Technologie des ultrasons Hielscher

Émulsions ultrasoniques pour la combustion eau-dans-diesel

Les groupes électrogènes, les moteurs de bateaux et les moteurs de chemin de fer, qui sont alimentés au diesel, peuvent fonctionner plus efficacement lorsque des émulsions eau-dans-diesel sont utilisées. Les carburants à émulsion 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 ultrasonique est une méthode fiable, simple et efficace pour produire des carburants de haute qualité à base d'eau dans le diesel.

Émulsification ultrasonique de l'eau dans le diesel

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

Émulsion eau-dans-diesel

Le WiDE (W/D emulsion) est défini comme un mélange de liquides naturellement non miscibles de gouttelettes d'eau (phase dispersée/interne) dans du diesel (phase continue/externe). Un agent émulsifiant est ajouté à faible concentration afin d'améliorer la stabilité des émulsions et de réduire l'énergie nécessaire au mélange.

Émulsion à deux phases

Une émulsion à deux phases décrit le mélange d'eau dans le diesel sans l'utilisation d'aucun agent tensioactif. Pour un WiDE à deux phases, les flux d'alimentation en eau et en diesel sont émulsifiés par ultrasons juste devant le moteur. L'émulsion ultrasonique biphasée eau-dans-diesel va directement du réacteur à cellule d'écoulement ultrasonique dans le moteur à combustion. Sans tensioactif, l'émulsion n'est pas faite pour le stockage, mais pour 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 à émulsion eau-dans-diesel (WiDE) sur un moteur diesel monocylindre à injection directe. L'eau et le diesel étaient stockés dans des unités différentes, à partir desquelles ils ont été transférés quantitativement 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 fournissait un pré-mélange brut d'eau et de diesel, tandis que la sonication était 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 surfactant, et était donc considéré comme un carburant en 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 avec une vitesse constante de 3000 tr/min. Afin de comparer les effets tels que la performance du carburant et les émissions, un carburant à émulsion stabilisée par un agent tensioactif (SW/D) et un carburant diesel pur (D2) ont également été testés sur le même moteur. 5 % d'eau est utilisée à la fois pour l'émulsion instable et l'émulsion stable.

Les résultats

L'essai moteur montre que le carburant à émulsion eau-diesel sans tensioactif (UW/D) entraîne une amélioration significative du moteur avec une augmentation de 3,59 % de l'efficacité thermique des freins (BTE) et une réduction de 3,89 % de la consommation spécifique de carburant aux freins (BSFC) par rapport au diesel pur. Les carburants en émulsion, stabilisés (SW/D) et non stabilisés (UW/D), ont augmenté le rendement 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 perturbe violemment les gouttelettes en très fines particules, ce qui favorise le mélange de l'air et du carburant. La perturbation des gouttelettes et leur mélange avec l'air augmentent considérablement l'efficacité de la combustion.
Les résultats montrent que le concept de production et de transfert de l'émulsion eau-diesel en temps réel 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 en émulsion stocké ainsi que la dépendance à l'égard des tensioactifs. Le combustible instable à émulsion eau-diesel (UW/D) a maintenu de manière fiable sa forme d'émulsion sans atteindre le stade de la sédimentation en 25sec (voir l'image ci-dessous).

L'émulsification ultrasonique est une méthode fiable pour produire des carburants en émulsion eau-dans-diesel sans émulsifiant.

Comportement des gouttelettes de carburant à émulsion ater-dans-diesel émulsifié par ultrasons dans le 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, le carburant à émulsion eau-dans-diesel présente une réduction significative des 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 – soit instable ou stabilisé par un agent de surface – contribuent à économiser le carburant diesel et à réduire les émissions de gaz d'échappement.
Des émissions de gaz d'échappement plus écologiques et des économies de carburant grâce aux ultrasons !

Émulsionnée-émulsions ultra-sons carburant de l'eau de taille nanométrique. (Cliquez pour agrandir!)

Atomisation primaire et secondaire dans la flamme de pulvérisation du combustible émulsifié.

Émulsifiants ultrasoniques 3x UIP1000hdT pour les émulsions eau-dans-diesel

3x UIP1000hdT système d'émulsion ultrasonique pour les émulsions eau-dans-diesel

Demande d'information





Eau dans le diesel par ultrasons
pour :

  • les locomotives de chemin de fer
  • navires
  • les générateurs d'énergie fixes

Émulsion en phase ternaire

Une émulsion en phase ternaire, également appelée émulsion triphasée, est constituée 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 l'eau dans le carburant 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 de surface et de paramètres de sonication, il est possible d'obtenir une stabilité à long terme significative du WiDE.

L'installation et la mise à niveau d'un système d'émulsification ultrasonique sont simples, sûres et peu coûteuses. Les carburants à émulsion W/D peuvent être utilisés en combinaison avec n'importe quel moteur diesel conventionnel (par exemple, les groupes électrogènes, les moteurs ferroviaires, les moteurs de navire) sans modification.

Avantages des carburants à émulsion diesel ultrasonique

  • émulsion fine
  • teneur en eau variable
  • avec ou sans agent de surface
  • un temps de traitement court
  • facile à installer
  • sécurité d'utilisation
  • Faible investissement, retour sur investissement rapide
  • Faible entretien
  • équipement ultérieur
  • aucune modification du moteur

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

Les carburants en émulsion eau-dans-diesel sont constitués de particules d'eau en suspension dans une phase diesel continue. Lors de la combustion, les fines gouttelettes d'eau du carburant en émulsion atteignent leur stade surchauffé plus rapidement que le diesel et créent une rupture de l'expansion de vapeur (explosion spontanée) pendant la combustion, créant ainsi de très fines particules. Grâce à l'augmentation de la surface des minuscules particules combinées à l'air d'admission, le mélange de l'air et du carburant est nettement amélioré et augmente ainsi l'efficacité de la combustion. (Ivanov, Nevedov 1965)

Systèmes d'émulsification ultrasonique à haute performance

Hielscher Ultrasons fournit des processeurs ultrasoniques de haute performance pour la production continue de (nano-)émulsions de haute qualité. Les performances ultrasoniques supérieures, la robustesse et l'encombrement réduit font des ultrasons Hielscher le système de mélange idéal pour les carburants à émulsion eau-dans-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 Ultrasons a la configuration la plus adaptée à votre application. Des petits systèmes d'émulsion ultrasonique pour l'intégration dans les locomotives et les bateaux de navigation intérieure jusqu'à la génération de grands volumes d'eau-carburant pour les centrales électriques et les énormes navires – nos groupes de processeurs ultrasoniques permettent de traiter des combustibles en émulsion de n'importe quel volume.
En plus d'un rendement ultrasonique élevé, de sa fiabilité et de sa robustesse, Hielscher Ultrasons’ 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. La commande logicielle intelligente permet d'établir et de définir des paramètres de processus exacts pour un combustible à émulsion standardisé de haute qualité continue. Le réacteur à flux ultrasonique à enveloppe peut être refroidi efficacement et permettre de traiter l'émulsion à des températures spécifiées. La robustesse de nos équipements 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 ultrasonicators:

Débit Appareils recommandés
0.5 à 4L/min UP200Ht, UP400St
1 à 8L/min UIP2000hdT
2 à 20L/min UIP4000hdT
30 à 300L/min UIP16000
plus grand groupe de UIP16000

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Hielscher Ultrasons fabrique des homogénéisateurs ultrasoniques haute performance pour la dispersion, l'émulsification et l'extraction cellulaire.

Homogénéisateurs ultrasoniques de haute puissance de laboratoires à pilote et échelle industrielle.

Littérature / Références



Qu'il faut savoir

Aquafuels / Eau dans les carburants diesel

Une émulsion est un système liquide composé de deux ou plusieurs fluides non miscibles, où une ou plusieurs phases (phase dispersée) sont finement dispersées dans l'autre (phase continue). Pour l'eau – les émulsions de carburant diesel, l'eau est dispersée sous forme de fines gouttelettes dans la phase continue du carburant diesel. Ce type d'émulsion est connu sous le nom d'émulsion "eau dans le carburant" ou d'aquafuel.