Los generadores eléctricos, los motores de barco y los motores de ferrocarril que funcionan con gasóleo pueden ser más eficientes si se utilizan emulsiones de agua en gasóleo. Las emulsiones de agua y gasóleo reducen el consumo de combustible, disminuyen la temperatura de combustión, tienen una combustión más limpia y reducen las emisiones de NOx y hollín. La emulsificación ultrasónica es un método fiable, sencillo y eficaz para producir combustibles de agua en gasóleo de alta calidad.

Emulsificación ultrasónica de agua en diésel

Las emulsiones de agua en gasóleo (WiDE; W/D emulsion fuel) son una alternativa modificada al gasóleo, que contiene hasta un 15% de agua. También conocido como aqua-combustible, en las emulsiones de agua y gasóleo, las gotas de agua se emulsionan por ultrasonidos en la fase continua del gasóleo. La sonicación intensa de líquidos genera cavitación acústica. Las fuerzas de cizallamiento cavitacional rompen las gotas y producen una emulsión homogénea de las fases de agua y gasóleo, que de otro modo serían inmiscibles.

Emulsión de agua en gasóleo

WiDE (emulsión W/D) se define como la mezcla de líquidos naturalmente inmiscibles de gotas de agua (fase dispersa/interna) en gasóleo (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 gasóleo sin el uso de ningún tensioactivo. En una WiDE bifásica, las corrientes de alimentación de agua y gasóleo se emulsionan por ultrasonidos justo delante del motor. La emulsión bifásica ultrasónica de agua en gasóleo pasa directamente del reactor de celda de flujo ultrasónico al motor de combustión. Sin tensioactivos, la emulsión no se hace para el almacenamiento, sino para la combustión directa.

Estudio de un caso de emulsión de agua y gasóleo

Configuración

Ithnin et al. (2018) estudiaron el efecto del combustible de emulsión de agua en diésel (WiDE) en un motor diésel monocilíndrico de inyección directa. El agua y el diésel se almacenaron en diferentes unidades, desde las cuales se han transferido cuantitativamente a un sistema de mezcla. El sistema de mezcla consistía en una combinación de mezclador de alto cizallamiento y homogeneizador ultrasónico. El mezclador de cizalla proporcionaba una premezcla bruta de agua y gasóleo, mientras que la sonicación se utilizaba para obtener una emulsión fina y uniforme. La emulsión de agua y gasóleo 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 tensioactivos, por lo que se denominó combustible de emulsión inestable a largo plazo (UW/D). El motor diesel se probó en cuatro condiciones de carga diferentes (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) y con una velocidad constante de 3000 rpm. Para comparar efectos como el rendimiento del combustible y las emisiones, también se probaron en el mismo motor una emulsión estabilizada con tensioactivos (emulsión estable (SW/D)) y gasóleo puro (D2). Tanto para la emulsión inestable como para la estable se utilizó un 5% de agua.

Resultados

La prueba del motor muestra que el combustible de emulsión de agua y gasóleo sin tensioactivo (UW/D) produce una mejora significativa del motor con un aumento del 3,59% en la eficiencia térmica del freno (BTE) y una reducción del 3,89% en el consumo específico de combustible del freno (BSFC) en comparación con el gasóleo puro. Los combustibles en emulsión, tanto estabilizados (SW/D) como no estabilizados (UW/D), aumentaron la eficiencia térmica del motor debido al fenómeno de microexplosión. El fenómeno de microexplosión provoca una rápida evaporación de las gotas de agua emulsionada. Dado que las diminutas gotitas de agua están rodeadas de aceite, el intenso proceso de evaporación rompe violentamente las gotitas en partículas muy finas, lo que favorece la mezcla de aire y combustible. La disrupción de las gotas y la mezcla con el aire aumentan significativamente la eficacia de la combustión.
Los resultados muestran que el concepto de producir y transferir el combustible de emulsión de agua y gasóleo en tiempo real al motor sin utilizar tensioactivos funciona muy bien. La transferencia inmediata de la mezcla de agua y gasóleo preparada por ultrasonidos elimina el problema de la estabilización del combustible de emulsión almacenado, así como la dependencia del agente tensioactivo. La emulsión inestable de agua y gasóleo (UW/D) mantuvo de forma fiable su forma de emulsión sin llegar a la fase de sedimentación en 25 segundos (véase la imagen siguiente).

Comportamiento de las gotas de emulsión de agua en gasóleo emulsionada por ultrasonidos a lo largo de a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s y d) 132 s. (ampliación 1000×) – Ithnin et al. 2018

En comparación con el gasóleo puro, la emulsión de agua en gasóleo reduce significativamente las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) y partículas (PM), con una reducción media del 31,66% y el 16,33%, respectivamente.

En general, las emulsiones preparadas por ultrasonidos – ya sea inestable o estabilizado por tensioactivos – ayudan a ahorrar gasóleo y reducen las emisiones de gases de escape.
Emisiones de gases de escape más ecológicas y ahorro de combustible gracias a los ultrasonidos.

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

Emulsión de fase ternaria

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

La instalación y retroinstalación de un sistema de emulsificación por ultrasonidos es sencilla, segura y barata. Los combustibles de emulsión W/D pueden utilizarse en combinación con cualquier motor diésel convencional (por ejemplo, generadores eléctricos, motores ferroviarios, motores de barcos) sin necesidad de modificaciones.

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

Los combustibles de emulsión de agua en gasóleo consisten en partículas de agua en suspensión en una fase continua de gasóleo. Cuando se queman, las finas gotas de agua del combustible en emulsión alcanzan su fase sobrecalentada más rápidamente que el gasóleo y crean una ruptura por expansión de vapor (explosión espontánea) durante la combustión, creando partículas muy finas. Debido al aumento de la superficie de las partículas diminutas combinadas con el aire de admisión, la mezcla de aire y combustible mejora significativamente y aumenta así la eficacia de la combustión. (Ivanov, Nevedov 1965)

Sistemas de emulsificación por ultrasonidos de alto rendimiento

Hielscher Ultrasonics suministra procesadores ultrasónicos de alto rendimiento para la producción continua de (nano)emulsiones de alta calidad. Un rendimiento ultrasónico superior, robustez y un tamaño reducido hacen de los ultrasonicadores de Hielscher el sistema de mezcla ideal para combustibles de emulsión de agua en diésel. Tanto si desea producir combustibles en emulsión para la inyección directa en un motor de combustión como combustibles en emulsión estables para su almacenamiento y posterior combustión, Hielscher Ultrasonics tiene la configuración más adecuada para su aplicación. Desde pequeños sistemas de emulsión por ultrasonidos para la integración en locomotoras de ferrocarril y embarcaciones de navegación interior hasta la generación de grandes volúmenes de aqua-combustible para centrales eléctricas y enormes embarcaciones. – nuestros grupos de procesadores ultrasónicos permiten procesar combustibles en emulsión de cualquier volumen.
Además de un alto rendimiento ultrasónico, fiabilidad y robustez, Hielscher Ultrasonics’ Los procesadores ultrasónicos industriales pueden controlarse y supervisarse con precisión. 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 de software inteligente permite establecer y configurar parámetros de proceso exactos para un combustible de emulsión estandarizado de alta calidad continua. El reactor de flujo ultrasónico encamisado puede refrigerarse eficazmente y permite procesar la emulsión a temperaturas especificadas. La robustez de nuestros equipos de ultrasonidos permite un funcionamiento ininterrumpido en entornos exigentes.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: