Tecnología de ultrasonido de Hielscher

Emulsiones ultrasónicas para la combustión del agua en el diesel

Los generadores de energía, los motores de los barcos y los motores de los ferrocarriles, que se alimentan con diesel, pueden funcionar de manera más eficiente cuando se utilizan emulsiones de agua en diesel. Los combustibles de emulsión agua-diesel reducen el consumo de combustible, disminuyen la temperatura de combustión, queman más limpiamente y reducen las emisiones, como las de NOx y hollín. La emulsificación ultrasónica es un método fiable, simple y eficaz para producir combustibles de agua en gasóleo de alta calidad.

Emulsificación ultrasónica de agua en diesel

Las emulsiones de agua en diesel (WiDE; combustible de emulsión W/D) son una alternativa de combustible diesel modificado, que contiene hasta un 15% de agua. También conocido como acuacombustible, en las emulsiones agua-diesel, las gotas de agua se emulsionan ultrasónicamente en la fase continua del diesel. La intensa sonicación de los líquidos genera cavitación acústica. Las fuerzas de cizallamiento cavitacional interrumpen la gota y producen una emulsión homogénea de las fases de agua y diesel, que de otro modo serían inmiscibles.

Emulsión de agua en diesel

WiDE (emulsión W/D) se define como una mezcla de los líquidos naturalmente inmiscibles de gotas de agua (fase dispersa/interna) en el diesel (fase continua/externa). Se añade un agente emulsionante en bajas concentraciones para mejorar la estabilidad de las emulsiones y reducir el requisito de energía de mezcla.

Emulsión bifásica

Una emulsión bifásica describe la mezcla de agua en el diesel sin el uso de ningún surfactante. Para un WiDE de dos fases, las corrientes de alimentación de agua y diesel se emulsionan ultrasónicamente justo delante del motor. La emulsión bifásica ultrasónica de agua en diesel va directamente del reactor de células de flujo ultrasónico al motor de combustión. Sin surfactante, la emulsión no está hecha para el almacenamiento, sino para la combustión directa.

Estudio de caso del combustible de emulsión agua-diesel

La configuración

Ithnin y otros (2018) estudiaron el efecto del combustible de emulsión agua-en-diesel (WiDE) en un motor diesel de inyección directa de un solo cilindro. El agua y el gasóleo se almacenaron en diferentes unidades, de 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 cizallamiento proporcionaba una premezcla cruda de agua y gasóleo, mientras que la sonicación se utilizaba para obtener una emulsión de tamaño fino y uniforme. La emulsión agua-diesel se preparó con un 5% de agua. El combustible homogéneo de WiDE se transfirió directamente del sistema de mezcla al motor. El combustible WiDE preparado no contenía ningún surfactante, por lo que se le denominó combustible de emulsión inestable a largo plazo (UW/D). El motor diesel fue probado bajo 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 los efectos como el rendimiento del combustible y las emisiones, también se probaron en el mismo motor un combustible de emulsión estabilizada con surfactante (emulsión estable (SW/D)) y un combustible diesel puro (D2). El 5% del agua se utiliza tanto para la emulsión inestable como para la estable.

Los resultados

La prueba del motor muestra que el combustible de emulsión agua-diesel sin surfactante (UW/D) da lugar a una mejora significativa del motor con un aumento del 3,59% en la eficiencia térmica de los frenos (BTE) y una reducción del 3,89% en el consumo de combustible específico de los frenos (BSFC) en comparación con el combustible diesel puro. Los combustibles de 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. Como las diminutas gotas de agua están rodeadas de aceite, el intenso proceso de evaporación las convierte violentamente en partículas muy finas, lo que promueve la mezcla de aire y combustible. La interrupción de las gotas y la mezcla con el aire aumenta significativamente la eficiencia de la combustión.
Los resultados muestran que el concepto de producir y transferir el combustible de emulsión agua-diesel en tiempo real al motor sin usar surfactante funciona muy bien. La transferencia inmediata de la mezcla agua-diesel preparada por ultrasonido elimina el problema de estabilización del combustible de la emulsión almacenado, así como la dependencia del surfactante. El combustible de emulsión agua-diesel inestable (UW/D) mantuvo de manera fiable su forma de emulsión sin llegar a la etapa de sedimentación en un plazo de 25seg.

La emulsificación ultrasónica es un método fiable para producir combustibles de emulsión agua-en-diesel sin emulsionantes.

Comportamiento de las gotas de combustible de emulsión de áter en diesel emulsionado ultrasónicamente 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 de emulsión agua en diésel tiene una emisión de escape significativamente reducida de óxidos de nitrógeno (NOx) y partículas (PM) con una reducción media del 31,66% y 16,33% respectivamente.

En general, las emulsiones preparadas por ultrasonido – ya sea inestable o estabilizado por el surfactante – ayudan a ahorrar combustible diesel y a reducir las emisiones de gases de escape.
¡Emisiones de escape más verdes y ahorro de combustible con ultrasonidos!

Ultrasónicamente emulsionado emulsiones de combustible de agua de tamaño nano. (¡Click para agrandar!)

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

Emulsionantes ultrasónicos 3x UIP1000hdT para emulsiones agua-en-diesel

3x UIP1000hdT sistema de emulsión ultrasónica para emulsiones agua-en-diesel

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Agua en diesel ultrasónica
para:

  • locomotoras de ferrocarril
  • embarcaciones marinas
  • generadores de energía estacionarios

Emulsión de fase ternaria

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

La instalación y retroinstalación de un sistema de emulsificación ultrasónica es simple, segura y económica. Los combustibles de emulsión W/D pueden utilizarse en combinación con cualquier motor diesel convencional (por ejemplo, generadores de energía, motores ferroviarios, motores de barcos) sin necesidad de modificación.

Ventajas de los combustibles de emulsión diesel ultrasónicos

  • emulsión de tamaño fino
  • contenido de agua variable
  • con o sin surfactante
  • corto tiempo de procesamiento
  • fácil de instalar
  • seguro para operar
  • baja inversión, rápido retorno de la inversión
  • Bajo mantenimiento
  • simplificar la adición
  • no hay modificaciones en el motor

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

Los combustibles de emulsión agua en diesel consisten en partículas de agua en suspensión en una fase continua de diesel. Al arder, las finas gotas de agua en el combustible de la emulsión alcanzan su etapa de sobrecalentamiento más rápido que el diesel 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 combinado con el aire de entrada, la mezcla de aire y combustible se mejora significativamente y aumenta así la eficiencia de la combustión. (Ivanov, Nevedov 1965)

Sistemas de emulsificación ultrasónica de alto rendimiento

Hielscher Ultrasonics suministra procesadores ultrasónicos de alto rendimiento para la producción continua de (nano)emulsiones de alta calidad. El rendimiento ultrasónico superior, la robustez y el tamaño reducido hacen de los ultrasonidos Hielscher el sistema de mezcla ideal para los combustibles de emulsión agua-en-diesel. Tanto si desea producir combustibles de emulsión para la inyección directa en un motor de combustión como combustibles de emulsión estables para su almacenamiento y posterior combustión, Hielscher Ultrasonics tiene la configuración más adecuada para su aplicación. Desde los sistemas de emulsión ultrasónica más pequeños para la integración en locomotoras de ferrocarril y buques de navegación interior hasta la generación de grandes volúmenes de combustible acuático para centrales eléctricas y grandes buques de navegación marítima. – nuestros grupos de procesadores ultrasónicos permiten el procesamiento de combustible de emulsión de cualquier volumen.
Además de la alta salida de ultrasonidos, la fiabilidad y la robustez, Hielscher Ultrasonics’ los procesadores industriales de ultrasonido pueden ser controlados y monitoreados con precisión. Los sensores de temperatura y presión transmiten los datos al generador, donde se registran todos los parámetros importantes del proceso, como la amplitud, la energía neta y total, la temperatura y la presión en una tarjeta SD incorporada. El control inteligente del software permite establecer y fijar parámetros de proceso exactos para un combustible de emulsión estandarizado de alta calidad continua. El reactor de flujo ultrasónico enchaquetado puede ser enfriado eficientemente y permitir procesar la emulsión a temperaturas especificadas. La robustez de nuestro equipo de ultrasonidos permite un funcionamiento 24 horas al día, 7 días a la semana, en entornos exigentes.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Tasa de flujo Dispositivos recomendados
0.5 a 4L/min UP200Ht, UP400St
1 a 8L/min UIP2000hdT
2 a 20L/min UIP4000hdT
30 a 300L/min UIP16000
mayor Grupo de UIP16000

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Homogeneizadores ultrasónicos de alta potencia de laboratorio a piloto y escala industrial.

Literatura/Referencias



Información interesante

Aquafuels / Agua en combustibles diesel

Una emulsión es un sistema líquido que consiste en dos o más fluidos inmiscibles, en el que una o más fases (fase dispersa) se dispersan finamente en la otra (fase continua). Para el agua – emulsiones de combustible diesel, el agua se dispersa en forma de gotitas finas en la fase continua del combustible diesel. Este tipo de emulsión se conoce como emulsión "agua en combustible" o como acuafuel.