Hielscher Ultraschalltechnik

Ultraschall-Emulsionen für die Wasser-in-Diesel-Verbrennung

Stromgeneratoren, Schiffs- und Eisenbahnmotoren, die mit Dieselkraftstoff betrieben werden, können effizienter betrieben werden, wenn Wasser-in-Diesel-Emulsionen verwendet werden. Wasser-Diesel-Emulsions-Kraftstoffe reduzieren den Kraftstoffverbrauch, senken die Verbrennungstemperatur, verbrennen sauberer und reduzieren Emissionen wie NOx und Ruß. Die Ultraschall-Emulgierung ist eine zuverlässige, einfache und wirksame Methode zur Herstellung hochwertiger Wasser-in-Diesel-Kraftstoffe.

Ultraschall-Emulgierung von Wasser-in-Diesel

Wasser-in-Diesel-Emulsionen (WiDE; W/D-Emulsionskraftstoff) sind eine modifizierte Dieselkraftstoff-Alternative, die bis zu 15% Wasser enthält. Auch bekannt als Aquakraftstoff, werden bei Wasser-Diesel-Emulsionen die Wassertröpfchen durch Ultraschall in die kontinuierliche Dieselphase emulgiert. Intensive Beschallung von Flüssigkeiten erzeugt akustische Kavitation. Kavitationsscherkräfte stören den Tropfen und erzeugen eine homogene Emulsion der sonst nicht mischbaren Wasser- und Dieselphasen.

Wasser-in-Diesel-Emulsion

WiDE (W/D-Emulsion) ist definiert als Mischung der natürlich nicht mischbaren Flüssigkeiten von Wassertröpfchen (dispergierte/interne Phase) in Diesel (kontinuierliche/externe Phase). Ein Emulgator wird in niedrigen Konzentrationen zugegeben, um die Stabilität der Emulsionen zu verbessern und den Bedarf an Mischenergie zu senken.

Zwei-Phasen-Emulsion

Eine Zweiphasen-Emulsion beschreibt die Mischung von Wasser in Diesel ohne die Verwendung eines Tensids. Bei einer Zwei-Phasen-WIDE werden die Wasser- und Dieselzufuhrströme direkt vor dem Motor mit Ultraschall emulgiert. Die zweiphasige Ultraschall-Wasser-in-Diesel-Emulsion gelangt direkt vom Ultraschall-Durchflusszellenreaktor in den Verbrennungsmotor. Ohne Tensid ist die Emulsion nicht zur Lagerung, sondern zur direkten Verbrennung vorgesehen.

Fallstudie über Wasser-Diesel-Emulsionskraftstoff

Die Einrichtung

Ithnin et al. (2018) untersuchten die Wirkung von Wasser-in-Diesel-Emulsionskraftstoff (WiDE) auf einen Einzylinder-Direkteinspritzungs-Dieselmotor. Wasser und Diesel wurden in verschiedenen Einheiten gespeichert, aus denen sie quantitativ in ein Mischsystem überführt wurden. Das Mischsystem bestand aus einer Kombination aus Hochschermischer und Ultraschall-Homogenisator. Der Schermischer lieferte eine grobe Vormischung aus Wasser und Diesel, während die Beschallung für eine feinkörnige, gleichmäßige Emulsion verwendet wurde. Die Wasser-Diesel-Emulsion wurde mit 5% Wasser hergestellt. Der homogene WiDE-Kraftstoff wurde direkt vom Mischsystem in den Motor überführt. Der aufbereitete WiDE-Brennstoff enthielt keine Tenside, weshalb er als ein langfristig instabiler Emulsionsbrennstoff (UW/D) bezeichnet wird. 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 Effekte wie Kraftstoffleistung und Emissionen zu vergleichen, wurden am gleichen Motor auch ein tensidstabilisierter Emulsionskraftstoff (stabile Emulsion (SW/D)) und reiner Dieselkraftstoff (D2) getestet. Sowohl für die instabile Emulsion als auch für die stabile Emulsion werden 5% Wasser verwendet.

Die Ergebnisse

Der Motortest zeigt, dass Wasser-Diesel-Emulsion-Kraftstoff ohne Tenside (UW/D) zu einer signifikanten Verbesserung des Motors mit einer 3,59%igen Steigerung des thermischen Wirkungsgrades der Bremse (BTE) und einer 3,89%igen Reduzierung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs der Bremse (BSFC) im Vergleich zu reinem Dieselkraftstoff führt. Die Emulsionsbrennstoffe, sowohl stabilisiert (SW/D) als auch unstabilisiert (UW/D), erhöhten den thermischen Wirkungsgrad des Motors aufgrund des Mikroexplosionsphänomens. Das Mikro-Explosionsphänomen verursacht eine schnelle Verdampfung der emulgierten Wassertröpfchen. Da die winzigen Wassertröpfchen von Öl umgeben sind, werden die Tröpfchen durch den intensiven Verdampfungsprozess heftig in sehr feine Partikel zerrissen, was die Vermischung von Luft und Brennstoff fördert. Durch das Aufbrechen der Tropfen und die Vermischung mit Luft wird die Verbrennungseffizienz deutlich erhöht.
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. Die sofortige Übertragung des mit Ultraschall aufbereiteten Wasser-Diesel-Gemisches beseitigt das Stabilisierungsproblem für gelagerten Emulsionsbrennstoff sowie die Abhängigkeit von Tensiden. Der instabile Wasser-Diesel-Emulsionsbrennstoff (UW/D) hielt seine Emulsionsform zuverlässig aufrecht, ohne innerhalb von 25 Sekunden in die Sedimentationsphase zu gelangen (siehe Bild unten).

Die Ultraschall-Emulgierung ist eine zuverlässige Methode zur Herstellung emulgatorfreier Wasser-in-Diesel-Emulsionen.

Tröpfchenverhalten von mit Ultraschall emulgiertem Ater-in-Diesel-Emulsionsbrennstoff 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 der Wasser-in-Diesel-Emulsionskraftstoff eine deutlich reduzierte Abgasemission von Stickoxiden (NOx) und Partikeln (PM) auf, mit einer durchschnittlichen Reduktion von 31,66% bzw. 16,33%.

Insgesamt, mit Ultraschall hergestellte Emulsionen – ob instabil oder durch Tenside stabilisiert – zur Einsparung von Dieselkraftstoff und zur Reduzierung der Abgasemissionen beitragen.
Umweltfreundlichere Abgasemissionen und Kraftstoffeinsparungen mit Ultraschall!

Ultraschall in Nanogröße Wasser-Kraftstoff-Emulsionen emulgiert. (Klicken um zu vergrößern!)

Primäre und sekundäre Zerstäubung in der Sprühflamme von emulgiertem Brennstoff.

Ultraschall-Emulgatoren 3x UIP1000hdT für Wasser-in-Diesel-Emulsionen

3x UIP1000hdT Ultraschall-Emulsionssystem für Wasser-in-Diesel-Emulsionen

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Ultraschall-Wasser-in-Diesel
für:

  • Eisenbahn-Lokomotiven
  • Schiffen
  • stationäre Stromerzeuger

Ternäre Phase Emulsion

Eine Ternärphasen-Emulsion, auch als Dreiphasen-Emulsion bekannt, besteht aus Wasser, Öl und einem Tensid. Bei der Ultraschall-Emulgierung des Wassers in die Dieselphase wird ein Tensid zugegeben. Der Emulgator verlängert die Emulsionsstabilität und ermöglicht die Lagerung des Wasser-in-Diesel-Kraftstoffs. Die Stabilität der W/D-Emulsion hängt vom Emulgator, den Prozessparametern des Ultraschalls und der Temperatur ab. Mit der richtigen Kombination von Tensid und Beschallungsparametern kann eine signifikante Langzeitstabilität von WiDE erreicht werden.

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

Vorteile von Ultraschall-Dieselemulsionen

  • feinkörnige Emulsion
  • variabler Wassergehalt
  • mit oder ohne Tensid
  • kurze Bearbeitungszeit
  • einfach zu installieren
  • betriebssicher
  • geringe Investition, schnelle Rendite
  • Geringer Wartungsaufwand
  • einfache Nachrüstung
  • keine Änderungen am Motor

Was macht WiDE-Kraftstoffe effizienter? – Das Phänomen der Mikro-Explosion

Wasser-in-Diesel-Emulsionskraftstoffe bestehen aus suspendierten Wasserpartikeln in einer kontinuierlichen Dieselphase. Bei der Verbrennung erreichen die feinkörnigen Wassertröpfchen im Emulsionsbrennstoff ihre überhitzte Stufe schneller als der Diesel und erzeugen bei der Verbrennung eine Dampfexpansionsauflösung (spontane Explosion), wodurch sehr feine Partikel entstehen. Durch die vergrößerte Oberfläche der winzigen Partikel in Verbindung mit der Ansaugluft wird die Luft- und Brennstoffmischung deutlich verbessert und erhöht dadurch die Verbrennungseffizienz. (Iwanow, Nevedov 1965)

Hochleistungs-Ultraschall-Emulgiersysteme

Hielscher Ultrasonics liefert Hochleistungs-Ultraschallprozessoren für die kontinuierliche Herstellung von hochwertigen (Nano-)Emulsionen. Überlegene Ultraschallleistung, Robustheit und ein kleiner Platzbedarf machen die Hielscher Ultraschallgeräte zum idealen Mischsystem für Wasser-in-Diesel-Emulsionsbrennstoffe. Ob Sie Emulsionsbrennstoffe für die Direkteinspritzung in einen Verbrennungsmotor oder stabile Emulsionsbrennstoffe für die Lagerung und spätere Verbrennung herstellen wollen, Hielscher Ultrasonics hat die für Ihre Anwendung am besten geeignete Anlage. Von kleineren Ultraschall-Emulsionsanlagen für die Integration in Eisenbahnlokomotiven und Binnenschiffe bis hin zur Erzeugung von großen Aquabrennstoffmengen für Kraftwerke und riesige Seeschiffe – Unsere Cluster von Ultraschallprozessoren ermöglichen die Verarbeitung von Emulsionsbrennstoff in jedem beliebigen Volumen.
Neben der hohen Ultraschallleistung, Zuverlässigkeit und Robustheit hat Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können 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 ermöglicht es, exakte Prozessparameter für einen standardisierten Emulsionsbrennstoff von gleichbleibend hoher Qualität festzulegen und einzustellen. Der ummantelte Ultraschallflussreaktor kann effizient gekühlt werden und ermöglicht die Verarbeitung der Emulsion bei bestimmten Temperaturen. Die Robustheit unserer Ultraschallgeräte ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
0.5 bis 4L/min UP200Ht, UP400St
1 bis 8L/min UIP2000hdT
2 bis 20L/min UIP4000hdT
30 bis 300L/min UIP16000
größere Cluster aus UIP16000

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Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren für die Dispersion, Emulgierung und Zellenextraktion her.

Leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren von Labor bis Pilot- und industrieller Maßstab.

Literatur



Wissenswertes

Aquafuels / Wasser-in-Diesel-Kraftstoffe

Eine Emulsion ist ein flüssiges System, das aus zwei oder mehreren nicht mischbaren Flüssigkeiten besteht, wobei eine oder mehrere Phasen (disperse Phase) in der anderen (kontinuierliche Phase) fein dispergiert sind. Für Wasser – Dieselkraftstoff-Emulsionen wird Wasser als feine Tröpfchen in der kontinuierlichen Dieselkraftstoffphase dispergiert. Diese Art von Emulsion ist als "Wasser-in-Brennstoff"-Emulsion oder als Aquafuel bekannt.