Émulsions obtenues par ultrasons pour la combustion de l’eau dans le diesel

Les groupes électrogènes, les moteurs de navires et les moteurs ferroviaires alimentés au diesel peuvent fonctionner plus efficacement lorsque des émulsions d’eau dans le diesel sont utilisées. Les carburants en émulsion eau–diesel réduisent la consommation de carburant, abaissent la température de combustion, brûlent plus proprement et réduisent les émissions, notamment de NOx et de suie. L’émulsification par ultrasons est une méthode fiable, simple et efficace pour produire des carburants de haute qualité à base d’eau dans le diesel.

Émulsification par ultrasons de l’eau dans le diesel

Les émulsions d’eau dans le diesel (WiDE ; carburant en émulsion W/D) constituent une alternative au carburant diesel classique sous une forme modifiée contenant jusqu’à 15% d’eau. Également appelées aquacarburants, les émulsions eau–diesel sont obtenues en émulsifiant par ultrasons des gouttelettes d’eau dans la phase continue de diesel. La sonication intense des liquides génère une cavitation acoustique. Les forces de cisaillement dues à la cavitation fragmentent les gouttelettes et produisent une émulsion homogène des phases d’eau et de diesel, qui sont normalement non miscibles.

Émulsion d’eau dans le diesel

La WiDE (émulsion W/D) est définie comme un mélange de liquides naturellement non miscibles, constitué de gouttelettes d’eau (phase dispersée/interne) dans le diesel (phase continue/externe). Un agent émulsifiant est ajouté à faible concentration pour améliorer la stabilité de l’émulsion et réduire l’énergie nécessaire au mélange.

Émulsion à deux phases

Une émulsion à deux phases désigne le mélange d’eau dans le diesel sans utilisation de tensioactif. Pour une WiDE à deux phases, les flux d’alimentation en eau et en diesel sont émulsifiés par ultrasons immédiatement en amont du moteur. L’émulsion d’eau dans le diesel à deux phases obtenue par ultrasons passe directement du réacteur à cellule à circulation ultrasonore au moteur à combustion. Sans tensioactif, l’émulsion est destinée à une combustion directe et non au stockage.

Étude de cas sur le carburant en émulsion eau–diesel

Le dispositif expérimental

Ithnin et al. (2018) ont étudié l’effet d’un carburant en émulsion d’eau dans le diesel (WiDE) sur un moteur diesel monocylindre à injection directe. L’eau et le diesel étaient stockés dans des unités distinctes, depuis lesquelles ils étaient transférés en quantités dosées vers un système de mélange. Ce système associait un mélangeur à fort cisaillement et un homogénéisateur à ultrasons. Le mélangeur à cisaillement produisait un prémélange grossier d’eau et de diesel, tandis que la sonication permettait d’obtenir une émulsion fine et uniforme. L’émulsion eau–diesel était préparée avec 5% d’eau. Le carburant WiDE homogène était transféré directement du système de mélange au moteur. Le carburant WiDE préparé ne contenait aucun tensioactif et était donc désigné comme un carburant en émulsion instable à long terme (UW/D). Le moteur diesel a été testé sous quatre conditions de charge différentes (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) et à une vitesse constante de 3000 rpm. Afin de comparer les effets sur les performances du carburant et les émissions, un carburant en émulsion stabilisée par un tensioactif (émulsion stable (SW/D)) et du diesel pur (D2) ont également été testés sur le même moteur. Une teneur en eau de 5% est utilisée aussi bien pour l’émulsion instable que pour l’émulsion stable.

Les résultats

L’essai moteur montre que le carburant en émulsion eau–diesel sans tensioactif (UW/D) améliore sensiblement les performances du moteur, avec une augmentation de 3,59% du rendement thermique effectif (BTE) et une réduction de 3,89% de la consommation spécifique effective de carburant (BSFC) par rapport au diesel pur. Les carburants en émulsion, tant stabilisée (SW/D) que non stabilisée (UW/D), ont augmenté le rendement thermique du moteur grâce au phénomène de micro-explosion. Ce phénomène provoque une évaporation rapide des gouttelettes d’eau émulsifiées. Comme les minuscules gouttelettes d’eau sont entourées d’huile, le processus d’évaporation intense les fragmente violemment en particules très fines, ce qui favorise le mélange de l’air et du carburant. La fragmentation des gouttelettes et leur mélange avec l’air augmentent considérablement l’efficacité de la combustion.
Les résultats montrent que le principe consistant à produire le carburant en émulsion eau–diesel et à le transférer en temps réel dans le moteur sans utiliser de tensioactif fonctionne très bien. Le transfert immédiat du mélange eau–diesel préparé par ultrasons élimine le problème de stabilisation des carburants en émulsion stockés ainsi que la dépendance aux tensioactifs. Le carburant en émulsion eau–diesel instable (UW/D) a conservé de manière fiable sa forme d’émulsion sans atteindre le stade de sédimentation pendant 25sec (voir l’image ci-dessous).

Évolution du comportement des gouttelettes du carburant en émulsion d’eau dans le diesel obtenu par ultrasons : a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s et d) 132 s. (grossissement 1000×) – Ithnin et al. 2018

Par rapport au diesel pur, le carburant en émulsion d’eau dans le diesel présente des émissions à l’échappement nettement réduites d’oxydes d’azote (NOx) et de particules (PM), avec une réduction moyenne de 31,66% et de 16,33% respectivement.

Dans l’ensemble, les émulsions préparées par ultrasons – qu’elles soient instables ou stabilisées par un tensioactif – permettent d’économiser du diesel et de réduire les émissions à l’échappement.
Des émissions à l’échappement plus respectueuses de l’environnement et des économies de carburant grâce aux ultrasons !

Atomisation primaire et secondaire dans la flamme de pulvérisation d’un carburant émulsifié.

Émulsion à trois phases

Une émulsion à trois phases, également appelée émulsion ternaire, se compose d’eau, d’huile et d’un tensioactif. Un tensioactif est ajouté pendant l’émulsification par ultrasons de l’eau dans la phase de diesel. L’agent émulsifiant prolonge la stabilité de l’émulsion et permet de stocker le carburant à base d’eau dans le diesel. La stabilité de l’émulsion W/D dépend de l’émulsifiant, des paramètres du procédé ultrasonore et de la température. Une combinaison appropriée de tensioactif et de paramètres de sonication permet d’obtenir une stabilité importante de la WiDE à long terme.

L’installation d’un système d’émulsification par ultrasons et son intégration dans une installation existante sont simples, sûres et peu coûteuses. Les carburants en émulsion W/D peuvent être utilisés avec tous les moteurs diesel conventionnels (par exemple, ceux des groupes électrogènes, des véhicules ferroviaires et des navires) sans modification.

Qu’est-ce qui rend les carburants WiDE plus efficaces ? – Le phénomène de micro-explosion

Les carburants en émulsion d’eau dans le diesel se composent de particules d’eau en suspension dans une phase continue de diesel. Lors de la combustion, les fines gouttelettes d’eau du carburant en émulsion atteignent l’état de surchauffe plus rapidement que le diesel et provoquent une fragmentation par expansion de vapeur (explosion spontanée), créant ainsi des particules très fines. L’augmentation de la surface des minuscules particules, associée à l’air d’admission, améliore sensiblement le mélange de l’air et du carburant, ce qui augmente l’efficacité de la combustion. (Ivanov, Nevedov 1965)

Systèmes d’émulsification par ultrasons haute performance

Hielscher Ultrasonics fournit des processeurs à ultrasons haute performance pour la production continue de (nano-)émulsions de haute qualité. Des performances ultrasonores supérieures, une grande robustesse et un faible encombrement font des appareils à ultrasons Hielscher le système de mélange idéal pour les carburants en émulsion d’eau dans le diesel. Que vous souhaitiez produire des carburants en émulsion destinés à l’injection directe dans un moteur à combustion ou des carburants en émulsion stables destinés au stockage et à une combustion ultérieure, Hielscher Ultrasonics dispose de la configuration la mieux adaptée à votre application. Des petits systèmes d’émulsification par ultrasons à intégrer dans les locomotives ferroviaires et les bateaux de navigation intérieure jusqu’à la production de grands volumes d’aquacarburant pour les centrales électriques et les très grands navires – nos ensembles de processeurs à ultrasons permettent de traiter des carburants en émulsion quel que soit le volume.
Outre leur puissance ultrasonore élevée, leur fiabilité et leur robustesse, les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent être commandés et surveillés avec précision. Des capteurs de température et de pression transmettent les données au générateur, où tous les paramètres importants du procédé, tels que l’amplitude, l’énergie nette et totale, la température et la pression, sont enregistrés sur une carte SD intégrée. La commande logicielle intelligente permet de définir et de régler précisément les paramètres du procédé afin d’obtenir un carburant en émulsion standardisé d’une qualité constamment élevée. Le réacteur à circulation ultrasonore à double enveloppe peut être refroidi efficacement et permet de traiter l’émulsion à des températures spécifiées. La robustesse de nos équipements à ultrasons permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants.
Le tableau ci-dessous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos appareils à ultrasons :