Emulsions ultrasoniques pour la combustion de l'eau dans le diesel

Les générateurs d'électricité, les moteurs de bateaux et les moteurs de trains, qui sont alimentés au diesel, peuvent fonctionner plus efficacement si l'on utilise des émulsions eau-diesel. Les émulsions eau-diesel réduisent la consommation de carburant, abaissent la température de combustion, brûlent plus proprement et réduisent les émissions, telles que les NOx et la suie. L'émulsification par ultrasons est une méthode fiable, simple et efficace pour produire des carburants eau-diesel de haute qualité.

Emulsification ultrasonique de l'eau dans le diesel

Les émulsions eau-diesel (WiDE ; W/D emulsion fuel) sont une alternative au carburant diesel modifié, qui contient jusqu'à 15 % d'eau. Également connues sous le nom d'aqua-carburant, les émulsions eau-diesel sont des gouttelettes d'eau émulsifiées par ultrasons dans la phase continue du diesel. Une sonication intense des liquides génère une cavitation acoustique. Les forces de cisaillement de la cavitation perturbent les gouttelettes et produisent une émulsion homogène des phases eau et diesel, autrement non miscibles.

Emulsion eau dans le diesel

L'émulsion W/D (émulsion W/D) est définie comme un mélange de liquides naturellement non miscibles de gouttelettes d'eau (dispersées/phase interne) dans du diesel (continu/phase externe). Un agent émulsifiant est ajouté en faible concentration afin d'améliorer la stabilité des émulsions et de réduire l'énergie nécessaire au mélange.

émulsion biphasée

Une émulsion biphasée décrit le mélange d'eau et de diesel sans l'utilisation d'un agent tensioactif. Dans le cas d'une émulsion biphasée, les flux d'eau et de gazole sont émulsifiés par ultrasons en amont du moteur. L'émulsion ultrasonique biphasée eau-diesel passe directement du réacteur ultrasonique à cellule d'écoulement au moteur à combustion. Sans tensioactif, l'émulsion n'est pas destinée au stockage, mais à la combustion directe.

Étude de cas sur l'émulsion eau-diesel

La mise en place

Ithnin et al. (2018) ont étudié l'effet du carburant d'émulsion eau dans diesel (WiDE) sur un moteur diesel monocylindre à injection directe. L'eau et le diesel ont été stockés dans différentes unités, à partir desquelles ils ont été quantitativement transférés dans un système de mélange. Le système de mélange consistait en une combinaison d'un mélangeur à haut cisaillement et d'un homogénéisateur à ultrasons. Le mélangeur à cisaillement a fourni un pré-mélange brut d'eau et de diesel, tandis que la sonication a été utilisée pour obtenir une émulsion fine et uniforme. L'émulsion eau-diesel a été préparée avec 5 % d'eau. Le carburant WiDE homogène a été directement transféré du système de mélange dans le moteur. Le carburant WiDE préparé ne contenait aucun agent tensioactif, et a donc été qualifié de carburant à émulsion instable à long terme (UW/D). Le moteur diesel a été testé dans quatre conditions de charge différentes (1 kW (25 %), 2 kW (50 %), 3 kW (74 %), 4 kW (100 %)) et à une vitesse constante de 3 000 tr/min. Afin de comparer les effets tels que les performances du carburant et les émissions, une émulsion stabilisée par un tensioactif (émulsion stable (SW/D)) et du carburant diesel pur (D2) ont également été testés sur le même moteur. 5 % d'eau sont utilisés pour l'émulsion instable et l'émulsion stable.

Les résultats

L'essai du moteur montre que l'émulsion eau-diesel sans tensioactif (UW/D) entraîne une amélioration significative du moteur avec une augmentation de 3,59 % du rendement thermique au frein (BTE) et une réduction de 3,89 % de la consommation spécifique de carburant au frein (BSFC) par rapport au carburant diesel pur. Les carburants émulsionnés, qu'ils soient stabilisés (SW/D) ou non (UW/D), ont augmenté l'efficacité thermique du moteur grâce au phénomène de micro-explosion. Le phénomène de micro-explosion 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 désagrège violemment en particules très fines, ce qui favorise le mélange de l'air et du carburant. L'éclatement des gouttelettes et le mélange avec l'air augmentent considérablement l'efficacité de la combustion.
Les résultats montrent que le concept de production et de transfert en temps réel de l'émulsion eau-diesel dans le moteur sans utiliser d'agent tensioactif fonctionne très bien. Le transfert immédiat du mélange eau-diesel préparé par ultrasons élimine le problème de stabilisation du carburant émulsionné stocké ainsi que la dépendance à l'égard des agents de surface. L'émulsion eau-diesel instable (UW/D) a conservé de manière fiable sa forme d'émulsion sans atteindre le stade de la sédimentation dans les 25 secondes (voir l'image ci-dessous).

Comportement des gouttelettes de l'émulsion eau-dans-diesel émulsionnée par ultrasons au cours du temps a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s et d) 132 s. (grossissement 1000×) – Ithnin et al. 2018

Par rapport au carburant diesel pur, l'émulsion eau-diesel permet de réduire de manière significative les émissions d'oxydes d'azote (NOx) et de particules (PM), avec une réduction moyenne de 31,66 % et 16,33 % respectivement.

Globalement, les émulsions préparées par ultrasons – qu'ils soient instables ou stabilisés par un agent tensioactif – contribuent à économiser le carburant diesel et à réduire les émissions de gaz d'échappement.
Des émissions d'échappement plus vertes et des économies de carburant grâce aux ultrasons !

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

Emulsion à phase ternaire

Une émulsion ternaire, également connue sous le nom d'émulsion triphasée, se compose d'eau, d'huile et d'un agent tensioactif. Lors de l'émulsification ultrasonique de l'eau dans la phase diesel, un agent tensioactif est ajouté. L'agent émulsifiant prolonge la stabilité de l'émulsion et permet de stocker le carburant eau-dans-diesel. La stabilité de l'émulsion W/D dépend de l'émulsifiant, des paramètres du processus ultrasonique et de la température. Avec la bonne combinaison d'agents tensioactifs et de paramètres de sonication, il est possible d'obtenir une stabilité à long terme significative de la WiDE.

L'installation et le rééquipement d'un système d'émulsification par ultrasons sont simples, sûrs et peu coûteux. Les carburants à émulsion W/D peuvent être utilisés en combinaison avec n'importe quel moteur diesel conventionnel (par exemple, générateurs d'électricité, moteurs ferroviaires, moteurs de bateaux) sans modification.

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

Les carburants émulsionnés eau-diesel sont constitués de particules d'eau en suspension dans une phase diesel continue. Lors de la combustion, les fines gouttelettes d'eau contenues dans l'émulsion atteignent leur phase surchauffée plus rapidement que le diesel et créent une rupture par expansion de vapeur (explosion spontanée) au cours de la combustion, créant ainsi de très fines particules. En raison de la surface accrue des particules minuscules combinées à l'air d'admission, le mélange de l'air et du carburant est considérablement amélioré, 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 de haute performance pour la production continue de (nano-)émulsions de haute qualité. Les performances supérieures des ultrasons, leur robustesse et leur faible encombrement font des ultrasons Hielscher le système de mélange idéal pour les émulsions eau-diesel. Que vous souhaitiez produire des carburants en émulsion pour l'injection directe dans un moteur à combustion ou des carburants en émulsion stables pour le stockage et la combustion ultérieure, Hielscher Ultrasonics dispose de l'installation la mieux adaptée à votre application. Des petits systèmes d'émulsion à ultrasons pour l'intégration dans les locomotives de chemin de fer et les bateaux de navigation intérieure jusqu'à la production de grands volumes d'aqua-carburants pour les centrales électriques et les énormes bateaux de navigation. – nos groupes de processeurs à ultrasons permettent de traiter des combustibles en émulsion de n'importe quel volume.
Outre le rendement élevé des ultrasons, la fiabilité et la robustesse, Hielscher Ultrasonics’ Les processeurs industriels à ultrasons peuvent être contrôlés et surveillés avec précision. Les capteurs de température et de pression transmettent les données au générateur, où tous les paramètres importants du processus, tels que l'amplitude, l'énergie nette et totale, la température et la pression, sont enregistrés sur une carte SD intégrée. Le logiciel de contrôle intelligent permet d'établir et de régler les paramètres exacts du processus pour un combustible en émulsion standardisé de haute qualité continue. Le réacteur ultrasonique à double enveloppe peut être refroidi efficacement et permet de traiter l'émulsion à des températures spécifiques. La robustesse de notre équipement à ultrasons permet un fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des conditions difficiles.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :