Elgeneratorer, skibsmotorer og jernbanemotorer, som drives med diesel, kan køres mere effektivt, når der anvendes vand-i-diesel-emulsioner. Emulsionsbrændstoffer med vanddiesel reducerer brændstofforbruget, sænker forbrændingstemperaturen, brænder renere og reducerer emissionerne, såsom NOx og sod. Ultralydemulgering er en pålidelig, enkel og effektiv metode til at producere vand-i-diesel-brændstoffer af høj kvalitet.

Ultralydemulgering 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-brændstof, i vand-diesel emulsioner, vanddråber er ultralyd emulgeret i den kontinuerlige diesel fase. Intens sonikering af væsker genererer akustisk kavitation. Kavitationelle forskydningskræfter forstyrrer dråbeog frembringer en homogen emulsion af de ellers ummiscible vand- og dieselfaser.

Vand-i-Diesel Emulsion

WiDE (W/D emulsion) defineres som blanding af de naturligt ummiscible væsker af vanddråber (spredt/intern fase) i diesel (kontinuerlig/ekstern fase). Et emulgerende agens tilsættes i lave koncentrationer for at forbedre emulsionernes stabilitet og sænke blandingsenergibehovet.

Tofaset emulsion

En tofaset emulsion beskriver blandingen af vand i diesel uden brug af noget overfladeaktivt stof. For en to-faset WiDE, vand og diesel fodring strømme er ultralyd emulgeret lige foran motoren. Ultralyd to-faset vand-i-diesel emulsion går direkte fra ultralyd flow-celle reaktor ind i forbrændingsmotoren. Uden overfladeaktive stoffer er emulsionen ikke lavet til opbevaring, men til direkte forbrænding.

Casestudy af vand-diesel emulsion Brændstof

Opsætningen

Ithnin et al. (2018) undersøgte effekten af vand-i-diesel emulsionsbrændstof (WiDE) på en enkelt cylinder, direkte indsprøjtning dieselmotor. Vand og diesel blev opbevaret i forskellige enheder, hvorfra de er blevet kvantitativt overført til et blandingssystem. Blandingssystemet bestod i en kombination af høj forskydningsmixer og ultralydhomogenisator. Forskydningsblanderen leverede en rå forblanding af vand og diesel, mens sonikering blev brugt til en fin størrelse, ensartet emulsion. Den vand-diesel emulsion blev udarbejdet med 5% vand. Det homogene WiDE-brændstof blev direkte overført fra blandesystemet til motoren. Det forberedte 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 omdrejninger i minuttet. For at sammenligne virkningerne såsom brændstofydelse og emissioner blev der også testet et overfladeaktivt emulsionsbrændstof (stabil emulsion (SW/D)) og pænt dieselbrændstof (D2) på samme motor. 5% af vandet bruges til både ustabil emulsion og stabil emulsion.

Resultaterne

Motortesten viser, at vand-diesel emulsionbrændstof uden overfladeaktive (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) i forhold til pænt dieselbrændstof. Emulsionsbrændstofferne, både stabiliserede (SW/D) og ustabiliserede (UW/D), øgede motorens termiske effektivitet på grund af mikroeksplosionsfænomenet. Mikro-eksplosion fænomen forårsager en hurtig fordampning af emulgeret vanddråber. Da minut vanddråber er omgivet af olie, den intense fordampning proces forstyrrer dråbervoldsomt i meget fine partikler, som fremmer blanding af luft og brændstof. Dråbeafbrydelsen og blandingen med luft øger forbrændingseffektiviteten betydeligt.
Resultaterne viser, at begrebet produktion og overførsel af vand-diesel emulsion brændstof i realtid i motoren uden at bruge overfladeaktive virker meget godt. Den umiddelbare overførsel af den ultralydsfremstillede vand-dieselblanding eliminerer stabiliseringsproblemet for lagret emulsionsbrændstof samt afhængigheden af overfladeaktivt stof. Ustabilt vand-diesel emulsionbrændstof (UW / D) pålideligt fastholdt sin emulsion form uden at nå til sedimentering fase inden for 25sec (se billedet nedenfor).

Dråbeadfærd af ultralydemulgeret ater-in-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 dieselolie har vand-i-diesel-emulsionsbrændstoffet en betydeligt reduceret udstødningsemission af nitrogenoxider (NOx) og partikler (PM) med en gennemsnitlig reduktion på henholdsvis 31,66 % og 16,33 %.

Samlet set ultralydsforberedte emulsioner – uset er ustabilt eller stabiliseret af overfladeaktive stoffer – bidrage til at spare dieselolie og reducere udstødningsemissionerne.
Grønnere udstødningsemissioner og brændstofbesparelser med ultralyd!

Primær og sekundær forstøvning i sprøjteflamme af emulgeret brændstof.

Ternary Fase Emulsion

En ternær fase emulsion, også kendt som tre-faseee emulsion, består i vand, olie og et overfladeaktivt stof. Under ultralydemulgering af vandet i dieselfasen tilsættes et overfladeaktivt stof. Emulgeringsmidlet forlænger emulsionsstabiliteten og giver mulighed for opbevaring af vand-i-diesel-diesel. W/D-emulsionsstabiliteten afhænger af emulgatoren, ultralydprocesparametrene og temperaturen. Med den rette kombination af overfladeaktive og sonikeringsparametre kan der opnås en betydelig langsigtet stabilitet af WiDE.

Installationen og retro-montering af en ultralyd emulgering system er enkel, sikker og billig. W/D emulsionsbrændstoffer kan anvendes i kombination med konventionelle dieselmotorer (f.eks. elgeneratorer, jernbanemotorer, skibsmotorer) uden ændringer.

Hvad gør WiDE Brændstoffer mere effektive? – Mikroeksplosionsfænomenet

Emulsionsbrændstoffer til vand i diesel består i ophængte vandpartikler i en kontinuerlig dieselfase. Når de forbrændes, når de fine vanddråber i emulsionsbrændstoffet deres overophedede etape hurtigere end diesel og skaber en dampudvidelsesopløsning (spontan eksplosion) under forbrændingen, hvilket skaber meget fine partikler. På grund af det øgede overfladeareal af minutpartikler kombineret med indsiget luft, luft og brændstof blanding er væsentligt forbedret og øger dermed forbrændingseffektiviteten. (Ivanov, Nevedov 1965)

Højtydende Ultralydemulgeringssystemer

Hielscher Ultrasonics leverer højtydende ultralydsprocessorer til kontinuerlig produktion af emulsioner af høj kvalitet (nano-) emulsioner. Overlegen ultralydydeevne, robusthed og et lille fodaftryk gør Hielscher Ultrasonicators til det ideelle blandingssystem til vand-i-diesel emulsionsbrændstoffer. Hvis du vil producere emulsionsbrændsler til direkte indsprøjtning i en forbrændingsmotor eller stabile emulsionsbrændstoffer til opbevaring og senere forbrænding, har Hielscher Ultrasonics det mest velegnede setup til din applikation. Fra mindre ultralydsemulsionssystemer til integration i jernbanelokomotiver og indlandsskibe op til produktion af store vandbrændstofmængder til kraftværker og store marine fartøjer – vores klynger af ultralydsprocessorer giver mulighed for emulsionsbrændstofbehandling af ethvert volumen.
Udover høj ultralydsydelse, pålidelighed og robusthed, Hielscher Ultrasonics’ industrielle ultralydsprocessorer kan styres og overvåges præcist. Temperatur- og tryksensorer overfører dataene til generatoren, hvor alle vigtige procesparametre såsom amplitude, net og total energi, temperatur og tryk registreres på et indbygget SD-kort. Den intelligente softwarekontrol gør det muligt at etablere og indstille nøjagtige procesparametre for et standardiseret emulsionsbrændstof af kontinuerligt høj kvalitet. Den kappeklædte ultralydsstrømsreaktor kan afkøles effektivt og gøre det muligt at behandle emulsionen ved bestemte temperaturer. Robustheden af vores ultralydsudstyr giver mulighed for 24/7 drift ved kraftig og krævende miljøer.
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater: