su toplinsku efikasnost motora zbog fenomena mikro-eksplozije. Fenomen mikroeksplozije uzrokuje brzo isparavanje kapljica emulgirane vode. Budući da su sitne kapljice vode okružene uljem, intenzivan proces isparavanja razbija kapljice nasilno u vrlo fine čestice, što pospješuje miješanje zraka i goriva. Poremećaj kapljica i miješanje sa zrakom značajno povećava efikasnost sagorijevanja.
Rezultati pokazuju da koncept proizvodnje i prijenosa vodeno-dizel emulzijskog goriva u realnom vremenu u motor bez upotrebe surfaktanta funkcionira vrlo dobro. Trenutni prijenos ultrazvučno pripremljene mješavine vode i dizela eliminira problem stabilizacije uskladištenog emulzionog goriva kao i ovisnost o surfaktantu. Nestabilno vodo-dizel emulziono gorivo (UW/D) pouzdano je zadržalo svoj emulzioni oblik bez dostizanja faze sedimentacije u roku od 25 sekundi (vidi sliku ispod).

Ponašanje kapljica ultrazvučno emulgiranog ater-in-diesel emulzijskog goriva tokom vremena a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s i d) 132 s. (uvećanje 1000×) – Ithnin et al. 2018

U poređenju sa čistim dizel gorivom, emulziono gorivo voda u dizelu ima značajno smanjenu emisiju azotnih oksida (NOx) i čestica (PM) uz prosječno smanjenje od 31,66%, odnosno 16,33%.

Sve u svemu, ultrazvučno pripremljene emulzije – vremenski nestabilni ili stabilizirani surfaktantom – pomaže u uštedi dizel goriva i smanjenju emisije izduvnih gasova.
Zelenija emisija izduvnih gasova i ušteda goriva uz ultrazvuk!

Primarna i sekundarna atomizacija u raspršenom plamenu emulgovanog goriva.

Emulzija trojne faze

Emulzija trofazne faze, poznata i kao trofazna emulzija, sastoji se od vode, ulja i surfaktanta. Tokom ultrazvučnog emulgiranja vode u dizelsku fazu dodaje se surfaktant. Emulgator produžava stabilnost emulzije i omogućava skladištenje vode u dizel gorivu. Stabilnost W/D emulzije zavisi od emulgatora, parametara ultrazvučnog procesa i temperature. Uz odgovarajuću kombinaciju surfaktanta i parametara sonikacije, može se postići značajna dugoročna stabilnost WiDE-a.

Instalacija i naknadna montaža ultrazvučnog sistema za emulziju je jednostavna, sigurna i jeftina. W/D emulziona goriva mogu se koristiti u kombinaciji sa bilo kojim konvencionalnim dizel motorima (npr. generatori energije, željeznički motori, brodski motori) bez modifikacija.

Šta WiDE goriva čini efikasnijim? – Fenomen mikroeksplozije

Emulziona goriva voda u dizelu sastoje se od suspendiranih čestica vode u kontinuiranoj dizel fazi. Kada se izgaraju, male kapljice vode u emulzijskom gorivu dostižu svoj pregrijani stupanj brže od dizela i stvaraju raspad ekspanzije pare (spontanu eksploziju) tokom sagorijevanja, stvarajući vrlo fine čestice. Zbog povećane površine sitnih čestica u kombinaciji sa usisnim vazduhom, mešanje vazduha i goriva je značajno poboljšano i time se povećava efikasnost sagorevanja. (Ivanov, Nevedov 1965)

Ultrazvučni sistemi za emulziju visokih performansi

Hielscher Ultrasonics isporučuje ultrazvučne procesore visokih performansi za kontinuiranu proizvodnju visokokvalitetnih (nano)emulzija. Vrhunske ultrazvučne performanse, robusnost i mali otisak čine Hielscher Ultrasonicators idealnim sistemom miješanja za emulzijska goriva vode u dizelu. Bilo da želite da proizvodite emulziona goriva za direktno ubrizgavanje u motor sa unutrašnjim sagorevanjem ili stabilna emulziona goriva za skladištenje i kasnije sagorevanje, Hielscher Ultrasonics ima najprikladnije podešavanje za vašu primenu. Od manjih ultrazvučnih emulzijskih sistema za integraciju u željezničke lokomotive i brodove unutarnjih voda do stvaranja velikih količina vodenog goriva za elektrane i velika brodska plovila – naši klasteri ultrazvučnih procesora omogućavaju emulzionu obradu goriva bilo koje zapremine.
Osim visokog ultrazvučnog izlaza, pouzdanosti i robusnosti, Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrazvučni procesori mogu se precizno kontrolisati i nadgledati. Senzori temperature i pritiska prenose podatke do generatora, gdje se svi važni parametri procesa kao što su amplituda, neto i ukupna energija, temperatura i pritisak snimaju na ugrađenu SD karticu. Inteligentna softverska kontrola omogućava uspostavljanje i postavljanje tačnih parametara procesa za standardizirano emulziono gorivo kontinuirano visokog kvaliteta. Ultrazvučni protočni reaktor sa omotačem može se efikasno ohladiti i omogućiti obradu emulzije na određenim temperaturama. Robusnost naše ultrazvučne opreme omogućava 24/7 rad u teškim uslovima iu zahtjevnim okruženjima.
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata: