Ultralydsemulsioner til vand-i-diesel-forbrænding

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, forbrænder renere og reducerer emissioner, såsom NOx og sod. Ultralydsemulgering er en pålidelig, enkel og effektiv metode til fremstilling af vand-i-dieselbrændstoffer af høj kvalitet.

Ultralydsemulgering af vand-i-diesel

Vand-i-diesel-emulsioner (WiDE; W/D emulsionsbrændstof) er et modificeret dieselbrændstofalternativ, som indeholder op til 15 % vand. Også kendt som aqua-fuel, i vand-dieselemulsioner emulgeres vanddråber ultralyd til den kontinuerlige dieselfase. Intens sonikering af væsker genererer akustisk kavitation. Kavitationelle forskydningskræfter forstyrrer dråber og producerer en homogen emulsion af de ellers ublandbare vand- og dieselfaser.

Vand-i-diesel-emulsion

WiDE (W/D-emulsion) defineres som blanding af de naturligt ikke-blandbare væsker af vanddråber (dispergeret/intern fase) i diesel (kontinuerlig/ekstern fase). Et emulgeringsmiddel tilsættes i lave koncentrationer for at forbedre emulsionsstabiliteten og sænke blandingsenergibehovet.

tofaset emulsion

En tofaset emulsion beskriver blandingen af vand i diesel uden brug af overfladeaktivt stof. For en tofaset WiDE er vand- og dieseltilførselsstrømmene ultralydsemulgeret lige foran motoren. Den ultralyds tofasede vand-i-diesel-emulsion går direkte fra ultralydsflowcellereaktoren ind i forbrændingsmotoren. Uden overfladeaktivt middel er emulsionen ikke lavet til opbevaring, men til direkte forbrænding.

Casestudie af vand-diesel emulsionsbrændstof

Opsætningen

Ithnin et al. (2018) undersøgte effekten af vand-i-diesel emulsionsbrændstof (WiDE) på en enkeltcylindret dieselmotor med direkte indsprøjtning. Vand og diesel blev opbevaret i forskellige enheder, hvorfra de er blevet kvantitativt overført til et blandesystem. Blandesystemet bestod af en kombination af højforskydningsblander og ultralydshomogenisator. Forskydningsblanderen gav en rå forblanding af vand og diesel, mens sonikeringen blev brugt til en fin, ensartet emulsion. Vand-diesel-emulsionen blev fremstillet med 5% vand. Det homogene WiDE-brændstof blev overført direkte fra blandesystemet til motoren. Det tilberedte WiDE-brændstof indeholdt ingen overfladeaktive stoffer og blev derfor betegnet som et langsigtet ustabilt emulsionsbrændstof (UW/D). Dieselmotoren blev testet under fire forskellige belastningsforhold (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) og med en konstant hastighed på 3000 o/min. For at sammenligne virkningerne såsom brændstofydelse og emissioner blev et overfladeaktivt stabiliseret emulsionsbrændstof (stabil emulsion (SW/D)) og pænt dieselbrændstof (D2) også testet på den samme motor. 5% af vandet bruges til både ustabil emulsion og stabil emulsion.

Resultaterne

Motortesten viser, at vand-diesel-emulsionsbrændstof uden overfladeaktivt stof (UW/D) resulterer i en betydelig forbedring af motoren med en 3,59 % stigning i bremsetermisk effektivitet (BTE) og 3,89 % reduktion i bremsespecifikt brændstofforbrug (BSFC) sammenlignet med pænt dieselbrændstof. Emulsionsbrændstofferne, både stabiliserede (SW/D) og ustabiliserede (UW/D), øgede motorens termiske effektivitet på grund af mikroeksplosionsfænomenet. Mikroeksplosionsfænomenet forårsager en hurtig fordampning af emulgerede vanddråber. Da de små vanddråber er omgivet af olie, forstyrrer den intense fordampningsproces dråberne voldsomt til meget fine partikler, hvilket fremmer blandingen af luft og brændstof. Dråbeforstyrrelsen og blandingen med luft øger forbrændingseffektiviteten betydeligt.
Resultaterne viser, at konceptet med at producere og overføre vand-diesel-emulsionsbrændstoffet i realtid til motoren uden at bruge overfladeaktivt middel fungerer rigtig godt. Den øjeblikkelige overførsel af den ultralydsfremstillede vand-dieselblanding eliminerer stabiliseringsproblemet for lagret emulsionsbrændstof samt afhængigheden af overfladeaktivt stof. Ustabilt vand-diesel-emulsionsbrændstof (UW/D) opretholdt pålideligt sin emulsionsform uden at nå sedimentationsstadiet inden for 25 sekunder (se billedet nedenfor).

Dråbeadfærd af ultralydsemulgeret ater-i-diesel-emulsionsbrændstof over tid a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s og d) 132 s. (forstørrelse 1000×) – Ithnin et al. 2018

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

Samlet set ultralydspræparerede emulsioner – om den er ustabil eller stabiliseret af overfladeaktivt stof – hjælpe med at spare dieselbrændstof og reducere udstødningsemissioner.
Grønnere udstødningsemissioner og brændstofbesparelser med ultralyd!

Primær og sekundær forstøvning i sprøjteflamme af emulgeret brændstof.

Ternær fase emulsion

En ternær faseemulsion, også kendt som trefaseemulsion, består af vand, olie og et overfladeaktivt stof. Under ultralydsemulgeringen af vandet i dieselfasen tilsættes et overfladeaktivt stof. Emulgeringsmidlet forlænger emulsionsstabiliteten og giver mulighed for at opbevare vand-i-dieselbrændstoffet. W / D-emulsionsstabiliteten afhænger af emulgatoren, ultralydsprocesparametrene og temperaturen. Med den rigtige kombination af overfladeaktivt middel og sonikeringsparametre kan der opnås en betydelig langsigtet stabilitet af WiDE.

Installation og eftermontering af et ultralydsemulgeringssystem er enkel, sikker og billig. W/D-emulsionsbrændstoffer kan bruges i kombination med alle konventionelle dieselmotorer (f.eks. strømgeneratorer, jernbanemotorer, skibsmotorer) uden modifikation.

Hvad gør WiDE-brændstoffer mere effektive? – Fænomenet Mikroeksplosion

Vand-i-diesel-emulsionsbrændstoffer består af suspenderede vandpartikler i en kontinuerlig dieselfase. Ved forbrænding når de fine vanddråber i emulsionsbrændstoffet deres overophedede trin hurtigere end dieselen og skaber en dampekspansionsopbrydning (spontan eksplosion) under forbrændingen, hvilket skaber meget fine partikler. På grund af det øgede overfladeareal af de små partikler kombineret med indsugningsluften forbedres luft- og brændstofblandingen betydeligt og øger dermed forbrændingseffektiviteten. (Ivanov, Nevedov 1965)

Højtydende ultralydsemulgeringssystemer

Hielscher Ultrasonics leverer højtydende ultralydsprocessorer til kontinuerlig produktion af højkvalitets (nano-) emulsioner. Overlegen ultralydsydelse, robusthed og et lille fodaftryk gør Hielscher ultralydapparater til det ideelle blandingssystem til vand-i-diesel emulsionsbrændstoffer. Uanset om du ønsker at producere emulsionsbrændstoffer til direkte indsprøjtning i en forbrændingsmotor eller stabile emulsionsbrændstoffer til opbevaring og senere forbrænding, har Hielscher Ultrasonics den bedst egnede opsætning til din applikation. Fra mindre ultralydsemulsionssystemer til integration i jernbanelokomotiver og indlandsskibe til generering af store mængder akvabrændstof til kraftværker og store marinefartøjer – Vores klynger af ultralydsprocessorer giver mulighed for behandling af emulsionsbrændstof af ethvert volumen.
Udover høj ultralydsoutput, pålidelighed og robusthed, Hielscher Ultrasonics’ Industrielle ultralydsprocessorer kan styres og overvåges præcist. Temperatur- og tryksensorer overfører dataene til generatoren, hvor alle vigtige procesparametre som amplitude, netto og total energi, temperatur og tryk registreres på et indbygget SD-kort. Den intelligente softwarestyring gør det muligt at etablere og indstille nøjagtige procesparametre for et standardiseret emulsionsbrændstof af konstant høj kvalitet. Den kappede ultralydsflowreaktor kan effektivt afkøles og gøre det muligt at behandle emulsionen ved specificerede temperaturer. Robustheden af vores ultralydsudstyr giver mulighed for 24/7 drift ved tunge og i krævende miljøer.
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: