Ultraäänellä valmistetut emulsiot vesi-dieselpolttoaineiden palamiseen

Dieselkäyttöiset generaattorit, laivojen moottorit ja veturien moottorit voivat toimia tehokkaammin, kun käytetään vesi-dieselemulsioita. Vesi-dieselemulsiopolttoaineet vähentävät polttoaineenkulutusta, alentavat palamislämpötilaa, palavat puhtaammin ja vähentävät päästöjä, kuten NOx-päästöjä ja nokea. Ultraääniemulgointi on luotettava, yksinkertainen ja tehokas menetelmä korkealaatuisten vesi-dieselpolttoaineiden valmistamiseen.

Vesi-dieselemulsioiden ultraääniemulgointi

Vesi-dieselemulsiot (WiDE; W/D-emulsiopolttoaine) ovat muunneltu vaihtoehto dieselpolttoaineelle, ja ne sisältävät jopa 15 % vettä. Vesi-dieselemulsioissa, joita kutsutaan myös vesipolttoaineiksi, vesipisarat emulgoidaan ultraäänellä jatkuvaan dieselpolttoainefaasiin. Nesteiden voimakas ultraäänikäsittely synnyttää akustista kavitaatiota. Kavitaation aiheuttamat leikkausvoimat hajottavat pisaroita ja tuottavat homogeenisen emulsion veden ja dieselpolttoaineen faaseista, jotka eivät muuten sekoitu toisiinsa.

Vesi-dieselemulsio

WiDE (W/D-emulsio) määritellään luonnostaan toisiinsa sekoittumattomien nesteiden seokseksi, jossa vesipisarat (dispergoitunut eli sisäinen faasi) ovat dieselpolttoaineessa (jatkuva eli ulkoinen faasi). Emulgointiainetta lisätään pieninä pitoisuuksina emulsion stabiilisuuden parantamiseksi ja sekoittamiseen tarvittavan energian vähentämiseksi.

Kaksifaasinen emulsio

Kaksifaasinen emulsio tarkoittaa veden ja dieselpolttoaineen seosta, jossa ei käytetä lainkaan pinta-aktiivista ainetta. Kaksifaasista WiDE-emulsiota varten veden ja dieselpolttoaineen syöttövirrat emulgoidaan ultraäänellä välittömästi ennen moottoria. Ultraäänellä valmistettu kaksifaasinen vesi-dieselemulsio siirtyy suoraan ultraäänivirtauskennoreaktorista polttomoottoriin. Ilman pinta-aktiivista ainetta emulsiota ei valmisteta varastointia vaan välitöntä polttamista varten.

Vesi-dieselemulsiopolttoainetta koskeva tapaustutkimus

Koelaitteisto

Ithnin ym. (2018) tutkivat vesi-dieselemulsiopolttoaineen (WiDE) vaikutusta yksisylinteriseen suoraruiskutusdieselmoottoriin. Vesi ja dieselpolttoaine varastoitiin erillisissä yksiköissä, joista ne siirrettiin kvantitatiivisesti sekoitusjärjestelmään. Sekoitusjärjestelmä koostui voimakkaita leikkausvoimia tuottavan sekoittimen ja ultraäänihomogenisaattorin yhdistelmästä. Leikkausvoimiin perustuva sekoitin tuotti veden ja dieselpolttoaineen karkean esiseoksen, kun taas ultraäänikäsittelyllä valmistettiin hienopisaraista, tasalaatuista emulsiota. Vesi-dieselemulsio valmistettiin käyttäen 5 % vettä. Homogeeninen WiDE-polttoaine siirrettiin suoraan sekoitusjärjestelmästä moottoriin. Valmistettu WiDE-polttoaine ei sisältänyt pinta-aktiivisia aineita, joten sitä kutsuttiin pitkällä aikavälillä epästabiiliksi emulsiopolttoaineeksi (UW/D). Dieselmoottoria testattiin neljässä eri kuormitustilanteessa (1 kW (25 %), 2 kW (50 %), 3 kW (74 %), 4 kW (100 %)) vakionopeudella 3 000 rpm. Vaikutusten, kuten polttoaineen suorituskyvyn ja päästöjen, vertailemiseksi samalla moottorilla testattiin myös pinta-aktiivisella aineella stabiloitua emulsiopolttoainetta (stabiili emulsio (SW/D)) ja puhdasta dieselpolttoainetta (D2). Sekä epästabiilissa että stabiilissa emulsiossa käytetään 5 % vettä.

Tulokset

Moottoritesti osoittaa, että ilman pinta-aktiivista ainetta valmistettu vesi-dieselemulsiopolttoaine (UW/D) parantaa moottorin toimintaa merkittävästi: akselitehoon perustuva terminen hyötysuhde (BTE) kasvaa 3,59 % ja akselitehoon suhteutettu ominaispolttoaineenkulutus (BSFC) pienenee 3,89 % puhtaaseen dieselpolttoaineeseen verrattuna. Sekä stabiloidut (SW/D) että stabiloimattomat (UW/D) emulsiopolttoaineet paransivat moottorin termistä hyötysuhdetta mikroräjähdysilmiön ansiosta. Mikroräjähdysilmiö aiheuttaa emulgoitujen vesipisaroiden nopean höyrystymisen. Koska pienet vesipisarat ovat öljyn ympäröimiä, voimakas höyrystyminen hajottaa pisarat rajusti erittäin hienoiksi hiukkasiksi, mikä edistää ilman ja polttoaineen sekoittumista. Pisaroiden hajoaminen ja sekoittuminen ilmaan parantavat palamisen hyötysuhdetta merkittävästi.
Tulokset osoittavat, että vesi-dieselemulsiopolttoaineen valmistaminen ja siirtäminen reaaliaikaisesti moottoriin ilman pinta-aktiivista ainetta toimii erittäin hyvin. Ultraäänellä valmistetun vesi-dieselseoksen välitön siirto poistaa sekä varastoitavan emulsiopolttoaineen stabilointiongelman että riippuvuuden pinta-aktiivisesta aineesta. Epästabiili vesi-dieselemulsiopolttoaine (UW/D) säilytti luotettavasti emulsiomuotonsa eikä saavuttanut sedimentoitumisvaihetta 25 sekunnin kuluessa (katso alla oleva kuva).

Ultraäänellä emulgoidun vesi-dieselemulsiopolttoaineen pisaroiden käyttäytyminen ajan kuluessa: a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s ja d) 132 s. (suurennus 1 000×) – Ithnin ym. 2018

Puhtaaseen dieselpolttoaineeseen verrattuna vesi-dieselemulsiopolttoaineen pakokaasujen typenoksidipäästöt (NOx) ja hiukkaspäästöt (PM) ovat merkittävästi pienemmät: keskimääräiset vähennykset ovat vastaavasti 31,66 % ja 16,33 %.

Kaiken kaikkiaan ultraäänellä valmistetut emulsiot – olivatpa ne epästabiileja tai pinta-aktiivisella aineella stabiloituja – auttavat säästämään dieselpolttoainetta ja vähentämään pakokaasupäästöjä.
Ympäristöystävällisemmät pakokaasupäästöt ja polttoainesäästöt ultraäänellä!

Emulgoidun polttoaineen primaarinen ja sekundaarinen sumuuntuminen suihkuliekissä.

Kolmifaasinen emulsio

Kolmifaasinen emulsio koostuu vedestä, öljystä ja pinta-aktiivisesta aineesta. Kun vettä emulgoidaan ultraäänellä dieselpolttoainefaasiin, lisätään pinta-aktiivista ainetta. Emulgointiaine pidentää emulsion stabiilisuutta ja mahdollistaa vesi-dieselpolttoaineen varastoinnin. W/D-emulsion stabiilisuus riippuu emulgointiaineesta, ultraääniprosessin parametreista ja lämpötilasta. Oikealla pinta-aktiivisen aineen ja ultraäänikäsittelyn parametrien yhdistelmällä voidaan saavuttaa WiDE-emulsion huomattava pitkäaikainen stabiilisuus.

Ultraääniemulgointijärjestelmän asentaminen ja jälkiasentaminen on yksinkertaista, turvallista ja edullista. W/D-emulsiopolttoaineita voidaan käyttää kaikissa tavanomaisissa dieselmoottoreissa (esim. generaattoreissa, veturien moottoreissa ja laivojen moottoreissa) ilman muutoksia.

Mikä tekee WiDE-polttoaineista tehokkaampia? – Mikroräjähdysilmiö

Vesi-dieselemulsiopolttoaineet koostuvat jatkuvassa dieselpolttoainefaasissa suspendoituneista vesihiukkasista. Poltettaessa emulsiopolttoaineen pienet vesipisarat saavuttavat ylikuumentuneen tilan dieselpolttoainetta nopeammin ja aiheuttavat palamisen aikana höyryn laajenemisesta johtuvan hajoamisen (spontaanin räjähdyksen), jolloin syntyy erittäin hienoja hiukkasia. Pienten hiukkasten kasvanut pinta-ala yhdessä imuilman kanssa parantaa ilman ja polttoaineen sekoittumista merkittävästi ja lisää siten palamisen hyötysuhdetta. (Ivanov, Nevedov 1965)

Tehokkaat ultraääniemulgointijärjestelmät

Hielscher Ultrasonics toimittaa tehokkaita ultraääniprosessoreita korkealaatuisten (nano)emulsioiden jatkuvaan tuotantoon. Ylivertainen ultraäänisuorituskyky, kestävyys ja pieni tilantarve tekevät Hielscher Ultrasonicators -laitteista ihanteellisen sekoitusjärjestelmän vesi-dieselemulsiopolttoaineille. Halusitpa valmistaa emulsiopolttoaineita suoraan polttomoottoriin ruiskutettaviksi tai stabiileja emulsiopolttoaineita varastointia ja myöhempää polttamista varten, Hielscher Ultrasonics tarjoaa käyttökohteeseesi parhaiten sopivan laitteistokokoonpanon. Pienemmistä vetureihin ja sisävesialuksiin integroitavista ultraääniemulgointijärjestelmistä aina suurten vesipolttoainemäärien tuottamiseen voimalaitoksille ja valtaville merialuksille – ultraääniprosessoriryhmämme mahdollistavat minkä tahansa emulsiopolttoainemäärän käsittelyn.
Suuren ultraäänitehon, luotettavuuden ja kestävyyden lisäksi Hielscher Ultrasonics -yhtiön teollisia ultraääniprosessoreita voidaan ohjata ja valvoa tarkasti. Lämpötila- ja paineanturit välittävät tiedot generaattorille, jossa kaikki tärkeät prosessiparametrit, kuten amplitudi, nettoenergia ja kokonaisenergia, lämpötila ja paine, tallennetaan sisäänrakennetulle SD-kortille. Älykäs ohjelmisto-ohjaus mahdollistaa tarkkojen prosessiparametrien määrittämisen ja asettamisen standardoidun, jatkuvasti korkealaatuisen emulsiopolttoaineen valmistamiseksi. Vaipallista ultraäänivirtausreaktoria voidaan jäähdyttää tehokkaasti, ja se mahdollistaa emulsion käsittelyn määritetyissä lämpötiloissa. Ultraäänilaitteidemme kestävyys mahdollistaa 24/7-käytön suurilla kuormituksilla ja vaativissa ympäristöissä.
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: