امولسیون‌های فراصوتی برای احتراق آب در دیزل
مولدهای برق، موتورهای کشتی و موتورهای ریلی که با سوخت دیزل کار می‌کنند، با استفاده از امولسیون‌های آب در دیزل می‌توانند بازده بیشتری داشته باشند. سوخت‌های امولسیونی آب–دیزل مصرف سوخت و دمای احتراق را کاهش می‌دهند، پاک‌تر می‌سوزند و انتشار آلاینده‌هایی مانند NOx و دوده را کم می‌کنند. امولسیون‌سازی فراصوتی روشی قابل‌اعتماد، ساده و مؤثر برای تولید سوخت‌های آب در دیزل با کیفیت بالا است.
امولسیون‌سازی فراصوتی آب در دیزل
امولسیون‌های آب در دیزل (WiDE؛ سوخت امولسیونی W/D) نوعی سوخت دیزل اصلاح‌شده و جایگزین هستند که تا 15% آب دارند. در امولسیون‌های آب–دیزل، که با نام آکوافیوئل نیز شناخته می‌شوند، قطرات آب به کمک فراصوت در فاز پیوستهٔ دیزل امولسیون می‌شوند. فراصوت‌دهی شدید مایعات کاویتاسیون آکوستیکی ایجاد می‌کند. نیروهای برشی ناشی از کاویتاسیون قطرات را خرد می‌کنند و از فازهای آب و دیزل، که در حالت عادی امتزاج‌ناپذیرند، امولسیونی همگن به وجود می‌آورند.
امولسیون آب در دیزل
WiDE (امولسیون W/D) به مخلوطی از مایعات ذاتاً امتزاج‌ناپذیر گفته می‌شود که در آن قطرات آب (فاز پراکنده/داخلی) در دیزل (فاز پیوسته/خارجی) قرار دارند. برای بهبود پایداری امولسیون و کاهش انرژی موردنیاز برای اختلاط، عامل امولسیون‌کننده با غلظت کم افزوده می‌شود.
امولسیون دوفازی
امولسیون دوفازی به مخلوط آب در دیزل بدون استفاده از هیچ مادهٔ فعال سطحی گفته می‌شود. برای تهیهٔ WiDE دوفازی، جریان‌های ورودی آب و دیزل درست پیش از ورود به موتور به کمک فراصوت امولسیون می‌شوند. امولسیون دوفازی آب در دیزلِ تهیه‌شده با فراصوت، مستقیماً از راکتور سلول جریان فراصوتی وارد موتور احتراق می‌شود. امولسیون بدون مادهٔ فعال سطحی برای احتراق مستقیم تهیه می‌شود و برای ذخیره‌سازی در نظر گرفته نشده است.
مطالعهٔ موردی سوخت امولسیونی آب–دیزل
آرایش تجهیزات
Ithnin et al. (2018) اثر سوخت امولسیونی آب در دیزل (WiDE) را بر یک موتور دیزل تک‌سیلندر با تزریق مستقیم بررسی کردند. آب و دیزل در واحدهای جداگانه ذخیره شدند و از آن‌ها با مقادیر اندازه‌گیری‌شده به یک سامانهٔ اختلاط انتقال یافتند. سامانهٔ اختلاط ترکیبی از یک میکسر با برش بالا و یک هموژنایزر فراصوتی بود. میکسر برشی پیش‌مخلوطی اولیه از آب و دیزل فراهم می‌کرد، درحالی‌که فراصوت‌دهی برای تولید امولسیونی یکنواخت با قطرات ریز به کار می‌رفت. امولسیون آب–دیزل با 5% آب تهیه شد. سوخت همگن WiDE مستقیماً از سامانهٔ اختلاط به موتور منتقل شد. سوخت WiDE تهیه‌شده هیچ مادهٔ فعال سطحی نداشت و به همین دلیل سوخت امولسیونی ناپایدار در بلندمدت (UW/D) نامیده شد. موتور دیزل در چهار وضعیت بار مختلف (1 kW (25%)، 2 kW (50%)، 3 kW (74%)، 4 kW (100%)) و با سرعت ثابت 3000 rpm آزمایش شد. برای مقایسهٔ اثراتی مانند عملکرد سوخت و انتشار آلاینده‌ها، یک سوخت امولسیونی پایدارشده با مادهٔ فعال سطحی (امولسیون پایدار (SW/D)) و سوخت دیزل خالص (D2) نیز روی همان موتور آزمایش شدند. برای هر دو امولسیون ناپایدار و پایدار، 5% آب استفاده می‌شود.
نتایج
آزمایش موتور نشان می‌دهد که سوخت امولسیونی آب–دیزل بدون مادهٔ فعال سطحی (UW/D)، در مقایسه با سوخت دیزل خالص، با افزایش 3٫59% در بازده حرارتی ترمزی (BTE) و کاهش 3٫89% در مصرف سوخت ویژهٔ ترمزی (BSFC)، عملکرد موتور را به‌طور چشمگیری بهبود می‌دهد. سوخت‌های امولسیونی، چه پایدارشده (SW/D) و چه پایدارنشده (UW/D)، به‌واسطهٔ پدیدهٔ ریزانفجار بازده حرارتی موتور را افزایش دادند. پدیدهٔ ریزانفجار باعث تبخیر سریع قطرات آب امولسیون‌شده می‌شود. ازآنجاکه قطرات بسیار ریز آب در روغن احاطه شده‌اند، فرایند تبخیر شدید، قطرات را با شدت به ذرات بسیار ریز خرد می‌کند و به این ترتیب اختلاط هوا و سوخت را بهبود می‌بخشد. خرد شدن قطرات و اختلاط با هوا، بازده احتراق را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد.
نتایج نشان می‌دهند که راهکار تولید سوخت امولسیونی آب–دیزل و انتقال هم‌زمان آن به موتور، بدون استفاده از مادهٔ فعال سطحی، بسیار خوب عمل می‌کند. انتقال فوری مخلوط آب–دیزلِ تهیه‌شده با فراصوت، هم مشکل پایدارسازی سوخت امولسیونی برای ذخیره‌سازی و هم وابستگی به مادهٔ فعال سطحی را برطرف می‌کند. سوخت امولسیونی ناپایدار آب–دیزل (UW/D) طی 25sec، بدون رسیدن به مرحلهٔ ته‌نشینی، حالت امولسیونی خود را به‌طور قابل‌اعتمادی حفظ کرد (تصویر زیر را ببینید).
رفتار قطرات سوخت امولسیونی آب در دیزلِ امولسیون‌شده با فراصوت در گذر زمان: a) 10 s، b) 25 s، c) 50 s و d) 132 s. (بزرگ‌نمایی 1000×) – Ithnin et al. 2018
در مقایسه با سوخت دیزل خالص، سوخت امولسیونی آب در دیزل انتشار اکسیدهای نیتروژن (NOx) و ذرات معلق (PM) از اگزوز را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد؛ میانگین این کاهش به‌ترتیب 31٫66% و 16٫33% است.
در مجموع، امولسیون‌های تهیه‌شده با فراصوت – چه ناپایدار باشند و چه با مادهٔ فعال سطحی پایدار شده باشند – به صرفه‌جویی در سوخت دیزل و کاهش انتشار آلاینده‌های اگزوز کمک می‌کنند.
آلایندگی کمتر اگزوز و صرفه‌جویی در سوخت با فراصوت!
اتمیزه‌شدن اولیه و ثانویه در شعلهٔ پاششی سوخت امولسیون‌شده.
3x UIP1000hdT سامانهٔ امولسیون‌سازی فراصوتی برای امولسیون‌های آب در دیزل
برای:
- لوکوموتیوهای راه‌آهن
- شناورهای دریایی
- مولدهای برق ثابت
امولسیون سه‌فازی
امولسیون با فازهای سه‌گانه، که امولسیون سه‌فازی نیز نامیده می‌شود، از آب، روغن و یک مادهٔ فعال سطحی تشکیل شده است. هنگام امولسیون‌سازی فراصوتی آب در فاز دیزل، یک مادهٔ فعال سطحی افزوده می‌شود. عامل امولسیون‌کننده مدت پایداری امولسیون را افزایش می‌دهد و امکان ذخیره‌سازی سوخت آب در دیزل را فراهم می‌کند. پایداری امولسیون W/D به عامل امولسیون‌کننده، پارامترهای فرایند فراصوتی و دما بستگی دارد. با ترکیب مناسب مادهٔ فعال سطحی و پارامترهای فراصوت‌دهی می‌توان به پایداری بلندمدت قابل‌توجهی برای WiDE دست یافت.
نصب سامانهٔ امولسیون‌سازی فراصوتی و افزودن آن به تجهیزات موجود، ساده، ایمن و کم‌هزینه است. سوخت‌های امولسیونی W/D را می‌توان بدون تغییر در موتور، با هر موتور دیزل متعارفی (برای مثال، مولدهای برق، موتورهای ریلی و موتورهای کشتی) به کار برد.
- امولسیون با قطرات ریز
- محتوای آب متغیر
- با یا بدون مادهٔ فعال سطحی
- زمان پردازش کوتاه
- نصب آسان
- بهره‌برداری ایمن
- سرمایه‌گذاری کم، بازگشت سریع سرمایه
- نیاز کم به نگهداری
- افزودن آسان به تجهیزات موجود
- بدون تغییر در موتور
چه چیزی بازده سوخت‌های WiDE را افزایش می‌دهد؟ – پدیدهٔ ریزانفجار
سوخت‌های امولسیونی آب در دیزل از ذرات آب معلق در یک فاز پیوستهٔ دیزل تشکیل شده‌اند. هنگام احتراق، قطرات ریز آب در سوخت امولسیونی زودتر از دیزل به حالت فوق‌گرم می‌رسند و با ایجاد گسیختگی ناشی از انبساط بخار (انفجار خودبه‌خودی) در حین احتراق، ذرات بسیار ریزی به وجود می‌آورند. افزایش سطح ذرات بسیار ریز در تماس با هوای ورودی، اختلاط هوا و سوخت را به‌طور چشمگیری بهبود می‌بخشد و در نتیجه بازده احتراق را افزایش می‌دهد. (Ivanov, Nevedov 1965)
سامانه‌های امولسیون‌سازی فراصوتی با عملکرد بالا
Hielscher Ultrasonics پردازشگرهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای تولید پیوستهٔ امولسیون‌ها و نانوامولسیون‌های با کیفیت بالا عرضه می‌کند. عملکرد برتر فراصوتی، استحکام و فضای نصب کم، دستگاه‌های فراصوتی Hielscher را به سامانهٔ اختلاطی ایدئال برای سوخت‌های امولسیونی آب در دیزل تبدیل می‌کنند. چه بخواهید سوخت‌های امولسیونی را برای تزریق مستقیم به موتور احتراق تولید کنید و چه سوخت‌های امولسیونی پایدار را برای ذخیره‌سازی و احتراق در زمان بعد، Hielscher Ultrasonics مناسب‌ترین آرایش تجهیزات را برای کاربرد شما دارد. از سامانه‌های کوچک‌تر امولسیون‌سازی فراصوتی برای یکپارچه‌سازی در لوکوموتیوهای راه‌آهن و شناورهای آبراه‌های داخلی تا تولید حجم‌های بالای آکوافیوئل برای نیروگاه‌ها و شناورهای دریایی عظیم – مجموعه‌های پردازشگرهای فراصوتی ما امکان پردازش سوخت امولسیونی را در هر حجمی فراهم می‌کنند.
پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher Ultrasonics، افزون بر خروجی فراصوتی بالا، قابلیت اطمینان و استحکام، امکان کنترل و پایش دقیق را نیز دارند. حسگرهای دما و فشار داده‌ها را به ژنراتور منتقل می‌کنند؛ در آنجا همهٔ پارامترهای مهم فرایند، مانند دامنه، انرژی خالص و کل، دما و فشار، روی یک کارت SD داخلی ثبت می‌شوند. کنترل نرم‌افزاری هوشمند امکان تعیین و تنظیم دقیق پارامترهای فرایند را برای تولید سوخت امولسیونی استاندارد با کیفیت همواره بالا فراهم می‌کند. راکتور جریان فراصوتی ژاکت‌دار را می‌توان به‌طور مؤثر خنک کرد و امولسیون را در دماهای مشخص پردازش نمود. استحکام تجهیزات فراصوتی ما امکان کارکرد 24/7 را در شرایط کاری سنگین و محیط‌های دشوار فراهم می‌کند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوتی ما ارائه می‌دهد:
| دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|
| 0٫5 تا 4L/min | UP200Ht, UP400St |
| 1 تا 8L/min | UIP2000hdT |
| 2 تا 20L/min | UIP4000hdT |
| 30 تا 300L/min | UIP16000 |
| بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
هموژنایزرهای فراصوتی پرتوان از مقیاس آزمایشگاهی تا پایلوت و مقیاس صنعتی.
منابع و مراجع
- Ahmad Muhsin Ithnin; Wira Jazair Yahya; Mohamad Azrin Ahmad; Nur Atiqah Ramlan; Hassanuddin Abdul Kadir; Nor Azwadi Che Sidik; Tsuyoshi Koga (2018): Emulsifier-free Water-in-Diesel emulsion fuel: Its stability behaviour, engine performance and exhaust emission. Fuel 215, 2018. 454-462.
- Mohammed Yahaya Khan; Z. A. Abdul Karim; Ftwi Yohaness Hagos; A. Rashid A. Aziz; Isa M. Tan (2014): Current Trends in Water-in-Diesel Emulsion as a Fuel. The Scientific World Journal 2014(17):527٬472.
- Piotr Pacholski; Mariola Błaszczyk; Jerzy Sęk (2016): Emulsified Diesel as an Alternative Fuel. Technical Issues 4/2016 pp. 62-67.
- V.M. Ivanov; P.I. Nefedov (1965): Experimental Investigation of the combustion process of natural and emulsified liquid fuels, NASA Tech. Transl. TIF-258, 1965.
نکات دانستنی
آکوافیوئل‌ها / سوخت‌های آب در دیزل
امولسیون سامانه‌ای مایع متشکل از دو یا چند سیال امتزاج‌ناپذیر است که در آن یک یا چند فاز (فاز پراکنده) به‌صورت ریز در فاز دیگر (فاز پیوسته) پراکنده شده‌اند. در امولسیون‌های آب–سوخت دیزل، آب به‌صورت قطرات ریز در فاز پیوستهٔ سوخت دیزل پراکنده می‌شود. این نوع امولسیون با نام امولسیون «آب در سوخت» یا آکوافیوئل شناخته می‌شود.