Ultraschallemulsionen für die Verbrennung von Wasser-in-Diesel-Kraftstoffen

Mit Diesel betriebene Stromgeneratoren, Schiffsmotoren und Lokomotivmotoren lassen sich durch den Einsatz von Wasser-in-Diesel-Emulsionen effizienter betreiben. Wasser-Diesel-Emulsionskraftstoffe senken den Kraftstoffverbrauch und die Verbrennungstemperatur, verbrennen sauberer und reduzieren Emissionen wie NOx und Ruß. Die Ultraschallemulgierung ist eine zuverlässige, einfache und wirksame Methode zur Herstellung hochwertiger Wasser-in-Diesel-Kraftstoffe.

Ultraschallemulgierung von Wasser in Diesel

Wasser-in-Diesel-Emulsionen (WiDE; W/D-Emulsionskraftstoff) sind eine modifizierte Dieselkraftstoffalternative, die bis zu 15% Wasser enthält. Bei Wasser-Diesel-Emulsionen, die auch als Aquafuel bezeichnet werden, werden Wassertröpfchen mittels Ultraschall in die kontinuierliche Dieselphase emulgiert. Die intensive Beschallung von Flüssigkeiten erzeugt akustische Kavitation. Die durch Kavitation entstehenden Scherkräfte zerkleinern die Tröpfchen und erzeugen eine homogene Emulsion aus den ansonsten nicht mischbaren Wasser- und Dieselphasen.

Wasser-in-Diesel-Emulsion

WiDE (W/D-Emulsion) ist als Gemisch der von Natur aus nicht mischbaren Flüssigkeiten Wasser und Diesel definiert, bei dem Wassertröpfchen die disperse beziehungsweise innere Phase und Diesel die kontinuierliche beziehungsweise äußere Phase bilden. Ein Emulgator wird in geringer Konzentration zugesetzt, um die Stabilität der Emulsion zu verbessern und den Energiebedarf beim Mischen zu senken.

Zweiphasenemulsion

Eine Zweiphasenemulsion bezeichnet das Gemisch von Wasser in Diesel ohne Verwendung eines Tensids. Für eine zweiphasige WiDE werden die zugeführten Wasser- und Dieselströme unmittelbar vor dem Motor mittels Ultraschall emulgiert. Die mit Ultraschall erzeugte zweiphasige Wasser-in-Diesel-Emulsion gelangt direkt aus dem Ultraschall-Durchflusszellenreaktor in den Verbrennungsmotor. Ohne Tensid ist die Emulsion nicht zur Lagerung, sondern zur direkten Verbrennung bestimmt.

Fallstudie zu Wasser-Diesel-Emulsionskraftstoff

Versuchsaufbau

Ithnin et al. (2018) untersuchten die Wirkung von Wasser-in-Diesel-Emulsionskraftstoff (WiDE) auf einen Einzylinder-Dieselmotor mit Direkteinspritzung. Wasser und Diesel wurden in getrennten Behältern gelagert und von dort quantitativ in ein Mischsystem überführt. Das Mischsystem bestand aus einer Kombination aus Hochschermischer und Ultraschallhomogenisator. Der Schermischer erzeugte eine grobe Vormischung aus Wasser und Diesel, während die Beschallung zur Herstellung einer feintropfigen, gleichmäßigen Emulsion diente. Die Wasser-Diesel-Emulsion wurde mit 5% Wasser hergestellt. Der homogene WiDE-Kraftstoff wurde direkt aus dem Mischsystem in den Motor geleitet. Der hergestellte 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 bei einer konstanten Drehzahl von 3000 rpm getestet. Um die Auswirkungen auf das Leistungsverhalten des Kraftstoffs und die Emissionen zu vergleichen, wurden außerdem ein durch Tensid stabilisierter Emulsionskraftstoff (stabile Emulsion (SW/D)) und reiner Dieselkraftstoff (D2) am selben Motor getestet. Sowohl für die instabile als auch für die stabile Emulsion wurden 5% Wasser verwendet.

Ergebnisse

Der Motorversuch zeigt, dass Wasser-Diesel-Emulsionskraftstoff ohne Tensid (UW/D) gegenüber reinem Dieselkraftstoff eine deutliche Verbesserung des Motorbetriebs bewirkt: Der effektive thermische Wirkungsgrad (BTE) steigt um 3,59%, und der auf die effektive Motorleistung bezogene spezifische Kraftstoffverbrauch (BSFC) sinkt um 3,89%. Sowohl die stabilisierten (SW/D) als auch die nicht stabilisierten (UW/D) Emulsionskraftstoffe erhöhten den thermischen Wirkungsgrad des Motors aufgrund des Mikroexplosionsphänomens. Dieses Phänomen führt zu einer raschen Verdampfung der emulgierten Wassertröpfchen. Da die winzigen Wassertröpfchen von Öl umgeben sind, zerreißt der intensive Verdampfungsprozess die Tröpfchen heftig in sehr feine Partikel, was die Vermischung von Luft und Kraftstoff fördert. Die Zerkleinerung der Tröpfchen und die Vermischung mit Luft erhöhen die Verbrennungseffizienz erheblich.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Konzept, Wasser-Diesel-Emulsionskraftstoff ohne Tensid in Echtzeit herzustellen und in den Motor zu leiten, sehr gut funktioniert. Die unmittelbare Weiterleitung des mittels Ultraschall hergestellten Wasser-Diesel-Gemischs beseitigt sowohl das Stabilisierungsproblem bei gelagertem Emulsionskraftstoff als auch die Abhängigkeit von Tensiden. Der instabile Wasser-Diesel-Emulsionskraftstoff (UW/D) behielt seine Emulsionsform zuverlässig bei, ohne dass innerhalb von 25 sec Sedimentation eintrat (siehe Abbildung unten).

Zeitlicher Verlauf des Tröpfchenverhaltens von mittels Ultraschall emulgiertem Wasser-in-Diesel-Emulsionskraftstoff: a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s und d) 132 s. (Vergrößerung 1000×) – Ithnin et al. 2018

Im Vergleich zu reinem Dieselkraftstoff verursacht der Wasser-in-Diesel-Emulsionskraftstoff deutlich geringere Abgasemissionen von Stickoxiden (NOx) und Partikeln (PM), mit einer durchschnittlichen Reduktion um 31,66% beziehungsweise 16,33%.

Insgesamt helfen mittels Ultraschall hergestellte Emulsionen – ob instabil oder durch Tenside stabilisiert –, Dieselkraftstoff einzusparen und Abgasemissionen zu reduzieren.
Umweltfreundlichere Abgasemissionen und Kraftstoffeinsparungen durch Ultraschall!

Primäre und sekundäre Zerstäubung in der Sprühflamme eines emulgierten Kraftstoffs.

Dreiphasenemulsion

Eine ternäre Emulsion, auch als Dreiphasenemulsion bezeichnet, besteht aus Wasser, Öl und einem Tensid. Während der Ultraschallemulgierung des Wassers in die Dieselphase wird ein Tensid zugesetzt. 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 Ultraschall-Prozessparametern und der Temperatur ab. Mit der richtigen Kombination aus Tensid und Beschallungsparametern lässt sich eine hohe Langzeitstabilität von WiDE erreichen.

Die Installation und Nachrüstung eines Ultraschall-Emulgiersystems ist einfach, sicher und kostengünstig. W/D-Emulsionskraftstoffe können ohne Modifikationen mit allen herkömmlichen Dieselmotoren eingesetzt werden (z. B. in Stromgeneratoren, Lokomotiven und Schiffen).

Was macht WiDE-Kraftstoffe effizienter? – Das Mikroexplosionsphänomen

Wasser-in-Diesel-Emulsionskraftstoffe bestehen aus suspendierten Wasserpartikeln in einer kontinuierlichen Dieselphase. Bei der Verbrennung erreichen die feinen Wassertröpfchen im Emulsionskraftstoff ihren überhitzten Zustand schneller als der Diesel. Die daraus resultierende Dampfexpansion führt während der Verbrennung zu einem Zerfall (spontane Explosion), bei dem sehr feine Partikel entstehen. Durch die vergrößerte Oberfläche der winzigen Partikel in Verbindung mit der Ansaugluft wird die Vermischung von Luft und Kraftstoff deutlich verbessert und dadurch die Verbrennungseffizienz erhöht. (Ivanov, Nevedov 1965)

Hochleistungs-Ultraschall-Emulgiersysteme

Hielscher Ultrasonics liefert leistungsstarke Ultraschallprozessoren für die kontinuierliche Herstellung hochwertiger (Nano-)Emulsionen. Überlegene Ultraschallleistung, Robustheit und ein geringer Platzbedarf machen die Ultraschallgeräte von Hielscher zum idealen Mischsystem für Wasser-in-Diesel-Emulsionskraftstoffe. Ob Sie Emulsionskraftstoffe zur Direkteinspritzung in einen Verbrennungsmotor oder stabile Emulsionskraftstoffe zur Lagerung und späteren Verbrennung herstellen möchten: Hielscher Ultrasonics bietet die passende Anlagenkonfiguration für Ihre Anwendung. Von kleineren Ultraschall-Emulgiersystemen zur Integration in Lokomotiven und Binnenschiffe bis zur Herstellung großer Aquafuel-Mengen für Kraftwerke und große Seeschiffe – unsere Verbünde aus Ultraschallprozessoren ermöglichen die Verarbeitung beliebiger Mengen an Emulsionskraftstoff.
Neben hoher Ultraschallleistung, Zuverlässigkeit und Robustheit bieten die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics eine präzise Steuerung und Überwachung. Temperatur- und Drucksensoren übertragen die Daten an den Generator, wo alle wichtigen Prozessparameter wie Amplitude, Netto- und Gesamtenergie, Temperatur und Druck auf einer integrierten SD-Karte aufgezeichnet werden. Die intelligente Softwaresteuerung ermöglicht es, genaue Prozessparameter für einen standardisierten Emulsionskraftstoff von gleichbleibend hoher Qualität festzulegen und einzustellen. Der doppelwandige Ultraschall-Durchflussreaktor lässt sich effizient kühlen und ermöglicht die Verarbeitung der Emulsion bei vorgegebenen Temperaturen. Die Robustheit unserer Ultraschallgeräte ermöglicht einen 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: