Ultrazvučne emulzije za sagorijevanje vode u dizelu

Električni generatori, brodski motori i lokomotivski motori koji koriste dizel mogu raditi efikasnije kada se upotrebljavaju emulzije vode u dizelu. Goriva u obliku emulzije vode i dizela smanjuju potrošnju goriva, snižavaju temperaturu sagorijevanja, sagorijevaju čišće i smanjuju emisije, kao što su NOx i čađ. Ultrazvučna emulgacija je pouzdana, jednostavna i djelotvorna metoda za proizvodnju visokokvalitetnih goriva tipa voda u dizelu.

Ultrazvučna emulgacija vode u dizelu

Emulzije vode u dizelu (WiDE; gorivo u obliku W/D emulzije) modificirana su alternativa dizelskom gorivu koja sadrži do 15% vode. Poznate i kao aqua-gorivo, u emulzijama vode i dizela kapljice vode se ultrazvučno emulgiraju u kontinuiranu fazu dizela. Intenzivna ultrazvučna obrada tekućina stvara akustičnu kavitaciju. Kavitacijske smične sile razbijaju kapljice i stvaraju homogenu emulziju inače nemješljivih faza vode i dizela.

Emulzija vode u dizelu

WiDE (W/D emulzija) definira se kao smjesa prirodno nemješljivih tekućina, kapljica vode (dispergirana/unutrašnja faza) u dizelu (kontinuirana/vanjska faza). Emulgator se dodaje u niskim koncentracijama kako bi se poboljšala stabilnost emulzije i smanjila potrebna energija miješanja.

Dvofazna emulzija

Dvofazna emulzija označava smjesu vode u dizelu bez upotrebe bilo kakvog surfaktanta. Za dvofaznu WiDE emulziju, dovodni tokovi vode i dizela ultrazvučno se emulgiraju neposredno ispred motora. Ultrazvučna dvofazna emulzija vode u dizelu ide direktno iz ultrazvučnog protočnog reaktora u motor s unutrašnjim sagorijevanjem. Bez surfaktanta, emulzija nije namijenjena skladištenju, nego direktnom sagorijevanju.

Studija slučaja goriva u obliku emulzije vode i dizela

Postavka

Ithnin i sar. (2018) proučavali su učinak goriva u obliku emulzije vode u dizelu (WiDE) na jednocilindrični dizelski motor s direktnim ubrizgavanjem. Voda i dizel čuvani su u zasebnim jedinicama, iz kojih su kvantitativno prebačeni u sistem za miješanje. Sistem za miješanje sastojao se od kombinacije miješalice visokog smicanja i ultrazvučnog homogenizatora. Miješalica visokog smicanja osigurala je grubu predsmjesu vode i dizela, dok je ultrazvučna obrada korištena za sitnu, ujednačenu emulziju. Emulzija vode i dizela pripremljena je s 5% vode. Homogeno WiDE gorivo direktno je prebačeno iz sistema za miješanje u motor. Pripremljeno WiDE gorivo nije sadržavalo nikakve surfaktante, zbog čega se naziva dugoročno nestabilnim gorivom u obliku emulzije (UW/D). Dizelski motor testiran je pod četiri različita opterećenja (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) i pri konstantnoj brzini od 3000 rpm. Da bi se uporedili učinci kao što su performanse goriva i emisije, na istom motoru testirani su i gorivo u obliku emulzije stabilizirane surfaktantom (stabilna emulzija (SW/D)) i čisto dizelsko gorivo (D2). Za nestabilnu i za stabilnu emulziju koristi se 5% vode.

Rezultati

Test motora pokazuje da gorivo u obliku emulzije vode i dizela bez surfaktanta (UW/D) dovodi do značajnog poboljšanja rada motora, uz povećanje kočione termičke efikasnosti (BTE) od 3,59% i smanjenje specifične kočione potrošnje goriva (BSFC) od 3,89% u poređenju s čistim dizelskim gorivom. Goriva u obliku emulzije, i stabilizirana (SW/D) i nestabilizirana (UW/D), povećala su termičku efikasnost motora zahvaljujući fenomenu mikroeksplozije. Fenomen mikroeksplozije uzrokuje brzo isparavanje emulgiranih kapljica vode. Budući da su sitne kapljice vode okružene uljem, intenzivan proces isparavanja silovito razbija kapljice na vrlo fine čestice, što potiče miješanje zraka i goriva. Razbijanje kapljica i miješanje sa zrakom značajno povećavaju efikasnost sagorijevanja.
Rezultati pokazuju da koncept proizvodnje i prebacivanja goriva u obliku emulzije vode i dizela u motor u realnom vremenu, bez upotrebe surfaktanta, funkcionira vrlo dobro. Neposredno prebacivanje ultrazvučno pripremljene smjese vode i dizela uklanja problem stabilizacije uskladištenog goriva u obliku emulzije, kao i zavisnost od surfaktanta. Nestabilno gorivo u obliku emulzije vode i dizela (UW/D) pouzdano je zadržalo oblik emulzije bez dostizanja faze sedimentacije u roku od 25 s (pogledajte sliku ispod).

Ponašanje kapljica ultrazvučno emulgiranog goriva u obliku emulzije vode u dizelu tokom vremena a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s i d) 132 s. (uvećanje 1000×) – Ithnin et al. 2018

U poređenju s čistim dizelskim gorivom, gorivo u obliku emulzije vode u dizelu ima značajno smanjenu emisiju izduvnih plinova azotnih oksida (NOx) i čestica (PM), uz prosječno smanjenje od 31,66% odnosno 16,33%.

U cjelini, ultrazvučno pripremljene emulzije – bilo nestabilne ili stabilizirane surfaktantom – pomažu uštedi dizelskog goriva i smanjuju emisije izduvnih plinova.
Čistije izduvne emisije i uštede goriva uz ultrazvuk!

Primarna i sekundarna atomizacija u plamenu spreja emulgiranog goriva.

Trofazna emulzija

Trofazna emulzija, poznata i kao emulzija s tri faze, sastoji se od vode, ulja i surfaktanta. Tokom ultrazvučne emulgacije vode u fazu dizela dodaje se surfaktant. Emulgator produžava stabilnost emulzije i omogućava skladištenje goriva tipa voda u dizelu. Stabilnost W/D emulzije zavisi od emulgatora, ultrazvučnih procesnih parametara i temperature. Uz pravu kombinaciju surfaktanta i parametara ultrazvučne obrade može se postići značajna dugoročna stabilnost WiDE emulzije.

Instalacija i naknadna ugradnja ultrazvučnog sistema za emulgaciju jednostavna je, sigurna i jeftina. W/D goriva u obliku emulzije mogu se koristiti u kombinaciji s bilo kojim konvencionalnim dizelskim motorima (npr. električnim generatorima, lokomotivskim motorima, brodskim motorima) bez modifikacije.

Šta WiDE goriva čini efikasnijim? – Fenomen mikroeksplozije

Goriva u obliku emulzije vode u dizelu sastoje se od suspendiranih čestica vode u kontinuiranoj fazi dizela. Pri sagorijevanju, sitne kapljice vode u gorivu u obliku emulzije brže dostižu pregrijano stanje od dizela i tokom sagorijevanja stvaraju raspad uslijed širenja pare (spontanu eksploziju), pri čemu nastaju vrlo fine čestice. Zbog povećane površine sitnih čestica u kombinaciji sa usisnim zrakom, miješanje zraka i goriva značajno se poboljšava i time povećava efikasnost sagorijevanja. (Ivanov, Nevedov 1965)

Visokoučinkoviti ultrazvučni sistemi za emulgaciju

Hielscher Ultrasonics isporučuje visokoučinkovite ultrazvučne procesore za kontinuiranu proizvodnju visokokvalitetnih (nano-)emulzija. Vrhunske ultrazvučne performanse, robusnost i mala površina postavljanja čine Hielscher Ultrasonicators idealnim sistemom za miješanje goriva u obliku emulzije vode u dizelu. Bez obzira želite li proizvoditi goriva u obliku emulzije za direktno ubrizgavanje u motor s unutrašnjim sagorijevanjem ili stabilna goriva u obliku emulzije za skladištenje i kasnije sagorijevanje, Hielscher Ultrasonics ima najpogodniju postavku za vašu primjenu. Od manjih ultrazvučnih sistema za emulgaciju za ugradnju u lokomotive i plovila unutrašnje plovidbe do proizvodnje velikih količina aqua-goriva za elektrane i ogromna pomorska plovila – naši klasteri ultrazvučnih procesora omogućavaju obradu goriva u obliku emulzije u bilo kojoj količini.
Pored visoke ultrazvučne snage, pouzdanosti i robusnosti, industrijski ultrazvučni procesori Hielscher Ultrasonics mogu se precizno kontrolirati i nadzirati. Senzori temperature i tlaka prenose podatke generatoru, gdje se svi važni procesni parametri, kao što su amplituda, neto i ukupna energija, temperatura i tlak, bilježe na ugrađenu SD karticu. Inteligentno softversko upravljanje omogućava utvrđivanje i podešavanje tačnih procesnih parametara za standardizirano gorivo u obliku emulzije stalno visokog kvaliteta. Ultrazvučni protočni reaktor s plaštom može se efikasno hladiti i omogućava obradu emulzije na zadanim temperaturama. Robusnost naše ultrazvučne opreme omogućava rad 24/7 u teškim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.
Tabela ispod daje okvirnu informaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja: