Ultraschall-Emulsionen für Wasser-in-Diesel-Kraftstoffe

Stromgeneratoren, Schiffsmotoren und Eisenbahnmotoren, die mit Dieselkraftstoff betrieben werden, können effizienter betrieben werden, wenn Wasser-Diesel-Emulsionen verwendet werden. Wasser-Diesel-Emulsionskraftstoffe reduzieren den Kraftstoffverbrauch, senken die Verbrennungstemperatur, verbrennen sauberer und verringern Emissionen wie NOx und Ruß. Die Ultraschall-Emulgierung ist ein zuverlässiges, einfaches und wirksames Verfahren zur Herstellung hochwertiger Wasser-in-Diesel-Kraftstoffe.

Ultraschall-Emulgierung von Wasser-in-Diesel

Wasser-in-Diesel-Emulsionen (WiDE; W/D-Emulsionskraftstoff) sind eine modifizierte Dieselkraftstoffalternative, die bis zu 15 % Wasser enthält. In Wasser-Diesel-Emulsionen, die auch als Aqua-Fuel bezeichnet werden, werden Wassertröpfchen per Ultraschall in die kontinuierliche Dieselphase emulgiert. Die intensive Beschallung von Flüssigkeiten erzeugt akustische Kavitation. Die Scherkräfte der Kavitation zerreißen die Tropfen und erzeugen eine homogene Emulsion der ansonsten nicht mischbaren Wasser- und Dieselphasen.

Wasser-in-Diesel-Emulsion

WiDE (W/D-Emulsion) ist definiert als Mischung der von Natur aus nicht mischbaren Flüssigkeiten aus Wassertröpfchen (dispergierte/interne Phase) in Diesel (kontinuierliche/externe Phase). Ein Emulgator wird in geringer Konzentration zugesetzt, um die Stabilität der Emulsionen zu verbessern und den Energiebedarf für das Mischen zu senken.

zweiphasige Emulsion

Eine zweiphasige Emulsion beschreibt die Mischung von Wasser und Diesel ohne Verwendung eines Tensids. Bei einer zweiphasigen WiDE werden die Wasser- und Dieselzufuhrströme direkt vor dem Motor mit Ultraschall emulgiert. Die zweiphasige Ultraschall-Wasser-Diesel-Emulsion gelangt direkt aus dem Ultraschall-Durchflusszellenreaktor in den Verbrennungsmotor. Ohne Tenside wird die Emulsion nicht für die Lagerung, sondern für die direkte Verbrennung hergestellt.

Fallstudie zu Wasser-Diesel-Emulsionskraftstoff

Die Einrichtung

Ithnin et al. (2018) untersuchten die Auswirkungen von Wasser-Diesel-Emulsionskraftstoff (WiDE) auf einen Einzylinder-Direkteinspritzungs-Dieselmotor. Wasser und Diesel wurden in verschiedenen Einheiten gelagert, von denen sie quantitativ in ein Mischsystem überführt wurden. Das Mischsystem bestand aus einer Kombination aus einem Mischer mit hoher Scherkraft und einem Ultraschallhomogenisator. Der Schermischer sorgte für eine grobe Vormischung von Wasser und Diesel, während die Beschallung für eine feine, gleichmäßige Emulsion verwendet wurde. Die Wasser-Diesel-Emulsion wurde mit 5 % Wasser hergestellt. Der homogene WiDE-Kraftstoff wurde direkt aus dem Mischsystem in den Motor geleitet. Der vorbereitete WiDE-Kraftstoff enthielt keine Tenside und wurde daher als langfristig instabiler Emulsionskraftstoff (UW/D) bezeichnet. Der Dieselmotor wurde unter vier verschiedenen Lastbedingungen (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) und mit einer konstanten Drehzahl von 3000 U/min getestet. Um die Auswirkungen wie Kraftstoffleistung und Emissionen zu vergleichen, wurden auch ein mit Tensiden stabilisierter Emulsionskraftstoff (stabile Emulsion (SW/D)) und reiner Dieselkraftstoff (D2) am selben Motor getestet. Sowohl für die instabile Emulsion als auch für die stabile Emulsion wurden 5 % Wasser verwendet.

Die Ergebnisse

Der Motortest zeigt, dass Wasser-Diesel-Emulsionskraftstoff ohne Tensid (UW/D) im Vergleich zu reinem Dieselkraftstoff zu einer signifikanten Verbesserung des Motors mit einem Anstieg des thermischen Wirkungsgrads (BTE) um 3,59 % und einer Reduzierung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs (BSFC) um 3,89 % führt. Die Emulsionskraftstoffe, sowohl die stabilisierten (SW/D) als auch die unstabilisierten (UW/D), erhöhten den thermischen Wirkungsgrad des Motors aufgrund des Mikroexplosionsphänomens. Das Mikroexplosionsphänomen bewirkt eine schnelle Verdampfung der emulgierten Wassertröpfchen. Da die winzigen Wassertröpfchen von Öl umgeben sind, werden die Tröpfchen durch den intensiven Verdampfungsprozess gewaltsam in sehr feine Partikel aufgespalten, was die Vermischung von Luft und Kraftstoff fördert. Durch die Zerkleinerung der Tröpfchen und die Vermischung mit der Luft wird die Verbrennungseffizienz erheblich gesteigert.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Konzept der Herstellung und des Transfers der Wasser-Diesel-Emulsion in Echtzeit in den Motor ohne Verwendung von Tensiden sehr gut funktioniert. Durch den sofortigen Transfer des mit Ultraschall aufbereiteten Wasser-Diesel-Gemischs entfällt das Stabilisierungsproblem für gelagerten Emulsionskraftstoff ebenso wie die Abhängigkeit von Tensiden. Der instabile Wasser-Diesel-Emulsionskraftstoff (UW/D) behielt seine Emulsionsform zuverlässig bei, ohne innerhalb von 25 Sekunden zu sedimentieren (siehe Bild unten).

Tröpfchenverhalten von mit Ultraschall emulgiertem Ater-in-Diesel-Emulsionskraftstoff über die Zeit a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s und d) 132 s. (Vergrößerung 1000×) – Ithnin et al. 2018

Im Vergleich zu reinem Dieselkraftstoff weist die Wasser-Diesel-Emulsion einen deutlich geringeren Ausstoß von Stickoxiden (NOx) und Feinstaub (PM) auf, und zwar um durchschnittlich 31,66 % bzw. 16,33 %.

Insgesamt sind die mit Ultraschall hergestellten Emulsionen – ob instabil oder durch Tenside stabilisiert – helfen, Dieselkraftstoff zu sparen und die Abgasemissionen zu verringern.
Umweltfreundlichere Abgasemissionen und Kraftstoffeinsparungen mit Ultraschall!

Primär- und Sekundärzerstäubung in der Sprühflamme von emulgiertem Kraftstoff.

Ternäre Phasenemulsion

Eine Ternärphasenemulsion, auch Dreiphasenemulsion genannt, besteht aus Wasser, Öl und einem Tensid. Während der Ultraschall-Emulgierung des Wassers in die Dieselphase wird ein Tensid hinzugefügt. Der Emulgator verlängert die Stabilität der Emulsion und ermöglicht die Lagerung des Wasser-in-Diesel-Kraftstoffs. Die Stabilität der W/D-Emulsion hängt vom Emulgator, den Parametern des Ultraschallverfahrens und der Temperatur ab. Mit der richtigen Kombination aus Tensid und Beschallungsparametern kann eine signifikante Langzeitstabilität der WiDE erreicht werden.

Die Installation und Nachrüstung einer Ultraschall-Emulgieranlage ist einfach, sicher und kostengünstig. W/D-Emulsionskraftstoffe können in Kombination mit allen herkömmlichen Dieselmotoren (z. B. Stromgeneratoren, Bahnmotoren, Schiffsmotoren) ohne Modifikation verwendet werden.

Was macht die WiDE-Kraftstoffe effizienter? – Das Phänomen der Mikroexplosion

Wasser-in-Diesel-Emulsionskraftstoffe bestehen aus suspendierten Wasserpartikeln in einer kontinuierlichen Dieselphase. Bei der Verbrennung erreichen die feinen Wassertröpfchen im Emulsionskraftstoff ihr überhitztes Stadium schneller als der Diesel und erzeugen während der Verbrennung eine Dampf-Expansionszersetzung (spontane Explosion), wodurch sehr feine Partikel entstehen. Durch die vergrößerte Oberfläche der winzigen Partikel in Verbindung mit der Ansaugluft wird die Vermischung von Luft und Kraftstoff erheblich verbessert und dadurch der Wirkungsgrad der Verbrennung erhöht. (Iwanow, Nevedow 1965)

Hochleistungs-Ultraschall-Emulgiersysteme

Hielscher Ultrasonics liefert Hochleistungs-Ultraschallprozessoren für die kontinuierliche Herstellung von hochwertigen (Nano-)Emulsionen. Überlegene Ultraschallleistung, Robustheit und geringer Platzbedarf machen Hielscher Ultrasonicators zum idealen Mischsystem für Wasser-in-Diesel-Emulsionskraftstoffe. Ob Sie nun Emulsionskraftstoffe für die direkte Einspritzung in einen Verbrennungsmotor oder stabile Emulsionskraftstoffe für die Lagerung und spätere Verbrennung herstellen wollen, Hielscher Ultrasonics hat die passende Anlage für Ihre Anwendung. Von kleineren Ultraschall-Emulsionsanlagen für den Einbau in Eisenbahnlokomotiven und Binnenschiffe bis hin zur Erzeugung großer Mengen von Aquakraftstoffen für Kraftwerke und große Marineschiffe – Unsere Cluster von Ultraschallprozessoren ermöglichen die Verarbeitung von Emulsionsbrennstoffen in jedem Volumen.
Neben hoher Ultraschallleistung, Zuverlässigkeit und Robustheit bietet Hielscher Ultrasonics‘ können industrielle Ultraschallprozessoren präzise gesteuert und überwacht werden. Temperatur- und Drucksensoren übertragen die Daten an den Generator, wo alle wichtigen Prozessparameter wie Amplitude, Netto- und Gesamtenergie, Temperatur und Druck auf einer eingebauten SD-Karte aufgezeichnet werden. Die intelligente Softwaresteuerung erlaubt es, exakte Prozessparameter für einen standardisierten Emulsionsbrennstoff von gleichbleibend hoher Qualität zu ermitteln und einzustellen. Der ummantelte Ultraschall-Durchflussreaktor kann effizient gekühlt werden und ermöglicht die Verarbeitung der Emulsion bei bestimmten Temperaturen. Die Robustheit unserer Ultraschallgeräte ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren: