Emulsiones ultrasónicas para la combustión de agua en diésel

Los generadores eléctricos, los motores de buques y los motores ferroviarios alimentados con diésel pueden funcionar con mayor eficiencia cuando se utilizan emulsiones de agua en diésel. Los combustibles emulsionados de agua y diésel reducen el consumo de combustible, disminuyen la temperatura de combustión, arden de forma más limpia y reducen emisiones como las de NOx y hollín. La emulsificación ultrasónica es un método fiable, sencillo y eficaz para producir combustibles de agua en diésel de alta calidad.

Emulsificación ultrasónica de agua en diésel

Las emulsiones de agua en diésel (WiDE; combustible emulsionado W/D) son una alternativa de combustible diésel modificado que contiene hasta un 15% de agua. También conocidas como acuacombustibles, estas emulsiones se obtienen mediante la emulsificación ultrasónica de gotas de agua en la fase continua de diésel. La sonicación intensa de líquidos genera cavitación acústica. Las fuerzas de cizallamiento debidas a la cavitación fragmentan las gotas y producen una emulsión homogénea de las fases de agua y diésel, que de otro modo son inmiscibles.

Emulsión de agua en diésel

WiDE (emulsión W/D) se define como una mezcla de líquidos naturalmente inmiscibles formada por gotas de agua (fase dispersa/interna) en diésel (fase continua/externa). Se añade un agente emulsionante en bajas concentraciones para mejorar la estabilidad de la emulsión y reducir la energía necesaria para la mezcla.

Emulsión bifásica

Una emulsión bifásica describe la mezcla de agua en diésel sin utilizar ningún tensioactivo. Para obtener una WiDE bifásica, las corrientes de alimentación de agua y diésel se emulsionan mediante ultrasonidos justo antes de entrar en el motor. La emulsión bifásica de agua en diésel obtenida por ultrasonidos pasa directamente del reactor ultrasónico de celda de flujo al motor de combustión. Al no contener tensioactivo, la emulsión está destinada a la combustión directa y no al almacenamiento.

Caso práctico sobre el combustible emulsionado de agua y diésel

La configuración experimental

Ithnin et al. (2018) estudiaron el efecto del combustible emulsionado de agua en diésel (WiDE) en un motor diésel monocilíndrico de inyección directa. El agua y el diésel se almacenaron en unidades separadas, desde las que se transfirieron de forma cuantitativa a un sistema de mezcla. El sistema de mezcla combinaba un mezclador de alto cizallamiento y un homogeneizador ultrasónico. El mezclador de cizallamiento proporcionaba una premezcla gruesa de agua y diésel, mientras que la sonicación se utilizaba para obtener una emulsión uniforme de gotas finas. La emulsión de agua y diésel se preparó con un 5% de agua. El combustible WiDE homogéneo se transfirió directamente del sistema de mezcla al motor. El combustible WiDE preparado no contenía ningún tensioactivo, por lo que se denominó combustible emulsionado inestable a largo plazo (UW/D). El motor diésel se ensayó en cuatro condiciones de carga diferentes (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) y a una velocidad constante de 3000 rpm. Para comparar efectos como el rendimiento del combustible y las emisiones, también se ensayaron en el mismo motor un combustible emulsionado estabilizado con tensioactivo (emulsión estable (SW/D)) y combustible diésel puro (D2). Tanto en la emulsión inestable como en la estable se utiliza un 5% de agua.

Los resultados

El ensayo del motor muestra que el combustible emulsionado de agua y diésel sin tensioactivo (UW/D) mejora significativamente el rendimiento del motor, con un aumento del 3,59% en la eficiencia térmica al freno (BTE) y una reducción del 3,89% en el consumo específico de combustible al freno (BSFC) en comparación con el combustible diésel puro. Los combustibles emulsionados, tanto el estabilizado (SW/D) como el no estabilizado (UW/D), aumentaron la eficiencia térmica del motor debido al fenómeno de microexplosión. Este fenómeno provoca una rápida evaporación de las gotas de agua emulsionadas. Como las diminutas gotas de agua están rodeadas de aceite, el intenso proceso de evaporación fragmenta violentamente las gotas en partículas muy finas, lo que favorece la mezcla de aire y combustible. La fragmentación de las gotas y su mezcla con el aire aumentan significativamente la eficiencia de combustión.
Los resultados muestran que el concepto de producir y transferir al motor el combustible emulsionado de agua y diésel en tiempo real sin utilizar tensioactivo funciona muy bien. La transferencia inmediata de la mezcla de agua y diésel preparada mediante ultrasonidos elimina el problema de estabilización del combustible emulsionado almacenado, así como la dependencia del tensioactivo. El combustible emulsionado inestable de agua y diésel (UW/D) mantuvo de forma fiable su estado de emulsión sin alcanzar la fase de sedimentación durante 25sec (véase la imagen siguiente).

Comportamiento de las gotas del combustible emulsionado de agua en diésel mediante ultrasonidos a lo largo del tiempo: a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s y d) 132 s. (aumento 1000×) – Ithnin et al. 2018

En comparación con el combustible diésel puro, el combustible emulsionado de agua en diésel presenta emisiones de escape significativamente menores de óxidos de nitrógeno (NOx) y partículas (PM), con una reducción media del 31,66% y del 16,33%, respectivamente.

En conjunto, las emulsiones preparadas mediante ultrasonidos –tanto las inestables como las estabilizadas con tensioactivo– ayudan a ahorrar combustible diésel y a reducir las emisiones de escape.
¡Emisiones de escape más limpias y ahorro de combustible con ultrasonidos!

Atomización primaria y secundaria en la llama de pulverización del combustible emulsionado.

Emulsión trifásica

Una emulsión de fase ternaria, también conocida como emulsión trifásica, está compuesta por agua, aceite y un tensioactivo. Durante la emulsificación ultrasónica del agua en la fase de diésel se añade un tensioactivo. El agente emulsionante prolonga la estabilidad de la emulsión y permite almacenar el combustible de agua en diésel. La estabilidad de la emulsión W/D depende del emulsionante, de los parámetros del proceso ultrasónico y de la temperatura. Con la combinación adecuada de tensioactivo y parámetros de sonicación, se puede lograr una estabilidad considerable de WiDE a largo plazo.

La instalación de un sistema de emulsificación ultrasónica y su incorporación a instalaciones existentes son sencillas, seguras y económicas. Los combustibles emulsionados W/D pueden utilizarse con cualquier motor diésel convencional (p. ej., generadores eléctricos, motores ferroviarios y motores de buques) sin necesidad de modificaciones.

¿Qué hace que los combustibles WiDE sean más eficientes? – El fenómeno de microexplosión

Los combustibles emulsionados de agua en diésel están formados por partículas de agua suspendidas en una fase continua de diésel. Durante la combustión, las gotas finas de agua del combustible emulsionado alcanzan el estado de sobrecalentamiento más rápidamente que el diésel y provocan una fragmentación por expansión del vapor (explosión espontánea), que genera partículas muy finas. El aumento de la superficie de estas diminutas partículas, combinado con el aire de admisión, mejora significativamente la mezcla de aire y combustible y, con ello, aumenta la eficiencia de combustión. (Ivanov, Nevedov 1965)

Sistemas de emulsificación ultrasónica de alto rendimiento

Hielscher Ultrasonics suministra procesadores ultrasónicos de alto rendimiento para la producción continua de emulsiones y nanoemulsiones de alta calidad. Su excelente rendimiento ultrasónico, su robustez y su reducido espacio de instalación convierten a los sonicadores Hielscher en el sistema de mezcla ideal para combustibles emulsionados de agua en diésel. Tanto si desea producir combustibles emulsionados para la inyección directa en un motor de combustión como combustibles emulsionados estables para su almacenamiento y posterior combustión, Hielscher Ultrasonics dispone de la configuración más adecuada para su aplicación. Desde pequeños sistemas de emulsificación ultrasónica para su integración en locomotoras ferroviarias y embarcaciones de navegación interior hasta la producción de grandes volúmenes de acuacombustible para centrales eléctricas y buques de gran tamaño –nuestros conjuntos de procesadores ultrasónicos permiten procesar cualquier volumen de combustible emulsionado.
Además de ofrecer una elevada potencia ultrasónica, fiabilidad y robustez, los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics permiten un control y una supervisión precisos. Los sensores de temperatura y presión transmiten los datos al generador, donde todos los parámetros importantes del proceso, como la amplitud, la energía neta y total, la temperatura y la presión, se registran en una tarjeta SD integrada. El control mediante software inteligente permite establecer y ajustar parámetros de proceso exactos para obtener un combustible emulsionado estandarizado de calidad constantemente elevada. El reactor ultrasónico de flujo con camisa puede refrigerarse de forma eficiente y permite procesar la emulsión a temperaturas especificadas. La robustez de nuestros equipos ultrasónicos permite el funcionamiento 24/7 en condiciones de trabajo intensivo y en entornos exigentes.
La tabla siguiente ofrece una orientación sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: