Γαλακτώματα νερού σε πετρέλαιο κίνησης με υπερήχους για καύση

Οι ηλεκτρογεννήτριες, οι κινητήρες πλοίων και οι κινητήρες σιδηροδρομικών οχημάτων που τροφοδοτούνται με πετρέλαιο κίνησης μπορούν να λειτουργούν αποδοτικότερα όταν χρησιμοποιούνται γαλακτώματα νερού σε πετρέλαιο κίνησης. Τα καύσιμα γαλακτώματος νερού και πετρελαίου κίνησης μειώνουν την κατανάλωση καυσίμου, μειώνουν τη θερμοκρασία καύσης, καίγονται καθαρότερα και μειώνουν τις εκπομπές, όπως τα NOx και η αιθάλη. Η γαλακτωματοποίηση με υπερήχους είναι μια αξιόπιστη, απλή και αποτελεσματική μέθοδος για την παραγωγή καυσίμων νερού σε πετρέλαιο κίνησης υψηλής ποιότητας.

Γαλακτωματοποίηση νερού σε πετρέλαιο κίνησης με υπερήχους

Τα γαλακτώματα νερού σε πετρέλαιο κίνησης (WiDE· καύσιμο γαλακτώματος W/D) αποτελούν μια τροποποιημένη εναλλακτική μορφή καυσίμου ντίζελ, η οποία περιέχει έως και 15% νερό. Στα γαλακτώματα νερού και πετρελαίου κίνησης, γνωστά και ως υδατοκαύσιμα, τα σταγονίδια νερού γαλακτωματοποιούνται με υπερήχους μέσα στη συνεχή φάση του πετρελαίου κίνησης. Η έντονη κατεργασία υγρών με υπερήχους δημιουργεί ακουστική σπηλαίωση. Οι δυνάμεις διάτμησης που προκαλούνται από τη σπηλαίωση διασπούν τα σταγονίδια και παράγουν ένα ομοιογενές γαλάκτωμα των κατά τα άλλα μη αναμείξιμων φάσεων νερού και πετρελαίου κίνησης.

Γαλάκτωμα νερού σε πετρέλαιο κίνησης

Το WiDE (γαλάκτωμα W/D) ορίζεται ως μείγμα των εκ φύσεως μη αναμείξιμων υγρών, με σταγονίδια νερού (διεσπαρμένη/εσωτερική φάση) μέσα σε πετρέλαιο κίνησης (συνεχής/εξωτερική φάση). Προστίθεται ένας γαλακτωματοποιητής σε χαμηλές συγκεντρώσεις, προκειμένου να βελτιωθεί η σταθερότητα του γαλακτώματος και να μειωθεί η απαιτούμενη ενέργεια ανάμειξης.

Διφασικό γαλάκτωμα

Ένα διφασικό γαλάκτωμα περιγράφει το μείγμα νερού σε πετρέλαιο κίνησης χωρίς τη χρήση οποιασδήποτε επιφανειοδραστικής ουσίας. Για ένα διφασικό WiDE, τα ρεύματα τροφοδοσίας νερού και πετρελαίου κίνησης γαλακτωματοποιούνται με υπερήχους ακριβώς πριν από την είσοδο στον κινητήρα. Το διφασικό γαλάκτωμα νερού σε πετρέλαιο κίνησης που παράγεται με υπερήχους διοχετεύεται απευθείας από τον αντιδραστήρα υπερήχων με κυψελίδα ροής στον κινητήρα εσωτερικής καύσης. Χωρίς επιφανειοδραστική ουσία, το γαλάκτωμα δεν προορίζεται για αποθήκευση, αλλά για άμεση καύση.

Μελέτη περίπτωσης καυσίμου γαλακτώματος νερού και πετρελαίου κίνησης

Η πειραματική διάταξη

Οι Ithnin et al. (2018) μελέτησαν την επίδραση του καυσίμου γαλακτώματος νερού σε πετρέλαιο κίνησης (WiDE) σε έναν μονοκύλινδρο πετρελαιοκινητήρα άμεσου ψεκασμού. Το νερό και το πετρέλαιο κίνησης αποθηκεύονταν σε διαφορετικές μονάδες, από τις οποίες μεταφέρθηκαν ποσοτικά σε ένα σύστημα ανάμειξης. Το σύστημα ανάμειξης αποτελούνταν από έναν συνδυασμό αναμικτήρα υψηλής διάτμησης και ομογενοποιητή υπερήχων. Ο αναμικτήρας διάτμησης παρείχε ένα αδρό προμείγμα νερού και πετρελαίου κίνησης, ενώ η κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή ενός ομοιόμορφου γαλακτώματος με λεπτά σταγονίδια. Το γαλάκτωμα νερού και πετρελαίου κίνησης παρασκευάστηκε με 5% νερό. Το ομοιογενές καύσιμο WiDE μεταφέρθηκε απευθείας από το σύστημα ανάμειξης στον κινητήρα. Το παρασκευασμένο καύσιμο WiDE δεν περιείχε επιφανειοδραστικές ουσίες και, επομένως, χαρακτηρίστηκε ως καύσιμο γαλακτώματος μη σταθερό μακροπρόθεσμα (UW/D). Ο πετρελαιοκινητήρας δοκιμάστηκε υπό τέσσερις διαφορετικές συνθήκες φορτίου (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) και με σταθερή ταχύτητα περιστροφής 3000 rpm. Προκειμένου να συγκριθούν οι επιδράσεις, όπως η απόδοση του καυσίμου και οι εκπομπές, δοκιμάστηκαν επίσης στον ίδιο κινητήρα ένα καύσιμο γαλακτώματος σταθεροποιημένο με επιφανειοδραστική ουσία (σταθερό γαλάκτωμα (SW/D)) και αμιγές πετρέλαιο κίνησης (D2). Χρησιμοποιείται 5% νερό τόσο για το μη σταθερό όσο και για το σταθερό γαλάκτωμα.

Τα αποτελέσματα

Η δοκιμή του κινητήρα δείχνει ότι το καύσιμο γαλακτώματος νερού σε πετρέλαιο κίνησης χωρίς επιφανειοδραστική ουσία (UW/D) επιφέρει σημαντική βελτίωση της λειτουργίας του κινητήρα, με αύξηση του ωφέλιμου θερμικού βαθμού απόδοσης (BTE) κατά 3,59% και μείωση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου ως προς την ωφέλιμη ισχύ (BSFC) κατά 3,89% σε σύγκριση με το καθαρό πετρέλαιο κίνησης. Τα καύσιμα γαλακτώματος, τόσο τα σταθεροποιημένα (SW/D) όσο και τα μη σταθεροποιημένα (UW/D), αύξησαν τον θερμικό βαθμό απόδοσης του κινητήρα λόγω του φαινομένου της μικροέκρηξης. Το φαινόμενο της μικροέκρηξης προκαλεί ταχεία εξάτμιση των γαλακτωματοποιημένων σταγονιδίων νερού. Καθώς τα μικροσκοπικά σταγονίδια νερού περιβάλλονται από έλαιο, η έντονη διεργασία εξάτμισης διασπά βίαια τα σταγονίδια σε πολύ λεπτά σωματίδια, γεγονός που ευνοεί την ανάμειξη αέρα και καυσίμου. Η διάσπαση των σταγονιδίων και η ανάμειξη με τον αέρα αυξάνουν σημαντικά την απόδοση της καύσης.
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ιδέα της παραγωγής και μεταφοράς του καυσίμου γαλακτώματος νερού σε πετρέλαιο κίνησης σε πραγματικό χρόνο στον κινητήρα, χωρίς τη χρήση επιφανειοδραστικής ουσίας, λειτουργεί πολύ καλά. Η άμεση μεταφορά του μείγματος νερού και πετρελαίου κίνησης που παρασκευάζεται με υπερήχους εξαλείφει το πρόβλημα σταθεροποίησης του αποθηκευμένου καυσίμου γαλακτώματος, καθώς και την εξάρτηση από επιφανειοδραστικές ουσίες. Το ασταθές καύσιμο γαλακτώματος νερού σε πετρέλαιο κίνησης (UW/D) διατήρησε αξιόπιστα τη μορφή του γαλακτώματος χωρίς να φτάσει στο στάδιο της καθίζησης εντός 25sec (βλ. εικόνα παρακάτω).

Συμπεριφορά των σταγονιδίων καυσίμου γαλακτώματος νερού σε πετρέλαιο κίνησης, γαλακτωματοποιημένου με υπερήχους, με την πάροδο του χρόνου: a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s και d) 132 s. (μεγέθυνση 1000×) – Ithnin et al. 2018

Σε σύγκριση με το καθαρό πετρέλαιο κίνησης, το καύσιμο γαλακτώματος νερού σε πετρέλαιο κίνησης παρουσιάζει σημαντικά μειωμένες εκπομπές οξειδίων του αζώτου (NOx) και αιωρούμενων σωματιδίων (PM) στα καυσαέρια, με μέση μείωση κατά 31,66% και 16,33% αντίστοιχα.

Συνολικά, τα γαλακτώματα που παρασκευάζονται με υπερήχους – είτε ασταθή είτε σταθεροποιημένα με επιφανειοδραστική ουσία – συμβάλλουν στην εξοικονόμηση πετρελαίου κίνησης και στη μείωση των εκπομπών καυσαερίων.
Πιο φιλικές προς το περιβάλλον εκπομπές καυσαερίων και εξοικονόμηση καυσίμου με υπερήχους!

Πρωτογενής και δευτερογενής εκνέφωση στη φλόγα ψεκασμού γαλακτωματοποιημένου καυσίμου.

Τριφασικό γαλάκτωμα

Ένα τριμερές γαλάκτωμα, γνωστό και ως τριφασικό γαλάκτωμα, αποτελείται από νερό, έλαιο και μια επιφανειοδραστική ουσία. Κατά τη γαλακτωματοποίηση του νερού στη φάση του πετρελαίου κίνησης με υπερήχους, προστίθεται μια επιφανειοδραστική ουσία. Ο γαλακτωματοποιητής παρατείνει τη σταθερότητα του γαλακτώματος και επιτρέπει την αποθήκευση του καυσίμου νερού σε πετρέλαιο κίνησης. Η σταθερότητα του γαλακτώματος W/D εξαρτάται από τον γαλακτωματοποιητή, τις παραμέτρους της διεργασίας υπερήχων και τη θερμοκρασία. Με τον κατάλληλο συνδυασμό επιφανειοδραστικής ουσίας και παραμέτρων κατεργασίας με υπερήχους, μπορεί να επιτευχθεί σημαντική μακροχρόνια σταθερότητα του WiDE.

Η εγκατάσταση ενός συστήματος γαλακτωματοποίησης με υπερήχους και η εκ των υστέρων ενσωμάτωσή του σε υπάρχοντα εξοπλισμό είναι απλές, ασφαλείς και οικονομικές. Τα καύσιμα γαλακτώματος W/D μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με οποιονδήποτε συμβατικό κινητήρα ντίζελ (π.χ. ηλεκτρογεννήτριες, κινητήρες σιδηροδρομικών μηχανών, κινητήρες πλοίων) χωρίς τροποποίηση.

Τι κάνει τα καύσιμα WiDE πιο αποδοτικά; – Το φαινόμενο της μικροέκρηξης

Τα καύσιμα γαλακτώματος νερού σε πετρέλαιο κίνησης αποτελούνται από αιωρούμενα σωματίδια νερού σε μια συνεχή φάση πετρελαίου κίνησης. Κατά την καύση, τα λεπτά σταγονίδια νερού στο καύσιμο γαλακτώματος φτάνουν σε κατάσταση υπερθέρμανσης ταχύτερα από το πετρέλαιο κίνησης και προκαλούν διάσπαση λόγω διαστολής του ατμού (αυθόρμητη έκρηξη), δημιουργώντας πολύ λεπτά σωματίδια. Λόγω της αυξημένης επιφάνειας των μικροσκοπικών σωματιδίων σε συνδυασμό με τον αέρα εισαγωγής, η ανάμειξη αέρα και καυσίμου βελτιώνεται σημαντικά, αυξάνοντας έτσι την απόδοση της καύσης. (Ivanov, Nevedov 1965)

Συστήματα γαλακτωματοποίησης με υπερήχους υψηλής απόδοσης

Η Hielscher Ultrasonics προμηθεύει επεξεργαστές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για τη συνεχή παραγωγή (νανο-)γαλακτωμάτων υψηλής ποιότητας. Η ανώτερη απόδοση υπερήχων, η ανθεκτικότητα και το μικρό αποτύπωμα εγκατάστασης καθιστούν τις συσκευές υπερήχων της Hielscher το ιδανικό σύστημα ανάμειξης για καύσιμα γαλακτώματος νερού σε ντίζελ. Είτε θέλετε να παράγετε καύσιμα γαλακτώματος για άμεση έγχυση σε κινητήρα εσωτερικής καύσης είτε σταθερά καύσιμα γαλακτώματος για αποθήκευση και μεταγενέστερη καύση, η Hielscher Ultrasonics διαθέτει την καταλληλότερη διάταξη για την εφαρμογή σας. Από μικρότερα συστήματα γαλακτωματοποίησης με υπερήχους για ενσωμάτωση σε σιδηροδρομικές μηχανές και πλοία εσωτερικής ναυσιπλοΐας έως την παραγωγή μεγάλων όγκων υδατοκαυσίμου για σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής και τεράστια πλοία – οι συστοιχίες επεξεργαστών υπερήχων μας επιτρέπουν την επεξεργασία καυσίμων γαλακτώματος οποιουδήποτε όγκου.
Εκτός από την υψηλή ισχύ υπερήχων, την αξιοπιστία και την ανθεκτικότητα, οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher Ultrasonics παρέχουν δυνατότητα ακριβούς ελέγχου και παρακολούθησης. Αισθητήρες θερμοκρασίας και πίεσης μεταδίδουν τα δεδομένα στη γεννήτρια, όπου όλες οι σημαντικές παράμετροι της διεργασίας, όπως το πλάτος ταλάντωσης, η καθαρή και η συνολική ενέργεια, η θερμοκρασία και η πίεση, καταγράφονται σε ενσωματωμένη κάρτα SD. Ο έξυπνος έλεγχος μέσω λογισμικού επιτρέπει τον καθορισμό και τη ρύθμιση ακριβών παραμέτρων διεργασίας για ένα τυποποιημένο καύσιμο γαλακτώματος σταθερά υψηλής ποιότητας. Ο αντιδραστήρας ροής υπερήχων με μανδύα μπορεί να ψύχεται αποτελεσματικά και επιτρέπει την επεξεργασία του γαλακτώματος σε καθορισμένες θερμοκρασίες. Η ανθεκτικότητα του εξοπλισμού υπερήχων μας επιτρέπει τη λειτουργία 24/7 υπό μεγάλο φορτίο και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας: