Ultrazvukové emulze vody v motorové naftě pro spalování

Elektrocentrály, lodní motory a železniční motory poháněné motorovou naftou mohou pracovat efektivněji, pokud se používají emulze vody v motorové naftě. Emulzní paliva voda-nafta snižují spotřebu paliva, snižují teplotu spalování, hoří čistěji a snižují emise, jako jsou NOx a saze. Ultrazvuková emulgace je spolehlivá, jednoduchá a účinná metoda výroby vysoce kvalitních paliv typu voda v motorové naftě.

Ultrazvuková emulgace vody v motorové naftě

Emulze vody v motorové naftě (WiDE; emulzní palivo W/D) jsou modifikovanou alternativou motorové nafty, která obsahuje až 15% vody. V emulzích voda-nafta, známých také jako aqua-fuel, jsou kapičky vody ultrazvukem emulgovány do spojité naftové fáze. Intenzivní sonikace kapalin vytváří akustickou kavitaci. Kavitační smykové síly rozrušují kapičky a vytvářejí homogenní emulzi jinak nemísitelných fází vody a motorové nafty.

Emulze vody v motorové naftě

WiDE (emulze W/D) je definována jako směs přirozeně nemísitelných kapalin, tvořená kapičkami vody (dispergovaná/vnitřní fáze) v motorové naftě (spojitá/vnější fáze). Emulgátor se přidává v nízkých koncentracích, aby se zlepšila stabilita emulze a snížila energetická náročnost míchání.

Dvoufázová emulze

Dvoufázová emulze označuje směs vody v motorové naftě bez použití jakékoli povrchově aktivní látky. U dvoufázové WiDE jsou přiváděné proudy vody a motorové nafty emulgovány ultrazvukem bezprostředně před motorem. Ultrazvuková dvoufázová emulze vody v motorové naftě přechází přímo z ultrazvukového reaktoru s průtokovou celou do spalovacího motoru. Bez povrchově aktivní látky není emulze určena ke skladování, ale k přímému spalování.

Případová studie emulzního paliva voda-nafta

Uspořádání

Ithnin et al. (2018) studovali vliv emulzního paliva voda v motorové naftě (WiDE) na jednoválcový vznětový motor s přímým vstřikováním. Voda a motorová nafta byly skladovány v oddělených jednotkách, ze kterých byly kvantitativně převáděny do směšovacího systému. Směšovací systém sestával z kombinace vysokosmykového míchadla a ultrazvukového homogenizátoru. Smykové míchadlo zajistilo hrubé předmíchání vody a motorové nafty, zatímco sonikace byla použita k vytvoření jemné, rovnoměrné emulze. Emulze voda-nafta byla připravena s 5% vody. Homogenní palivo WiDE bylo ze směšovacího systému převáděno přímo do motoru. Připravené palivo WiDE neobsahovalo žádné povrchově aktivní látky, a proto bylo označeno jako dlouhodobě nestabilní emulzní palivo (UW/D). Vznětový motor byl testován za čtyř různých zátěžových podmínek (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) a při konstantních otáčkách 3000 ot/min. Pro porovnání účinků, jako jsou výkonnost paliva a emise, bylo na stejném motoru testováno také emulzní palivo stabilizované povrchově aktivní látkou (stabilní emulze (SW/D)) a čistá motorová nafta (D2). Pro nestabilní i stabilní emulzi se používá 5% vody.

Výsledky

Zkouška motoru ukazuje, že emulzní palivo voda-nafta bez povrchově aktivní látky (UW/D) vede k výraznému zlepšení motoru, se zvýšením efektivní tepelné účinnosti (BTE) o 3,59% a snížením měrné efektivní spotřeby paliva (BSFC) o 3,89% ve srovnání s čistou motorovou naftou. Emulzní paliva, stabilizovaná (SW/D) i nestabilizovaná (UW/D), zvýšila tepelnou účinnost motoru díky jevu mikroexploze. Jev mikroexploze způsobuje rychlé odpařování emulgovaných kapiček vody. Protože jsou drobné kapičky vody obklopeny olejem, intenzivní proces odpařování kapičky prudce rozruší na velmi jemné částice, což podporuje mísení vzduchu a paliva. Rozrušení kapiček a mísení se vzduchem výrazně zvyšuje účinnost spalování.
Výsledky ukazují, že koncept výroby emulzního paliva voda-nafta a jeho převádění do motoru v reálném čase bez použití povrchově aktivní látky funguje velmi dobře. Okamžité převedení ultrazvukem připravené směsi voda-nafta odstraňuje problém stabilizace skladovaného emulzního paliva i závislost na povrchově aktivní látce. Nestabilní emulzní palivo voda-nafta (UW/D) spolehlivě udrželo svou emulzní formu, aniž by během 25sec dosáhlo fáze sedimentace (viz obrázek níže).

Chování kapiček ultrazvukem emulgovaného emulzního paliva voda v motorové naftě v čase a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s a d) 132 s. (zvětšení 1000×) – Ithnin et al. 2018

Ve srovnání s čistou motorovou naftou vykazuje emulzní palivo voda v motorové naftě výrazně snížené emise oxidů dusíku (NOx) a pevných částic (PM) ve výfukových plynech, s průměrným snížením o 31,66% resp. 16,33%.

Celkově ultrazvukem připravené emulze – ať už nestabilní, nebo stabilizované povrchově aktivní látkou – pomáhají šetřit motorovou naftu a snižovat emise výfukových plynů.
Zelenější výfukové emise a úspora paliva díky ultrazvuku!

Primární a sekundární atomizace v rozprašovacím plameni emulgovaného paliva.

Ternární fázová emulze

Ternární fázová emulze, známá také jako třífázová emulze, se skládá z vody, oleje a povrchově aktivní látky. Během ultrazvukové emulgace vody do naftové fáze se přidává povrchově aktivní látka. Emulgátor prodlužuje stabilitu emulze a umožňuje skladování paliva typu voda v motorové naftě. Stabilita emulze W/D závisí na emulgátoru, parametrech ultrazvukového procesu a teplotě. Při správné kombinaci povrchově aktivní látky a parametrů sonikace lze dosáhnout významné dlouhodobé stability WiDE.

Instalace a dodatečná montáž ultrazvukového emulgačního systému je jednoduchá, bezpečná a levná. Emulzní paliva W/D lze bez úprav použít v kombinaci s jakýmikoli konvenčními vznětovými motory (např. elektrocentrály, železniční motory, lodní motory).

Proč jsou paliva WiDE účinnější? – Jev mikroexploze

Emulzní paliva voda v motorové naftě se skládají z vodních částic suspendovaných ve spojité naftové fázi. Při spalování dosáhnou jemné kapičky vody v emulzním palivu přehřátého stavu rychleji než motorová nafta a během spalování způsobí rozpad expanzí páry (spontánní explozi), čímž vznikají velmi jemné částice. Díky zvětšenému povrchu drobných částic ve spojení s nasávaným vzduchem se mísení vzduchu a paliva výrazně zlepšuje, a tím se zvyšuje účinnost spalování. (Ivanov, Nevedov 1965)

Vysoce výkonné ultrazvukové emulgační systémy

Hielscher Ultrasonics dodává vysoce výkonné ultrazvukové procesory pro kontinuální výrobu vysoce kvalitních (nano)emulzí. Špičkový ultrazvukový výkon, robustnost a malá zastavěná plocha činí ultrazvukové přístroje Hielscher ideálním směšovacím systémem pro emulzní paliva voda v motorové naftě. Ať už chcete vyrábět emulzní paliva pro přímé vstřikování do spalovacího motoru, nebo stabilní emulzní paliva pro skladování a pozdější spalování, Hielscher Ultrasonics má nejvhodnější sestavu pro Vaši aplikaci. Od menších ultrazvukových emulzních systémů pro integraci do železničních lokomotiv a plavidel vnitrozemské plavby až po výrobu velkých objemů aqua-fuel pro elektrárny a obrovská námořní plavidla – naše klastry ultrazvukových procesorů umožňují zpracování emulzního paliva v jakémkoli objemu.
Kromě vysokého ultrazvukového výkonu, spolehlivosti a robustnosti lze průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics přesně řídit a monitorovat. Snímače teploty a tlaku přenášejí data do generátoru, kde se všechny důležité procesní parametry, jako jsou amplituda, čistá a celková energie, teplota a tlak, zaznamenávají na vestavěnou SD kartu. Inteligentní softwarové řízení umožňuje stanovit a nastavit přesné procesní parametry pro standardizované emulzní palivo trvale vysoké kvality. Ultrazvukový průtokový reaktor s pláštěm lze účinně chladit a umožňuje zpracovávat emulzi při stanovených teplotách. Robustnost našeho ultrazvukového zařízení umožňuje provoz 24/7 při vysokém zatížení a v náročných prostředích.
Níže uvedená tabulka Vám poskytne přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich ultrazvukových přístrojů: