Ultralydsemulsioner til forbrænding af vand-i-diesel

Generatorer, skibsmotorer og jernbanemotorer, der drives med diesel, kan køre mere effektivt, når der anvendes vand-i-diesel-emulsioner. Vand-diesel-emulsionsbrændstoffer reducerer brændstofforbruget, sænker forbrændingstemperaturen, brænder renere og reducerer emissioner såsom NOx og sod. Ultralydsemulgering er en pålidelig, enkel og effektiv metode til at fremstille vand-i-diesel-brændstoffer af høj kvalitet.

Ultralydsemulgering af vand-i-diesel

Vand-i-diesel-emulsioner (WiDE; W/D-emulsionsbrændstof) er et modificeret alternativ til dieselbrændstof, som indeholder op til 15% vand. I vand-diesel-emulsioner, også kendt som aquabrændstof, emulgeres vanddråber ved hjælp af ultralyd i den kontinuerlige dieselfase. Intens sonikering af væsker frembringer akustisk kavitation. Forskydningskræfter fra kavitation bryder dråberne op og danner en homogen emulsion af vand- og dieselfaserne, som ellers ikke er blandbare.

Vand-i-diesel-emulsion

WiDE (W/D-emulsion) defineres som en blanding af de naturligt ikke-blandbare væsker med vanddråber (dispergeret/intern fase) i diesel (kontinuerlig/ekstern fase). En emulgator tilsættes i lave koncentrationer for at forbedre emulsionens stabilitet og reducere energibehovet ved blandingen.

Tofaseemulsion

En tofaseemulsion betegner blandingen af vand i diesel uden brug af noget overfladeaktivt stof. Ved en tofase-WiDE emulgeres tilførselsstrømmene af vand og diesel ved hjælp af ultralyd umiddelbart før motoren. Den ultralydsfremstillede tofasede vand-i-diesel-emulsion føres direkte fra ultralydsreaktoren med gennemstrømningscelle til forbrændingsmotoren. Uden overfladeaktivt stof fremstilles emulsionen ikke til opbevaring, men til direkte forbrænding.

Casestudie af vand-diesel-emulsionsbrændstof

Opstillingen

Ithnin et al. (2018) undersøgte virkningen af vand-i-diesel-emulsionsbrændstof (WiDE) på en encylindret dieselmotor med direkte indsprøjtning. Vand og diesel blev opbevaret i separate enheder, hvorfra de blev overført kvantitativt til et blandesystem. Blandesystemet bestod af en kombination af en blander med høje forskydningskræfter og en ultralydshomogenisator. Blanderen med forskydningskræfter fremstillede en grov forblanding af vand og diesel, mens sonikeringen blev anvendt til at fremstille en findråbet, ensartet emulsion. Vand-diesel-emulsionen blev fremstillet med 5% vand. Det homogene WiDE-brændstof blev overført direkte fra blandesystemet til motoren. Det fremstillede WiDE-brændstof indeholdt ingen overfladeaktive stoffer og blev derfor betegnet som et emulsionsbrændstof, der er ustabilt på lang sigt (UW/D). Dieselmotoren blev testet under fire forskellige belastningsforhold (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) og ved et konstant omdrejningstal på 3000 rpm. For at sammenligne virkninger såsom brændstofydelse og emissioner blev et emulsionsbrændstof stabiliseret med et overfladeaktivt stof (stabil emulsion (SW/D)) og rent dieselbrændstof (D2) også testet på den samme motor. Der anvendes 5% vand i både den ustabile og den stabile emulsion.

Resultaterne

Motortesten viser, at vand-diesel-emulsionsbrændstof uden overfladeaktivt stof (UW/D) medfører en betydelig forbedring af motoren med en stigning på 3,59% i den termiske virkningsgrad baseret på akselydelsen (BTE) og en reduktion på 3,89% i det specifikke brændstofforbrug baseret på akselydelsen (BSFC) sammenlignet med rent dieselbrændstof. Emulsionsbrændstofferne, både de stabiliserede (SW/D) og de ustabiliserede (UW/D), øgede motorens termiske virkningsgrad på grund af mikroeksplosionsfænomenet. Mikroeksplosionsfænomenet medfører en hurtig fordampning af emulgerede vanddråber. Da de meget små vanddråber er omgivet af olie, bryder den intense fordampningsproces dråberne voldsomt op i meget fine partikler, hvilket fremmer blandingen af luft og brændstof. Opbrydningen af dråberne og blandingen med luft øger forbrændingseffektiviteten betydeligt.
Resultaterne viser, at konceptet med at fremstille og overføre vand-diesel-emulsionsbrændstoffet til motoren i realtid uden brug af overfladeaktivt stof fungerer meget godt. Den umiddelbare overførsel af den ultralydsfremstillede vand-diesel-blanding eliminerer stabiliseringsproblemet ved opbevaret emulsionsbrændstof samt afhængigheden af overfladeaktivt stof. Ustabilt vand-diesel-emulsionsbrændstof (UW/D) bevarede pålideligt sin emulsionsform uden at nå sedimentationsstadiet inden for 25sec (se billedet nedenfor).

Dråbeadfærd over tid for vand-i-diesel-emulsionsbrændstof emulgeret ved hjælp af ultralyd: a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s og d) 132 s. (forstørrelse 1000×) – Ithnin et al. 2018

Sammenlignet med rent dieselbrændstof har vand-i-diesel-emulsionsbrændstoffet en betydeligt reduceret udstødningsemission af kvælstofoxider (NOx) og partikler (PM) med en gennemsnitlig reduktion på henholdsvis 31,66% og 16,33%.

Samlet set bidrager ultralydsfremstillede emulsioner – uanset om de er ustabile eller stabiliseret med overfladeaktivt stof – til at spare dieselbrændstof og reducere udstødningsemissioner.
Mere miljøvenlige udstødningsemissioner og brændstofbesparelser med ultralyd!

Primær og sekundær forstøvning i sprøjteflammen fra emulgeret brændstof.

Trefaseemulsion

En ternær emulsion, også kendt som en trefaseemulsion, består af vand, olie og et overfladeaktivt stof. Under ultralydsemulgeringen af vandet i dieselfasen tilsættes et overfladeaktivt stof. Emulgatoren forlænger emulsionens stabilitet og gør det muligt at opbevare vand-i-diesel-brændstoffet. W/D-emulsionens stabilitet afhænger af emulgatoren, ultralydsprocesparametrene og temperaturen. Med den rette kombination af overfladeaktivt stof og sonikeringsparametre kan der opnås betydelig langtidsstabilitet for WiDE.

Installation og eftermontering af et ultralydsemulgeringssystem er enkelt, sikkert og billigt. W/D-emulsionsbrændstoffer kan anvendes sammen med alle konventionelle dieselmotorer (f.eks. generatorer, jernbanemotorer og skibsmotorer) uden ændringer.

Hvad gør WiDE-brændstoffer mere effektive? – Mikroeksplosionsfænomenet

Vand-i-diesel-emulsionsbrændstoffer består af suspenderede vandpartikler i en kontinuerlig dieselfase. Under forbrænding når de fine vanddråber i emulsionsbrændstoffet deres overophedede tilstand hurtigere end dieselen og fremkalder en opbrydning ved dampekspansion (spontan eksplosion) under forbrændingen, hvorved der dannes meget fine partikler. På grund af de meget små partiklers øgede overfladeareal i kombination med indsugningsluften forbedres blandingen af luft og brændstof betydeligt, hvilket øger forbrændingseffektiviteten. (Ivanov, Nevedov 1965)

Højtydende ultralydsemulgeringssystemer

Hielscher Ultrasonics leverer højtydende ultralydsprocessorer til kontinuerlig produktion af (nano-)emulsioner af høj kvalitet. Overlegen ultralydsydelse, robusthed og et lille pladsbehov gør Hielschers ultralydsapparater til det ideelle blandesystem til vand-i-diesel-emulsionsbrændstoffer. Uanset om du ønsker at fremstille emulsionsbrændstoffer til direkte indsprøjtning i en forbrændingsmotor eller stabile emulsionsbrændstoffer til opbevaring og senere forbrænding, har Hielscher Ultrasonics den bedst egnede opstilling til din anvendelse. Fra mindre ultralydsemulsionssystemer til integration i jernbanelokomotiver og fartøjer på indre vandveje til fremstilling af store mængder aquabrændstof til kraftværker og enorme søgående fartøjer – vores klynger af ultralydsprocessorer gør det muligt at behandle emulsionsbrændstof i enhver mængde.
Ud over høj ultralydseffekt, pålidelighed og robusthed kan Hielscher Ultrasonics’ industrielle ultralydsprocessorer styres og overvåges præcist. Temperatur- og tryksensorer sender dataene til generatoren, hvor alle vigtige procesparametre såsom amplitude, nettoenergi og samlet energi, temperatur og tryk registreres på et indbygget SD-kort. Den intelligente softwarestyring gør det muligt at fastlægge og indstille præcise procesparametre for et standardiseret emulsionsbrændstof af vedvarende høj kvalitet. Ultralydsgennemstrømningsreaktoren med kappe kan køles effektivt og gør det muligt at behandle emulsionen ved specificerede temperaturer. Vores ultralydsudstyrs robusthed muliggør drift 24/7 under høj belastning og i krævende miljøer.
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: