Ultraheli emulsioonid vee-diislikütuse põletamiseks

Diislikütusega töötavaid elektrigeneraatoreid, laevamootoreid ja raudteemootoreid saab vee-diislikütuse emulsioonide kasutamisel käitada tõhusamalt. Vee-diislikütuse emulsioonkütused vähendavad kütusekulu, alandavad põlemistemperatuuri, põlevad puhtamalt ning vähendavad heitmeid, näiteks NOx-i ja tahma. Ultraheli emulgeerimine on usaldusväärne, lihtne ja tõhus meetod kõrgekvaliteediliste vee-diislikütuse kütuste tootmiseks.

Vee-diislikütuse ultraheli emulgeerimine

Vee-diislikütuse emulsioonid (WiDE; W/D emulsioonkütus) on modifitseeritud diislikütuse alternatiiv, mis sisaldab kuni 15% vett. Vee-diislikütuse emulsioonides, mida tuntakse ka kui aquakütust, emulgeeritakse veepiisad ultraheliga pidevasse diislifaasi. Vedelike intensiivne ultraheli töötlus (sonikeerimine) tekitab akustilist kavitatsiooni. Kavitatsioonist tingitud nihkejõud lõhuvad piisad ja moodustavad muidu segunematutest vee- ja diislifaasidest homogeense emulsiooni.

Vee-diislikütuse emulsioon

WiDE (W/D emulsioon) on defineeritud kui looduslikult segunematute vedelike segu, milles veepiisad (dispergeeritud/sisemine faas) on diislikütuses (pidev/väline faas). Emulsiooni stabiilsuse parandamiseks ja segamisenergia vajaduse vähendamiseks lisatakse väikestes kontsentratsioonides emulgaatorit.

Kahefaasiline emulsioon

Kahefaasiline emulsioon tähistab vee ja diislikütuse segu ilma pindaktiivset ainet kasutamata. Kahefaasilise WiDE puhul emulgeeritakse vee- ja diislivoolud ultraheliga vahetult enne mootorit. Ultraheli abil valmistatud kahefaasiline vee-diislikütuse emulsioon liigub otse ultraheli läbivoolukambriga reaktorist sisepõlemismootorisse. Ilma pindaktiivse aineta ei ole emulsioon mõeldud ladustamiseks, vaid otseseks põletamiseks.

Vee-diislikütuse emulsioonkütuse juhtumiuuring

Katseseade

Ithnin et al. (2018) uurisid vee-diislikütuse emulsioonkütuse (WiDE) mõju ühesilindrilisele otsesissepritsega diiselmootorile. Vett ja diislikütust hoiti eraldi mahutites, millest need kanti kvantitatiivselt segamissüsteemi. Segamissüsteem koosnes suure nihkejõuga segisti ja ultraheli homogenisaatori kombinatsioonist. Nihkesegisti tagas vee ja diislikütuse jämeda eelsegu, samal ajal kui ultraheli töötlust (sonikeerimist) kasutati peeneks ja ühtlaseks emulsiooniks. Vee-diislikütuse emulsioon valmistati 5% veega. Homogeenne WiDE kütus suunati segamissüsteemist otse mootorisse. Valmistatud WiDE kütus ei sisaldanud pindaktiivseid aineid, mistõttu nimetati seda pikaajaliselt ebastabiilseks emulsioonkütuseks (UW/D). Diiselmootorit katsetati nelja erineva koormuse juures (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) ja püsiva pöörlemiskiirusega 3000 p/min. Kütuse jõudluse ja heitmete sarnaste mõjude võrdlemiseks katsetati samal mootoril ka pindaktiivse ainega stabiliseeritud emulsioonkütust (stabiilne emulsioon (SW/D)) ja puhast diislikütust (D2). Nii ebastabiilse kui ka stabiilse emulsiooni puhul kasutatakse 5% vett.

Tulemused

Mootorikatse näitab, et pindaktiivse aineta vesi-diislikütuse emulsioonkütus (UW/D) parandab mootori tööd oluliselt: pidurdustermiline kasutegur (BTE) suureneb 3,59% ja pidurdusmenetluse eripõhine kütusekulu (BSFC) väheneb 3,89% võrreldes puhta diislikütusega. Emulsioonkütused, nii stabiliseeritud (SW/D) kui ka stabiliseerimata (UW/D), suurendasid mootori termilist kasutegurit mikroplahvatuse nähtuse tõttu. Mikroplahvatuse nähtus põhjustab emulgeeritud veetilkade kiire aurustumise. Kuna väikesed veetilgad on õliga ümbritsetud, rebib intensiivne aurustumisprotsess tilgad vägivaldselt väga peenteks osakesteks, mis soodustab õhu ja kütuse segunemist. Tilkade lõhkumine ja segunemine õhuga suurendab põlemise efektiivsust märkimisväärselt.
Tulemused näitavad, et vesi-diislikütuse emulsioonkütuse tootmise ja reaalajas mootorisse juhtimise kontseptsioon ilma pindaktiivset ainet kasutamata toimib väga hästi. Ultraheliga valmistatud vesi-diislisegu vahetu etteanne kõrvaldab nii ladustatava emulsioonkütuse stabiliseerimisprobleemi kui ka sõltuvuse pindaktiivsest ainest. Ebastabiilne vesi-diislikütuse emulsioonkütus (UW/D) säilitas oma emulsioonivormi usaldusväärselt, jõudmata 25 sekundi jooksul settimisjärku (vt allolevat pilti).

Ultraheliga emulgeeritud vesi-diislikütuse emulsioonkütuse tilkade käitumine aja jooksul: a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s ja d) 132 s. (suurendus 1000×) – Ithnin et al. 2018

Puhta diislikütusega võrreldes on vesi-diislikütuse emulsioonkütuse heitgaasides lämmastikoksiidide (NOx) ja tahkete osakeste (PM) heitkogus oluliselt väiksem: keskmine vähenemine on vastavalt 31,66% ja 16,33%.

Kokkuvõttes aitavad ultraheliga valmistatud emulsioonid – olenemata sellest, kas need on ebastabiilsed või pindaktiivse aine abil stabiliseeritud – säästa diislikütust ja vähendada heitgaaside heitkoguseid.
Roheline heitgaas ja kütusesääst ultraheli abil!

Esmane ja teisene pihustumine emulgeeritud kütuse leegis.

Kolmefaasiline (ternaarne) emulsioon

Ternaarne faasiemulsioon, tuntud ka kui kolmefaasiline emulsioon, koosneb veest, õlist ja pindaktiivsest ainest. Vee ultraheliga emulgeerimisel diislifaasi lisatakse pindaktiivne aine. Emulgaator pikendab emulsiooni stabiilsust ja võimaldab vesi-diislikütust ladustada. W/D emulsiooni stabiilsus sõltub emulgaatorist, ultraheli protsessiparameetritest ja temperatuurist. Pindaktiivse aine ja ultraheli töötluse parameetrite õige kombinatsiooniga on võimalik saavutada WiDE märkimisväärne pikaajaline stabiilsus.

Ultraheli emulgeerimissüsteemi paigaldamine ja järelpaigaldamine on lihtne, ohutu ja odav. W/D emulsioonkütuseid saab kasutada koos mis tahes tavapäraste diiselmootoritega (nt elektrigeneraatorid, raudteemootorid, laevamootorid) ilma muudatusteta.

Mis muudab WiDE kütused tõhusamaks? – Mikroplahvatuse nähtus

Vesi-diislikütuse emulsioonkütused koosnevad pidevas diislifaasis hajutatud veeosakestest. Põlemisel jõuavad emulsioonkütuse peened veetilgad ülekuumenenud seisundini kiiremini kui diislikütus ja tekitavad põlemise ajal auru paisumisest tingitud purunemise (spontaanse plahvatuse), mille tulemusel tekivad väga peened osakesed. Väikeste osakeste suurenenud pindala koos sissevõetava õhuga parandab õhu ja kütuse segunemist märkimisväärselt ning suurendab seeläbi põlemise efektiivsust. (Ivanov, Nevedov 1965)

Suure jõudlusega ultraheli emulgeerimissüsteemid

Hielscher Ultrasonics tarnib suure jõudlusega ultraheliprotsessoreid kvaliteetsete (nano)emulsioonide pidevaks tootmiseks. Suurepärane ultraheli jõudlus, vastupidavus ja väike paigaldusala muudavad Hielscher Ultrasonicators’i ideaalseks segamissüsteemiks vee-diislikütuses emulsioonkütuste jaoks. Olenemata sellest, kas soovite toota emulsioonkütuseid otsesteks sissepritseks põlemismootorisse või stabiilseid emulsioonkütuseid hoiustamiseks ja hilisemaks põletamiseks, on Hielscher Ultrasonicsil teie rakenduse jaoks kõige sobivam lahendus. Alates väiksematest ultraheliemulsioonisüsteemidest, mis on mõeldud raudteeveeremi vedurites ja siseveelaevades kasutamiseks, kuni suurte aquafuel-koguste tootmiseni elektrijaamade ja suurte merelaevade jaoks – meie ultraheliprotsessorite klastrid võimaldavad töödelda emulsioonkütust mis tahes mahus.
Lisaks suurele ultraheli väljundvõimsusele, töökindlusele ja vastupidavusele saab Hielscher Ultrasonicsi tööstuslikke ultraheliprotsessoreid täpselt juhtida ja jälgida. Temperatuuri- ja rõhuandurid edastavad andmed generaatorile, kus kõik olulised protsessiparameetrid, nagu amplituud, netoenergia ja koguenergia, temperatuur ja rõhk, salvestatakse sisseehitatud SD-kaardile. Intelligentne tarkvaraline juhtimine võimaldab määrata ja seadistada täpsed protsessiparameetrid pidevalt kõrge kvaliteediga standardiseeritud emulsioonkütuse jaoks. Soojusvahetusmantliga ultraheli läbivoolureaktorit saab tõhusalt jahutada ning see võimaldab emulsiooni töödelda kindlaksmääratud temperatuuridel. Meie ultraheliseadmete vastupidavus võimaldab 24/7 töörežiimi suure koormuse all ja nõudlikes keskkondades.
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultrahelisonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest: